引言

页岩气是一种新的非常规天然气储集体，目前美国、加拿大等国在勘探开发方面已取得巨大成功^[1-3]。页岩气正在世界范围内受到广泛重视，成为现代天然气勘探和开发的热点领域^{[4, 5]}。中国页岩气勘探正处在快速起步阶段，上扬子区是中国古生代海相富有机质页岩最发育的地区之一^[6-9]。黔北地区，在大地构造上位于上扬子地台区，下寒武统牛蹄塘组黑色炭质页岩发育，厚度一般在100 m左右，有机碳含量高，与美国Barnett页岩的矿物组成相近，具备页岩气资源富集的地质基础，是页岩气勘探的重要目的层系之一^[9-11]。以往针对黔北地区牛蹄塘组黑色页岩的研究多数通过对露头样品的分析，且主要集中在地层、沉积环境、岩相古地理及有机质特征等方面^[12-16]，而针对牛蹄塘组黑色页岩储集特征的综合研究相对缺乏。另外，风化作用可能引起页岩露头样品矿物组成、孔隙结构等特征的明显改变，从而导致对页岩含气性和潜力评价的偏差^[15]。因此，通过钻井岩芯对牛蹄塘组黑色页岩进行进一步综合研究就显得尤为必要。

近年来，随着贵州省页岩气资源调查评价项目的开展，黔北地区勘探程度大幅提高^[17]。笔者以黔北地区区域地质背景和沉积地层分布特征为基础，对牛蹄塘组7口页岩气调查井和4口地质浅钻的岩芯进行大量连续采样并进行一系列分析测试，进而综合研究牛蹄塘组富有机质泥岩储层特征，为黔北地区页岩气勘探开发提供更多的地质依据。

1 研究区概况

如图 1所示，贵州省行政区中贵阳—镇远断裂以北、遵义断裂以东的范围即为该文的研究区域。由于经历了多期构造运动的叠加，研究区内褶皱、断层发育，但震旦系—志留系总体发育完整^[11]。根据岩性、沉积相带及古生物特征，黔北地区下寒武统牛蹄塘组可分为东、西两个相区，大致沿龙里—黄平浪洞—石阡本庄—沿河甘溪一线为界(图 1)，自北西向南东水体加深。西部相区：主体为浅水陆棚沉积区，牛蹄塘组下部为黑色炭质泥岩，厚40$\sim$120 m；上部厚约30$\sim$50 m为深灰—灰绿色泥页岩夹粉砂岩条带东部(图 2)。相区：主体为深水陆棚沉积区，牛蹄塘组岩性自下向上由黑色炭质泥岩$\longrightarrow$含钙炭质泥岩$\longrightarrow$钙质含炭泥岩$\longrightarrow$泥质灰岩$\longrightarrow$泥晶灰岩逐渐变化，厚约50$\sim$70 m。牛蹄塘组富有机质泥岩(TOC>1.5%)主要发育于深水陆棚相。

2 样品采集与测试

在黔北地区7口页岩气调查井(绥页1井、正页1井、湄页1井、松页1井、镇页1井、德页1井、岑页1井)和4口地质浅井(ZK122、ZK211、ZK1401、松浅1井)等11口钻井岩芯中，采集500余个下寒武统牛蹄塘组富有机质泥岩样品作为重点研究对象，进行了X--衍射矿物分析、有机碳含量(TOC)、镜质体反射率($R_{\rm o}$)、有机质显微组分、岩石密度、比表面积、孔隙度和渗透率、氩离子抛光扫描电镜等分析测试，进而全面分析储层特征。黏土矿物及全岩X--衍射分析测试是中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心依据SY/T 5163—2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》，采用D/max-2500、TTR仪器进行测试完成的；镜质体反射率测试是依据SY/T 5124—2012《沉积岩中镜质体反射率测定方法》，使用偏光显微镜(Leica DM4500P)和显微光度计(Craic QDI 302)，在油浸50倍物镜，总放大倍数为500倍的条件下测试完成的；比表面积测试是依据GB/T 19587—2004《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》，在90℃加热1 h、350℃加热5 h，由比表面积测定仪Quadrasorb SI进行测试完成的。

3 结果 3.1 岩石类型和矿物组成

牛蹄塘组富有机质泥岩段穿时性明显，研究区北西部富有机质泥岩段分布于该组下部，如瓮安ZK122、绥页1井、正页1井等；向南东方向逐渐扩大至全组，如石阡ZK1401、松桃ZK211、岑页1井等^[17]。含粉砂炭质泥岩、粉砂质炭质泥岩是牛蹄塘组富有机质泥岩的主要岩石类型，岩石矿物成分以脆性矿物(碎屑矿物+自生脆性矿物)为主，石英、长石等碎屑矿物为脆性矿物的主要贡献者，平均含量占岩石总量的66.12%；自生脆性矿物占岩石总量的14.60%，以方解石为主，白云石、黄铁矿的含量较低；黏土矿物占岩石总量的19.28%，主要为伊利石，伊/蒙混层次之，少量的绿泥石，微量高岭石，不含蒙脱石(表 1)。

区域上，岩矿差异主要体现在由北西向南东的水体加深，导致牛蹄塘组富有机质泥岩段矿物组成分布差异^[1-12]。由浅水陆棚相区向深水陆棚相区过渡时，碎屑矿物呈增高的趋势，增高幅度约20%$\sim$40%；自生脆性矿物略有降低的趋势，降低幅度约3%$\sim$6%，但其中黄铁矿增加约1%$\sim$2%；黏土矿物呈降低的趋势，降低幅度约10%$\sim$15%。

3.2 有机地球化学特征

黔北地区牛蹄塘组富有机质泥岩干酪根显微组分及类型统计见表 2，可以看出，干酪根中腐泥组的相对含量较高，其生源组合以腐泥组占绝对优势。镜下观察，干酪根呈黄褐色—黑色，无荧光。测试数据显示，干酪根碳同位素值δ$^{13}$C分布在-34.7‰$\sim$-28.6‰，与干酪根类型指数统计结果反映一致，均表明干酪根属Ⅰ型干酪根(腐泥型)。

黔北地区牛蹄塘组富有机质泥页岩有机碳含量普遍较高，钻井揭示TOC介于1.5%$\sim$15.7%，主要分布于5%$\sim$9% (表 3)，具有较强的生烃潜力。西部相区4口页岩气调查井中以德页1井有机质丰度最高，TOC以7.0%$\sim$9.0%相对集中，分布频率可达27.27%。

作为评价烃源岩生烃能力的指标之一，热成熟度可以反映有机质是否已经进入热成熟生气阶段^[18]。如表 4所示，东部相区松页1井、镇页1井牛蹄塘组富有机质泥岩$R_{\rm o}$值在2.05%$\sim$2.81%，平均值分别为2.39%，2.29%。西部相区4口井$R_{\rm o}$为1.74%$\sim$3.40%，其中以德页1井最高，该井$R_{\rm o}$平均值达3.07%。区域上，研究区页岩气调查井均部署于构造平缓地区，其$R_{\rm o}$值可靠性较高。反映出牛蹄塘组西部相区有机质成熟度略高于东部相区，主要处于过成熟早期演化阶段，次为过成熟晚期演化阶段。

3.3 物性特征

牛蹄塘组富有机质泥岩平均岩石密度为2.52 g/cm³，BET比表面积在0.33$\sim$33.76 m²/g，平均9.01 m²/g。页岩气储层都表现为低孔、特低渗的致密储层特征^[19]。利用脉冲法、气体法进行孔隙度、渗透率测定，结果如表 5所示，牛蹄塘组有效孔隙度在0.10%$\sim$6.40%，平均1.27%，统计结果显示，有效孔隙度主要在0$\sim$2.00%，累计可达总体的83.30%；渗透率为0.000~6$\sim$0.045~2 mD，平均0.003~3 mD(表 5)，主要在0$\sim$0.010~0 mD，累计可达总体的71.4%。通过对13个岩芯样品进行核磁共振孔隙度测试，牛蹄塘组总孔隙度为1.39%$\sim$5.07%，平均3.96%。岩石中裂缝所占比例较低，推测裂缝孔隙度一般小于1.00%。

3.4 储集空间类型、特征及其形成主控因素

依据目前被广泛采用的Loucks等提出的关于页岩微观孔隙的命名分类方案，通过氩离子抛光扫描电镜观察，将牛蹄塘组富有机质泥岩储集空间划分出4种类型^[19-20]。

(1) 粒内孔

粒内孔在黔北地区牛蹄塘组富有机质泥岩矿物组成中的多种矿物中都能见到，但主要发育于长石、方解石和黄铁矿内部。矿物特性决定了其粒内孔成因机制有所不同，不稳定矿物更易发生溶蚀作用形成粒内孔隙，如长石、方解石等(图 3a，图 3b，图 3c)。粒内孔形态多样，孔径一般为0.1$\sim$1.0 µm，部分1.0$\sim$8.0 µm，连通性较差。

(2) 粒间孔

粒间(晶间)孔隙是牛蹄塘组富有机质泥岩的主要储集空间类型，主要由同种或多种矿物相互支撑形成，形态多呈不规则状、槽状和孔喉状(图 3d)。其中，碎屑矿物与黏土矿物间孔隙较为发育，但多被有机质充填，仅残余部分微观粒间孔(图 3e，图 3f)。浸染状黄铁矿、草莓状黄铁矿之间也易形成粒间孔。粒间孔直径一般为0.2$\sim$2.0 µm，与粒内孔相比，粒间孔的孔径更大，且更具规模，连通性相对较好。

(3) 有机质孔

牛蹄塘组富有机质泥岩段中有机质结构致密，有机孔(有机质内孔)总体不发育(图 4a，图 4b，图 4c)，对黔北地区牛蹄塘组富有机质泥岩的总孔隙贡献较小。通过观察，有机质孔孔径相对较小，主要为纳米级别的孔隙，孔径在1$\sim$300 nm。有机孔形态多为不规则状、不规则的椭球状、似蜂窝状。

(4) 裂缝

牛蹄塘组富有机质泥岩中微观裂缝总体不发育，缺乏较好的渗流通道。裂缝宽度一般在100$\sim$300 nm(图 4d)，局部可达1$\sim$3 µm(图 4e)，延伸长度可达400 µm，多被有机质、黏土矿物等充填，仅残余部分微缝隙(图 4f)。

3.5 含气性特征

对绥页1井等6口页岩气调查井的141个岩芯样品进行现场解析气量测定，结果如表 6所示。由表 6可以看出，牛蹄塘组含气量较好，各调查井中均有数个样品现场解析气量较高，可达数百毫升。其中，纵向上以富有机质泥岩段中段—底部现场解析气量更高，但各井具体分布位置不同，含气性高低与有机质含量关系密切。结合室内脱气结果计算残留气量，残留气量可达现场气量的2$\sim$17倍不等，间接反映了储层非均值性较强。大量的页岩气在现场无法完全解析释放，完整的解析过程可能持续数周至数月。综合计算得出，牛蹄塘组富有机质泥岩总含气量0.02$\sim$2.05 m³/t。气体组分分析表明，牛蹄塘组现场解析气中N$_2$、H$_2$含量异常，CH$_4$等烃类气体含量较低。以气相色谱分析较为完善的正页1井为例，N$_2$含量57.32%$\sim$65.42%，H$_2$含量24.70%$\sim$36.98%，烃类气体总含量小于10.00%。

4 讨论 4.1 矿物组分、有机质与物性、含气性关系

黔北地区牛蹄塘富有机质泥岩中脆性矿物含量一般在50.00%以上，平均含量66.12%；黏土矿物含量变化范围较大，为6.00%$\sim$72.00%，平均含量19.28%，以伊利石为主。钻井岩芯分析数据显示，高TOC对应相对较低的黏土矿物含量，地表样品分析数据也符合该特征^[10]。区域上，随着TOC降低至1.5%以下，黏土矿物含量增加幅度约为10.00%$\sim$30.00%。

表 7显示的是黔北地区牛蹄塘组富有机质泥岩矿物组分与物性数据，可以看出，富有机质泥岩孔隙度与碎屑矿物含量呈较强的正相关性，与碳酸盐矿物含量的正相关性较弱，而与黏土矿物含量呈负相关关系。以上分析表明，黏土矿物不是牛蹄塘组富有机质泥岩孔隙的主要贡献者，而碳酸盐矿物、碎屑矿物对孔隙度有一定的贡献。

从有机碳含量与比表面积的交会图(图 5)可以看出，比表面积与TOC呈正相关关系，当TOC＞4.0%时，比表面积平均值可达11.35 m²/g。由正页1井、湄页1井牛蹄塘组富有机质泥岩有机碳含量与总含气量交会图(图 6)可以看出，总含气量大致上随着有机碳含量的增加而增加。而随着有机质含量增高，岩石密度呈降低的趋势。上述现象均表明，有机碳含量直接影响了富有机质泥岩物理性质及其含气性。

4.2 物性特征、储集特征、含气性关系

钻井岩芯实测数据显示，牛蹄塘组有效孔隙度主要为0$\sim$2%，累计可达总体的83.3%；与显微镜下观察到的特征符合。扫描电子显微镜下显示，牛蹄塘组富有机质泥岩结构致密，孔隙总体发育较差，粒间孔是主要的孔隙类型，粒内孔和有机质孔发育较差。根据国际理论和应用化学协会(IUPAC)的孔隙分类，将孔隙直径小于2 nm的称为微孔隙，2$\sim$50 nm的为中孔隙，大于50 nm的为宏孔隙^[10]。研究区牛蹄塘组粒内孔直径一般为0.1$\sim$1.0 µm、部分1.0$\sim$8.0 µm，连通性差；粒间孔直径一般0.2$\sim$ 2.0 µm，相比之下粒内孔的孔径更小；有机质孔孔径相对更小，主要为纳米级别的孔隙，孔径在1$\sim$300 nm。微裂缝宽度在100$\sim$300 nm，局部可达1.0$\sim$3.0 µm，延伸长度可达400 µm。可以看出，宏孔隙对牛蹄塘组富有机质泥岩的总孔隙或孔隙度的贡献更大，裂缝是渗透率的主要贡献者，而微孔隙对总孔隙的贡献较小。宏孔隙是牛蹄塘组富有机质泥岩含气量的主要载体。

5 结论

(1) 黔北地区下寒武统牛蹄塘组富有机质泥岩岩性主要为含粉砂炭质泥岩、粉砂质炭质泥岩。岩石矿物组分中脆性矿物以石英+长石组合为主，方解石、白云石、黄铁矿等自生脆性矿物含量总体较低；黏土矿物含量较低变化范围较大，成分以伊利石为主。

(2) 牛蹄塘组富有机质泥岩干酪根属Ⅰ型干酪根。有机碳含量普遍较高，有机质主体为过成熟早期演化阶段，次为过成熟晚期阶段。随着有机质含量增高，岩石密度呈降低的趋势。比表面积与有机碳含量呈正相关关系。表明有机质丰度直接影响了牛蹄塘组富有机质泥岩物理性质。

(3) 牛蹄塘组富有机质泥岩有效孔隙度分布在0.10%$\sim$6.40%，平均1.27%；渗透率分布在0.000~6$\sim$ 0.045~2 mD，平均0.003~3 mD。总体具有低孔低渗—低孔超低渗的储层特征。微观储集空间以粒间(晶间)孔为主，其次为粒内孔，有机质孔发育较差，微裂缝不发育。

(4) 牛蹄塘组富有机质泥岩总含气量0.02$\sim$2.05 m³/t，牛蹄塘组现场解析气中N₂、H₂含量异常，CH₄等烃类气体含量较低。宏孔隙是牛蹄塘组富有机质泥岩含气量的主要载体。

(5) 牛蹄塘组富有机质泥岩孔隙度与碎屑矿物含量呈较强正相关性，与碳酸盐矿物含量的正相关性较弱，而与黏土矿物含量呈负相关关系，表明脆性矿物是富有机质泥岩孔隙度的主要贡献者。