渝南地區(qū)龍馬溪組下部富有機(jī)質(zhì)頁巖巖相類型及儲(chǔ)層特征

曹地 陳雷 蔡家蘭 王欣

摘? ?要： 以渝南地區(qū)龍馬溪組下部富有機(jī)質(zhì)頁巖為研究對(duì)象，對(duì)巖相類型進(jìn)行劃分，對(duì)不同巖相下的儲(chǔ)層品質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)分析。研究發(fā)現(xiàn)：渝南地區(qū)龍馬溪組下部龍一1亞段發(fā)育9種頁巖巖相，其中主要頁巖巖相有4種，分別為混合硅質(zhì)頁巖、含粘土硅質(zhì)頁巖、含硅粘土質(zhì)頁巖和粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖;不同頁巖巖相具有不同的儲(chǔ)層特征，其中含粘土硅質(zhì)頁巖為最優(yōu)勢(shì)頁巖巖相，集聚了高總有機(jī)碳含量（TOC）、高孔隙度、高含氣性和高脆性等特征，其他三者為次優(yōu)勢(shì)頁巖巖相。

關(guān)鍵詞： 頁巖巖相;龍馬溪組;渝南地區(qū);總有機(jī)碳含量（TOC）;含粘土硅質(zhì)頁巖

引言

隨著頁巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，眾學(xué)者[1-5]應(yīng)用細(xì)粒沉積學(xué)對(duì)頁巖非均質(zhì)性進(jìn)行研究，指出頁巖并不是均一的整體，而是由不同的頁巖巖相組成的，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性[6-7]。巖相不僅包含沉積巖的巖性特征（如顏色、物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和巖石類型組合）、生物特征（如生物群種屬和生態(tài)）和地球物理化學(xué)特征（如巖石力學(xué)特征、有機(jī)質(zhì)特征和含氣性特征），也基于“環(huán)境是原因，相是結(jié)果”的理論，對(duì)沉積環(huán)境有指示意義，即不同的巖相受控于不同的綜合沉積環(huán)境。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)研究需要，不同地區(qū)采用不同的頁巖巖相劃分方案。目前國(guó)外普遍根據(jù)礦物、構(gòu)造、生物群和結(jié)構(gòu)紋層等特征進(jìn)行頁巖巖相劃分，在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)把顏色、總有機(jī)碳含量（TOC）、特征礦物等納入了劃分方案，對(duì)頁巖巖相類型進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化[8-13]。

四川盆地渝南地區(qū)龍馬溪組海相頁巖是我國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)的重要層系。前人已經(jīng)對(duì)這套地層的構(gòu)造背景、沉積環(huán)境、孔隙結(jié)構(gòu)、有機(jī)地化和資源潛力等方面進(jìn)行了精細(xì)化的研究[14-19]，但受盆地內(nèi)區(qū)域性沉積條件差異控制，不同地區(qū)頁巖發(fā)育特征不同，在巖相劃分方面也沒有達(dá)成共識(shí)，亟待確定統(tǒng)一性的行業(yè)劃分標(biāo)準(zhǔn)[10-13]。國(guó)外頁巖氣商業(yè)性研究已經(jīng)證明不同的巖相具有不同的開發(fā)潛力，所以巖相的精細(xì)化科學(xué)劃分對(duì)尋找勘探開發(fā)目的層和評(píng)價(jià)開發(fā)潛力具有重要意義。

本文在渝南地區(qū)龍馬溪組下部富有機(jī)質(zhì)頁巖巖相類型劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖石學(xué)特征、有機(jī)地化特征和物性特征等參數(shù)，分析研究各巖相的儲(chǔ)層性質(zhì)差異，選出勘探開發(fā)中最具優(yōu)勢(shì)的頁巖相。

1? 地質(zhì)概況與研究范圍

四川盆地是一個(gè)在上揚(yáng)子克拉通基礎(chǔ)上自震旦紀(jì)經(jīng)過多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的疊合型盆地[20]。在晚奧陶—早志留世全球范圍海平面上升的背景下，受川中隆起、黔中隆起和雪峰隆起圍限的影響，四川盆地內(nèi)部由廣海變?yōu)榱吮粐薜木窒藓Ｓ?，形成了大面積低能欠補(bǔ)償、滯留還原的沉積環(huán)境[21]。

所研究的地區(qū)位于重慶以南、涪陵西南、丁山構(gòu)造以北、大足以東一帶，地理上屬于川東高陡褶皺帶向川南低陡褶皺帶的過渡帶，整體上位于頁巖構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域。本文的研究層段主要為下志留統(tǒng)龍馬溪組下部龍一1亞段，該段地層富有機(jī)質(zhì)頁巖段主要為深水陸棚沉積，地層平面展布穩(wěn)定，沒有較大差異。

2? 海相頁巖巖相類型及特征

首先根據(jù)三種礦物含量（硅質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物和粘土礦物）劃分出硅質(zhì)類頁巖、灰質(zhì)類頁巖、粘土類頁巖和混合類頁巖4種大類頁巖巖相;然后以10%、20%、50%和80%為分界點(diǎn)，最終將頁巖巖相分為16種亞類頁巖巖相（圖1a）。將渝南地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖層段的測(cè)試數(shù)據(jù)投點(diǎn)至三端元圖中，可見研究區(qū)龍一1亞段富有機(jī)質(zhì)暗色頁巖共發(fā)育9種頁巖巖相（圖1b），其中主要頁巖巖相4種（占87.96%），分別為混合硅質(zhì)頁巖（S-2）、含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）、粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）和含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）;次要巖相2種（占8.36%），分別為含灰硅質(zhì)頁巖（S-1）、混合灰質(zhì)頁巖（C-2）;偶見巖相3種（占3.68%），如圖2所示。

2.1? 混合硅質(zhì)頁巖（S-2）

該巖相硅質(zhì)礦物（石英+長(zhǎng)石）含量在47%～79%，平均值為63%;粘土礦物含量在10%～37%，平均值為20%;碳酸鹽礦物含量最少，平均為17%。巖心上呈黑色或灰黑色，頁理發(fā)育（圖3a），可見筆石化石，偶見黃鐵礦結(jié)核或條帶（圖3b）;鏡下薄片顯示巖相礦物主要為石英、炭質(zhì)粘土和泥粉晶白云巖（圖4c），顯微級(jí)水平紋層發(fā)育（圖4a），黃鐵礦呈針柱狀或零星分布，見硅質(zhì)骨針，多為單軸雙射（圖4b）。

2.2? 含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）

該巖相硅質(zhì)礦物（石英+長(zhǎng)石）含量在51%～79%，平均值為63%;粘土礦物含量在13%～48%，平均值為31%;碳酸鹽礦物含量最少，平均為6%。巖心上呈黑色或灰黑色，頁理發(fā)育（圖3c），可見大量筆石雜亂分布（圖3d）;鏡下薄片顯示巖相中粗粉砂和細(xì)粉砂均勻混雜，少量泥粉晶白云石分散分布，粉砂和白云石聚集呈平行紋層狀和炭質(zhì)粘土互成條帶（圖4e），見多量放射蟲，殼壁為硅質(zhì)，部分殼壁被黃鐵礦交代（圖4d）。

2.3? 粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）

該巖相硅質(zhì)礦物（石英+長(zhǎng)石）含量在35%～50%，平均值為45%;粘土礦物含量在33%～52%，平均值為45%;碳酸鹽礦物含量最少，平均為9%。巖心上呈深灰色或黑色，塊狀構(gòu)造，可見大量筆石雜亂分布（圖3h），見黃鐵礦透鏡體發(fā)育（圖3g）。鏡下薄片顯示巖相中大量炭質(zhì)有機(jī)物浸染粘土，多量粉砂石英顆粒均勻分散分布，少量泥粉晶白云石，見波狀不平行紋層發(fā)育，紋層厚度0.2～2.75 mm（圖4h），偶見放射蟲殘片不均勻分布。

2.4? 含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）

該巖相硅質(zhì)礦物（石英+長(zhǎng)石）含量在30%～51%，平均值為40%;粘土礦物含量在50%～65%，平均值為56%;碳酸鹽礦物含量最少，平均為4%。巖心上呈深灰色或黑色，多為塊狀構(gòu)造，偶見水平紋層，發(fā)育粉砂質(zhì)透鏡體和條帶（圖3e、圖3f），見筆石化石。鏡下薄片顯示巖相中見波狀不平行紋層發(fā)育，紋層厚度0.01～0.06 mm（圖4f）;少量白云石多為粉晶呈星點(diǎn)狀分布不均，云母細(xì)片和眉狀炭質(zhì)粘土沿紋層具定向性分布（圖4g）;黃鐵礦呈粉末狀均勻分布（圖4g）。

2.5? 混合灰質(zhì)頁巖（M-3）

該巖相硅質(zhì)礦物（石英+長(zhǎng)石）含量在18%～47%，平均值為32%，巖心上呈深灰色或黑色，多為塊狀構(gòu)造，偶見水平紋層，見少量筆石發(fā)育（圖3i）。鏡下薄片顯示巖相中礦物主要為粉砂石英、泥粉晶白云巖和炭質(zhì)粘土，粉砂和白云石聚集呈平行紋層狀和炭質(zhì)粘土互成條帶;波狀平行紋層發(fā)育，紋層厚度0.3～5.0 mm，紋層為云質(zhì)粉砂巖與含粉砂云質(zhì)粘土巖不等厚互層（圖4i）。

3? 主要巖相儲(chǔ)層品質(zhì)發(fā)育特征

如第2章所述，研究區(qū)龍一1亞段富有機(jī)質(zhì)頁巖共發(fā)育9種頁巖巖相，主要頁巖巖相分別為混合硅質(zhì)頁巖（S-2）、含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）、粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）和含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3），占總巖相的87.96%（圖2），它們對(duì)研究區(qū)目的層段儲(chǔ)層品質(zhì)起主導(dǎo)作用。所以從總有機(jī)碳含量（TOC）、孔隙度、含氣性和脆性四個(gè)方面，對(duì)4種主要頁巖巖相的儲(chǔ)層特征進(jìn)行分析。

3.1? 總有機(jī)碳含量（TOC）

不同頁巖巖相總有機(jī)碳含量（TOC）存在較大差異，如圖5a所示。其中混合硅質(zhì)頁巖（S-2）的TOC介于0.46%～6.23%，平均值為3.18%;含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）的TOC介于0.10%～7.73%，平均值為2.68%;含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）和粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）的TOC較低，含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）的TOC介于0.13%～2.53%，平均值為1.52%;粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）的TOC介于0.22%～2.99%之間，平均值為1.93%。

3.2? 孔隙度

主要頁巖巖相孔隙度差異不大，平均孔隙度整體大于4%，如圖5b所示。其中含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）的孔隙度最大，介于3.12%～7.13%，平均孔隙度為5.23%;含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）和混合硅質(zhì)頁巖（S-2）次之，平均孔隙度分別為4.73%和4.51%;粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）孔隙度最小，平均孔隙度為4.09%。

有機(jī)質(zhì)微孔對(duì)頁巖氣的賦存和滲流有著重要意義，而發(fā)育有機(jī)質(zhì)微孔的干酪根和焦瀝青與頁巖的TOC有著直接的聯(lián)系[22]。頁巖中TOC越高，有機(jī)質(zhì)微孔發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)越充分，孔隙度也越大。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)不同頁巖巖相孔隙度與TOC有良好的正相關(guān)性（圖6），說明研究區(qū)主要頁巖巖相中有機(jī)質(zhì)微孔較為發(fā)育，且通過4種巖相進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同的TOC變化范圍內(nèi)，含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）的孔隙度變化幅度最大，說明孔隙類型以有機(jī)孔為主。

3.3? 含氣性

在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，含氣性是衡量其是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值和資源評(píng)估的重要參數(shù)[17]。測(cè)試數(shù)據(jù)（圖5c）顯示，含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）孔隙類型含氣量相對(duì)較高，介于0.27～8.64 m3/t，平均值為3.14 m3/t;混合硅質(zhì)頁巖（S-2）和粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）含氣量較低，平均值分別為1.71 m3/t和2.03 m3/t;含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）因TOC最低，含氣量也最低，僅為1.54 m3/t。

頁巖中較高的有機(jī)質(zhì)含量是大量生成頁巖氣的基礎(chǔ)，TOC越大，頁巖的生烴潛力越大。測(cè)試數(shù)據(jù)（圖6、圖7）顯示，研究區(qū)不同頁巖巖相含氣性與TOC和孔隙度整體呈正相關(guān)性，即頁巖巖相中TOC越大，孔隙度越大，含氣性也越好。

3.4? 脆性特征

頁巖儲(chǔ)層的脆性特征在頁巖氣勘探開發(fā)中具有重要意義。頁巖脆性越高，越有利于后期儲(chǔ)層改造，壓裂效果越明顯[23]。根據(jù)公式

計(jì)算得到的測(cè)試數(shù)據(jù)（圖5d）顯示，渝南地區(qū)頁巖脆性和TOC具有較高一致性，脆性指數(shù)越大，頁巖的TOC越高。渝南地區(qū)主要頁巖巖相具有高脆性特征?；旌瞎栀|(zhì)頁巖（S-2）和含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）的脆性最大，混合硅質(zhì)頁巖（S-2）脆性指數(shù)為47%～79%，含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）脆性指數(shù)為51%～79%，二者平均脆性都是63%;粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）的脆性相對(duì)較低，平均脆性為45%;含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）的脆性最低，平均脆性僅為40%。

4? 優(yōu)勢(shì)頁巖巖相判別

從“相控論”的角度出發(fā)，優(yōu)勢(shì)頁巖巖相判別在頁巖氣勘探開發(fā)中具有重要意義，是衡量頁巖是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值和進(jìn)行資源評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)[13]。結(jié)合目前四川盆地長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、焦石壩等大型頁巖氣田的開發(fā)現(xiàn)狀，本文綜合礦物成分、TOC、含氣性、脆性和孔隙度4種參數(shù)，對(duì)渝南地區(qū)龍馬溪組下部富有機(jī)質(zhì)頁巖巖相儲(chǔ)層品質(zhì)特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在頁巖氣勘探開發(fā)中儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，綜合研究區(qū)不同頁巖巖相實(shí)際參數(shù)，確立了渝南地區(qū)頁巖巖相儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。TOC、含氣量、孔隙度和脆性指數(shù)分別以2%、2 m3/t、4.6%、50%為分界，將頁巖巖相分為Ⅰ類（優(yōu)勢(shì)頁巖巖相）和Ⅱ類（次優(yōu)勢(shì)頁巖巖相）兩種，并整合于表1。

數(shù)據(jù)分析顯示，含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）具有高TOC、高含氣性、高脆性、高孔隙度的儲(chǔ)層特征，為渝南地區(qū)頁巖氣勘探優(yōu)勢(shì)頁巖巖相。而混合硅質(zhì)頁巖、含硅粘土質(zhì)頁巖和粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖由于具有TOC、孔隙度或脆性較低等特征，其含氣性相對(duì)較低，為渝南地區(qū)頁巖氣勘探次優(yōu)勢(shì)頁巖巖相。

5? 結(jié)論

（1）四川盆地渝南地區(qū)龍馬溪組下部富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育9種頁巖巖相，其中主要頁巖巖相4種，分別為混合硅質(zhì)頁巖（S-2）、含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）、粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖（M-2）和含硅粘土質(zhì)頁巖（A-3）。

（2）含粘土硅質(zhì)頁巖（S-3）具有高TOC、高含氣性、高脆性、高孔隙度的儲(chǔ)層特征，為渝南地區(qū)頁巖氣勘探最優(yōu)勢(shì)頁巖巖相，而混合硅質(zhì)頁巖、含硅粘土質(zhì)頁巖和粘土質(zhì)/硅質(zhì)頁巖由于具有TOC、孔隙度或脆性較低等特征，其含氣性相對(duì)較低，為渝南地區(qū)頁巖氣勘探次優(yōu)勢(shì)頁巖巖相。

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