周昊 ，陳雷 ，李雪松 ，陳鑫 ，王文婧 ，楊莉 ，郭鳴黎

（1.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610051；2.西南石油大學地球科學與技術(shù)學院，四川 成都 610500；3.中國石油天然氣集團有限公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室西南石油大學研究分室，四川 成都 610500；4.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206）

0 引言

中國頁巖氣資源豐富［1］，在四川盆地及其周緣龍馬溪組海相頁巖勘探中獲得了有目共睹的成就［2］。四川盆地下古生界五峰組—龍馬溪組下部富有機質(zhì)海相黑色頁巖，具有地質(zhì)條件良好［3］、有機質(zhì)豐度高、厚度大、含氣量高、分布廣、埋深適中、脆性礦物質(zhì)量分數(shù)高（一般大于44.5%）等特點［4］，是我國頁巖氣勘探開發(fā)的最有利層系［1，4］。經(jīng)過近 15 a 的頁巖氣勘探開發(fā)，目前已在威遠、涪陵、長寧-昭通、威榮等地發(fā)現(xiàn)了超過千億立方米的龍馬溪組頁巖氣田［5］，以及瀘州、東溪-丁山、敘永、巫溪等諸多重要勘探潛力區(qū)［6］。截止到2019年底，我國頁巖氣資源已探明地質(zhì)儲量約為1.8×1012m3。2019年全國頁巖氣產(chǎn)量約為 154×108m3，為全球第二大頁巖氣產(chǎn)區(qū)［7］。

前人研究表明：五峰組和龍馬溪組海相頁巖儲層特征在垂向上差異顯著［4］，頁巖氣主要富集在五峰組（O3w）—龍馬溪組一段1亞段（S1l11）富有機質(zhì)頁巖層段，厚度一般為10～60 m［8］。前期普遍將五峰組與龍馬溪組頁巖作為一個整體進行研究，但是奧陶紀和志留紀之交的廣西運動、生物滅絕、海平面變化，以及赫南特階的全球冰蓋事件，造成五峰組與龍馬溪組沉積時的構(gòu)造背景、沉積環(huán)境等均有所差異［9-10］，這也必然導致五峰組與龍馬溪組沉積的頁巖儲層特征具有差異性。但是對于五峰組和龍一1亞段頁巖儲層是否存在差異以及存在何種差異鮮有報道。隨著頁巖氣的勘探開發(fā)，對于頁巖儲層的研究也需要更加細致?；诖耍疚膶﹂L寧地區(qū)五峰組和龍馬溪組頁巖儲層進行了細致的對比分析和研究，以期為長寧地區(qū)頁巖氣的高效勘探開發(fā)提供一定的指導。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

奧陶紀和志留紀之交，受揚子地塊與華夏古陸之間的板塊匯聚、擠壓作用影響，川中隆起、樂山隆起、黔中古隆起、雪峰山隆起等一系列古隆起陸續(xù)形成，使得四川盆地形成受古隆起分割局限的盆地格局［11］。受古隆起圍限，四川盆地及其周緣沉積了一套廣泛分布的富有機質(zhì)黑色頁巖［12］。其中，川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖厚度大，分布廣，橫向展布穩(wěn)定，埋深適中（1 500～3 500 m），成熟度高，優(yōu)質(zhì)頁巖段有機碳質(zhì)量分數(shù)較高（TOC≥3%），是四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)的有利區(qū)域之一［13］。

長寧頁巖氣勘探區(qū)塊大地構(gòu)造位于四川盆地川南低陡褶皺帶（見圖1），研究區(qū)構(gòu)造主體位于長寧單箱形、長軸背斜構(gòu)造帶。長寧背斜主體構(gòu)造的軸部為NWW—SEE向，西自高縣以南，東至敘永縣，消失于敘永構(gòu)造之中；背斜兩翼不對稱，北翼及東端陡，南翼及西端緩（40°～60°），呈現(xiàn)出東寬西窄的形態(tài)，軸部出露的地層為下奧陶統(tǒng)，龍馬溪組地層被剝蝕殆盡（見圖2）；背斜內(nèi)次級褶皺和斷裂發(fā)育，斷裂走向大多為NE—NNW向和NW—NNW向，以逆斷層為主［14］。

圖1 長寧地區(qū)構(gòu)造位置

圖2 研究區(qū)龍馬溪組埋深情況

2 儲層差異性對比

2.1 地層發(fā)育特征

川南長寧地區(qū)五峰組厚幾米到十幾米不等，下部以黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖為主，富含筆石，頂部主要為泥質(zhì)灰?guī)r、介殼灰?guī)r（觀音橋段）。龍馬溪組一段主要發(fā)育黑色碳質(zhì)頁巖和黑色鈣質(zhì)頁巖，含豐富的筆石和有機質(zhì)［15-16］（見圖3）。結(jié)合前人研究成果，本次研究將龍一段劃分為2個亞段：龍一2亞段以粉砂質(zhì)頁巖為主；龍一1亞段為優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育層段，主要發(fā)育黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖，局部發(fā)育鈣質(zhì)頁巖，富含筆石，局部裂縫發(fā)育，厚度在20～35 m（見圖3）。S1l11亞段可進一步劃分為4個小層［17］：S1l11-1小層發(fā)育碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖，以高 TOC、高含氣量和高自然伽馬（均值250～260 API）為特征，厚度不大，一般介于1～4 m；S1l11-2小層多發(fā)育碳質(zhì)頁巖，TOC和含氣量分布穩(wěn)定，低于S1l11-1和S1l11-3小層，自然伽馬呈低平的箱形特征 （均值170～190 API），厚度一般介于4～12 m；S1l11-3小層發(fā)育碳質(zhì)頁巖或硅質(zhì)頁巖，高聲波時差，低密度，自然伽馬均值在210 API左右，厚度多介于2～10 m；S1l11-4小層以頁巖、粉砂質(zhì)頁巖為主，TOC和含氣量較低，自然伽馬呈低平的箱形特征，均值160 API左右，厚度較大，介于10～20 m。

圖3 長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

2.2 礦物組分特征

2.2.1 礦物組分

全巖X衍射分析結(jié)果表明：五峰組與龍一1亞段頁巖礦物種類一致，主要為石英、長石（斜長石為主，局部含正長石）、黏土礦物、碳酸鹽礦物（方解石和白云石）、黃鐵礦等（見表1）。由表1可知，五峰組與龍一1亞段頁巖礦物雖然種類一致，但礦物質(zhì)量分數(shù)存在很大差異。前者碳酸鹽礦物質(zhì)量分數(shù)遠遠高于后者，而后者硅質(zhì)礦物質(zhì)量分數(shù)遠遠高于前者，尤其是石英礦物質(zhì)量分數(shù)差異較大，長石質(zhì)量分數(shù)相差不大，黏土礦物和黃鐵礦質(zhì)量分數(shù)相近。這說明五峰組頁巖礦物組分偏碳酸鹽礦物，龍一1亞段頁巖偏硅質(zhì)礦物（見圖4），可能與兩者沉積環(huán)境差異有關(guān)。

表1 長寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁巖礦物組分質(zhì)量分數(shù)

圖4 長寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁巖礦物組分三角圖

2.2.2 脆性特征

礦物組分特征的差異直接決定了頁巖脆性的差異。頁巖脆性指數(shù)越高，則壓裂后儲層造縫能力越強，越容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，越有利于頁巖氣的勘探開發(fā)［18］。國內(nèi)外學者對頁巖的脆性評價方法有很多，但是沒有一個統(tǒng)一的標準［15，19］。海相頁巖中不同礦物的彈性模量和彈性參數(shù)不同。研究發(fā)現(xiàn)，鉀長石、斜長石和方解石雖然彈性模量高于黏土礦物，但泊松比也比黏土礦物高，均大于0.3，脆性并不是很理想［20］。而石英、白云石和黃鐵礦均有高彈性模量和低泊松比的特征，是典型的脆性礦物。因此，本文頁巖脆性指數(shù)的計算模型為

式中：BI為巖石脆性指數(shù)，%；wq，wd，wp分別為石英、白云石、黃鐵礦的質(zhì)量分數(shù)；wt為全巖礦物質(zhì)量分數(shù)。

計算發(fā)現(xiàn)，長寧地區(qū)五峰組頁巖脆性指數(shù)均值為45.32%，龍一1亞段脆性指數(shù)均值為56.74%。龍一1亞段頁巖脆性指數(shù)明顯高于五峰組頁巖，更有利于后期壓裂改造。

2.3 儲層含氣性

長寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁巖TOC和含氣量結(jié)果表明：龍一1亞段頁巖含氣量略低于五峰組（見表2）；五峰組頁巖大部分TOC≥2%（占比72%），而龍一1亞段頁巖TOC主要在2%～4%（占比49%）（見圖5）。測試數(shù)據(jù)顯示：龍一1亞段頁巖TOC比五峰組垂向變化幅度更大，非均質(zhì)性更強。

表2 五峰組與龍一1亞段頁巖TOC和含氣量

圖5 長寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁巖TOC分布

2.4 儲層儲集性

2.4.1 孔隙度和含水飽和度

龍一1亞段121個頁巖樣品和五峰組20個頁巖樣品的孔隙度和含水飽和度結(jié)果顯示，五峰組頁巖孔隙度和含水飽和度總體低于龍一1亞段（見表3）。

表3 五峰組與龍一1亞段頁巖孔隙度和含水飽和度

2.4.2 儲集空間

以N216井為例。長寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁巖儲層孔隙類型基本一致，以有機質(zhì)孔為主，其次發(fā)育礦物溶蝕孔、草莓狀黃鐵礦晶間有機質(zhì)孔、成巖收縮縫、黏土礦物層間孔等（見圖6）。五峰組頁巖有機質(zhì)孔多呈長條狀、扁平狀，孔徑多集中在100 nm，少部分孔隙較大，可達幾百納米；龍一1亞段頁巖有機質(zhì)孔多呈圓柱狀、橢圓狀，孔徑多集中在幾百納米，明顯與五峰組有機質(zhì)孔隙形狀不同，且孔徑較大（見圖7）。

圖6 N216井龍一1亞段頁巖孔隙類型

圖7 N216井五峰組與龍一1亞段頁巖有機質(zhì)孔發(fā)育特征

3 儲層差異性分析

上揚子地區(qū)五峰組沉積期為強滯留海盆，龍馬溪組沉積期屬于半滯留海盆［21］。長寧地區(qū)五峰組頁巖沉積水體中下部處于強滯留還原環(huán)境，在奧陶紀末期發(fā)生一次大規(guī)模海平面下降事件［22］，使得五峰組上部觀音橋段演變?yōu)樨氀酢趸练e環(huán)境；龍馬溪組早期發(fā)生大規(guī)模的全球海侵事件，龍一1亞段多處于半滯留缺氧還原的沉積環(huán)境（見圖8）。

圖8 長寧地區(qū)五峰組與龍一1亞段頁巖Mo-U協(xié)變圖（據(jù) Tribovillard［23］，2006 修改）

圖8中綠色虛線表示海水中Mo與U的濃度比值（SW=7.9），其余3條藍色虛線分別表示Mo與U的濃度比值是海水的0.1，0.3，3.0倍；粉色區(qū)域代表金屬顆粒載體作用下的Mo-U協(xié)變模式，藍色區(qū)域代表正常開放海洋環(huán)境中的Mo-U協(xié)變模式。

滯留還原的沉積環(huán)境有利于有機質(zhì)的發(fā)育［23］，這是五峰組頁巖TOC略大于龍一1亞段的原因。

五峰組沉積期水體局限，康滇古陸附近受陸源碎屑的影響更強，導致碳酸鹽礦物較多；尤其五峰組頂部觀音橋段沉積期受冰期事件影響，海平面下降，水體變淺，沉積環(huán)境由南到北為潮緣帶碳酸鹽巖沉積向陸棚帶泥巖過渡，在陸架沉積背景下，正常浪基面與風暴浪基面之間發(fā)育風暴搬運的異地生物碎屑灰質(zhì)泥巖［24］。龍馬溪組沉積期，冰蓋快速融化導致水體迅速加深，使得沉積水體開闊［24］，水體局限程度降低。龍一1亞段受陸源碎屑影響較小，硅質(zhì)礦物石英發(fā)育，而碳酸鹽礦物不如石英穩(wěn)定，在后期容易被成巖作用改造，儲層抗壓實能力降低，不利于孔隙的保存。隨埋深的不斷增加，五峰組有機質(zhì)孔隙被壓實坍塌，孔徑較小，而龍一1亞段硅質(zhì)礦物豐富，物質(zhì)組成穩(wěn)定，有利于有機質(zhì)孔隙的保存。這也是五峰組頁巖TOC和含氣量略高于龍一1亞段，但孔隙度略低于龍一1亞段的原因。

4 結(jié)論

1）五峰組與龍一1亞段頁巖礦物種類基本一致，但組分占比存在很大差異，尤其是碳酸鹽礦物和石英，其他組分相差不大。其中，五峰組頁巖碳酸鹽礦物組分中的方解石和白云石質(zhì)量分數(shù)都遠遠大于龍一1亞段，而龍一1亞段頁巖石英礦物質(zhì)量分數(shù)遠遠大于五峰組。五峰組與龍一1亞段頁巖礦物組分特征的較大差異性，導致兩者的脆性指數(shù)也相差較大。研究發(fā)現(xiàn)，龍一1亞段頁巖脆性指數(shù)明顯高于五峰組，更有利于后期壓裂改造。

2）總體上，五峰組頁巖的TOC略高于龍一1亞段，但后者TOC比前者垂向變化幅度更大，非均質(zhì)性更強，二者含氣量相差不大。

3）雖然五峰組與龍一1亞段頁巖儲層的孔隙類型基本一致，以有機質(zhì)孔為主，但兩者孔隙發(fā)育特征不同。五峰組頁巖有機質(zhì)孔多呈長條、扁平狀，孔徑較?。积堃?亞段頁巖有機質(zhì)孔多呈圓柱、橢圓狀，孔徑較大。五峰組頁巖孔隙度總體上小于龍一1亞段。

4）長寧地區(qū)五峰組多處于強滯留還原環(huán)境，而龍一1亞段多處于半滯留缺氧還原環(huán)境。沉積環(huán)境的不同，最終導致了兩者儲層存在一定差異?？傮w上，龍一1亞段頁巖儲層優(yōu)于五峰組，更有利于頁巖氣的勘探開發(fā)。