頁(yè)巖巖相劃分及含氣性評(píng)價(jià)
——以滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組為例

李明隆 ，譚秀成 ，李延鈞 ，鄒辰 ，張朝 ，王高翔

（1.天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.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；3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；4.成都創(chuàng)源油氣技術(shù)開發(fā)有限公司，四川 成都 610500；5.中國(guó)石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310013；6.中國(guó)石油西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院，四川 成都 610500）

0 引言

五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖是我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)最有利的層系[1-2]。隨著研究的深入，相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)該套頁(yè)巖具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，極大影響了頁(yè)巖氣的富集[3-7]。因此，精細(xì)劃分頁(yè)巖巖相是研究五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖非均質(zhì)性的基礎(chǔ)，有助于分析頁(yè)巖沉積過程和沉積環(huán)境，對(duì)尋找頁(yè)巖氣勘探開發(fā)“甜點(diǎn)”具有重要意義。

“巖相”一詞于20世紀(jì)中葉提出，每種巖相都有代表性的巖石顏色、粒度、礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征[8]，這些特征反映了特定的沉積背景。目前，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)不一。趙建華等[3]結(jié)合頁(yè)巖礦物成分、沉積構(gòu)造和生物化石等方面的差異，識(shí)別了7種頁(yè)巖巖相。Wang等[9]根據(jù)頁(yè)巖礦物成分、總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）及地球化學(xué)特征，將川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組巖相分為6種。Jiang等[10]認(rèn)為川南地區(qū)龍馬溪組粉砂質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖和粉砂質(zhì)白云巖是頁(yè)巖氣勘探的優(yōu)質(zhì)相帶。Zhang等[11]識(shí)別了川東南地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、中等有機(jī)質(zhì)混合頁(yè)巖和貧有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁(yè)巖3種巖相。

需要指出的是，目前頁(yè)巖巖相精細(xì)劃分研究主要集中在四川盆地南部和東部地區(qū)，滇黔北地區(qū)相關(guān)研究較少，僅有陳科洛等[12]利用剖面及少量探井資料，將滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組下段地層劃分為硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖等6種巖相。隨著勘探工作的進(jìn)行，滇黔北地區(qū)作為中淺層頁(yè)巖氣勘探的重要區(qū)塊之一[13-14]，有必要利用新井資料對(duì)頁(yè)巖巖相詳細(xì)研究?；诖耍疚慕Y(jié)合滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖TOC和礦物成分差異劃分頁(yè)巖巖相類型，分析不同頁(yè)巖巖相對(duì)含氣性的影響。該研究為頁(yè)巖氣富集區(qū)預(yù)測(cè)提供了巖相學(xué)支撐，對(duì)頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)和有利區(qū)識(shí)別有一定的指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)背景

滇黔北地區(qū)位于四川、云南和貴州三省交界處的揚(yáng)子板塊中部，研究區(qū)主體在滇黔北坳陷威信凹陷內(nèi)，北部和南部分別為四川盆地南緣和滇黔古隆起的一部分（見圖1a）。滇黔北坳陷為多旋回疊合盆地，主體在加里東早期開始形成，現(xiàn)今的研究區(qū)是古上揚(yáng)子克拉通盆地的殘留，構(gòu)造變形強(qiáng)度具有南強(qiáng)北弱、西強(qiáng)東弱的特點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)地理位置及巖性柱狀圖

奧陶紀(jì)時(shí)期，研究區(qū)的構(gòu)造沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，隨著海平面持續(xù)上升，揚(yáng)子板塊形成廣泛的淺海臺(tái)地，沉積了寶塔組石灰?guī)r與五峰組黑色頁(yè)巖。奧陶紀(jì)末期（赫南特期），位于南極的岡瓦納大陸古生代冰蓋的擴(kuò)張引發(fā)了廣泛海退，形成了奧陶系頂部的石灰?guī)r。隨后，在早志留紀(jì)時(shí)期，研究區(qū)由于岡瓦納大陸冰期的結(jié)束，發(fā)生了廣泛海侵，在志留系底部形成了一套黑色頁(yè)巖（見圖1b）。

2 頁(yè)巖巖相劃分及特征

越來越多的研究表明，TOC對(duì)頁(yè)巖氣富集具有重要作用[4，15-16]。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖TOC與含氣性、儲(chǔ)層品質(zhì)均呈正相關(guān)[4，7]。TOC 大小通常反映了還原和高古生產(chǎn)力的沉積環(huán)境[17-18]。

為了綜合反映不同類型巖相的沉積環(huán)境和產(chǎn)氣能力，本文頁(yè)巖采用“TOC+礦物成分”兩步命名法。具體步驟為：首先，按照TOC大小分為富碳頁(yè)巖（TOC≥2%）和貧碳頁(yè)巖（TOC<2%）；然后，根據(jù)礦物成分命名，以黏土礦物、碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物（石英+長(zhǎng)石）作為三端元，將頁(yè)巖分為硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)頁(yè)巖和鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖（見圖2）。

圖2 五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物成分三端元圖

根據(jù)研究區(qū)5口井35塊巖石樣品的巖性、薄片分析及X射線衍射（XRD）分析資料，劃分出富碳硅質(zhì)頁(yè)巖、貧碳硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳鈣質(zhì)頁(yè)巖、貧碳鈣質(zhì)頁(yè)巖、貧碳黏土質(zhì)頁(yè)巖、富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、貧碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳黏土質(zhì)鈣質(zhì)頁(yè)巖等9種巖相。

1）富碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為石英、長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物，碳酸鹽礦物相對(duì)較少。鏡下可見大量分布的放射蟲和海綿骨針，石英顆粒呈次圓狀，粒徑為5～30 μm，偶見碳酸鹽礦物顆粒，黏土礦物與有機(jī)質(zhì)混雜，不易用顯微鏡區(qū)分（見圖3a）。

圖3 滇黔北地區(qū)五峰組龍一1亞段顯微鏡下照片

2）貧碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC<2%，主要礦物為石英、長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物，碳酸鹽礦物相對(duì)較少。鏡下可見局部泥質(zhì)重結(jié)晶，石英顆粒呈次圓狀，粒徑為5～30 μm，偶見碳酸鹽礦物顆粒，黏土礦物與有機(jī)質(zhì)混雜，不易用顯微鏡區(qū)分（見圖3b）。

3）富碳鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為碳酸鹽礦物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)60%，其余為石英、長(zhǎng)石及黏土礦物。鏡下可見微晶白云石和方解石充填于黏土礦物和有機(jī)質(zhì)之間，石英顆粒呈次圓—次棱角狀（見圖3c）。

4）貧碳鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC<2%，主要礦物為碳酸鹽礦物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)60%，其余為石英、長(zhǎng)石及黏土礦物。鏡下可見微晶白云石及方解石充填于黏土礦物和有機(jī)質(zhì)之間，石英顆粒呈次圓—次棱角狀（見圖3d）。

5）貧碳黏土質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC<2%，主要礦物為黏土，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)50%，其余為石英、長(zhǎng)石及少量碳酸鹽礦物。鏡下可見黏土礦物較為富集，TOC較低（見圖3e）。

6）富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為石英和碳酸鹽礦物。鏡下可見條帶狀暗色有機(jī)質(zhì)，偶見鈣質(zhì)生物碎屑，微晶碳酸鹽礦物分散，分布于黏土礦物及有機(jī)質(zhì)之間（見圖3f）。

7）富碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為石英和黏土礦物。鏡下可見有機(jī)質(zhì)較為豐富，黏土礦物與有機(jī)質(zhì)混合形成暗色條帶，石英顆粒呈次棱角—次圓狀，定向分布（見圖3g）。

8）貧碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC<2%，主要礦物為石英和黏土礦物。鏡下石英定向分布，TOC相對(duì)較低（見圖3h）

9）富碳黏土質(zhì)鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為黏土礦物和碳酸鹽礦物，石英和長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右。鏡下可見微晶白云石及方解石充填于黏土礦物和有機(jī)質(zhì)之間，少見黃鐵礦，有時(shí)可見順層狀裂縫充填方解石（見圖3i）。

3 不同頁(yè)巖巖相含氣性評(píng)價(jià)

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)測(cè)得五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的比表面積為12.40～24.52 m2/g，平均18.65 m2/g；孔隙體積為 0.023 5～0.041 6 cm3/g，平均 0.033 0 cm3/g；TOC 為0.76%～3.53%，平均2.10%（見表1）。這與四川盆地焦石壩地區(qū)頁(yè)巖的比表面積（平均 17.81 m2/g）相當(dāng)[18]，但是高于三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁(yè)巖的比表面積（平均1.54 m2/g）[19]。

表1 五峰組—龍馬溪組不同頁(yè)巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

研究區(qū)頁(yè)巖的比表面積和孔隙體積，在不同巖相中表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性。富碳類巖相的比表面積及孔隙體積明顯高于貧碳類，富碳硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖巖相的比表面積及孔隙體積最大，平均孔徑差異不大。

低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)獲取的五峰組—龍馬溪組不同頁(yè)巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

不同頁(yè)巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)特征不同，孔徑分布有一定差異（見圖4）。由圖可知：不同巖相的平均孔徑介于2～25 nm，且有 2～3，4～5，10～11，20～21 nm 等 4 個(gè)優(yōu)勢(shì)分布區(qū)；2～3，4～5 nm分布區(qū)的孔隙體積較大，10～11，20～21 nm分布區(qū)次之。富碳類巖相在4個(gè)分布區(qū)的孔隙體積一般大于貧碳類，表明有機(jī)質(zhì)孔對(duì)頁(yè)巖孔隙體積有明顯的控制作用。貧碳類巖相孔徑分布主要受無機(jī)礦物的控制，黏土質(zhì)頁(yè)巖巖相在2～3，4～5 nm分布區(qū)的孔隙體積及比表面積均相對(duì)較高，鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相次之，硅質(zhì)頁(yè)巖巖相較差，可能是因?yàn)橐晾癁橹鞯酿ね恋V物的貢獻(xiàn)[20]。鈣質(zhì)礦物相對(duì)硅質(zhì)礦物的溶蝕孔隙較為發(fā)育[21]，因此，貧碳鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相在 2～3，4～5 nm分布區(qū)的孔隙相對(duì)貧碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相更發(fā)育。

圖4 不同頁(yè)巖巖相低溫氮?dú)馕侥Ｐ拖碌目讖椒植?/p>

3.2 含氣性分析

如果頁(yè)巖儲(chǔ)層TOC≥2%，含氣量大于2 m3/t，該頁(yè)巖儲(chǔ)層可能成為潛在的工業(yè)開采目標(biāo)[22]。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)解析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，富碳類巖相均滿足該條件，富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖巖相及富碳鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相的含氣量最高（見圖5）。

圖5 滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組不同頁(yè)巖巖相含氣量

滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組不同頁(yè)巖巖相含氣量見圖5。

頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)解析試驗(yàn)獲得的是游離氣含量，為了獲得不同頁(yè)巖巖相的絕對(duì)含氣量（吸附氣含量+游離氣含量），本研究采用質(zhì)量平衡法開展甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)。不同頁(yè)巖巖相甲烷等溫吸附曲線見圖6。不同頁(yè)巖巖相最大甲烷吸附量介于1.1～3.5 m3/t，富碳類巖相甲烷吸附量均大于貧碳類巖相。這說明影響頁(yè)巖巖相最大甲烷吸附量的主要因素是TOC。事實(shí)上，低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，TOC越高，有機(jī)質(zhì)中的孔隙越發(fā)育，比表面積越大。同時(shí)，由于TOC影響了頁(yè)巖巖相比表面積，甲烷吸附量增大，因此TOC越高，頁(yè)巖的吸附能力越強(qiáng)。

圖6 滇黔北地區(qū)不同頁(yè)巖巖相甲烷等溫吸附曲線

當(dāng)TOC相差不大時(shí)，鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相甲烷吸附量相對(duì)硅質(zhì)頁(yè)巖巖相更大，可能是由于鈣質(zhì)礦物自身攜帶溶蝕微孔隙的影響。但是，鈣質(zhì)、硅質(zhì)頁(yè)巖巖相甲烷吸附量均低于黏土質(zhì)頁(yè)巖巖相，這是因?yàn)轲ね恋V物多為層狀結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)間多發(fā)育粒內(nèi)孔隙[11，23]。

本文結(jié)合不同頁(yè)巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)特征及含氣性分析認(rèn)為，滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組的富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相為研究區(qū)優(yōu)質(zhì)巖相，不同頁(yè)巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)及含氣性受TOC與礦物成分的控制。

4 結(jié)論

1）五峰組—龍馬溪組發(fā)育富碳硅質(zhì)頁(yè)巖、貧碳硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳鈣質(zhì)頁(yè)巖、貧碳鈣質(zhì)頁(yè)巖、貧碳黏土質(zhì)頁(yè)巖、富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、貧碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳黏土質(zhì)鈣質(zhì)頁(yè)巖等9種巖相。

2）富碳類巖相具有較大的比表面積和孔隙體積，含氣量高，不同頁(yè)巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)及含氣性受TOC與礦物成分的控制。

3）富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳硅質(zhì)頁(yè)巖、富碳鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相為研究區(qū)優(yōu)質(zhì)巖相。研究結(jié)果為頁(yè)巖氣富集區(qū)預(yù)測(cè)及頁(yè)巖氣勘探奠定了基礎(chǔ)。