四川盆地長寧西部地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組龍一1亞段頁巖巖相劃分及意義

廖崇杰，陳 雷，鄭 健，陳婭娜，金值民，李明隆，陳 鑫，譚秀成

1.天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；3.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，成都 610500；4.四川長寧天然氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，成都 610051；5.中國石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；6.中國石油 西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，成都 610041

頁巖作為有效的烴源巖和“自生自儲”的非常規(guī)油氣儲層而備受廣大學(xué)者關(guān)注[1-3]。四川盆地長寧區(qū)塊作為首批“國家級頁巖氣示范區(qū)”自建產(chǎn)以來日產(chǎn)量已突破2 000×104m3?，F(xiàn)階段長寧地區(qū)的主要建產(chǎn)區(qū)位于建武向斜地區(qū)，隨著天宮堂地區(qū)評價(jià)井獲得40×104m3/d的產(chǎn)量，顯示出長寧西部地區(qū)亦具有較大的頁巖氣潛力，而目前長寧西部地區(qū)研究仍相對薄弱。因此，對于長寧西部含氣頁巖巖相及其儲層特征分析對該地區(qū)頁巖氣的勘探開發(fā)具有重大意義。

1940年俄羅斯地質(zhì)學(xué)家EBERZIN將“巖相”概念引入地質(zhì)學(xué)中[4]，自此巖相概念越發(fā)受到國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。WANG等[5]在國內(nèi)首次將巖相概念引入頁巖研究，并根據(jù)礦物組分和有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行了巖相劃分；李志明等[6]根據(jù)古生物組合劃分出筆石頁巖微相、放射蟲頁巖微相等；梁超等[7]以成分差異，通過巖心觀察和顯微鏡下分析將五峰組—龍馬溪組劃分出5種巖相。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對于頁巖巖相的研究，證明不同巖相具有不同的開發(fā)潛力[8-9]。因此，本次研究區(qū)頁巖巖相科學(xué)精細(xì)的劃分對于長寧地區(qū)頁巖氣增產(chǎn)上儲具有重大意義。

本文采用硅質(zhì)礦物—碳酸鹽礦物—黏土礦物三端元圖解，結(jié)合巖心觀察及薄片觀測，對四川盆地長寧西部地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖巖相進(jìn)行精細(xì)劃分和特征描述，對比分析不同巖相的儲層差異性，并根據(jù)TOC含量、孔隙度和含氣性等數(shù)據(jù)，提取優(yōu)勢頁巖巖相的關(guān)鍵參數(shù)，并依此建立研究區(qū)的優(yōu)勢巖相評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確立研究區(qū)的優(yōu)勢巖相。最后基于沉積環(huán)境和成巖作用對巖相的形成主控因素進(jìn)行分析。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于長寧西部天宮堂地區(qū)，長寧區(qū)塊在區(qū)域構(gòu)造上屬于上揚(yáng)子板塊西北緣的四川盆地，處于四川盆地的川南低緩背斜構(gòu)造帶的南部[10](圖1a)。五峰組沉積前，受到都勻運(yùn)動(dòng)的影響，上揚(yáng)子?xùn)|部發(fā)生陸內(nèi)坳陷沉降，在四川盆地南部方向形成黔中隆起、四川盆地東南方向出現(xiàn)雪峰山隆起和研究區(qū)北部的川中隆起，導(dǎo)致川東南地區(qū)形成局限的陸棚沉積環(huán)境[11]。這種“三隆夾一坳”的沉積格局使川東南、鄂西渝東地區(qū)從具有廣海特征的海域轉(zhuǎn)變?yōu)楸宦∑鹚鶉薜木窒逌\海，形成低能、缺氧的沉積環(huán)境。

圖1 四川盆地長寧西部地區(qū)構(gòu)造背景[14]及地層劃分

2 巖相類型及特征

2.1 巖相劃分原則、方法及方案

頁巖巖相是頁巖氣研究的基礎(chǔ)，巖相標(biāo)志的選取應(yīng)能反映巖石的沉積環(huán)境[13]。礦物組分不僅是造成巖石類型多樣的根本因素，還指示巖石的發(fā)育環(huán)境[14]。因此，根據(jù)全巖衍射分析對研究區(qū)五峰組—龍一1亞段進(jìn)行了巖相劃分。通過硅質(zhì)礦物(石英+長石)、碳酸鹽礦物、黏土礦物的三端元?jiǎng)澐址桨?圖2)，將頁巖劃分4種巖相組合和16種巖相[15]。

圖2 四川盆地長寧西部地區(qū)頁巖礦物組成三端元圖解

2.2 巖相類型及其特征

基于研究區(qū)265個(gè)全巖衍射數(shù)據(jù)，研究區(qū)五峰組—龍一1亞段主要發(fā)育7種頁巖巖相：硅質(zhì)頁巖相(S-1)、混合硅質(zhì)頁巖相(S-2)、含灰硅質(zhì)頁巖相(S-3)、含黏土硅質(zhì)頁巖相(S-4)、含灰/硅混合質(zhì)頁巖相(M-1)、混合質(zhì)頁巖相(M-2)以及含黏土/硅混合質(zhì)頁巖相(M-4)等(圖2)。

2.2.1 硅質(zhì)頁巖相(S-1)

圖3 四川盆地長寧西部地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖主要巖相巖心特征

圖4 長寧西部地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖主要巖相鏡下特征

2.2.2 混合硅質(zhì)頁巖相(S-2)

2.2.3 含灰硅質(zhì)頁巖相(S-3)

含灰硅質(zhì)頁巖相多以深灰色為主，該巖相碳酸鹽礦物含量為25%～50%，硅質(zhì)含量為50%～75%，黏土礦物含量低于25%。此類巖相常見黃鐵礦和微裂縫(圖3e)。該巖相在研究區(qū)龍一1亞段發(fā)育頻率較低。

2.2.4 含黏土硅質(zhì)頁巖相(S-4)

2.2.5 含灰/硅混合質(zhì)頁巖相(M-1)

2.2.6 混合質(zhì)頁巖相(M-2)

混合質(zhì)頁巖相在巖心上呈現(xiàn)灰黑色(圖3h)，硅質(zhì)含量、黏土含量及碳酸鹽礦物含量均介于25%～50%。混合質(zhì)頁巖相在研究區(qū)內(nèi)發(fā)育頻率較高，主要在龍一1亞段上部發(fā)育。

2.2.7 含黏土/硅混合質(zhì)頁巖相(M-4)

2.3 頁巖巖相分布規(guī)律

圖5 四川盆地長寧西部地區(qū)過Y1-Y2-Y4-Y5井的五峰組—龍馬溪組巖相連井剖面

3 不同巖相儲層特征

3.1 總有機(jī)碳含量

總有機(jī)碳含量(TOC)通常用作衡量頁巖生烴的關(guān)鍵參數(shù)[17]，因此，尋找富有機(jī)質(zhì)頁巖巖相對于尋找優(yōu)質(zhì)頁巖儲層具有重要意義[18]。通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)不同巖相的TOC含量發(fā)現(xiàn)，在長寧西部地區(qū)硅質(zhì)頁巖相為TOC含量最具優(yōu)勢巖相，該巖相TOC含量為0.76%～7.80%，平均值為4.03%(圖6a)，其中50%的樣品TOC含量大于4%，85%的樣品TOC含量大于2%(圖6a)，顯示出研究區(qū)該巖相的有機(jī)質(zhì)較為富集，具有不錯(cuò)的頁巖氣潛力。其次含黏土/硅質(zhì)混合質(zhì)頁巖相也有較高的TOC含量，介于1.66%～6.91%，平均值為3.11%(圖6a)，該巖相有92%的樣品TOC含量大于2%(圖6a)，同樣顯示出具有較好的頁巖氣潛力。其余的混合硅質(zhì)頁巖相、含黏土硅質(zhì)頁巖相和含灰/硅混合質(zhì)頁巖相都具有大于2.6%的TOC平均含量，分別為2.85%，2.68%，2.77%?；旌腺|(zhì)頁巖相具有相對較低的TOC含量，平均值僅為2.2%(圖6a)，且所有樣品TOC含量均小于4%(圖6a)。

3.2 孔隙度

孔隙度是表征頁巖儲集能力的重要參數(shù)。頁巖黏土礦物中存在的無機(jī)孔隙和有機(jī)質(zhì)中存在的納米級孔隙是頁巖主要的儲集空間[19]。本次使用柱塞巖樣的液體飽和法對研究區(qū)五峰組—龍一1亞段的樣品進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)頁巖相平均孔隙度最高，為6.85%，其100%的樣品孔隙度均大于6%(圖6b)。其次為含黏土硅質(zhì)頁巖相，其平均孔隙度為5.31%，其中29%的樣品有大于6%的孔隙度(圖6b)，僅次于硅質(zhì)頁巖相。混合硅質(zhì)頁巖相、含灰硅質(zhì)頁巖相和含黏土/硅混合質(zhì)頁巖相平均孔隙度分別為4.76%，4.85%，4.73%(圖6b)，這4種巖相平均孔隙度都極為接近5%，擁有較為優(yōu)質(zhì)的儲層特征。

3.3 含氣性

含氣性作為評價(jià)研究區(qū)是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的關(guān)鍵參數(shù)對于頁巖氣的勘探開發(fā)具有重要意義[20]。根據(jù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)五峰組—龍一1亞段硅質(zhì)頁巖相在含氣性方面有較為優(yōu)異的表現(xiàn)，平均含氣量為2.22 m3/t，所有樣品含氣量分布在0.92～3.82 m3/t之間(圖6c)，并且有17%的樣品含氣量大于3 m3/t，56%的樣品含氣量大于2 m3/t(圖6c)，為研究區(qū)含氣性最為優(yōu)質(zhì)的巖相。其次混合硅質(zhì)頁巖相、含灰硅質(zhì)頁巖相、含灰/硅混合質(zhì)頁巖相和含黏土/硅混合質(zhì)頁巖相分別有2.04，2.12，2.12，2.11 m3/t的含氣性(圖6c)，同為研究區(qū)含氣性較高的巖相。

圖6 四川盆地長寧西部地區(qū)五峰組—龍一1亞段主要巖相儲層關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.4 優(yōu)勢頁巖巖相劃分

劃分優(yōu)勢頁巖巖相是研究區(qū)進(jìn)行頁巖氣資源評估的關(guān)鍵指標(biāo)[21]。綜合礦物成分、TOC、孔隙度、含氣性等指標(biāo)并結(jié)合目前長寧地區(qū)的開發(fā)現(xiàn)狀，對研究區(qū)五峰組—龍一1亞段發(fā)育的各類巖相儲層品質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)(表1)。硅質(zhì)頁巖相在研究區(qū)具有高TOC含量、高孔隙度、高含氣量的特征，為研究區(qū)的優(yōu)質(zhì)頁巖巖相，其次含灰硅質(zhì)頁巖相、混合硅質(zhì)頁巖相、含灰/硅混合質(zhì)頁巖相和含黏土/硅混合質(zhì)頁巖相TOC含量、孔隙度稍低，含氣量在2 m3/t左右，擁有一定的開采價(jià)值，為中等頁巖巖相。其余巖相儲層條件偏低，難以形成優(yōu)質(zhì)儲層，為差的頁巖巖相。

表1 四川盆地長寧西部地區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖巖相主要特征對比

4 優(yōu)勢頁巖巖相發(fā)育控制因素

4.1 沉積環(huán)境對巖相的影響

具有一定的有機(jī)質(zhì)豐度是形成優(yōu)質(zhì)頁巖巖相和頁巖氣富集的必要條件[22]。晚奧陶世—早志留世時(shí)期，深水陸棚相在川東南地區(qū)廣泛分布[11]。同時(shí)由于“三隆夾一坳”的沉積格局致使研究區(qū)所在位置形成黑海式的水體分層模式，低等生物在海水上層大量繁殖的同時(shí)深水區(qū)因鹽度過高形成了利于有機(jī)質(zhì)保存的厭氧環(huán)境[23-25]，由于陸源物質(zhì)輸入變少，大量生物成因硅質(zhì)沉積物在深水區(qū)形成硅質(zhì)頁巖[26]，從而導(dǎo)致研究區(qū)龍一1亞段底部形成了厚度大且展布穩(wěn)定的富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相。而到龍一1亞段沉積晚期，上揚(yáng)子板塊四川地區(qū)受到強(qiáng)烈擠壓而抬升，川中隆起、黔中隆起和雪峰山隆起逐步擴(kuò)大成為物源區(qū)，古隆起的擴(kuò)大導(dǎo)致物源輸入供給豐富，同時(shí)研究區(qū)及其周緣附近地區(qū)海水逐漸變淺，深海區(qū)的缺氧環(huán)境逐漸遭到破壞[27]，沉積物硅質(zhì)、灰質(zhì)和黏土質(zhì)混雜，沉積以混合質(zhì)頁巖相為主的巖相類型。

研究發(fā)現(xiàn)，更高的U/Th比通常代表水體更偏向于停滯缺氧的還原環(huán)境[26-27]。而通過對研究區(qū)的U/Th值和TOC含量的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，U/Th比值與TOC含量有明顯的正相關(guān)性，這說明停滯缺氧的還原環(huán)境對于有機(jī)質(zhì)的沉積和保存具有積極作用，這種沉積環(huán)境的不同直接決定了頁巖的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)(圖7)。而通過對研究區(qū)五峰組—龍一1亞段TOC含量與含氣量相關(guān)性研究表明，TOC與含氣性呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)0.58(圖7)，由此龍一1亞段底部還原環(huán)境中所沉積的高TOC含量巖相較其他巖相具更優(yōu)質(zhì)的頁巖氣勘探潛力。

圖7 四川盆地長寧西部地區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖TOC含量與U/Th比、含氣量、孔隙度的相關(guān)性

同時(shí)，在對于泥頁巖的儲層評價(jià)過程中，脆性指數(shù)是影響可壓裂性的重要因素[20,29]，在我國通常使用(石英+長石+方解石+白云石)/(石英+長石+方解石+白云石+黏土礦物)來代表頁巖脆性指數(shù)[30]，高脆性的硅質(zhì)礦物擁有更高的楊氏模量、抗壓強(qiáng)度和更低的泊松比，因此根據(jù)頁巖的礦物組成分析得出研究區(qū)硅質(zhì)頁巖相、含灰/硅混合質(zhì)頁巖相和含灰硅質(zhì)頁巖相組合在頁巖氣開采方面更有優(yōu)勢?；旌腺|(zhì)頁巖相和含黏土/硅混合質(zhì)頁巖相，具有次優(yōu)的TOC、孔隙度和含氣量，也具有一定的勘探價(jià)值。

4.2 成巖作用對儲集空間的影響

成巖作用在頁巖的儲集空間形成過程中起著決定性的作用，而成巖作用又分為無機(jī)成巖作用和有機(jī)成巖作用[31]。

4.2.1 無機(jī)成巖作用

研究區(qū)對頁巖儲層影響最大的無機(jī)成巖作用是壓實(shí)作用。頁巖在進(jìn)入沉積階段后，在垂向載荷的作用下大量的礦物基質(zhì)孔隙和原生有機(jī)質(zhì)孔隙被壓實(shí)，致使部分巖石孔隙受到損壞。而優(yōu)質(zhì)巖相頁巖因富含硅質(zhì)，而硅質(zhì)礦物中的脆性石英顆粒具有較好的抗壓實(shí)性，在沉積物發(fā)生壓實(shí)作用時(shí)形成相互支撐的格架，能夠有效保存礦物基質(zhì)孔(圖8a)，且硅質(zhì)頁巖中伴生大量黃鐵礦，這些黃鐵礦的粒間孔隙豐富了頁巖的儲集空間(圖8b)。

圖8 四川盆地長寧西部地區(qū)五峰組—龍一1亞段孔隙特征

4.2.2 有機(jī)成巖作用

隨著埋深增大進(jìn)入有機(jī)成巖作用，熱演化程度升高，頁巖中有機(jī)質(zhì)成分和硅質(zhì)礦物格架孔中的原油進(jìn)入熱裂解生氣階段，有機(jī)質(zhì)中開始發(fā)育大量納米級孔隙[32]。因此，更富有機(jī)質(zhì)的巖相產(chǎn)出更豐富的有機(jī)質(zhì)孔隙(圖8c，d)。同時(shí)在對TOC和孔隙度進(jìn)行相關(guān)性研究得出，TOC含量與孔隙度之間有明顯相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)0.50(圖7)，說明研究區(qū)五峰組—龍一1亞段有機(jī)質(zhì)孔隙是頁巖孔隙的主要類型，更高TOC含量的巖相在研究區(qū)更占優(yōu)勢。

5 結(jié)論

(1)基于“礦物組分+三端元命名法”識別出研究區(qū)主要發(fā)育硅質(zhì)頁巖相(S-1)、混合硅質(zhì)頁巖相(S-2)、含灰硅質(zhì)頁巖相(S-3)、含黏土硅質(zhì)頁巖相(S-4)、含灰/硅混合質(zhì)頁巖相(M-1)、混合質(zhì)頁巖相(M-2)以及含黏土/硅混合質(zhì)頁巖相(M-4)7種巖相。

(2)基于不同巖相儲層參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)巖相頁巖為研究區(qū)最優(yōu)質(zhì)的頁巖巖相，其具有高TOC、高孔隙度和高含氣性，其次含灰硅質(zhì)頁巖相、混合硅質(zhì)頁巖相、含灰/硅合質(zhì)頁巖相和含黏土/硅混合質(zhì)頁巖相，具有中等的TOC、孔隙度和含氣量，也具有一定的勘探價(jià)值。

(3)研究區(qū)五峰組—龍馬溪組一1亞段優(yōu)勢巖相受到沉積環(huán)境和成巖作用的共同控制。沉積水體表層生物富集而底層貧氧低能的黑海式沉積環(huán)境對于有機(jī)質(zhì)的沉積和保存起著積極作用。同時(shí)，水體表層富硅生物的沉積還為頁巖提供了充足的生物硅質(zhì)和有機(jī)質(zhì)，在后期的成巖作用中這些硅質(zhì)和有機(jī)質(zhì)為頁巖氣的富集提供了充足的儲集空間，并且更高的硅質(zhì)礦物含量還能增強(qiáng)頁巖氣開發(fā)的可壓裂性。

致謝：本文在撰寫過程中，劉帥超、湯艷玲、盧家希和張照坤等給予了悉心指導(dǎo)和無私幫助，在此致以衷心的感謝！