紋層、夾層沉積構(gòu)造對海相頁巖儲(chǔ)集空間和儲(chǔ)層脆性的影響
——以四川盆地龍馬溪組頁巖為例

王玉杰，趙迪斐,2,3,4，盧琪榮，張逸簫，劉 靜，郭英海,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008；3.自然資源部頁巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 4001120；4.頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 4001120)

頁巖氣是指頁巖或泥巖在各種地質(zhì)條件下生成但未完全排出的天然氣，儲(chǔ)存于盆地內(nèi)厚度較大、分布較廣的泥頁巖內(nèi)部，有吸附、游離、溶解等多種賦存方式[1-2]。頁巖氣屬于非常規(guī)天然氣，其分布范圍廣、厚度大，具有開采年限長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點(diǎn)，其資源量巨大，但埋藏一般較深，滲透性一般不佳，開發(fā)工作具較大難度且成本較高[3]。四川盆地是我國重要的天然氣產(chǎn)區(qū)，四川盆地海相頁巖氣資源量豐富，以寒武系筇竹寺組與志留系龍馬溪組最為典型，這兩個(gè)地層的頁巖分布廣泛、厚度大、勘探價(jià)值高、TOC含量適宜，適合開展頁巖氣的進(jìn)一步地質(zhì)研究[1,3-4]。

頁巖氣成藏的主控因素包括有機(jī)質(zhì)類型與含量、成熟度、裂隙、孔隙度、滲透率、礦物組成、厚度、濕度、深度與溫壓條件等。近年來的地質(zhì)勘探及研究結(jié)果表明，不僅基質(zhì)孔隙和裂縫中含氣，在部分地區(qū)的龍馬溪組上部—新灘組粉砂質(zhì)夾層、紋層發(fā)育段也發(fā)現(xiàn)頁巖具有較好的含氣性，甚至可以形成致密氣藏[5]。

前人多對陸相及湖相頁巖紋層進(jìn)行研究，而對海相頁巖紋層及其對頁巖儲(chǔ)層的影響研究相對較少，在最近一兩年才開始增多。前人研究表明，紋層的組成和結(jié)構(gòu)會(huì)對頁巖儲(chǔ)層的有機(jī)質(zhì)含量、含氣性、孔隙度產(chǎn)生影響[6]，無機(jī)質(zhì)孔隙更為發(fā)育，而總有機(jī)碳含量和有機(jī)孔隙發(fā)育程度相對降低[7]。目前，已有研究成果對海相頁巖紋層做了詳細(xì)研究以及初步劃分，對海相頁巖紋層與頁巖儲(chǔ)層的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)探索，但對頁巖儲(chǔ)層脆性等的影響研究不足，且其研究仍側(cè)重于實(shí)驗(yàn)研究，而對其地質(zhì)意義的討論有待進(jìn)一步深入。本文選取蜀南、重慶地區(qū)志留紀(jì)龍馬溪組頁巖為研究對象，主要從地質(zhì)意義方面討論頁巖紋層、夾層對頁巖氣儲(chǔ)層的影響。

1 頁巖紋層、夾層的地質(zhì)特征

1.1 紋層、夾層的發(fā)育特征

研究區(qū)龍馬溪組厚度在229.2～672.5 m，屬志留系下統(tǒng)，與下伏地層奧陶系五峰組呈整合接觸，巖性以黑灰色、灰黑色筆石頁巖、泥巖及粉砂質(zhì)泥巖為主，富含筆石化石，常見有黃鐵礦細(xì)晶粒。上段以灰—深灰色、灰黑色泥巖為主，夾少量薄層或條帶狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r，頂部含少量串珠狀泥灰?guī)r小透鏡體；中段為深灰色、灰黑色頁巖；下段為灰黑色、黑色碳質(zhì)頁巖(表1)。

表1 重慶市綦江區(qū)觀音橋剖面龍馬溪組頁巖及鄰近地層中的粉砂質(zhì)紋層、夾層

龍馬溪組及其鄰近地層中粉砂質(zhì)層段較為發(fā)育，除龍馬溪組底部陸源粉砂質(zhì)含量較少外[8]，不僅頁巖基質(zhì)孔隙和裂縫可含氣，而且龍馬溪組頁巖間砂質(zhì)、粉砂質(zhì)夾層、灰?guī)r條帶等也可含氣，巫淺1井、龔地1井、臨7井粉砂質(zhì)夾層均出現(xiàn)氣測異常，陽深2井、陽9井等的灰?guī)r條帶、砂質(zhì)條帶出現(xiàn)了井涌、氣浸、氣噴等現(xiàn)象(表2)。在夾層、紋層發(fā)育位置，這種氣測異常普遍存在，對紋層、夾層及其對儲(chǔ)層的影響進(jìn)行研究，將有利于了解氣測異常原因與頁巖儲(chǔ)層層系物性的影響因素。

表2 研究區(qū)代表性鉆孔的夾層、紋層段的氣測異常與對應(yīng)巖性

1.2 紋層、夾層的成因分析

龍馬溪組沉積于中國南方擠壓最強(qiáng)烈的地質(zhì)歷史時(shí)期，早晚期的沉積環(huán)境不同，受控于沉積環(huán)境，龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層不同層段特征具有顯著差異[9]。圖1c示龍馬溪組頁巖發(fā)育初期，研究區(qū)在五峰組封閉深水滯留盆地的基礎(chǔ)上接受沉積，形成深水、低能、欠補(bǔ)償、缺氧的水體環(huán)境，在海平面快速上升的背景下形成以富有機(jī)質(zhì)筆石頁巖相為主的沉積物[10]；龍馬溪組底部頁巖儲(chǔ)層發(fā)育水平層理，說明沉積環(huán)境水動(dòng)力條件較弱；普遍存在的筆石化石，說明為深水環(huán)境；分散狀的黃鐵礦晶粒說明環(huán)境為還原靜水條件[5]。圖1b示龍馬溪組中期時(shí)，隨著水體深度變淺，陸源碎屑物質(zhì)對儲(chǔ)層的影響增加，儲(chǔ)層中粉砂質(zhì)紋層等的發(fā)育增多，水平層理由碳質(zhì)—泥質(zhì)水平層理過渡為泥質(zhì)—粉砂質(zhì)層理[5]，沉積環(huán)境由深海陸棚向淺海陸棚環(huán)境逐漸過渡，此階段沉積物中斷續(xù)的水平層理、水平波狀層理、粉砂質(zhì)紋層說明水動(dòng)力條件相對增強(qiáng)，沉積物開始受到動(dòng)力沉積的影響。圖1a示龍馬溪組晚期，由于水體進(jìn)一步變淺，在觀音橋剖面等可見碳酸鹽巖夾層。

圖1 沉積演化成因分析模式圖

1.2.1 紋層狀碳酸鹽巖夾層

在古水體中，由于從海水平面以下某一深度開始，碳酸鹽巖溶解度增大，隨海水深度增加，溶解度隨之增大，因此，在較深水環(huán)境下碳酸鹽巖被溶解而無法沉積保存，但觀音橋剖面等的龍馬溪組上部頁巖中卻發(fā)育有碳酸鹽巖夾層[5]。圖2a示W(wǎng)X-1井龍馬溪組上部的紋層狀碳酸鹽巖夾層；圖2b示YC-4井龍馬溪組上部泥質(zhì)灰?guī)r層段，對箭頭指向處進(jìn)行局部放大；圖2c示局部放大后的碳酸巖礦物，說明此可能為快速搬運(yùn)沉積的結(jié)果，其來源可能是水下高地或臨近碳酸鹽巖臺(tái)地的碳酸鹽巖沉積物，在具坡度差的情況下和風(fēng)暴、地震影響條件下快速搬運(yùn)沉積而成。

圖2 龍馬溪組紋層狀碳酸鹽巖夾層

1.2.2 粉砂質(zhì)、砂質(zhì)夾層

粉砂質(zhì)、砂質(zhì)沉積物粒度粗于頁巖基質(zhì)，故在頁巖中出現(xiàn)的這類沉積常與水動(dòng)力條件增強(qiáng)有關(guān)，如風(fēng)暴、濁流等事件沉積可能是其重要成因[11]。觀音橋剖面樣品的微觀觀測顯示，龍馬溪組各層段普遍發(fā)育有粉砂質(zhì)紋層、夾層，圖3a示龍馬溪組下部頁巖基質(zhì)中微型濁流成因的粉砂質(zhì)夾層，圖3b示龍馬溪組中部頁巖中的粉砂質(zhì)紋層顯微特征，圖3c示龍馬溪組上部頁巖儲(chǔ)層中發(fā)育的粉砂質(zhì)夾層，圖3d則示龍馬溪組中上部頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)中粒度較粗的陸源碎屑礦物。以川北廣元地區(qū)的河深1井龍馬溪組為例，其4 340～4 355 m井段在黑色頁巖中夾多層褐灰色紋層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及不等粒含生物碎屑砂巖，這些均為典型的濁流沉積；泉淺一井也可見粉砂質(zhì)薄夾層的存在，發(fā)現(xiàn)多處微型濁流沉積，在巖心中呈向兩側(cè)減薄的透鏡狀[2]。

圖3 龍馬溪組中的粉砂質(zhì)紋層—夾層沉積特征

2 紋層、夾層對頁巖儲(chǔ)層的影響

紋層、夾層發(fā)育部位出現(xiàn)的氣測異常說明，在這些層段頁巖氣的儲(chǔ)層物性、含氣方式、含氣量等存在與頁巖基質(zhì)的差異。這些層位巖石的性質(zhì)發(fā)生變化，在顯微尺度可以認(rèn)為這些層位發(fā)生由有機(jī)質(zhì)—泥質(zhì)(泥級(jí)礦物)構(gòu)成的頁巖儲(chǔ)層向粉砂質(zhì)—砂質(zhì)等構(gòu)成的致密儲(chǔ)層的轉(zhuǎn)變，其游離氣含量更高，孔隙發(fā)育尺度相對更大，紋層—夾層的發(fā)育是頁巖儲(chǔ)層物質(zhì)成分與物性非均質(zhì)性的重要影響因素[12-14]。不同巖性的夾層對頁巖氣儲(chǔ)層物性的影響是不一樣的，但總的來說，夾層對頁巖物性與頁巖氣儲(chǔ)集的作用主要有以下方面：作為游離氣等的微觀儲(chǔ)集空間、構(gòu)成頁巖層系中的滲流通道、調(diào)整頁巖儲(chǔ)層小尺度儲(chǔ)運(yùn)條件、影響頁巖儲(chǔ)層的脆性特征等。概括而言，紋層、夾層的發(fā)育特點(diǎn)對頁巖儲(chǔ)層的不同影響如圖4所示。

圖4 紋層、夾層對頁巖儲(chǔ)層的影響

2.1 改變微觀儲(chǔ)集空間

頁巖基質(zhì)具有低滲低儲(chǔ)的典型特點(diǎn)，納米級(jí)儲(chǔ)集空間是頁巖儲(chǔ)層重要的研究目標(biāo)[15]。對于頁巖儲(chǔ)集空間而言，夾層的存在是一種對基質(zhì)儲(chǔ)集空間的調(diào)整和補(bǔ)充，其氣體賦存特征有別于頁巖基質(zhì)。粉砂巖、砂巖紋層與夾層，其孔隙、微裂隙發(fā)育尺度更大，孔隙度高于頁巖基質(zhì)，可以為游離氣、吸附氣提供一定儲(chǔ)集空間；紋層、夾層的發(fā)育位置基本處于基質(zhì)之間，圖5a示YC-4井695.7 m處粉砂質(zhì)紋層發(fā)育于基質(zhì)之間，圖5b示YC-4井704 m處粉砂質(zhì)夾層較為發(fā)育，圖5c示 YC-4井760.7 m處發(fā)育粉砂質(zhì)紋層，圖5d示YC-8井840 m處發(fā)育透鏡狀粉砂質(zhì)紋層，上下一般均為低孔、低滲的頁巖基質(zhì)，故其內(nèi)部可以保持相對較高的壓力。取代表性含紋層、夾層頁巖樣品進(jìn)行測試，結(jié)果(表3)表明，粉砂巖夾泥質(zhì)紋層樣品的孔隙度、滲透率均顯著更高(孔隙度為3.45%，滲透率為0.085 2 mD)；含有粉砂質(zhì)夾層的泥頁巖樣品的孔隙度、滲透率次之(孔隙度為2.35%～3.05%，滲透率為0.001 4～0.010 1 mD)；而龍馬溪組底部無粉砂質(zhì)紋層、夾層發(fā)育的頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)樣品的孔隙度與滲透性最低(孔隙度為2.25%，滲透率為0.000 1 mD)，但因有機(jī)質(zhì)納米孔隙大量發(fā)育而具有最好的儲(chǔ)集性能。值得注意的是，龍馬溪組無紋層、夾層發(fā)育的非底部儲(chǔ)層層位，孔隙度等物性條件差于龍馬溪組底部無粉砂質(zhì)紋層、夾層發(fā)育的頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)樣品。因此，在紋層、夾層發(fā)育程度較高、保持壓力較高時(shí)，層段可以為游離氣提供儲(chǔ)集空間，龔地1井等在龍馬溪組上部—新灘組發(fā)現(xiàn)的氣藏即屬于粉砂質(zhì)層段內(nèi)部賦存的高壓力氣藏，故應(yīng)該重視頁巖層系與鄰近地層的綜合研究[2]。

圖5 龍馬溪組粉砂質(zhì)紋層—夾層發(fā)育情況

表3 代表性含紋層、夾層頁巖物性測試結(jié)果

2.2 增加頁巖儲(chǔ)層的連通性

紋層、夾層發(fā)育層段的孔隙裂隙系統(tǒng)是與整體連通性相配合的，在儲(chǔ)層形成后漫長的成巖改造過程中，這些夾層的存在有利于構(gòu)造作用下孔裂隙系統(tǒng)的調(diào)整與整體連通性的改變[16]。同時(shí)，由于紋層、夾層發(fā)育程度較高，儲(chǔ)層內(nèi)部對壓力的調(diào)整方式增多，有利于儲(chǔ)層裂縫發(fā)育[17]。紋層、夾層的礦物粒度更粗，使礦物顆粒間可以保持相對更好的滲流通道，由于頁巖基質(zhì)中的微孔隙和微裂隙常表現(xiàn)為黏土礦物開縫、脆性礦物開縫或礦物間的接觸縫[11,18]，圖6c示頁巖基質(zhì)中黏土礦物變形顯著，孔隙連通性較差，而紋層、夾層發(fā)育層段內(nèi)部的孔隙、微裂隙更為發(fā)育；圖6a示紋層、夾層發(fā)育段的顆粒礦物之間的孔隙較大；圖6b示碳酸鹽巖礦物溶蝕后發(fā)育的儲(chǔ)層孔隙，使紋層、夾層發(fā)育層段的連通性更加完備。所以，粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖等薄層可以增加頁巖孔隙裂隙的連通性，成為頁巖氣運(yùn)移的良好通道。

圖6 龍馬溪組頁巖微孔隙發(fā)育情況

2.3 提高頁巖儲(chǔ)層的脆性

低孔低滲是頁巖儲(chǔ)層的典型特點(diǎn)，確定頁巖氣資源潛力區(qū)域不僅要考慮儲(chǔ)氣量，還要考慮儲(chǔ)層的壓裂效果。脆性礦物是容易被擊破壓碎的礦物，因此壓裂效果與脆性礦物息息相關(guān)[11]。脆性礦物含量越高，頁巖脆性越高，壓裂時(shí)越易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)型裂縫[19]，使頁巖氣的產(chǎn)能越高，當(dāng)儲(chǔ)層脆性不夠時(shí)，壓裂產(chǎn)生裂縫效果不好，將影響頁巖氣的產(chǎn)量。同時(shí)，頁巖脆性是評價(jià)頁巖儲(chǔ)層可壓性的重要指標(biāo)，頁巖脆性越高，形成復(fù)雜縫網(wǎng)的潛力越大，易于增強(qiáng)儲(chǔ)層改造效果[20]。薄片觀察及掃描電鏡照片觀察顯示，粉砂質(zhì)紋層、夾層的脆性礦物顆粒含量高于頁巖基質(zhì)，其中發(fā)育有較多的黃鐵礦、石英、方解石和長石等脆性礦物[2,11]。由Y-2井龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)的縱向變化可知，龍馬溪組底部頁巖儲(chǔ)層(780～800 m)具有較好的力學(xué)脆性，向上脆性降低，至龍馬溪組上部—頂部頁巖，隨著粉砂質(zhì)紋層、夾層的發(fā)育，脆性指數(shù)重新增高(圖7)。脆性礦物含量會(huì)影響儲(chǔ)層微觀剛性構(gòu)架，圖8a示龍馬溪組紋層、夾層中的黃鐵礦，圖8b示龍馬溪組紋層、夾層中的方解石顆粒，圖8c示龍馬溪組紋層、夾層中的長石顆粒。在頁巖氣的相關(guān)研究中，脆性礦物有著非常重要的作用，紋層、夾層中的脆性礦物含量更高且礦物粒度更粗，有助于形成微觀剛性構(gòu)架[11]，偏脆性夾層沉積構(gòu)造在非五峰組-龍馬溪組底部儲(chǔ)層的發(fā)育，可能有利于形成壓裂縫。

圖7 Y-2井龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)變化特征

圖8 龍馬溪組掃描電鏡下的礦物特征

2.4 紋層、夾層的地質(zhì)意義

龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層向上具有粉砂質(zhì)紋層、夾層發(fā)育增多的特征，在頂部及其上覆新灘組地層中，因地層中粉砂質(zhì)的相對增多，巖性在部分層位逐漸過渡為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，使儲(chǔ)層的巖石學(xué)性質(zhì)由頁巖儲(chǔ)層過渡為致密儲(chǔ)層。渝東南地區(qū)因相對靠近沉積盆地邊緣，YC-8井、YC-6井等所揭露的龍馬溪組儲(chǔ)層陸源粉砂質(zhì)含量顯著更高，如YC-8井除龍馬溪組底部數(shù)米外，巖性基本對應(yīng)泥質(zhì)粉砂巖—粉砂巖，渝東南地區(qū)東南部的優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層主要是五峰組地層，龍馬溪組頁巖基質(zhì)的儲(chǔ)層質(zhì)量相對較差；而在渝東南地區(qū)，龔灘等地殘留向斜發(fā)現(xiàn)的高壓致密砂巖氣藏也證明，在這些陸源粉砂質(zhì)沉積相對較多的頁巖儲(chǔ)層層系中，致密氣可能是具有可行性的潛在目標(biāo)，因此粉砂質(zhì)紋層、夾層的發(fā)育在影響海相頁巖儲(chǔ)層的同時(shí)，可能形成高壓致密砂巖氣藏。

3 結(jié)束語

龍馬溪組頁巖沉積構(gòu)造反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境整體為弱水動(dòng)力條件、深水還原環(huán)境；粉砂質(zhì)夾層、紋層等沉積構(gòu)造的形成則多與水體逐漸變淺、水動(dòng)力條件逐漸增強(qiáng)有關(guān)，且多為事件沉積。川南龍馬溪組頁巖普遍發(fā)育粉砂質(zhì)或灰質(zhì)紋層、夾層，夾層巖性包括灰?guī)r、生物灰?guī)r、粉砂巖、砂巖等，夾層發(fā)育部位多有氣測異常發(fā)生，與頁巖基質(zhì)相比，紋層、夾層發(fā)育段的儲(chǔ)層物性更好，脆性礦物含量更高，孔隙及微裂縫更為發(fā)育。紋層、夾層對頁巖物性與頁巖氣儲(chǔ)集具有一定影響，薄夾層與頁巖孔隙裂隙系統(tǒng)相配合，改變了頁巖儲(chǔ)層的運(yùn)聚條件；此外，紋層、夾層還可以通過改變儲(chǔ)層中的脆性礦物含量調(diào)整脆性與壓裂效果。在陸源粉砂質(zhì)沉積相對較多的頁巖儲(chǔ)層層系中，致密氣可能是具有可行性的潛在目標(biāo)。

致謝：感謝重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院頁巖氣分院曾春林高工、焦偉偉高工在巖心研究中的指導(dǎo)和幫助，感謝中國礦業(yè)大學(xué)孟祥勝、劉英杰參加薄片觀測工作。