川南長(zhǎng)寧地區(qū)下古生界五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖巖相與含氣性特征

單玄龍, 邢 健, 蘇思遠(yuǎn), 李 昂, 趙振鐸, 楊 欽, 李雪松,井 翠, 張家浩, 孫 越

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)春 130061

2.中國(guó)石油西南油氣田勘探開(kāi)發(fā)研究院,成都 610000

3.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,四川 宜賓 644399

4.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北分公司,河北 任丘 062552

0 引言

美國(guó)是世界上最早從事頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的國(guó)家[1-3]。作為一種新興的非常規(guī)能源,北美頁(yè)巖氣的快速開(kāi)發(fā)有效地緩解了全球油氣資源的供需壓力,改變了天然氣的供應(yīng)格局,影響了全球能源供給格局的變化,頁(yè)巖氣迅速成為重要的天然氣勘探開(kāi)發(fā)新目標(biāo)[4-7]。中國(guó)在南方古生界寒武系—志留系、四川盆地三疊系—侏羅系、鄂爾多斯盆地三疊系等層系發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣[8]。中國(guó)頁(yè)巖氣資源的勘探開(kāi)發(fā)熱潮始于2005年,建立了四川威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧、云南昭通等多個(gè)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣工業(yè)化開(kāi)發(fā)先導(dǎo)性示范區(qū)。目前, 中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)正處于快速發(fā)展階段。迄今為止,中國(guó)已在四川、鄂爾多斯、渤海灣、沁水、泌陽(yáng)等盆地實(shí)現(xiàn)了中國(guó)海相(古生界)頁(yè)巖氣的突破,以及海陸過(guò)渡相煤系(二疊系)頁(yè)巖氣與陸相(中生界)頁(yè)巖氣/油的發(fā)現(xiàn)[4]。2010年中國(guó)石油鉆探的四川盆地威201井在寒武系、志留系頁(yè)巖中獲工業(yè)氣流, 實(shí)現(xiàn)了中國(guó)頁(yè)巖氣的首次工業(yè)化突破[9]。川南地區(qū)是中國(guó)頁(yè)巖氣資源最豐富、開(kāi)發(fā)最成熟的區(qū)塊。中國(guó)南方地區(qū)是海相頁(yè)巖氣較有利地區(qū)[4,10-11],四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組海相頁(yè)巖是靶點(diǎn)目標(biāo),已探明焦石壩、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)等千億立方米級(jí)的大氣田,2016年頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到78×108m3,展現(xiàn)出良好的勘探開(kāi)發(fā)潛力[12]。中國(guó)頁(yè)巖氣富集特征受盆地類(lèi)型、沉積環(huán)境、構(gòu)造背景及巖相等多種因素的影響。巖相古地理研究是頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)和選層、選區(qū)工作的基礎(chǔ)[13]。不同巖相的開(kāi)發(fā)潛力不同,頁(yè)巖巖相劃分及特征分析是頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)中關(guān)鍵的一步。因此,找尋有利的頁(yè)巖巖相段是頁(yè)巖系統(tǒng)尋找主要勘探開(kāi)發(fā)目的層的關(guān)鍵所在,對(duì)其開(kāi)展分析研究具有重要意義[14]。

近年來(lái),頁(yè)巖巖相的劃分已被國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者所關(guān)注[15]。針對(duì)頁(yè)巖巖相,前人已進(jìn)行了分類(lèi)劃分,并提出了多種劃分方案,大體可劃分為3類(lèi):一類(lèi)是利用礦物組成+結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征+古生物組合來(lái)劃分巖相,如王志峰等[16]依據(jù)巖石組分、顆粒大小、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造、生物遺跡、化石組合及成巖作用將四川盆地頁(yè)巖巖相劃分為硅質(zhì)頁(yè)巖、含鈣硅質(zhì)頁(yè)巖、泥晶鈣質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)紋層頁(yè)巖、介殼泥灰?guī)r、波狀層理頁(yè)巖、白云質(zhì)頁(yè)巖和磷質(zhì)頁(yè)巖等8種頁(yè)巖巖相;趙建華等[17]根據(jù)頁(yè)巖礦物組成、沉積構(gòu)造和生物組成的特征,識(shí)別出硅質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖、含介殼泥灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖、粉砂巖-細(xì)砂巖和斑脫巖等7種頁(yè)巖巖相。第二類(lèi)是根據(jù)單一的礦物組成三端元法劃分巖相,如王玉滿等[13]依據(jù)巖石學(xué)、沉積環(huán)境(即成因)等關(guān)鍵因素,將川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖劃分為硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)混合頁(yè)巖和鈣質(zhì)混合頁(yè)巖巖相。第三類(lèi)是利用礦物組分和有機(jī)質(zhì)豐度的差異進(jìn)行劃分,如劉超等[18]將五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖劃分為低有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖、中等有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖、低有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖、中等有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖和富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖巖相。不同頁(yè)巖巖相的含氣性存在顯著差異[18],但是造成該差異的原因尚不明確,還需進(jìn)一步研究。

本文以四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)下古生界五峰組—龍馬溪組一段海相頁(yè)巖為研究對(duì)象,綜合利用露頭、測(cè)井資料、鉆井資料和實(shí)驗(yàn)測(cè)試資料,劃分長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖巖相,建立該地區(qū)頁(yè)巖巖相空間分布模式,明確頁(yè)巖巖相對(duì)含氣性的控制作用,探討優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖巖相類(lèi)型,以期為長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣藏的進(jìn)一步勘探開(kāi)發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地構(gòu)造演化經(jīng)歷了古生代—中三疊世克拉通盆地和晚三疊世—新生代陸相盆地兩大階段,包括四川省和重慶市大部分地區(qū),形成于印支期,后經(jīng)喜馬拉雅期水平褶皺運(yùn)動(dòng),形成現(xiàn)今構(gòu)造面貌(圖1a、b)[19-20]。在晚奧陶世—早志留世,川中隆起、黔中隆起和雪峰隆起出露于海平面之上,使得早—中奧陶世的廣海特征海域轉(zhuǎn)變?yōu)楸宦∑鹚鼑木窒藓Ｓ?形成了大面積低能、欠補(bǔ)償、缺氧的沉積環(huán)境[21]。長(zhǎng)寧地區(qū)位于四川盆地西南部,橫跨宜賓、瀘州兩地市,由江安、長(zhǎng)寧、珙縣、興文和敘永等縣管轄,總面積約4 230 km2。研究區(qū)自沉積以來(lái), 經(jīng)歷了長(zhǎng)期的構(gòu)造沉降和短期的構(gòu)造抬升[22-27]。

圖1 四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)地理位置(a)、井位分布(b)與地層柱狀圖(c)

五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖為南方海相頁(yè)巖氣的主力產(chǎn)層。其中,五峰組發(fā)育黑色硅質(zhì)頁(yè)巖,厚度一般小于10 m;五峰組頂部的觀音橋?qū)映练e時(shí)期,受到廣西運(yùn)動(dòng)和全球海平面下降的影響,沉積一套富含介殼的鈣質(zhì)薄層。早志留世龍馬溪組時(shí)期冰川消融,海平面迅速上升,沉積一套厚度較大的黑色頁(yè)巖(圖1c)[28-29]。

2 頁(yè)巖巖相劃分方案

晚奧陶世和早志留世兩次大規(guī)模的海進(jìn)事件,使得五峰組—龍馬溪組發(fā)育穩(wěn)定沉積的黑色頁(yè)巖。目前,頁(yè)巖巖相的分類(lèi)劃分方案沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),鑒于增加基質(zhì)組構(gòu)、沉積構(gòu)造等要素的輔助分類(lèi)會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖巖相命名趨于復(fù)雜、繁多,建立測(cè)井響應(yīng)難度較大,且對(duì)研究和生產(chǎn)應(yīng)用指導(dǎo)意義不大[13],因此,本文應(yīng)用三端元法劃分頁(yè)巖巖相,不再增加其他要素的輔助分類(lèi)。

首先建立以硅質(zhì)礦物(石英+長(zhǎng)石)、碳酸鹽巖礦物(方解石+白云石)、黏土礦物三礦物法的巖相類(lèi)型定量劃分標(biāo)準(zhǔn),對(duì)研究區(qū)頁(yè)巖巖相類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)確定。當(dāng)硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)大于50%時(shí),為硅質(zhì)頁(yè)巖相組合;當(dāng)碳酸鹽巖礦物體積分?jǐn)?shù)大于50%時(shí),為鈣質(zhì)頁(yè)巖相組合;當(dāng)黏土礦物體積分?jǐn)?shù)大于50%時(shí),為黏土質(zhì)頁(yè)巖相組合;而當(dāng)硅質(zhì)、碳酸鹽巖以及黏土礦物的體積分?jǐn)?shù)均小于50%且大于25%時(shí),為混合質(zhì)頁(yè)巖相組合。

以研究區(qū)9口取心井為例,對(duì)五峰組—龍馬溪組一段黑色頁(yè)巖巖相類(lèi)型及特征進(jìn)行分析?；跇悠稾-衍射分析測(cè)試數(shù)據(jù),將礦物體積分?jǐn)?shù)投影到三端元圖內(nèi),得出研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育5種巖相:黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖巖相(圖2)。

圖2 四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖巖相散點(diǎn)圖

3 頁(yè)巖巖相基本特征

研究區(qū)硅質(zhì)頁(yè)巖鏡下見(jiàn)大量毫米級(jí)水平紋層,紋層中亮色顆粒物以球狀顆粒為主,主要包括石英、長(zhǎng)石、硅質(zhì)生物骨架顆粒等,硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)一般在50%～75%之間(圖3a、b);黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖鏡下偶見(jiàn)毫米級(jí)水平紋層,顆粒物主要為黏土質(zhì)絮凝狀顆粒,黏土礦物和硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)均在25%～50%之間(圖3c);混合質(zhì)頁(yè)巖中黏土礦物、硅質(zhì)礦物和碳酸鹽巖礦物體積分?jǐn)?shù)相近(圖3d);鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖碎屑主要包括生物骨架顆粒、方解石、白云石顆粒等,碳酸鹽巖礦物和硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)均在25%～50%之間(圖3e);鈣質(zhì)頁(yè)巖中碎屑成分主要為硅質(zhì)、方解石和白云石,碳酸鹽巖礦物體積分?jǐn)?shù)在50%～75%之間(圖3f)。

a. 硅質(zhì)頁(yè)巖;b. 硅質(zhì)頁(yè)巖;c. 黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖;d. 混合質(zhì)頁(yè)巖;e. 鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖;f. 鈣質(zhì)頁(yè)巖。

4 頁(yè)巖巖相展布特征

4.1 巖相垂向演化特征

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖樣品進(jìn)行全巖X-射線衍射實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),其礦物成分主要為脆性礦物,其次為黏土礦物(表1)。脆性礦物體積分?jǐn)?shù)在29.4%～92.8%之間,平均為69.0%;黏土礦物體積分?jǐn)?shù)在1.3%～58.1%之間,平均為25.9%;此外還有少量的黃鐵礦。脆性礦物中石英體積分?jǐn)?shù)最大,其次為長(zhǎng)石。龍一12小層的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)最低,由下至上呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢(shì),龍一14小層黏土礦物體積分?jǐn)?shù)在12.1%～51.7%之間,平均為31.5%,黏土礦物體積分?jǐn)?shù)最高。碳酸鹽巖礦物體積分?jǐn)?shù)由下至上逐漸降低,五峰組體積分?jǐn)?shù)在6.2%～85.0%之間,平均為40.8%,龍一11小層體積分?jǐn)?shù)在21.0%～62.8%之間,平均為34.5%,龍一12小層體積分?jǐn)?shù)在10.8%～55.0%之間,平均為25.8%,龍一13小層體積分?jǐn)?shù)在5.5%～45.0%,平均為18.2%,龍一14小層體積分?jǐn)?shù)在3.2%～65.8%之間,平均為13.9%。硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)在龍馬溪組一段中部最高。

表1 四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段不同層位礦物組分

為分析礦物成分的縱向變化及巖相與總有機(jī)碳(TOC)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,統(tǒng)計(jì)、繪制A井五峰組—龍馬溪組一段巖相礦物組分綜合柱狀圖(圖4)。以小層劃分為垂向剖析單元,對(duì)頁(yè)巖巖相發(fā)育類(lèi)型和垂向演化特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。

圖4 四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)A井五峰組—龍馬溪組一段巖相礦物組分綜合柱狀圖

研究結(jié)果表明,五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖巖相垂向演化整體具有三分性特征。縱向上由五峰組至龍馬溪組一段,碳酸鹽巖礦物體積分?jǐn)?shù)逐漸降低;硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)在龍馬溪組一段中部最高;黏土礦物體積分?jǐn)?shù)在龍馬溪組一段上部體積分?jǐn)?shù)最高。其中:五峰組—龍一11小層巖相以鈣質(zhì)頁(yè)巖和鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖為主,鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖占比大于50%;龍馬溪組一段中部(龍一12與龍一13)巖相類(lèi)型由下部的鈣質(zhì)類(lèi)及鈣質(zhì)硅質(zhì)混合巖過(guò)渡為硅質(zhì)頁(yè)巖,硅質(zhì)頁(yè)巖體積分?jǐn)?shù)大于80%,偶見(jiàn)薄層狀黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖和混合質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育;龍馬溪組一段頂部發(fā)育厚層狀黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖巖相。

五峰組—龍馬溪組一段黑色頁(yè)巖發(fā)育于外陸棚環(huán)境,主要發(fā)育鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖,偶見(jiàn)鈣質(zhì)頁(yè)巖薄層,黏土礦物體積分?jǐn)?shù)少。五峰組下部發(fā)育黑色頁(yè)巖,在觀音橋段時(shí)期海平面下降,發(fā)育碳酸鹽巖沉積;龍馬溪組底部受全球冰川消融的影響海平面上升,發(fā)育大套硅質(zhì)頁(yè)巖;龍馬溪組一段上部主要巖相類(lèi)型以黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖為主,鈣質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)降低,黏土質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)增加。龍一段頂部巖石顏色逐漸變淺,經(jīng)歷了海平面下降、水體能量變強(qiáng)、陸源碎屑物質(zhì)供應(yīng)量增多的沉積演化過(guò)程[13,19]。

4.2 巖相橫向展布特征

4.2.1 南北向頁(yè)巖巖相展布特征

以單井巖相分析和測(cè)井資料為基礎(chǔ),通過(guò)連井對(duì)比,系統(tǒng)分析研究區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖巖相橫向展布特征。研究結(jié)果表明,長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖巖相南北向展布整體相對(duì)穩(wěn)定。自南(A井)向北(C井),五峰組—龍馬溪組一段沉積的頁(yè)巖厚度逐漸增大,硅質(zhì)頁(yè)巖厚度體積分?jǐn)?shù)增高,五峰組底部發(fā)育穩(wěn)定的鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖,五峰組頂部發(fā)育觀音橋?qū)拥拟}質(zhì)頁(yè)巖,觀音橋?qū)映练e期總體對(duì)應(yīng)于五峰組沉積期較深水沉積之后的一次大范圍海退事件[19]。全球海平面的突然降低導(dǎo)致全球性的生物大滅絕,在研究區(qū)普遍形成一套碳酸鹽巖沉積,受水體深度變化的影響,由古隆起向盆地方向碳酸鹽巖沉積的層位逐漸升高,反映了由古陸向盆地內(nèi)部水體消退速度變慢的特征。在龍一12和龍一13小層,混合質(zhì)頁(yè)巖呈尖滅狀局部分布,黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖呈薄層狀分布,硅質(zhì)頁(yè)巖呈厚層狀穩(wěn)定分布,由南至北硅質(zhì)頁(yè)巖沉積厚度逐漸增大(發(fā)育厚度由19.8 m增加至40.1 m)。龍一14小層以黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖相為主,在平面分布穩(wěn)定,北部黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖相發(fā)育比例較南部低(圖5)。

井號(hào)位置見(jiàn)圖1b。

4.2.2 東西向頁(yè)巖巖相展布特征

自西(D井)向東(B井),頁(yè)巖沉積厚度大體呈增大趨勢(shì)。其中五峰組可見(jiàn)穩(wěn)定發(fā)育的鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖,鈣質(zhì)頁(yè)巖呈薄層狀分布,厚度小于5 m?；旌腺|(zhì)頁(yè)巖主要分布在五峰組和龍馬溪組一段上部,呈透鏡狀發(fā)育。黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖穩(wěn)定分布于龍馬溪組一段上部,厚度在10 m左右。由西至東巖相由大段的鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖(厚度16.4 m,占比46.9%)逐漸過(guò)渡至以硅質(zhì)頁(yè)巖(厚度27.4 m,占比68.2%)為主(圖6)。

在龍馬溪組早期,海平面上升,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為腐泥型,有機(jī)質(zhì)豐度和熱演化程度均較高,是龍馬溪組有效烴源巖發(fā)育的主要時(shí)期,沉積中心位于四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)的東北部,頁(yè)巖層厚度大于20 m[21]。從頁(yè)巖巖相連井沉積剖面可以看出,由南至北、由西至東,外陸棚環(huán)境的硅質(zhì)頁(yè)巖巖相厚度占比增高,側(cè)面說(shuō)明長(zhǎng)寧地區(qū)的東北部為沉積中心。

5 頁(yè)巖巖相對(duì)含氣性的控制作用

5.1 各巖相含氣性特征

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖39塊樣品進(jìn)行含氣量實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn):硅質(zhì)頁(yè)巖的含氣量介于1.74～4.35 m3/t之間,平均值為2.52 m3/t;混合質(zhì)頁(yè)巖的含氣量介于1.54 ～2.97 m3/t之間,平均值為2.07 m3/t;黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖的含氣量介于0.91 ～1.42 m3/t之間,平均值為1.17 m3/t;鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖的含氣量介于0.52～2.11 m3/t之間,平均值為1.68 m3/t;鈣質(zhì)頁(yè)巖的含氣量介于0.77 ～2.40 m3/t之間,平均值為1.88 m3/t。因此,硅質(zhì)頁(yè)巖含氣性最好,混合質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖次之,黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖含氣性最差(圖7)。

圖7 四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段各頁(yè)巖巖相的含氣性

5.2 巖相對(duì)含氣性的影響

頁(yè)巖氣在頁(yè)巖中的賦存主要受到包括有機(jī)地球化學(xué)特征、無(wú)機(jī)地球化學(xué)特征及孔隙結(jié)構(gòu)的內(nèi)在因素和溫度、壓力以及深度在內(nèi)的外在因素的共同影響,不同頁(yè)巖巖相的TOC、礦物組成和孔隙發(fā)育等特征不同,顯示出不同的含氣性。

5.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是頁(yè)巖氣運(yùn)聚成藏的主要控制因素之一,同時(shí)也控制著頁(yè)巖氣的含氣量[30]。長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣藏生產(chǎn)表明,頁(yè)巖含氣量與總有機(jī)碳質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系(圖8),頁(yè)巖氣含氣量隨著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大,表明有機(jī)質(zhì)對(duì)頁(yè)巖含氣量的控制作用顯著。進(jìn)一步揭示頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不僅影響到生烴潛力的大小,還能夠控制頁(yè)巖的含氣量。高有機(jī)質(zhì)豐度是頁(yè)巖氣富集成藏的基本前提。以A井為例,結(jié)合X-衍射測(cè)試數(shù)據(jù)與總有機(jī)碳檢測(cè)數(shù)據(jù),研究區(qū)硅質(zhì)頁(yè)巖的w(TOC)在2.76%～4.06%之間,平均值為3.43%;黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖的w(TOC)在1.95%～2.52%之間,平均值為2.19%;混合質(zhì)頁(yè)巖的w(TOC)在1.64%～3.12%之間,平均值為2.46%;鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖的w(TOC)在0.56%～3.12%之間,平均值為2.33%;鈣質(zhì)頁(yè)巖w(TOC)平均值為2.36%。硅質(zhì)頁(yè)巖w(TOC)最高,混合質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖及鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖次之,黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖w(TOC)最低。

圖8 四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖含氣量與總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖

前人研究表明,五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖主要由浮游藻類(lèi)、細(xì)菌和筆石等成烴生物及其早期生成的原油演化形成的固體瀝青組成[31]。五峰組沉積早期,氣候溫暖濕潤(rùn),海平面上升至高位,海底出現(xiàn)大面積缺氧環(huán)境,藻類(lèi)、放射蟲(chóng)、筆石等浮游生物生產(chǎn)率高,生物碎屑顆粒、有機(jī)質(zhì)和黏土礦物等復(fù)合體以“海洋雪”方式緩慢沉降;五峰組中晚期,海平面下降,以浮游生物為食物的筆石大量滅絕,水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)劇增;龍馬溪組沉積早期,海平面再次快速上升,藻類(lèi)、放射蟲(chóng)、筆石等浮游生物再次大量繁盛并緩慢沉積[8,32-33]。

海相頁(yè)巖中生物成因硅的存在對(duì)優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育有重要的影響[34]。該區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖的硅質(zhì)成分包含生物成因和碎屑成因兩類(lèi),并以生物成因硅質(zhì)為主(硅藻、放射蟲(chóng)、海綿骨針等)[16],反映靜水和相對(duì)深水的陸棚沉積環(huán)境,對(duì)生物死亡后的埋藏和保存起到積極作用。海洋水體中較高含量的硅質(zhì)不僅是放射蟲(chóng)、海綿骨針等硅質(zhì)生物發(fā)育、富集的基本條件,而且也是其他海洋生物生長(zhǎng)所必需的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。前人[35]研究調(diào)查結(jié)果顯示,硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水體的初級(jí)生產(chǎn)力息息相關(guān),硅質(zhì)生物大量發(fā)育時(shí)藻類(lèi)也一同繁盛,藻類(lèi)是一種保持其生物形態(tài)特征的水生浮游生物,是一種重要的生烴生物。生物來(lái)源硅質(zhì)的富集層多是高的初級(jí)生產(chǎn)力層,充足的有機(jī)物質(zhì)供給為優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育提供了物質(zhì)保證。放射蟲(chóng)個(gè)體及與其共生的藻類(lèi)可形成較大的富硅、富有機(jī)質(zhì)團(tuán)粒,放射蟲(chóng)與藻類(lèi)的共生體在死亡后快速沉降,增大沉積效率的同時(shí)也降低了有機(jī)質(zhì)在水中被氧化的速率,生物生產(chǎn)率高,使得沉積有機(jī)質(zhì)得以保存,有利于形成富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖[36]。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者也認(rèn)為放射蟲(chóng)是古生代海洋高有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者之一,其有機(jī)質(zhì)中脂類(lèi)物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高,容易保存,是古生代海相烴源巖有機(jī)質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者[37]。同時(shí),放射蟲(chóng)囊體表面及囊內(nèi)發(fā)育的小孔和空腔為頁(yè)巖氣提供大量的賦存空間[38],因此,硅質(zhì)生物的大量繁盛是該時(shí)期有機(jī)碳富集的重要因素。從C井五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)頁(yè)巖中總有機(jī)碳與硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系來(lái)看,w(TOC)與硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖9),隨著硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的增加(54.4%→79.3%),w(TOC)相應(yīng)增加(1.34%→4.77%),頁(yè)巖含氣量隨之增大。這是硅質(zhì)頁(yè)巖含氣性能好的重要原因。

R. 相關(guān)系數(shù)。

5.2.2 巖石礦物組成

除有機(jī)質(zhì)外,頁(yè)巖的巖石礦物組成是影響頁(yè)巖含氣量的另外一個(gè)因素[39-40]。為準(zhǔn)確研究長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖巖石礦物組成對(duì)含氣量的影響,以C井為例建立包含礦物組成-含氣量-有機(jī)質(zhì)豐度3種因素的統(tǒng)計(jì)圖,以便控制w(TOC),更客觀科學(xué)地判斷礦物成分對(duì)含氣量的影響,使結(jié)果更可信?？梢钥闯?當(dāng)w(TOC)一定時(shí),頁(yè)巖含氣量與硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)呈明顯正相關(guān)關(guān)系(圖10a),而隨黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)(圖10b),與碳酸鹽礦物體積分?jǐn)?shù)相關(guān)性不明顯(圖10c)。

圖10 四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)C井五峰組—龍馬溪組一段不同礦物組分體積分?jǐn)?shù)、w(TOC)、含氣量關(guān)系

硅質(zhì)與有機(jī)碳的富集密切相關(guān),且硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的增高導(dǎo)致巖石脆性增大,利于形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫[3]。生物成因硅質(zhì)重結(jié)晶可以形成石英,增加頁(yè)巖脆性[30],進(jìn)而對(duì)頁(yè)巖巖石滲透性的提高、儲(chǔ)集空間的擴(kuò)大、氣體的解吸與運(yùn)移起到積極影響。因此,高硅質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)對(duì)頁(yè)巖氣的富集成藏、壓裂開(kāi)發(fā)及有利層位選擇有重要意義。頁(yè)巖含氣量與碳酸鹽礦物體積分?jǐn)?shù)相關(guān)性不明顯,碳酸鹽礦物為易溶礦物,在成巖演化過(guò)程中容易受到酸性流體的溶蝕,但多以孤立狀形式存在,故對(duì)含氣性影響不顯著[10]。而相對(duì)頁(yè)巖中的其他成分,黏土礦物的巖石力學(xué)屬性為塑形,黏土礦物雖然能夠通過(guò)成巖轉(zhuǎn)化形成次生孔隙,但其易受到壓實(shí)變形而難以保存。頁(yè)巖含氣量隨黏土礦物成分的變化呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),表明黏土礦物雖具有很強(qiáng)的吸附能力和較大的比表面積,能夠?yàn)槲綉B(tài)頁(yè)巖氣提供一定的賦存空間,但隨著其體積分?jǐn)?shù)持續(xù)增大,過(guò)高的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)將大大降低巖石脆性,導(dǎo)致裂縫不易形成,同時(shí)頁(yè)巖的抗壓實(shí)能力也相應(yīng)降低,對(duì)孔隙發(fā)育不利,從而不利于頁(yè)巖氣的開(kāi)采,影響壓裂效果[41]。

5.2.3 孔隙結(jié)構(gòu)

孔隙結(jié)構(gòu)與頁(yè)巖氣的賦存有密切的關(guān)系。頁(yè)巖氣通常以游離態(tài)賦存于中孔、宏孔與裂縫中,故游離氣量主要與孔體積大小有關(guān)。吸附氣吸附于有機(jī)質(zhì)與黏土礦物微孔、中孔表面上,故吸附氣量主要與比表面積有關(guān)[41]。

該區(qū)不同巖相頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2,頁(yè)巖樣品的平均比表面積為27.27 m2/g,平均孔體積0.12 cm3/g。硅質(zhì)頁(yè)巖巖相的比表面積與孔體積最大,比表面積為35.12 m2/g,孔體積為0.17 cm3/g;黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖孔體積和平均孔徑偏小,而比表面積偏大。研究區(qū)海相頁(yè)巖普遍處于高過(guò)成熟階段,干酪根裂解與遷移有機(jī)質(zhì)裂解生氣,能夠產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)孔隙,為頁(yè)巖氣賦存提供絕大部分儲(chǔ)集空間[42]。生物硅的發(fā)育一定程度上增加了頁(yè)巖的抗壓實(shí)能力,利于無(wú)機(jī)孔隙的保存,為后期遷移有機(jī)質(zhì)充填提供了有利空間[43]。過(guò)高的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)會(huì)降低頁(yè)巖抗壓實(shí)能力,不利于孔隙的發(fā)育。因此,硅質(zhì)頁(yè)巖由于富有機(jī)質(zhì)而具有最大的孔體積,黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖孔體積最小。比表面積則由有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物提供,有機(jī)質(zhì)的內(nèi)部廣泛發(fā)育微孔與中孔[44],同時(shí)內(nèi)部的孔隙形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu),因此有機(jī)質(zhì)的存在大大增加了孔隙比表面積。黏土礦物由于自身形態(tài)的特性,呈現(xiàn)絮狀、書(shū)頁(yè)狀,使得其具有較其他脆性礦物更大的比表面積。因此,高有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)極大增加了頁(yè)巖比表面積,黏土礦物對(duì)比表面積也有一定貢獻(xiàn),致使硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖由于高w(TOC)或高黏土礦物體積分?jǐn)?shù)而具有較高的比表面積。

表2 研究區(qū)不同巖相頁(yè)巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)BJH(Barret-Joyner-Halenda)法計(jì)算該區(qū)各頁(yè)巖巖相樣品的孔徑分布曲線。從圖11中可以看出,頁(yè)巖峰值孔徑集中在3～5 nm之間,表明在這個(gè)范圍內(nèi)孔出現(xiàn)的概率最大,各頁(yè)巖巖相樣品的平均孔徑為15.61～24.46 nm(表2),頁(yè)巖孔隙以中孔為主,同時(shí)含有一定量的大孔,造成孔徑分布圖中的“拖尾”現(xiàn)象。硅質(zhì)頁(yè)巖巖相樣品的累積孔體積(V)與孔隙在峰值孔徑時(shí)對(duì)應(yīng)的孔體積(dV/dD)最大。綜合不同頁(yè)巖巖相比表面積、孔體積、平均孔徑數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),硅質(zhì)頁(yè)巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)最好,表現(xiàn)出更優(yōu)越的游離氣及吸附氣儲(chǔ)集能力。

a. 硅質(zhì)頁(yè)巖;b. 黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖;c. 混合質(zhì)頁(yè)巖;d. 鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖;e. 鈣質(zhì)頁(yè)巖。

6 結(jié)論

1)四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段共發(fā)育黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖五類(lèi)頁(yè)巖巖相。與龍馬溪組一段上部相比,五峰組—龍馬溪組一段中下部具有高硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù),黏土礦物體積分?jǐn)?shù)低。

2)長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖巖相垂向演化整體具有三分性特征,隨海平面的變化,巖相呈鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖—硅質(zhì)頁(yè)巖—黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖過(guò)渡;橫向上研究區(qū)頁(yè)巖巖相南北展布整體相對(duì)穩(wěn)定,由西至東巖相由大段鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖逐漸過(guò)渡到以硅質(zhì)頁(yè)巖為主,沉積中心位于長(zhǎng)寧地區(qū)東北部,由南至北、由西至東,硅質(zhì)頁(yè)巖巖相沉積厚度占比增高。

3)頁(yè)巖含氣量主要受到有機(jī)質(zhì)豐度、礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)等因素的影響,不同頁(yè)巖巖相的含氣性存在明顯差異,研究區(qū)硅質(zhì)頁(yè)巖含氣性最好,而黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖含氣性最差。主要由于硅質(zhì)頁(yè)巖具有高生物成因硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、高w(TOC)、高脆性及高孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)等特征,為頁(yè)巖氣的形成、儲(chǔ)存及富集成藏提供了有利條件。