巖相角度的五峰組頁巖小尺度沉積構(gòu)造系統(tǒng)分類與解析
——兼論對深層頁巖精細(xì)評價的影響

張妍煜，趙迪斐，郭英海,3，魏 源，康維旗，焦偉偉，張治波,3

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 人工智能研究院，江蘇 徐州 221116；3. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；4. 重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401120)

0 引言

在傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭，碳中和壓力增加的背景下, 我國儲量豐富的頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)能源成為替代傳統(tǒng)化石能源的現(xiàn)實選擇[1]。近年來我國頁巖氣的研究及勘探開發(fā)取得了豐碩成果, 但也面臨中淺層資源開發(fā)速度過快等問題。深層頁巖資源成為接續(xù)頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵[2-4]。深層頁巖勘探開發(fā)受制約因素多, 深地條件下頁巖氣物性、含氣性影響因素及程度發(fā)生變化, 小尺度非均質(zhì)性顯著, 中淺層勘探開發(fā)積累的評價因素經(jīng)驗適用性不強，亟待針對深層頁巖氣儲層特征開展精細(xì)認(rèn)知，以科學(xué)指導(dǎo)深層頁巖儲層的精準(zhǔn)勘探開發(fā)[5-6]。

沉積構(gòu)造對于頁巖氣儲層評價及工程效果的重要意義越來越得到重視。研究表明, 頁巖紋層等沉積構(gòu)造是在沉積環(huán)境因素控制下形成的、影響頁巖系統(tǒng)儲層有效性評價的關(guān)鍵因素之一。在頁巖漫長的地質(zhì)演化過程中, 沉積構(gòu)造與儲層成巖作用過程中的物質(zhì)組分協(xié)同演化, 通過影響物質(zhì)分異、空間分布控制了儲層微觀儲集空間的分布、連通性及其他物理性質(zhì), 進(jìn)而影響了頁巖儲層的力學(xué)結(jié)構(gòu)、物性、含氣性以及氣體滲流釋放能力[7-10]。但由于頁巖小尺度沉積構(gòu)造的復(fù)雜性高, 對宏觀沉積構(gòu)造的籠統(tǒng)描述或巖相分類, 在應(yīng)用時難以表征出儲層在小尺度組合及結(jié)構(gòu)上的差異。該文以川南地區(qū)渝西大足區(qū)塊的深層五峰組頁巖儲層為例，通過巖石宏-微觀觀測、礦物成因與來源分析、儲層力學(xué)特征研究等手段, 結(jié)合礦物來源、比例及空間分布等特征，精細(xì)分析頁巖儲層小尺度沉積構(gòu)造的類型、特征和結(jié)構(gòu), 為深層頁巖精細(xì)表征與精準(zhǔn)勘探提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究樣品與背景

研究區(qū)位于四川盆地川南地區(qū)渝西大足區(qū)塊, 大地構(gòu)造上處于川中平緩構(gòu)造帶與川南低陡構(gòu)造帶的交界地區(qū), 是我國深層頁巖氣資源勘探與開發(fā)的重要先行地區(qū)[11]。渝西地區(qū)在大地構(gòu)造上呈現(xiàn)出鼻狀背斜間寬緩向斜的特征, 大足區(qū)塊處于渝西地區(qū)北部, 在大地構(gòu)造上處于川中平緩構(gòu)造帶及川南低陡構(gòu)造帶2個構(gòu)造帶的交界地區(qū)。在研究區(qū)內(nèi), 五峰組(O3w)—龍馬溪組(S1l)頁巖儲層構(gòu)成主要的頁巖氣勘探目標(biāo)層系, 二者在研究區(qū)內(nèi)為連續(xù)沉積, 沉積環(huán)境屬于陸棚相環(huán)境, 埋深大于或接近3 500 m, 屬于深層-近深層頁巖儲層。

五峰組在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布, 厚度為6.5～8.8 m, 上覆于臨湘組(O3l)泥質(zhì)灰?guī)r, 下伏于龍馬溪組底部的黑色碳質(zhì)-硅質(zhì)富筆石頁巖儲層，頂部發(fā)育有不足1 m厚度的觀音橋段(Guanyinqiao Bed)含介殼灰質(zhì)泥巖或泥質(zhì)灰?guī)r。研究區(qū)五峰組巖性主要包括灰黑色-黑色富筆石碳質(zhì)頁巖、灰黑色-黑色碳質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥頁巖或含放射蟲硅質(zhì)頁巖, 揭露化石主要包括奧陶紀(jì)凱迪階—特列奇階筆石化石, 如Dicellograputus complexus, Tangyagraptus typicus等, 在觀音橋段見赫南特貝等冷水動物群化石。

五峰組研究樣本選取自大足區(qū)塊內(nèi)的Z-2井、Z-3井和Z-5井, 其中Z-2井大地構(gòu)造位置處于川中平緩構(gòu)造帶, Z-3井和Z-5井位于川南低陡構(gòu)造帶，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)及鉆孔取樣位置Fig.1 Study area and sampling location

選取的3口井中，Z-2井五峰組厚度最小，約為6.4 m，五峰組底深約3 899 m；Z-3井五峰組埋深最大，厚度約為8.7 m，五峰組底深約4 111.6 m；Z-5井五峰組厚度約為8.9 m，底深約為3 359.5 m。在巖心編錄的基礎(chǔ)上，選取各鉆孔五峰組不同層段的代表性樣品進(jìn)行巖石薄片觀測、礦物來源元素測井?dāng)?shù)據(jù)處理和物質(zhì)組分分異特征分析，系統(tǒng)研究頁巖儲層物質(zhì)組分分異以及沉積構(gòu)造發(fā)育特征，總結(jié)儲層在物質(zhì)組分分布與結(jié)構(gòu)上的小尺度非均質(zhì)性特征，結(jié)合礦物來源與成因分析，開展五峰組深層頁巖儲層沉積構(gòu)造的分類與特征總結(jié)研究[2]。

2 儲層沉積構(gòu)造發(fā)育特征

2.1 宏觀巖石學(xué)特征

研究區(qū)鉆孔樣品的宏觀觀測顯示，五峰組頁巖整體塊度較好，巖石較為致密，宏觀尺度非均質(zhì)性表象較弱，難以反映沉積構(gòu)造的精細(xì)差異。五峰組底部—中部一般發(fā)育粉砂質(zhì)頁巖，下伏臨湘組頂部常為一層含灰質(zhì)化石的泥巖沉積，以研究區(qū)Z-3井為例，五峰組底部頁巖層面筆石相對較少，含少量粉砂質(zhì)(如圖2a所示)，部分層面富集黃鐵礦，有的呈結(jié)核、團粒狀(如圖2b和圖2c所示)，中下部粉砂質(zhì)頁巖層面筆石富集程度輕微增加，部分層段見有沿層理方向發(fā)育的方解石脈或擦痕、階步等沿沉積層理面發(fā)育的構(gòu)造現(xiàn)象(如圖2d和圖2e所示)，五峰組頁巖儲層巖性主要是碳質(zhì)-硅質(zhì)頁巖，層面筆石化石極為富集(如圖2f所示)。Z-2井、Z-5井在宏觀上同樣呈現(xiàn)了巖石致密、顏色較深的巖石學(xué)特征，反映了有機質(zhì)含量較為豐富的特點，所包含的巖性差異不大，但構(gòu)造現(xiàn)象、微觀變化趨勢不一致。

圖2 Z-3井五峰組頁巖儲層宏觀特征Fig.2 Macroscopic characteristics of Wufeng Formation shale reservoir in well Z-3

2.2 顯微沉積構(gòu)造特征

針對Z-3井五峰組頁巖儲層，選取了17塊代表性樣品進(jìn)行巖石薄片觀測以及物質(zhì)組分分異特征的分析，如圖3所示。結(jié)果表明，五峰組雖然宏觀均質(zhì)性較強，但在微觀尺度下顯示了豐富的物質(zhì)組分分異特征以及強烈的非均質(zhì)性。圖3a所示為下伏臨湘組頂部的含灰質(zhì)化石泥巖沉積典型微觀特征，貧有機質(zhì)；五峰組底部灰黑色粉砂質(zhì)頁巖有機質(zhì)含量相對較低，見有黃鐵礦晶體交待原有礦物填充發(fā)育，不連續(xù)泥質(zhì)紋層發(fā)育于粉砂質(zhì)基質(zhì)(如圖3b所示)，向上泥質(zhì)紋層發(fā)育程度增高，泥質(zhì)紋層的連續(xù)性變好，見有硅質(zhì)同沉積結(jié)核等特殊沉積現(xiàn)象發(fā)育(如圖3c所示)；至五峰組下部，頁巖有機質(zhì)含量顯著增高，沉積物粒度變化呈現(xiàn)差異顯著，例如，在4 109.65 m深度處，微觀沉積構(gòu)造不顯著，礦物定向性不明顯，但巖石粒度分選差，而在4 108.73 m深度處，則出現(xiàn)了顯著的富有機質(zhì)紋層沉積構(gòu)造，表示儲層物質(zhì)來源受陸源碎屑影響較為顯著(如圖3d-e所示)。五峰組中部4 107.72 m處，顯微觀察顯示儲層微觀物相以及結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大差異，儲層巖性對應(yīng)放射蟲硅質(zhì)頁巖，放射蟲多為有機質(zhì)浸染，具圈層，有機質(zhì)含量較高(如圖3f所示)；五峰組上部頁巖巖石粒度分選變好，粒度變細(xì)，有機質(zhì)含量較高(如圖3g和圖3h-i所示)，在部分層段出現(xiàn)了富自生硅質(zhì)集合體-有機質(zhì)的顯微物相組合(如圖3g所示)，屬于可以發(fā)育優(yōu)質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)兼具良好力學(xué)脆性的優(yōu)質(zhì)儲層類型[8,12]。同樣的，對Z-2井、Z-5井五峰組頁巖儲層展開巖石薄片分析，結(jié)果表明，根據(jù)五峰組頁巖儲層的物質(zhì)組分、物質(zhì)分異、空間分布等特征，除五峰組下伏的臨湘組頂部穩(wěn)定發(fā)育含灰質(zhì)化石的貧有機質(zhì)泥巖外，五峰組頁巖中的沉積構(gòu)造可以劃分為貧有機質(zhì)非連續(xù)泥質(zhì)紋層、貧有機質(zhì)連續(xù)發(fā)育泥質(zhì)紋層、富有機質(zhì)粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層、集聚放射蟲硅質(zhì)層、富自生硅質(zhì)集合體條帶、細(xì)粒硅質(zhì)水平層理等不同類型。總的來說，Z-3井五峰組頁巖儲層小尺度沉積構(gòu)造主要為水平層理及粉砂質(zhì)紋層等沉積構(gòu)造，這2類沉積構(gòu)造在微觀上主要反應(yīng)為巖性的頻繁變化，主要由砂質(zhì)、粉砂質(zhì)成分及微體化石及自生礦物等成分的不均勻發(fā)育造成。

圖3 研究區(qū)五峰組頁巖儲層微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Microstructure characteristics of shale reservoir of Wufeng Formation in the study area

2.3 五峰組頁巖礦物來源層段性差異

基于五峰組頁巖元素地球化學(xué)測井信息，對五峰組頁巖礦物來源進(jìn)行表征。深層頁巖勘探的一個要點是尋找壓裂效果更好的儲層，在深地條件下，壓裂縫延伸距離受到地層高壓等因素的影響而明顯比中淺層儲層差，以石英為主的脆性礦物含量是影響深層頁巖力學(xué)脆性的關(guān)鍵因素[12-13]。主微量元素地化參數(shù)可以用于判定石英的生物源成因，通過Si/Al比值可以建立圖版，進(jìn)行石英礦物來源的區(qū)分與評價。以Z-3鉆孔為例，Si/Al比值評價結(jié)果顯示，五峰組Si/Al比值數(shù)值波動較為顯著，整體上樣品點分布較為分散，說明五峰組樣品受到了生物源硅質(zhì)與陸源碎屑的共同影響。根據(jù)頁巖儲層石英礦物來源的差異，可以將五峰組頁巖劃分為8個小層，如圖4所示，小層(1)與下伏臨湘組鄰接，受到方解石沉積、演化的影響；小層(2)受到的影響逐漸減弱，陸源石英相對增多；小層(3)水體水動力條件減弱，受生物源石英影響程度增加；小層(4)水動力條件顯著增強，頁巖中陸源石英顯著增多；小層(5)中生物源石英含量增多，陸源石英含量迅速降低，說明該層段內(nèi)水動力條件被限制，靜度可能較高；小層(6)中陸源石英再次略微增加；小層(7)生物硅質(zhì)含量拉高至30%以上；小層(8)出現(xiàn)顯著的過量硅現(xiàn)象[12]，受生物源石英含量顯著增多的影響，儲層石英含量最高。

圖4 基于五峰組石英礦物來源的小層劃分Fig.4 Fine division of Wufeng Formation in well Z-3based on genetic difference of quartz

結(jié)合對頁巖儲層沉積構(gòu)造研究，具有不同礦物來源與成因的精細(xì)小層與沉積構(gòu)造差異可以較好地匹配：小層(1)鄰接下伏臨湘組，主要發(fā)育貧有機質(zhì)非連續(xù)泥質(zhì)紋層、貧有機質(zhì)連續(xù)發(fā)育泥質(zhì)紋層等沉積構(gòu)造；小層(2)～小層(4)反映了水動力條件以及陸源碎屑輸入的變化，主要發(fā)育富有機質(zhì)粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層沉積構(gòu)造；小層(5)生物源石英含量增多，見有集聚放射蟲硅質(zhì)層等沉積構(gòu)造，與細(xì)粒頁巖儲層間層分布，受到靜水沉積以及古氣候、古地理條件的影響[14-16]；小層(6)～小層(8)生物源硅質(zhì)顯著增多，主要發(fā)育富自生硅質(zhì)集合體條帶、細(xì)粒硅質(zhì)水平層理等以細(xì)粒、富硅質(zhì)-有機質(zhì)物相為特點的沉積構(gòu)造類型。

3 討論

3.1 五峰組小尺度沉積構(gòu)造發(fā)育特征

根據(jù)對研究區(qū)內(nèi)Z-2井、Z-3井、Z-5井等鉆孔五峰組頁巖儲層巖石學(xué)特征、礦物來源及組合、空間分布、物質(zhì)分異的綜合分析, 結(jié)合水動力條件以及有機質(zhì)含量等信息, 對五峰組小尺度沉積構(gòu)造發(fā)育類型進(jìn)行系統(tǒng)分類, 用于建立評價指標(biāo), 服務(wù)儲層優(yōu)選。研究區(qū)五峰組小尺度沉積構(gòu)造系統(tǒng)分類及特征如表1所示, 依據(jù)沉積構(gòu)造類型及關(guān)鍵特征, 將五峰組常見小尺度沉積構(gòu)造劃分為10個類型, 包含4類粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層、3類富硅質(zhì)沉積構(gòu)造和3類組合類型。粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層沉積構(gòu)造發(fā)育的層段水動力條件一般相對較強，石英含量常低于60%，有機質(zhì)含量波動或相對較低[7, 17]。3類富硅質(zhì)沉積構(gòu)造包括集聚放射蟲硅質(zhì)條帶、富自生硅質(zhì)集合體條帶以及細(xì)粒硅質(zhì)水平層理，放射蟲硅質(zhì)條帶可以觀測到顯著的生物化石特征，富自生硅質(zhì)集合體條帶具有變化的石英硅質(zhì)集合體和更粗的粒度，細(xì)粒硅質(zhì)水平層理可以觀察到水平層理結(jié)構(gòu)。這2類富硅質(zhì)沉積構(gòu)造中有機質(zhì)含量一般較高，水動力條件相對較弱，石英含量一般高于60%。除7類紋層類以及富硅質(zhì)沉積構(gòu)造外，儲層最多見的沉積構(gòu)造實際上是這些小尺度沉積構(gòu)造的組合類型，紋層組合類型是粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層的組合，屬于相對較強水動力條件下波動形成的小尺度沉積構(gòu)造，石英及有機質(zhì)含量波動起伏；水平層理-硅質(zhì)條帶組合是富硅質(zhì)沉積構(gòu)造的組合類型，屬于相對較弱水動力條件下的波動，石英含量一般相對較高；富硅質(zhì)沉積構(gòu)造-紋層組合是粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層與富硅質(zhì)沉積構(gòu)造的微互層，形成于強弱交替的水動力條件，石英及有機質(zhì)含量波動。需要注意的是，分類方案中的水動力條件，特指地層沉積環(huán)境下的相對水動力強弱[18]。

表1 研究區(qū)五峰組小尺度沉積構(gòu)造系統(tǒng)分類及特征

3.2 基于精細(xì)沉積構(gòu)造特征的儲層優(yōu)選

小尺度沉積構(gòu)造既可以反映沉積時的水動力條件，也與儲層物質(zhì)組分特征、空間分布、物質(zhì)分異特點等具有相關(guān)性。例如富硅質(zhì)沉積構(gòu)造類型一般粒度細(xì)小、石英含量豐富，對于深層頁巖可以起到抗壓?？椎淖饔茫欣趦?yōu)質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)頁巖儲層的發(fā)育，同時，其所對應(yīng)的沉積環(huán)境一般為相對靜水沉積環(huán)境，有利于有機質(zhì)的富集與沉積，從而使富硅質(zhì)沉積構(gòu)造發(fā)育層段兼具良好的孔隙發(fā)育特征和力學(xué)脆性特征；而粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層以及紋層組合發(fā)育層段，粒度相對較粗且在微觀尺度物質(zhì)分異顯著，具有極強的微觀非均質(zhì)性，黏土礦物含量相對較高，導(dǎo)致頁巖儲層在深層條件演化中抵抗高壓應(yīng)力的能力減弱，不利于孔隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育。以Z-3井為例，小層(5)～小層(8)具有豐富的生物源硅質(zhì)來源石英，同時，該層段內(nèi)還是火山源蒙脫石等礦物較為富集的層段，這樣的礦物來源特點，有利于在頁巖儲層成巖作用過程中形成過量硅，成為具有異常高硅質(zhì)特點+富有機質(zhì)的優(yōu)質(zhì)儲層層段[12]。

不同的沉積構(gòu)造具有顯著不同的微觀物質(zhì)組分以及組合特征，基于深層頁巖儲層優(yōu)選勘探對精細(xì)評價的需要，小尺度沉積構(gòu)造特征應(yīng)當(dāng)納入頁巖儲層精細(xì)優(yōu)選方案的影響因素中，并作為一項可以綜合礦物組分、來源、微結(jié)構(gòu)與非均質(zhì)性的關(guān)鍵指標(biāo)。

4 結(jié)論

1)五峰組頁巖儲層巖性主要為碳質(zhì)-硅質(zhì)頁巖，其整體巖石學(xué)特征較為致密，塊度較好，宏觀均質(zhì)性較強。五峰組頁巖在微觀尺度下展現(xiàn)了較強的物質(zhì)分異及非均質(zhì)性，小尺度沉積構(gòu)造特征變化顯著。

2)基于五峰組頁巖元素的地球化學(xué)測井信息，表明了五峰組頁巖礦物來源的層段性沉積構(gòu)造差異。對根據(jù)頁巖儲層中石英礦物的來源差異劃分的8個小層進(jìn)行的研究表明，影響五峰組礦物來源的主要因素是陸源碎屑和生物源硅質(zhì)。

3)依據(jù)頁巖的物質(zhì)組分、分異和空間分布特征，將五峰組常見的小尺度沉積構(gòu)造劃分為貧有機質(zhì)非連續(xù)泥質(zhì)紋層、貧有機質(zhì)連續(xù)發(fā)育泥質(zhì)紋層、貧有機質(zhì)粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層、含/富有機質(zhì)粉砂質(zhì)-泥質(zhì)紋層、集聚放射蟲硅質(zhì)條帶、富自生硅質(zhì)集合體條帶、細(xì)粒硅質(zhì)水平層理、紋層組合類型、水平層理-硅質(zhì)條帶組合類型以及富硅質(zhì)沉積構(gòu)造-紋層組合10個典型類型。

4)小尺度沉積構(gòu)造反映了沉積時的水動力條件和儲層的物質(zhì)組分、分異和空間分布特點。對小尺度沉積構(gòu)造的解析可得到的礦物來源、組分、成因等認(rèn)識，是深層頁巖儲層優(yōu)選的關(guān)鍵指標(biāo)，應(yīng)作為深層頁巖儲層精細(xì)優(yōu)選的科學(xué)依據(jù)。