川南威榮頁巖氣田五峰組—龍馬溪組頁巖沉積相特征及其意義

熊 亮

(中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041)

頁巖氣是指賦存于以富有機質(zhì)泥頁巖為主的儲集巖系中，以游離或吸附狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1-3]。近幾年來，隨著我國對頁巖氣勘探開發(fā)的深入，在頁巖氣富集帶尋找“甜點”已成為勘探的關(guān)鍵。研究表明，頁巖氣“甜點”與頁巖沉積微相直接相關(guān)[4-8]。本文基于川南典型頁巖氣井巖心觀察描述、成烴生物識別、實驗測試數(shù)據(jù)和測錄井資料，劃分了川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖沉積微相，研究了不同沉積微相的含氣性特征及其富集機理，以期為該區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)構(gòu)造上位于川中隆起低緩區(qū)白馬鎮(zhèn)向斜(圖1)，北鄰?fù)h(yuǎn)構(gòu)造、東南部緊鄰自流井背斜，總體受威遠(yuǎn)大型穹窿背斜的控制和制約[9-12]；經(jīng)歷了多期、多旋回構(gòu)造沉積演化(桐灣運動、加里東運動、東吳運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動)，構(gòu)造形變較為復(fù)雜[9-10]。

威榮頁巖氣田自上而下地層依次為侏羅系遂寧組、沙溪廟組、新田溝組、自流井組，三疊系須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組，二疊系長興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組，志留系韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組(S1l)，奧陶系五峰組(O3w)、臨湘組、寶塔組，缺失石炭系、泥盆系。其中志留系由中統(tǒng)及下統(tǒng)組成，缺失上統(tǒng)，下志留統(tǒng)龍馬溪組與下伏上奧陶統(tǒng)五峰組整合接觸，上志留統(tǒng)韓家店組與上覆下二疊統(tǒng)梁山組平行不整合接觸。

2 頁巖沉積相及微相特征

2.1 沉積相特征

沉積相判別、沉積相類型劃分一般建立在沉積相標(biāo)志的基礎(chǔ)之上，沉積相標(biāo)志包括沉積巖的顏色、巖性、結(jié)構(gòu)、成分、構(gòu)造、生物組合和層序等特征[13-19]，通過對這些標(biāo)志的研究可以判別沉積物形成時所處的沉積環(huán)境[17-19]。

威榮頁巖氣田五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)泥頁巖厚80～90 m，是頁巖氣勘探的主要目標(biāo)層系。五峰組下段發(fā)育灰黑色含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖，局部層段夾薄層或條帶狀鉀質(zhì)斑脫巖；上段為灰黑—黑色含生屑含碳灰質(zhì)泥巖。龍馬溪組巖性以灰黑色、黑色碳質(zhì)筆石頁巖、碳質(zhì)放射蟲筆石頁巖為主。龍馬溪組下部黑色碳質(zhì)頁巖發(fā)育豐富的筆石化石，有機質(zhì)豐富，區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定；向上砂質(zhì)含量增多，漸變?yōu)榛揖G色頁巖夾粉砂質(zhì)條帶、深灰色泥巖，自下而上構(gòu)成變粗沉積序列。

依據(jù)巖相組合、古生物、地球化學(xué)、測井等資料分析，該區(qū)五峰組—龍馬溪組整體為陸棚相，與焦石壩地區(qū)相似[19-20]，可分為兩類沉積亞相，即深水陸棚亞相和淺水陸棚亞相。龍二段及龍三段為貧有機質(zhì)的灰色泥頁巖的淺水陸棚沉積，總有機碳含量(TOC)小于1%，筆石少見。五峰組—龍一段為富含有機質(zhì)的暗色頁巖的深水陸棚相沉積，TOC大于1%，筆石大量發(fā)育。根據(jù)巖性、電性、筆石帶分布規(guī)律、總有機碳變化以及含氣性等特征，五峰組—龍一段在亞段劃分的基礎(chǔ)上再細(xì)分為9個層，其中下部的①～④號層又進(jìn)一步細(xì)分為7個小層(表1)。

2.2 沉積微相類型

頁巖的粒度分類和礦物成分分類是2種不同成因類型的分類方案[21-22]。本文主要根據(jù)頁巖礦物成分、有機質(zhì)豐度、測井特征(自然伽馬曲線、電阻率曲線等)和紋層類型相結(jié)合的方法對各類沉積微相進(jìn)行劃分。威榮頁巖氣田五峰組—龍一段由下至上可將深水陸棚亞相劃分為6類沉積微相：黏土質(zhì)硅質(zhì)、富硅生物、硅質(zhì)黏土質(zhì)、鈣質(zhì)黏土質(zhì)、含鈣富黏土和富黏土深水陸棚微相(表1和圖2)。而焦石壩地區(qū)主要為深水砂泥質(zhì)陸棚、深水混積陸棚、深水硅泥質(zhì)陸棚和深水泥質(zhì)陸棚4種沉積微相[7]。

圖1 川南威榮頁巖氣田構(gòu)造位置據(jù)馬新華等[12]修改。

地層組段層小層沉積相相亞相微相特征及標(biāo)志龍馬溪組五峰組龍三段龍二段龍一段⑨⑧⑦⑥⑤④③②①433323121211陸棚淺水陸棚深水陸棚 富黏土深水陸棚微相 含鈣富黏土深水陸棚微相 鈣質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相 硅質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相 富硅生物深水陸棚微相 黏土質(zhì)硅質(zhì)深水陸棚微相 TOC含量為0.67%～1.83%,平均1.12%;粗紋層,黑色頁巖夾1～3 cm灰色頁巖薄層,偶見螺旋筆石 TOC含量為1.79%～3.68%,平均2.52%;粗紋層,見少量螺旋筆石 TOC含量為2.95%～5.17%,平均3.79%;粗紋層,見少量螺旋筆石 TOC含量為3.53%～4.29%,平均3.81%,主要發(fā)育細(xì)紋層,大量半耙—耙筆石、帚形筆石 TOC含量為6.0%～7.2%,平均6.7%;多以細(xì)紋層及無紋層為主,富集叉筆石、雙角筆石、尖筆石、硅質(zhì)放射蟲 TOC含量為2.22%～4.89%,平均4.29%,多以細(xì)紋層及無紋層為主,富集共軛雙筆石、尖筆石、直筆石、硅質(zhì)放射蟲

2.2.1 黏土質(zhì)硅質(zhì)深水陸棚微相

該微相主要發(fā)育在①號層。石英與長石含量之和為23%～45%，黏土礦物含量為15%～35%，碳酸鹽礦物含量為17%～31%，呈高脆性礦物的特征。該層段富含共軛雙筆石、硅質(zhì)放射蟲、尖筆石、直筆石。多以細(xì)紋層及無紋層為主，粗紋層成分為碳酸鹽礦物，反映整體穩(wěn)定的沉積環(huán)境，水動力弱。自然伽馬(GR)為73.71～322.98 API，平均185.21 API，呈高值尖峰特征。補償密度(DEN)為2.42～2.67 g/cm3，平均2.49 g/cm3。TOC為2.22%～4.89%，平均4.29%(圖2)，呈現(xiàn)出高TOC、高含氣量、高孔隙度、高脆性、低密度等特征，為頁巖氣富集的有利沉積微相。

2.2.2 富硅生物深水陸棚微相

該微相發(fā)育在2～31小層。石英含量為45%～63%，黏土礦物含量較低，為19%～34%，碳酸鹽礦物含量5.5%～18.9%，呈現(xiàn)出高硅質(zhì)低黏土的特征。該層段富含叉筆石，雙角筆石、硅質(zhì)放射蟲、尖筆石，多以細(xì)紋層及無紋層為主，細(xì)紋層以黃鐵礦紋層為主，粗紋層以碳酸鹽礦物紋層為主，反映整體穩(wěn)定沉積環(huán)境，水動力弱。GR為185.7～201.5 API，平均191.4 API，呈高值尖峰特征；DEN為2.3～2.4 g/cm3，平均2.35 g/cm3；TOC為6.0%～7.2%，平均6.7%(圖2)，呈現(xiàn)出高TOC、高含氣量、高孔隙度、高脆性、低密度特征，是研究區(qū)最有利沉積微相。

2.2.3 硅質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相

該微相發(fā)育在32小層。石英與長石含量之和為32%～50.5%，黏土礦物含量35%～49%，碳酸鹽礦物含量5.6%～23%，呈現(xiàn)出較高黏土、低石英的特征。該層段含半耙筆石、耙筆石、帚形筆石，主要發(fā)育細(xì)紋層，反映沉積環(huán)境的水動力弱。GR為126.26～171.49 API，平均141.9 API，呈尖峰型特征；DEN為2.47～2.53 g/cm3，平均2.51 g/cm3；TOC為3.53%～4.29%，平均3.81%(圖2)，呈現(xiàn)出較高TOC、較高孔隙度、較低脆性、高密度特征。

2.2.4 鈣質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相

該微相發(fā)育在33～4小層。石英與長石含量之和為21%～41%，黏土礦物含量32%～57%，碳酸鹽礦物含量10%～35%，呈現(xiàn)出高鈣高黏土的特征。該層段筆石少見，含少量螺旋筆石，主要發(fā)育粗紋層，反映整體沉積環(huán)境較不太穩(wěn)定，水動力相對增強。GR為102.13～179.69API，平均125.54API，呈漏斗型—鐘型；DEN為2.39～2.55g/cm3，平均2.5g/cm3；TOC為2.95%～5.17%，平均3.79%(圖2)，呈現(xiàn)出較高TOC、較高孔隙度、較高脆性、較低密度特征。

圖2 川南威榮頁巖氣田A2井五峰組—龍馬溪組小層劃分及沉積微相

2.2.5 含鈣富黏土深水陸棚微相

該微相發(fā)育在⑤～⑥號層。石英與長石含量之和為25.2%～44%，黏土礦物含量43%～61.9%，碳酸鹽礦物含量4.9%～20.7%，呈現(xiàn)出較高黏土的特征。該層段筆石少見，為螺旋筆石，主要發(fā)育灰色粗紋層。GR為83.4～126.25 API，平均117.07 API，呈平直型；DEN為2.49～2.62 g/cm3，平均2.56 g/cm3；TOC為1.79%～3.68%，平均2.52%(圖2)，表現(xiàn)為TOC值中等，含氣量一般，孔隙度一般的特征。

2.2.6 富黏土深水陸棚微相

該微相發(fā)育在⑦～⑨號層。石英與長石含量之和為32%～48.1%，黏土礦物含量較低(43.5%～61%)，碳酸鹽礦物含量0～5.6%，呈現(xiàn)出較高黏土的特征。該層段含少量螺旋筆石，主要發(fā)育粗紋層，反映整體沉積水動力環(huán)境增強。GR為103.47～147.34 API，平均119.84 API，呈平直型；DEN為2.61～2.77 g/cm3，平均2.675 g/cm3；TOC為0.67%～1.83%，平均1.12%(圖2)，表現(xiàn)為低TOC、含氣量不高、孔隙度較低的特征。

2.3 沉積微相縱橫向變化特征

縱向上，由下至上沉積微相演化序列為黏土質(zhì)硅質(zhì)深水陸棚微相—富黏土深水陸棚微相(圖2)。在相序演化序列中黏土含量逐漸增加，硅質(zhì)含量逐漸減少，碳酸鹽礦物含量呈2個增大—減小旋回，有機質(zhì)含量、孔隙度呈逐漸降低的趨勢，密度逐漸增加。

在橫向上，6類微相展布穩(wěn)定(圖3)，其中①～④號層的4類微相由西至東厚度略有減薄，由A1井37m減薄至A6井27.4m；⑤～⑨號層含鈣富黏土深水陸棚微相及富黏土深水陸棚微相由西至東略有增厚，由A1井46.8 m增厚至A5井55.5 m。

3 微相與頁巖氣富集關(guān)系

威榮頁巖氣田勘探實踐表明，富硅生物、黏土質(zhì)硅質(zhì)、硅質(zhì)黏土質(zhì)和鈣質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相這4個沉積微相(①～④號層)較厚的鉆井，所獲得的無阻流量較大。例如A2井和A1井。A2井4個沉積微相厚度之和為32.5 m，測試產(chǎn)氣量為26.01×104m3/d；A1井4個沉積微相厚度之和為37.0 m，測試產(chǎn)氣量為23.82×104m3/d。相反，A5井4個沉積微相厚度之和為27.5 m，測試產(chǎn)氣量降低到12.35×104m3/d。另外，根據(jù)現(xiàn)場含氣量測試的數(shù)據(jù)來看，這4種微相含氣量相對較高，其中富硅生物深水陸棚微相的含氣量最高(圖4)。因此，無論是現(xiàn)場含氣量測試還是單井壓裂后的無阻流量數(shù)據(jù)都表明：富硅生物、黏土質(zhì)硅質(zhì)、硅質(zhì)黏土質(zhì)和鈣質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相為有利相帶，尤其是富硅生物深水陸棚微相在儲氣性和可采性上的優(yōu)勢。實驗測試結(jié)果也表明，富硅生物深水陸棚微相TOC含量最好，可為頁巖氣生成提供足夠的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時，在成烴過程中，生成大量的有機孔，為頁巖氣賦存提供空間(圖5)。另外，在硅質(zhì)礦物含量上，A2井①～④號層脆性礦物含量為41%～88.5%，平均64.26%，較⑤～⑨號層脆性礦物含量(37.0%～88.5%，平均53.54%)高，易于壓裂，這也是單井壓裂后無阻流量高產(chǎn)的原因之一。對于威遠(yuǎn)區(qū)塊而言，西區(qū)則優(yōu)于東區(qū)，主要是西區(qū)黏土質(zhì)硅質(zhì)、富硅生物和硅質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相沉積的厚度明顯較東區(qū)厚(圖3)。

圖4 川南威榮頁巖氣田五峰組—龍馬溪組6種沉積微相平均含氣量

圖3 川南威榮頁巖氣田五峰組—龍馬溪組沉積微相對比連井位置見圖1。

圖5 川南威榮頁巖氣田A2井龍馬溪組一段2～31小層富硅生物頁巖有機孔發(fā)育

4 結(jié)論

(1)川南威榮氣田五峰組—龍馬溪組一段由下至上沉積微相演化序列劃分為黏土質(zhì)硅質(zhì)深水陸棚微相(①號層)、富硅生物深水陸棚微相(2～31小層)、硅質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相(32小層)、鈣質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相(33～4小層)、含鈣富黏土深水陸棚微相(⑤～⑥號層)和富黏土深水陸棚微相(⑦～⑨號層)。

(2)縱向上，由下至上黏土含量逐漸增加，硅質(zhì)含量逐漸減少，碳酸鹽礦物含量呈2個增大—減小的旋回。橫向上，6類微相展布穩(wěn)定，其中①～④號層的黏土質(zhì)硅質(zhì)、富硅生物、硅質(zhì)黏土質(zhì)和鈣質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相由西至東厚度略有減薄，而⑤～⑨層含鈣富黏土深水陸棚微相及富黏土深水陸棚微相由西至東略有增厚。

(3)富硅生物深水陸棚微相為最有利相帶，其次為硅質(zhì)黏土質(zhì)、黏土質(zhì)硅質(zhì)和鈣質(zhì)黏土質(zhì)深水陸棚微相，這導(dǎo)致了威榮頁巖氣田西區(qū)的頁巖氣勘探潛力優(yōu)于東區(qū)。