渝西地區五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖巖相及儲層特征

尹興平，蔣裕強，2，付永紅，2，張雪梅，雷治安，陳 超，張海杰

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500；2.中國石油非常規重點實驗室儲層評價實驗室，成都 610500；3.四川科宏石油天然氣工程有限公司，成都 610056；4.重慶頁巖氣勘探開發有限責任公司，重慶 610213；5.四川長寧天然氣開發有限責任公司，成都 610056）

0 引言

經過近10 年的努力，在四川盆地陸續建成了焦石壩、長寧—威遠、昭通3 個國家頁巖氣示范基地，實現了3 500 m 以淺頁巖氣商業規模化開發［1］。至2015 年，我國已正式進入“海相頁巖氣規模化開采和海陸過渡相、陸相頁巖氣工業化開采實驗”階段［2］，并向深層海相頁巖拓展。已在瀘州、榮昌、渝西等地區取得了一系列突破，其中渝西地區Z202-H1 井和Z203 井分別獲日產45.67 萬m3和21.3 萬m3的高產工業性氣流［3-4］，展現出深層頁巖氣勘探開發的廣闊前景。在瀘州、榮昌、渝西等地區深層龍馬溪組底部發育優質深水陸棚亞相黑色頁巖，但其沉積微相存在顯著不同，從而導致其巖相發育特征差異明顯［5-7］。在頁巖巖相劃分與巖相特征方面，Allix等［8］以黏土礦物、碳酸鹽巖與石英+長石為三端元對頁巖進行巖相劃分；Wang 等［9］在國內首次將巖相概念引入頁巖研究，并根據有機質豐度與礦物組分確定頁巖巖相；朱逸青等［10］以“礦物組分+沉積構造”的分類方案將川東地區頁巖劃分為7 種巖相；柳波等［11］以“有機質豐度+沉積構造+礦物組分”的分類方案對陸相頁巖進行巖相劃分。以上頁巖巖相劃分方案均是從頁巖礦物組分、有機質豐度、沉積構造3 個方面開展巖相劃分，在最有利的儲層段（3～5 m）往往出現多類巖相，且巖相與儲層特征關聯性差，在實際生產過程中應用困難。

在薄片鑒定、礦物組分、TOC 含量、物性、含氣性及微觀特征等資料的基礎上，結合實際生產應用，采用“TOC+礦物組分”的分類方案對巖相進行劃分。通過開展不同巖相的儲層品質評價和對比不同巖相的儲層品質差異，分析頁巖巖相及其對儲層發育的影響，優選了有利于開發的頁巖巖相，以期為優質頁巖平面展布預測提供一定數據支撐，并對優選頁巖儲層“甜點”段、優化開發工藝、提高頁巖氣單井產能和實現頁巖氣高效開發提供依據。

1 區域概況

四川盆地分為川東南斜坡高陡構造區（包括川東高陡褶皺帶和川南低陡褶皺帶）、川中隆起低緩構造區和川西坳陷低陡構造區3 個構造區［12］。Z203 井位于川中隆起低緩構造區與川南低陡褶皺帶之間的蒲呂場向斜，兩側發育西山背斜與西溫泉背斜（圖1）。鉆井揭示上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組龍一1亞段為一套深水陸棚相黑色富有機質頁巖，為主要產氣層段。由于受海平面升降旋回變化影響，龍一1亞段可以細分為龍共4 個小層（簡稱為1 小層、2 小層、3小層、4 小層）［4，13］。

圖1 渝西地區Z203 井區構造背景與地層劃分（據文獻［4］修改）Fig.1 Structural setting and stratigraphic division of well block Z203 in western Chongqing

2 頁巖巖相類型及其演化規律

2.1 頁巖巖相劃分的方法和方案

采用“TOC+礦物組分”的巖相劃分方法（圖2），是以TOC 表征儲層的生氣能力，以礦物組分反映頁巖的可壓裂性［14］。其具體步驟為：（1）將w（TOC）≥4%的頁巖稱為高碳類頁巖，3%≤w（TOC）＜4%的頁巖稱為中碳類頁巖，2%≤w（TOC）＜3%的頁巖稱為低碳類頁巖；（2）將黏土礦物、碳酸鹽礦物和（石英+長石）三者的含量作為三端元進行礦物組分巖相劃分：①黏土礦物質量分數＞40% 為黏土質頁巖相；②碳酸鹽礦物質量分數≥90% 為灰巖相；（石英+長石）質量分數≥90%為硅質巖相；③以RQC［w（石英+長石）/w（碳酸鹽礦物）］進行劃分，可分為硅質頁巖相（RQC≥3）、鈣質-硅質頁巖相（1/3≤RQC＜3）、鈣質頁巖相（RQC＜1/3）。

圖2 渝西地區Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖巖相劃分（據文獻［14］修改）Fig.2 Lithofacies division of shale of Wufeng Formation-lower Long 1 submember of Longmaxi Formation in well Z203 in western Chongqing

將Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖劃分為高碳硅質頁巖（S1）、中碳硅質頁巖（S2）、低碳硅質頁巖（S3）、低碳鈣質-硅質頁巖（C-S3）、低碳黏土質頁巖（M3）、特低碳黏土質頁巖（M4）6 種巖相。

2.2 頁巖巖相的組分和發育特征

（1）高碳硅質頁巖（S1）。該巖相巖性主要為黑色硅質頁巖。TOC 質量分數為4.1%～7.2%，平均值為5.7%；石英質量分數平均值為65.9%；碳酸鹽礦物質量分數為3.1%～11.2%，平均值為8.4%；黏土礦物質量分數平均值為15.8%（表1）。巖心見紋層與厚層狀黃鐵礦發育，厚約1.5 cm［圖3（a）］。鏡下可見硅質顆粒明亮純凈，有機質呈層狀富集，微裂縫發育［圖4（a）］。

圖3 渝西地區Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖主要巖相巖心特征（a）高碳硅質頁巖，發育厚層狀黃鐵礦，紋層富集，1 小層，4 102.20～4 102.27 m；（b）中碳硅質頁巖，紋層富集，3 小層，4 088.45～4 088.63 m；（c）中碳硅質頁巖，薄層狀黃鐵礦沿層理發育，3 小層，4 085.61～4 085.86 m；（d）低碳硅質頁巖，發育薄層狀黃鐵礦、斑點狀黃鐵礦與砂質結核，4 小層，4 073.15～4 073.40 m；（e）低碳鈣質-硅質頁巖，五峰組，4 110.85～4 111.05 m；（f）特低碳黏土質頁巖，4 小層，4 065.27～4 065.40 mFig.3 Core characteristics of main shale lithofacies of Wufeng Formation-lower Long 1 submember of Longmaxi Formation of well Z203 in western Chongqing

（2）中碳硅質頁巖（S2）。該巖相巖性以黑色含粉砂頁巖及硅質頁巖為主。TOC 質量分數平均為3.4%；石英質量分數為49.1%～69.8%，平均值為54.9%；碳酸鹽礦物質量分數為3.0%～18.5%，平均值為16.3%；黏土礦物質量分數平均為18.5%（表1）。紋層富集，薄層狀黃鐵礦沿層理發育（厚約0.2 cm）［圖3（b）—（c）］。鏡下鈣質粉砂顆粒含量相對較高，微裂縫發育［圖4（b）］。

圖4 渝西地區Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段主要巖相頁巖鏡下特征（a）高碳硅質頁巖，有機質層狀富集，裂縫發育，1 小層，4 102.22 m；（b）中碳硅質頁巖，發育一條微裂縫，2 小層，4 094.45 m；（c）低碳硅質頁巖，見黃鐵礦結核，3 小層，4 076.80 m；（d）低碳鈣質-硅質頁巖，鈣質粉砂顆粒，4 小層，4 076.07 m；（e）低碳黏土質頁巖，見斑點狀黃鐵礦，4 小層，4 076.07 m；（f）特低碳黏土質頁巖，發育泥質結核與泥質條帶，4 小層，4 067.20 mFig.4 Microscopic characteristics of main shale lithofacies of Wufeng Formation-lower Long 1 submember of Longmaxi Formation of well Z203 in western Chongqing

表1 渝西地區Z203井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段主要巖相礦物組分統計Table 1 Mineral compositionstatistics of mainlithofacies of Wufeng Formation-lowerLong 1 submember of Longmaxi Formation of well Z203 in western Chongqing%

（3）低碳硅質頁巖（S3）。該巖相巖性以黑灰色—灰黑色粉砂質頁巖為主。TOC 質量分數平均為2.2%；石英質量分數為37.8%～68.8%，平均為51.3%，黏土質量分數相對較高，平均為25.6%（表1）。紋層較發育，見順層理發育的薄層狀黃鐵礦、砂質結核［圖3（d）］。鏡下粉砂級顆粒較多，偶見黃鐵礦結核［圖4（c）］。

（4）低碳鈣質-硅質頁巖（C-S3）。該巖相巖性以灰黑色—黑灰色含鈣粉砂質頁巖及含粉砂頁巖為主［圖3（e）］。TOC 質量分數平均為2.3%，主要礦物成分為石英，碳酸鹽礦物質量分數相對較高，平均為23.5%（表1）。鏡下可見大量鈣質細粉砂顆粒［圖4（d）］。

（5）低碳黏土質頁巖（M3）。該巖相巖性為灰黑色黏土質頁巖。TOC 質量分數平均2.0%，黏土礦物質量分數為30.8%～50.2%，平均值為42.1%，石英平均質量分數為40.1%，碳酸鹽質量分數平均為11.0%（表1）。鏡下可見鈣質粉砂與黃鐵礦結核［圖4（e）］。

（6）特低碳黏土質頁巖（M4）。該巖相巖性為灰綠色—深灰色頁巖及凝灰質頁巖［圖3（f）］。TOC質量分數平均僅為0.8%，黏土礦物質量分數為33.8%～59.5%，平均為47.9%，石英質量分數平均為38.8%（表1）。鏡下可見泥質結核與泥質條帶發育［圖4（f）］。

2.3 頁巖巖相演化特征

受氣候變化、物源供給、海平面變化等多因素的綜合控制，不同的巖相具有不同的礦物組分、有機質含量和沉積結構特征等，可以反映不同的沉積環境。上奧陶統五峰組主要發育中碳硅質頁巖，碳酸鹽含量較高，可見薄層狀黃鐵礦沿層理發育，反映了相對滯留的還原環境。龍馬溪組自下而上依次發育高碳硅質頁巖、中碳硅質頁巖、低碳硅質頁巖和特低碳黏土質頁巖，有機質含量與石英含量逐漸降低，粉砂顆粒與黏土含量逐漸增加，至頂部巖心可見砂質結核和砂質條帶，黃鐵礦由下部呈厚層狀發育逐漸過渡為上部星散狀發育，龍一1亞段自下而上陸源碎屑輸入逐漸增加，水動力條件逐漸增強，沉積水體逐漸變淺，沉積環境由強滯留強還原環境向弱還原環境轉變（圖5）。

圖5 渝西地區Z203 井五峰組—龍一1亞段巖相縱向演化規律綜合柱狀圖Fig.5 Vertical evolution of lithofacies of Wufeng Formation-lower Long 1 submember of Longmaxi Formation in well Z203 of western Chongqing

3 不同巖相的儲層特征

3.1 有機質分布

TOC 含量與頁巖儲層的生氣能力、含氣性及儲集空間等密切相關，是頁巖氣富集的物質基礎［15-17］。高碳硅質頁巖鏡下顯示其有機質主要呈條帶狀分布，條帶厚度明顯較其他巖相厚（［圖6（a）］），氬離子拋光掃描電鏡分析顯示，有機質主要以定向條帶狀或團塊狀連片分布于剛性礦物間［圖7（a）］，TOC質量分數大，平均值為5.7%［圖8（a）］。中碳硅質頁巖鏡下有機質條帶較少，且厚度小［圖6（b）—（c）］，氬離子拋光掃描電鏡分析顯示，有機質主要呈分散狀分布，局部出現團塊［圖7（d）］。低碳/特低碳黏土質頁巖鏡下顯示為土黃色，見泥質結核和泥質條帶［圖6（e）—（f）］，氬離子拋光掃描電鏡分析顯示，有機質僅呈局部小團塊狀［圖7（g）］。

圖6 渝西地區Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段主要巖相頁巖儲層紋層發育特征（a）高碳硅質頁巖，紋層發育，1 小層，4 099.84 m；（b）中碳硅質頁巖，紋層富集，2 小層，4 098.22 m；（c）中碳硅質頁巖，紋層發育，3 小層，4 085.27 m；（d）低碳硅質頁巖，紋層較發育，4 小層，4 069.34 m；（e）低碳黏土頁巖，紋層不發育，五峰組，4 109.78 m；（f）特低碳黏土質頁巖，紋層欠發育，4 小層，4 058.72 mFig.6 Lamination characteristics of shale lithofacies of Wufeng Formation-lower Long 1 submember of Longmaxi Formation of well Z203 in western Chongqing

圖7 渝西地區Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段主要巖相頁巖儲層微觀特征（a）高碳硅質頁巖，發育有機質孔與粒內溶孔，1 小層，4 101.07 m；（b）a 的局部放大，有機質孔發育；（c）b 的局部放大，有機質孔連通性好；（d）中碳硅質頁巖，發育有機質孔、粒間孔與微裂縫，2 小層，4 081.23 m；（e）中碳硅質頁巖，發育微裂縫與溶蝕孔，3 小層，4 081.23 m；（f）e 的局部放大，有機質孔發育；（g）低碳硅質頁巖，發育微裂縫與粒間孔，4 小層，4 070.88 m；（h）低碳黏土質頁巖，發育溶蝕孔、粒間孔及微裂縫，五峰組，4 109.78 m；（i）特低碳黏土質頁巖，有機質孔孔徑細小，4 小層，4 062.90 mFig.7 Pore development characteristics of main shale lithofacies of Wufeng Formation-lower Long 1 submember of Longmaxi Formation of well Z203 in western Chongqing

圖8 渝西地區Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖主要巖相儲層特征對比Fig.8 Comparison of main shale lithofacies characteristics of Wufeng Formation-lower Long 1 submember of Longmaxi Formation of well Z203 in western Chongqing

3.2 紋層結構

頁巖紋層是頁巖中可分辨的最小沉積單元，是影響頁巖物性的主要因素之一［18］。通過薄片及巖心分析，高碳硅質頁巖紋層發育程度較高，主要為泥紋層，紋層密度為5～10 條/cm，紋層厚度較大，為0.05～1.50 mm［圖6（a）］；中碳硅質頁巖粉砂紋層和泥紋層均發育，粉砂紋層以相對粗粒的石英或碳酸鹽顆粒組成，泥紋層相對較少且厚度小，平均紋層密度為10.2 條/cm［圖8（b）］，紋層厚度為0.05～1.00 mm［圖6（b）—（c）］；低碳硅質頁巖與中碳硅質頁巖具有相似的紋層發育特征，但紋層密度較低［圖6（d）］。低碳/特低碳黏土質頁巖，紋層不發育，偶見不連續紋層或泥質條帶［圖6（e）—（f）］。

3.3 儲集空間與物性特征

頁巖儲層儲集空間類型及孔滲特征可影響頁巖氣的儲集性能及產能，是進行頁巖儲層評價的基礎［19-21］。有機質孔在頁巖中具有重要意義，是頁巖氣賦存的重要場所，也是頁巖儲層儲集空間研究的重點和熱點。高碳硅質頁巖有機質孔發育，以圓形和近圓形為主［圖7（b）—（c）］，孔徑通常大于100 nm［圖7（b）］，連通性好［圖7（c）］，孔隙度平均為5.29%［圖8（c）］。中碳硅質頁巖可見有機質與剛性礦物邊緣的微裂縫及剛性顆粒內部的溶蝕孔隙［圖7（e）］。團塊狀有機質中孔發育，但孔徑偏小［圖7（f）］，連通性略差，孔隙度平均為4.04%［圖8（c）］。低碳硅質頁巖有機質含量低，粒間孔與微裂縫發育，孔隙度平均為4.44%［圖7（g）］。低碳/特低碳黏土質頁巖偶見微裂縫發育，有機質孔與無機孔均欠發育［圖7（h）—（i）］，孔隙度低，平均值分別為2.32%和2.49%。

頁巖滲透率主要受微裂縫、紋層發育程度和孔隙連通性等因素影響。本次研究采用柱塞樣分析滲透率，裂縫發育程度低，基本可視為基質滲透率，所以可排除裂縫對滲透率的影響。高碳硅質頁巖孔隙較為發育［圖7（c）］，紋層密度為5～10 條/cm，且紋層厚度大［圖6（b）］，平均滲透率為0.032 mD。中碳硅質頁巖孔隙發育程度差于高碳硅質頁巖，但紋層密度＞10 條/cm，多為粉砂紋層和泥紋層交互出現，平均滲透率為0.051 mD。低碳硅質頁巖即使具有較高的孔隙度，由于紋層密度低于中碳硅質頁巖，滲透率仍較低［圖8（d）］。低碳/特低碳黏土質頁巖孔隙和紋層發育程度均較差，滲透率較小。

3.4 含氣性特征

含氣性是衡量頁巖儲層產能及經濟開采價值不可或缺的指標［22-23］。通過現場解析結果分析表明，高碳硅質頁巖總含氣量最高，為6.32 cm3/g，中碳硅質頁巖次之，含氣量為4.5 cm3/g［圖8（e）］。低碳硅質頁巖與低碳鈣質-硅質頁巖有機質含量相當，但由于低碳硅質頁巖孔隙度遠大于低碳鈣質-硅質頁巖，導致含氣量也相差較大，分別為4.09 cm3/g 和2.34 cm3/g［圖8（e）］。

3.5 優質巖相頁巖儲層

結合研究區開發現狀，根據有機碳含量、物性特征、含氣量、脆性指數等指標來判別Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段黑色優勢巖相頁巖儲層，以反映各巖相儲層的資源潛力與可開發性。高碳硅質頁巖泥紋層發育，石英含量高，連片分布有機質與其內部的連通有機質孔保存良好，脆性指數高［圖8（f）］，使其不僅具有良好的有機質孔發育程度和較高的含氣量，且滲流能力與可壓裂性較強，利于頁巖氣的富集與開采，是最有利的頁巖氣勘探開發巖相。中碳硅質頁巖與低碳硅質頁巖粉砂紋層發育，有機質含量相對較低，有機質孔發育程度略差，生儲能力稍差，但仍具有較強的滲流能力與可壓裂性，為次有利頁巖氣開發巖相。其余巖相TOC 含量和石英含量低，黏土含量高，有機質孔發育程度差，含氣量偏低，難以具備較好的商業開采價值。

4 優質巖相頁巖儲層發育主控因素

沉積環境對巖相的發育起決定性作用，通常用地球化學示蹤方法來指示沉積環境。w（U）/w（Th），w（Si）/w（Si+Al+Fe），w（Fe）等分別是反映沉積氧化還原環境、物源信息和古水深的常用指標［24-26］。其中，w（U）/w（Th）＜0.75指示弱還原環境，0.75＜w（U）/w（Th）＜1.25 指示還原環境，w（U）/w（Th）＞1.25 指示強還原環境；w（Si）/w（Si+Al+Fe）越接近1，表明生物硅在物源中占比越大；w（Fe）則與古水深呈明顯的負相關。通過w（U）/w（Th），w（Si）/w（Si+Al+Fe），w（Fe）等與TOC 含量的相關性分析可看出，3 個指標與TOC 含量的相關性均較好（圖9），表明沉積環境是控制Z203 井有機質富集與保存的決定因素。

圖9 渝西地區Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段w（U）/w（Th）（a），w（Fe）（b），w（Si）/w（Si+Al+Fe）（c）與TOC 含量的相關性Fig.9 Relationships of TOC content with w（U）/w（Th）（a），w（Fe）（b），w（Si）/w（Si+Al+Fe）（c）in lithofacies of Wufeng Formation-lower Long 1 submember of Longmaxi Formation of well Z203 in western Chongqing

高碳硅質頁巖中w（U）/w（Th）＞1.25，Fe 含量最低，w（Si）/w（Si+Al+Fe）平均值接近0.9（圖9），沉積環境為強滯留強還原環境，沉積水體最深，且物源主要為生物硅，有利于有機質富集與保存，TOC 含量與石英含量均較高。高碳硅質頁巖沉積期生物繁盛，生物勃發形成的有機質呈層狀沉積富集，形成厚度較大的泥質紋層和間隔性的粉砂紋層［27］。泥紋層增強了儲層的滲流能力，抗壓實作用強的石英顆粒有利于孔隙的保存。有利的沉積環境易形成高TOC 含量與優越的孔隙空間，分別為頁巖氣富集與保存提供了優越的物質基礎和賦存場所，較高的滲透能力與脆性礦物含量為頁巖儲層的壓裂開采創造了有利條件。

中碳硅質頁巖與低碳硅質頁巖中w（U）/w（Th）為0.51～0.95，Fe 含量較低，w（Si）/w（Si+Al+Fe）＞0.7（圖9），沉積環境主要為滯留還原環境，沉積水體較深，生物硅含量較高，仍具有較好的有機質富集及保存條件。中碳硅質頁巖與低碳硅質頁巖沉積期，生物繁盛程度降低，有機質減少，碳酸鹽礦物、生物骨骼等大粒徑碎屑與泥級有機質間歇性沉積，使粉砂紋層和泥紋層頻繁交互，其接觸面為巖石力學薄弱面，易形成微裂縫，為良好的滲流通道，滲透率最大［圖8（d）］。粉砂紋層中大粒徑的石英與碳酸鹽顆粒間有利于分散有機質保存，進而發育有機質孔；碳酸鹽礦物易受溶蝕作用影響形成溶蝕孔。由此可見，中碳硅質頁巖與低碳硅質頁巖仍具有較高的孔隙度和良好的頁巖氣賦存條件。

低碳/特低碳黏土質頁巖w（U）/w（Th）＜0.5，Fe含量最高，w（Si）/w（Si+Al+Fe）平均值為0.6 左右（圖9），沉積環境為弱還原環境，沉積水體淺，生物硅減少，有機質富集及保存環境差，使該類巖相TOC含量與石英含量低，黏土含量高，脆性較低［圖8（f）］。該類巖相TOC 含量、孔隙度、滲透率與可壓裂性均較低，難以形成具有商業價值的頁巖氣儲層。

5 結論

（1）依據“TOC+礦物組分”的巖相劃分方法，Z203 井五峰組—龍馬溪組龍一1亞段頁巖主要發育6 類巖相，分別為高碳硅質頁巖（S1）、中碳硅質頁巖（S2）、低碳硅質頁巖（S3）、低碳鈣質-硅質頁巖（C-S3）、低碳黏土質頁巖（M3），特低碳黏土質頁巖（M4）。

（2）綜合分析有機碳含量、紋層結構、物性特征、含氣量、脆性指數等特征優選了優勢巖相。高碳硅質頁巖發育較厚泥紋層和少量砂質紋層，有機質連片狀分布，有機質孔孔徑較大，孔隙度和含氣量均較高，是最有利的頁巖氣勘探開發儲層；中碳硅質頁巖砂質紋層和泥紋層頻繁交互，有機質分布出現分散狀特征，孔隙孔徑小，孔隙度和含氣量略差，為次有利頁巖氣開發儲層；低碳/特低碳黏土質頁巖紋層不發育，滲透率、含氣量與脆性指數均最低，開發潛力差。

（3）沉積環境差異決定了不同巖相頁巖儲層品質的優越性。強滯留強還原環境沉積水體最深，生物繁盛，具有優越的有機質富集與保存條件，使高碳硅質頁巖儲層具有富有機質泥紋層、高生物硅含量、連通有機質孔保存完好的特征；滯留還原環境沉積水體較深，還原性較強，具有較好的有機質富集及保存條件，形成的中碳硅質頁巖儲層表現為粉砂紋層與泥紋層頻繁交互，無機孔發育，強滲流能力與可壓裂性等特征；弱還原環境沉積水體淺，生物硅少，使低碳/特低碳黏土質頁巖儲層紋層不發育，黏土質量含量高，不利于有機質與孔隙保存。