胡月 ，陳雷 ，周昊 ，譚秀成 ，李雪松 3，，王文婧

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)研究分室，四川 成都 610500；3.天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；4.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051）

我國(guó)頁(yè)巖油氣勘探潛力巨大，目前在四川盆地、鄂爾多斯盆地等地區(qū)取得巨大突破。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有大面積連續(xù)分布、紋層及層理普遍發(fā)育等特點(diǎn)。紋層是沉積巖中肉眼可識(shí)別的最小沉積層［1］，單層厚度不超過(guò)10 mm。四川盆地海相頁(yè)巖分布廣泛，沉積厚度穩(wěn)定，紋層作為頁(yè)巖最富特色的沉積構(gòu)造，廣泛發(fā)育于龍馬溪組海相頁(yè)巖中。幾十年前，國(guó)外學(xué)者注意到了頁(yè)巖紋層，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)研究［2］。近年來(lái)，隨著頁(yè)巖氣勘探的不斷深入，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始認(rèn)識(shí)到紋層在頁(yè)巖儲(chǔ)層形成、頁(yè)巖氣富集等方面具有重要作用［1-5］。紋層發(fā)育特征直接導(dǎo)致頁(yè)巖非均質(zhì)性的變化，并進(jìn)一步對(duì)頁(yè)巖生烴能力、頁(yè)巖儲(chǔ)層物性以及頁(yè)巖含氣性等產(chǎn)生影響［3-8］，但目前對(duì)于海相頁(yè)巖紋層特征及其對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育的具體影響研究較少［9］。四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組和志留系龍馬溪組是我國(guó)頁(yè)巖氣勘探的主要目標(biāo)層位［10］，本文以四川盆地南部長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組為例，對(duì)海相紋層發(fā)育特征進(jìn)行了研究，以揭示紋層對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育的影響作用，為頁(yè)巖氣的勘探與開(kāi)發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)處于四川盆地川南低陡褶皺帶的長(zhǎng)寧地區(qū)（見(jiàn)圖1）。自震旦紀(jì)以來(lái)，四川盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)［11］，是上揚(yáng)子地臺(tái)的克拉通盆地。晚奧陶世—早志留世期，由于東南部華夏板塊匯聚，揚(yáng)子地臺(tái)南緣發(fā)生抬升，北部被動(dòng)大陸邊緣向華北板塊俯沖，秦嶺洋開(kāi)始收縮，由于高度擠壓，導(dǎo)致?lián)P子地臺(tái)形成了“三隆圍一坳”的沉積格局。大部分中上揚(yáng)子海域?yàn)榈湍堋⑷毖醯陌肷钏钏懪锍练e環(huán)境及筆石等生物繁盛的局限海盆，導(dǎo)致了富含有機(jī)質(zhì)和生物硅質(zhì)鈣質(zhì)、分布廣泛、厚度穩(wěn)定的五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖的形成［12-13］。

圖1 研究區(qū)位置示意

研究區(qū)主要發(fā)育五峰組（O3w）和下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l）2 套頁(yè)巖，二者整合接觸［14］。 根據(jù)古生物特征、沉積特征、巖性及構(gòu)造特征將研究層段S1l1劃分為2個(gè)亞段（S1l11，S1l12），S1l11亞段又被劃分為 4 個(gè)小層（S1l11-1，S1l11-2，S1l11-3，S1l11-4）。 其中：S1l11-1小層發(fā)育灰黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，筆石體積分?jǐn)?shù)在50%～60%，形態(tài)粗大完整；S1l11-2小層以灰黑色碳質(zhì)頁(yè)巖為主，塊狀構(gòu)造，筆石發(fā)育，體積分?jǐn)?shù)在10%～50%，個(gè)體粗大，散亂分布；S1l11-3小層發(fā)育灰黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，塊狀構(gòu)造，筆石不發(fā)育，個(gè)體大小不一；S1l11-4小層發(fā)育灰黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，塊狀構(gòu)造，筆石不發(fā)育，向上泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加；S1l12小層發(fā)育深灰色頁(yè)巖，紋層發(fā)育，單層厚度在1～2 mm，見(jiàn)少量筆石，散亂分布（見(jiàn)圖2）。

圖2 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

2 分析方法

為了明確海相頁(yè)巖紋層發(fā)育特征及其對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的影響，本次研究對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)X井龍馬溪組進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，采樣間距為0.9～1.2 m，并進(jìn)行了巖石薄片分析、總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）測(cè)定、含氣量測(cè)試、全巖X衍射測(cè)定和物性分析等研究工作。1）在偏光顯微鏡下觀察薄片，進(jìn)行全尺度照相，圖像采集完成后，用Adobe photoshop無(wú)縫拼接，圖像拼接完成后，利用偏光顯微鏡與SEM圖像綜合分析顆粒組成，區(qū)分紋層類型，并測(cè)量紋層厚度，統(tǒng)計(jì)出單位厚度的各類紋層層數(shù)，作為紋層發(fā)育頻次，進(jìn)行紋層特征精細(xì)研究（包括紋層及紋層組合的關(guān)鍵屬性及其他發(fā)育特征［15］）；2）根據(jù)全巖X衍射的定量識(shí)別和肉眼觀察的定性識(shí)別結(jié)果來(lái)劃分紋層類型，全巖X衍射測(cè)定是確定巖石礦物組成的常用方法［16］，將巖石樣品研磨至粒徑小于40 μm的粉末，制作樣片，測(cè)試得到礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見(jiàn)圖2）；3）利用CS230碳硫分析儀測(cè)試了樣品的TOC，用稀鹽酸除去巖石樣品粉末中的無(wú)機(jī)碳組分，使得樣品中的有機(jī)碳全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳，然后經(jīng)紅外光譜器檢測(cè)得到樣品的TOC。

3 紋層發(fā)育特征

3.1 紋層類型

長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組取心井段的頁(yè)巖巖心呈灰黑色，頁(yè)理發(fā)育，部分層段可見(jiàn)大量筆石雜亂分布，筆者通過(guò)大量薄片鏡下觀察，根據(jù)礦物類型對(duì)紋層類型進(jìn)行劃分，認(rèn)為研究區(qū)主要發(fā)育石英紋層、黏土紋層、有機(jī)質(zhì)紋層和黃鐵礦紋層等4種類型（見(jiàn)圖3）。

3.1.1 石英紋層

石英紋層為淺黃色、白色和灰白色（見(jiàn)圖3a），呈次棱角狀—次圓形，分選較差（見(jiàn)圖3b），與黑色黏土紋層有明顯差異。主要成分為石英、斜長(zhǎng)石，少量方解石。石英紋層構(gòu)造主要呈水平連續(xù)狀，少量呈斷續(xù)、波狀，縱向上多呈平行或亞平行，紋層界面清晰，其顆粒粒徑小于0.1 mm，紋層厚度在0.05～2.50 mm，局部可見(jiàn)順層微裂縫。石英紋層主要發(fā)育在S1l12亞段，隨著深度增大，其發(fā)育頻次減弱。

圖3 X井龍馬溪組頁(yè)巖紋層發(fā)育特征

3.1.2 黏土紋層

黏土紋層為褐色、灰色，顏色較深（見(jiàn)圖3c），主要成分為黏土礦物。黏土礦物主要為伊利石（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%），含少量綠泥石。黏土紋層構(gòu)造主要呈水平連續(xù)狀，少量呈斷續(xù)、波狀；縱向上多呈平行或亞平行狀，紋層界面不清晰，逐漸過(guò)渡或者邊界參差不齊。紋層厚度介于0.10～5.00 mm，局部發(fā)育順層微裂縫，在整個(gè)研究層段發(fā)育相對(duì)穩(wěn)定。

3.1.3 有機(jī)質(zhì)紋層

有機(jī)質(zhì)紋層為黑色，紋層邊界明顯，且以突變?yōu)橹?，常與黏土紋層伴生（見(jiàn)圖3d）。與黏土紋層的主要區(qū)別是，有機(jī)質(zhì)紋層中偶見(jiàn)有機(jī)物質(zhì)的絲狀體，在正交光下顏色最深。有機(jī)質(zhì)紋層構(gòu)造主要呈水平連續(xù)，少量呈斷續(xù)、波狀，縱向上多呈平行或亞平行。紋層厚度在0.10～3.50 mm，整個(gè)層段可見(jiàn)有機(jī)質(zhì)紋層，部分紋層受生物擾動(dòng)影響，紋層不明顯（見(jiàn)圖3e）。

3.1.4 黃鐵礦紋層

黃鐵礦紋層呈黑色，由不規(guī)則狀、他形、草莓狀的黃鐵礦顆粒局部富集形成（見(jiàn)圖3f）。薄片樣品中黃鐵礦紋層發(fā)育頻次極低。

3.2 紋層組合

紋層組合是成因或者成分相似的紋層集合，與紋層一樣，其連續(xù)性、形狀和幾何形態(tài)對(duì)恢復(fù)古環(huán)境和確定物源方向有重要作用。紋層組合的形成一般與水流作用、波浪作用、氣候等因素有關(guān)［17］。X井研究層段發(fā)育石英紋層-黏土紋層、黏土紋層-有機(jī)質(zhì)紋層和石英紋層-有機(jī)質(zhì)紋層3種組合類型（見(jiàn)圖4）。

3.3 紋層組合樣式

3.3.1 石英紋層-黏土紋層

該組合呈亮暗紋層相間（見(jiàn)圖4a），有密集型和稀疏型。其中：密集型表現(xiàn)為厚度相似的石英紋層與黏土紋層互層，明暗相間；稀疏型表現(xiàn)為石英紋層與黏土紋層厚度相差較大，明暗反差大，界線清晰。這類組合發(fā)育頻次較高，主要發(fā)育在S1l12亞段中。

3.3.2 石英紋層-有機(jī)質(zhì)紋層

該組合呈亮暗紋相間，與石英紋層-黏土紋層組合不同的是明暗反差極大，石英紋層顏色淺，有機(jī)質(zhì)紋層顏色為黑色，二者界限清晰（見(jiàn)圖4b）。有機(jī)質(zhì)紋層通常與黏土紋層伴生，主要以水平、連續(xù)狀發(fā)育。這類組合發(fā)育頻次較低。

3.3.3 黏土紋層-有機(jī)質(zhì)紋層

黏土紋層與有機(jī)質(zhì)紋層常伴生，二者都為暗色紋層，黏土紋層顏色較有機(jī)質(zhì)紋層淺，有機(jī)質(zhì)附于黏土紋層中。厚層黏土紋層與有機(jī)質(zhì)紋層組合明暗反差較強(qiáng)、界線明顯，薄層黏土紋層與有機(jī)質(zhì)紋層明暗反差較弱、界線模糊（見(jiàn)圖4c）。此類組合發(fā)育頻次較高，主要呈水平、連續(xù)狀，發(fā)育在S1l11亞段中。

圖4 長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組X井頁(yè)巖紋層組合發(fā)育特征

3.4 紋層縱向分布

據(jù)統(tǒng)計(jì)，X井 S1l11—S1l12亞段地層厚度為 68.33 m，3種紋層都發(fā)育。

由表1、圖5可以看出：縱向上3種紋層的發(fā)育具有明顯非均質(zhì)性，隨深度變淺，有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育頻次呈向上減少的趨勢(shì)，石英紋層發(fā)育頻次呈向上增加的趨勢(shì)，黏土紋層在整個(gè)研究層段分布穩(wěn)定。其中：S1l12亞段石英紋層最為發(fā)育，平均發(fā)育頻次為7.96層/cm，最高可達(dá)12.00層/cm，有機(jī)質(zhì)紋層欠發(fā)育，平均發(fā)育頻次為3.40層/cm；S1l11亞段黏土紋層最發(fā)育，平均發(fā)育頻次為5.42層/cm，而石英紋層與有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育程度較低，平均頻次為4.20層/cm左右。

結(jié)合TOC、孔隙度、含氣量等分析測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表1），可以得出：S1l12亞段TOC小于1.50%，孔隙度小于4.00%，含氣量低于 2.00 mL/g；而S1l11亞段的TOC、孔隙度、含氣量均明顯高于S1l12亞段，S1l11亞段可作為良好的儲(chǔ)層。

表1 紋層富集的頁(yè)巖儲(chǔ)層參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 紋層發(fā)育對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的影響

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，紋層發(fā)育對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性、儲(chǔ)集性能等均有影響［18］，分布于紋層之間的微裂縫或者層理面不僅能夠有效溝通頁(yè)巖儲(chǔ)層中無(wú)機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)孔等，而且能為油氣水平運(yùn)移提供通道［19］。儲(chǔ)層物性較好的層段大致與有機(jī)質(zhì)紋層富集的層位相對(duì)應(yīng)（如S1l11-2—S1l11-3小層）（見(jiàn)圖5）。由圖6可知：石英紋層與TOC趨勢(shì)線呈現(xiàn)倒C形，石英紋層發(fā)育或欠發(fā)育的情況下，TOC均較低（見(jiàn)圖6a），石英紋層發(fā)育適中（6層/cm）時(shí)，儲(chǔ)層才較發(fā)育；TOC與有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育頻次有明顯的正相關(guān)性（見(jiàn)圖6b），與黏土紋層發(fā)育頻次具有負(fù)相關(guān)性（見(jiàn)圖6c）。測(cè)試結(jié)果顯示，研究層段的含氣量、孔隙度的變化與TOC的變化趨勢(shì)相似，故含氣量、孔隙度與各類紋層之間的相關(guān)性與上述結(jié)果相同。

石英紋層對(duì)儲(chǔ)層物性的影響具有兩面性，主要表現(xiàn)為：石英紋層發(fā)育在水體不穩(wěn)定的沉積環(huán)境中，其發(fā)育特征代表了沉積速率與水動(dòng)力的變化，這種情況下不利于有機(jī)質(zhì)的富集與保存［9］。另外，紋層中石英等碎屑顆粒可作為相對(duì)剛性格架，增強(qiáng)頁(yè)巖的抗壓實(shí)能力，有利于頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔隙的保存。X井石英紋層最富集的層段為S1l12亞段，由于沉積環(huán)境具較強(qiáng)、變化頻繁的水動(dòng)力，陸源物質(zhì)供給充分，不利于有機(jī)質(zhì)的保存和有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育，導(dǎo)致頁(yè)巖孔隙度、TOC和含氣量都低（見(jiàn)圖5）。另外，部分S1l11-3—S1l11-4小層的石英紋層不發(fā)育，主要是由于陸源輸入增加而稀釋有機(jī)質(zhì)，沉積環(huán)境為弱還原—次氧化環(huán)境，不利于有機(jī)質(zhì)保存，導(dǎo)致儲(chǔ)層不發(fā)育。S1l11小層的石英紋層適當(dāng)發(fā)育時(shí)（2～6層/cm），沉積水動(dòng)力條件較穩(wěn)定，沉積水體多處于還原環(huán)境。另外，在其內(nèi)部保留了早成巖—中成巖時(shí)期的部分孔隙，可以為外源有機(jī)質(zhì)提供充足的儲(chǔ)集空間；隨著充填于孔隙之間的有機(jī)質(zhì)成熟度的增加，可以產(chǎn)生大量的有機(jī)質(zhì)孔隙，為頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存創(chuàng)造更大的儲(chǔ)集空間。因此，TOC、含氣量及孔隙度等都要高于石英紋層發(fā)育或欠發(fā)育的層段，TOC與石英紋層的線性關(guān)系呈倒C形（見(jiàn)圖6a）。

圖5 X井龍馬溪組紋層發(fā)育特征

晚奧陶紀(jì)末赫南特大冰期后的上揚(yáng)子海域極度缺氧，至中志留統(tǒng)研究區(qū)一直處于一個(gè)大的海退期，在較深海域形成了龍馬溪組底部的黑色頁(yè)巖，在極度缺乏其他物質(zhì)沉淀的條件下，藻類大量死亡后分解出的有機(jī)質(zhì)緩慢沉淀，形成有機(jī)質(zhì)紋層。黏土紋層是物源季節(jié)性向沉積盆地進(jìn)積的產(chǎn)物，黏土礦物沉積以后形成黏土紋層，受生物擾動(dòng)影響明顯，使得儲(chǔ)層連通性增強(qiáng)。有機(jī)質(zhì)內(nèi)發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，TOC在很大程度上控制了有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育程度，所以TOC與有機(jī)質(zhì)孔隙度呈正相關(guān)性。X井有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育的層段TOC較高，TOC越高，其生氣能力越強(qiáng)，與之伴生的孔隙越發(fā)育，相對(duì)應(yīng)的含氣量也越高（見(jiàn)表1）。所以TOC與有機(jī)質(zhì)紋層的發(fā)育頻次具有明顯的正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖6b）。

圖6 各類紋層發(fā)育頻次與TOC的關(guān)系

X井龍馬溪組受陸源碎屑輸入影響較大［20］。龍馬溪組底部水體較深，受陸源輸入影響小；龍馬溪組上部沉積水體變淺，受陸源輸入影響增大。另外，陸源輸入的石英與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈耦合關(guān)系。由于有機(jī)質(zhì)的發(fā)育受控于沉積環(huán)境，缺氧深水環(huán)境更有利于有機(jī)質(zhì)的保存，深水陸棚沉積環(huán)境中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，陸源碎屑的輸入對(duì)有機(jī)質(zhì)影響較小，所以龍馬溪組底部有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)少。垂向上，龍馬溪組向上沉積水體變淺，隨著沉積時(shí)期陸源碎屑供給逐漸增加，古水動(dòng)力增強(qiáng)，水體含氧量增加（見(jiàn)圖2），陸源碎屑的輸入加上水體環(huán)境的變化，不利于有機(jī)質(zhì)的沉積與保存，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。因此，S1l11—S1l12亞段，隨深度的變淺，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。黏土紋層的發(fā)育頻次與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)性，TOC呈向上減小趨勢(shì)，所以TOC與黏土紋層的發(fā)育頻次具有負(fù)相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖6c）。

5 結(jié)論

1）X井龍馬溪組主要發(fā)育石英紋層、黏土紋層、有機(jī)質(zhì)紋層、黃鐵礦紋層等4種類型，另外，還發(fā)育石英紋層-黏土紋層、黏土紋層-有機(jī)質(zhì)紋層和石英紋層-有機(jī)質(zhì)紋層3種組合類型。

2）縱向上，3種紋層發(fā)育頻次、厚度具有明顯的非均質(zhì)性。從S1l11至S1l12亞段，有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育頻次呈降低的趨勢(shì)，石英紋層發(fā)育頻次變化趨勢(shì)相反，黏土紋層發(fā)育頻次在整個(gè)研究層段相對(duì)穩(wěn)定。

3）儲(chǔ)層物性、含氣量與有機(jī)質(zhì)紋層呈正相關(guān)性，與黏土紋層呈負(fù)相關(guān)性；與石英紋層呈復(fù)雜相關(guān)，只有石英紋層發(fā)育適中，才對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育有利，石英紋層發(fā)育和欠發(fā)育對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育均不利。

4）S1l11亞段有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育，且石英紋層發(fā)育適中，使得TOC較高、孔隙度相對(duì)較大，相應(yīng)的含氣量也高，可以作為良好的儲(chǔ)層。因此，明確紋層發(fā)育特征對(duì)儲(chǔ)層的影響作用，對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。