川南長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層差異性分析

周昊 ，陳雷 ，李雪松 ，陳鑫 ，王文婧 ，楊莉 ，郭鳴黎

（1.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司碳酸鹽巖儲(chǔ)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；4.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 102206）

0 引言

中國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富［1］，在四川盆地及其周緣龍馬溪組海相頁(yè)巖勘探中獲得了有目共睹的成就［2］。四川盆地下古生界五峰組—龍馬溪組下部富有機(jī)質(zhì)海相黑色頁(yè)巖，具有地質(zhì)條件良好［3］、有機(jī)質(zhì)豐度高、厚度大、含氣量高、分布廣、埋深適中、脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高（一般大于44.5%）等特點(diǎn)［4］，是我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的最有利層系［1，4］。經(jīng)過(guò)近 15 a 的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)，目前已在威遠(yuǎn)、涪陵、長(zhǎng)寧-昭通、威榮等地發(fā)現(xiàn)了超過(guò)千億立方米的龍馬溪組頁(yè)巖氣田［5］，以及瀘州、東溪-丁山、敘永、巫溪等諸多重要勘探潛力區(qū)［6］。截止到2019年底，我國(guó)頁(yè)巖氣資源已探明地質(zhì)儲(chǔ)量約為1.8×1012m3。2019年全國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量約為 154×108m3，為全球第二大頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)［7］。

前人研究表明：五峰組和龍馬溪組海相頁(yè)巖儲(chǔ)層特征在垂向上差異顯著［4］，頁(yè)巖氣主要富集在五峰組（O3w）—龍馬溪組一段1亞段（S1l11）富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段，厚度一般為10～60 m［8］。前期普遍將五峰組與龍馬溪組頁(yè)巖作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，但是奧陶紀(jì)和志留紀(jì)之交的廣西運(yùn)動(dòng)、生物滅絕、海平面變化，以及赫南特階的全球冰蓋事件，造成五峰組與龍馬溪組沉積時(shí)的構(gòu)造背景、沉積環(huán)境等均有所差異［9-10］，這也必然導(dǎo)致五峰組與龍馬溪組沉積的頁(yè)巖儲(chǔ)層特征具有差異性。但是對(duì)于五峰組和龍一1亞段頁(yè)巖儲(chǔ)層是否存在差異以及存在何種差異鮮有報(bào)道。隨著頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)，對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層的研究也需要更加細(xì)致?；诖?，本文對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比分析和研究，以期為長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣的高效勘探開(kāi)發(fā)提供一定的指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

奧陶紀(jì)和志留紀(jì)之交，受揚(yáng)子地塊與華夏古陸之間的板塊匯聚、擠壓作用影響，川中隆起、樂(lè)山隆起、黔中古隆起、雪峰山隆起等一系列古隆起陸續(xù)形成，使得四川盆地形成受古隆起分割局限的盆地格局［11］。受古隆起圍限，四川盆地及其周緣沉積了一套廣泛分布的富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖［12］。其中，川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度大，分布廣，橫向展布穩(wěn)定，埋深適中（1 500～3 500 m），成熟度高，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（TOC≥3%），是四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的有利區(qū)域之一［13］。

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣勘探區(qū)塊大地構(gòu)造位于四川盆地川南低陡褶皺帶（見(jiàn)圖1），研究區(qū)構(gòu)造主體位于長(zhǎng)寧單箱形、長(zhǎng)軸背斜構(gòu)造帶。長(zhǎng)寧背斜主體構(gòu)造的軸部為NWW—SEE向，西自高縣以南，東至敘永縣，消失于敘永構(gòu)造之中；背斜兩翼不對(duì)稱，北翼及東端陡，南翼及西端緩（40°～60°），呈現(xiàn)出東寬西窄的形態(tài)，軸部出露的地層為下奧陶統(tǒng)，龍馬溪組地層被剝蝕殆盡（見(jiàn)圖2）；背斜內(nèi)次級(jí)褶皺和斷裂發(fā)育，斷裂走向大多為NE—NNW向和NW—NNW向，以逆斷層為主［14］。

圖1 長(zhǎng)寧地區(qū)構(gòu)造位置

圖2 研究區(qū)龍馬溪組埋深情況

2 儲(chǔ)層差異性對(duì)比

2.1 地層發(fā)育特征

川南長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組厚幾米到十幾米不等，下部以黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁(yè)巖為主，富含筆石，頂部主要為泥質(zhì)灰?guī)r、介殼灰?guī)r（觀音橋段）。龍馬溪組一段主要發(fā)育黑色碳質(zhì)頁(yè)巖和黑色鈣質(zhì)頁(yè)巖，含豐富的筆石和有機(jī)質(zhì)［15-16］（見(jiàn)圖3）。結(jié)合前人研究成果，本次研究將龍一段劃分為2個(gè)亞段：龍一2亞段以粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主；龍一1亞段為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育層段，主要發(fā)育黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁(yè)巖，局部發(fā)育鈣質(zhì)頁(yè)巖，富含筆石，局部裂縫發(fā)育，厚度在20～35 m（見(jiàn)圖3）。S1l11亞段可進(jìn)一步劃分為4個(gè)小層［17］：S1l11-1小層發(fā)育碳質(zhì)、硅質(zhì)頁(yè)巖，以高 TOC、高含氣量和高自然伽馬（均值250～260 API）為特征，厚度不大，一般介于1～4 m；S1l11-2小層多發(fā)育碳質(zhì)頁(yè)巖，TOC和含氣量分布穩(wěn)定，低于S1l11-1和S1l11-3小層，自然伽馬呈低平的箱形特征 （均值170～190 API），厚度一般介于4～12 m；S1l11-3小層發(fā)育碳質(zhì)頁(yè)巖或硅質(zhì)頁(yè)巖，高聲波時(shí)差，低密度，自然伽馬均值在210 API左右，厚度多介于2～10 m；S1l11-4小層以頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主，TOC和含氣量較低，自然伽馬呈低平的箱形特征，均值160 API左右，厚度較大，介于10～20 m。

圖3 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

2.2 礦物組分特征

2.2.1 礦物組分

全巖X衍射分析結(jié)果表明：五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖礦物種類一致，主要為石英、長(zhǎng)石（斜長(zhǎng)石為主，局部含正長(zhǎng)石）、黏土礦物、碳酸鹽礦物（方解石和白云石）、黃鐵礦等（見(jiàn)表1）。由表1可知，五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖礦物雖然種類一致，但礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在很大差異。前者碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者，而后者硅質(zhì)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者，尤其是石英礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大，黏土礦物和黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近。這說(shuō)明五峰組頁(yè)巖礦物組分偏碳酸鹽礦物，龍一1亞段頁(yè)巖偏硅質(zhì)礦物（見(jiàn)圖4），可能與兩者沉積環(huán)境差異有關(guān)。

表1 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖礦物組分三角圖

2.2.2 脆性特征

礦物組分特征的差異直接決定了頁(yè)巖脆性的差異。頁(yè)巖脆性指數(shù)越高，則壓裂后儲(chǔ)層造縫能力越強(qiáng)，越容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，越有利于頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)［18］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁(yè)巖的脆性評(píng)價(jià)方法有很多，但是沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［15，19］。海相頁(yè)巖中不同礦物的彈性模量和彈性參數(shù)不同。研究發(fā)現(xiàn)，鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和方解石雖然彈性模量高于黏土礦物，但泊松比也比黏土礦物高，均大于0.3，脆性并不是很理想［20］。而石英、白云石和黃鐵礦均有高彈性模量和低泊松比的特征，是典型的脆性礦物。因此，本文頁(yè)巖脆性指數(shù)的計(jì)算模型為

式中：BI為巖石脆性指數(shù)，%；wq，wd，wp分別為石英、白云石、黃鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wt為全巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組頁(yè)巖脆性指數(shù)均值為45.32%，龍一1亞段脆性指數(shù)均值為56.74%。龍一1亞段頁(yè)巖脆性指數(shù)明顯高于五峰組頁(yè)巖，更有利于后期壓裂改造。

2.3 儲(chǔ)層含氣性

長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖TOC和含氣量結(jié)果表明：龍一1亞段頁(yè)巖含氣量略低于五峰組（見(jiàn)表2）；五峰組頁(yè)巖大部分TOC≥2%（占比72%），而龍一1亞段頁(yè)巖TOC主要在2%～4%（占比49%）（見(jiàn)圖5）。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：龍一1亞段頁(yè)巖TOC比五峰組垂向變化幅度更大，非均質(zhì)性更強(qiáng)。

表2 五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖TOC和含氣量

圖5 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖TOC分布

2.4 儲(chǔ)層儲(chǔ)集性

2.4.1 孔隙度和含水飽和度

龍一1亞段121個(gè)頁(yè)巖樣品和五峰組20個(gè)頁(yè)巖樣品的孔隙度和含水飽和度結(jié)果顯示，五峰組頁(yè)巖孔隙度和含水飽和度總體低于龍一1亞段（見(jiàn)表3）。

表3 五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖孔隙度和含水飽和度

2.4.2 儲(chǔ)集空間

以N216井為例。長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙類型基本一致，以有機(jī)質(zhì)孔為主，其次發(fā)育礦物溶蝕孔、草莓狀黃鐵礦晶間有機(jī)質(zhì)孔、成巖收縮縫、黏土礦物層間孔等（見(jiàn)圖6）。五峰組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔多呈長(zhǎng)條狀、扁平狀，孔徑多集中在100 nm，少部分孔隙較大，可達(dá)幾百納米；龍一1亞段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔多呈圓柱狀、橢圓狀，孔徑多集中在幾百納米，明顯與五峰組有機(jī)質(zhì)孔隙形狀不同，且孔徑較大（見(jiàn)圖7）。

圖6 N216井龍一1亞段頁(yè)巖孔隙類型

圖7 N216井五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育特征

3 儲(chǔ)層差異性分析

上揚(yáng)子地區(qū)五峰組沉積期為強(qiáng)滯留海盆，龍馬溪組沉積期屬于半滯留海盆［21］。長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組頁(yè)巖沉積水體中下部處于強(qiáng)滯留還原環(huán)境，在奧陶紀(jì)末期發(fā)生一次大規(guī)模海平面下降事件［22］，使得五峰組上部觀音橋段演變?yōu)樨氀酢趸练e環(huán)境；龍馬溪組早期發(fā)生大規(guī)模的全球海侵事件，龍一1亞段多處于半滯留缺氧還原的沉積環(huán)境（見(jiàn)圖8）。

圖8 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖Mo-U協(xié)變圖（據(jù) Tribovillard［23］，2006 修改）

圖8中綠色虛線表示海水中Mo與U的濃度比值（SW=7.9），其余3條藍(lán)色虛線分別表示Mo與U的濃度比值是海水的0.1，0.3，3.0倍；粉色區(qū)域代表金屬顆粒載體作用下的Mo-U協(xié)變模式，藍(lán)色區(qū)域代表正常開(kāi)放海洋環(huán)境中的Mo-U協(xié)變模式。

滯留還原的沉積環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的發(fā)育［23］，這是五峰組頁(yè)巖TOC略大于龍一1亞段的原因。

五峰組沉積期水體局限，康滇古陸附近受陸源碎屑的影響更強(qiáng)，導(dǎo)致碳酸鹽礦物較多；尤其五峰組頂部觀音橋段沉積期受冰期事件影響，海平面下降，水體變淺，沉積環(huán)境由南到北為潮緣帶碳酸鹽巖沉積向陸棚帶泥巖過(guò)渡，在陸架沉積背景下，正常浪基面與風(fēng)暴浪基面之間發(fā)育風(fēng)暴搬運(yùn)的異地生物碎屑灰質(zhì)泥巖［24］。龍馬溪組沉積期，冰蓋快速融化導(dǎo)致水體迅速加深，使得沉積水體開(kāi)闊［24］，水體局限程度降低。龍一1亞段受陸源碎屑影響較小，硅質(zhì)礦物石英發(fā)育，而碳酸鹽礦物不如石英穩(wěn)定，在后期容易被成巖作用改造，儲(chǔ)層抗壓實(shí)能力降低，不利于孔隙的保存。隨埋深的不斷增加，五峰組有機(jī)質(zhì)孔隙被壓實(shí)坍塌，孔徑較小，而龍一1亞段硅質(zhì)礦物豐富，物質(zhì)組成穩(wěn)定，有利于有機(jī)質(zhì)孔隙的保存。這也是五峰組頁(yè)巖TOC和含氣量略高于龍一1亞段，但孔隙度略低于龍一1亞段的原因。

4 結(jié)論

1）五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖礦物種類基本一致，但組分占比存在很大差異，尤其是碳酸鹽礦物和石英，其他組分相差不大。其中，五峰組頁(yè)巖碳酸鹽礦物組分中的方解石和白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于龍一1亞段，而龍一1亞段頁(yè)巖石英礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于五峰組。五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖礦物組分特征的較大差異性，導(dǎo)致兩者的脆性指數(shù)也相差較大。研究發(fā)現(xiàn)，龍一1亞段頁(yè)巖脆性指數(shù)明顯高于五峰組，更有利于后期壓裂改造。

2）總體上，五峰組頁(yè)巖的TOC略高于龍一1亞段，但后者TOC比前者垂向變化幅度更大，非均質(zhì)性更強(qiáng)，二者含氣量相差不大。

3）雖然五峰組與龍一1亞段頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙類型基本一致，以有機(jī)質(zhì)孔為主，但兩者孔隙發(fā)育特征不同。五峰組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔多呈長(zhǎng)條、扁平狀，孔徑較?。积堃?亞段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔多呈圓柱、橢圓狀，孔徑較大。五峰組頁(yè)巖孔隙度總體上小于龍一1亞段。

4）長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組多處于強(qiáng)滯留還原環(huán)境，而龍一1亞段多處于半滯留缺氧還原環(huán)境。沉積環(huán)境的不同，最終導(dǎo)致了兩者儲(chǔ)層存在一定差異。總體上，龍一1亞段頁(yè)巖儲(chǔ)層優(yōu)于五峰組，更有利于頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)。