渝南地區龍馬溪組下部富有機質頁巖巖相類型及儲層特征

曹地 陳雷 蔡家蘭 王欣

摘? ?要： 以渝南地區龍馬溪組下部富有機質頁巖為研究對象，對巖相類型進行劃分，對不同巖相下的儲層品質進行系統分析。研究發現：渝南地區龍馬溪組下部龍一1亞段發育9種頁巖巖相，其中主要頁巖巖相有4種，分別為混合硅質頁巖、含粘土硅質頁巖、含硅粘土質頁巖和粘土質/硅質頁巖;不同頁巖巖相具有不同的儲層特征，其中含粘土硅質頁巖為最優勢頁巖巖相，集聚了高總有機碳含量（TOC）、高孔隙度、高含氣性和高脆性等特征，其他三者為次優勢頁巖巖相。

關鍵詞： 頁巖巖相;龍馬溪組;渝南地區;總有機碳含量（TOC）;含粘土硅質頁巖

引言

隨著頁巖氣勘探開發的不斷深入，眾學者[1-5]應用細粒沉積學對頁巖非均質性進行研究，指出頁巖并不是均一的整體，而是由不同的頁巖巖相組成的，具有較強的非均質性[6-7]。巖相不僅包含沉積巖的巖性特征（如顏色、物質成分、結構構造和巖石類型組合）、生物特征（如生物群種屬和生態）和地球物理化學特征（如巖石力學特征、有機質特征和含氣性特征），也基于“環境是原因，相是結果”的理論，對沉積環境有指示意義，即不同的巖相受控于不同的綜合沉積環境。根據實際生產研究需要，不同地區采用不同的頁巖巖相劃分方案。目前國外普遍根據礦物、構造、生物群和結構紋層等特征進行頁巖巖相劃分，在此基礎上，國內把顏色、總有機碳含量（TOC）、特征礦物等納入了劃分方案，對頁巖巖相類型進行進一步細化[8-13]。

四川盆地渝南地區龍馬溪組海相頁巖是我國頁巖氣勘探開發的重要層系。前人已經對這套地層的構造背景、沉積環境、孔隙結構、有機地化和資源潛力等方面進行了精細化的研究[14-19]，但受盆地內區域性沉積條件差異控制，不同地區頁巖發育特征不同，在巖相劃分方面也沒有達成共識，亟待確定統一性的行業劃分標準[10-13]。國外頁巖氣商業性研究已經證明不同的巖相具有不同的開發潛力，所以巖相的精細化科學劃分對尋找勘探開發目的層和評價開發潛力具有重要意義。

本文在渝南地區龍馬溪組下部富有機質頁巖巖相類型劃分的基礎上，結合巖石學特征、有機地化特征和物性特征等參數，分析研究各巖相的儲層性質差異，選出勘探開發中最具優勢的頁巖相。

1? 地質概況與研究范圍

四川盆地是一個在上揚子克拉通基礎上自震旦紀經過多期構造運動形成的疊合型盆地[20]。在晚奧陶—早志留世全球范圍海平面上升的背景下，受川中隆起、黔中隆起和雪峰隆起圍限的影響，四川盆地內部由廣海變為了被圍限的局限海域，形成了大面積低能欠補償、滯留還原的沉積環境[21]。

所研究的地區位于重慶以南、涪陵西南、丁山構造以北、大足以東一帶，地理上屬于川東高陡褶皺帶向川南低陡褶皺帶的過渡帶，整體上位于頁巖構造相對穩定的區域。本文的研究層段主要為下志留統龍馬溪組下部龍一1亞段，該段地層富有機質頁巖段主要為深水陸棚沉積，地層平面展布穩定，沒有較大差異。

2? 海相頁巖巖相類型及特征

首先根據三種礦物含量（硅質礦物、碳酸鹽礦物和粘土礦物）劃分出硅質類頁巖、灰質類頁巖、粘土類頁巖和混合類頁巖4種大類頁巖巖相;然后以10%、20%、50%和80%為分界點，最終將頁巖巖相分為16種亞類頁巖巖相（圖1a）。將渝南地區龍馬溪組富有機質頁巖層段的測試數據投點至三端元圖中，可見研究區龍一1亞段富有機質暗色頁巖共發育9種頁巖巖相（圖1b），其中主要頁巖巖相4種（占87.96%），分別為混合硅質頁巖（S-2）、含粘土硅質頁巖（S-3）、粘土質/硅質頁巖（M-2）和含硅粘土質頁巖（A-3）;次要巖相2種（占8.36%），分別為含灰硅質頁巖（S-1）、混合灰質頁巖（C-2）;偶見巖相3種（占3.68%），如圖2所示。

2.1? 混合硅質頁巖（S-2）

該巖相硅質礦物（石英+長石）含量在47%～79%，平均值為63%;粘土礦物含量在10%～37%，平均值為20%;碳酸鹽礦物含量最少，平均為17%。巖心上呈黑色或灰黑色，頁理發育（圖3a），可見筆石化石，偶見黃鐵礦結核或條帶（圖3b）;鏡下薄片顯示巖相礦物主要為石英、炭質粘土和泥粉晶白云巖（圖4c），顯微級水平紋層發育（圖4a），黃鐵礦呈針柱狀或零星分布，見硅質骨針，多為單軸雙射（圖4b）。

2.2? 含粘土硅質頁巖（S-3）

該巖相硅質礦物（石英+長石）含量在51%～79%，平均值為63%;粘土礦物含量在13%～48%，平均值為31%;碳酸鹽礦物含量最少，平均為6%。巖心上呈黑色或灰黑色，頁理發育（圖3c），可見大量筆石雜亂分布（圖3d）;鏡下薄片顯示巖相中粗粉砂和細粉砂均勻混雜，少量泥粉晶白云石分散分布，粉砂和白云石聚集呈平行紋層狀和炭質粘土互成條帶（圖4e），見多量放射蟲，殼壁為硅質，部分殼壁被黃鐵礦交代（圖4d）。

2.3? 粘土質/硅質頁巖（M-2）

該巖相硅質礦物（石英+長石）含量在35%～50%，平均值為45%;粘土礦物含量在33%～52%，平均值為45%;碳酸鹽礦物含量最少，平均為9%。巖心上呈深灰色或黑色，塊狀構造，可見大量筆石雜亂分布（圖3h），見黃鐵礦透鏡體發育（圖3g）。鏡下薄片顯示巖相中大量炭質有機物浸染粘土，多量粉砂石英顆粒均勻分散分布，少量泥粉晶白云石，見波狀不平行紋層發育，紋層厚度0.2～2.75 mm（圖4h），偶見放射蟲殘片不均勻分布。

2.4? 含硅粘土質頁巖（A-3）

該巖相硅質礦物（石英+長石）含量在30%～51%，平均值為40%;粘土礦物含量在50%～65%，平均值為56%;碳酸鹽礦物含量最少，平均為4%。巖心上呈深灰色或黑色，多為塊狀構造，偶見水平紋層，發育粉砂質透鏡體和條帶（圖3e、圖3f），見筆石化石。鏡下薄片顯示巖相中見波狀不平行紋層發育，紋層厚度0.01～0.06 mm（圖4f）;少量白云石多為粉晶呈星點狀分布不均，云母細片和眉狀炭質粘土沿紋層具定向性分布（圖4g）;黃鐵礦呈粉末狀均勻分布（圖4g）。

2.5? 混合灰質頁巖（M-3）

該巖相硅質礦物（石英+長石）含量在18%～47%，平均值為32%，巖心上呈深灰色或黑色，多為塊狀構造，偶見水平紋層，見少量筆石發育（圖3i）。鏡下薄片顯示巖相中礦物主要為粉砂石英、泥粉晶白云巖和炭質粘土，粉砂和白云石聚集呈平行紋層狀和炭質粘土互成條帶;波狀平行紋層發育，紋層厚度0.3～5.0 mm，紋層為云質粉砂巖與含粉砂云質粘土巖不等厚互層（圖4i）。

3? 主要巖相儲層品質發育特征

如第2章所述，研究區龍一1亞段富有機質頁巖共發育9種頁巖巖相，主要頁巖巖相分別為混合硅質頁巖（S-2）、含粘土硅質頁巖（S-3）、粘土質/硅質頁巖（M-2）和含硅粘土質頁巖（A-3），占總巖相的87.96%（圖2），它們對研究區目的層段儲層品質起主導作用。所以從總有機碳含量（TOC）、孔隙度、含氣性和脆性四個方面，對4種主要頁巖巖相的儲層特征進行分析。

3.1? 總有機碳含量（TOC）

不同頁巖巖相總有機碳含量（TOC）存在較大差異，如圖5a所示。其中混合硅質頁巖（S-2）的TOC介于0.46%～6.23%，平均值為3.18%;含粘土硅質頁巖（S-3）的TOC介于0.10%～7.73%，平均值為2.68%;含硅粘土質頁巖（A-3）和粘土質/硅質頁巖（M-2）的TOC較低，含硅粘土質頁巖（A-3）的TOC介于0.13%～2.53%，平均值為1.52%;粘土質/硅質頁巖（M-2）的TOC介于0.22%～2.99%之間，平均值為1.93%。

3.2? 孔隙度

主要頁巖巖相孔隙度差異不大，平均孔隙度整體大于4%，如圖5b所示。其中含硅粘土質頁巖（A-3）的孔隙度最大，介于3.12%～7.13%，平均孔隙度為5.23%;含粘土硅質頁巖（S-3）和混合硅質頁巖（S-2）次之，平均孔隙度分別為4.73%和4.51%;粘土質/硅質頁巖（M-2）孔隙度最小，平均孔隙度為4.09%。

有機質微孔對頁巖氣的賦存和滲流有著重要意義，而發育有機質微孔的干酪根和焦瀝青與頁巖的TOC有著直接的聯系[22]。頁巖中TOC越高，有機質微孔發育的物質基礎越充分，孔隙度也越大。測試數據顯示，研究區不同頁巖巖相孔隙度與TOC有良好的正相關性（圖6），說明研究區主要頁巖巖相中有機質微孔較為發育，且通過4種巖相進行對比發現，在相同的TOC變化范圍內，含硅粘土質頁巖（A-3）的孔隙度變化幅度最大，說明孔隙類型以有機孔為主。

3.3? 含氣性

在頁巖氣勘探開發過程中，含氣性是衡量其是否具有經濟開采價值和資源評估的重要參數[17]。測試數據（圖5c）顯示，含粘土硅質頁巖（S-3）孔隙類型含氣量相對較高，介于0.27～8.64 m3/t，平均值為3.14 m3/t;混合硅質頁巖（S-2）和粘土質/硅質頁巖（M-2）含氣量較低，平均值分別為1.71 m3/t和2.03 m3/t;含硅粘土質頁巖（A-3）因TOC最低，含氣量也最低，僅為1.54 m3/t。

頁巖中較高的有機質含量是大量生成頁巖氣的基礎，TOC越大，頁巖的生烴潛力越大。測試數據（圖6、圖7）顯示，研究區不同頁巖巖相含氣性與TOC和孔隙度整體呈正相關性，即頁巖巖相中TOC越大，孔隙度越大，含氣性也越好。

3.4? 脆性特征

頁巖儲層的脆性特征在頁巖氣勘探開發中具有重要意義。頁巖脆性越高，越有利于后期儲層改造，壓裂效果越明顯[23]。根據公式

計算得到的測試數據（圖5d）顯示，渝南地區頁巖脆性和TOC具有較高一致性，脆性指數越大，頁巖的TOC越高。渝南地區主要頁巖巖相具有高脆性特征。混合硅質頁巖（S-2）和含粘土硅質頁巖（S-3）的脆性最大，混合硅質頁巖（S-2）脆性指數為47%～79%，含粘土硅質頁巖（S-3）脆性指數為51%～79%，二者平均脆性都是63%;粘土質/硅質頁巖（M-2）的脆性相對較低，平均脆性為45%;含硅粘土質頁巖（A-3）的脆性最低，平均脆性僅為40%。

4? 優勢頁巖巖相判別

從“相控論”的角度出發，優勢頁巖巖相判別在頁巖氣勘探開發中具有重要意義，是衡量頁巖是否具有經濟開采價值和進行資源評估的關鍵指標[13]。結合目前四川盆地長寧、威遠、焦石壩等大型頁巖氣田的開發現狀，本文綜合礦物成分、TOC、含氣性、脆性和孔隙度4種參數，對渝南地區龍馬溪組下部富有機質頁巖巖相儲層品質特征進行綜合評價。在頁巖氣勘探開發中儲層評價的基礎上，綜合研究區不同頁巖巖相實際參數，確立了渝南地區頁巖巖相儲層評價標準。TOC、含氣量、孔隙度和脆性指數分別以2%、2 m3/t、4.6%、50%為分界，將頁巖巖相分為Ⅰ類（優勢頁巖巖相）和Ⅱ類（次優勢頁巖巖相）兩種，并整合于表1。

數據分析顯示，含粘土硅質頁巖（S-3）具有高TOC、高含氣性、高脆性、高孔隙度的儲層特征，為渝南地區頁巖氣勘探優勢頁巖巖相。而混合硅質頁巖、含硅粘土質頁巖和粘土質/硅質頁巖由于具有TOC、孔隙度或脆性較低等特征，其含氣性相對較低，為渝南地區頁巖氣勘探次優勢頁巖巖相。

5? 結論

（1）四川盆地渝南地區龍馬溪組下部富有機質頁巖發育9種頁巖巖相，其中主要頁巖巖相4種，分別為混合硅質頁巖（S-2）、含粘土硅質頁巖（S-3）、粘土質/硅質頁巖（M-2）和含硅粘土質頁巖（A-3）。

（2）含粘土硅質頁巖（S-3）具有高TOC、高含氣性、高脆性、高孔隙度的儲層特征，為渝南地區頁巖氣勘探最優勢頁巖巖相，而混合硅質頁巖、含硅粘土質頁巖和粘土質/硅質頁巖由于具有TOC、孔隙度或脆性較低等特征，其含氣性相對較低，為渝南地區頁巖氣勘探次優勢頁巖巖相。

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