海相頁(yè)巖紋層特征、成因機(jī)理及其頁(yè)巖氣意義

熊敏，陳雷，陳鑫，計(jì)玉冰，吳佩津，胡月，王高翔，彭浩

(1.天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，610500；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)石油集團(tuán) 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)石油浙江油田公司，浙江 杭州，310023；5.昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京，102206；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，610056；7.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都，610051)

作為頁(yè)巖最富特色的沉積構(gòu)造，紋層廣泛發(fā)育于不同的頁(yè)巖層系中[1-3]。目前，頁(yè)巖紋層的研究主要集中于紋層類型、發(fā)育特征、形成控制因素以及紋層的非均質(zhì)性。隨著近年來(lái)對(duì)于頁(yè)巖非均質(zhì)性研究的不斷深入，越來(lái)越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)研究頁(yè)巖紋層有助于認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣的富集規(guī)律[4-6]。泥頁(yè)巖中紋層的發(fā)育對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能具有重要影響[4-12]。紋層不僅能影響儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型、孔徑分布和孔洞縫的發(fā)育，控制儲(chǔ)層的孔滲性能，而且還能大幅提升儲(chǔ)層的水平滲流能力[7-12]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量研究湖相頁(yè)巖紋層的成因機(jī)制及其對(duì)儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響等[13-18]，并在此基礎(chǔ)上建立了湖相頁(yè)巖紋層與頁(yè)巖油氣富集的關(guān)系模型[19]。針對(duì)海相頁(yè)巖紋層，研究主要集中于紋層對(duì)海相頁(yè)巖儲(chǔ)層的影響。由于紋層是海相頁(yè)巖沉積層里的最小單位，細(xì)粒沉積中紋層的類型、發(fā)育特征及其形成機(jī)理的研究深度尚還薄弱[6-9,11-12,20-23]，因此，海相頁(yè)巖紋層的形成機(jī)制以及其與頁(yè)巖氣富集的關(guān)系是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，海相頁(yè)巖中紋層類型會(huì)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能、含氣性、運(yùn)移疏導(dǎo)和壓裂開發(fā)等產(chǎn)生不同的影響[6,7,11-12,20-23]，并影響頁(yè)巖氣的富集，因此，分析紋層對(duì)海相頁(yè)巖儲(chǔ)層的影響，建立紋層與頁(yè)巖氣的富集模式已成為開展頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)的重要突破口[20-23]。

海相頁(yè)巖發(fā)育多種類型和多種尺度的紋層，不同紋層具有不同的特征及形成機(jī)理，紋層的多樣性也必然對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層品質(zhì)和含氣性產(chǎn)生影響。四川盆地的五峰組—龍馬溪組是我國(guó)海相頁(yè)巖氣開發(fā)的重點(diǎn)層位，紋層對(duì)海相頁(yè)巖氣賦存、富集以及實(shí)際生產(chǎn)的影響需要開展大量研究。對(duì)海相頁(yè)巖不同類型紋層開展定性觀察和定量統(tǒng)計(jì)，可以作為評(píng)估儲(chǔ)層可壓裂性及優(yōu)選頁(yè)巖氣富集區(qū)的依據(jù)。海相頁(yè)巖中細(xì)粒沉積紋層的組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造可以反映頁(yè)巖儲(chǔ)集層微觀結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)集性能，控制著頁(yè)巖的物質(zhì)組成、孔隙特征、微裂縫展布、滲流系統(tǒng)，直接影響水平井體積壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律及后期壓裂效果。因此，研究頁(yè)巖不同紋層及組合、明確頁(yè)巖氣富集規(guī)律及其控制因素是找尋頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”的關(guān)鍵。

1 紋層的定義

WILLIAM 等[24]提出在討論某些沉積巖和變質(zhì)巖時(shí)，將紋層(laminae)作為附加術(shù)語(yǔ)使用，將其定義為厚度為10～12 mm的沉積層。此后，地質(zhì)學(xué)家對(duì)紋層開展了相關(guān)研究，對(duì)紋層進(jìn)行定性和定量描述[25-31]，認(rèn)為紋層往往具有比較均一的成分和結(jié)構(gòu)，但有時(shí)也可有一些粒級(jí)的變化(表1)。本文認(rèn)為海相頁(yè)巖紋層為厚度一般小于10 mm(常為0.05～1.00 mm)的沉積物或沉積巖中可分辨的最小或最薄原始沉積層，而比紋層尺度更小的微細(xì)紋層、顯微微細(xì)紋層暫無(wú)確切定義。

2 紋層的特征及分類

LAMONT[32]提出了利用當(dāng)前沉積紋層削截頂部和漸近基底，確定地層的切割順序，這說(shuō)明紋層的形態(tài)較為多變，并非只表現(xiàn)為連續(xù)、水平的產(chǎn)狀。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從紋層形狀、連續(xù)性與幾何形狀、礦物組成、界面接觸關(guān)系與紋層組合等方面對(duì)紋層的特征進(jìn)行了細(xì)致研究[24-28,32-34]。SHROCK[33]通過(guò)大量研究實(shí)例介紹了交錯(cuò)層理的礦物組成、形態(tài)以及沉積環(huán)境，而MCKEE[26]對(duì)交錯(cuò)紋層的成因機(jī)理進(jìn)行了闡述。此外，INGRAM[34]從厚度出發(fā)，表征紋層的結(jié)構(gòu)特征，CAMPBELL[27]對(duì)紋層的特征進(jìn)行了總結(jié)和具體描述，指出紋層與層理面相同，但因它們包含在層理中，面積較小，形成時(shí)間較短，具有以下特點(diǎn)：

1) 在成分和結(jié)構(gòu)上相對(duì)均勻；

2) 內(nèi)部沒(méi)有小層(至少在顯微鏡下)；

3) 面積范圍小于封閉層理，紋層平行層理表面除外；

4) 形成時(shí)間短，厚度通常以毫米為單位。

紋層連續(xù)性、形狀和幾何形狀是描述紋層的3個(gè)關(guān)鍵屬性[27-28]。在相對(duì)較小的橫向范圍內(nèi)，紋層可以是連續(xù)或不連續(xù)狀、板狀、彎曲狀(單一變化)或波狀(多重變化)以及平行(紋層不相交)或不平行(紋層相交)，如圖1所示。紋層屬性的描述和捕獲對(duì)于識(shí)別原生沉積構(gòu)造(如波痕、板狀和槽狀交錯(cuò)層理)以及挖掘關(guān)于改造的次生破壞信息至關(guān)重要[35]，這對(duì)頁(yè)巖氣的富集具有重要影響[36]。

圖1 紋層連續(xù)性、形狀和幾何形狀[28]Fig.1 Descriptive terms for laminae continuity,shape,and geometry[28]

LAZAR 等[28]提出了基于紋層結(jié)構(gòu)、層理和組成成分3個(gè)關(guān)鍵屬性來(lái)描述細(xì)粒沉積巖的紋層、層理，認(rèn)為紋層的連續(xù)性、形狀和集合形狀是描述紋層的關(guān)鍵要素。實(shí)際研究中，有學(xué)者認(rèn)為單位尺度最小的紋層或紋層組，在某些層狀序列中可能無(wú)法識(shí)別，而緊鄰紋層或紋層組的層并不都是層狀的，因此，應(yīng)首先描述地層的特征，然后對(duì)紋層進(jìn)行對(duì)比表征[27]。但是，也有學(xué)者認(rèn)為紋層研究首先要識(shí)別紋層、紋層組和層，其中單個(gè)紋層研究包括組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造3個(gè)方面；然后，提取紋層組成(無(wú)機(jī)礦物、有機(jī)質(zhì)、孔隙和顆粒類型)、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等關(guān)鍵屬性(表2[12])；最后，明確紋層組和層的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

表2 細(xì)粒沉積紋層關(guān)鍵屬性Table 2 Key properties of fine-grained sedimentary laminae

學(xué)者們也從各個(gè)方面對(duì)紋層進(jìn)行表征。趙建華等[11]將紋層的組成和結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，發(fā)現(xiàn)紋層組分影響紋層的發(fā)育類型，粉砂質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖和灰質(zhì)頁(yè)巖中紋層類型不一。根據(jù)紋層組分，施振生等[12]劃分了4種紋層類型和2個(gè)紋層組，而根據(jù)紋層的密度和單層最大厚度，WANG 等[37-38]將四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖紋層分為3類(表3)。

綜上所述，前人對(duì)紋層特征的研究主要依據(jù)微觀巖石學(xué)特征和宏觀紋層的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及紋層的發(fā)育特征(厚度、密度等)，并據(jù)此提出了紋層分類的主要方案(表3)。在總結(jié)出前人劃分依據(jù)以及劃分方案的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)目前紋層的分類并沒(méi)有統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)紋層現(xiàn)今研究情況來(lái)看，僅僅根據(jù)紋層厚度或者形態(tài)、礦物組成已經(jīng)不能對(duì)紋層進(jìn)行很好地表征，紋層的分類表征已經(jīng)逐漸從基于單一特征向綜合多方面特征發(fā)展。

表3 前人關(guān)于紋層分類方案統(tǒng)計(jì)表Table 3 Previous statistical table on the classification scheme of the laminae

3 主要紋層、紋層組類型及特征

基于前人對(duì)紋層的特征以及分類研究，發(fā)現(xiàn)不同類型的紋層及紋層組合在紋層形態(tài)、結(jié)構(gòu)、礦物組成、疊置關(guān)系等常存在明顯差異。上揚(yáng)子地區(qū)在五峰組—龍馬溪組沉積時(shí)期整體沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，為一套大面積的深海陸棚，頁(yè)巖中礦物顆粒多以復(fù)合顆粒為主，因此，在描述海相頁(yè)巖紋層的關(guān)鍵屬性時(shí)，紋層的結(jié)構(gòu)和顆粒類型不再作為分類的主要依據(jù)，本次紋層的分類主要基于紋層的組成和構(gòu)造特征(表4)。

表4 海相細(xì)粒沉積紋層分類依據(jù)Table 4 Classification of marine fine-grained sedimentary laminae

以四川盆地南部五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖為例，五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖紋層的厚度為幾毫米至幾厘米，橫向分布范圍一般小于1 km2。由紋層組成的紋層組是相對(duì)整合的，是有內(nèi)在聯(lián)系的紋層序列，它們以侵蝕面、無(wú)沉積或與之有關(guān)的整合面為界面，厚度可從幾毫米至幾十厘米，橫向分布范圍一般小于幾平方千米(圖2)。

圖2 川南地區(qū)永壽村剖面及頁(yè)巖紋層Fig.2 Section and shale laminae of Yongshou Village,Southern Sichuan

基于頁(yè)巖礦物組分分類，從紋層形態(tài)學(xué)和礦物學(xué)特征出發(fā)，發(fā)現(xiàn)海相頁(yè)巖紋層發(fā)育類型較多，包括硅質(zhì)紋層、黏土紋層、有機(jī)質(zhì)紋層、碳酸鹽巖紋層及其組合，局部可見黃鐵礦紋層、斑脫巖紋層，紋層形態(tài)多為板狀、條帶狀、微波狀和透鏡狀(表5)。

1) 硅質(zhì)紋層。該紋層構(gòu)造形態(tài)主要為板狀、條帶狀、微波狀和透鏡狀，具體可分為7類(表5)。其中，常見的紋層類型有4類，主要成分為石英與斜長(zhǎng)石(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)40%)(圖3(a)～(c)和(g))，以富石英紋層為主。若形成過(guò)程受壓實(shí)等成巖作用的影響，礦物顆粒長(zhǎng)軸方向與紋層延伸方向平行，粒間可見網(wǎng)狀的有機(jī)質(zhì)絲狀體與深色的黏土礦物。

2) 黏土紋層。海相頁(yè)巖中黏土紋層尤為發(fā)育，其構(gòu)造形態(tài)多為板狀、條帶狀和微波狀，共5種紋層類型(表5)。其中，連續(xù)板狀黏土紋層、連續(xù)條帶狀黏土紋層和連續(xù)微波狀黏土紋層類型最常見，主要成分為伊利石(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)70%)，含少量綠泥石和長(zhǎng)英質(zhì)礦物。黏土紋層在鏡下顏色較深，為深褐色、灰色(圖3(d)和(f))。

表5 海相頁(yè)巖紋層及其組合類型Table 5 Types of marine shale laminae and lamine association

3) 斑脫巖紋層。王玉滿等[39]根據(jù)露頭觀察和描述，發(fā)現(xiàn)五峰組—龍馬溪組斑脫巖普遍具有發(fā)育層數(shù)多、單層厚度一般為0.5～5.0 cm且呈薄片狀分布等特點(diǎn)。以川南五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖為例，斑脫巖呈鉛灰色，紋層在單偏光下顏色較淺，主要由火山灰、棱角狀石英、近橢圓形長(zhǎng)石晶屑組成，部分云母晶屑已經(jīng)暗化，含黑色綠泥石礦物(圖3(k)和3(l))，主要為連續(xù)板狀斑脫巖紋層或斷續(xù)板狀斑脫巖紋層類型。斑脫巖紋層可指示晚奧陶—早志留世上揚(yáng)子區(qū)曾經(jīng)歷過(guò)大規(guī)模的火山活動(dòng)[40-41]，海相頁(yè)巖沉積時(shí)有火山灰的富集。

4) 碳酸鹽巖紋層。因沉積水體的差異，海相頁(yè)巖中局部可見厚度不均的碳酸鹽巖紋層，礦物成分以亮晶方解石和白云石為主。在不同深度，碳酸鹽巖紋層厚度變化較大，局部具有透鏡體結(jié)構(gòu)，礦物顆粒整體呈定向排列，多個(gè)厚度不一的碳酸鹽巖紋層與有機(jī)質(zhì)紋層相間分布，呈平行、亞平行狀，多為板狀、透鏡狀結(jié)構(gòu)(圖3(e)和(i))。因此，可劃分為4類(表5)。

5) 黃鐵礦紋層。在深海還原環(huán)境中發(fā)育大量黃鐵礦，部分黃鐵礦局部富集形成黃鐵礦結(jié)核或紋層，紋層邊界明顯，呈不連續(xù)、彎曲狀分布，顆粒內(nèi)部間有機(jī)質(zhì)及孔隙發(fā)育，多呈微波狀及透鏡狀(圖3(j))。結(jié)合紋層的構(gòu)造形態(tài)，將黃鐵礦紋層劃分為6類(表5)。

6) 有機(jī)質(zhì)紋層。有機(jī)質(zhì)通常與黏土礦物伴生，因此，有機(jī)質(zhì)絲狀體常發(fā)育于黏土礦物間而形成有機(jī)質(zhì)紋層。該紋層在鏡下呈黑色，顏色較黏土紋層更深，也具有板狀、條帶狀和微波狀3 種形態(tài)，紋層中的有機(jī)質(zhì)條帶、絲狀體是其區(qū)別于黏土紋層的重要特征(圖3(a)和(h))。有機(jī)質(zhì)紋層類型也包括4類(表5)。

圖3 川南五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖紋層類型及其特征Fig.3 Types and characteristics of marine shale laminae,Wufeng—Longmaxi Formation,Southern Sichuan

海相頁(yè)巖中多種類型的紋層往往會(huì)構(gòu)成紋層組(表5)，但是碳酸鹽巖紋層的分布受控于沉積水體，所以海相頁(yè)巖中最常見的紋層組有3類(表5和圖4)，包括硅質(zhì)紋層-黏土紋層組、硅質(zhì)紋層-有機(jī)質(zhì)紋層組和黏土紋層-有機(jī)質(zhì)紋層組。

連續(xù)板狀硅質(zhì)紋層-連續(xù)板狀黏土紋層組、連續(xù)板狀硅質(zhì)紋層-連續(xù)板狀有機(jī)質(zhì)紋層組以及斷續(xù)透鏡狀硅質(zhì)紋層-連續(xù)微波狀黏土紋層(有機(jī)質(zhì)紋層)在偏光顯微鏡下明暗層相間，界線分明。粉砂紋層沉積于水動(dòng)力較強(qiáng)的環(huán)境，沉積物粒度較粗，而黏土紋層和有機(jī)質(zhì)紋層沉積粒度較細(xì)，其中也含有一定數(shù)量的石英、長(zhǎng)石及方解石等礦物顆粒，連續(xù)性較好，紋層組合縱向上呈平行或亞平行(圖4(a)～4(f)和4(h))。

連續(xù)微波狀黏土紋層-連續(xù)微波狀有機(jī)質(zhì)紋層組和連續(xù)板狀黏土紋層-連續(xù)板狀有機(jī)質(zhì)紋層組主要發(fā)育于黑色炭質(zhì)頁(yè)巖中，黏土紋層中零散分布石英、長(zhǎng)石和方解石顆粒，沉積物粒度較粗，厚度不均。由于這2類紋層形成于水體安靜、外源輸入少的沉積環(huán)境中，形成條件相似，所以紋層界限難以界定，呈平行或亞平行分布(圖4(c)、4(e)、4(g)和4(i))。

圖4 川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖紋層組合類型及其特征Fig.4 Microscopic characteristics of typical laminae association types in Longmaxi Formation shale in southern Sichuan

4 海相頁(yè)巖紋層成因機(jī)理

海相頁(yè)巖多具有紋層狀沉積構(gòu)造，表現(xiàn)出成分均勻、不連續(xù)、波狀和透鏡狀等不同產(chǎn)狀。紋層狀通過(guò)組成和結(jié)構(gòu)變化反映了沉積物類型、搬運(yùn)方式、流體性質(zhì)和生物活動(dòng)，還指示了紋層的保存環(huán)境[42-44]。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，黑色頁(yè)巖紋層由濁流、等深流或霧狀層流形成[1,7,45-46]，代表了側(cè)向搬運(yùn)的不連續(xù)沉積或絮凝沉積[46]，或在沉積過(guò)程中具有懸浮沉降、沉積物輸入變化、浮游生物生產(chǎn)力波動(dòng)和成巖作用[47-48]，但研究證明，在沉積物快速流入的富氧環(huán)境中，也能保留紋層，這可能與高濁度流體有關(guān)[49]。

O′BRIEN[35,50]對(duì)英國(guó)下侏羅統(tǒng)頁(yè)巖進(jìn)行研究，提出了3種不同成因的紋層類型：

1) 在深海厭氧條件下，懸浮沉降形成的細(xì)紋層；

2) 底流沉積形成厚紋層；

3) 底棲微生物席形成波狀紋層。

這也進(jìn)一步說(shuō)明不同類型紋層可以指示不同的沉積環(huán)境和成巖過(guò)程。此外，SPEARS[51]將英國(guó)約克郡石炭系海相頁(yè)巖紋層分為淺色紋層和暗色紋層，認(rèn)為暗色紋層中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加可能是季節(jié)性的，具有周期性特征。施振生等[12]將四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖紋層劃分為暗色泥紋層和淺色粉砂紋層(圖5)，認(rèn)為它們的形成可能與富硅生物的勃發(fā)有關(guān)，間歇期形成泥紋層，勃發(fā)期形成粉砂紋層。紐約的Genesee、Sonyea和West Falls Formation頁(yè)巖證明了紋層形態(tài)與流體性質(zhì)、水動(dòng)力條件及沉降方式等有關(guān)。該層位薄而平行的紋層主要由相間的富有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒黏土紋層和較粗的粉砂質(zhì)黏土紋層組成，而這種紋層的形成機(jī)制是正常的半深海沉積和濁層分層沉積的重復(fù)交替作用[50]。

圖5 川南龍馬溪組海相黑色細(xì)粒沉積泥紋層和粉砂紋層特征[12]Fig.5 Clayey (white arrows) and silty (red arrows) black shale laminae,Longmaxi Formation southern Sichuan[12]

除了沉積作用，后期成巖也會(huì)對(duì)紋層的形成產(chǎn)生影響。關(guān)于成巖作用對(duì)紋層的影響機(jī)制，CAREY 等[52]發(fā)現(xiàn)緬因州Jemtland 斷續(xù)紋層狀頁(yè)巖具有泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)(包括筆石)交錯(cuò)和薄透鏡狀粉砂紋層，認(rèn)為該紋層是向濁積巖演化的結(jié)果。YAWAR 等[43,53]通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)證明了絮凝物可以表現(xiàn)為與粗粒碎屑搬運(yùn)等效的方式，作為高密度流或濁流在海底搬運(yùn)形成絮凝波紋(圖6(a)和6(b))，而波紋的形成與保存與成巖作用密切相關(guān)(圖6(c)～(e))。隨著成巖作用不斷進(jìn)行，泥巖大量脫水，造成波紋迅速被壓扁，也就是頁(yè)巖巖心觀察中的“假平行”紋層(圖6(f))。

圖6 巖石搬運(yùn)記錄中的絮凝現(xiàn)象以及石膏實(shí)驗(yàn)[43,53]Fig.6 Flocculation phenomenon in rock transportation records and gypsum experiment[43,53]

因此，海相紋層的成因機(jī)理也包括生物作用、生物化學(xué)作用、機(jī)械沉積作用、物源季節(jié)性輸入以及成巖作用改造等[1,7,12,42-53]。細(xì)粒沉積物通過(guò)介質(zhì)搬運(yùn)以垂直沉降或者側(cè)向加積的方式沉降到深水區(qū)最終形成紋層，而海相紋層不同的成因機(jī)制也會(huì)造成頁(yè)巖的礦物成分、巖性和沉積構(gòu)造等的差異，必將影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的物性、脆性、可壓裂性。

5 紋層非均質(zhì)性及其與頁(yè)巖氣富集的關(guān)系

紋層非均質(zhì)性是頁(yè)巖儲(chǔ)層存在物質(zhì)分異最直觀的體現(xiàn)，不僅影響頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的發(fā)育[54]，還造成了頁(yè)巖儲(chǔ)層具有顯著的非均質(zhì)性[55-57]。此外，紋層構(gòu)造中黏土礦物的定向分布對(duì)儲(chǔ)層流體分布具有重要影響[58]，因此，紋層的發(fā)育特征逐漸被作為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育機(jī)理之一[36,59](表5)。目前，四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組一段含氣頁(yè)巖紋層發(fā)育，其因高有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高含氣量、高脆性礦物含量及高孔隙度而成為頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的最佳目的層[1-3,59-63]。對(duì)四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)由深至淺頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物組分、紋層及紋層組合和w(TOC)呈規(guī)律性變化(表6和圖7)。

表6 紋層富集的頁(yè)巖儲(chǔ)層參數(shù)統(tǒng)計(jì)表[59]Table 6 Statistical of shale reservoir parameters with rich laminae[59]

1) 龍一1 亞段底部以高w(TOC)、高含氣性層段紋層以富有機(jī)質(zhì)紋層、富有機(jī)質(zhì)+硅質(zhì)紋層組為主，且富有機(jī)質(zhì)紋層和硅質(zhì)紋層的發(fā)育頻率在垂向上變化趨勢(shì)相同，表現(xiàn)為“同增同減”的趨勢(shì)。

2) 到龍一2 亞段沉積時(shí)期，硅質(zhì)紋層極其發(fā)育，但有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育程度顯著降低，這可能跟硅質(zhì)的來(lái)源有關(guān)。

目前，四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中硅質(zhì)成因公認(rèn)的主要有3種，包括陸源碎屑成因、生物成因以及成巖成因[64]。通過(guò)對(duì)過(guò)量硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該研究層段中過(guò)量硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)近似代表了海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中生物硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)[64]。計(jì)算表明：龍一1亞段中的硅質(zhì)來(lái)源主要為生物硅(圖7和圖8)，該沉積時(shí)期主要為靜水還原環(huán)境，生物硅的沉積不僅提高了古生產(chǎn)力，也促進(jìn)了硅質(zhì)紋層和有機(jī)質(zhì)紋層的發(fā)育和保存，紋層發(fā)育頻率高的層段也相應(yīng)成為w(TOC)、高含氣性的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。相反，龍一2亞段的硅質(zhì)來(lái)源主要為陸源碎屑輸入，陸源碎屑輸入的增加破壞了有機(jī)質(zhì)的保存，w(TOC)降低，出現(xiàn)了硅質(zhì)紋層極其發(fā)育，但有機(jī)質(zhì)紋層欠發(fā)育的現(xiàn)象，而這也進(jìn)一步影響了頁(yè)巖氣的富集。

圖7 川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖紋層發(fā)育特征及其與儲(chǔ)層物性關(guān)系[59]Fig.7 Development characteristics of shale laminae and its relationship with reservoir properties,SW[59]

根據(jù)筆石帶進(jìn)行劃分，龍馬溪組不同筆石帶頁(yè)巖的礦物成分、w(TOC)和紋層類型存在差異。通過(guò)建立筆石帶和自然伽馬(GR)測(cè)井曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系[65]，以川南地區(qū)X1 井為例，筆石帶LM1—LM4 對(duì)應(yīng)于龍一1 亞段，筆石帶LM5—LM7 對(duì)應(yīng)于龍一2 亞段(圖9)。由下至上，龍馬溪組頁(yè)巖不同筆石帶紋層和紋層組類型均具有特殊性(圖9)。LM1—LM7 頁(yè)巖中紋層發(fā)育類型逐漸增多，紋層組合及結(jié)構(gòu)也變得較為復(fù)雜，但從紋層發(fā)育頻率來(lái)看，龍一2 亞段有機(jī)質(zhì)紋層的發(fā)育頻率顯著降低，碳酸鹽巖紋層和黏土紋層的發(fā)育頻率增加，這與龍一2亞段沉積時(shí)期水體變淺和陸源輸入的增加具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖7)。

圖9 川南地區(qū)X1井五峰組—龍馬溪組筆石帶頁(yè)巖紋層類型及縱向分布圖Fig.9 Graptolite relationship with shale lamina types and vertical distribution of Wufeng—Longmaxi Formation,Well X1,Southern Sichuan

根據(jù)頁(yè)巖巖相劃分方案，筆石帶LM1—LM4發(fā)育富(含)有機(jī)質(zhì)水平紋層硅質(zhì)頁(yè)巖，LM5—LM9發(fā)育貧有機(jī)質(zhì)水平紋層混合頁(yè)巖，大量有機(jī)質(zhì)呈紋層狀、堆積式分布，為頁(yè)巖氣提供了更多的儲(chǔ)存空間和各類孔隙連通、流體流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)通道[66-70](圖10)。此外，富筆石水平紋層界面處筆石體內(nèi)存在有機(jī)孔[71-73]、有機(jī)質(zhì)與礦物接觸的粒間孔以及筆石與圍巖接觸部位的層間縫等[71]，頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)孔、無(wú)機(jī)孔和微裂縫相互連通，形成有效的孔隙網(wǎng)絡(luò)，而有機(jī)質(zhì)、孔縫系統(tǒng)的發(fā)育程度直接影響頁(yè)巖氣的富集[74]。

圖10 川南長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖筆石體與圍巖微觀孔隙發(fā)育特征[66]Fig.10 Pores in graptolite and the host shale from the Longmaxi shale in Changning area,Southern Sichuan[66]

海相頁(yè)巖儲(chǔ)層以層狀非均質(zhì)性為主，在平行和垂直于層理的方向上，彈性模量、抗拉強(qiáng)度具有明顯的差異性[75-80]。越來(lái)越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同的紋層及其組合對(duì)儲(chǔ)層的可壓裂性、物性影響不同。SAYAR 等[79]研究美國(guó)Barnett 頁(yè)巖，結(jié)合有效介質(zhì)理論，再現(xiàn)紋層頁(yè)巖的典型特征(如裂縫、黏土的排列方式、孔隙的孤立與連通等)，然后利用巖石彈性性質(zhì)的預(yù)測(cè)來(lái)識(shí)別紋層，紋層發(fā)育的巖石往往具有較高的垂直彈性模量和水平彈性模量，適合壓裂。另外紋層發(fā)育還會(huì)影響頁(yè)巖孔隙類型和孔隙占比分布，但同孔隙度之間無(wú)明顯線性相關(guān)性[1]，紋層的發(fā)育主要控制無(wú)機(jī)孔的孔徑及其分布。WOO等[81]用頁(yè)巖孔隙度與紋層間的關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)Montney頁(yè)巖儲(chǔ)層物性，發(fā)現(xiàn)由于組分間的復(fù)雜相互作用，砂巖紋層中顆粒之間存在粒間孔隙，而黏土礦物內(nèi)部的孔隙較小，說(shuō)明泥巖和砂巖相比具有明顯的孔徑異質(zhì)性。同時(shí)，紋層密度越大，在水力壓裂過(guò)程中越不利于垂直裂縫的形成[37]，尤其是頁(yè)巖中泥紋層和粉砂紋層的厚度比會(huì)造成頁(yè)巖水平、垂直方向物性差異較大，并決定了其造縫形態(tài)[82-87](圖11)。

圖11 垂直平面內(nèi)裂縫水平擴(kuò)展示意圖[84]Fig.11 Horizontal propagation diagram of vertical plane fractures[84]

在應(yīng)力作用下，海相頁(yè)巖中微裂縫優(yōu)先在細(xì)粒頁(yè)巖的紋層界面處形成，當(dāng)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%時(shí)，裂縫密度極低，當(dāng)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，裂縫密度越大[9]。此外，紋層力學(xué)性質(zhì)薄弱界面固結(jié)強(qiáng)度對(duì)頁(yè)巖地層裂縫的溝通效果、應(yīng)力差異和趨近角度均有顯著影響，壓裂過(guò)程中整體傳播區(qū)域呈橢圓形，層理沿垂直平面內(nèi)，主要水力裂縫呈兩翼非對(duì)稱張開[84](圖12)。

圖12 垂直平面內(nèi)裂縫形成的構(gòu)型[84]Fig.12 Configuration of fractures in vertical plane[84]

紋層在頁(yè)巖儲(chǔ)層中普遍存在，并顯著影響油氣運(yùn)聚過(guò)程[88]，這與礦物組成、孔隙度和彈性模量的不同特征有關(guān)。在許多富有機(jī)質(zhì)的砂質(zhì)紋層頁(yè)巖中，頁(yè)巖層狀結(jié)構(gòu)由泥巖紋層和砂巖薄層組成，而頁(yè)巖和砂巖的產(chǎn)層是相互連通的，是一個(gè)不可分割的壓力系統(tǒng)，據(jù)此可以計(jì)算頁(yè)巖或砂巖中原始游離氣和吸附氣儲(chǔ)量，估算開發(fā)過(guò)程中的解吸氣[72]。由于泥巖和砂巖的孔徑異質(zhì)性和無(wú)機(jī)質(zhì)的親水性，油更傾向于吸附在有機(jī)質(zhì)周圍。因此，孔徑和潤(rùn)濕性非均質(zhì)性會(huì)影響頁(yè)巖中油和水的流動(dòng)能力，進(jìn)而影響頁(yè)巖油的生產(chǎn)[89]。

6 結(jié)論

1) 海相頁(yè)巖中紋層類型、產(chǎn)狀以及紋層組合發(fā)育具有多樣性。海相頁(yè)巖中紋層主要以板狀、條帶狀、波狀和透鏡狀出現(xiàn)，紋層類型主要發(fā)育硅質(zhì)紋層、黏土紋層、有機(jī)質(zhì)紋層、碳酸鹽巖紋層4種，紋層組合往往為硅質(zhì)-黏土紋層組、硅質(zhì)-有機(jī)質(zhì)紋層組和黏土-有機(jī)質(zhì)紋層組3種。

2) 海相頁(yè)巖紋層具有多源成因機(jī)制，生物作用、生物化學(xué)作用、機(jī)械沉積作用、物源季節(jié)性輸入以及成巖作用改造等會(huì)對(duì)紋層的形成產(chǎn)生控制作用。

3) 紋層的多樣性導(dǎo)致頁(yè)巖儲(chǔ)層的強(qiáng)非均質(zhì)性，頁(yè)巖中高有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高含氣性層段往往發(fā)育富有機(jī)質(zhì)紋層或富有機(jī)質(zhì)+生物硅質(zhì)紋層組。生物硅質(zhì)紋層的沉積不僅提高了古生產(chǎn)力，也促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)紋層和生物硅質(zhì)紋層的發(fā)育和保存。

4) 根據(jù)生物筆石帶進(jìn)行劃分，海相頁(yè)巖不同筆石帶頁(yè)巖礦物成分、w(TOC)、紋層和紋層組類型均具有特殊性，LM1—LM7 筆石帶頁(yè)巖紋層及紋層組合從單一向多元化發(fā)展，大量有機(jī)質(zhì)呈紋層狀分布，為頁(yè)巖氣提供了更多的儲(chǔ)集空間。