Gas-Bearing Capacity and Controlling Factors of Niutitang Formation Shale in Well XZD-1, Western Margin of Xuefeng Uplift
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摘要: 雪峰隆起周缘是四川盆地外围页岩气勘探的重要区域，下寒武统牛蹄塘组为该区主要的页岩气层位，为深入研究页岩含气性特征，以隆起西缘湘张地1井钻井资料为基础，借助现场含气测试数据，对页岩纵向含气性进行精细描述，并以此探讨牛蹄塘组页岩气分布规律与控制因素.湘张地1井牛蹄塘组页岩气整体呈上低下高、局部富集的分布规律，受有机质含量、矿物组分、孔隙与裂缝、物性、滑脱构造等因素共同控制.下部页岩有机质和脆性矿物含量高、裂缝与孔隙较发育，气体吸附的比表面积主要由有机质孔隙提供，脆性矿物有利于孔缝的形成与保存，裂缝与孔隙的发育有效改善了储层物性，为游离气提供大量储集空间，配合存在的滑脱构造带，使下部总含气量较高，且以游离气为主，占比58%~82%，尤其底部滑脱带内吸附气含量极低，孔缝发育程度对总含气量的影响大于有机质含量，同时，孔缝分布的不均也导致气体在局部较为富集；上部页岩孔缝欠发育，有机质与脆性矿物含量均低于下部，整体含气性较差，吸附气占比略大，主要受有机质含量控制，可作为下部含气段直接有效的盖层.此外，下部页岩岩石力学脆性强、成岩作用晚、热演化程度高、抗压强度与主应力差低，具备较强的可压裂性，有利于后期改造.Abstract: The Lower Cambrian Niutitang Formation in Xuefeng uplift and its peripheral areas is one of major shale gas reservoirs. To explore the gas-bearing capacity of Niutitang Formation shale in this area, the vertical variations of gas-bearing capacity, distribution and controlling factors of shale gas in western margin of Xuefeng uplift were studied in detail, based on the drilling data of Well XZD-1 and the testing gas content data. The gas content of desorption in Well XZD-1 increases gradually with the increase of depth with locally high gas abundance. The gas-bearing property of Niutitang Formation shale was controlled by various factors such as organic carbon content, mineral composition, development characteristics of pore and fracture, physical property and the decollement structure. The lower shale of Niutitang Formation has high content of organic carbon and brittle minerals, well-developed natural fractures and pores. Organic matter provides the main adsorption specific surface area, the brittle minerals contribute to the formation and preservation of pores and fractures. The fracture and pore with the decollement structure have effectively improved reservoir physical property, provided a large amount of reservoir space for free gas and ensured a high gas content in the lower Niutitang Formation. And free gas is the main component, accounting for 58%-82%. In addition, the content of adsorbed gas in the bottom decollement belt is very low. The influence of pore and fracture development is greater than that of organic carbon content. And the distribution of pores and fractures result in the locally enriched gas. The pore and fracture of upper shale in Niutitang Formation are under developed, and the contents of organic matter and brittle minerals are lower. The shale gas content in the upper shale of Niutitang Formation is poor and the proportion of adsorbed gas in the total gas content is slightly larger, which is mainly controlled by organic carbon content. In addition, the lower shale of Niutitang Formation has strong fracturability, which is conducive to later fracturing transformation, because it is brittle in rock mechanics, with late diagenesis, high thermal maturity and low difference between compressive strength and principal stress.
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Key words:
- gas-bearing capacity /
- controlling factor /
- Niutitang Formation /
- shale gas /
- Well XZD-1 /
- Xuefeng uplift /
- petroleum geology
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雪峰隆起及周缘地区广泛发育下寒武统牛蹄塘组海相页岩，有效厚度大、有机质丰度与热演化程度高，具备优越的生烃物质基础，但同时也存在形成时代老、经历多期构造运动、页岩气赋存条件复杂等问题（张琳婷等，2014；赵文智等，2016；黄俨然等，2018）.与该区相比，北美主要页岩气产地与我国已发现工业气流的四川盆地整体构造相对稳定，保存条件较好，含气性主要受页岩有机碳含量、热成熟、矿物组成、物性等内部因素及埋深、地层压力等外部因素影响（聂海宽等，2012；杨振恒等，2013；郭彤楼和张汉荣，2014；金之钧等，2016；翟刚毅等，2017），但近年来黄陵隆起周缘宜昌地区寒武系水井沱组高产气页岩层的发现（罗胜元等，2019），证实构造复杂地区仍存在较大的页岩气资源潜力，提振了在古隆起及周缘进行深入勘探的信心.雪峰隆起周缘是四川盆地外围页岩气调查与探索的新区，是实现我国南方页岩气勘探开发由长江上游向中游湘鄂地区拓展的一个重要区域.区内实施的慈页1井、常页1井等在牛蹄塘组页岩中均钻获页岩气显示，前人对该组沉积演化与有机地化特征、成藏与构造保存条件等进行了研究，认为其生烃基础好，区域上页岩的含气性主要受较高的热演化程度与复杂构造条件等因素制约（林拓等，2015；孟凡洋等，2018），但对于牛蹄塘组而言，仍缺乏对含气性特征的精细刻画与分析，页岩气纵向差异富集的控制因素也尚不明确，增加了后期深入勘探及资源综合评价的难度.为探索页岩气有利区分布、识别优质含气层段，中国地质调查局在雪峰隆起西缘部署的页岩气探井-湘张地1井，于牛蹄塘组页岩中获较高的测试气量，且含气性纵向上变化较大，本文以湘张地1井为对象，在对牛蹄塘组页岩系统取样测试分析获取含气量数据与各项地质参数的基础上，系统描述了页岩含气性特征，并以此来探讨雪峰隆起西缘牛蹄塘组页岩气分布规律及有机质、矿物组分、孔隙特征、物性、裂缝发育程度、构造变形差异等因素对含气量的影响作用，明确页岩气纵向上差异分布的主控因素.
1. 地质概况
1.1 区域地质特征
雪峰隆起位于扬子地块与华夏地块结合部位，是以晚前寒武纪浅变质岩系为主体的隆起带，走向由NNE到NE向，总体向NW突出呈弧形展布，具有复杂的演化历史（梅廉夫等，2012；邓大飞等，2014）.该区北西以慈利-保靖基底断裂为界与湘鄂西褶皱带相邻，南东大致以安化-溆浦断裂组合为界与湘中坳陷相接（图 1）.区内经历多期构造运动，形成一系列以NNE-NE为主的断裂与褶皱构造，并存在多个不整合面与滑脱构造带，主要出露新元古界冷家溪群、板溪群、震旦系、寒武系-志留系、泥盆系-下三叠统、上三叠统-中侏罗统、白垩系等地层.
图 1 湘张地1井地区地质特征及钻井地层柱状图a.地质图；b.柱状图；c.地震剖面图Fig. 1. Geological characteristics and formation histogram of Well XZD-1早寒武世，雪峰隆起区处于华南较深水的海相沉积环境中，牛蹄塘组以深水陆棚-盆地相沉积的黑色碳质页岩、硅质页岩为主，局部含钙质与砂质，底部夹石煤及硅磷质结核.页岩中富含有机质、黄铁矿和海绵骨针化石，指示低能、缺氧的深水还原沉积环境（刘安等，2013；王传尚等，2013）.牛蹄塘组在隆起西缘张家界-吉首地区一带主要为深水陆棚相沉积，局部页岩段含钙质与砂质，向南东至安化-溆浦地区一带逐渐过渡为深海-半深海盆地相沉积，砂质含量极少.区内调查发现，牛蹄塘组存在于现今整个雪峰隆起地区，西缘分布广泛，东缘多个地区因隆升剥蚀而缺失，埋深为0~3 000 m不等，碳质页岩、硅质页岩累计厚度为100~200 m.
1.2 湘张地1井概况
湘张地1井位于湖南省张家界市沅古坪镇，构造位置处于雪峰隆起西缘、慈利-保靖断裂东侧的沅古坪向斜中心区，该向斜呈北东向狭长带状展布，与雪峰构造区内的主体构造方位相一致，核部出露奥陶系灰岩，地层整体较平缓，倾角为10°~15°.地震测线解释剖面显示，该区存在包括慈利-保靖断裂在内的多个逆冲推覆构造，其上发育叠瓦扇反向逆冲断层组合（图 1），断层之间为地层宽缓、构造相对稳定带.湘张地1井位于逆冲断层之间的稳定带上，地层上倾方向存在反向断裂遮挡，挤压背景下的逆断裂一般具有较好的屏蔽性，有利于气体保存，故该井所在区具有一定的页岩气勘探潜力.湘张地1井开孔层位为下奥陶统碳酸盐岩地层，由上至下依次钻穿上寒武统追屯组、比条组、车夫组，中寒武统花桥组、敖溪组，下寒武统清虚洞组、杷榔组和牛蹄塘组整套寒武系地层，进入震旦系灯影组完钻，钻遇地层序列正常.牛蹄塘组顶深为1 792.8 m，底深为1 998 m，钻探厚度为205.2 m，其中黑色碳质页岩、硅质页岩累钻厚为199 m，占比为97%.按取心的岩性特征将牛蹄塘组自下而上划分为6段，顶部页岩中含粉砂，向下砂质减少，以碳质页岩为主夹少量泥质灰岩，底部主要为碳质页岩与硅质页岩(表 1).该井牛蹄塘组页岩富含有机质，TOC为1.19%~10.50%，平均值为4.44%，有机质类型以Ⅰ-Ⅱ1型为主，Ro值为2.56%~3.30%，总体处于过成熟演化阶段，具有较好的生气物质基础与潜力.
表 1 湘张地1井牛蹄塘组分段特征Table Supplementary Table Stratigraphic segmentation of Niutitang Formation in Well XZD-1分段 顶底深度
（m）岩性 TOC
（%）气测全烃
（%）解析气含量
（m3·t-1）损失气含量
（m3·t-1）6段 1 792.8~1 807 灰黑色碳质页岩，局部含粉砂 1.19 0.33~1.45/0.86 解析气偏低 偏低 5段 1 807~1 890 黑色碳质页岩 1.46~3.15/2.20 0.56~7.02/1.73 0.01~0.08/0.04 0.01~0.08/0.03 4段 1 890~1 905 黑色碳质页岩，局部为含钙质碳质页岩 2.26 0.84~2.63/1.29 0.03~0.11/0.07 0.03~0.11/0.07 3段 1 905~1 964.1 黑色碳质页岩夹少量泥质灰岩薄层 4.35~10.50/6.08 0.56~4.03/1.26 0.12~1.59/0.68 0.18~0.95/0.54 2段 1 964.1~1 982.4 黑色碳质页岩夹薄层泥质灰岩，含硅磷钙质结核 6.16~10.3/8.60 0.80~2.14/1.24 0.35~0.55/0.45 0.43~0.70/0.57 1段 1 982.4~1 998 黑色碳质页岩、硅质页岩、云质页岩夹少量泥质灰岩 4.35~4.84/4.53 1.37~3.75/1.97 解析气偏低 无法测算 2. 含气性特征
2.1 气测录井
气测录井设备所检测的烃类气体主要是钻进过程中岩石破碎所释放的，还包括岩心与围岩快速逸散到泥浆中的气体，检测结果受空气混入、钻时、泥浆与地层压力差、泥浆密度与粘稠度、起下钻及钻探后效等多重因素影响，但仍能直观与定性地反映不同深度段含气性差异及变化趋势.湘张地1井牛蹄塘组底部第1段气测录井全烃值在6段中最高，为1.37%~3.75%，平均值为1.97%，其上2~5段气测全烃值整体相当，略低于1段，平均值为1.24%~1.73%，顶部第6段全烃值最低，平均值为0.86%，全烃值自上而下呈逐渐升高趋势.因下部1~3段页岩中裂缝较为发育，且存在滑脱构造带，钻探时从第3段开始加大了泥浆密度与粘稠度，这导致1~3段录井气测值有所降低，未呈现出与解析气含量匹配较好的气测显示.此外，该井牛蹄塘组纵向上见多个局部气测高值区域，其深度范围多在4 m之内，反映出页岩气纵向分布不均，具有局部富集特征.
2.2 现场解析气含量
含气量是页岩气资源潜力评价的关键指标，决定是否具备可开发的经济价值.现场解析试验是测定页岩含气量最直接可靠的方法，通过YSQ-Ⅲ型岩石解吸气测定仪对湘张地1井牛蹄塘组样品进行现场解析测定，并采用USBM直线回归法对部分样品进行损失气量恢复计算(表 1)（罗胜元等，2019）.结果显示，牛蹄塘组页岩总含气量（未包含残余气）为0.02~2.29 m3/t，其中解析气含量为0.01~ 1.59 m3/t，含量大于0.5 m3/t的连续页岩厚32 m (1 933~1 965 m)，主要分布于牛蹄塘组第3段内，大于0.3 m3/t的页岩累计厚度达45 m（1 965~ 1 982 m, 1 905~1 933 m），主要集中在2、3段内；损失气含量为0.01~0.95 m3/t，下部2、3段较高，为0.18~0.95 m3/t，平均值为0.55 m3/t.
2.3 纵向含气性差异
录井气测值在顶部6段最低，底部1段最高，考虑因调整泥浆引起的1~3段气测值偏低的情况，下部1~3段含气性较好，向上4~6段含气性逐渐变差.解析气与损失气含量在顶部第6段偏低，进入4~5段有所增加，但仍处于较低水平（多小于0.1 m3/t），进入第3段后，二者陡然升高，总含气量最高达2.29 m3/t，平均值为1.22 m3/t，该段含气量变化大，随深度并不呈明显增减趋势，具有局部富集的特征，向下第2段，含气量略有降低，平均值为1.02 m3/t，到底部第1段解析气量骤然下降，只有0.01 m3/t，因该段内存在滑脱构造带，岩心破碎，钻探取心过程中气体快速散失，无法由USBM直线回归计算损失气含量，故该段录井气测值高而解析气含量低.综合气测录井与现场解析结果认为，1、3段含气量最高，2段次之，4~6段整体偏低，其中第3段含气性分布不均，局部富集，第1段所含气体主要为游离气.
3. 含气性控制因素
3.1 有机碳含量
有机质不仅是生烃的物质基础，其内复杂的微孔隙可为甲烷分子提供吸附比表面积与吸附位点，且其表面的亲油性也增强了对甲烷分子的吸附性，是影响页岩吸附能力的重要因素，此外，有机质孔隙也为烃类气体提供了一定储集空间，对含气量具有重要控制作用（Slatt and O'Brien, 2011；Curtis et al., 2012；王飞宇等，2013；杨永飞等，2016；张晓明等，2017）.本文通过选取牛蹄塘组不同深度28个页岩样品进行有机质含量测试，从结果看，牛蹄塘组TOC值整体呈上部低、中下部高的特征（表 1）.纵向上，1~3段样品的TOC值均大于4%，其中2、3段平均值分别达8.60%和6.08%，1段次之，平均值为4.53%，而4~6段样品的TOC值为1.19%~3.15%，平均值为2.13%.对比样品的TOC与解析气含量发现，除第1段因处于滑脱构造带岩石强烈破碎导致解析气量较低外，高TOC的2、3段内样品的解析气量整体高于低TOC的4~6段，整个牛蹄塘组TOC值与解析气含量呈一定的正相关关系（图 2），但对于下部富有机质页岩段，解析气含量与TOC之间的正相关性却变差(第6段解析气量过低未标注），表明有机质含量是湘张地1井地区牛蹄塘组下部页岩含气量整体高于上部页岩的一个影响因素.
图 2 牛蹄塘组1~5段样品解析气含量与TOC关系Fig. 2. Relationship between gas content and TOC of samples in Sections 1‒5扫描电镜观察下，牛蹄塘组页岩有机质以沥青质体为主，其内部多为球粒结构，发育大量的球粒孔，配合其他纳、微米级孔隙与裂隙（图 3），为气体提供了大量有效吸附位点与储存空间，有机质孔隙随有机质含量与热演化程度的升高而增加.结合低温液氮吸附-脱附实验求得的页岩孔隙BET比表面积数据发现，当TOC小于4%时，样品比表面积随TOC增加而快速增大，二者呈非常好的正相关关系，当TOC大于4%时，这种相关性逐渐变差，但比表面积整体在较高值范围内（图 4），表明有机质是该井牛蹄塘组页岩比表面积的重要控制因素，一定程度上决定着吸附气含量.当TOC小于4%时，TOC与比表面积及含气量的正相关性也反映出有机质对含气量的这种控制作用与其较强的吸附能力有重要关系，这也是高TOC页岩段整体含气性较好的一个重要因素.当TOC大于4%时，含气量与TOC的正相关性变差，表明此时含气量受有机质之外的其他因素影响较大.
图 3 牛蹄塘组页岩有机质孔隙特征a. 1 950.2 m，沥青质体表面球粒孔；b. 1 965.5 m，有机质内纳米级孔隙；c. 1 895.2 m，条带状有机质内部裂隙；d.1 937.1 m，有机质与矿物接触边缘裂隙Fig. 3. Organic pore of Niutitang Formation shale
图 4 牛蹄塘组页岩比表面积与TOC及黏土矿物含量关系Fig. 4. Relationship between specific surface area of Niutitang Formation shale and TOC, clay mineral content3.2 岩石矿物
本文对湘张地1井牛蹄塘组页岩样品的全岩和黏土矿物组分分析结果显示，页岩矿物组分以石英为主，其含量百分比为31.5%~65.9%，平均值为49.2%，黏土矿物次之，含量为6.2%~40.8%，平均值为25.2%，主要为伊利石与少量的绿泥石和高岭石，碳酸盐岩矿物含量为2.2%~46.0%，平均值为9.9%，其余为长石与黄铁矿等.脆性矿物可反映页岩的脆性程度，包括石英、长石和黄铁矿，其含量为40.0%~80.7%，平均值为64.9%，随岩石学与矿物学的深入研究发现，碳酸盐矿物也可增加页岩的脆性（赵佩等，2014；夏遵义等，2019），而黏土矿物则表现为塑性.牛蹄塘组页岩脆性矿物与碳酸盐矿物合计占比均值达74.7%，整体脆性较强.由牛蹄塘组页岩矿物组成的三角图可知（图 5），除与震旦系界线附近的少量样品略向碳酸盐矿物区偏移外，大部分页岩样品都分布在脆性矿物区，且下部1~3段样品更为靠近脆性矿物区的顶端，表明湘张地1井地区牛蹄塘组页岩主要是以石英等脆性矿物为主的硅质成分页岩，脆性矿物对页岩性质的影响最大.
纵向上，石英与脆性矿物含量均随深度的增加而整体逐渐增大，上部5~6段内变化趋势不明显，从4段开始二者含量以较大速率增长，进入3段后达到较高值且向下相对稳定，1~3段整体为高值区，石英含量均值达56.0%，脆性矿物均值达68.3%；黏土矿物含量变化趋势则相反，碳酸盐含量亦随深度向下整体呈递增变化，但增加趋势较弱且波动起伏，整体含量略低，仅在局部较为富集.
牛蹄塘组页岩脆性矿物含量与有机碳含量及含气量纵向上变化趋势具很好的对应关系，均从第3段开始显著增加，且向下整体维持在较高值范围内.扫描电镜下，牛蹄塘组页岩中自生石英较多见，尤其是1~3段中自生石英含量明显偏高，晶形发育程度不一，雏晶、半自形晶和自形晶均有，主要为纳米与微米级，多与沥青质体交互共生，其含量一定程度上可指示有机质含量.低温液氮吸附-脱附实验求得数据显示，样品比表面积与黏土矿物含量呈一定的负相关性，反映了该区牛蹄塘组页岩中黏土矿物对比表面积的贡献较小（图 4），等温吸附实验结果也显示，高黏土矿物、低有机质含量的第4段页岩样品的Langmuir体积明显低于低黏土矿物、高有机质含量的2~3段样品，而Langmuir压力值却更高，且Langmuir体积与比表面积具较好的正相关性（表 2），表明页岩的吸附空间主要由有机质提供，黏土矿物对其贡献有限.此外，脆性矿物含量决定岩石脆性，高脆性页岩在外力作用下更容易形成孔缝，对页岩储层物性具有一定的改善作用，对比牛蹄塘组各段页岩的特征发现，高脆性矿物含量的1~3段，裂缝与孔隙发育程度明显强于上部4~6段，孔渗性也更好，对应着较高的含气量.因此，对于该井地区牛蹄塘组而言，石英等脆性矿物既可指示页岩内有机质含量变化，表征页岩的吸附能力，也有助于改善页岩的物性，增加游离气的储集空间.
表 2 牛蹄塘组不同段页岩等温吸附数据Table Supplementary Table Isothermal adsorption experimental data of shale at different depths of Niutitang Formation样品深度
（m）分段 Langmuir体积
（cm3·g-1）Langmuir压力
（MPa）BET比表面积
（m2·g-1）黏土矿物含量
（%）TOC
（%）1 895.2 4 1.53 2.04 12.627 28.4 2.26 1 937.1 3 3.38 2.31 17.632 21.2 5.24 1 965.5 2 3.51 1.29 18.552 10.4 9.08 1 981.2 2 3.77 1.37 13.853 10.5 6.16 3.3 孔缝与储层物性
对于低孔低渗的泥页岩，孔隙和裂缝是主要的储集空间与渗流通道，对储层物性和含气性具有重要影响作用.扫描电镜观察显示，牛蹄塘组泥岩中存在较多微孔隙与微裂缝，微孔隙主要包括有机质孔、粒间孔、晶间孔、溶蚀孔和铸模孔，微裂缝主要为层间裂缝与顺层裂缝（图 6）.
图 6 牛蹄塘组页岩孔隙与裂缝特征a.沥青质体与自生石英交互共生，球粒孔，1 905.5 m；b.挤压碎裂形成的粒间孔，1 974.6 m；c.矿物定向排列形成顺层裂缝；d.层间裂隙，1 905.5 m；e.岩心裂缝（蓝色箭头所示为层理缝，红色箭头所示为高角度构造缝）；f.薄片裂缝，1 950.2 mFig. 6. Pore and fracture characteristics of Niutitang Formation shale牛蹄塘组页岩有机质微孔载体主要为球粒状结构的沥青质体，多形成于有机质生排烃过程之中，受该区热演化程度较高的影响，有机质内孔隙较为发育，孔径几纳米至几百纳米均有，少量达到微米级.研究认为（梁峰等，2016），直径小于10 nm的有机质孔可为气体提供主要的吸附比表面积，直径大于10 nm的孔隙是游离气的重要储集空间，低温液氮吸附-脱附实验测试数据显示该井牛蹄塘组页岩以孔径小于50 nm中小孔为主，孔径小于10 nm的孔所占比例较大，可为气体吸附提供大量比表面积，控制着吸附气含量，较大的孔隙及微裂隙对游离气的储集及向非有机孔隙中运移气体具有一定贡献.非有机孔（包含粒间孔、晶间孔、溶蚀孔和铸模孔等）在整个牛蹄塘组页岩中普遍发育，此类孔隙在该井牛蹄塘组纵向上具有一定差异，下部页岩中与挤压破碎作用相关的粒间孔与溶蚀孔明显增多（图 6b），其孔径变化范围也较大，为气体提供了良好的储集空间.微裂缝中的顺层缝多与成岩作用相关，如层理缝（在顺层分布的片状矿物间较常见）、收缩缝等，其在整个牛蹄塘组页岩中分布无明显规律，而与构造作用相关的层间缝则表现出下高上低的分布特征，在1、3段尤为发育，2段次之，其多分布于岩心裂缝发育带附近，与宏观裂缝相伴生，对改善页岩的储集空间与提高各类孔隙的连通性有重要贡献.
此外对岩心观察统计发现，页岩内存在较多宏观可视裂缝和较大孔隙（主要为溶蚀孔），宏观裂缝主要为构造缝与成岩缝.牛蹄塘组下部页岩中构造缝发育程度明显强于上部，1、3段尤为发育，2段次之，其形成主要与构造挤压和层间滑动作用有关.第2、3段内构造缝以倾角60°~90°的高角度缝为主(图 7)，最大密度为12条/m，且在局部发育密集，部分裂缝被方解石与石英等矿物充填或半充填，对连通页岩内各类孔隙增加有效孔隙度有重要贡献；第1段内因存在滑脱构造作用，发育了大量低角度滑脱缝，并伴随有一定的高角度缝与倾斜缝，构成裂缝网络系统，极大地增加了页岩的储渗空间(图 8).成岩缝在该区也较为常见，以层理缝为主，部分被方解石等矿物充填，地下多呈闭合状态，对泥页岩物性的贡献小于构造缝.微观薄片观察发现，牛蹄塘组泥岩中发育较多微米级宽度的裂缝，局部形成裂缝网络，具有较好的连通性(图 8).
图 7 牛蹄塘组页岩构造裂缝倾角分布Fig. 7. Dip distribution of structural fractures of Niutitang Formation shale
图 8 牛蹄塘组页岩含气量与孔隙度关系Fig. 8. Relationship between gas content and porosity of Niutitang Formation shale孔隙度是评价页岩内有效储集空间、影响游离气含量的重要物性参数.本文对牛蹄塘组页岩样品采用常规稳态法进行基质孔隙度测定，并选取部分样品用核磁共振法测定其核磁孔隙度，该方法是通过监测饱和水样品孔隙水的核磁信号强度并根据其与孔隙度之间的关系标准来计算得到样品孔隙度，相比常规法，核磁法可表征更小孔径的孔隙体积（几十纳米级别），结果显示，牛蹄塘组下部1~3段孔隙度明显高于上部4~6段，其与含气量整体呈正相关关系，尤其含气量较高的第3段，孔隙度与含气量正相关性匹配度极高，反映出孔隙度对该段含气量起重要控制作用（图 8）.湘张地1井牛蹄塘组页岩孔隙度与石英等脆性矿物含量呈正相关关系，与黏土矿物呈较弱的负相关关系（图 9），这与石英具有特定的晶形与较大的硬度有关，一定程度上可以抵御外力作用，维持固有的形态与排列方式，形成相对刚性的骨架(李海等，2018)，有利于孔隙与天然裂缝的形成与保存；而黏土矿物在成岩及后期改造中，胶结碎屑颗粒，充填原生孔隙，易发生塑性变形，导致相对完整或连通性较好的孔裂隙空间复杂化，对储层孔渗性影响较大，这是脆性矿物含量较高的1~3段孔缝发育程度与储层物性整体好于4~6段的一个重要因素.此外，牛蹄塘组第3段内高孔隙度与含气量的样品多邻近裂缝发育带（表 3），宏观裂缝及其伴生的大量微裂缝与基质孔隙有效地增加了页岩的储存空间，提高了游离气与总含气量上限，是纵向上含气性差异的主要影响因素.
图 9 牛蹄塘组页岩孔隙度与矿物组分含量及TOC关系Fig. 9. Relation between porosity, mineral component content, and TOC of Niutitang Formation shale表 3 牛蹄塘组页岩第3段含气量、孔隙度与裂缝关系Table Supplementary Table Relationship between gas content, porosity and fracture development of Niutitang Formation shale in the Section 3样品深度
（m）孔隙度
（%）总含气量
（m3·t-1）解析气量
（m3·t-1）裂缝统计 1 905.5 2.28 0.941 0.491 裂缝不发育带 1 929.7 2.10 0.800 0.370 裂缝不发育带 1 933.9 - 1.092 0.542 裂缝发育带 1 937.1 4.48 2.294 1.594 裂缝发育带 1 940.6 - 0.304 0.124 裂缝不发育带 1 943.1 2.19 1.002 0.522 裂缝发育带 1 948.0 - 1.159 0.569 裂缝发育带 1 950.2 3.78 2.141 1.191 裂缝发育带 注：“-”表示无测试数据. 3.4 滑脱构造
牛蹄塘组第1段内发育一滑脱构造，滑脱面与主变形带分布深度为1 982.0~1 993.5 m，该深度段内页岩与上下岩层相比，岩石致密、岩性组合复杂、基质物性差、黏土矿物含量高、岩石强度相对低，在构造挤压与拉张应力下，发生剪切流变和韧性变形产生滑动层（颜丹平等，2008；王宗秀等，2012）.通过岩心与扫描电镜观察统计，该滑脱构造的滑脱面与层理面产状相近，岩心较破碎，且多沿滑动面或低角度剪切面断开成饼状，为层间滑动与构造挤压作用造成的低角度剪切应力所致，且错断面上常见明显擦痕及滑动摩擦产生的镜面现象，反映出强烈的层间滑动作用（图 10a~10c）.此外，岩心上还发育较多倾斜-高角度裂缝，与低角度剪切缝构成裂缝网络系统，配合页岩滑动变形及破裂过程中产生的大量孔隙，极大地改善了该段致密泥岩的物性，为气体提供了良好的储集空间与渗流通道.滑脱构造带促使页岩中吸附气解析并赋存于孔缝之中，因此该段具有较高的录井气测全烃值，这也导致后续钻探取心过程中气体快速散失，并无法由解析气量测算损失气含量，是该段页岩录井气测值整体高于其上5段而实测解析气量偏低的一个重要因素.
图 10 牛蹄塘组滑脱带及灯影组云岩溶蚀孔缝a. 1 982.4~1 994.5 m滑脱带内岩心沿滑动面或缝面断开；b. 1 990.0 m，滑动面上的镜面现象；c. 1 993.9 m，电镜观察下的擦痕，糜棱质d.2 004.4 m，云岩中溶蚀孔缝Fig. 10. Decollement structure of Niutitang Formation and dissolution pore and fracture in dolomite of Dengying Formation牛蹄塘组1段底部泥岩滑脱变形有所减弱，云质含量逐渐增加，其下为震旦系灯影组细-粉晶云岩夹碳质泥岩，界线附近云岩溶蚀孔缝异常发育（图 10d），为较好的储集层，牛蹄塘组部分烃类气体通过滑脱构造带向下运移至云岩中，形成一个优质的储气层段（1 998~2 008 m），该云岩段录井气测全烃值最大达4.68%、平均值为3.11%，向下云岩孔缝发育逐渐减弱，物性变差，加上致密泥页岩夹层的强封隔作用，含气量骤减，录井全烃值快速下降（图 11）.
图 11 牛蹄塘组下部与灯影组录井气测值分布Fig. 11. Distribution of logging gas measurements in Niutitang Formation and Dengying Formation4. 讨论
4.1 页岩气赋存状态
牛蹄塘组页岩气主要由游离气和吸附气组成，游离气以游离态存储于孔隙和天然裂缝中，吸附气多聚集在有机质和矿物微孔隙表面，在地下温压条件下，2种状态气体基本维持着吸附-解吸的动态平衡，其地下赋存状态对后期勘探开发方案选择与资源量评估有重要影响（张晓明等，2017；罗胜元等，2019）.
研究发现页岩含气量与有机质含量有重要关系，如美国Barnett页岩、渝东北巫溪2井页岩及宜昌地区宜页1井页岩含气量与TOC均呈良好正相关关系，湘张地1井牛蹄塘组页岩含气量与TOC同样具有正相关性（图 12）（Reed et al., 2007；梁峰等，2016；武瑾等，2017；罗胜元等，2019）.通过计算获得该井页岩样品的吸附气含量（罗胜元等，2019），相比于其他地区，湘张地1井牛蹄塘组页岩总含气量与TOC呈线性相关，而吸附气含量同TOC更偏于呈复杂对数曲线关系.当TOC值小于4%时，含气量与TOC趋于呈线性相关关系，随TOC值增大，吸附气含量与总含气量均逐渐增加，吸附气曲线与总含气曲线提前相交，未出现Barnett页岩与宜昌地区页岩中储集在非有机质中的游离气部分，表明该段页岩中非有机质相关孔隙发育较弱（梁峰等，2016），对吸附气与游离气含量贡献均有限，有机质孔对含气性起主要控制作用，但受有机质含量较低的影响，该段页岩整体含气性较差，吸附气占比略大，通过计算得出该范围内吸附气量占总含气量的44%~61%，平均值为52%；在TOC值大于4%的1~3段，随TOC值继续增大，吸附气量增长缓慢，并趋于稳定，这同TOC和比表面积变化趋势相对应，而游离气量增长仍较快，其在总含气量中占比超过了吸附气，为58%~82%，且在局部段较为富集，表明该段内发育的裂缝与滑脱构造带及伴随的大量微裂缝和孔隙，极大地增加了游离气含量与总含气量.
图 12 湘张地1井牛蹄塘组页岩总含气量、吸附气量与TOC关系Fig. 12. Relation between total gas content, adsorbed gas content and TOC of Niutitang Formation shale in Well XZD-14.2 牛蹄塘组页岩气纵向分布模式
雪峰隆起的形成是多期构造运动叠加的结果，保存条件对该区牛蹄塘组页岩含气性具有重要控制作用.湘张地1井所在的向斜两翼存在挤压性断层，走向北东-南西向，同雪峰隆起主体构造方位相一致，与主应力方位近垂直，断层两侧分别为非渗透性泥页岩与厚层灰岩，具有好的封堵性，对气体保存有利；向斜中心发育一小型逆断层（图 13），走向与两翼断层相近，断距为40~60 m，同样具有较强封闭性，对含气页岩层的破坏作用有限.同时，上覆杷榔组致密泥页岩与中上寒武统发育的大套泥灰岩、灰岩构成良好的盖层组合，加之牛蹄塘组厚层页岩的自封闭性，保证了该井的含气性.
图 13 湘张地1井地区牛蹄塘组页岩气纵向分布模式Fig. 13. Vertical distribution pattern of Niutitang Formation shale gas in Well XZD-1牛蹄塘组页岩的有机质含量、矿物组分、孔隙与裂缝发育、物性、构造变形等特征在纵向上存在较强的非均质性，导致含气性具有较大差异.有机质是生、排烃的物质保证，同时决定着页岩对气体的吸附能力，其内发育的孔隙对储集空间也有一定贡献，牛蹄塘组页岩自上而下有机质含量逐渐增加，在下部2、3段最为富集，吸附气含量明显高于其上4~6段，总含气量也相对较高.矿物组成方面，1~3段页岩石英等脆性矿物含量高、黏土矿物含量低，在构造应力作用下，其孔缝发育程度明显高于4~6段，第3段页岩内宏观裂缝广泛发育，且在局部密集分布，配合与其伴生的大量微裂缝与孔隙，有效地改善了该段的孔渗性，为游离气提供了有效储集场所，该段页岩含气性为6段中最好，游离气与吸附气含量均较高，游离气占比大于吸附气，在局部高孔缝发育带尤为富集，决定了含气量上限.其下第2段页岩，宏观裂缝发育程度有所减弱，微裂缝与孔隙也少于第3段，其整体含气量有所降低，主要为游离气含量的减少，吸附气含量变化不大（图 13）.第1段因存在滑脱构造带，大量发育的低角度滑脱缝（滑脱层面）与部分倾斜缝、高角度缝构成复杂裂缝网络系统，使该段成为一优质储层；同时，裂缝的发育也促进了吸附气向游离气的转化，极大地降低了吸附气比例，该段钻探中的高录井气测值与低解析气含量也证明其所含气体中游离气占主导.上部4~6段页岩整体较致密、有机质与石英等脆性矿物含量低于下部页岩、孔缝欠发育、物性极差，其内游离气与吸附气含量均偏低，可作为直接有效的盖层，确保下部页岩气在多期构造作用下得以保存.
4.3 牛蹄塘组可压裂性分析
雪峰隆起形成的多期构造运动中，以挤压推覆为主，隆起带及周缘广泛发育的北东-南西向褶皱与逆冲断裂也证明了该区挤压应力的主导作用.湘张地1井地区处于挤压环境中，随深度增加，挤压作用逐渐加强，而牛蹄塘组下部1~3段页岩段裂缝发育程度高，尤其是与最大主应力方向相近的低角度滑脱缝及其伴生的岩层滑动作用能使页岩内的挤压应力得到有效释放，导致主应力差减小，有利于开展后期的储层压裂改造，且上部高应力差岩层在压裂过程中可起到屏蔽作用，有效控制压裂缝的延伸高度（李玉喜等，2016），有助于实现含气层段的高效开发.牛蹄塘组下部页岩中广泛存在的宏观裂缝与微裂缝不仅降低了压裂造缝的难度，也极大地增加了压裂缝与其的沟通性，有助于在体积改造过程中形成复杂的裂缝网络（吴晶晶等，2018）.
脆性矿物含量一定程度上决定了页岩储层的脆性与可压裂性，牛蹄塘组页岩中石英等脆性矿物含量高，用脆性矿物含量、碳酸盐矿物含量之和与总矿物含量的比值来表示基于矿物组成的脆性指数（赵佩等，2014；李进步等，2015；夏遵义等，2019），牛蹄塘组页岩的脆性指数为0.59~0.94，平均值为0.75，自上而下呈逐渐增加趋势，含气性较好的1~3段脆性指数平均值为0.84（图 14），从矿物组成看，牛蹄塘组页岩脆性普遍较高，尤其是下部含气段页岩，在外力作用下易发生破碎，后期压裂改造中可产生较多诱导缝，具备可压裂性.
图 14 牛蹄塘组页岩基于矿物组分的脆性指数分布Fig. 14. Brittleness index distribution of Niutitang Formation shale based on mineral composition弹性模量和泊松比是反映岩石脆性的主要力学参数，弹性模量反映了页岩被压裂后保持裂缝的能力，泊松比反映了页岩在压力下破裂的能力，一般认为，岩石的弹性模量越大、泊松比越小，其脆性越高（唐颖等，2012；刁海燕，2013；袁俊亮等，2013；何建华等，2015；吴晶晶等，2018）.研究发现（Sondergeld et al., 2010），当弹性模量大于24 GPa，泊松比小于0.25时，页岩脆性指数高，可压裂性好.通过单轴压缩实验获得湘张地1井牛蹄塘组页岩样品的相关岩石力学参数，弹性模量为23.0~ 28.0 GPa，平均值为24.8 GPa，泊松比为0.14~0.20，平均值为0.18，牛蹄塘组页岩弹性模量略大于标准值，泊松比远小于标准值，且其抗压强度低于上覆杷榔组及中寒武统地层（表 4），表明该段页岩基于岩石力学参数的脆性适于进行体积压裂改造.研究发现，岩石脆性会随成岩阶段的深入与热演化程度的升高而增大（王建波等，2016；吴晶晶等，2018），当成熟度增加时，岩石本身矿物会向更脆且稳定的组分转化从而加大了岩石的脆性，另外有机质持续热解生烃会在页岩内部产生一定压力，当这种压力达到岩石破裂压力时，可产生大量微裂缝，也使页岩可压裂性增强.牛蹄塘组页岩热演化程度普遍较高，Ro平均值为3.0%，有利于后期压裂改造.
表 4 岩石单轴压缩实验力学参数Table Supplementary Table Mechanical parameters of rock uniaxial compression test样品深度
（m）所属层位 抗压强度
（MPa）杨氏模量
（GPa）泊松比 1 440.9 中寒武统 251.7 31.9 0.20 1 720.9 杷榔组 205.3 37.2 0.19 1 813.1 牛蹄塘组6段 108.4 28.0 0.20 1 937.1 牛蹄塘组3段 169.7 23.0 0.14 1 950.2 牛蹄塘组3段 115.2 24.2 0.20 1 981.2 牛蹄塘组2段 178.8 24.0 0.17 综合考虑认为湘张地1井地区牛蹄塘组页岩整体具备可压裂性，且下部1~3段页岩脆性矿物含量高、岩石力学脆性强、成岩作用晚、热演化程度高、天然裂缝较发育，抗压强度与主应力差低于上覆岩层（表 4），同时具备了高含气性与适宜的吸附-游离气比等条件，为该地区牛蹄塘组压裂首选层段，且可与其下优质云岩储层段实现联合开发，获取最大气量.
5. 结论
（1）湘张地1井牛蹄塘组页岩中有机质孔隙为吸附气提供了主要的吸附比表面积，并对储集空间有一定贡献；石英等脆性矿物有利于孔缝的形成与保存，并可指示有机质含量变化；裂缝与孔隙的发育，极大地增加了游离气的储存空间，对提高含气量效果显著；滑脱构造使页岩内形成裂缝网络并伴随大量孔隙，有效改善了储层物性.
（2）湘张地1井所在的雪峰隆起西缘牛蹄塘组页岩气整体呈上低下高、局部富集的纵向分布规律.底部受滑脱作用改造，储集条件优，含气量高；下部裂缝与孔隙较发育、有机质与脆性矿物含量高，游离气与吸附气含量均较高，同时，孔缝分布的不均也导致气体的局部富集；上部孔缝欠发育，页岩物性差，有机质与脆性矿物含量低，整体含气性较差，可作为下部含气段直接有效的盖层.
（3）湘张地1井区域牛蹄塘组纵向上页岩气赋存状态存在差异，上部吸附气占比略大，为44%~61%，主要受控于有机质含量，下部以游离气为主，占比为58%~82%，受有机质、孔缝发育程度共同控制，后者起主导作用，底部受滑脱构造带影响，吸附气多解析为游离气.
（4）湘张地1井牛蹄塘组下部页岩脆性矿物含量高、岩石力学脆性强、成岩作用晚、热演化程度高、天然裂缝较发育、抗压强度与主应力差低于上覆层，具备较强的可压裂性，配合其高含气性与适宜吸附-游离气比，可作为该区以至整个雪峰隆起西缘后期页岩气开发与压裂改造的优选层段.
致谢: 感谢匿名审稿人提出宝贵的建议以及编辑的帮助. -
图 1 湘张地1井地区地质特征及钻井地层柱状图
a.地质图；b.柱状图；c.地震剖面图
Fig. 1. Geological characteristics and formation histogram of Well XZD-1
图 2 牛蹄塘组1~5段样品解析气含量与TOC关系
Fig. 2. Relationship between gas content and TOC of samples in Sections 1‒5
图 3 牛蹄塘组页岩有机质孔隙特征
a. 1 950.2 m，沥青质体表面球粒孔；b. 1 965.5 m，有机质内纳米级孔隙；c. 1 895.2 m，条带状有机质内部裂隙；d.1 937.1 m，有机质与矿物接触边缘裂隙
Fig. 3. Organic pore of Niutitang Formation shale
图 4 牛蹄塘组页岩比表面积与TOC及黏土矿物含量关系
Fig. 4. Relationship between specific surface area of Niutitang Formation shale and TOC, clay mineral content
图 6 牛蹄塘组页岩孔隙与裂缝特征
a.沥青质体与自生石英交互共生，球粒孔，1 905.5 m；b.挤压碎裂形成的粒间孔，1 974.6 m；c.矿物定向排列形成顺层裂缝；d.层间裂隙，1 905.5 m；e.岩心裂缝（蓝色箭头所示为层理缝，红色箭头所示为高角度构造缝）；f.薄片裂缝，1 950.2 m
Fig. 6. Pore and fracture characteristics of Niutitang Formation shale
图 7 牛蹄塘组页岩构造裂缝倾角分布
Fig. 7. Dip distribution of structural fractures of Niutitang Formation shale
图 8 牛蹄塘组页岩含气量与孔隙度关系
Fig. 8. Relationship between gas content and porosity of Niutitang Formation shale
图 9 牛蹄塘组页岩孔隙度与矿物组分含量及TOC关系
Fig. 9. Relation between porosity, mineral component content, and TOC of Niutitang Formation shale
图 10 牛蹄塘组滑脱带及灯影组云岩溶蚀孔缝
a. 1 982.4~1 994.5 m滑脱带内岩心沿滑动面或缝面断开；b. 1 990.0 m，滑动面上的镜面现象；c. 1 993.9 m，电镜观察下的擦痕，糜棱质d.2 004.4 m，云岩中溶蚀孔缝
Fig. 10. Decollement structure of Niutitang Formation and dissolution pore and fracture in dolomite of Dengying Formation
图 11 牛蹄塘组下部与灯影组录井气测值分布
Fig. 11. Distribution of logging gas measurements in Niutitang Formation and Dengying Formation
图 12 湘张地1井牛蹄塘组页岩总含气量、吸附气量与TOC关系
Fig. 12. Relation between total gas content, adsorbed gas content and TOC of Niutitang Formation shale in Well XZD-1
图 13 湘张地1井地区牛蹄塘组页岩气纵向分布模式
Fig. 13. Vertical distribution pattern of Niutitang Formation shale gas in Well XZD-1
图 14 牛蹄塘组页岩基于矿物组分的脆性指数分布
Fig. 14. Brittleness index distribution of Niutitang Formation shale based on mineral composition
表 1 湘张地1井牛蹄塘组分段特征
Table 1. Stratigraphic segmentation of Niutitang Formation in Well XZD-1
分段 顶底深度
（m）岩性 TOC
（%）气测全烃
（%）解析气含量
（m3·t-1）损失气含量
（m3·t-1）6段 1 792.8~1 807 灰黑色碳质页岩，局部含粉砂 1.19 0.33~1.45/0.86 解析气偏低 偏低 5段 1 807~1 890 黑色碳质页岩 1.46~3.15/2.20 0.56~7.02/1.73 0.01~0.08/0.04 0.01~0.08/0.03 4段 1 890~1 905 黑色碳质页岩，局部为含钙质碳质页岩 2.26 0.84~2.63/1.29 0.03~0.11/0.07 0.03~0.11/0.07 3段 1 905~1 964.1 黑色碳质页岩夹少量泥质灰岩薄层 4.35~10.50/6.08 0.56~4.03/1.26 0.12~1.59/0.68 0.18~0.95/0.54 2段 1 964.1~1 982.4 黑色碳质页岩夹薄层泥质灰岩，含硅磷钙质结核 6.16~10.3/8.60 0.80~2.14/1.24 0.35~0.55/0.45 0.43~0.70/0.57 1段 1 982.4~1 998 黑色碳质页岩、硅质页岩、云质页岩夹少量泥质灰岩 4.35~4.84/4.53 1.37~3.75/1.97 解析气偏低 无法测算 
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表 2 牛蹄塘组不同段页岩等温吸附数据
Table 2. Isothermal adsorption experimental data of shale at different depths of Niutitang Formation
样品深度
（m）分段 Langmuir体积
（cm3·g-1）Langmuir压力
（MPa）BET比表面积
（m2·g-1）黏土矿物含量
（%）TOC
（%）1 895.2 4 1.53 2.04 12.627 28.4 2.26 1 937.1 3 3.38 2.31 17.632 21.2 5.24 1 965.5 2 3.51 1.29 18.552 10.4 9.08 1 981.2 2 3.77 1.37 13.853 10.5 6.16
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表 3 牛蹄塘组页岩第3段含气量、孔隙度与裂缝关系
Table 3. Relationship between gas content, porosity and fracture development of Niutitang Formation shale in the Section 3
样品深度
（m）孔隙度
（%）总含气量
（m3·t-1）解析气量
（m3·t-1）裂缝统计 1 905.5 2.28 0.941 0.491 裂缝不发育带 1 929.7 2.10 0.800 0.370 裂缝不发育带 1 933.9 - 1.092 0.542 裂缝发育带 1 937.1 4.48 2.294 1.594 裂缝发育带 1 940.6 - 0.304 0.124 裂缝不发育带 1 943.1 2.19 1.002 0.522 裂缝发育带 1 948.0 - 1.159 0.569 裂缝发育带 1 950.2 3.78 2.141 1.191 裂缝发育带 注：“-”表示无测试数据.
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表 4 岩石单轴压缩实验力学参数
Table 4. Mechanical parameters of rock uniaxial compression test
样品深度
（m）所属层位 抗压强度
（MPa）杨氏模量
（GPa）泊松比 1 440.9 中寒武统 251.7 31.9 0.20 1 720.9 杷榔组 205.3 37.2 0.19 1 813.1 牛蹄塘组6段 108.4 28.0 0.20 1 937.1 牛蹄塘组3段 169.7 23.0 0.14 1 950.2 牛蹄塘组3段 115.2 24.2 0.20 1 981.2 牛蹄塘组2段 178.8 24.0 0.17
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