四川盆地深層頁巖沉積特征及儲層主控因素
——以威東地區(qū)龍馬溪組為例

伍翊嘉 王 瀅 黎 菁

中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

0 引言

頁巖氣是一種以吸附氣和游離氣的形態(tài)貯存在泥頁巖中的非常規(guī)低碳能源，其特點是自生自儲[1-3]。前人研究表明，沉積相控制了頁巖的分布與品質(zhì)，有利的沉積微相與頁巖氣儲層在時空關(guān)系大多保持一致。因此沉積環(huán)境研究對于頁巖氣儲層的評價具有重要的意義[4-6]。四川盆地南部地區(qū)穩(wěn)定發(fā)育上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組的黑色碳質(zhì)頁巖，主要形成于缺氧閉塞的深水陸棚環(huán)境，富含筆石化石和黃鐵礦[7-10]。該套海相頁巖沉積穩(wěn)定、廣泛分布，埋深介于2 500～6 500 m，有利區(qū)頁巖氣資源量巨大[11-13]。目前已在埋深3 500 m以淺的中淺層實現(xiàn)了規(guī)模效益開發(fā)，其中威遠、長寧等國家級頁巖氣示范區(qū)已順利進入穩(wěn)產(chǎn)階段。隨著勘探開發(fā)的不斷深入，地質(zhì)認(rèn)識和工程水平的不斷提高，埋深大于3 500 m的深層頁巖氣已表現(xiàn)出良好的勘探開發(fā)前景，曾經(jīng)受限于工藝、技術(shù)等因素的頁巖氣資源已有條件實現(xiàn)了動用。深層頁巖氣已成為頁巖氣下一步勘探開發(fā)的熱點和重點。威東地區(qū)屬于典型的深層頁巖氣分布區(qū)，目前該區(qū)已部署了多口針對龍馬溪組的深層頁巖氣評價井，鉆探揭示的龍馬溪組底界埋藏深度均超過了3 500 m。本文通過系統(tǒng)地研究該區(qū)頁巖儲層的巖石、沉積和儲層特征，在區(qū)域背景認(rèn)識的基礎(chǔ)之上，建立基于古氧相和巖相研究的威東地區(qū)龍馬溪組沉積相劃分標(biāo)準(zhǔn)，明確了深層頁巖氣儲層發(fā)育的主控因素，以期為威東地區(qū)深層頁巖氣成藏模式和富集規(guī)律的研究打下基礎(chǔ)，為下一步鎖定規(guī)模建產(chǎn)區(qū)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

威東地區(qū)位于四川盆地中南部，構(gòu)造上隸屬于川南古坳中隆低陡穹形帶和川中古隆中斜平緩帶兩個二級構(gòu)造單元的交界處。區(qū)內(nèi)構(gòu)造比較簡單，西部為平緩、低幅度的單斜構(gòu)造，北部發(fā)育鼻突構(gòu)造，斷層均不發(fā)育；中部為中敖西潛伏構(gòu)造，呈北東—西向展布，幅度較低；南部為螺觀山構(gòu)造，東部接西山構(gòu)造，均呈現(xiàn)出寬向斜窄背斜的構(gòu)造特征，斷層較發(fā)育，多呈北東—南西向展布（圖1）。

圖1 威東地區(qū)構(gòu)造位置簡圖

目的層上奧陶統(tǒng)五峰組至龍馬溪組一段為一套穩(wěn)定分布的深灰—灰黑色海相頁巖，以自然伽馬值升高、電阻率升高半幅度點為界限，可將龍馬溪組自下而上劃分為龍一段、龍二段。綜合自然伽馬和鈾元素的曲線形態(tài)，可在本區(qū)五峰組—龍馬溪組識別出8個三級層序（SE 1～SE 8）：以指示最大海泛面（MFS）的鈾（U）元素曲線峰值為界，底部發(fā)育海侵體系域（TST），代表海平面上升，U元素曲線形態(tài)呈鐘形，自下而上快速增大；頂部發(fā)育高水位體系域（HST），代表海平面下降，U元素曲線呈漏斗形，曲線幅度逐漸降低。底部五峰組—龍一1亞段灰黑色厚層碳質(zhì)頁巖，生物含量豐富，含大量筆石化石、硅質(zhì)及鈣質(zhì)生物屑，有機質(zhì)豐富，系最有利勘探目標(biāo)。受早志留世龍馬溪期早期大規(guī)?？焖俸Ｇ趾桶殡S著小幅度升降的持續(xù)海退的旋回影響，該層段呈現(xiàn)出整體較高、起伏較大的自然伽馬和鈾曲線特征，通常作為層位識別的重要電性特征依據(jù)（圖2）。

圖2 威東地區(qū)地層綜合柱狀圖

2 沉積特征

在龍馬溪組沉積伊始，全球性的古氣候變暖造成岡瓦納大陸冰蓋的消融，海水體積大幅增加，在四川盆地內(nèi)發(fā)生大規(guī)模的快速海侵，從而形成利于有機質(zhì)富集的沉積背景[14-15]。威東地區(qū)龍馬溪組底部的頁巖段亦形成于這種背景，系一套在快速海侵條件下形成的富含有機質(zhì)的深水陸棚相沉積。通過優(yōu)選特征元素，結(jié)合沉積標(biāo)志、黃鐵礦發(fā)育特征、古生物等特征，對研究區(qū)的沉積相特征展開了深入研究。

2.1 古氧相

不同的沉積環(huán)境具有不同的沉積速率和古生產(chǎn)力并控制了烴源巖巖石的礦物組成[16-18]。作為一種貯存于以富有機質(zhì)頁巖為主的儲集巖系中的氣體，頁巖氣具有生儲一體的特點，因此沉積環(huán)境的識別對頁巖氣儲層的評價具有重要意義[19-20]。隨著元素地球化學(xué)學(xué)科的發(fā)展和多學(xué)科的交叉研究，沉積環(huán)境的研究開始借助于在沉積和成巖過程當(dāng)中的不同元素的遷移和聚集過程中體現(xiàn)出的特點進行定量深入探討[21-23]。多種常量元素或微量元素均對沉積環(huán)境有一定的指示意義[24-25]，如鈾（U）元素通常吸附于有機質(zhì)上，鎳（Ni）、釩（V）元素的出現(xiàn)指示深海沉積物的顯著增加。因此在頁巖沉儲層的沉積環(huán)境的研究探討中，通常選用鈾（U）、鎳（Ni）、釩（V）等特征元素或U/Th、Ni/Co、V/Cr等特征元素的比值指示有利于有機質(zhì)沉積的深水環(huán)境（表1），比值越大，反映的沉積環(huán)境越缺氧，且越有利于有機質(zhì)保存。

表1 氧化還原環(huán)境特征元素指示表

威東地區(qū)05井在五峰組—龍馬溪組底部，U/Th、Ni/Co、V/Cr的比值較高（U/Th介于1.29～6.84，平均值為3.2；Ni/Co介于7.1～26.1，平均值10.5；V/Cr介于4.6～13.5，平均值為9.5），且曲線趨勢與TOC保持一致，均呈現(xiàn)出自下而上急劇上升再持續(xù)緩慢下降的形態(tài)，表明龍馬溪組底部沉積環(huán)境為深水強還原環(huán)境，海水能量較低，陽光不充足，黏土或細碎屑沉積物發(fā)育，有機質(zhì)發(fā)育，向上水體逐漸變淺，缺氧程度降低，有機質(zhì)保存條件變差。

威東地區(qū)五峰組—龍馬溪組底部頁巖巖心分析數(shù)據(jù)表明，TOC與U/Th、Ni/Co、V/Cr值均表現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.608、0.6418、0.4141（圖3）。根據(jù)氧化還原環(huán)境特征元素指示表中U/Th＞1.25的參考指標(biāo)，繪制了龍馬溪期早期深水強還原環(huán)境沉積厚度平面分布圖（圖4）。從圖4可以看出，沉積厚度由西北向東南方向逐漸增厚，指示了水體深度從西北往東南方向逐漸增厚，沉積中心位于東南方向。

圖3 威東地區(qū)巖心TOC與常量元素、微量元素交會圖

圖4 威東地區(qū)龍馬溪期早期深水強還原環(huán)境沉積厚度平面分布圖

2.2 沉積微相劃分

目前關(guān)于四川盆地龍馬溪組沉積相的研究成果表明，川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組為陸棚相沉積，由靠近濱岸的內(nèi)陸棚（龍馬溪組上部地層）和遠離濱岸的外陸棚（龍馬溪組底部地層）組成[26-29]。外陸棚位于風(fēng)暴浪基面以下，水深介于40～200 m，屬于安靜、貧氧、深水的還原環(huán)境，主要發(fā)育黑色炭質(zhì)泥頁巖和深色粉砂質(zhì)泥巖，黃鐵礦十分發(fā)育且呈小透鏡狀、星散粒狀產(chǎn)出，可見同沉積莓球狀團塊。構(gòu)造上多發(fā)育毫米級片狀及紋層狀的頁理構(gòu)造，古生物化石豐富且以筆石為主，同時可見大量硅質(zhì)放射蟲和少量硅質(zhì)海綿骨針等生物化石[30]。內(nèi)陸棚位于正常浪基面之下至風(fēng)暴浪基面之間的相對淺水區(qū)，水深介于20～40 m，仍屬于靜水的低能環(huán)境，但常常受到特大風(fēng)暴浪的影響，沉積物以深色陸源粉砂級、泥級碎屑物為主。在研究區(qū)偶爾受低密度流的影響，形成指示相對高能沉積環(huán)境的泥質(zhì)粉砂巖與指示相對低能沉積環(huán)境的深色粉砂質(zhì)泥頁巖互層的韻律狀微相沉積體[30]。

在前人研究基礎(chǔ)上，基于元素特征，結(jié)合沉積層理、黃鐵礦發(fā)育特征、古生物特征等沉積標(biāo)志，精細刻畫了本區(qū)深層頁巖沉積相特征，自下而上共識別出了6種沉積微相（表2）。其中，淺水泥質(zhì)粉沙棚、淺水粉砂質(zhì)泥棚發(fā)育于內(nèi)陸棚，U/Th比值小于0.3，屬于氧化、弱氧化沉積環(huán)境，對應(yīng)海退體系域4、層序5～9；富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚、有機質(zhì)泥棚、富有機質(zhì)粉砂質(zhì)泥棚、深水粉砂質(zhì)泥棚發(fā)育于外陸棚，U/Th比值大于0.3，屬于還原沉積環(huán)境，對應(yīng)層序1～3、海侵體系域4。

表2 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組沉積相劃分簡表

以威東05井為例，在五峰組沉積時期，盆地內(nèi)發(fā)生大規(guī)模的海侵事件，最大海泛面對應(yīng)伽馬、U曲線的最大值。在最大海泛面之下發(fā)育海侵體系域，巖性以暗色頁巖為主，可見同沉積莓球狀黃鐵礦，古生物化石豐富，有機硅含量較高（圖5）。隨后，盆地內(nèi)發(fā)生持續(xù)緩慢的海退，頁巖泥質(zhì)含量逐漸減少，顏色逐漸變淺，且在此過程中海平面升降偶有起伏，發(fā)育數(shù)個次級小旋回。

圖5 威東地區(qū)05井龍馬溪組龍一1亞段沉積相綜合柱狀圖

2.2.1 富有機質(zhì)泥棚微相和富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相

在頁巖的沉積過程中，富有機質(zhì)泥棚微相和富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相處于外陸棚水體深度最深的沉積時期，對應(yīng)于最大海泛面下的三級層序2，水動力能量最弱，基本不受洋流、密度流和風(fēng)暴流的影響，在研究區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的發(fā)育極薄的一層，自西北向東南方向逐漸增厚。該類微相U/Th比通常大于1.25，為強還原環(huán)境，有機質(zhì)含量高，通常大于4%。沉積產(chǎn)物以黑色頁巖為主，有機質(zhì)十分豐富，沉積構(gòu)造以水平紋層、塊狀層理為主（圖6-a、圖6-b）。富含筆石化石，以雕筆石為主，可見同沉積莓球狀黃鐵礦發(fā)育（圖6-c、圖6-d）。以上多種特征反映了該類沉積微相沉積作用極不活躍，指示了缺氧低能以及低速欠補償?shù)撵o水沉積特征，有利于有機質(zhì)的生成和富集，為其在成熟的條件下向油氣轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件。

2.2.2 富有機質(zhì)粉砂質(zhì)泥棚微相和深水粉砂質(zhì)泥棚微相

富有機質(zhì)粉砂質(zhì)泥棚微相和深水粉砂質(zhì)泥棚微相仍屬于外陸棚沉積，但相較于富有機質(zhì)泥棚微相和富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相，該類微相的沉積水體相對較淺，主要見于三級層序3，但沉積環(huán)境能量仍然較低，水動力條件較弱，基本不受密度流和風(fēng)暴流的影響，屬于弱還原沉積環(huán)境，U/Th比通常介于0.5～1.25。巖性以深灰色、深褐色泥頁巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，沉積構(gòu)造可見水平層理和黏土—石英韻律層理發(fā)育（圖6-e、圖6-f），巖心斷面見大量的柵筆石和雕化石（圖6-g），可見生物潛穴（圖6-h），反映了該沉積環(huán)境較低能、還原以及低速欠補償?shù)妮^深水的特征。

2.2.3 淺水粉砂質(zhì)泥棚微相和淺水泥質(zhì)粉砂棚微相

淺水粉砂質(zhì)泥棚微相和淺水泥質(zhì)粉砂棚微相位于更靠近濱岸的內(nèi)陸棚區(qū)，沉積水體更淺，氧化環(huán)境特征更明顯。該類微相U/Th比值通常小于0.5，為弱氧化環(huán)境，有機質(zhì)含量相對較低。隨著海平面的頻繁升降，形成的沉積產(chǎn)物色偏淺，以灰色、灰綠色、黃綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主要巖性。沉積構(gòu)造主要以塊狀層理、韻律層理為主（圖6-i、圖6-j），可見生物潛穴、生物擾動構(gòu)造和沖刷侵蝕面（圖6-k、圖6-l），表明沉積時水動力條件較強，水深相對淺，呈氧化環(huán)境[31]。

圖6 威東地區(qū)05井龍馬溪組典型沉積特征照片

3 巖相劃分及特征

頁巖巖相的精細劃分對開展頁巖儲層的精細刻畫具有重要的指導(dǎo)意義[32-33]。隨著頁巖氣地質(zhì)認(rèn)識的不斷深入，頁巖儲層主要立足于有機質(zhì)發(fā)育和脆性礦物組成評價。有機質(zhì)表征了儲層的生烴潛力，通常用TOC定量表征；脆性礦物組成表征了儲層的可改造性，通常由石英+長石含量和碳酸鹽礦物含量共同表達。對于孔隙空間致密的頁巖，有機質(zhì)排酸溶蝕儲層基質(zhì)礦物形成的溶蝕孔不易被識別，目前只能通過掃描電鏡偶爾觀察到，不作為頁巖主要儲集空間考慮。

因此，本文采用TOC含量+礦物組成的頁巖巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)（圖7），在威東地區(qū)目的層五峰組—龍一1亞段開展巖相劃分。首先，以TOC含量為一級分界，將TOC≥4%歸類為高碳頁巖相，TOC介于3%～4%的歸類為中碳頁巖相，TOC介于2%～3%的歸類為低碳頁巖相，TOC≤2%的歸類為特低碳頁巖相；其次，以黏土含量為二級標(biāo)準(zhǔn)，將黏土含量大于等于40%的劃分為富黏土巖相，將黏土含量小于40%的劃分為貧黏土巖相；最終，以石英+長石含量、碳酸鹽礦物含量和（石英+長石含量）/碳酸鹽礦物含量（RQC）3個指標(biāo)作為三級標(biāo)準(zhǔn)，劃分出硅質(zhì)、硅質(zhì)—碳酸鹽質(zhì)、碳酸鹽質(zhì)—硅質(zhì)、碳酸鹽質(zhì)巖相。根據(jù)以上劃分標(biāo)準(zhǔn)，在龍馬溪組底部劃分出15種主要頁巖巖相。

圖7 威東地區(qū)龍馬溪組巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)

中碳硅質(zhì)頁巖巖相和高碳硅質(zhì)頁巖巖相均為有利巖相，發(fā)育于深水還原環(huán)境，具有有機質(zhì)含量高、黏土礦物含量低、黃鐵礦發(fā)育、筆石化石豐富等特征?；赪ell 2、Well 3、Well 5、Well 8等4口評價井在龍馬溪組底部的巖心分析測試資料，SiO2的含量與TOC成正比（圖8），表明硅質(zhì)含量多來源于生物成因硅，且可見生物擾動和水平紋層。富有機質(zhì)保證了頁巖的生烴能力及含氣性，高有機硅含量有利于儲層的壓裂和改造。威東地區(qū)五峰組—龍一1亞段的巖相展布特征，有利硅質(zhì)巖相多位于龍馬溪組底部，呈由東南向西北逐漸減薄并尖滅的趨勢。其中，高碳、中碳硅質(zhì)頁巖巖相均發(fā)育于富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚和富有機質(zhì)泥棚段。

圖8 威東地區(qū)巖心實測SiO2含量與TOC的關(guān)系圖

4 儲層發(fā)育控制因素

龍馬溪組沉積早期，全球古氣候變暖，岡瓦納大陸冰蓋開始消融，造成海水體積大幅增加，四川盆地發(fā)生大規(guī)模海侵，龍馬溪組頁巖正形成于這種背景。貧氧滯留的深水沉積環(huán)境控制了泥頁巖的分布范圍、礦物組成、有機碳含量等特征，對頁巖氣儲層發(fā)育起到了主要控制作用。

4.1 沉積環(huán)境控制了頁巖的展布特征

巖心、元素、測井等資料表明，龍馬溪組底部富含有機質(zhì)的黑色、深灰色碳質(zhì)頁巖厚度范圍介于1～4 m，呈由西北向東南遠離剝蝕線方向逐漸增厚的趨勢。其縱、橫向分布范圍與基于U/Th＞1.25的參考指標(biāo)繪制的龍馬溪期早期深水強還原環(huán)境沉積厚度平面分布高度一致，表明富有機質(zhì)泥頁巖在空間展布上明顯受沉積相，即富有機質(zhì)泥棚微相、富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相的控制。

4.2 沉積環(huán)境控制了礦物組成

龍馬溪組底部黑灰色泥頁巖均為典型的海相水生有機質(zhì)富集，富含生物化石，可見同沉積形成的莓球狀黃鐵礦。發(fā)育的高碳硅質(zhì)頁巖巖相、中碳硅質(zhì)頁巖巖相，總有機碳含量平均值大于4.35%，硅質(zhì)含量普遍大于55%且多以生物成因硅為主。其分布范圍與深水強還原的富有機質(zhì)泥棚微相、富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相沉積范圍重疊。隨著沉積水體的逐漸變淺，巖石特征逐漸過渡為中碳、低碳的硅質(zhì)—碳酸鹽質(zhì)頁巖相，其特征是總有機碳含量降低，Al元素指標(biāo)升高，陸源沉積的陸源硅含量增加。頁巖巖性特征隨沉積相帶的變化而發(fā)生的改變，表明沉積環(huán)境對礦物組成起主要控制作用。

4.3 缺氧滯留的深水還原環(huán)境使有機質(zhì)富集

基于元素特征的古氧相分析表明，在龍馬溪期早期，快速大范圍的海侵造成水體嚴(yán)重缺氧，有利于有機質(zhì)的富集，最終形成一套典型的富有機質(zhì)黑色頁巖。在最大海泛面時期以后，沉積環(huán)境由早期的富有機質(zhì)泥棚微相、富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相轉(zhuǎn)變?yōu)楦挥袡C質(zhì)粉砂質(zhì)泥棚微相、深水粉砂質(zhì)泥棚微相，隨著水體富氧的增強而使得有機質(zhì)的保存條件逐漸變差，能賦存的有機質(zhì)含量也就隨之降低和減少。之后隨著海平面持續(xù)下降，沉積環(huán)境過渡為內(nèi)陸棚的淺水粉砂質(zhì)泥棚微相、淺水泥質(zhì)粉砂棚微相，形成龍馬溪組上部的貧有機質(zhì)頁巖段。

4.4 有機質(zhì)含量是影響頁巖氣儲層物性和含氣性的關(guān)鍵因素

有機質(zhì)是頁巖氣的物質(zhì)來源，熱成熟作用使有機質(zhì)在達到生烴門限后大量生烴[34]。有機質(zhì)生成烴后不僅產(chǎn)生高壓保護孔隙，并在生烴演化過程中形成有機孔，同時有機質(zhì)體積縮小會產(chǎn)生超微裂隙，有利于頁巖氣的保存；有機質(zhì)生烴過程產(chǎn)生大量的微孔隙和微裂縫讓更多的游離天然氣存儲于這些空間中，而有機碳含量越高，微孔的總體積就越大，則可供吸附氣吸附的表面積就越大，從而使得總含氣量增大[35-36]。據(jù)多口評價井的巖心分析化驗資料，TOC與總含氣量、孔隙度均有一定的正相關(guān)性（圖9）。

圖9 威東地區(qū)TOC含量與總含氣量、孔隙度交會圖

5 結(jié)論

1）基于古氧相特征、巖性特征和沉積標(biāo)志特征，結(jié)合前人的研究成果，在研究區(qū)五峰組—龍馬溪組共識別出6個沉積微相。其中富有機質(zhì)硅質(zhì)泥棚微相和富有機質(zhì)泥棚微相為控制優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層發(fā)育的最有利沉積微相。

2）威東地區(qū)龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)黑色碳質(zhì)頁巖的發(fā)育受沉積相帶控制，沉積中心位于研究區(qū)東南方，沉積厚度介于0～7.5 m，由東南向西北逐漸減薄至尖滅。儲層物性佳，總有機碳含量平均值為4.35%，脆性礦物含量平均值為64%，孔隙度平均值為5.65%，總含氣量平均值為4.67 m3/t，且越靠近沉積中心的方向，儲層物性參數(shù)越佳。

3）受大規(guī)?？焖俸Ｇ趾桶殡S著小幅度升降的持續(xù)海退的旋回影響，在龍馬溪組共識別出7個三級層序（SE2～SE8）。最具生烴潛力的黑色碳質(zhì)頁巖即發(fā)育在位于最大海泛面之下的海侵體系域（TST2）。隨著海平面的持續(xù)降低，深灰、灰黑色碳質(zhì)頁巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛?、淺灰色貧有機質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖，生烴潛力逐漸下降。

4）滯留貧氧的深水環(huán)境下形成了高碳硅質(zhì)頁巖相和中碳硅質(zhì)頁巖相，富含有機質(zhì)，生物成因硅和黃鐵礦發(fā)育，大量晶間孔和有機質(zhì)排烴后形成的有機孔為游離氣和吸附氣提供了良好的貯存空間。