天然气地球科学 >

2022 , Vol. 33 >Issue 6: 886 - 898

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.12.012

非常规天然气

黔北凤冈地区海相牛蹄塘组页岩气成藏地质特征及评价

  • 张大权 , 1, 2 ,
  • 邹妞妞 , 3, 4 ,
  • 杜威 1, 2 ,
  • 赵福平 1, 2 ,
  • 陈祎 1, 2 ,
  • 石富伦 1, 2 ,
  • 王奕松 1, 2 ,
  • 林瑞钦 1, 2
展开
  • 1. 自然资源部复杂构造区非常规天然气评价与开发重点实验室，贵州 贵阳 550004
  • 2. 贵州省油气勘查开发工程研究院，贵州 贵阳 550004
  • 3. 贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025
  • 4. 贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025
邹妞妞（1989-），女，甘肃静宁人，副教授，博士，主要从事沉积学和石油地质学研究. E-mail：.

张大权（1988-），男，甘肃兰州人，工程师，硕士，主要从事非常规油气勘探研究. E-mail：.

收稿日期: 2021-10-18

  修回日期: 2021-12-29

  网络出版日期: 2022-06-28

收起

Geological features and evaluation of Niutitang Formation shale gas in Fenggang block， northern Guizhou

  • Daquan ZHANG , 1, 2 ,
  • Niuniu ZOU , 3, 4 ,
  • Wei DU 1, 2 ,
  • Fuping ZHAO 1, 2 ,
  • Yi CHEN 1, 2 ,
  • Fulun SHI 1, 2 ,
  • Yisong WANG 1, 2 ,
  • Ruiqin LIN 1, 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Unconventional Natural Gas Evaluation and Development in Complex Tectonic Areas，Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China，Guiyang 550004，China
  • 2. Guizhou Engineering Research Institute of Oil & Gas Exploration and Development，Guiyang 550004，China
  • 3. College of Resources and Environment Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China
  • 4. Key Laboratory of Karst Georesources and Environment，Ministry of Education，Guizhou University，Guiyang 550025，China

Received date: 2021-10-18

  Revised date: 2021-12-29

  Online published: 2022-06-28

Supported by

The Geological Exploration Fund Project of Guizhou Province, China(208-9912-JBN-L1D7)

the China Guizhou Provincial Science and Technology Department Project（Grant No.［2019］1119）

the 2017 Academic New Seedling Cultivation and Innovation Exploration special Project of Guizhou University（Grant No.［2017］7285）

the Introduction of Talents Research Project of Guizhou University（Grant No.（2016）82）

the Talent Base Project of Guizhou Province, China(RCJD2018-21)

Fold

本文亮点

依据岩石学、有机地球化学、储集性、含气性特征等页岩基础地质要素和构造样式及埋深、断层及裂缝、顶底板盖层与自封闭性条件、地层压力等保存条件对黔北凤冈地区海相牛蹄塘组页岩成藏地质特征进行系统研究。结果表明，研究区下寒武统牛蹄塘组页岩具有高的TOC含量、R O值、脆性矿物含量及甲烷吸附能力；页岩孔隙以原生孔隙为主，包括泥粒孔、顺层缝隙、层间缝隙等，对储层孔渗物性有明显影响；页岩总含气量与孔隙度、比表面积和TOC值呈显著的正相关关系，与黏土矿物含量成反比关系，页岩储层孔隙度和比表面积对含气量的贡献大于黏土矿物含量。从保存条件看，研究区宽缓状背斜及其所夹宽缓的鞍状构造带，地层产状较缓，埋藏深度适中，具有良好的顶、底板盖层与自封闭条件，有利于页岩气的保存，但若宽缓背斜核部发育通天断裂、走滑断层和高角度裂缝则不利于页岩气的保存，此外地层压力对保存条件并不起决定性作用，低压和常压地层也存在工业价值的页岩气聚集。在此基础上，提出了黔北凤冈地区海相牛蹄塘组页岩气成藏的评价指标。

本文引用格式

张大权 , 邹妞妞 , 杜威 , 赵福平 , 陈祎 , 石富伦 , 王奕松 , 林瑞钦 . 黔北凤冈地区海相牛蹄塘组页岩气成藏地质特征及评价[J]. 天然气地球科学, 2022 , 33(6) : 886 -898 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.12.012

Highlights

On the basis of characteristics of shale reservoir formation， such as lithology and mineral composition， organic geochemistry， reservoir characteristics， gas-bearing characteristics， combined with structural style and burial depth， faults and fractures， top and floor cap rocks， reservoir pressure， a comprehensive characterization of the Niutitang shale is performed. The results indicate the Niutitang shale has high TOC， high R O， brittle mineral contents and methane sorption capacity. The main pores of shale minerals include mud particle pores， bedding cracks， interlayer cracks， which are large in number and mainly primary， and have a significant impact on the porosity and permeability of the reservoir. The total gas content of shale has a significant positive correlation with porosity， specific surface area and TOC， and is inversely proportional to clay mineral content. So the contribution of porosity and specific surface area to gas content of shale is greater than that of clay mineral content. From the perspective of preservation conditions， the gentle anticline and saddle structural strata sandwiched by the anticline in the study area is relatively slow， the burial depth of Niutitang Formation is moderate， and it has good roof and floor caprock， which is conducive to the preservation of shale gas. But poor sealing， strike slip and high angle fracture fault are not conducive to preservation， which will destroy the preservation of shale. In addition， reservoir pressure does not play a decisive role in preservation conditions， and there is also industrial value of shale gas accumulation in low-pressure and atmospheric pressure formations. Finally， a valuation index system of preservation conditions is put forward and the comprehensive favorable areas for shale accumulation in the study area are optimized.

0 引言

贵州省页岩气资源丰富，据2013年贵州省页岩气调查评价结果，贵州全省页岩气总资源量为9.21×1012 m3，主要分布在6个层系，分别为下寒武统变马冲组、下寒武统牛蹄塘组、下志留统龙马溪组、下石炭统打屋坝组、中二叠统梁山组和上二叠统龙潭组，分别占贵州省总资源量的2%、39%、16%、16%、9%、19%［1］。其中，下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组占比一共为55%。但除龙马溪组在正安区块外，其余层系均未取得重大突破。目前四川盆地及周缘仅在龙马溪组海相页岩中成功实现商业开发［2-8］。与龙马溪组页岩相比，下寒武统牛蹄塘组页岩的有机质丰度和热演化程度更高，沉积厚度更大、分布面积更广泛［9-16］，但从勘探效果上看，黔北区域牛蹄塘组海相页岩气勘探经历了前期艰苦的探索过程，但勘探效果不甚理想［17-20］。
凤冈一区块是2012年原国土资源部对页岩气探矿权出让的区块，页岩气勘探工作尚处于起步阶段，地质工作程度低，特别是针对下寒武统牛蹄塘组页岩气基础地质特征的研究相对薄弱，页岩气地质条件不明确。本文从黔北凤冈一区块具有代表性的海相牛蹄塘组勘探实际资料出发，利用钻井、测井、岩心观察、分析化验、二维地震等资料，分析页岩岩石学、有机地球化学、储集性和含气性特征等静态基础要素，同时结合构造样式及埋深、断层和裂缝、顶底板盖层与自封闭性条件、地层压力等因素，讨论研究区页岩气保存条件，并提出了研究区海相牛蹄塘组页岩气成藏评价指标，以期对黔北海相牛蹄塘组页岩气勘探有所裨益。

1 区域地质背景

贵州凤冈地区地处贵州省遵义市东北部，构造上位于扬子地块东南缘，是以前震旦系为基底的准克拉通地块［10，18］，北部紧邻四川盆地南缘，东南部濒临江南造山带［10］。根据邻区钻井资料和区域露头揭示，区内发育地层有：震旦系、寒武系、奥陶系、下志留统、二叠系及三叠系，缺失中上志留统、泥盆系、石炭系、侏罗系、白垩系及部分新生界地层，震旦系灯影组与寒武系牛蹄塘组在该区无出露，均掩埋于地腹。贵州省早寒武世牛蹄纪岩相古地理格局继承和发展了晚震旦世格局，全省范围受扬子东南上升洋流控制，省内自西向东依次由浅水陆棚相向盆地相过渡，牛蹄塘组沉积早期，凤冈一区块整体处于深水陆棚水下洼地；牛蹄塘组沉积晚期，贵州省内水体逐渐向东变浅，凤冈一区块整体位于浅水陆棚环境［1］。凤冈一区块下寒武统牛蹄塘组全区发育，主体埋深在1 000~3 500 m之间，选取探井YX1井牛蹄塘组页岩层段为主要研究对象，按照岩性及测井特征该井牛蹄塘组可分为2段，其中牛蹄塘组一段为黑色炭质页岩，厚度约为30~60 m；牛蹄塘组二段发育灰黑—深灰绿色炭质页岩，夹灰绿色炭质页岩及钙质页岩（图1）。
图1 凤冈地区地质图（a）和YX1井综合柱状图（b）

Fig.1 The geological map of Fenggang block（a） and comprehensive histogram of Well YX1（b）

2 页岩气成藏基础地质特征

本文研究页岩气成藏基础地质特征以凤冈一区块下寒武统牛蹄塘组页岩为研究对象，选取区内YX1井21块岩心样品，通过总有机碳含量（TOC）、X射线衍射（XRD）、气体吸附、岩石薄片鉴定、扫描电镜等实验进行岩性及矿物成分、有机地球化学、储集及含气性分析，实验样品的基本信息、参数和实验结果见表1。
表1 研究区YX1井牛蹄塘组实验分析数据

Table1 Experimental analysis data in the Niutitang Formation of Well YX1 in the study area

采样

编号

采样深度

/m

TOC

/%

R O

/%

石英

/%

黏土矿物

/%

孔隙度

/%

渗透率

/（10-3 μm2）

 比表面积 /（m2/g）

孔径

/nm

总孔体积

/（10-3 cm3/g）

总含气量

/（m3/t）

吸附气含量

/（m3/t）

 干酪根类型指数（TI）
JS-1 1 921.65 0.45 1.52 37.9 47.1 1.59 0.006 4 0.22 2.49 60.5
JS-2 1 927.22 0.86 1.47 38.4 44.1 2.14 0.009 6 5.842 4.065 10.77 0.22 4.69 49.25
JS-3 1 933.27 0.36 1.88 40.2 46.7 1.66 0.003 1 0.18 4.41 59.5
JS-4 1 939.94 0.33 1.53 39.4 47 0.85 0.009 5 0.24 2.20 61.5
JS-5 1 946.58 0.3 37.8 40.8 3.234 4.036 7.178 0.22 3.02 57.75
JS-6 1 951.14 0.29 2.34 39.4 46.6 0.39 3.46 63.25
JS-7 1 959.52 0.37 1.88 39.7 44.5 0.27 4.31 62.25
JS-8 1 963.92 0.77 1.96 38.3 44 1.89 0.007 5 0.44 3.41 64.5
JS-9 1 966.73 0.49 2.56 36.1 39.7 5.64 4.047 8.718 0.21 2.39 64.5
JS-10 1 971.14 1.14 2.06 37.1 44.6 4.552 3.825 14.55 0.2 3.91 61
JS-11 1 977.42 0.5 1.84 36.9 46.1 0.25 3.41 58.25
JS-12 1 985.65 1.74 33.7 29.9 2.53 0.005 5 0.22 2.96 54.5
JS-13 1 991.39 0.84 1.72 33.2 36.8 2.54 0.005 4 0.45 2.06 56.5
JS-14 1 996.57 4 1.96 30.3 26.7 4.24 0.005 4 21.205 3.837 19.25 0.84 4.96 59.75
JS-15 2 003.02 6 27.1 20 2.63 0.004 4 20.947 3.824 16.97 0.9 4.86 57.75
JS-16 2 010.33 6.44 1.74 54.5 18.2 21.27 3.839 18.34 1.31 4.30 60.25
JS-17 2 014.53 6.86 2 36.3 10.3 3.08 0.005 6 7.611 4.036 8.395 1.21 4.94 55.5
JS-18 2 017.21 6.67 1.86 43.2 14 2.68 0.006 2 19.649 3.838 20.52 0.52 4.96 59
JS-19 2 021.43 4.47 2.43 20.3 8.7 4.51 0.012 5 0.53 3.56 56.25
JS-20 2 026.19 4.81 2.33 52.3 18 14.392 4.068 13.78 1.05 5.04 57.75
JS-21 2 029.86 5.17 2.41 29.8 15.5 9.069 4.051 9.614 1.22 4.58 58.5

注：总含气量为解析法测量，为解吸气、损失气、残余气之和

2.1　岩石学特征

YX1井岩性组合分析表明，下寒武统牛蹄塘组埋深为1 919~2 031 m，发育岩性主要为黑色页岩，含炭含粉砂泥岩和含粉砂泥岩等，总厚度约为122 m，其中底部优质黑色炭质页岩埋深为1 996.56~2 031 m，厚度为34.44 m（图1，表1）。岩石主要由泥质组成，其次为炭质、硅质、石英、白云石。泥质呈显微鳞片状，含量约为50%；炭质呈浸染状，含量约为30%；硅质呈显微隐晶质，含量约为10%；石英粒径<0.03 mm，含量约为5%；白云石为碎屑，含量约为5%。依据岩石定名规则镜下定名为黑色含硅含粉砂炭质页岩（图2）。
图2 凤冈地区YX1井牛蹄塘组炭质页岩（样品JS-15）偏光显微镜下特征

(a)单偏光,×50； (b)正交光,×50

Fig.2 Microscopic characteristics of carbonaceous shale（sample JS-15）in the Niutitang Formation of Well YX1 in Fenggang block

页岩的矿物成分特征不仅对储层压裂改造具有重要影响，而且会影响页岩孔隙发育和含气性［21-22］，通常认为石英、长石、黄铁矿等矿物含量越高，其脆性越大，越有利于后期压裂开发和页岩孔隙发育和游离气的聚集成藏［23-25］。全岩X射线衍射定量分析结果表明：牛蹄塘组页岩矿物组成以石英和黏土矿物为主，其次为白云石和斜长石，方解石和钾长石相对较少［图3（a）］。石英含量为27.1%~54.5%，平均为38.1%；黏土矿物含量为8.7%~47.1%，平均为32.3%；长石主要为斜长石和钾长石，其中斜长石平均含量为10.95%，钾长石平均含量为1.19%；碳酸盐矿物包括方解石和白云石，其中方解石平均含量为2.48%，白云石平均含量为7.71%；菱铁矿和黄铁矿含量也较高，黄铁矿平均含量为6.07%，菱铁矿平均含量为0.46%。总体来说，页岩的矿物组成与已商业开发的北美地区页岩较为类似［图3（b）］，但研究区牛蹄塘组泥页岩黏土矿物和碳酸盐矿物含量稍高，会加大后期压裂难度。
图3 古生界海相页岩岩石矿物组成

（a）YX1井牛蹄塘组矿物组成；（b）美国主要页岩［28］与牛蹄塘组矿物组成三角图

Fig.3 Mineral composition of Paleozoic marine shale reservoirs

2.2　有机地球化学特征

有机质丰度、类型和热演化程度是烃源岩评价的重要指标，是表征烃源岩生烃量和生烃强度的重要参数［7，26-27］。YX1井牛蹄塘组测试样品有机碳含量（TOC）分布范围为0.3%~6.86%，平均值为2.52%；牛蹄塘组一段优质黑色炭质页岩段（标准为TOC>3.0%）有机碳含量介于4%~6.86%之间，平均值为5.55%。有机质镜质体反射率（R O）值介于1.47%~2.56%之间，平均值可达1.97%，有机质成熟度已经达到成熟—过成熟阶段，以生干气为主，干酪根显微样品检测结果表明干酪根类型指数为49.25~64.5，页岩有机质类型为Ⅱ1型，已经处于油裂解阶段，有利于页岩气的生成。

2.3　储集特征

储层孔隙及其类型对页岩储层物性有决定性影响，孔隙的成因类型不同，对储层物性影响各异［29］。页岩中的孔隙结构、类型及孔隙度和渗透率不仅控制着游离气的含量［30］，而且在一定程度上决定页岩气的赋存状态［31］。国内外众多学者如SLATT等［32］、LOUCKS等［33］、邹才能等［34］和于炳松［35］对页岩储层微观孔隙类型进行了研究，但目前尚无统一方案。本文以扫描电镜形貌观测结果为主要依据，综合考虑沉积作用、成岩后生作用、地质构造作用等因素，并参考文献将研究区页岩矿物孔隙分为主要孔隙和其他孔隙［36］，主要孔隙以原生孔隙为主，包括有泥粒孔、顺层缝隙、层间缝隙，在多数页岩样品中普遍可见，对储层孔渗性有明显影响。泥粒孔孔径一般为数微米［图4（a）］，形状不规则，分布不均匀；顺层缝隙为片状矿物顺层理方向延展而形成的短缝隙，其长度一般为数十微米，呈曲线状，大体平行层理［图4（b）］；层间缝隙为规模远小于层理、大于顺层缝隙且平行层理的单向裂隙，一般数量较多时会增加储层的各向异性和孔渗性［图4（c）］；其他孔隙有溶蚀孔、晶间孔缝、片间缝隙等，其数量少、规模小、局限性大［图4（d）—图4（f）］。页岩储层中泥粒孔、顺层缝隙、层间缝隙以及溶蚀孔、晶间孔缝、片间缝隙等缝隙并存，具有孔径尺度小、成因类型多、连通性差等特点。从物性来看（表1），其有效孔隙度介于0.85%~4.51%之间，平均值为2.229%；其渗透率介于（0.003 1~0.012 5）×10-3 μm2之间，平均值为0.006 4×10-3 μm2；比表面积介于3.234~21.205 m2/g之间，平均值为12.802 m2/g；孔体积介于0.007~0.021 cm3/g之间，平均值为0.013 cm3/g；平均孔径在3.824~4.068 nm之间，平均值为3.934 nm，反映研究区页岩以低孔—超低渗为主，都需要经过储层改造来增强气体的渗流性。
图4 研究区牛蹄塘组页岩扫描电镜照片

（a）样品JS-16，抛光面，泥粒孔发育，有机质赋存状态以填隙状为主，含量较多；（b）样品JS-16，自然断面，顺层缝隙发育，主要矿物组成伊利石和硅铝质；（c）样品JS-11，抛光面，可见层间缝隙；（d）样品JS-16，自然断面，可见片间缝隙，云母类矿物发育；（e）样品JS-12，抛光面，碎屑颗粒内部孔隙，溶蚀孔；（f）样品JS-16，抛光面，晶间孔缝，有机质和黄铁矿等矿物发育

Fig.4 FE-SEM images of the Niutitang Formation shale in the study area

2.4　含气性特征

含气性是页岩气富集程度的最直观反映，现场解析是测量页岩含气量的最直接方法［26］，解析法实验结果显示YX1井总含气量测试平均为0.52 m3/t，其中解吸气平均含量为0.20 m3/t，损失气平均含量为0.26 m3/t，残余气平均含量为0.06 m3/t，底部黑色炭质页岩总含气量高于上部粉砂质泥页岩，总含气量为0.95 m3/t，且牛蹄塘组页岩总含气量与孔隙度［图5（a）］、比表面积［图5（b）］和有机质含量（TOC）［图5（h）］呈显著的正相关关系，与黏土矿物含量成反比［图5（c）］，表明页岩储层孔隙度和比表面积对含气量的贡献大于黏土矿物含量。
图5 页岩气孔隙结构参数与TOC含量和含气量的关系

（a）YX1井牛蹄塘组孔隙度与含气量的关系；（b）YX1井牛蹄塘组比表面积与含气量的关系；（c）YX1井牛蹄塘组黏土矿物与含气量的关系；（d）YX1井牛蹄塘组TOC与吸附气含量的关系；（e）YX1井牛蹄塘组TOC与兰氏压力的关系；（f）YX1井牛蹄塘组比表面积与吸附气含量的关系；（g）TX1井牛蹄塘组页岩与含气量的关系（王濡岳等［24］）；（h）YX1井牛蹄塘组页岩与含气量的关系（本文）；（i）四川盆地及周缘下古生界页岩气产量与压力系数关系［38］

Fig.5 Relationships between TOC content， gas content and pore structure parameters of shale gas

甲烷等温吸附实验饱和吸附气量是反映页岩气聚集能力最直观的指标［37］，饱和吸附气量越大表明页岩吸附性越强，页岩气富集潜力越大。甲烷等温吸附实验测试温度30 ℃，甲烷浓度99.99%，测定6个平衡点，最大压力接近10 MPa，并用Langmuir方程拟合计算得到页岩饱和吸附气量，结果表明页岩吸附气含量介于2.2~5.04 m3/t之间，平均值为3.81 m3/t，具有很强的甲烷吸附能力，兰氏压力介于2.03~6.61 MPa之间，平均为4.71 MPa，吸附气含量总体来说在底部优质黑色页岩段较高。有机质含量对富有机质页岩的甲烷吸附能力具有重要影响，页岩吸附气含量与TOC含量具有良好的正相关关系［图5（d）］，兰氏压力与TOC含量呈负相关关系［图5（e）］。对于我国四川盆地及周缘大部分地区富有机质页岩，其兰氏压力普遍低于2~3 MPa［28］，而研究区牛蹄塘组页岩兰氏压力普遍大于3 MPa，表明凤冈地区牛蹄塘组页岩吸附能力强，利于页岩气开发。此外比表面积对页岩吸附气含量的影响显著［图5（f）］，比表面积增加为页岩气的赋存提供大量的空间，有利于页岩气富集。

3 页岩气成藏保存条件

3.1　构造样式及埋深

研究区寒武系牛蹄塘组保存完整、厚度稳定、全区均有分布，受岩性的差异、构造条件的不同和后期风化剥蚀作用的改造影响，牛蹄塘组底界整体埋藏较深，埋深在700~6 800 m范围内变化。由于务川复向斜和谢坝复背斜（图1）的存在，该组在研究区整体呈东西两带分布，东部务川复向斜多出露晚古生界且地层产状较陡，牛蹄塘组埋藏深度较大；西部谢坝复向斜多出露寒武系且地层产状较缓，牛蹄塘组埋藏深度适中。区内ZY1井和YX1井分别位于谢坝复背斜西翼和东翼（图6），在牛蹄塘组上表现较明显，背斜呈宽缓状，两翼地层较平缓，南段向西南延伸，两翼地层倾角一般在15°左右，轴线为北北东向，构造西翼相对平缓，以西为土坪复向斜，以东为务川复向斜，断层倾角较大，与土坪复向斜和务川复向斜组成箱状褶皱，呈鞍状复向构造排列。研究区宽缓状背斜及背斜所夹宽缓的鞍状构造，与焦石坝地区［7］及岑巩地区［39］构造样式具有一定的相似性，有利于页岩气的保存，但若宽缓背斜核部发育通天断裂及走滑断层，则不利于页岩气保存，此外背斜核部距离地表较近页岩气有溢出的可能性，勘探时应引起重视。
图6 凤冈页岩气勘探地区地震剖面解释结果（c—d测线）

Fig.6 Interpretation results of seismic profile in Fenggang shale gas exploration area（c-d section）

3.2　断层和裂缝

断层和裂缝对页岩气保存起双重作用［18，40］，一方面决定页岩渗透率的大小和页岩孔隙的连通程度；另一方面若断层发育过大或通天又会破坏页岩气的富集和保存［41］。
研究区页岩气区块地理位置处于黔北地区，以逆断层为主，断层倾角一般较大，大多在40°~70°之间，其中较大断裂主要发育为南东向，较小的断裂发育为北西向。研究区中部谢坝复背斜及务川复向斜逆冲断层发育，断层规模较大，延伸较远；其他区域断层规模相对较小（表2）。区内ZY1井周围无大型断裂，离西侧F9和F10断层距离大于5 000 m，总含气量平均为1.28 m3/t，含气性与保存条件较好。YX1井位于F7与F8断层之间，距离断层较近，且F8断层延伸长度约为32 km，向上断至寒武系内部，向下消失于震旦系；F7断层向上断至地表，向下消失于震旦系（表2，图6），该井牛蹄塘组TOC含量、储层物性等都与ZY1井基本一致，但含气量较低，平均仅为0.52 m3/t，这与该井两侧发育通天大断层有关，不利于页岩气的保存。
表2 研究区断层基本要素统计

Table 2 Statistical table of fault basic elements in the study area

断层

序号

断层

倾向

断层倾角

/（°）

延伸长度

/km

 是否断至地表 断层性质
F1 南东 60~70 35.3 否 逆断层
F2 南东 60~75 36.2 是 逆断层
F3 北西 20~30 8 否 逆断层
F4 南东 20~30 22 是 逆断层
F5 北西 40~50 24 否 逆断层
F6 南东 20~30 4.5 否 逆断层
F7 南东 50~60 22 是 逆断层
F8 南东 20~40 32 否 正断层
F9 南东 30~40 28 是 逆断层
F10 南西 30~40 22 否 逆断层
F11 北西 40~50 3.5 否 逆断层
F12 北西 30~40 4 否 逆断层
F13 北西 40~50 3.8 否 逆断层
F14 南东 20~30 4 否 逆断层
F15 北西 50~60 5 否 逆断层
F16 北西 50~60 4.5 否 逆断层
微裂缝和水平裂缝在远离断裂的稳定区对页岩横向渗透率改善效果明显，总体表现出积极的贡献，但开启性高角度缝易于形成页岩气逸散通道，会将页岩与不利于保存的断层沟通，也不利于页岩气的保存［38］。研究区YX1井下寒武统牛蹄塘组页岩岩心裂缝的发育特征在纵向上变化明显（图7），裂缝主要发育在底部黑色页岩段，大部分以韧性剪切破裂形成的高角度剪切缝和张剪性裂缝为主，其次为沿层理面顺层滑动的剪应力产生的与层理面大致平行的水平及低角度滑脱缝，裂缝长度主要分布在1~5 cm和5~10 cm之间，裂缝宽度小于0.5 mm，主要充填物为方解石、黄铁矿和泥质，此外页岩中发育大量的微裂缝，开度在0.1~5 μm之间，以非构造缝为主，主要类型为层间缝、粒间缝和粒内缝［图4（d）—图4（f）］，微孔隙与微裂缝相互沟通，也在一定程度上增加了页岩的储集空间并改善了储层渗流能力。但离断层带越近的页岩分布区裂缝越发育，且研究区裂缝以垂直或高角度构造缝为主，高角度裂缝会将页岩与不利于保存的断裂或高渗流层相连，破坏页岩气的保存。
图7 YX1井牛蹄塘组岩心裂缝综合柱状图

Fig.7 Comprehensive histogram of core fractures in Niutitang Formation of Well YX1

3.3　顶、底板盖层与自封闭条件

黔北地区经历武陵、加里东、燕山、喜马拉雅等多期构造运动，具有“早期抬升，持续生烃，长期相对稳定，后期改造”的特点［24］，这使得顶、底板盖层条件变得尤为重要。研究区牛蹄塘组页岩顶、底板盖层分别为上覆的明心寺组和下伏的灯影组。明心寺组岩性主要为灰色—深灰色的钙质页岩夹粉砂岩、灰岩，厚度达到130 m以上，区内ZY1井明心寺组孔隙度略大于1%，突破压力值为20.35 MPa，理论上能封住2 000 ｍ左右的天然气气柱，在该井埋深1 000 m左右的情况下认为其具有良好的顶板封盖能力［42］。灯影组以白云岩为主，厚度达到24~136 m，临区凤冈二区块YD8井灯影组孔隙度为0.634%~1.485%，渗透率为（0.000 516~0.000 036 4）×10-3 μm2，突破压力值为32.2 MPa。考虑到页岩气自身特点，页岩自封闭条件对页岩气的保存也有一定影响［18］，YD8井牛蹄塘组中上部孔隙度为0.593%~1.310%，渗透率小于0.000 01×10-3 μm2，突破压力为29.4~35 MPa。据前人统计我国多数气田盖层突破压力集中于1~15 MPa之间［39，43］，表明研究区牛蹄塘组顶、底板的封盖性及其自身封闭能力足以保存牛蹄塘组页岩气。

3.4　地层压力

地层压力系数在一定条件下对页岩气的保存条件起指示作用［18，44-45］。在美国产气页岩中，埋深介于2 000~3 000 m之间热成因的页岩气藏一般以超压为主，埋深介于1 000~2 000 m之间热成因的页岩气藏通常为常压—微超压，只有少数生物成因的页岩气多为正常压力或者低压［46-48］。研究区在燕山运动前构造长期稳定，埋藏深度长期小于3 000 m，区内地层压力系数为1.0~1.12，区内YX1井牛蹄塘组地层压力系数为1.10，属于常压，这与美国Barnett、Marcellus、Woodford和Eagle Ford页岩具有类似的成因、埋深和地层压力系数（表3）。而岑巩地区［45］牛蹄塘组地层压力系数为0.91~1.13，地层处于低压—常压状态，对比研究区YX1井和岑巩地区TX1井2口井牛蹄塘组总含气量，2口井TOC含量相当且相关性较为一致，但含气量差异较大，TX1井含气量高达1.1~2.88 m3/t［图5（g）］，但YX1井仅为0.18~1.31 m3/t［图5（h）］，说明地层压力在常压状态下对页岩的含气量并无显著影响，而与页岩气的产量呈正相关关系［图5（i）］。因此，地层压力系数对页岩气的保存状况要视页岩气的成因、埋深和封闭性等综合分析而定，地层压力对最初页岩气产量起显著影响，但对保存条件并不起决定性作用，低压和常压地层存在页岩气聚集的工业化价值，仍然是页岩气勘探不可忽视的部分。
表3 美国主要产气页岩层系与牛蹄塘组地层压力系数(据文献[44-48])

Table 3 Formation pressure coefficients for major gas-producing shale formations in the United States and Niutitang Formation in China(according to Refs.[44-48])

盆地名称 页岩名称 埋深/m R O/% 压力系数
密执安 Antrim 180~670 0.4~0.6 0.875
阿巴拉契亚 Ohio 610~1 530 0.4~1.3 0.375~1
伊利诺斯 New Albany 180~1 500 0.4~1.0 1.075
福特沃斯 Barnett 1 980~2 600 1.0~1.7 1.075~1.3
圣胡安 Lewis 915~1 830 1.6~1.88 0.5~0.625
黑勇士 Haynesville 3 050~4 000 1.2~3.0 2
安纳达科 Woodford 1 830~3 350 1.0~4.0 1.15
阿克玛 Fayetteville 305~2 135 1.0~4.0 1.15
阿巴拉契亚 Marcellus 1 220~2 590 1.2~3.5 1.25
贵州岑巩 牛蹄塘组 1 200~2 200 2.3~4 0.91~1.13
贵州凤冈 牛蹄塘组 1 000~3 500 1.5~3.5 1.0~1.12

4 页岩气成藏评价指标

研究区页岩气具有较为良好的基础地质静态特征，但页岩气基础地质条件好不一定能形成高含气量的页岩气藏，良好的保存条件是海相页岩气富集与高产的关键决定因素，若保存条件不好，页岩气藏散失逸尽难以形成工业气藏，只有两者兼备才是页岩气富集成藏的必要条件［4，18，39，41］。本文在系统分析页岩气成藏基础地质特征和保存条件的基础上，选取页岩厚度、有机质含量、成熟度、孔隙度和含气量等基础要素和埋深、构造部位、距目的层露头距离、断裂发育情况、地层压力等保存条件参数对黔北凤冈区块海相牛蹄塘组岩气成藏进行综合评价，建立评价指标（表4），其中目标区为主要依据页岩发育规模、深度、地球化学指标和含气量等参数确定，在自然条件或经过储层改造后能够具有页岩气商业开发价值的区域；有利区为能够或可能获得页岩气工业气流的区域；远景区为具备规模性页岩气形成地质条件的潜力区域。
表4 凤冈地区牛蹄塘组海相页岩气评价指标

Table 4 Evaluation indexes of Niutitang Formation marine shale gas in Fenggang block

评价参数 目标区 有利区 远景区
黑色页岩厚度/m ≥50 ≥30 ≤30
有机碳含量/% ≥2.0 ≥1.5 ≤1.5
有机质成熟度/% 1.5~2.5 ≥1.2 ≤1.2
脆性矿物含量/% ≥40 ≥35 ≤35
孔隙度/% ≥8 ≥4 ≤4
含气量/（m3/t） ≥1.0 ≥0.5 ≤0.5
目的层埋深/m 1 000~2 500 2 500~3 500 ≥3 500
地层倾角/（°） 5~10 10~15 10~15
构造部位 宽缓褶皱核部 宽缓褶皱两翼 有断层遮挡的宽缓褶皱
距目的层露头距离/km >5 3~5 2~3
区域性断裂发育情况 无 基本无 较少
距深大、通天断裂距离/km >5 >2 1~2
距小型、高角度断裂距离/km >2 1~2 0.5~1
自封闭条件 良好 良好 一般
顶底板厚度/m >50 30~50 15~30
顶底板封盖条件 良好 良好 一般
地层压力系数 >1 0.9~1 0.7~0.9

注：部分指标据文献[1,4,8,43⁃45]

依据该指标体系，重点考虑页岩气成藏保存条件，对凤冈一区块牛蹄塘组页岩气有利区进行了划分（图8），既为研究区下一步的勘探部署与甜点预测提供重要依据，也可为南方复杂构造区页岩气勘探研究提供参考。
图8 凤冈地区牛蹄塘组页岩气成藏有利区

Fig.8 Favorable zones for the Niutitang Formation shale gas reservoir in the Fenggang block

5 结论

（1）研究区下寒武统牛蹄塘组页岩具有高的TOC含量、R O值、脆性矿物含量及甲烷吸附能力。TOC含量介于0.3%~6.86%之间，平均值为2.52%；R O值介于1.47%~2.56%之间，平均值达到1.97%；石英和黏土矿物含量平均值分别为38.1%和32.3%；页岩吸附气含量介于2.2~4.96 m3/t之间，平均值为3.69 m3/t，具有很强的甲烷吸附能力，兰氏压力介于2.03~6.61 MPa之间，平均为4.71 MPa。页岩吸附气含量与TOC含量具有良好的正相关性，兰氏压力与TOC含量呈负相关关系，表明有机质含量对页岩甲烷吸附能力具有控制作用。
（2）研究区牛蹄塘组页岩孔隙以原生孔隙为主，包括泥粒孔、顺层缝隙、层间缝隙等，对储层孔渗物性影响明显。页岩总含气量与孔隙度、比表面积和有机质含量（TOC）呈显著的正相关关系，与黏土矿物含量成反比，孔隙度和比表面积对含气量的贡献大于黏土矿物含量。
（3）研究区宽缓状背斜及其所夹宽缓的鞍状构造带，地层产状较缓，埋藏深度适中，具有良好的顶、底板盖层与自封闭条件，有利于页岩气的保存，但若宽缓背斜核部发育通天断裂、走滑断层和高角度裂缝不利于页岩气的保存。此外地层压力对保存条件并不起决定性作用，低压和常压地层也存在页岩气聚集的工业化价值。
（4）页岩气地质成藏特征评价应以页岩的岩石学、有机地球化学特征、储集特征、含气性特征等基础地质要素为基础，结合构造样式及埋深、断层和裂缝、顶底板盖层与自封闭条件、地层压力等保存条件系统全面地分析各指标的配置关系，籍以对页岩气有利选区做出准确、合理的评价。

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