海陸過渡相層序地層特征及其對頁巖氣儲層的影響
——以通許隆起中部太原組—山西組為例

董果果，張馨元，張棟，袁青松

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001；2.地下清潔能源勘查開發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，鄭州 450001)

0 引言

層序地層學(xué)在油氣勘探領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]，國外學(xué)者多以生物地層、巖相、生烴潛力和自然伽馬等研究為基礎(chǔ)進行北美頁巖層序地層劃分；國內(nèi)研究多集中在以川南及渝東南地區(qū)為主的海相頁巖氣層系中，已有部分學(xué)者對其露頭-鉆井-地震資料綜合分析建立了相關(guān)層序地層格架，研究優(yōu)質(zhì)儲層與層序體系域的關(guān)系[2]。河南省范圍內(nèi)的層序地層研究相對較少[3]，且多以平原區(qū)邊緣露頭剖面、煤田鉆孔資料為基礎(chǔ)建立層序地層格架，進而探討聚煤規(guī)律，目前尚未形成以平原區(qū)中部深埋藏區(qū)海陸過渡相為對象的層序地層研究成果。

河南省平原區(qū)二疊系廣泛發(fā)育海陸過渡相地層，其中通許隆起構(gòu)造相對穩(wěn)定，二疊系整體埋深適中，是近年來河南省頁巖氣的勘探重點，該區(qū)海陸過渡相頁巖氣層系與北美及中國南方海相地層相比，具有泥頁巖單層厚度普遍偏薄，并與煤、致密砂巖和灰?guī)r等頻繁互層的特點[4-5]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以頁巖氣資源相對發(fā)育的通許隆起二疊系太原組-山西組為研究對象，通過鉆井資料、海平面變化曲線、巖芯測試等資料的綜合分析，進行海陸過渡相層序地層研究，并在層序格架內(nèi)研究富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育特征，對河南省頁巖氣的勘探與開發(fā)具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

通許隆起中部在構(gòu)造上位于華北陸塊南緣(圖1)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動強烈，斷層發(fā)育，目的層整體南高北低，南部發(fā)育背斜構(gòu)造，至北部過渡為向北傾伏的斜坡[4]。

通許隆起二疊世主要沉積海陸過渡相地層，與下伏石炭系地層呈整合接觸。其中下二疊統(tǒng)太原組沉積以海相為主，發(fā)育多套碳酸鹽巖沉積，中二疊統(tǒng)山西組以三角洲沉積為主，總體表現(xiàn)為海陸過渡相含煤建造，至上二疊統(tǒng)逐漸過渡為陸相沉積，中生界與新生界覆蓋于老地層之上[6]，其中，太原組和山西組沉積時期形成了富有機質(zhì)泥頁巖，參考這個時期全球海平面變化曲線[7]，太原組-山西組沉積時期大致可劃分出6個三級海平面升降旋回(表1)。從三疊紀開始，研究區(qū)先后經(jīng)歷了坳陷、斷陷和全面沉降三個演化階段，形成現(xiàn)今南高北低的構(gòu)造格局[6]。

2 層序地層劃分方案

已有大量地質(zhì)學(xué)者對華北晚古生代含煤地層的層序地層進行了劃分，但不同學(xué)者所采用的層序劃分方法與選取的層序界面不盡一致，而且其研究基礎(chǔ)僅為盆地邊緣露頭區(qū)剖面及煤田鉆孔資料，對河南省頁巖氣主要發(fā)育區(qū)域的平原覆蓋區(qū)鉆孔資料應(yīng)用較少。本文在綜合分析研究區(qū)鉆孔資料的基礎(chǔ)上，考慮到研究區(qū)石炭-二疊系沉積時期，陸表海海侵和海退具有突發(fā)性，低水位體系域并不發(fā)育，故此，本次筆者采用Embry及Johannessen(1993)提出的T-R二分層序地層模式，即海侵體系域(TST)和海退體系域(RST)，層序地層界面為最大海退面(MRS)，體系域界面為最大海泛面(MFS)[8]。

3 層序地層特征

3.1 層序、體系域界面的識別標志

層序、體系域界面的識別是層序地層學(xué)研究的關(guān)鍵，與經(jīng)典被動大陸邊緣層序地層模式相比，研究區(qū)所屬華北晚古生代盆地因基底坡度極緩，難以形成大范圍的侵蝕不整合[3]，因此在層序地層研究中通常采用的區(qū)域不整合面、下切谷沖刷面、構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)換面等界面識別方法并不能完全采納，加大了識別難度；另外，研究區(qū)頁巖氣研究尚處于起步階段，三維地震覆蓋面積較小，而收集到的二維地震資料分辨率有限，太原組、山西組平均厚度均約為84 m，在二維地震剖面上僅為1—2個同相軸顯示，難以用于更為精細的層序界面識別。故此，筆者在前人沉積演化研究的基礎(chǔ)上，通過對研究區(qū)太原組-山西組鉆井資料的巖性組合標志、沉積趨勢轉(zhuǎn)換特征、礦物成分的變化特征以及相應(yīng)的測井曲線進行綜合分析，對層序和體系域界面進行識別。

圖1 通許隆起太原組-山西組沉積期構(gòu)造背景及研究區(qū)位置Fig.1 Map showing tectonic setting during sedimentation of Taiyuan-Shanxi formation sequence and location of the study area

表1 通許隆起太原組-山西組綜合地層特征Table 1 Integrated stratigraphic characteristics of Taiyuan-Shanxi formation sequence in Tongxu uplift

圖2 通許隆起太原組-山西組層序格架中的巖相特征Fig.2 Lithofacies characteristics of Taiyuan-Shanxi formation sequence in the stratigraphic framea.灰黑色泥巖，黃鐵礦浸染分布，太原組下部，SQ1；b.深灰色泥頁巖，局部頁理發(fā)育，太原組下部，SQ1；c.泥質(zhì)灰?guī)r，見方解石細脈，太原組上部，SQ3；d.灰色細砂巖，裂隙發(fā)育，山西組下部，SQ4；e.灰黑色煤，鏡煤亮煤，山西組中部，SQ4；f.灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，見植物化石，山西組上部，SQ5

3.1.1 巖性、巖相組合標志

研究區(qū)太原組沉積時期整體處于海侵階段，但海平面升降頻繁，表現(xiàn)為三套灰?guī)r和泥頁巖的突變。通過對研究區(qū)牟頁1井的巖芯觀察可知，本溪組頂部鋁土質(zhì)泥巖(根土巖/底黏土)向上突變?yōu)樘M深灰色灰?guī)r，說明沉積水體突然變深，該巖性突變面即為SQ1界面。SQ2、SQ3界面為灰黑色泥頁巖與深灰色灰?guī)r的巖性突變面。SQ4界面之下為山西組灰黑色泥頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖，界面之上為山西組灰色砂巖。SQ5、SQ6界面均為山西組灰色泥巖與灰色細砂巖的突變面(見圖2和圖3)。

圖3 通許隆起牟頁1井太原組-山西組層序地層柱狀圖Fig.3 Column of Taiyuan-Shanxi formation sequence from well Mouye1 at Tongxu uplift

3.1.2 沉積趨勢轉(zhuǎn)換面

沉積趨勢轉(zhuǎn)換面主要指最大海泛面，其下表現(xiàn)為海侵的沉積趨勢，其上則為海退的沉積趨勢。研究區(qū)陸表海沉積存在兩種沉積旋回，一種是，石炭系本溪組頂部與太原組底部“根土巖+碳質(zhì)泥巖/煤層+海相灰?guī)r”的旋回[9]，根土巖的發(fā)育表示沉積時期地表相對暴露，碳質(zhì)泥巖/煤層+海相灰?guī)r的連續(xù)發(fā)育代表海平面持續(xù)上升，在大面積分布的以海相石灰?guī)r或含海相化石的泥巖為頂板的含煤旋回層序中，煤層多是在海侵過程中形成的[10]，故此處可作為最大海泛面；另一種是，沉積旋回，即“潟湖相泥巖+潮坪相粉砂巖與泥巖互層+深色泥頁巖+碳質(zhì)泥巖/煤層”旋回，代表沉積環(huán)境逐漸由潟湖向混合坪、泥坪、泥炭坪過渡，代表沉積水體逐漸變淺(圖3)。

3.1.3 礦物成分

研究區(qū)在山西組沉積早期發(fā)生大范圍海退，沉積環(huán)境逐漸由陸表海轉(zhuǎn)變?yōu)槿侵蕹练e，此時區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育分流河道沉積，但是由于研究區(qū)所屬華北地區(qū)南部整體地勢較為平緩，分流河道在發(fā)育過程中難以形成深切谷，而是頻繁側(cè)向遷移，形成連接成片的席狀砂體[3]。雖然在巖芯、地震資料上難以發(fā)現(xiàn)明顯的河流下切沖刷面沉積標志，但該席狀砂體上下的沉積環(huán)境、古生物組合，陸源碎屑成分及微量元素組成等一般都有明顯變化，故而可作為層序界面。在山西組下部普遍發(fā)育中厚層灰色細砂巖，俗稱大占砂巖，該砂巖之下主要為灰?guī)r、泥巖、砂巖和煤的巖性組合，普遍發(fā)育有孔蟲、蜓類、海百合莖等古生物，為陸表海沉積；自砂巖始則主要為砂巖、粉砂巖、泥巖和煤的巖性組合，泥巖中部分發(fā)育植物碎片化石，對應(yīng)為三角洲沉積。該種砂體主要為三角洲河口沙壩-分流河道沉積，往往對應(yīng)著一次小規(guī)模的海侵。

3.1.4 測井相識別標志

研究區(qū)太原組—山西組沉積時期，整體處于海陸過渡相沉積期，海平面升降頻繁，測井曲線也會發(fā)生相應(yīng)變化。針對海陸過渡相頁巖氣層系，常規(guī)測井曲線與層序的相關(guān)關(guān)系不甚明顯，此時最具有代表性的為自然伽馬能譜測井曲線，泥頁巖中有機質(zhì)及黏土礦物相對富集，其對放射性物質(zhì)具有吸附作用，故而一般泥頁巖的含量與伽馬能譜U以及GR曲線呈正相關(guān)關(guān)系。同時，Th化合物可反映物源的遠近，其通常與物源距離呈負相關(guān)[2]。w(Th)/w(U)值也常作為沉積環(huán)境的判別標志，通常w(Th)/w(U)值>7為陸相淡水沉積，w(Th)/w(U)值<7海相沉積。在研究區(qū)w(Th)/w(U)值<7時，其泥頁巖有機質(zhì)含量相對較高，故而w(Th)/w(U)值也可指示層序界面(見圖3)。

3.2 層序格架及特征

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過對通許隆起鉆井資料進行分析，按照上述層序和體系域界面識別標志，將通許隆起太原組—山西組識別出6個三級層序SQ1—SQ6。其中，太原組—山西組陸表海沉積劃分為3個三級層序SQ1—SQ3，主要發(fā)育(灰)黑色泥頁巖；山西組三角洲沉積劃分為3個三級層序SQ4—SQ6，主要發(fā)育灰色泥頁巖(見圖4)。

SQ1和SQ2：分別為太原組下部、太原組中部地層。該層序的層序底界面為海侵上超面，其中SQ1在研究區(qū)與下伏地層石炭系本溪組層整合接觸。層序界面之上的海侵期沉積主要為碳質(zhì)泥巖與海相灰?guī)r互層，主要為局限臺地沉積，Gr呈增高趨勢；最大海泛面位于灰?guī)r頂端，含有黃鐵礦結(jié)核，代表強還原環(huán)境，w(Th)/w(U)值由低值向中值轉(zhuǎn)變(見圖3)。隨后進入海退體系域，主要為潮坪與潟湖沉積，砂質(zhì)含量有所增多，底部為黃鐵礦大量發(fā)育的潟湖相灰黑色泥頁巖，向上過渡為混合坪相灰黑色泥頁巖夾粉砂巖、潮溝相薄層細砂巖，上部為泥坪、泥炭坪沉積，Gr呈下降趨勢，總體構(gòu)成向上變淺的層序沉積序列(見圖3)。從東南至西北方向，海退體系域中灰黑色泥巖所夾粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和細砂巖有增多趨勢，且泥頁巖的厚度逐漸變小(見圖4)，說明該時期研究區(qū)物源主要來源于西北方向。在SQ1層序發(fā)育時期，海侵作用強烈，且構(gòu)造相對穩(wěn)定，故而廣泛發(fā)育富有機質(zhì)泥頁巖。該層段富有機質(zhì)泥頁巖平均厚度約為30 m，橫向分布穩(wěn)定，是頁巖氣富集的最有利層段。SQ2在研究區(qū)也普遍發(fā)育，但整體相對較薄。

圖4 通許隆起太原組-山西組層序地層格架內(nèi)優(yōu)質(zhì)泥頁巖儲層分布Fig.4 Map showing distribution of quality muddy shale reservoir in frame of Taiyuan-Shanxi formation sequence

SQ3：相當于太原組上部與山西組下部，層序界面為海侵上超面，與下伏地層整合接觸。海侵體系域主要為臺地和潟湖沉積，主要發(fā)育灰色灰?guī)r，Gr呈增高趨勢，w(Th)/w(U)值整體為中低值；海退體系域主要為潮坪相泥和粉砂沉積，Gr呈下降趨勢，w(Th)/w(U)值整體為中值。

SQ4：相當于山西組中部，層序界面為巖性突變面。海侵體系域主要為水下分流河道沉積，發(fā)育一套細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，向上粒度逐漸變細，泥質(zhì)含量逐漸增加，Gr呈增高趨勢；最大海泛面為該套砂巖頂端與灰色泥頁巖的巖性突變面，w(Th)/w(U)值呈現(xiàn)尖峰高值；隨后過渡為海退體系域，表現(xiàn)為分流間灣沉積微相，頂部發(fā)育黑色煤層沉積，Gr呈下降趨勢(圖3)。該時期物源方向仍為西北方向，因此水下分流河道砂在西北方向發(fā)育較厚，向東南方向逐漸減薄甚至不發(fā)育；海退體系域中煤層則自西北向東南方向逐漸增厚，泥頁巖主要發(fā)育于體系域下部，整體顏色較淺(圖4)。

SQ5和SQ6：主要發(fā)育在研究區(qū)西北部的山西組上部三角洲平原沉積亞相中，均表現(xiàn)為短期小幅的海侵和海退，兩者層序界面均為巖性突變面，界面之下為灰色泥頁巖，界面之上為灰色中-細砂巖。泥頁巖主要發(fā)育于海侵體系域中，但分布較薄且與粉砂巖、細砂巖頻繁互層，難以形成規(guī)模的頁巖氣儲層。由于該時期古地貌仍為北高南低，向東南方向水體相對較深，研究區(qū)東南部此時還未過渡至三角洲平原沉積，因此泥頁巖發(fā)育相對較厚，但與太原組相比，整體顏色均較淺。

4 層序地層對頁巖氣儲層的影響

頁巖氣儲層評價中，泥頁巖有效厚度、w(TOC)值、成熟度、孔隙度和滲透率、儲集空間類型、脆性指數(shù)、含氣性和保存條件等都是重要的參數(shù)。層序地層直接或間接地對這些頁巖氣儲層評價參數(shù)產(chǎn)生影響，本文將從礦物類型、w(TOC)值、脆性指數(shù)、孔隙度和滲透率等參數(shù)入手，探討研究區(qū)太原組—山西組各層序?qū)搸r氣儲層的控制作用。

4.1 層序地層對有機質(zhì)富集的影響

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，SQ1—SQ3泥頁巖w(TOC)值整體較高，平均值>2%(表2)。且在各體系域內(nèi)，與海平面變化呈正相關(guān)趨勢(圖5)。如前所述，SQ1—SQ3發(fā)育(灰)黑色泥頁巖沉積，多見水平層理及黃鐵礦沉積，反映較強的還原環(huán)境；該時期研究區(qū)整體處于陸表海沉積，較SQ4—SQ6三角洲沉積時期水體相對較深，沉積物供給較弱，盆地可容納空間較為充足。因而有機質(zhì)可以得到長期穩(wěn)定的沉積，且還原環(huán)境可使有機質(zhì)免遭氧化。

SQ4—SQ6泥頁巖w(TOC)均值<2%(表2)。但在各層序內(nèi)，w(TOC)值仍與海平面變化呈正相關(guān)關(guān)系(圖5)。據(jù)巖性觀察，SQ4—SQ6主要發(fā)育灰色泥頁巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖互層，沉積環(huán)境為淺水弱氧化環(huán)境；與SQ1—SQ3相比，該時期相對海平面降低，盆地可容納空間亦有所減小，故而該階段沉積的泥頁巖厚度變薄，且與粉砂巖、細砂巖頻繁互層。

4.2 層序地層對泥頁巖脆性的影響

泥頁巖的脆性主要與礦物組分有關(guān)，通常硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物含量越高，脆性越大，脆性指數(shù)越高。通過對牟頁1井太原組—山西組的脆性指數(shù)進行統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，整體上，SQ1至SQ3，泥頁巖平均脆性礦物質(zhì)量分數(shù)以>50%為主，而SQ4至SQ6則普遍<50%(表2)。此外，在各海退體系域內(nèi)，泥頁巖脆性礦物質(zhì)量分數(shù)呈升高趨勢，即與海平面升降呈負相關(guān)趨勢(見圖5)。

表2 牟頁1井太原組-山西組各層序孔隙度、滲透率、w(TOC)值、脆性指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistics of porosity, permeability, w(TOC) and mass fraction of brittle minerals for each sub-sequence from well Mouye1

圖5 牟頁1井太原組—山西組層序w(TOC)值、孔-滲、脆性礦物質(zhì)量分數(shù)變化關(guān)系Fig.5 Relationship of w(TOC), porosity, permeability and mass fraction of brittle minerals in Taiyuan-Shanxi formation sequence from well Mouye1

圖6 通許隆起太原組和山西組泥頁巖樣品次生孔隙特征Fig.6 Features of secondary pores of muddy shale in Taiyuan formation and Shanxi formationa.石英表面溶孔，太原組，SQ1；b.有機質(zhì)收縮縫，太原組，SQ2；c.生烴溶蝕孔，太原組，SQ1

4.3 層序地層對泥頁巖孔、滲的影響

牟頁1井34個樣品的孔隙度、滲透率分析數(shù)據(jù)表明，除SQ4外，泥頁巖孔隙度均為2%～4%，且埋藏較深的SQ1和SQ2孔隙度相對較小；滲透率普遍偏低，以0.001～1 mD為主，其中SQ1、SQ3滲透率相對較高，大于0.1 mD(見表2)。通過掃描電鏡觀察，研究區(qū)泥頁巖樣品次生溶蝕孔洞(圖6)普遍發(fā)育，說明研究區(qū)泥頁巖儲層后期成巖改造相對較強；此外，孔隙度和滲透率相關(guān)性較差，且?guī)r芯及成像測井資料表明研究區(qū)泥頁巖層段裂縫，說明研究區(qū)泥頁巖儲層受后期構(gòu)造作用影響較大。與川南及渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖相比[1,4-5]，通許隆起海陸過渡相泥頁巖相對較薄，且與砂巖、煤、碳酸鹽巖互層分布，受沉積后期成巖及構(gòu)造作用影響較大，總體上，研究區(qū)泥頁巖儲層物性與層序相關(guān)性不強。

5 結(jié)語

(1)通許隆起海陸過渡相層序地層特征獨特，巖性復(fù)雜，且未發(fā)育典型的侵蝕不整合面和下切谷沖刷面。但其巖性組合豐富、沉積趨勢轉(zhuǎn)換特征明顯、典型礦物成分發(fā)育規(guī)律易尋、自然伽馬能譜測井曲線響應(yīng)特征顯著，整體上依然可以為層序界面的識別提供豐富的識別標志，據(jù)此建立了通許隆起中部太原組—山西組層序地層格架，共劃分出6個三級層序(SQ1—SQ6)，其中SQ1—SQ3以陸表海沉積為主；SQ4—SQ6以三角洲沉積為主。受物源方向影響，整體上，自西北至東南，通許隆起中部地區(qū)泥頁巖厚度和范圍相對變大。

(2)通許隆起中部太原組—山西組泥頁巖厚度、w(TOC)值與脆性指數(shù)受層序控制較為明顯。SQ1—SQ3可容納空間相對較大，海退體系域普遍發(fā)育(灰)黑色頁巖，泥頁巖段w(TOC)值普遍大于2%，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)普遍大于50%，且從SQ1到SQ3依次增高；在各體系域內(nèi)，w(TOC)值與相對海平面變化呈正相關(guān)，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)與相對海平面變化呈負相關(guān)。

(3)通許隆起中部太原組—山西組泥頁巖儲層次生溶蝕孔、裂縫普遍發(fā)育，儲層物性由于受后期成巖作用、構(gòu)造作用影響較大，與層序的相關(guān)性相對較差。SQ1—SQ3孔隙度平均為2.68%，在研究區(qū)為中等大??；滲透率普遍較低，SO1和SQ3相對較高，平均為0.26 mD。

(4)綜合分析表明，通許隆起中部地區(qū)海陸過渡相地層中，SQ1—SQ3海退體系域下部的w(TOC)值相對較高，脆性指數(shù)普遍大于50%，孔隙度大小中等，滲透率相對較高，海退體系域泥頁巖相對較厚，且向東南方向有增厚趨勢，故東南方向海退體系域早期為優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層發(fā)育層段。