页岩气是指主体位于暗色页岩或高炭页岩中，以吸附或游离态为主要存在方式的天然气聚集^[1]，页岩本身既是烃源岩又是储集层，是典型的原地生、原地储的天然气富集模式。页岩气评价时，常规油气勘探中用于评价烃源岩、储集层、含气性、有利区及资源潜力的方法及参数均须集中体现在页岩上^[2-3]。美国率先掌握了页岩气评价、勘探开发等方面的先进技术，成为最早实现页岩气商业开发的国家^[3-5]，美国页岩气年产量增长迅速，据统计，由2000年的236.61亿m³快速增长到2015年的3 962.74亿m³，占美国干气年产量近42.9%。近10年来，美国页岩气成功的商业性开发，引起了全球对页岩气资源的广泛关注，推进了我国页岩气勘探开发的进程。

我国页岩气资源丰富，据国土资源部2012年评价结果，我国页岩气地质资源量为134.42万亿m³，可采资源量为25.08万亿m^3[6-7]，近30%的页岩气资源分布于四川盆地及其围缘。目前，页岩气勘探突破也主要分布于四川盆地及周缘的涪陵、威远、长宁、富顺—永川等地区^[8]，证明该区具有广阔的页岩气勘探前景^[9-10]。渝东北地区位于四川盆地东北缘，主要发育下寒武统水井沱组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组2套页岩^[11-13]。在前人研究的基础上，利用野外露头观测、实验测试分析、概率统计等多种方法对渝东北地区下古生界页岩气聚集条件、含气结构以及资源潜力进行深入研究，以期为该区页岩气下一步勘探方向的选择提供依据。

渝东北地区下寒武统水井沱组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组暗色页岩研究工作主要集中在城口、巫溪地区，其中城口地区位于渝、陕、川交界及四川盆地东北缘外，地处深山，巫溪地区地处大巴山东段南麓，地貌主要为山地，均发育下寒武统和上奥陶统—下志留统^[13-14]（图 1）。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 渝东北地区水井沱组和五峰组—龙马溪组页岩厚度叠合 Fig. 1 Thickness overlay map of Shuijingtuo Formation and Wufeng-Longmaxi Formation shale in northeastern Chongqing

下寒武统水井沱组页岩发育于大规模海侵形成的开阔海台地相沉积环境^[12]，主要分布于城口、巫溪一带，连续稳定，岩性以黑色炭质页岩、炭硅质页岩夹深灰—黑色粉砂质页岩为主，自下而上，由底部的灰黑色—黑色炭质页岩、中部的深灰色—黑色泥灰岩和顶部的灰色—深灰色含灰质粉砂岩渐变组成。城口地区主要发育深灰色—灰黑色硅质、炭质页岩，局部发育硅质结核，地层倾角较大，局部近乎直立，地层倾角主要为50º~85º；巫溪地区主要发育深灰色—黑色薄层炭质页岩、薄层状粉砂质页岩，局部炭质含量高，单层厚度较大，为70~540 m，风化严重，地层倾角大多为50º~80º。

水井沱组页岩厚度大、分布稳定，通过野外地层剖面测量推算，水井沱组埋深小于6 000 m，主体为2 200~5 900 m。通过实测野外露头剖面对比，厚度为200~780 m，平面上，自南西向北东方向呈增大趋势，城口以北地区厚度最大，在巴山地区可达780 m。

晚奥陶世五峰组沉积期，海侵达到高潮，沉积了厚度较薄的五峰组黑色炭质页岩和硅质岩，志留纪时，伴随着古陆的抬升，龙马溪组沉积期沉积环境安宁，表现为广海陆棚相沉积，下部形成一套笔石页岩，分布稳定^[14-15]。

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组暗色页岩主要出露于巫溪、城口一带的东西向背斜区，主体埋深为800~5 000 m。该套地层岩性变化较大，下部为典型的黑色笔石页岩，水平层理发育，局部铁质浸染严重，厚度为14.6~96.0 m，平面上亦呈现出自南西向北东厚度逐渐增大的趋势；上部为浅色—黄绿色页岩及灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，厚度为275~433 m，单层暗色页岩厚度主要为20~ 80 m。城口地区，主要发育灰黑色—黑色薄层状页岩夹粉砂质页岩，顶部逐渐变为黄灰色—灰绿色粉砂质页岩，地层倾角在40º左右，巫溪地区发育灰黑色—黑色薄层状粉砂质泥岩夹炭质页岩和薄层泥质粉砂岩，含较多笔石化石，地层倾角相对平缓。

下寒武统水井沱组富有机质页岩总有机碳（TOC）质量分数主体为1.0%~8.0%，最大值可达18.7%，TOC含量最大值见于城口大渡溪剖面，该剖面页岩TOC质量分数平均值为5.51%（图 2）。纵向上，随着岩性的变化，TOC含量自下而上逐渐减小，TOC质量分数大于2.0%的优质页岩段分布于水井沱组下部，优质段页岩厚度为30.6~74.1 m，平均为54.7 m；平面上，TOC含量高值区域集中在城口地区，即城口县垃圾场、太平油房沟、城口大渡溪一带，TOC质量分数为3.0% ~18.0%，平均值达7.3%，巫溪东安寒风娅、巫溪鱼鳞、巫溪顺阳村一带TOC含量相对较低，质量分数为0.40%~4.15%。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 水井沱组TOC含量和Ro平面分布叠合 Fig. 2 TOC content and Ro overlay map of Shuijingtuo Formation shale

富有机质页岩镜质体反射率（R_o）为2.27%~ 3.87%，平均为3.07%，主体属于高—过成熟阶段，有机质类型主要为Ⅰ型。上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组暗色页岩TOC质量分数主要为1%~ 5%，最大值为6.74%，见于满月隧道西剖面，该剖面TOC质量分数平均值为4.74%。纵向上，自下而上TOC含量亦表现出逐渐变小的特征，变化范围较大，TOC质量分数大于2.0%的优质页岩段分布于五峰组—龙马溪组底部，平均厚度约45.2 m；平面上，高TOC含量区主要集中在满月隧道西、寨包管家湾、巫溪龙台干河坝一带，TOC质量分数主要为3.03%~6.74%，平均为4.90%，整体上表现为TOC高含量区向北和向南均减小的趋势（图 3）。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 五峰组—龙马溪组页岩TOC含量和Ro平面分布叠合 Fig. 3 TOC content and Ro overlay map of Wufeng-Longmaxi Formation shal

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组暗色页岩R_o主要为1.21%~2.82%，平均为1.79%，主体属于成熟—高成熟阶段，有机质类型主体上为Ⅰ型，部分为Ⅱ₁型。

对于页岩气来讲，页岩既是气源岩又是储层，因此，页岩中天然气的赋存方式多样，除极少量以溶解态存在于干酪根、沥青、残留水及液态烃中以外，大部分天然气以游离态存在于孔隙及天然裂缝中和以吸附态存在于干酪根及黏土颗粒等表面^[16-17]。

宏观上，渝东北地区下寒武统水井沱组及上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组均具有页岩中夹薄层粉砂岩及细砂岩的特征，为游离气的大量存在提供了良好的储集空间，从测试结果分析，孔隙度主要为2.12%~7.25%，局部可达7%以上。比表面积主要为6.22~20.46 m²/g，平均为13.04 m²/g，为天然气的赋存提供了充足的吸附空间，总孔体积为0.002 5~0.022 0 mL/g，平均为0.015 mL/g。微观上，2套目的层系均以粒间孔、溶蚀孔、有机质孔为主，由于渝东北地区经历了多期构造运动，宏观裂缝及微观裂缝均比较发育（图 4）。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 渝东北地区下古生界页岩构造微裂缝特征 Fig. 4 Characteristics of structure fractures of Lower Paleozoic shale in northeastern Chongqing

矿物组分上，石英、黏土矿物、黄铁矿以及碳酸盐矿物等的含量对页岩裂缝的发育具有影响作用，进而影响页岩的含气性^[18]。渝东北地区下寒武统水井沱组页岩自生碎屑脆性矿物石英+长石体积分数为40%~78%，平均为62.03%，上奥陶统五峰组—下志留统龙马系组页岩自生碎屑脆性矿物石英+长石体积分数为28.0%~86.0%，平均为65.28%，黏土体积分数均小于50%，主要为12%~44%（图 5），脆性矿物含量相对较高，岩石脆性好，易于破裂且有利于后期压裂改造。总体上，2套页岩均具有富含石英、长石等碎屑组分，黏土矿物次之，少量方解石、白云石、黄铁矿等特征。因此，2套页岩脆性均较强，易于破裂产生大量裂缝、微裂缝，为页岩气的聚集提供了良好的储集空间。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 渝东北地区下古生界页岩矿物组成三角图 Fig. 5 Triangular diagram of mineral composition of Lower Paleozoic shale in northeastern Chongqing

在温度为30 ℃、湿度为2.11%~2.15%、甲烷体积分数为99.99%的实验室条件下，对15块样品进行了等温吸附实验。页岩的等温吸附特征一般采用Langmuir等温吸附曲线来描述，当吸附量为Langmuir体积的一半时所对应的压力为Langmuir压力。Langmuir压力表示页岩吸附的难易程度，Langmuir体积反映页岩的最大吸附能力^[19]，结果往往比实际含气量要大。通过等温吸附实验获得的Langmuir体积转化为实际埋深条件下的最大吸附气含量来评价页岩的吸附性能，通过转化，渝东北地区下寒武统水井沱组黑色页岩最大吸附气质量体积为1.38~2.05 m³/t，平均为1.82 m³/t，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩最大吸附气质量体积为1.82~3.38 m³/t，平均为2.80 m³/t。15块等温吸附测试样品中最大吸附气质量体积为1.0~2.0 m³/t的样品占总样品数的20%，最大吸附气质量体积为2.0~4.0 m³/t的样品占总样品数的80%，表明渝东北地区下古生界页岩具有较强的吸附能力。

结合城口地区下寒武统水井沱组已钻的CT1井、CD1井和CD4井等钻井资料^[20-21]，水井沱组页岩现场解析气质量体积为0.60~3.97 m³/t，平均为1.07 m³/t。位于巫溪县东田坝背斜北翼的WX2井五峰组—龙马溪组现场解析气质量体积为0.50~ 4.46 m³/t，平均为2.30 m³/t^[22-23]。总体上，2套页岩含气量均较高，接近或超过北美页岩气商业开发质量体积的下限值1.1 m³/t^[24-25]，具备页岩气富集的有利条件。

页岩气聚集受多种因素的影响，主要包括页岩有效厚度、有机质含量、有机质成熟度、裂缝及孔隙发育程度、含气量等。通过对比国内外大量的研究成果^{[1, 16, 25-26]}，结合渝东北地区页岩气发育的地质背景，确定TOC质量分数大于2.0%、成熟度大于1.0%、页岩有效厚度大于30 m、平均含气质量体积大于0.5 m³/t作为评价标准。

依据此标准，渝东北地区下寒武统水井沱组有效页岩气面积约2 800 km²，主要分布于城口的明中—厚坪一带以及巫溪的咸水—文峰—大同一带（参见图 2），有利区内水井沱组暗色页岩TOC质量分数为2.0%~18.7%，厚度为30.6~74.1 m，成熟度为2.27%~3.87%，有机质类型主要为Ⅰ型，平均最大吸附气质量体积为1.82 m³/t，平均现场解析气质量体积为1.07 m³/t。上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组有效页岩气面积约1 500 km²，主要分布于巫溪地区的咸水—文峰—大同一带（参见图 3），上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组暗色页岩TOC质量分数为2.00%~6.74%，厚度为38.4~69.7 m，成熟度为1.21%~2.82%，有机质类型主要为Ⅰ型，部分为Ⅱ1型，平均最大吸附气质量体积为2.80 m³/t，平均现场解析气质量体积为2.30 m³/t（表 1）。

表 1(Table 1)

表 1 渝东北地区下古生界页岩关键参数统计 Table 1 Statistics of key parameters of Lower Paleozoic shale in northeastern Chongqing 参数 有利区面积/km2 优质段页岩厚度/m 埋深/m 密度/（g·cm-3） v（最大吸附气量）/（m·3 t-1） 孔隙度/ % v（含气量）/（m·3t-1） 地质资源量/万亿m3 五峰组—龙马溪组 区间值 1 500 38.4~69.7 800~5 000 2.40~2.49 1.82~3.38 3.25~7.25 0.50~4.46 0.16~0.62 平均值 45.2 2 000 2.45 2.80 4.29 2.30 0.38 水井沱组 区间值 2 800 30.6~74.1 2 200~5 900 2.34~2.69 1.38~2.05 2.12~6.67 0.60~3.97 0.26~0.58 平均值 54.7 3 400 2.52 1.82 3.44 1.07 0.42

下载CSV 表 1 渝东北地区下古生界页岩关键参数统计 Table 1 Statistics of key parameters of Lower Paleozoic shale in northeastern Chongqing

体积法是目前进行页岩气资源评价应用最广泛、精度最高的方法^[28-32]。页岩气地质资源量表示为页岩重量与单位重量页岩所含天然气的乘积。若研究区勘探程度较低，无法获取页岩总含气量，亦可通过分别计算吸附气含量和游离气含量的方法进行计算。考虑到使用体积法进行页岩气资源评价时所涉及的关键参数在纵向、横向上均表现出很明显的非均质性，因此引入了统计学中概率论的概念，建立关键参数分布模型[图 6（a）]，以概率的形式赋值，得到不同概率条件下的页岩气资源[图 6（b）]，形成条件体积概率法^[31]。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 五峰组—龙马溪组优质段页岩厚度概率密度（a）和地质资源量（b）分布图 Fig. 6 Distribution map of high quality thickness probability density(a)and geological resources(b) of Wufeng-Longmaxi Formation

评价结果显示，渝东北地区下古生界页岩气资源总量为（0.42~1.20）万亿m³（95%~5%概率），期望值（50%概率）为0.80万亿m³，其中，下寒武统水井沱组页岩气资源量为（0.26~0.58）万亿m³，期望值为0.42万亿m³，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气资源量为（0.16~0.62）万亿m³，期望值为0.38万亿m³（参见表 1）。

（1）渝东北地区下古生界页岩均夹薄层粉砂岩、细砂岩，厚度适中，有机质类型主要为Ⅰ型，TOC含量高、处于高—过成熟热演化阶段，为页岩气生成提供了良好的物质基础；矿物组成中石英、长石等碎屑组分含量高，黏土矿物含量较低，易于破裂形成裂缝、微裂缝，为页岩气的聚集提供了良好的聚集空间。

（2）渝东北地区水井沱组和五峰组—龙马溪组页岩均对甲烷具有较强的吸附能力，经转换实际埋深条件下2套页岩平均最大吸附气质量体积分别为1.82 m³/t和2.80 m³/t。同时，2套页岩均具有较高的含气量，现场解析气平均质量体积分别为1.07 m³/t和2.30 m³/t。

（3）渝东北地区下寒武统水井沱组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组有效页岩气面积分别为2 800 km²和1 500 km²，采用条件概率体积法评价页岩气资源量分别为0.42万亿m³和0.38万亿m³，主要分布于城口的明中—厚坪一带以及巫溪的咸水—文峰—大同一带。