海相頁巖紋層特征及其對頁巖儲層發(fā)育的影響
——以川南長寧地區(qū)龍馬溪組為例

胡月 ，陳雷 ，周昊 ，譚秀成 ，李雪松 3，，王文婧

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)研究分室，四川 成都 610500；3.天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；4.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051）

我國頁巖油氣勘探潛力巨大，目前在四川盆地、鄂爾多斯盆地等地區(qū)取得巨大突破。頁巖氣儲層具有大面積連續(xù)分布、紋層及層理普遍發(fā)育等特點(diǎn)。紋層是沉積巖中肉眼可識別的最小沉積層［1］，單層厚度不超過10 mm。四川盆地海相頁巖分布廣泛，沉積厚度穩(wěn)定，紋層作為頁巖最富特色的沉積構(gòu)造，廣泛發(fā)育于龍馬溪組海相頁巖中。幾十年前，國外學(xué)者注意到了頁巖紋層，并對其進(jìn)行了相應(yīng)研究［2］。近年來，隨著頁巖氣勘探的不斷深入，越來越多的學(xué)者開始認(rèn)識到紋層在頁巖儲層形成、頁巖氣富集等方面具有重要作用［1-5］。紋層發(fā)育特征直接導(dǎo)致頁巖非均質(zhì)性的變化，并進(jìn)一步對頁巖生烴能力、頁巖儲層物性以及頁巖含氣性等產(chǎn)生影響［3-8］，但目前對于海相頁巖紋層特征及其對頁巖儲層發(fā)育的具體影響研究較少［9］。四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組和志留系龍馬溪組是我國頁巖氣勘探的主要目標(biāo)層位［10］，本文以四川盆地南部長寧地區(qū)龍馬溪組為例，對海相紋層發(fā)育特征進(jìn)行了研究，以揭示紋層對儲層發(fā)育的影響作用，為頁巖氣的勘探與開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)處于四川盆地川南低陡褶皺帶的長寧地區(qū)（見圖1）。自震旦紀(jì)以來，四川盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動［11］，是上揚(yáng)子地臺的克拉通盆地。晚奧陶世—早志留世期，由于東南部華夏板塊匯聚，揚(yáng)子地臺南緣發(fā)生抬升，北部被動大陸邊緣向華北板塊俯沖，秦嶺洋開始收縮，由于高度擠壓，導(dǎo)致?lián)P子地臺形成了“三隆圍一坳”的沉積格局。大部分中上揚(yáng)子海域?yàn)榈湍堋⑷毖醯陌肷钏钏懪锍练e環(huán)境及筆石等生物繁盛的局限海盆，導(dǎo)致了富含有機(jī)質(zhì)和生物硅質(zhì)鈣質(zhì)、分布廣泛、厚度穩(wěn)定的五峰組—龍馬溪組黑色頁巖的形成［12-13］。

圖1 研究區(qū)位置示意

研究區(qū)主要發(fā)育五峰組（O3w）和下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l）2 套頁巖，二者整合接觸［14］。 根據(jù)古生物特征、沉積特征、巖性及構(gòu)造特征將研究層段S1l1劃分為2個亞段（S1l11，S1l12），S1l11亞段又被劃分為 4 個小層（S1l11-1，S1l11-2，S1l11-3，S1l11-4）。 其中：S1l11-1小層發(fā)育灰黑色碳質(zhì)頁巖，筆石體積分?jǐn)?shù)在50%～60%，形態(tài)粗大完整；S1l11-2小層以灰黑色碳質(zhì)頁巖為主，塊狀構(gòu)造，筆石發(fā)育，體積分?jǐn)?shù)在10%～50%，個體粗大，散亂分布；S1l11-3小層發(fā)育灰黑色碳質(zhì)頁巖，塊狀構(gòu)造，筆石不發(fā)育，個體大小不一；S1l11-4小層發(fā)育灰黑色碳質(zhì)頁巖，塊狀構(gòu)造，筆石不發(fā)育，向上泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加；S1l12小層發(fā)育深灰色頁巖，紋層發(fā)育，單層厚度在1～2 mm，見少量筆石，散亂分布（見圖2）。

圖2 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

2 分析方法

為了明確海相頁巖紋層發(fā)育特征及其對頁巖儲層的影響，本次研究對長寧地區(qū)X井龍馬溪組進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，采樣間距為0.9～1.2 m，并進(jìn)行了巖石薄片分析、總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）測定、含氣量測試、全巖X衍射測定和物性分析等研究工作。1）在偏光顯微鏡下觀察薄片，進(jìn)行全尺度照相，圖像采集完成后，用Adobe photoshop無縫拼接，圖像拼接完成后，利用偏光顯微鏡與SEM圖像綜合分析顆粒組成，區(qū)分紋層類型，并測量紋層厚度，統(tǒng)計(jì)出單位厚度的各類紋層層數(shù)，作為紋層發(fā)育頻次，進(jìn)行紋層特征精細(xì)研究（包括紋層及紋層組合的關(guān)鍵屬性及其他發(fā)育特征［15］）；2）根據(jù)全巖X衍射的定量識別和肉眼觀察的定性識別結(jié)果來劃分紋層類型，全巖X衍射測定是確定巖石礦物組成的常用方法［16］，將巖石樣品研磨至粒徑小于40 μm的粉末，制作樣片，測試得到礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見圖2）；3）利用CS230碳硫分析儀測試了樣品的TOC，用稀鹽酸除去巖石樣品粉末中的無機(jī)碳組分，使得樣品中的有機(jī)碳全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳，然后經(jīng)紅外光譜器檢測得到樣品的TOC。

3 紋層發(fā)育特征

3.1 紋層類型

長寧地區(qū)龍馬溪組取心井段的頁巖巖心呈灰黑色，頁理發(fā)育，部分層段可見大量筆石雜亂分布，筆者通過大量薄片鏡下觀察，根據(jù)礦物類型對紋層類型進(jìn)行劃分，認(rèn)為研究區(qū)主要發(fā)育石英紋層、黏土紋層、有機(jī)質(zhì)紋層和黃鐵礦紋層等4種類型（見圖3）。

3.1.1 石英紋層

石英紋層為淺黃色、白色和灰白色（見圖3a），呈次棱角狀—次圓形，分選較差（見圖3b），與黑色黏土紋層有明顯差異。主要成分為石英、斜長石，少量方解石。石英紋層構(gòu)造主要呈水平連續(xù)狀，少量呈斷續(xù)、波狀，縱向上多呈平行或亞平行，紋層界面清晰，其顆粒粒徑小于0.1 mm，紋層厚度在0.05～2.50 mm，局部可見順層微裂縫。石英紋層主要發(fā)育在S1l12亞段，隨著深度增大，其發(fā)育頻次減弱。

圖3 X井龍馬溪組頁巖紋層發(fā)育特征

3.1.2 黏土紋層

黏土紋層為褐色、灰色，顏色較深（見圖3c），主要成分為黏土礦物。黏土礦物主要為伊利石（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%），含少量綠泥石。黏土紋層構(gòu)造主要呈水平連續(xù)狀，少量呈斷續(xù)、波狀；縱向上多呈平行或亞平行狀，紋層界面不清晰，逐漸過渡或者邊界參差不齊。紋層厚度介于0.10～5.00 mm，局部發(fā)育順層微裂縫，在整個研究層段發(fā)育相對穩(wěn)定。

3.1.3 有機(jī)質(zhì)紋層

有機(jī)質(zhì)紋層為黑色，紋層邊界明顯，且以突變?yōu)橹鳎Ｅc黏土紋層伴生（見圖3d）。與黏土紋層的主要區(qū)別是，有機(jī)質(zhì)紋層中偶見有機(jī)物質(zhì)的絲狀體，在正交光下顏色最深。有機(jī)質(zhì)紋層構(gòu)造主要呈水平連續(xù)，少量呈斷續(xù)、波狀，縱向上多呈平行或亞平行。紋層厚度在0.10～3.50 mm，整個層段可見有機(jī)質(zhì)紋層，部分紋層受生物擾動影響，紋層不明顯（見圖3e）。

3.1.4 黃鐵礦紋層

黃鐵礦紋層呈黑色，由不規(guī)則狀、他形、草莓狀的黃鐵礦顆粒局部富集形成（見圖3f）。薄片樣品中黃鐵礦紋層發(fā)育頻次極低。

3.2 紋層組合

紋層組合是成因或者成分相似的紋層集合，與紋層一樣，其連續(xù)性、形狀和幾何形態(tài)對恢復(fù)古環(huán)境和確定物源方向有重要作用。紋層組合的形成一般與水流作用、波浪作用、氣候等因素有關(guān)［17］。X井研究層段發(fā)育石英紋層-黏土紋層、黏土紋層-有機(jī)質(zhì)紋層和石英紋層-有機(jī)質(zhì)紋層3種組合類型（見圖4）。

3.3 紋層組合樣式

3.3.1 石英紋層-黏土紋層

該組合呈亮暗紋層相間（見圖4a），有密集型和稀疏型。其中：密集型表現(xiàn)為厚度相似的石英紋層與黏土紋層互層，明暗相間；稀疏型表現(xiàn)為石英紋層與黏土紋層厚度相差較大，明暗反差大，界線清晰。這類組合發(fā)育頻次較高，主要發(fā)育在S1l12亞段中。

3.3.2 石英紋層-有機(jī)質(zhì)紋層

該組合呈亮暗紋相間，與石英紋層-黏土紋層組合不同的是明暗反差極大，石英紋層顏色淺，有機(jī)質(zhì)紋層顏色為黑色，二者界限清晰（見圖4b）。有機(jī)質(zhì)紋層通常與黏土紋層伴生，主要以水平、連續(xù)狀發(fā)育。這類組合發(fā)育頻次較低。

3.3.3 黏土紋層-有機(jī)質(zhì)紋層

黏土紋層與有機(jī)質(zhì)紋層常伴生，二者都為暗色紋層，黏土紋層顏色較有機(jī)質(zhì)紋層淺，有機(jī)質(zhì)附于黏土紋層中。厚層黏土紋層與有機(jī)質(zhì)紋層組合明暗反差較強(qiáng)、界線明顯，薄層黏土紋層與有機(jī)質(zhì)紋層明暗反差較弱、界線模糊（見圖4c）。此類組合發(fā)育頻次較高，主要呈水平、連續(xù)狀，發(fā)育在S1l11亞段中。

圖4 長寧地區(qū)龍馬溪組X井頁巖紋層組合發(fā)育特征

3.4 紋層縱向分布

據(jù)統(tǒng)計(jì)，X井 S1l11—S1l12亞段地層厚度為 68.33 m，3種紋層都發(fā)育。

由表1、圖5可以看出：縱向上3種紋層的發(fā)育具有明顯非均質(zhì)性，隨深度變淺，有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育頻次呈向上減少的趨勢，石英紋層發(fā)育頻次呈向上增加的趨勢，黏土紋層在整個研究層段分布穩(wěn)定。其中：S1l12亞段石英紋層最為發(fā)育，平均發(fā)育頻次為7.96層/cm，最高可達(dá)12.00層/cm，有機(jī)質(zhì)紋層欠發(fā)育，平均發(fā)育頻次為3.40層/cm；S1l11亞段黏土紋層最發(fā)育，平均發(fā)育頻次為5.42層/cm，而石英紋層與有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育程度較低，平均頻次為4.20層/cm左右。

結(jié)合TOC、孔隙度、含氣量等分析測試結(jié)果（見表1），可以得出：S1l12亞段TOC小于1.50%，孔隙度小于4.00%，含氣量低于 2.00 mL/g；而S1l11亞段的TOC、孔隙度、含氣量均明顯高于S1l12亞段，S1l11亞段可作為良好的儲層。

表1 紋層富集的頁巖儲層參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 紋層發(fā)育對頁巖儲層的影響

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，紋層發(fā)育對頁巖儲層的非均質(zhì)性、儲集性能等均有影響［18］，分布于紋層之間的微裂縫或者層理面不僅能夠有效溝通頁巖儲層中無機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)孔等，而且能為油氣水平運(yùn)移提供通道［19］。儲層物性較好的層段大致與有機(jī)質(zhì)紋層富集的層位相對應(yīng)（如S1l11-2—S1l11-3小層）（見圖5）。由圖6可知：石英紋層與TOC趨勢線呈現(xiàn)倒C形，石英紋層發(fā)育或欠發(fā)育的情況下，TOC均較低（見圖6a），石英紋層發(fā)育適中（6層/cm）時(shí)，儲層才較發(fā)育；TOC與有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育頻次有明顯的正相關(guān)性（見圖6b），與黏土紋層發(fā)育頻次具有負(fù)相關(guān)性（見圖6c）。測試結(jié)果顯示，研究層段的含氣量、孔隙度的變化與TOC的變化趨勢相似，故含氣量、孔隙度與各類紋層之間的相關(guān)性與上述結(jié)果相同。

石英紋層對儲層物性的影響具有兩面性，主要表現(xiàn)為：石英紋層發(fā)育在水體不穩(wěn)定的沉積環(huán)境中，其發(fā)育特征代表了沉積速率與水動力的變化，這種情況下不利于有機(jī)質(zhì)的富集與保存［9］。另外，紋層中石英等碎屑顆?？勺鳛橄鄬傂愿窦埽鰪?qiáng)頁巖的抗壓實(shí)能力，有利于頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙的保存。X井石英紋層最富集的層段為S1l12亞段，由于沉積環(huán)境具較強(qiáng)、變化頻繁的水動力，陸源物質(zhì)供給充分，不利于有機(jī)質(zhì)的保存和有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育，導(dǎo)致頁巖孔隙度、TOC和含氣量都低（見圖5）。另外，部分S1l11-3—S1l11-4小層的石英紋層不發(fā)育，主要是由于陸源輸入增加而稀釋有機(jī)質(zhì)，沉積環(huán)境為弱還原—次氧化環(huán)境，不利于有機(jī)質(zhì)保存，導(dǎo)致儲層不發(fā)育。S1l11小層的石英紋層適當(dāng)發(fā)育時(shí)（2～6層/cm），沉積水動力條件較穩(wěn)定，沉積水體多處于還原環(huán)境。另外，在其內(nèi)部保留了早成巖—中成巖時(shí)期的部分孔隙，可以為外源有機(jī)質(zhì)提供充足的儲集空間；隨著充填于孔隙之間的有機(jī)質(zhì)成熟度的增加，可以產(chǎn)生大量的有機(jī)質(zhì)孔隙，為頁巖氣的儲存創(chuàng)造更大的儲集空間。因此，TOC、含氣量及孔隙度等都要高于石英紋層發(fā)育或欠發(fā)育的層段，TOC與石英紋層的線性關(guān)系呈倒C形（見圖6a）。

圖5 X井龍馬溪組紋層發(fā)育特征

晚奧陶紀(jì)末赫南特大冰期后的上揚(yáng)子海域極度缺氧，至中志留統(tǒng)研究區(qū)一直處于一個大的海退期，在較深海域形成了龍馬溪組底部的黑色頁巖，在極度缺乏其他物質(zhì)沉淀的條件下，藻類大量死亡后分解出的有機(jī)質(zhì)緩慢沉淀，形成有機(jī)質(zhì)紋層。黏土紋層是物源季節(jié)性向沉積盆地進(jìn)積的產(chǎn)物，黏土礦物沉積以后形成黏土紋層，受生物擾動影響明顯，使得儲層連通性增強(qiáng)。有機(jī)質(zhì)內(nèi)發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，TOC在很大程度上控制了有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育程度，所以TOC與有機(jī)質(zhì)孔隙度呈正相關(guān)性。X井有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育的層段TOC較高，TOC越高，其生氣能力越強(qiáng)，與之伴生的孔隙越發(fā)育，相對應(yīng)的含氣量也越高（見表1）。所以TOC與有機(jī)質(zhì)紋層的發(fā)育頻次具有明顯的正相關(guān)關(guān)系（見圖6b）。

圖6 各類紋層發(fā)育頻次與TOC的關(guān)系

X井龍馬溪組受陸源碎屑輸入影響較大［20］。龍馬溪組底部水體較深，受陸源輸入影響??；龍馬溪組上部沉積水體變淺，受陸源輸入影響增大。另外，陸源輸入的石英與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈耦合關(guān)系。由于有機(jī)質(zhì)的發(fā)育受控于沉積環(huán)境，缺氧深水環(huán)境更有利于有機(jī)質(zhì)的保存，深水陸棚沉積環(huán)境中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，陸源碎屑的輸入對有機(jī)質(zhì)影響較小，所以龍馬溪組底部有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)少。垂向上，龍馬溪組向上沉積水體變淺，隨著沉積時(shí)期陸源碎屑供給逐漸增加，古水動力增強(qiáng)，水體含氧量增加（見圖2），陸源碎屑的輸入加上水體環(huán)境的變化，不利于有機(jī)質(zhì)的沉積與保存，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。因此，S1l11—S1l12亞段，隨深度的變淺，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。黏土紋層的發(fā)育頻次與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)性，TOC呈向上減小趨勢，所以TOC與黏土紋層的發(fā)育頻次具有負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖6c）。

5 結(jié)論

1）X井龍馬溪組主要發(fā)育石英紋層、黏土紋層、有機(jī)質(zhì)紋層、黃鐵礦紋層等4種類型，另外，還發(fā)育石英紋層-黏土紋層、黏土紋層-有機(jī)質(zhì)紋層和石英紋層-有機(jī)質(zhì)紋層3種組合類型。

2）縱向上，3種紋層發(fā)育頻次、厚度具有明顯的非均質(zhì)性。從S1l11至S1l12亞段，有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育頻次呈降低的趨勢，石英紋層發(fā)育頻次變化趨勢相反，黏土紋層發(fā)育頻次在整個研究層段相對穩(wěn)定。

3）儲層物性、含氣量與有機(jī)質(zhì)紋層呈正相關(guān)性，與黏土紋層呈負(fù)相關(guān)性；與石英紋層呈復(fù)雜相關(guān)，只有石英紋層發(fā)育適中，才對儲層發(fā)育有利，石英紋層發(fā)育和欠發(fā)育對儲層發(fā)育均不利。

4）S1l11亞段有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育，且石英紋層發(fā)育適中，使得TOC較高、孔隙度相對較大，相應(yīng)的含氣量也高，可以作為良好的儲層。因此，明確紋層發(fā)育特征對儲層的影響作用，對頁巖氣的勘探開發(fā)具有重要意義。