川南長寧地區五峰組和龍馬溪組頁巖儲層差異性分析

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海相黑色頁巖，具有地質條件良好［3］、有機質豐度高、厚度大、含氣量高、分布廣、埋深適中、脆性礦物質量分數高（一般大于44.5%）等特點［4］，是我國頁巖氣勘探開發的最有利層系［1，4］。經過近 15 a 的頁巖氣勘探開發，目前已在威遠、涪陵、長寧-昭通、威榮等地發現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［6］。截止到2019年底，我國頁巖氣資源已探明地質儲量約為1.8×1012m3。2019年全國頁巖氣產量約為 154×108m3，為全球第二大頁巖氣產區［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造背景、沉積環境等均有所差異［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，對于頁巖儲層的研究也需要更加細致。基于此，本文對長寧地區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，以期為長寧地區頁巖氣的高效勘探開發提供一定的指導。

1 區域地質概況

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黑色頁巖［12］。其中，川南地區五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖厚度大，分布廣，橫向展布穩定，埋深適中（1 500～3 500 m），成熟度高，優質頁巖段有機碳質量分數較高（TOC≥3%），是四川盆地頁巖氣勘探開發的有利區域之一［13］。

長寧頁巖氣勘探區塊大地構造位于四川盆地川南低陡褶皺帶（見圖1），研究區構造主體位于長寧單箱形、長軸背斜構造帶。長寧背斜主體構造的軸部為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°），呈現出東寬西窄的形態，軸部出露的地層為下奧陶統，龍馬溪組地層被剝蝕殆盡（見圖2）；背斜內次級褶皺和斷裂發育，斷裂走向大多為NE—NNW向和NW—NNW向，以逆斷層為主［14］。

圖1 長寧地區構造位置

圖2 研究區龍馬溪組埋深情況

2 儲層差異性對比

2.1 地層發育特征

川南長寧地區五峰組厚幾米到十幾米不等，下部以黑色碳質、硅質頁巖為主，富含筆石，頂部主要為泥質灰巖、介殼灰巖（觀音橋段）。龍馬溪組一段主要發育黑色碳質頁巖和黑色鈣質頁巖，含豐富的筆石和有機質［15-16］（見圖3）。結合前人研究成果，本次研究將龍一段劃分為2個亞段：龍一2亞段以粉砂質頁巖為主；龍一1亞段為優質頁巖發育層段，主要發育黑色碳質、硅質頁巖，局部發育鈣質頁巖，富含筆石，局部裂縫發育，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小層發育碳質、硅質頁巖，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小層多發育碳質頁巖，TOC和含氣量分布穩定，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小層發育碳質頁巖或硅質頁巖，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，但礦物質量分數存在很大差異。前者碳酸鹽礦物質量分數遠遠高于后者，而后者硅質礦物質量分數遠遠高于前者，尤其是石英礦物質量分數差異較大，長石質量分數相差不大，黏土礦物和黃鐵礦質量分數相近。這說明五峰組頁巖礦物組分偏碳酸鹽礦物，龍一1亞段頁巖偏硅質礦物（見圖4），可能與兩者沉積環境差異有關。

表1 長寧地區五峰組與龍一1亞段頁巖礦物組分質量分數

圖4 長寧地區五峰組與龍一1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。頁巖脆性指數越高，則壓裂后儲層造縫能力越強，越容易形成復雜的裂縫網絡，越有利于頁巖氣的勘探開發［18］。國內外學者對頁巖的脆性評價方法有很多，但是沒有一個統一的標準［15，19］。海相頁巖中不同礦物的彈性模量和彈性參數不同。研究發現，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，本文頁巖脆性指數的計算模型為

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

計算發現，長寧地區五峰組頁巖脆性指數均值為45.32%，龍一1亞段脆性指數均值為56.74%。龍一1亞段頁巖脆性指數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

長寧地區五峰組與龍一1亞段頁巖TOC和含氣量結果表明：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）。測試數據顯示：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，以有機質孔為主，其次發育礦物溶蝕孔、草莓狀黃鐵礦晶間有機質孔、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亞段頁巖有機質孔發育特征

3 儲層差異性分析

上揚子地區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］。長寧地區五峰組頁巖沉積水體中下部處于強滯留還原環境，在奧陶紀末期發生一次大規模海平面下降事件［22］，使得五峰組上部觀音橋段演變為貧氧—氧化沉積環境；龍馬溪組早期發生大規模的全球海侵事件，龍一1亞段多處于半滯留缺氧還原的沉積環境（見圖8）。

圖8 長寧地區五峰組與龍一1亞段頁巖Mo-U協變圖（據 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；粉色區域代表金屬顆粒載體作用下的Mo-U協變模式，藍色區域代表正常開放海洋環境中的Mo-U協變模式。

滯留還原的沉積環境有利于有機質的發育［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育風暴搬運的異地生物碎屑灰質泥巖［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，硅質礦物石英發育，而碳酸鹽礦物不如石英穩定，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，五峰組有機質孔隙被壓實坍塌，孔徑較小，而龍一1亞段硅質礦物豐富，物質組成穩定，有利于有機質孔隙的保存。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量分數都遠遠大于龍一1亞段，而龍一1亞段頁巖石英礦物質量分數遠遠大于五峰組。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也相差較大。研究發現，龍一1亞段頁巖脆性指數明顯高于五峰組，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，以有機質孔為主，但兩者孔隙發育特征不同。五峰組頁巖有機質孔多呈長條、扁平狀，孔徑較小；龍一1亞段頁巖有機質孔多呈圓柱、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）長寧地區五峰組多處于強滯留還原環境，而龍一1亞段多處于半滯留缺氧還原環境。沉積環境的不同，最終導致了兩者儲層存在一定差異。總體上，龍一1亞段頁巖儲層優于五峰組，更有利于頁巖氣的勘探開發。