谷阳，徐晟，徐佳佳，张百忍，姚树青，赵相宽

（1.中国地质调查局地学文献中心，北京 100083；2.中国地质图书馆，北京 100083）

0 引言

页岩气是种清洁能源，相比石油、煤炭等化石能源，其燃烧时所排放的温室气体更低，符合各国低碳可持续发展的大趋势[1]。美国页岩气革命的成功不仅帮助该国扭转天然气大量进口的局面，更为其提供了一条可持续的绿色发展道路，悄然改变全球的能源结构与经济格局[2-3]。近年来，我国南方四川盆地、黔北地区和渝东南地区的下古生界页岩气勘探开发取得了长足进步，发现了长宁、威远、涪陵等多个大气田[4-6]。黔北地区安页1井获得了“四层楼”式天然气、页岩气的重大突破，并提出了深水陆棚相页岩、稳定的构造保存、地层超压“三位一体”的页岩气富集高产理论，表明黔北地区具有较高的页岩气资源勘查潜力[7-9]。

前人针对黔北地区龙马溪组页岩储层进行了一定的研究，但研究内容大多比较单一，主要针对页岩岩相、沉积环境和微观孔隙结构等，对龙马溪组页岩储层的综合表征研究较少[10-15]。本文以黔北凤冈地区下志留统龙马溪组海相富有机质页岩为研究对象，综合利用矿物学、有机地球化学、低温液氮吸附、甲烷等温吸附和场发射扫描电镜等资料，对下志留统龙马溪组页岩储层发育特征进行精细描述。

1 区域地质背景

凤冈区块位于我国海相页岩气勘探先导实验区之一的黔北地区，区域上属于扬子准地台东部，与华北地块和华南造山带相邻，处在扬子地台的构造单元湘鄂西—川东南构造带的武陵褶皱带内。

在多期次构造运动的影响下，区块内断裂、褶皱构造较发育（见图1），多组断裂相互切割、联合和干扰，不同走向的断裂切割关系非常复杂，以北东向和北北东向断裂为主。褶皱整体上主要为北东向和北北东向展布，以“隔槽式”结构为主，发育一系列北东向的复向斜与复背斜，向斜带内构造变形较强，以宽缓的背斜和紧闭的向斜相间分布为特征。

地层在前震旦系—第四系均有沉积，绝大部分属于海相沉积，分布厚度较大。研究区内出露的地层主要有寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系，缺失白垩系、侏罗系、石炭系、泥盆系地层，古近系、新近系及第四系地层零星分布。

在早奥陶世—早志留世时期，上扬子地区受华夏板块挤压影响，逐步由稳定克拉通转换为受周缘隆起围陷的局限浅海环境。贵州地区受晚奥陶世都匀运动影响，下志留统地层超覆于奥陶系地层之上，龙马溪组地层主要分布在黔中隆起以北、雪峰山隆起以西地区。在黔中隆起、雪峰山隆起和川中隆起联合控制下，下志留统龙马溪组暗色富有机质泥页岩开始沉积。上扬子地区受华夏板块不断挤压影响，持续隆升，以泥质盖层及碎屑岩储层沉积为主，沉积环境也逐渐由局限浅海深水环境转变为局限浅海-潮坪环境[16]。

图1 凤冈区块断裂体系分布

2 储层矿物学特征

页岩矿物组分中的石英、碳酸盐岩、长石和黄铁矿等脆性矿物质量分数对页岩含气性、基质孔隙和裂缝的发育程度、脆性程度等方面具有重要影响，甚至对页岩气富集机理研究和后期压裂改造方式的选择也具有指导意义[17]。根据国内外页岩气勘探开发成功经验，矿物组分中脆性矿物质量分数越大，页岩储层中整体脆性越高，在后期压裂改造时越容易产生诱导缝与天然裂缝沟通，有利于页岩气开采[18-21]。

通过对研究区YC-1，YC-2，YC-3井及野外露头的龙马溪组页岩样品X射线衍射定量分析，表明页岩矿物组分以石英为主，黏土和碳酸盐矿物质量分数接近，黄铁矿欠发育。其中：石英质量分数在23%～68%，平均38.2%；碳酸盐矿物质量分数在6%～50%，平均21.5%；黏土矿物质量分数在10%～31%，平均21.4%。页岩中黏土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，质量分数平均80.5%，绿泥石次之（见图2）。

图2 凤冈区块YC-2井龙马溪组页岩样品组分特征

页岩储层脆性评价是目前页岩气勘探开发的重点，脆性页岩中天然裂缝发育程度较高，易在后期水力压裂时形成复杂裂缝网络，实现体积改造。通过计算矿物脆性指数来反映页岩脆性是目前最常用的方法，即：

式中：Br为岩石矿物脆性指数，%；wcl为黏土矿物质量分数，%；wq，wf，wc，wp分别为石英、长石、碳酸盐矿物、黄铁矿等脆性矿物质量分数，%。

计算结果表明：凤冈区块龙马溪组页岩样品的Br分布在69%～90%，平均 78.6%，且86.8%的样品 Br分布在 70%～85%（见图 3）。

图3 凤冈区块龙马溪组页岩矿物脆性指数分布

3 有机地球化学特征

3.1 有机质类型

有机质类型的划分可以采用干酪根元素组成 （相对原子质量比如H/C，O/C）、干酪根显微组分（腐泥组、镜质组、壳质组和惰质组）、生物来源以及稳定碳同位素等方法进行判别[22]。通过干酪根类型可以判断生烃母质的品质及油气产出能力，不同类型的干酪根还对页岩储层中气体的扩散率和吸附气量影响显著[23]。通常可以根据干酪根的显微组分和化学成分来确定有机质来源和沉积环境。

凤冈区块下志留统龙马溪组干酪根显微组分以腐泥组为主。其中：腐泥组质量分数在89%～96%，平均93%；惰质组质量分数在4%～10%，平均4.3%；样品中含少量的镜质组（见表1）。干酪根类型指数介于78.3～92.0，干酪根类型以Ⅰ型为主，Ⅱ1型次之。腐泥质中富含蛋白质与类脂化合物，由藻类和低等浮游生物堆积演化而来，具有良好的生油气潜力。

表1 凤冈区块龙马溪组页岩干酪根显微组分与干酪根类型

3.2 有机质成熟度

对研究区周边10个野外采样点和区内钻井岩心测试资料研究表明，龙马溪组页岩等效镜质组反射率Ro分布在1.27%～3.07%，平均2.03%，由南向北热演化程度逐渐增高，区域上凤冈区块龙马溪组富有机质页岩沉积演化与沉积中心相对应[16]。区块西南部受黔中隆起带影响，龙马溪组沉积厚度减薄，有机质成熟度偏低（Ro普遍低于2.0%）；而北边龙马溪组沉积较厚，为龙马溪期黔北地区的一个沉积沉降中心，Ro普遍大于2.0%，干酪根处于高成熟—过成熟早期演化阶段。

通过对北美页岩气和我国南方海相页岩气勘探生产现状研究，发现Ro为1.1%～3.5%的页岩气藏能获得较好的商业开采。总体来说，凤冈地区龙马溪组富有机质页岩的成熟度指标满足页岩气成藏要求。

3.3 有机质丰度

有机质丰度是评价页岩气资源潜力的重要指标，有机质为页岩气富集成藏提供所需要的比表面积和孔隙空间，一般用总有机碳质量分数TOC来表征有机质丰度。研究区龙马溪组页岩TOC在0.39%～9.24%，平均为 2.65%。Bowker[24]认为 TOC至少要达到 2.5%～3.0%，才能形成有效页岩气藏；姜振学等[25]认为高有机质丰度是页岩气富集成藏的基本前提，当TOC高于3.0%时，含气量一般高于4.0 m3/t。研究区龙马溪组页岩的TOC在垂向上均呈先增后减的单峰式分布，在龙马溪组页岩的底部达到最高值（见图4）。

图4 凤冈区块YC-2井龙马溪组测井特征及有机质丰度纵向分布

4 储集空间

4.1 孔隙类型和微裂缝

借助高倍的聚焦离子束扫描电镜，可以观察页岩的微观孔缝发育特征。Loucks等[26]对于页岩基质孔隙提出了三分法，包括粒间孔、粒内孔和有机质孔3种孔隙类型。于炳松等[27]按孔隙结构及产状将页岩孔隙划分为有机质孔、矿物基质孔和微裂缝，其中，矿物基质孔又进一步分为粒间孔和粒内孔。页岩中的纳米级孔缝是页岩储层中页岩气储集和渗滤的主要空间和高效通道。

研究区龙马溪组页岩中发育有机质孔、粒间孔、晶间孔、溶蚀孔及微裂缝等各种微观孔隙，但是孔径、形状及发育规模等差异性较大（见图5）。有机质孔主要呈气泡状、椭圆形等不规则状，孔径在2～400 nm，有机质孔隙在富有机质页岩中分布较为集中，具有较好的连通性。但是，在部分低丰度页岩中有机质富集程度存在差异，有机质孔隙发育程度较低，这可能与有机质孔隙发育特征及页岩形成过程中沉积水体的氧化-还原条件有关[28]。粒间孔主要指黏土矿物、石英、长石等矿物之间的孔隙。龙马溪组页岩以黏土矿物粒间孔为主，孔径在3～5 000 nm，主要呈狭缝状和不规则状，孔隙规模较大。晶间孔主要见于草莓状黄铁矿晶粒之间，孔径在20～2 000 nm，龙马溪组页岩中黄铁矿大量发育，能够有效提高页岩的比表面积，为气体吸附提供空间。溶蚀孔主要发育在方解石和长石等矿物颗粒表面，与有机酸类的生成和地层流体的侵蚀作用有关[29]，多呈不规则状，孔径在10～1 000 nm。受多期构造活动影响，研究区龙马溪组页岩中微裂缝发育较普遍，一般呈条带状，延伸较远，为页岩气储存及运移提供了重要场所和空间，增强了页岩储层的渗流能力。

4.2 孔隙结构

页岩储层非均质性极强，孔隙结构复杂，发育丰富的纳米级微孔隙[30-31]。本次采用氮气吸附实验对孔隙结构特征进行分析，样品均以纳米级孔隙为主，孔径主体分布在2～5 nm。根据国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）对孔隙分类，将孔隙分为宏孔（孔径大于50 nm）、中孔（孔径在 2～50 nm）和微孔（孔径小于 2 nm）。

图5 龙马溪组页岩微观孔隙类型

由图6可以看出：曲线整体呈反S形，根据对滞后环形态的分类，龙马溪组页岩滞后环以H4型为主，即当相对压力较低（小于0.45）时，脱附曲线和吸附曲线近似重叠，吸附量上升缓慢；当相对压力介于0.45～0.90时，开始出现滞后环，呈凹形平稳上升；相对压力介于0.90～1.00时，吸附曲线急剧上升，且并没有达到吸附饱和，滞后环总体平缓狭长，对应狭缝状孔隙。

根据BJH和BET方程计算出龙马溪组页岩的比表面积、孔径分布和孔体积，页岩的BET比表面积在9.68～22.68 m2/g，平均为 17.76 m2/g；BJH 吸附总孔体积在 0.014 7～0.023 4 cm3/g，平均为 0.019 9 cm3/g；BJH 平均孔径介于3.93～6.08 nm，平均为4.68 nm。如图7所示：页岩的孔径分布峰值主要集中在3～5 nm，表明龙马溪组页岩的孔隙结构以中孔为主，为页岩气的吸附和储集提供了主要空间。

图7 龙马溪组页岩孔径分布特征

从图8可以看出：TOC与BET比表面积和BJH总孔体积呈正相关关系。这主要是由于龙马溪组页岩中有机质热演化产生的纳米级孔隙增大了页岩的比表面积和孔隙体积。TOC是影响页岩纳米孔发育的主要因素，而TOC和BET比表面积与平均孔径呈负相关，表明有机质内部发育大量纳米级孔隙。但是，相对于孔径较大的孔隙，孔径较小的孔隙对页岩的表面积贡献较大，但对孔隙体积贡献较小。

4.3 页岩吸附能力

研究区龙马溪组甲烷等温吸附实验结果表明（见图9）：在30℃的恒温条件下，样品的Langmuir吸附气量在1.596～2.127 cm3/g，平均为1.903 cm3/g。针对甲烷吸附能力的差异，本文进行了分析讨论。

图8 龙马溪组页岩总有机碳质量分数与孔隙结构参数的关系

图9 龙马溪组页岩甲烷等温吸附曲线

由图10可知：TOC与甲烷吸附量呈正相关关系，即随TOC增加，样品的吸附能力增强，因为在TOC较高的页岩中富含大量纳米级有机质孔隙，增加了页岩的比表面积，提供了更多的吸附点位。龙马溪组页岩大多处于高成熟—过成熟阶段，页岩吸附能力与Ro呈正相关关系。武景淑等[32]发现，当Ro大于2.0%时，甲烷吸附量与Ro和大孔体积均存在正相关性，这可能是由于高成熟有机质中纳米级显微裂缝较发育，可吸附比表面积增大。在矿物质量分数与甲烷吸附量的关系分析中，wq，wc与甲烷吸附量呈良好正相关关系，这可能由于石英等脆性矿物具有较强的抗压实能力，有利于页岩中孔隙和裂缝的保存[33-36]。

图10 龙马溪组页岩参数与甲烷吸附量的关系

5 结论

1）黔北地区龙马溪组页岩有机质类型好，丰度高，热演化程度适中。干酪根类型以Ⅰ型为主，Ro平均为2.03%，TOC平均为2.65%。矿物组成以石英为主，其次为碳酸盐岩和黏土矿物。储层整体脆性较高，有利于后期压裂形成裂缝网络。

2）龙马溪组页岩储层中发育有机质孔、粒间孔、晶间孔、溶蚀孔及微裂缝等微观孔隙。BET比表面积平均为17.76 m2/g；BJH吸附总孔体积平均为0.019 9 cm3/g，BJH孔径平均为4.68 nm。中孔是主要储集空间。

3）龙马溪组甲烷吸附量在 1.596～2.127 cm3/g，平均为1.903 cm3/g，吸附能力整体较强。其中：TOC与孔隙结构参数、甲烷吸附量存在较好的正相关性，对二者影响显著；随着热演化程度增高和石英的脆性矿物质量分数的增加，页岩的吸附能力也明显增强。