王濡岳，胡宗全，龍勝祥，杜 偉，吳 靖，鄔忠虎，聶海寬，王鵬威，孫川翔，趙建華

［1. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 102206；3. 中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室，北京 102206； 4. 山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266500；5. 貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025； 6. 中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266580］

頁巖油氣的異軍突起使非常規(guī)油氣在全球能源結構中的占比越來越大。以吸附態(tài)和游離態(tài)為主要賦存方式，源-儲一體的頁巖氣已成為全球油氣勘探開發(fā)的熱點。2009 年以來，四川盆地及其周緣頁巖氣勘探開發(fā)取得了豐碩的成果認識［1-14］，對中國非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)與能源結構的優(yōu)化意義深遠。四川盆地及其周緣上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖分布廣泛，頁巖氣累計探明地質(zhì)儲量已超過2×1012m3，2019年產(chǎn)量達154×108m3，已步入創(chuàng)新突破與快速發(fā)展階段。

作為非常規(guī)油氣儲層，受限于資料掌握程度、勘探認識深度與早期重視程度的不足，頁巖基礎研究不足的問題逐漸突顯。頁巖不同類型孔隙主體形成于不同成巖作用階段且成因類型多樣，沉積、構造和成巖演化對頁巖儲層演化、保存與埋深等均具有重要影響，決定了優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的時空分布。針對四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)研究，雖然已取得了大量成果認識，但仍存在以下幾方面不足：不同巖相、埋深、保存條件下頁巖儲集空間類型、特征及其差異性方面的研究仍較為薄弱；頁巖各類孔隙的形成-演化過程、源-儲演化協(xié)同性及影響因素有待深入分析；頁巖時空演化差異性及其對儲層發(fā)育特征、頁巖氣富集與保存的控制作用仍有待進一步明確。因此，查明頁巖儲層發(fā)育特征及其演化機制對頁巖氣勘探開發(fā)選區(qū)（層）評價與非常規(guī)油氣地質(zhì)理論的豐富完善具有重要參考借鑒意義。以礦物巖石學、有機地球化學、儲集空間、物性及含氣性特征等方面為切入點，本文系統(tǒng)分析探討了四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖儲層特征、演化機制及其對頁巖氣勘探開發(fā)的影響，以期為中國南方頁巖氣的勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地及其周緣地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖分布廣泛（圖1），巖相以硅質(zhì)頁巖、含灰硅質(zhì)頁巖和粘土質(zhì)頁巖為主，目前頁巖氣勘探開發(fā)的底部核心層段具有薄層、富炭、富硅、深水、低沉積速率等顯著特征［12］。四川盆地及其周緣地區(qū)經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山和喜馬拉雅等多期構造運動，其中燕山運動控制了其東、西構造的差異演化，對海相頁巖層系的分布、埋深與保存條件等產(chǎn)生了關鍵影響。中-新生代構造抬升存在“東西分帶、南北分塊、遞進變形”的特征［7］。齊岳山斷裂以西地區(qū)構造變形強度小、時期晚，頁巖分布區(qū)以超壓為主；齊岳山斷裂以東地區(qū)構造變形強度大、時期早，頁巖分布區(qū)以常壓為主，頁巖氣富集與保存條件更為復雜。

2 儲層發(fā)育特征

2.1 有機地球化學特征

五峰組-龍馬溪組頁巖在總有機碳（TOC）含量、有機質(zhì)類型及成熟度方面總體變化不大。TOC含量一般介于0.5%~6.0%，最高可達8.6%，有機質(zhì)豐度具有自下向上逐漸變低的特點。底部TOC含量大于2%的優(yōu)質(zhì)頁巖主要分布于川南、川東南、鄂西渝東和川東北地區(qū)（圖1）。川東地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度一般介于20 ~50 m，TOC含量均值介于3.3 % ~ 3.9 %；川南地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于40~60 m，TOC含量均值為2.6%；威遠地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于25~60 m，TOC含量均值介于2.6%~4.0%。干酪根碳同位素、有機巖石學和地球化學特征揭示有機質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ1混合型為主，低等浮游生物是主要的母質(zhì)來源。四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組頁巖雖然現(xiàn)今埋深差異較大，但有機質(zhì)成熟度（鏡質(zhì)體反射率Ro）差異較小，與現(xiàn)今埋深無明顯相關性，Ro集中分布在2.3 % ~ 3.1 %［12］，表明五峰組-龍馬溪組頁巖沉積后普遍經(jīng)歷了深埋與生烴過程。

圖1 四川盆地五峰組-龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)頁巖分布Fig.1 Distribution of high-quality shale at the bottom of the Wufeng-Longmaxi Formation in the Sichuan Basin

2.2 巖相和礦物組分特征

沉積格局的繼承與變化使五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖具有東西分帶、垂向分異的分布特征。五峰組沉積期，川南地區(qū)受古陸影響，巖相以粘土質(zhì)頁巖為主，川東地區(qū)以硅質(zhì)頁巖為主。龍馬溪組沉積期，在繼承性沉積格局基礎上硅質(zhì)頁巖段具有東厚西薄特征，川中地區(qū)以（含）灰質(zhì)硅質(zhì)頁巖與硅質(zhì)頁巖互層的組合特征為主。

四川盆地及其周緣不同區(qū)域五峰組沉積時期水體環(huán)境差異較大，頁巖的礦物組成也存在差異。川東地區(qū)五峰組石英含量普遍大于50%，粘土礦物含量普遍小于35%，碳酸鹽礦物含量小于10%，石英含量沿北東至南西方向逐漸降低；川南地區(qū)五峰組石英含量小于40%，碳酸鹽礦物含量大于16%，威遠和昭通地區(qū)碳酸鹽礦物含量普遍大于25%，碳酸鹽礦物含量沿北西至南東方向逐漸增加（圖2a）。龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)頁巖石英含量變化規(guī)律與五峰組具有一定相似性，大體具有自北東向南西逐漸降低的趨勢，但不同地區(qū)頁巖礦物組分差異程度低于五峰組頁巖（圖2）。川東地區(qū)石英含量普遍大于40%，川南地區(qū)北部威遠和南部昭通地區(qū)受川中與黔中古陸影響較大，碳酸鹽礦物含量較高，普遍大于20%，石英含量普遍小于35%（圖2b）。

圖2 四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖礦物組分特征Fig.2 Mineral composition characteristics of the high-quality Wufeng-Longmaxi shale in the Sichuan Basin and on its periphery

2.3 儲集空間發(fā)育特征

大量發(fā)育的有機質(zhì)孔隙是頁巖儲層區(qū)別于其他儲層的主要特征，也是五峰組-龍馬溪組頁巖最主要的儲集空間［10-12，15-17］。巖相和有機孔載體類型對有機孔的發(fā)育具有控制作用，固體瀝青相關的有機孔發(fā)育程度總體較高，是有機孔最主要的載體［10-12，15］，其內(nèi)部有機孔的分布較不均一，有機孔面孔率變化范圍較大。粘土質(zhì)頁巖壓實程度較強，礦物顆粒以線接觸和凹凸接觸為主，礦物殘余粒間孔尺度較小，其內(nèi)部有機孔發(fā)育程度較低（圖3a，d）；硅質(zhì)頁巖與（含）灰質(zhì)硅質(zhì)頁巖內(nèi)部隱晶-微晶質(zhì)生物石英含量高，與陸源碎屑構成抗壓實剛性格架，頁巖內(nèi)大尺度粒間孔（3 ~ 5 μm）發(fā)育程度高，有機質(zhì)充填，其內(nèi)部有機質(zhì)大孔發(fā)育程度最高（圖3b，c，e，f），同時此類大尺度粒間孔內(nèi)常見有機質(zhì)-粘土復合體，復合體內(nèi)有機孔發(fā)育程度也普遍較高（圖3f）。

圖3 四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組底部頁巖儲集空間微觀特征Fig.3 Microscopic characteristics of reservoir spaces at the bottom of the Wufeng-Longmaxi shale in the Sichuan Basin and on its periphery

頁巖巖相、有機地球化學和圖像識別孔徑參數(shù)結果表明，自上而下，頁巖TOC含量與有機孔數(shù)量均逐漸增加，巖相由粘土質(zhì)頁巖逐漸轉化為硅質(zhì)頁巖（圖4）；有機孔隙孔徑方面，底部硅質(zhì)頁巖有機孔平均孔徑總體較大，粘土質(zhì)頁巖有機質(zhì)孔隙分布范圍最廣、平均孔徑較大，而粉砂質(zhì)頁巖內(nèi)有機質(zhì)孔隙孔徑分布較窄，平均孔徑最小（圖4）。綜合上述分析，巖相、有機孔載體類型及其賦存方式對有機質(zhì)孔的發(fā)育具有重要控制作用，硅質(zhì)頁巖大尺度粒間孔（3 ~ 5 μm）發(fā)育程度高，以固體瀝青為主的有機孔載體大量充填，最利于有機質(zhì)大孔的發(fā)育（圖3e，圖3f，圖4）；粘土質(zhì)頁巖TOC含量與有機孔總量有所降低，但受有機質(zhì)-粘土復合體結構影響，有機質(zhì)大孔發(fā)育程度較高（圖3d，圖4）。

圖4 四川盆地JYB井五峰組-龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙孔徑縱向分布Fig.4 Vertical distribution of organic pore sizes of the Wufeng-Longmaxi shale in Well JYB，Sichuan Basin

3 優(yōu)質(zhì)儲層成因機制

3.1 生物硅鈣控格架

五峰組-龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)頁巖段硅質(zhì)含量較上部明顯增高，其來源主要為生物成因石英［1，18-19］。成巖過程中在溫度和壓力作用下，來源于海綿骨針和放射蟲等溶解度較高的非晶質(zhì)石英（蛋白石-A/蛋白石-CT）逐步轉化為溶解度低、結構穩(wěn)定的隱晶質(zhì)、微晶石英及粗晶石英［20-23］，大小普遍介于0.5～5.0 μm（圖5）。五峰組-龍馬溪組底部硅質(zhì)頁巖段內(nèi)硅質(zhì)條帶普遍發(fā)育，內(nèi)部富含放射蟲等硅質(zhì)生物，為隱晶質(zhì)生物石英的大量發(fā)育提供了物質(zhì)基礎（圖5a—c）。同時，優(yōu)質(zhì)頁巖段（TOC＞2 %）石英與TOC含量具有較好正相關性（圖6a），也反映出較高的生物石英含量［23-25］。生物石英在同生成巖階段已開始緩慢形成，并在早成巖階段早期大量生成，利于早期剛性格架的形成與原始孔隙的保存（圖5d）。

圖5 四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖主要剛性礦物微觀特征Fig.5 Microscopic characteristics of main rigid minerals at the bottom of the Wufeng-Longmaxi shale in the Sichuan Basin

川東地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖以硅質(zhì)頁巖為主，碳酸鹽礦物含量普遍低于10%。川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖沉積于鈣質(zhì)深水陸棚，碳酸鹽礦物含量較高，其含量與成因對頁巖儲層的形成與演化具有不可忽視的作用。五峰組-龍馬溪組頁巖中碳酸鹽礦物主要包括分散在基質(zhì)中的顆粒狀方解石/白云石和生物結構方解石（圖5e—h），以泥-粉晶為主，粒度多介于2～30 μm，白云石自形程度高，以自形-半自形為主；方解石自形程度低，以半自形為主。碳、氧同位素分析與礦物形態(tài)特征表明，川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖內(nèi)白云石主要是微生物成因，形成于同生-準同生成巖階段（圖5i），與莓狀黃鐵礦形成期接近，早于生物石英（圖5h）。川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖石英含量低于川東地區(qū)，其碳酸鹽礦物含量的增加對有機質(zhì)的富集具有分段式的相關關系，當碳酸鹽礦物含量小于20 %時，碳酸鹽礦物與TOC含量正相關，以鈣質(zhì)生物來源為主；當碳酸鹽礦物含量大于20%時，碳酸鹽礦物與TOC含量大體負相關（圖6b）。

圖6 四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖礦物含量與TOC關系Fig.6 Mineral vs.TOC content in the Wufeng-Longmaxi shale in the Sichuan Basin

同生-早成巖階段早期形成的生物石英、微生物白云石和黃鐵礦與陸源碎屑顆粒共同構成剛性支撐格架，對頁巖儲層原始孔隙保持和后期壓裂改造起先決性作用，因此總結概括為“生物硅鈣控格架”。

3.2 協(xié)同演化促生孔

根據(jù)礦物形成條件、形態(tài)、分布和成巖現(xiàn)象，明確了五峰組-龍馬溪組頁巖有機-無機協(xié)同特征（圖7—圖9）。①同生-早成巖階段生物硅鈣格架形成過程中的充填、膠結作用雖然使原始孔隙有所降低，但其較強的抗壓實性對頁巖原始孔隙的保存具有重要建設性作用（圖5d，圖7，圖9）。原始粒間孔的保存為生油期液態(tài)烴的充注與滯留提供了有利空間。如果缺乏早期剛性支撐格架，強壓實作用下富粘土質(zhì)頁巖殘留粒間孔的減少與閉合將導致有機質(zhì)的孤立分布和孔隙連通性的降低（圖9）。②中成巖早期（油窗）有機酸的產(chǎn)生和消耗、不穩(wěn)定礦物溶蝕/蝕變、粘土礦物轉化和干酪根生油具有同步性（圖7），長石、碳酸鹽等不穩(wěn)定礦物的溶蝕產(chǎn)生了額外的次生孔隙（圖8a—c），伊利石相對含量較高的頁巖樣品粘土礦物粒間孔、有機質(zhì)-粘土復合體及其內(nèi)部有機孔更為發(fā)育（圖8d—f），進一步為生油期液態(tài)烴的充注與滯留提供了有利空間。③中-晚成巖階段，干酪根和滯留烴裂解生氣、成孔和增壓促進了有機孔與（微）裂縫的發(fā)育（圖7，圖9），利于晚期頁巖氣的富集與高產(chǎn)［1，27-29］。自上至下，TOC含量及生物石英等剛性礦物含量逐漸增加，抗壓實能力不斷增強，頁巖巖相由粘土質(zhì)頁巖逐漸轉變?yōu)楣栀|(zhì)頁巖，遷移有機質(zhì)及其內(nèi)部連通性有機孔發(fā)育程度逐漸增加，頁巖儲層品質(zhì)逐漸變好（圖9）。

圖7 四川盆地五峰組-龍馬溪組頁成巖演化序列Fig.7 Diagenetic sequence of the Wufeng-Longmaxi shale in the Sichuan Basin

圖8 四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖礦物成巖演化特征及其對儲層物性的影響Fig.8 Mineral diagenetic evolution characteristics and their influence on the physical properties of the Wufeng-Longmaxi shale in the Sichuan Basin

圖9 四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組不同巖相頁巖儲層演化模式Fig.9 Evolutionary models of different lithofacies in the Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in the Sichuan Basin and on its periphery

3.3 壓力演化控保存

地層超壓是頁巖氣富集與高產(chǎn)的重要條件，也是反映保存條件的重要指標［5，7-8，30-33］。五峰組-龍馬溪組頁巖在構造抬升前的深埋階段普遍超壓［7，30］，川東地區(qū)古地層壓力系數(shù)介于1.7~2.2，現(xiàn)今地層壓力系數(shù)介于0.9~1.5，泄壓現(xiàn)象普遍、泄壓強度較大；盆內(nèi)地區(qū)現(xiàn)今地層壓力系數(shù)普遍介于1.6~2.1，與盆緣相比泄壓程度較低，保存條件相對較好，頁巖物性和含氣性與盆緣常壓地區(qū)也存在明顯差異。

五峰組-龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)頁巖物性與含氣性特征統(tǒng)計表明，川東和川南永川地區(qū)粘土質(zhì)頁巖孔隙度最高，硅質(zhì)頁巖物性總體較好，粉砂質(zhì)頁巖孔隙度最低（圖10），具有超壓、良好保存條件的地區(qū)頁巖上部粘土質(zhì)頁巖孔隙度與滲透率總體大于下部，具有輕微“上高下低”特征，利于上部粘土質(zhì)頁巖天然氣的短距離運移與匯聚，形成焦石壩地區(qū)上部氣層。與之相反，盆緣至盆外常壓地區(qū)頁巖物性則表現(xiàn)為“上低下高”特征，即下部硅質(zhì)頁巖孔隙度與滲透率均高于上部粘土質(zhì)頁巖（圖10），這種巖性與物性組合特征一定程度上利于粘土質(zhì)頁巖的物性封閉和盆外常壓區(qū)頁巖氣的保存。

壓力演化控制了規(guī)模性頁巖儲層的差異演化（圖9，圖10）。①未泄壓或弱泄壓條件下，硅質(zhì)頁巖、含灰硅質(zhì)頁巖與高應力敏感性富有機質(zhì)粘土質(zhì)頁巖均具有較好儲集性能，上部粉砂質(zhì)和貧有機質(zhì)粘土質(zhì)頁巖物質(zhì)基礎差、抗壓實能力弱、物性與含氣性較差；②顯著泄壓、致密化作用下，底部硅質(zhì)頁巖孔隙結構、物性與含氣性受泄壓影響較小，上部粘土質(zhì)和粉砂質(zhì)頁巖物性與含氣性降低顯著，逐漸演化為直接蓋層，“上低下高”的物性變化特征利于常壓頁巖氣的保存。

圖10 四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組頁巖物性與含氣性控制因素Fig.10 Factors controlling the physical and gas-bearing properties of the Wufeng-Longmaxi shale in the Sichuan Basin and on its periphery

4 結論

1）巖相、有機孔載體類型及其賦存方式對五峰組-龍馬溪組頁巖微觀儲集空間的發(fā)育具有重要控制作用，硅質(zhì)頁巖大尺度有機質(zhì)充填粒間孔（3~5 μm）發(fā)育程度高，最利于有機質(zhì)大孔發(fā)育；粘土質(zhì)頁巖受TOC含量和有機質(zhì)-粘土復合體結構影響，有機孔的孔徑分布范圍廣、平均孔徑大，但有機孔總量較小。

2）同生-早成巖階段早期形成的生物石英、微生物白云石和黃鐵礦等構成的剛性支撐格架利于原生孔隙的保存。中成巖階段早期，有機酸的產(chǎn)生和消耗、不穩(wěn)定礦物溶蝕、粘土礦物轉化和干酪根生油具有同步性，為生油期液態(tài)烴的充注與滯留提供了有利空間。中成巖晚期—晚成巖階段，干酪根和滯留烴裂解生氣、成孔和增壓促進了有機孔與微裂縫的發(fā)育。

3）超壓對壓實的緩解利于有機孔形態(tài)與頁巖物性的保持，對高應力敏感性粘土質(zhì)頁巖物性的保持影響顯著，對底部高脆性礦物頁巖段影響較低。盆內(nèi)弱泄壓條件下硅質(zhì)、含灰硅質(zhì)與富有機質(zhì)粘土質(zhì)頁巖均具備較好儲-滲性能；盆內(nèi)至盆緣構造改造與泄壓強度逐漸增大，底部硅質(zhì)頁巖物性變化不顯著，上部粘土質(zhì)頁巖物性降低顯著，封蓋作用增強，優(yōu)質(zhì)頁巖演變?yōu)閱我还栀|(zhì)頁巖巖相。

4）基于上述成果認識，提出“生物硅鈣控格架、協(xié)同演化促生孔、壓力演化控保存”的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層形成機理，在四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲層地質(zhì)評價研究中具有重要參考意義。與此同時，頁巖儲層構造-壓力與生烴-成巖演化耦合關系及其對頁巖儲集類型、頁巖氣富集與保存機制及勘探開發(fā)對策等方面影響尚不夠明確，值得進一步深入研究。

致謝：成文中，得到了中國石化江漢油田分公司、西南油氣分公司、華東油氣分公司和勘探分公司的協(xié)助和支持，在此表示衷心感謝！