页岩气在中国具有巨大的资源潜力，是未来天然气产量增长的重要组成部分之一，对技术创新以及扩展油气勘探空间具有重要意义^[1-7]。中国的页岩气调查工作主要集中在南方地区，而寒武系牛蹄塘组是中国南方最重要的页岩气目标地层之一^[8-10]，该地层在贵州省分布广泛，被认为具有较好的页岩气勘探前景^[11-12]。针对贵州省寒武系牛蹄塘组展开的页岩气研究工作较早，但主要集中在黔北、黔中地区^[13-17]；黔南地区牛蹄塘组厚度较黔北大，一般在100m左右，但研究资料反而较少。因此，本文立足于黔南地区仅有的一口牛蹄塘组页岩气调查井──麻页1井，开展牛蹄塘组的页岩气地质条件评价研究。调查显示黔南地区寒武系牛蹄塘组厚度较大，黑色页岩较为发育，含气量最高可达1.13m³/t，初步认为牛蹄塘组页岩地质条件较佳，有望成为贵州省寒武系牛蹄塘组页岩气调查勘探的重要区域。

贵州省在2012—2013年开展了全省的页岩气调查工作，重点针对寒武系牛蹄塘组实施了多口页岩气调查井，其中麻页1井为其中的一口调查井，该井位于黔南地区麻江县东南约3km，开孔地层为寒武系上统清虚洞组白云岩，完钻地层为震旦系—寒武系老堡组硅质岩，井深为1427.26m。麻页1井钻遇地层从上向下分别为：

0~169m：寒武系清虚洞组，岩性为灰色、浅灰色薄—中层泥质白云岩；

169~751m：寒武系杷榔组，岩性为灰色、灰绿色钙质页岩；

751~817m：寒武系变马冲组，岩性为灰色、深灰色页岩；

817~1042m：寒武系九门冲组，岩性为灰色、深灰色石灰岩；

1042~1418m：寒武系牛蹄塘组，岩性为黑色碳质页岩、灰色粉砂岩和页岩；

1418~1427.26m：震旦系—寒武系老堡组，岩性为黑色薄层硅质岩。

其中牛蹄塘组是该调查井的目的层，该地层井深在1042~1418m之间，真厚度为264m。该井牛蹄塘组可分为两段，第一段为黑色、灰黑色碳质页岩夹粉砂岩；第二段为灰色、深灰色粉砂岩、页岩（图 1）。

图 1

图 1 麻页1井牛蹄塘组综合柱状图

寒武纪早期的桐湾运动，造成了贵州大部分地区牛蹄塘组与下伏灯影组之间为一暴露平行不整合面，在贵州南部该暴露面逐渐变为整合接触，牛蹄塘组之下沉积了一套黑色薄层硅质岩，该硅质岩厚数十米，局部可达100余米。随着寒武纪早期的迅速海侵，在牛蹄塘组下部沉积了厚度较大的黑色碳质页岩夹粉砂岩段，麻页1井显示该段厚度为99m，发育三叶虫等底栖生物，以泥质沉积物为主，粉砂质次之，具泥质粉砂状结构特征（图 2a），含星点状黄铁矿，发育水平纹层，代表了半深水—深水陆棚海沉积环境。该黑色页岩段之上为一套灰色、深灰色粉砂岩、页岩，真厚度为165m，该段间歇性受到波浪和波浪回流作用的影响，水动力相对较强，岩性主要以粉砂岩、页岩为主，可含一定数量的钙质组分，沉积构造以块状层理和小型沙纹层理为主，局部见韵律层理和定向沙纹层理，偶见生物扰动构造，生物化石较少，仅见少量三叶虫生物碎片。该段岩石的出现标志着水位下降，为浅水陆棚相沉积，砂质含量明显较第一段高（图 2b）。通过以上特征，可以看出麻页1井纵向上页岩储层非均质性特征明显，在沉积环境、矿物组成上均有所表现。

图 2

图 2 牛蹄塘组岩石扫描电镜下结构

前人提出了南方复杂构造区高演化海相页岩气“二元富集”理论，认为构造保存是页岩气富集高产的关键^[18], 黔南地区牛蹄塘组下伏发育有厚度较大的硅质岩层，相对于黔北，更有利于牛蹄塘组页岩气的保存，以及页岩气开采压裂过程中避免压穿地下水。

据美国页岩气藏泥岩总有机碳含量与含气性之间关系统计，含气量与总有机碳含量有明显的正相关关系^[19-20]。陈践发等根据TOC的变化对暗色泥岩进行分类，认为TOC＜0.4%为非烃源岩，TOC＞0.4%达到烃源岩标准，其中TOC在0.6%~1%为中等烃源岩，TOC＞1%为好烃源岩^[21]。

针对麻页1井牛蹄塘组取样53件，其中第一段取样43件，第二段取样10件。第一段页岩样品TOC在0.39%~5.35%之间，平均为3.19%，仅个别数据低于1%，一般在1%~5%之间，绝大部分达到好烃源岩的标准，在1300~1417m之间TOC均大于2%，一般在3%~5%之间，是牛蹄塘组TOC较高并连续性较好的页岩段；第二段10件页岩样品TOC在0.37%~1.27%之间，平均为0.69%，总体含量较低。纵向上页岩TOC具有从下向上降低的趋势，上部页岩TOC普遍较低，反映受沉积环境影响明显。

有机质成熟度的测定方法有镜质组反射率（R_o，%）法、岩石热解峰温（T_max, ℃）法、可溶有机质参数法等^[22-23]。自20世纪70年代以来，镜质组反射率法被广泛使用，该方法也是本项目所采用的测试方法。但由于寒武纪时期缺乏镜质组，因此采用固体沥青反射率（R_b）换算为镜质组反射率（R_o）的方法来表征牛蹄塘组的成熟度，计算公式为：R_o=0.3195+0.6790R_b^[24]。对麻页1井牛蹄塘组页岩自上而下取样7件，分析结果显示，R_b在1.82%~3.18%之间，平均为2.56%，换算后R_o在1.56%~2.48%之间，平均为2.06%，总体处于过成熟阶段早期。根据美国页岩气开发盆地资料，其页岩有机质R_o在0.4%~1.88%之间^[25]；中国重庆涪陵地区志留系龙马溪组JY1井产气量较高，其龙马溪组页岩有机质R_o在2.2%~3.1%之间^[26-27]。黔南麻江地区牛蹄塘组与以上成功进行页岩气开发的页岩成熟度相当。

由于黔南地区寒武系牛蹄塘组演化程度较高，本次采用显微组分分析法分析牛蹄塘组黑色页岩有机质类型。根据干酪根在显微镜下的特征，牛蹄塘组黑色页岩干酪根显微组分以腐泥组为主，壳质组和惰质组次之。其中腐泥组主要为腐泥无定形体成分；壳质组主要为腐殖无定形体，含少量壳质碎屑体；惰质组显示为丝质体，类型指数为91~98。统计结果表明牛蹄塘组黑色页岩具有Ⅰ型干酪根特征，与前人的研究结果一致^[28-29]。

对麻页1井牛蹄塘组黑色页岩采样进行全岩X射线衍射及黏土矿物分析，结果表明除个别样品碳酸盐含量较高外，其余页岩样品主要由石英、斜长石和黏土矿物组成，并含有一定量的白云石和黄铁矿，含少量的钾长石和菱铁矿；个别样品方解石、白云石含量可达50%以上，从而导致石英、长石和黏土矿物含量较低。石英含量一般在29.03%~49.87%之间，平均为41.97%，黏土矿物含量一般在9.41%~47.18%，平均为23.06%；斜长石含量在3.71%~27.07%之间，平均为17.98%。黏土矿物主要由伊利石和伊/蒙混层组成，伊利石占黏土矿物的40%~75%，伊/蒙混层占8%~49%，并见少量的高岭石和绿泥石。矿物组成成分可以初步反映页岩的脆性特征^[30]，牛蹄塘组黑色页岩脆性矿物（不含方解石）含量在48.87%~88.56%之间，平均为71.58%，从上往下脆性矿物含量具略显增高的趋势，总体来说脆性矿物含量较高，易于压裂改造。

通过对麻页1井牛蹄塘组黑色页岩采样，利用脉冲法分析孔隙度和渗透率，结果显示牛蹄塘组黑色页岩孔隙度在1.13%~1.88%之间，平均为1.66%；渗透率一般在0.0011~0.0082mD之间，平均为0.0071mD，牛蹄塘组黑色页岩纵向上孔隙度和渗透率没有明显的变化，表现出低孔、低渗的显著特征。孔隙度和渗透率相关性分析显示，牛蹄塘组黑色页岩孔隙度和渗透率具明显的正相关性（图 3）。

图 3

图 3 麻页1井牛蹄塘组黑色页岩孔隙度与渗透率关系图

页岩储层比较复杂，对微观孔隙的观察是研究页岩气富集的基础^[31]。利用扫描电镜及氩离子抛光观察牛蹄塘组黑色页岩储层微观特征，显示牛蹄塘组黑色页岩内粉砂颗粒间普遍填充有机质，有机质分散性强（图 4a），颗粒细小，页岩整体结构致密，孔隙相对不发育，仅在黏土矿物与骨架矿物颗粒间偶见少量微裂缝（图 4b）。扫描电镜下黏土矿物及其粒间发育的裂缝直径多小于1μm，裂缝内可见其他矿物充填（图 5）。采用压汞和低温氮气吸附分析，毛细管压力曲线特征如图 6所示，其曲线综合形态表明牛蹄塘组黑色页岩孔喉比小，退汞效率较低，孔喉连通性较差，孔喉半径主要在0~0.1μm之间，占95.46%。氮气吸附曲线反映牛蹄塘组黑色页岩总体具细孔喉、分选差的微孔微喉型孔隙结构（图 7）；比表面积较小，在1.765~5.040m²/g之间，平均为3.84m²/g；孔容为0.0015~0.10mL/g，平均为0.065mL/g。总体上，牛蹄塘组黑色页岩以中孔隙、低孔容、比表面积偏小为特征。

图 4

图 4 麻页1井牛蹄塘组黑色页岩储层微观特征

图 5

图 5 麻页1井牛蹄塘组黑色页岩扫描电镜下裂缝发育特征 Ⅰ—伊利石；Or—正长石；Q—石英；Pr—黄铁矿；Do—白云石；Ⅰ/S—伊/蒙混层

图 6

图 6 麻页1井牛蹄塘组黑色页岩压汞毛细管压力曲线

图 7

图 7 麻页1井牛蹄塘组黑色页岩氮气吸附、脱附曲线

本次通过对岩心采用常温、低温和高温进行现场解吸获得现场解吸气量，再通过线性关系计算损失气量，并通过对岩心粉碎充分解吸获得残余气，将三者相加得到总含气量^[32]。

对麻页1井牛蹄塘组页岩完成现场解吸51件样品，其中第一段解吸样品22件，第二段解吸样品31件。第一段总含气量在0.04~1.13m³/t之间，平均为0.38m³/t，从上往下总含气量具逐渐降低的特征；第二段总含气量在0.02~0.55m³/t之间，平均为0.15m³/t，与第一段相似，从上往下总含气量也逐渐降低，但含气量明显较第一段低。在第一段顶部1285.23~1340.5m之间显示总含气量较好，在0.2~1.13m³/t之间，平均为0.58m³/t。

通过分析牛蹄塘组页岩现场解吸气样，页岩气组分以CH₄为主，此外还有部分N₂及少量C₂H₆、C₃H₈、CO₂和O₂。其中CH₄含量较高，峰值达到74.9%，平均含量为57.8%；N₂次之，平均含量为37.5%；其余组分含量之和一般小于5%。

黔南地区寒武系牛蹄塘组黑色页岩厚度一般大于90m，且牛蹄塘组下伏地层为一套硅质岩，相对于黔北地区厚度更大，也具更有利的底板封盖条件。黔南地区牛蹄塘组可分为两段，其中第一段主要为黑色碳质页岩，也是该地区主要的页岩气目标层段，该段黑色页岩有机地球化学条件优越，TOC一般在1%~5%之间，成熟度较为适中，脆性矿物含量高，储层较为致密，微观裂缝、孔隙相对不发育，具明显的低孔低渗特征。麻页1井揭示牛蹄塘组页岩含气量可达1.13m³/t，气体组分以甲烷为主，揭示了黔南地区牛蹄塘组有较好的页岩气显示，页岩气勘探前景较好。