川東南地區(qū)黑色頁(yè)巖中筆石特征對(duì)頁(yè)巖氣生儲(chǔ)影響的啟示

徐松XU Song；王世文WANG Shi-wen；楊江超YANG Jiang-chao

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

中國(guó)川東南地區(qū)五峰-龍馬溪組為典型黑色筆石頁(yè)巖[1]，該頁(yè)巖具高有機(jī)質(zhì)、孔裂隙發(fā)育較好以及高含量脆性礦物等特征，為優(yōu)質(zhì)烴源巖，十分利于頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)[2]。目前，五峰-龍馬溪組為四川盆地頁(yè)巖氣勘探的重點(diǎn)和主要建產(chǎn)層位，現(xiàn)已建成焦石壩、威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧-昭通3個(gè)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)[3]，具較好的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)潛力。五峰-龍馬溪組中含有豐富的筆石化石，其對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育特征具有一定的影響[4]，由于其演化迅速等特征，被用做尋找五峰-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)烴源巖的“黃金卡尺”[5]，具有十分重要的油氣地質(zhì)意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)筆石的研究主要集中在生物地層劃分，陳旭等運(yùn)用筆石生物地層學(xué)的方法，對(duì)揚(yáng)子地區(qū)五峰-龍馬溪組筆石進(jìn)行生物劃帶，以及對(duì)筆石頁(yè)巖在揚(yáng)子覆蓋區(qū)內(nèi)進(jìn)行劃分和圈定[6]。筆石在生物地層劃分、沉積環(huán)境、礦物組成、儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)及頁(yè)巖氣資源分布等方面有著重要作用[7]，但是，對(duì)于筆石對(duì)頁(yè)巖氣的生儲(chǔ)影響缺乏總結(jié)，本文基于前人研究進(jìn)展，通過(guò)川東南地區(qū)五峰-龍馬溪組筆石帶、筆石體化學(xué)組成，并結(jié)合實(shí)測(cè)頁(yè)巖孔隙數(shù)據(jù)，分析筆石發(fā)育特征對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙影響。

1 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)美國(guó)EIA調(diào)查數(shù)據(jù)，我國(guó)頁(yè)巖氣可采資源儲(chǔ)量為31.6萬(wàn)億立方米，居世界第一。頁(yè)巖氣作為國(guó)家戰(zhàn)略重要資源，我國(guó)對(duì)該資源開(kāi)展了前期勘探評(píng)價(jià)，全國(guó)頁(yè)巖氣資源調(diào)查結(jié)果表明：陸域頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量為134.42×1012m3，可采資源量為25.08×1012m3，其中，四川盆地五峰-龍馬溪組海相頁(yè)巖氣資源占比較大[8]，現(xiàn)目前主要?dú)馓飪?chǔ)量與產(chǎn)量如表1。五峰-龍馬溪組中頁(yè)巖氣資源量豐度，工業(yè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大，筆石作為該層系宏觀可識(shí)別主要生物化石，對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。

表1 四川盆地頁(yè)巖氣田五峰-龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)量與2020年產(chǎn)量

2 川東南地區(qū)筆石帶劃分

四川盆地廣泛沉積五峰-龍馬溪組黑色含筆石頁(yè)巖，由于其分布范圍廣、富含筆石，易于國(guó)內(nèi)外相應(yīng)地層進(jìn)行對(duì)比，該地層一直以來(lái)都是地層學(xué)和古生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[6]。川東南地區(qū)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探獲得了重大突破，可與同時(shí)期北非和中東主要油氣田熱頁(yè)巖層段和油氣產(chǎn)出進(jìn)行對(duì)比開(kāi)發(fā)研究[9-10]。學(xué)者們對(duì)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行筆石帶劃分，并對(duì)有利區(qū)塊進(jìn)行預(yù)測(cè)，現(xiàn)已劃分出6個(gè)頁(yè)巖氣有利區(qū)塊，其中四川盆地及周緣已建成涪陵、威榮、長(zhǎng)寧、昭通和永川等頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)[11]。

五峰-龍馬溪組中筆石絕大部分為正筆石目筆石，營(yíng)群體浮游生活，根據(jù)筆石種類(lèi)與生物相組合特征，陳旭等將五峰-龍馬溪組筆石頁(yè)巖自下而上劃分了13個(gè)筆石帶[6]。不同地區(qū)由于自然條件改變，筆石演化方式不同，筆石帶劃分略有不同，通過(guò)對(duì)比威遠(yuǎn)202井、寧211井和焦頁(yè)1井五峰-龍馬溪組筆石帶劃分可知，底部?jī)?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層筆石帶劃分較為集中，其中觀音橋?qū)釉诓煌瑓^(qū)域厚度略有變化[12-14]（圖1）。

五峰-龍馬溪組筆石帶的劃分利于國(guó)內(nèi)外相應(yīng)地層對(duì)比，且通過(guò)筆石深度分帶模式，推斷黔渝龍馬溪組連續(xù)沉積的筆石頁(yè)巖層段隨時(shí)間其沉積水深是不斷加深的過(guò)程[6]。陳旭等根據(jù)五峰-龍馬溪組筆石生物地層最新研究信息，提出五峰組的WF2-WF3和龍馬溪組的LM2-3到LM6下部是頁(yè)巖氣勘探的有利層位，目前已被中國(guó)石油、中國(guó)石化等公司采用[6]，為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供了有利依據(jù)。

3 筆石與有機(jī)質(zhì)富集關(guān)系

3.1 筆石成分組成

就目前而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)筆石成分組成上還存在著較大的爭(zhēng)議。在筆石早期的研究中認(rèn)為筆石體的主要組成是幾丁質(zhì)[15]，但國(guó)外學(xué)者Towe和Urbanek通過(guò)透射電子顯微鏡觀察到，筆石周皮結(jié)構(gòu)、組成方式與膠原蛋白相似，認(rèn)為其原始組分為膠原蛋白類(lèi)，非幾丁質(zhì)[16]。Bustin等使用紅外光譜觀察分析到筆石周皮由芳香族和脂肪結(jié)構(gòu)組成[17]，劉大錳等通過(guò)顯微傅里葉紅外光譜（Micro-FT-IR）和二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）分析發(fā)現(xiàn)，筆石體主要是由含O、N等雜原子基團(tuán)的高分子化合物的聚合物蛋白質(zhì)組成[18]。利用掃描電鏡對(duì)筆石體壁進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，其中還含有Fe、Si、Al、S、Mg、K等[19]。馬施民等對(duì)筆石體進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)筆石體的軸部C含量極高，接近100%，并認(rèn)為其具備生烴潛力[20]。通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果，筆石體主要成分可能是膠原蛋白類(lèi)高分子聚合物。

3.2 筆石有機(jī)質(zhì)特征與生烴能力

五峰-龍馬溪組底部，筆石絕大部分以炭質(zhì)薄膜保存，筆石體中有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)高于圍巖[21]，通過(guò)縱向統(tǒng)計(jì)筆石豐度與有機(jī)質(zhì)豐度變化，研究發(fā)現(xiàn)兩者變化規(guī)律基本一致，在五峰-龍馬溪組底部筆石與有機(jī)質(zhì)含量均較高，向上筆石豐度、有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，整體上兩者變化規(guī)律一致，但對(duì)于兩者是否為正相關(guān)關(guān)系，目前未得到統(tǒng)一證實(shí)[21]。此外，頁(yè)巖生烴能力受有機(jī)質(zhì)成熟控制，由于學(xué)者們對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)五峰-龍馬溪組黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化研究差異較大，導(dǎo)致結(jié)果較為離散，數(shù)據(jù)差異大，得不到有效的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，曹長(zhǎng)群等利用筆石表皮體的反射率來(lái)顯示五峰-龍馬溪組頁(yè)巖中有機(jī)的成熟度，研究結(jié)果顯示筆石反射率指示頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度效果較好，在區(qū)域分布上具更好的一致性[28]。

4 筆石孔隙發(fā)育特征與頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙關(guān)系

五峰-龍馬溪組中筆石以壓扁薄膜保存，少部分被黃鐵礦化，以半立體到立體保存，這兩種保存方式下的筆石體中發(fā)育許多孔隙[19]。在五峰-龍馬溪組底部中筆石豐度較高，分布方式主要有兩種：無(wú)序疊加式，筆石豐度較高，散亂疊加順層分布于頁(yè)巖層理面中；分散式分布，筆石豐度低，零散分布于頁(yè)巖層中[14]。根據(jù)陳旭等對(duì)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖筆石帶的劃分可知，有利層位中筆石豐度普遍較高[6]，對(duì)此，學(xué)者們開(kāi)始研究筆石體本身孔隙發(fā)育特征對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙的貢獻(xiàn)[22-23]。

4.1 筆石孔隙結(jié)構(gòu)特征

正筆石目筆石宏觀上主要由正胞管組成。筆石體始端為胎管，胎管主要由亞胎管與原胎管組成，原胎管向上，胞管從亞胎管出芽生成，接連生長(zhǎng)發(fā)育，最終形成筆石枝[24]。筆石死后沉積于地層中，軟體部分被分解，硬體部分在成巖過(guò)程中，保存下來(lái)并成為頁(yè)巖的一部分。

學(xué)者們使用透射電子顯微鏡、掃描電鏡等儀器對(duì)筆石顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)筆石體據(jù)外部紡錘層和外部皮質(zhì)層雙層結(jié)構(gòu)，皮質(zhì)層又由纖維組織與表皮組織組成，纖維組織結(jié)構(gòu)類(lèi)型較多[25]，這些纖維組織之間與內(nèi)部均可見(jiàn)納米級(jí)及以上孔隙[26]。此外，筆石體碎屑中發(fā)育較多孔隙，其中主要有有機(jī)質(zhì)孔[27]、蜂窩狀黃鐵礦物顆?？?、石英印模孔[28]及筆石體邊緣微裂縫[29]等。通過(guò)掃描電鏡可以觀察到筆石體中孔隙開(kāi)放性、連通性均較好，且邱振等對(duì)龍馬溪組中筆石體與圍巖微觀孔隙進(jìn)行提取對(duì)比發(fā)現(xiàn)，筆石體中發(fā)育大量微納米孔隙，與圍巖相比，筆石體中有機(jī)質(zhì)孔面孔率、孔徑均值均更大[23]，說(shuō)明筆石中孔隙是頁(yè)巖氣賦存重要場(chǎng)所。

4.2 筆石豐度與頁(yè)巖孔隙關(guān)系

為研究?jī)烧咧g的關(guān)系，本文通過(guò)實(shí)測(cè)巖心數(shù)據(jù)，縱向上選取龍馬溪組中含不同筆石豐度的頁(yè)巖，進(jìn)行孔隙定量分析，以確定兩者之間的關(guān)系。分析測(cè)試結(jié)果表明，含筆石頁(yè)巖樣品，孔隙度介于2.90%~5.03%，平均為4.25%，且底部孔隙度明顯較高。各段孔隙均有貢獻(xiàn)，其中宏孔體積介于0.0050~0.0108mL/g、介孔體積介于0.009~0.019mL/g、微孔體積介于0.0016~0.0034mL/g，通過(guò)對(duì)比分析與筆石豐度關(guān)系發(fā)現(xiàn)（圖2），兩者具有較好的正相關(guān)關(guān)系，其中以宏孔相關(guān)系數(shù)最大。通過(guò)縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，筆石豐度與各階段孔隙也具有較好的相關(guān)關(guān)系。

5 結(jié)論

川東南地區(qū)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)量巨大，筆石對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要指示意義。WF2-WF3、LM2-LM6黑色頁(yè)巖中筆石體有機(jī)質(zhì)含量高，且筆石豐度與有機(jī)質(zhì)豐度有較好正相關(guān)關(guān)系。筆石體中孔隙發(fā)育，且開(kāi)放性好，為頁(yè)巖氣儲(chǔ)存、運(yùn)移提供有利空間。但對(duì)于筆石對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙貢獻(xiàn)研究較少，有待深入和量化研究。此外，高筆石豐度頁(yè)巖層理面，力學(xué)性質(zhì)薄弱，極易碎裂，可從筆石與脆性礦物含量角度研究筆石與頁(yè)巖儲(chǔ)層關(guān)系，為后期優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層層段壓裂改造提供重要依據(jù)。