中揚(yáng)子宜昌地區(qū)寒武系水井沱組頁(yè)巖含氣性及影響因素

羅勝元，劉 安，李 海，陳孝紅，張 淼

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205)

頁(yè)巖氣以游離態(tài)存在于天然裂縫和孔隙空間，或以吸附態(tài)儲(chǔ)存于礦物顆粒、有機(jī)質(zhì)顆粒表面[1]，頁(yè)巖氣含氣量指頁(yè)巖中游離氣和吸附氣的總和。前人研究認(rèn)為，頁(yè)巖有機(jī)碳含量、熱成熟度、礦物組成、物性結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育程度等自身因素以及地層埋深、地層壓力等外部因素，是影響頁(yè)巖含氣量的主控因素[2-7]。目前已發(fā)現(xiàn)的下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣工業(yè)氣井主要集中在四川盆地內(nèi)部及周緣[8-11]，川中威遠(yuǎn)、川西井研—犍為、黔南黃平等地區(qū)的筇竹寺組/牛蹄塘組頁(yè)巖氣測(cè)顯示活躍，現(xiàn)場(chǎng)解析總含氣量高，多口井獲得工業(yè)氣流。四川盆地外圍的中揚(yáng)子地區(qū)廣泛發(fā)育厚度大、有機(jī)質(zhì)含量高的下寒武統(tǒng)頁(yè)巖，但缺乏含氣的直接證據(jù)，大部分頁(yè)巖氣井含氣量較低或含較多氮?dú)鈁12-14]，少部分頁(yè)巖氣井含氣但規(guī)律性不強(qiáng)，高值局限在糜棱化破碎體系內(nèi)[15]，勘探效果不甚理想，影響頁(yè)巖含氣性的主控因素也不明確。中揚(yáng)子鄂西宜昌地區(qū)位于油氣勘探外圍地區(qū)，經(jīng)歷了多期次復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[16]，鉆井稀少，寒武系頁(yè)巖氣勘探程度較低。近年來，在宜昌地區(qū)獲得了寒武系頁(yè)巖氣勘探發(fā)現(xiàn)并有望實(shí)現(xiàn)勘探突破，該區(qū)是中揚(yáng)子海相頁(yè)巖氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)之一。本文以已經(jīng)取得工業(yè)突破的宜頁(yè)1井資料分析結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合宜地2井資料，分析宜昌地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組頁(yè)巖含氣性特征，對(duì)含氣性影響因素進(jìn)行了探討，以期為該地區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)及后期勘探部署提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

宜昌地區(qū)處于中揚(yáng)子褶皺帶川東北—大冶對(duì)沖干涉帶黃陵隆起西南緣(圖1)，西北與黃陵隆起相連，東北以通城河斷裂與當(dāng)陽(yáng)復(fù)向斜相鄰，西以天陽(yáng)坪斷裂與宜都—鶴峰復(fù)背斜相接，總面積約2 150 km2。受黃陵隆起和西側(cè)天陽(yáng)坪斷裂的控制，研究區(qū)呈單斜構(gòu)造，地層為北東走向、南東傾向，產(chǎn)狀平緩，地層傾角為5°～15°，地表出露南華系—二疊系以及白堊系和黃陵花崗巖(圖1)，具有東南新、西北老的特點(diǎn)。研究區(qū)主體出露白堊系地層。

宜昌地區(qū)自南華紀(jì)以來進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造—沉積階段，經(jīng)歷了早加里東期的伸展裂陷、晚加里東期的會(huì)聚擠壓，海西—早印支期的伸展裂陷和晚印支—喜馬拉雅期的會(huì)聚擠壓抬升[17]，分別形成南華紀(jì)—早奧陶世的被動(dòng)大陸邊緣盆地、中奧陶世—志留紀(jì)的前陸盆地、泥盆紀(jì)—早三疊世的克拉通盆地和中三疊世—早侏羅世的前陸盆地。晚燕山期區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的變形改造，地層不均衡抬升并遭受大規(guī)模剝蝕，形成現(xiàn)今海相殘留盆地。宜昌地區(qū)在寒武紀(jì)早期處于臺(tái)地向深水陸棚過渡相帶，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度變化大，燈影峽一帶早寒武世初期為臺(tái)地邊緣淺灘相的燈影組沉積，向西至秭歸泗溪、宜昌巖家河一帶為斜坡相—淺水陸棚相的巖家河下段沉積[18]。早寒武世早期的廣泛海侵，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)被深水陸棚廣泛覆蓋，并在陸棚—斜坡帶發(fā)育厚度較大的黑色巖系。

圖1 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況及鉆井位置

2 頁(yè)巖含氣性

2.1 含氣頁(yè)巖特征

部署于宜昌斜坡的宜頁(yè)1井鉆遇寒武系水井沱組頁(yè)巖86 m，埋深在1 786～1 872 m；巖性主要為暗色泥頁(yè)巖、灰質(zhì)泥巖，發(fā)育細(xì)水平紋層，見豐富的浮游藻類生物化石(圖2)。研究區(qū)水井沱組頁(yè)巖具有良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，有機(jī)碳含量為0.43%～10.45%，平均2.7%；有機(jī)質(zhì)熱成熟度(Ro)平均為2.35%，現(xiàn)今處于過成熟演化階段。含氣頁(yè)巖層石英含量為12.5%～44.4%，平均29.33%，碳酸鹽含量平均為25.94%；黏土礦物含量平均為35.06%，且以伊/蒙間層為主，占57.41%，伊利石含量占32.59%。水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為致密儲(chǔ)層，孔隙度為0.96%～3.32%，平均2.08%，主要分布在1.6%～2.8%；頁(yè)巖滲透率在(0.01～3.05)×10-3μm2之間。

2.2 氣測(cè)錄井

頁(yè)巖含氣量是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣資源潛力與衡量頁(yè)巖氣目標(biāo)區(qū)是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的重要指標(biāo)[19]。氣測(cè)錄井、現(xiàn)場(chǎng)解析以及壓裂試氣，均顯示研究區(qū)具有良好的頁(yè)巖氣資源潛力。氣測(cè)錄井作為最直接、連續(xù)的半定量指標(biāo)，可以有效反映氣體顯示的宏觀趨勢(shì)[20]，是表征頁(yè)巖含氣性的有效指標(biāo)之一。宜昌地區(qū)多口頁(yè)巖氣井在鉆遇水井沱組黑色頁(yè)巖時(shí)具良好的氣測(cè)顯示。以宜頁(yè)1井為例，自上而下水井沱組氣測(cè)值整體升高，全烴從0.11%逐漸上升到2.71%，巖心置于水中氣顯強(qiáng)烈，收集的氣體點(diǎn)火可燃，火焰呈淡藍(lán)色。上部灰?guī)r段全烴含量低，多為0.1%～0.2%，在井深1 744～1 745 m見氣測(cè)異常，全烴由0.123%上升到18.965%，甲烷由0.111%上升到14.143%，結(jié)合巖屑分析為裂縫含氣所致。1 790 m 以后全烴升至0.5%以上，1 837 m 以后全烴升至1%以上，1 855 m 以后全烴多升至1.5%，最高達(dá)到2.71%，甲烷含量為1.98%，揭示了該區(qū)下寒武統(tǒng)具有較好的頁(yè)巖氣勘探潛力。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)解析

解析實(shí)驗(yàn)是測(cè)量頁(yè)巖含氣量的最直接方法，參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法：SY/T 6940-2013》。在井口巖心出筒后，選擇約30 cm頁(yè)巖去除泥漿雜物，稱重后置于密閉金屬解析罐中，并記錄鉆遇地層時(shí)間、起鉆時(shí)間、到達(dá)井口時(shí)間和封罐時(shí)間。前3 h解析溫度采用泥漿循環(huán)溫度，3 h后在地層溫度條件下解析，記錄環(huán)境溫度和大氣壓力數(shù)據(jù)，采集含氣量隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，持續(xù)自然解析至解析速率小于10 cm3/d時(shí)中止解析。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，將體積換算到溫度0 ℃、壓力101.325 kPa下，獲得解析氣含量。

圖2 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)宜頁(yè)1井寒武系水井沱組典型巖心照片

a.水井沱組中部發(fā)育的灰色含泥質(zhì)灰?guī)r及層間裂縫，1 799.4 m；b.黑色碳質(zhì)泥巖中海綿古針化石及高角度微裂縫，1 846.93 m；c.黑色碳質(zhì)泥巖中方解石脈體充填兩組相交高角度裂縫，1 868.74 m；d.黑色灰質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，1 829.35 m；e.巖層間揉皺變形，1 864.72 m

Fig.2 Typical core photos of Shuijingtuo Formation in well Yiye-1, Yichang area, Middle Yangtze region

損失氣量采用USBM方法計(jì)算獲得，解析初期解析氣量與時(shí)間平方根成正比[21]，繪制時(shí)間—解析氣量曲線并回歸到時(shí)間零點(diǎn)，即可推算出損失氣含量。殘余氣為頁(yè)巖自然解析終止后經(jīng)粉碎釋放出的氣體體積。由于檢測(cè)儀器復(fù)雜，開采過程中產(chǎn)出難度大，本研究測(cè)試含氣量主要包括解析氣和損失氣。

對(duì)區(qū)內(nèi)已實(shí)施的2口頁(yè)巖氣鉆井采用現(xiàn)場(chǎng)解析法測(cè)定頁(yè)巖氣含量。宜地2井自1 642.8～1 731.5 m共解析51塊巖心；宜頁(yè)1井水井沱組下段自1 762.38～1 938.27 m共解析59塊巖心樣品，解析時(shí)間通常持續(xù)20～30 h，含氣量數(shù)據(jù)如表1所示。圖3為宜頁(yè)1井現(xiàn)場(chǎng)解析氣量隨時(shí)間變化曲線，一階解吸3 h采用泥漿循環(huán)溫度，保證游離態(tài)氣體逸散速率與泥漿中逸散速率相同，模擬了頁(yè)巖自鉆遇—提升—地面這段時(shí)間中的損失量，表現(xiàn)出解析速率高的特征；解析氣量基本占總解析氣量的60%～85%，符合常規(guī)天然氣和致密砂巖氣中以游離氣為主的特點(diǎn)[22]。二階解吸使用地層溫度解析檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，解析速率變慢，后期累計(jì)氣量幾乎呈一條平直的線隨時(shí)間延伸，這與高階煤以吸附氣為主的解析特點(diǎn)類似[23]。由于頁(yè)巖中氣體分子的游離態(tài)和吸附態(tài)是一種相對(duì)平衡態(tài)，影響因素眾多且較為復(fù)雜，本研究假定損失氣和一階溫度解析出的氣體近似等于游離氣，二階加溫后解析出的氣體為吸附氣。

表1 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)宜頁(yè)1井水井沱組頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量數(shù)據(jù)

圖3 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)宜頁(yè)1井頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)解析特征

2.3.1 宜頁(yè)1井

宜頁(yè)1井解析含氣量在0.31～5.48 m3/t，平均為1.57 m3/t。水井沱組上部泥質(zhì)灰?guī)r段含氣性較差，含氣量為0.31～0.67 m3/t，平均0.44 m3/t，巖心浸水實(shí)驗(yàn)氣泡較微弱。水井沱組下段連續(xù)含氣頁(yè)巖段(1 786～1 872 m)厚86 m，最小值為0.579 m3/t，最大值達(dá)到5.48 m3/t，平均為2.05 m3/t。統(tǒng)計(jì)表明(表1，圖4)，連續(xù)含氣量大于2 m3/t的累計(jì)厚度達(dá)44.05 m，大于3 m3/t的厚度為16.49 m，大于4 m3/t的厚度為8.41 m，在1 864.60 m處最大含氣量可達(dá)5.48 m3/t。

2.3.2 宜地2井

該井位于宜昌點(diǎn)軍區(qū)土城鄉(xiāng)，實(shí)鉆井深1 806 m，鉆井揭示水井沱組連續(xù)優(yōu)質(zhì)黑色頁(yè)巖厚度達(dá)72 m(1 656.09～1 728.09 m)，水浸試驗(yàn)氣泡溢出強(qiáng)烈。水井沱組頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)解析總含氣量為0.364～5.57 m3/t，平均1.85 m3/t，其中解析氣量為0.194～3.65 m3/t，頁(yè)巖下部含氣性最好，1 702～1 728 m深度段內(nèi)平均含氣量可達(dá)4.16 m3/t(圖4)。現(xiàn)場(chǎng)解析收集到的氣樣組分中甲烷含量超過90%。

一般認(rèn)為商業(yè)性頁(yè)巖氣開發(fā)的頁(yè)巖含氣量下限為2.0 m3/t，大規(guī)模開發(fā)的阿科馬盆地 Fayetteville頁(yè)巖、阿帕拉契亞盆地Marcellus頁(yè)巖和涪陵焦石壩頁(yè)巖含氣量分別為 1.70～6.23，1.70～2.83，6.1 m3/t。與北美商業(yè)性開發(fā)的頁(yè)巖氣相比，宜昌地區(qū)水井沱組頁(yè)巖含氣量已達(dá)到頁(yè)巖氣開發(fā)下限，具備商業(yè)性開發(fā)價(jià)值。

3 頁(yè)巖氣含量影響因素

3.1 巖性與含氣量

宜昌地區(qū)以水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為目的層的鉆井普遍有含氣顯示，但現(xiàn)場(chǎng)解析結(jié)果顯示，含氣量在不同層位有較大差異。縱向上，底部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖段含氣量最高，自下而上水井沱組頁(yè)巖總含氣性逐漸降低(圖4)。水井沱組巖性主要為碳質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r和灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖，巖性與含氣量具有對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖5)，碳質(zhì)頁(yè)巖最高，一般為1.19～5.48 m3/t，平均2.93 m3/t；鈣質(zhì)頁(yè)巖次之，一般為0.58～2.57 m3/t，平均 1.08 m3/t；灰?guī)r、泥灰?guī)r較低，介于0.31～1.37 m3/t，平均0.73 m3/t；硅質(zhì)白云巖最低，平均不超過0.50 m3/t。

研究區(qū)巖性與含氣量對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，巖性直接反映沉積環(huán)境。水井沱組下段為陸棚相沉積的黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、薄層鈣質(zhì)頁(yè)巖，夾深灰色泥晶灰?guī)r透鏡體，陸棚水體較深，藻類等有機(jī)質(zhì)體在埋藏后期生烴并滯留頁(yè)巖中，實(shí)測(cè)含氣性最高，灰黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖總含氣量平均3.85 m3/t。水井沱組中段陸棚內(nèi)緣斜坡帶主要沉積鈣質(zhì)頁(yè)巖，泥、灰?guī)r互層使有機(jī)質(zhì)稀釋，且灰質(zhì)含量較高不利于有機(jī)質(zhì)的保存，其含氣量較陸棚碳質(zhì)泥巖低，實(shí)測(cè)含氣量平均為2.27 m3/t。水井沱組上段主要為局限臺(tái)地相深灰色泥質(zhì)灰?guī)r，泥質(zhì)含量少，含氣性最低，總含氣量低于0.5 m3/t。

3.2 有機(jī)碳含量與含氣量

分析測(cè)試結(jié)果顯示(圖4)，水井沱組頁(yè)巖有機(jī)碳含量(TOC)分布于0.43%～10.45%之間，平均為2.97%，其中大于2%的樣品達(dá)58%以上，有機(jī)碳含量相對(duì)較高，且自上而下有機(jī)碳含量逐漸增大，總體上頁(yè)巖具有良好的原始生氣基礎(chǔ)。研究表明，隨著頁(yè)巖有機(jī)碳含量增大，解析氣含量和總含氣量不斷增大(圖6)，解析氣含量與頁(yè)巖的總有機(jī)碳含量之間存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，擬合系數(shù)(R2)達(dá)0.866 4，表明有機(jī)碳含量是控制吸附氣含量的主要因素。高TOC的頁(yè)巖中氣體賦存主要與有機(jī)質(zhì)顆粒有關(guān)，原因是TOC越高，頁(yè)巖生氣量越大，有機(jī)質(zhì)孔越發(fā)育；高TOC頁(yè)巖通常具有較高的孔隙度和含氣飽和度，增大了游離氣存儲(chǔ)空間[24]。并且泥頁(yè)巖微孔、中孔比表面積隨著TOC增加而增大[23]，微孔隙越發(fā)育，微孔比表面積越大，加之有機(jī)質(zhì)表面具親油性，對(duì)氣態(tài)烴的吸附能力較強(qiáng)，吸附氣含量也隨之增大。

圖4 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)宜頁(yè)1井和宜地2井含氣性及地化參數(shù)對(duì)比

圖5 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)宜頁(yè)1井水井沱組巖性與含氣量關(guān)系

圖6 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)宜頁(yè)1井水井沱組頁(yè)巖解析氣含量與TOC關(guān)系

3.3 礦物組分與含氣量

頁(yè)巖中的無機(jī)礦物成分主要為黏土、石英和方解石，其組成變化影響了頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響氣體的吸附能力[25]。研究區(qū)水井沱組下部黑色頁(yè)巖中見大量生物結(jié)構(gòu)石英，頁(yè)巖含氣量與石英含量成明顯正相關(guān)關(guān)系(圖7a)，兩者相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)0.5。由于石英具有強(qiáng)的抗壓實(shí)能力，可構(gòu)成剛性格架，有利于孔隙的保存，因此石英含量越高，孔隙度越大，含氣量越高。此外水井沱組頁(yè)巖中普遍存在黃鐵礦，巖心觀察表明，黃鐵礦多呈毫米級(jí)的草莓狀、顯微星點(diǎn)狀散布于頁(yè)巖中，斯倫貝謝測(cè)井解釋含氣頁(yè)巖層黃鐵礦重量百分比在0.2%～6.22%，平均為2.55%。黃鐵礦與有機(jī)碳含量、含氣性呈同步正向變化(圖7b)，表明頁(yè)巖原始沉積時(shí)的還原環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存，高的海洋生物生產(chǎn)力使有機(jī)碳大量輸入的同時(shí)產(chǎn)生高強(qiáng)度的硫酸鹽還原環(huán)境，水體或孔隙水中的S2-以鐵的硫化物形式和有機(jī)質(zhì)同時(shí)埋藏起來，這類沉積的原生黃鐵礦大量發(fā)育是強(qiáng)還原環(huán)境的體現(xiàn)。

頁(yè)巖含氣量與碳酸鹽礦物含量呈弱負(fù)相關(guān)性(圖7c)。根據(jù)對(duì)水井沱組頁(yè)巖層段礦物組分特征分析，頁(yè)巖中碳酸鹽礦物含量較高，方解石含量為3.6%～40.6%，白云石含量為1.2%～24.6%，碳酸鹽含量平均約26%，其含量的增加會(huì)降低頁(yè)巖的孔隙，使游離態(tài)氣儲(chǔ)集空間減少，特別是方解石在埋藏過程中常發(fā)生膠結(jié)作用，將進(jìn)一步減少孔隙空間。

黏土礦物是頁(yè)巖的重要組成部分，宜頁(yè)1井含氣量與黏土礦物關(guān)系不大(圖7d)。前人研究表明[26-27]，黏土礦物具有較小的顆粒體積和較大的微孔體積和比表面積，由于礦物晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的差異，導(dǎo)致頁(yè)巖主要礦物組分對(duì)甲烷吸附能力存在差異，對(duì)甲烷吸附量依次為蒙脫石>伊蒙間層>高嶺石>綠泥石>伊利石>砂巖>石英。研究區(qū)水井沱組頁(yè)巖中黏土礦物含量占比較高，吸附氣量與黏土礦物含量相關(guān)性低的原因較為復(fù)雜。一方面，黏土礦物含量的增加有利于形成與黏土礦物相關(guān)的晶間孔和收縮縫等儲(chǔ)集空間[27]，對(duì)游離氣含量增加有利，高含量的伊/蒙間層對(duì)頁(yè)巖氣還具有較強(qiáng)的吸附能力，有利于頁(yè)巖吸附氣量的提升；另一方面，高黏土含量通常造成儲(chǔ)層束縛水含量較高，降低游離氣飽和度。本研究含氣量與黏土礦物含量相關(guān)系數(shù)較低，可能與頁(yè)巖中束縛水飽和度很高有關(guān)。宜頁(yè)1井核磁共振測(cè)井表明，1 840～1 872 m優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的核磁總孔隙度較高，平均約3%～4%，但大部分為黏土束縛水，頁(yè)巖有效孔隙度相對(duì)較低，平均為1.9%～2.9%，束縛水孔隙度在1.0%～2.0%之間。前人的研究也表明，黏土礦物表面吸附的水分子會(huì)擠占甲烷分子的吸附空間[28]，有效孔隙度的降低會(huì)減少游離氣存儲(chǔ)空間，最終導(dǎo)致含氣量與黏土礦物含量相關(guān)性較低。

3.4 孔隙度與含氣量

儲(chǔ)集空間大小是影響頁(yè)巖氣含量及頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)的重要因素[18]。研究區(qū)水井沱組頁(yè)巖致密，孔隙度平均為1.6%～2.8%，其中孔隙度在1%～3%之間的樣品占77%，孔隙度大于3%的樣品占19.7%；滲透率在(1～3)×10-3μm2，為典型的低孔低滲頁(yè)巖儲(chǔ)層。對(duì)宜地2井、宜頁(yè)1井實(shí)測(cè)孔隙度與解析氣含量的統(tǒng)計(jì)表明，兩者存在一定的正相關(guān)性(圖8a)。高TOC含量的頁(yè)巖具有較高的孔隙度和含氣飽和度，表現(xiàn)出高的游離氣含量。水井沱組頁(yè)巖孔隙類型可分為有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物孔、脆性礦物孔，以有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物間孔為主，其中有機(jī)質(zhì)納米孔分布最為廣泛，為頁(yè)巖氣吸附提供了最主要的儲(chǔ)存空間，表現(xiàn)為吸附氣量與頁(yè)巖孔隙度具有正相關(guān)性。

圖7 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)水井沱組頁(yè)巖含氣性與礦物含量相關(guān)性

除了孔隙體積外，孔隙結(jié)構(gòu)也能影響頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力，進(jìn)而影響頁(yè)巖含氣量。用壓汞和液氮吸附聯(lián)測(cè)，觀察頁(yè)巖中納米孔徑的分布，宜地2井頁(yè)巖主要發(fā)育微孔和介孔，發(fā)育少量的大孔，孔徑主要分布在0.5～1 nm和13～15 nm之間，其中小于2 nm的孔隙占40%～70%，2～50 nm孔徑的孔隙占25%～40%，少量大孔的孔徑達(dá)到數(shù)百到數(shù)千納米(圖8b)。水井沱組頁(yè)巖孔隙以有機(jī)質(zhì)微孔和介孔為主，大孔發(fā)育較少，介孔孔體積在總孔體積中占優(yōu)，表明黏土礦物與石英礦物含量控制著頁(yè)巖游離氣的貯存空間；微孔與介孔比表面積大致相當(dāng)，主要以小于10 nm的孔隙提供了大量比表面積，這類孔隙以有機(jī)質(zhì)孔為主要代表，控制了頁(yè)巖的吸附能力。此外，由于大孔孔徑超過了最大的有機(jī)孔徑，表明無機(jī)孔是其大孔的主要貢獻(xiàn)者。綜上分析，水井沱組頁(yè)巖含氣性與孔隙度正相關(guān)，但兩者相關(guān)系數(shù)較低，頁(yè)巖中微孔隙分布差異是導(dǎo)致含氣量差異的主要因素。

圖8 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)水井沱組頁(yè)巖孔隙度特征

3.5 裂縫發(fā)育與含氣量

雖然頁(yè)巖地層普遍含氣，但目前具有工業(yè)勘探價(jià)值的頁(yè)巖氣藏或甜點(diǎn)主要依賴于頁(yè)巖地層中具有一定規(guī)模的裂縫系統(tǒng)。在美國(guó)的大約3 000口鉆井中，鉆遇具有自然工業(yè)產(chǎn)能的裂縫性甜點(diǎn)的井?dāng)?shù)只有約10%，表明裂縫系統(tǒng)是提高頁(yè)巖氣鉆井工業(yè)產(chǎn)能的重要影響因素[29-30]。裂縫發(fā)育在大部分頁(yè)巖中，以多種成因(壓力差、斷裂作用、順層作用等)的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)為特征，裂縫、溶蝕頁(yè)理縫是主要的儲(chǔ)集空間。裂縫對(duì)儲(chǔ)層物性的影響主要表現(xiàn)在其對(duì)儲(chǔ)集空間的調(diào)整和滲濾通道的形成[31-32]，裂縫發(fā)育帶不但提供了游離態(tài)頁(yè)巖氣儲(chǔ)滲空間，而且天然微裂縫有助于與水力壓力體積改造形成的裂縫形成網(wǎng)狀裂縫，為頁(yè)巖氣的運(yùn)移、聚集提供了輸導(dǎo)通道。

宜頁(yè)1井水井沱組頁(yè)巖天然裂縫發(fā)育(圖2a，圖9)，巖心可見大量構(gòu)造成因的天然裂縫，包括高角度斜交裂縫和水平層理縫，裂縫多被方解石等高阻礦物全部或部分充填。高角度斜交裂縫最發(fā)育，縫寬多小于1mm，多被方解石脈體充填；水平裂縫寬度多小于1 mm，常被方解石和泥質(zhì)充填。利用FMI成像測(cè)井資料對(duì)水井沱組—巖家河組裂縫統(tǒng)計(jì)，目的層1 820～1 874 m深度段發(fā)育高阻縫222條，裂縫主頻為65°～75°；1 740～1 820 m發(fā)育高阻縫91條，裂縫主頻為80°～90°；1 874～1 925 m發(fā)育高阻縫115條，裂縫主頻為80°～85°。裂縫走向與其西南部的天陽(yáng)坪斷層走向接近(圖9a)，表明其受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的控制。對(duì)高阻縫垂向分布統(tǒng)計(jì)表明，水井沱組高阻縫密度在第5小層和第2小層最高，達(dá)到8～12條/m。

圖9 中揚(yáng)子宜昌地區(qū)宜頁(yè)1井水井沱組裂縫分布特征

裂縫密度及氣走向分散性是控制頁(yè)巖氣產(chǎn)能的重要地質(zhì)因素之一[31-33]。宜頁(yè)1井水井沱組頁(yè)巖裂縫發(fā)育區(qū)遠(yuǎn)離邊界天陽(yáng)坪斷裂，對(duì)頁(yè)巖氣富集產(chǎn)出具有積極意義，水井沱組下部頁(yè)巖含氣量與裂縫發(fā)育密度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖9b)，兩者相關(guān)系數(shù)R2>0.4。1 854.35～1 870.84 m深度段含氣量高，巖心揭示該段發(fā)育水平縫、垂直縫和高角度斜裂縫，大部分被方解石充填。水井沱組底界面1 863.9～1 871.51 m處黑色碳質(zhì)泥巖中發(fā)育順層滑動(dòng)作用(圖2e)。近水平的滑脫帶的位置和特性受微妙的巖性變化控制，碳質(zhì)泥巖具有巖性軟、強(qiáng)度低、密度小、易發(fā)生變形的特點(diǎn)，特別是位于底板巖家河組堅(jiān)硬硅質(zhì)白云巖之上的碳質(zhì)泥巖，更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)、形態(tài)和體積的變化，變形產(chǎn)生的鏡面擦痕呈與層面斜交的波浪狀。水井沱組頁(yè)巖底部?jī)?chǔ)層致密，TOC含量和成熟度變化不大，隨著頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度的增加，在1 854.35～1 870.84 m深度總含氣量最高，頁(yè)巖氣顯示良好，均與裂縫發(fā)育密切相關(guān)，天然裂縫增加了頁(yè)巖的含氣性和產(chǎn)量。

3.6 地層壓力與含氣量

水井沱組較低的游離氣占比還與地層常壓狀態(tài)有關(guān)。對(duì)全球典型頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)的游離氣含量統(tǒng)計(jì)表明(圖10)，不同地層壓力背景下的含氣性構(gòu)成差異十分明顯。焦石壩志留系龍馬溪組以游離氣為主，現(xiàn)場(chǎng)解析獲得的游離氣含量占56%～65%，產(chǎn)氣段地層壓力系數(shù)為1.4。北美頁(yè)巖中游離氣含量在40%～80%之間，其中Antrim為生物氣，含氣量1.13～2.83 m3/t，地層為常壓；Lewis為熱解氣、低壓，2套頁(yè)巖均以吸附氣為主，含氣量較低(小于2 m3/t)；Barnett、Marcellus、Haynesville等頁(yè)巖氣層多為超壓，含氣量高(2～9.9 m3/t)，以游離氣為主，吸附氣含量不超過50%。

3.7 其他因素

除上述地質(zhì)因素外，有機(jī)質(zhì)成熟度、頁(yè)巖厚度、埋深等多種地質(zhì)要素也會(huì)影響頁(yè)巖地層含氣量。

圖10 國(guó)內(nèi)外典型區(qū)塊頁(yè)巖含氣性、吸附氣比率及與地層壓力間關(guān)系據(jù)文獻(xiàn)[34]，有修改。

(1)當(dāng)Ro在1.0%～3.5%時(shí)，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度越高，越有利于聚集成藏。對(duì)于熱成因型氣藏，含氣量隨頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度的增高而逐漸增大。根據(jù)北美和我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣勘探與生產(chǎn)實(shí)踐[35-36]，北美頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)成熟度最高的是Marcellus 頁(yè)巖，Ro為1.0%～3.5%，但Ro>3.0%的頁(yè)巖分布面積不到1/10。商業(yè)性頁(yè)巖氣藏的Ro一般處于2.0%～3.5%，成熟度過高時(shí)(Ro>3.5%)介孔與微孔孔容之和一直增加，但其比表面積在Ro>3.5%之后有減少的趨勢(shì)[36]，對(duì)吸附氣保存不利。宜昌地區(qū)水井沱組頁(yè)巖的一個(gè)顯著特點(diǎn)是熱成熟度相對(duì)較低，實(shí)測(cè)Ro均低于3.0%。黃陵隆起作為元古代剛性基底，構(gòu)造穩(wěn)定，磷灰石裂變徑跡測(cè)試數(shù)據(jù)揭示，黃陵隆起及其周緣地區(qū)沉積蓋層經(jīng)歷了一個(gè)單向冷卻的過程，晚三疊世—中侏羅世和早白堊世早期已埋藏至地下210 ℃地?zé)岬葴鼐€后，并未經(jīng)歷后期中高溫加熱[37]，現(xiàn)今測(cè)得的黃陵隆起周緣地區(qū)地溫梯度僅2.17 ℃/hm。隆起周緣地區(qū)寒武系等古老頁(yè)巖在埋藏過程中經(jīng)歷的最大古地溫較低，頁(yè)巖熱演化程度相應(yīng)較低，對(duì)頁(yè)巖氣形成富集有利。

(2)頁(yè)巖厚度在一定程度上控制著頁(yè)巖氣藏規(guī)模大小及經(jīng)濟(jì)效益。理論研究表明，泥質(zhì)巖層厚度大于1 m時(shí)就可以起到封蓋作用[14]，但實(shí)際上必須考慮到巖性橫向上的穩(wěn)定性，烴類氣體總是在最薄弱的地區(qū)散失。頁(yè)巖層厚度的增大會(huì)減小或堵截連通孔喉垂向上的連通性，防止氣體擴(kuò)散，地質(zhì)歷史時(shí)期氣體擴(kuò)散強(qiáng)度與蓋層的距離(厚度)呈正比。因此具有工業(yè)價(jià)值的含氣頁(yè)巖層厚度下限為15 m，具有良好經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣藏的頁(yè)巖厚度應(yīng)大于30 m。宜昌地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的頁(yè)巖氣井水井沱組頁(yè)巖厚度大于70 m，具有一定的頁(yè)巖氣藏規(guī)模，同時(shí)對(duì)頁(yè)巖氣具有較好的封隔保存。

(3)物性資料研究表明，在沒有裂隙和斷層發(fā)育的情況下，泥質(zhì)頁(yè)巖在埋深加大、時(shí)代變老、熱演化程度升高時(shí)，由于上覆地層的壓實(shí)作用加大，泥巖孔喉半徑、最大連通孔喉半徑減小，孔隙度、滲透率減低，擴(kuò)散系數(shù)也變小，比表面積、密度、硬度增大，突破壓力也增大，頁(yè)巖的封蓋能力變好[38-39]。宜昌地區(qū)埋深對(duì)頁(yè)巖氣含量有直接影響，如宜地2井、宜頁(yè)1井水井沱組頁(yè)巖最大埋深超過1 700 m, 頁(yè)巖含氣性好。與之鄰近的秭地2 井水井沱組底部埋深不超過360 m，該井現(xiàn)場(chǎng)解析氣體組分中氮?dú)夂科骄哌_(dá)44.63%，表明在埋深較淺條件下，頁(yè)巖氣的保存條件差，含氣性低。

4 結(jié)論

(1)宜昌地區(qū)水井沱組頁(yè)巖含氣性高，鉆井氣測(cè)異常明顯，現(xiàn)場(chǎng)解析2口井110件頁(yè)巖樣品表明，含氣頁(yè)巖段厚86 m，主要分布在水井沱組下部，巖性以黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖為主。頁(yè)巖含氣量在0.32～5.48 m3/t之間，平均為1.57 m3/t，自上而下含氣量增加；連續(xù)含氣量大于2 m3/t地層厚44.05 m。水井沱組頁(yè)巖含氣量整體較高，具備商業(yè)性開發(fā)價(jià)值。

(2)巖性與含氣量對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，水井沱組下段黑色碳質(zhì)頁(yè)巖總含氣量平均3.85 m3/t，中段鈣質(zhì)頁(yè)巖含氣量平均2.27 m3/t，上段泥灰?guī)r含氣量最低，一般低于0.5 m3/t。頁(yè)巖含氣性受諸多因素影響，頁(yè)巖總有機(jī)碳含量、頁(yè)巖礦物組分、孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)，以及頁(yè)巖裂縫發(fā)育程度、地層壓力等是影響頁(yè)巖含氣性的重要因素。

(3)解析氣含量與頁(yè)巖總有機(jī)碳含量之間存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，表明有機(jī)碳含量是控制含氣量的主要因素。頁(yè)巖含氣量與石英含量成明顯正相關(guān)性，與碳酸鹽礦物含量呈弱負(fù)相關(guān)性，與黏土礦物含量關(guān)系不大。吸附氣量與頁(yè)巖孔隙度具有正相關(guān)性，還受頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響；此外含氣量還與儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度和地層壓力密切相關(guān)。