陸相細粒巖儲層質量的控制因素

王金藝 金振奎 王昕堯 任奕霖 程浩 焦盼盼

摘 要 陸相細粒巖儲層與海相細粒巖儲層在物質組成、沉積環境方面差別較大，儲層質量影響因素也不盡相同。以四川盆地下侏羅統為例，利用X射線衍射、氦氣法測孔滲、元素地球化學、有機地化分析、掃描電鏡等多種實驗測試手段，分析陸相細粒巖組成成分、儲層物性特征和空間類型，探討陸相細粒巖儲層質量的主控因素。研究認為，四川盆地下侏羅統細粒巖的主要組成礦物為黏土礦物、石英、碳酸鹽礦物。黏土礦物與石英普遍含量較高，碳酸鹽礦物局部富集。陸相細粒巖層段主要由5種巖石類型組成，包括頁巖、介殼泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖和介殼灰巖。頁巖與介殼泥巖有機質含量較高，物性較好，可作為良好的頁巖氣儲層。陸相細粒巖儲層的儲集空間主要為黏土礦物片間孔和微裂縫。儲層質量主要受沉積環境和成巖作用的影響，與組成成分關系較小。半深湖控制富有機質細粒巖的分布。還原、低鹽度、潮濕、物源充足的沉積環境有利于細粒巖孔隙空間的發育，為儲層的形成提供物質基礎。黏土礦物片間孔在超壓作用下保存下來，為頁巖氣富集提供了儲集空間。

關鍵詞 陸相頁巖；控制因素；成巖作用；壓實作用；四川盆地

第一作者簡介 王金藝，女，1996年出生，博士，沉積學和儲層地質學，E-mail： 574636075@qq.com

通信作者 金振奎，男，教授，E-mail： jinzhenkui@188.com

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

隨著對細粒巖油氣勘探開發的不斷深入，學者們發現我國不僅存在海相細粒巖層系，陸相和海陸過渡相細粒巖層系同樣發育，三者總資源量達25.08×1012 m3，且資源量基本相當，各占三分之一[1?5]。前人通過老井復查和重新評價，在四川盆地元壩、涪陵、建南地區下侏羅統陸相細粒巖層位大安寨段、東岳廟段均獲得良好的頁巖油氣顯示和工業氣流[6]。

細粒沉積物指的是顆粒直徑小于0.062 5 mm的泥和粉砂級沉積物，包括長英質礦物、黏土礦物、碳酸鹽礦物和有機物[7?8]。細粒巖包括泥巖和細粉砂巖，其中頁巖為頁理（水平層理）發育的泥巖。學者們通過研究海相細粒巖儲層孔隙類型和微觀結構，分析了海相頁巖儲層的控制因素，其認為富有機質頁巖孔隙主要為有機孔和黏土礦物片間孔，其中有機孔主要受TOC含量控制，而黏土礦物片間孔受黏土礦物含量控制，且都呈正相關[9?11]；Ross et al.[12]認為頁巖氣儲層中黏土礦物具有較高的微孔隙體積和較大的比表面積，與前人研究海相頁巖儲層取得的結論相似；徐杰等[13]研究鄂爾多斯延長組陸相頁巖儲層時發現，有機碳含量和脆性礦物含量是控制納米級孔隙發育的主要因素。從前人研究成果中不難發現，細粒巖儲層質量可能受組成成分影響，包括黏土礦物、脆性礦物和有機質。

除此之外，Jadoon et al.[14]研究澳大利亞Roseneath和Murteree湖相沉積環境時發現，富有機質頁巖主要發育在風暴浪基面附近的半深湖和深湖環境；楊曉萍等[15]認為沉積環境為儲層的形成提供了基礎條件。同時，非常規儲層之所以低孔低滲，很大程度是由于其獨特的成巖作用決定的，尤其是成巖早期在壓實作用下孔隙快速減小，膠結物占據孔隙空間大幅降低了油氣流動性；耿一凱等[16]通過四川龍馬溪海相頁巖的組成成分和垂向變化，發現自生石英可以抑制地層壓實，從而改善儲集空間；張順[17]根據東營凹陷古近系湖相頁巖油儲層成巖序列與孔隙演化的關系認為溶蝕作用和有機質生烴作用可以增加儲層物性。

由此可見前人在研究細粒巖儲層質量的控制因素時，探討了細粒巖組成成分、沉積環境和成巖作用，但多從單方面和兩方面研究。因此，為準確地確定陸相細粒巖儲層的主控因素，本次研究從陸相細粒巖的組成成分、沉積環境和成巖作用3個方面展開探討，旨在通過分析四川盆地下侏羅統陸相細粒巖儲層質量的主要控制因素，為陸相細粒巖儲層的分布預測和油氣勘探提供理論支撐。

1 研究區概況

四川盆地位于揚子地臺西部，是一個在上揚子克拉通基礎上發展起來的疊合盆地。由川西坳陷、川中隆起、川東高陡和川南低陡4個一級構造單元組成，以西部龍門山，北部米倉上和大巴山，東部齊耀山，南部婁山為界[18?20]（圖1）。四川盆地早侏羅世，龍門山逆沖推覆作用減弱，米倉山—大巴山逆沖推覆運動活躍，導致四川盆地沉積中心由龍門山前緣向米倉山—大巴山轉換。下侏羅自流井組地層是在印支晚幕運動后形成的湖相泥頁巖與粉砂、灰巖互層的半深湖—淺湖沉積，其物源多數來自北部米倉山構造帶。中上侏羅統，盆地湖平面逐漸變淺，盆地內部主要發育河流—三角洲沉積環境。侏羅統陸相細粒巖主要分布在下侏羅統自流井組地層[18，20]。自流井組自下而上可以分為珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段和大安寨段[18?20]。研究區為四川盆地元壩、涪陵地區，地層旋回特征完整。

2 細粒巖成分特征

X射線衍射全巖分析表明，下侏羅統細粒巖主要組成礦物為石英、黏土礦物、碳酸鹽礦物，以及少量的長石和黃鐵礦。其中，石英礦物含量介于15.3%～77.3%，平均值為46.1%；黏土礦物含量介于7.9%～63.7%，平均值為40.6%；碳酸鹽礦物含量介于0～63.8%，平均值為9.3%（圖2）。對各層段進行統計發現，大安寨段石英礦物含量介于19.1%～72.7%，平均值為40.7%；黏土礦物含量介于7.9%～59.6%，平均值為37.40%；碳酸鹽礦物含量介于0～63.8%，平均值為21.9%（表1）。馬鞍山段石英礦物含量介于31.7%～51.3%，平均值為43.0%；黏土礦物含量介于42.2%～55.2%，平均值為47.3%；碳酸鹽礦物含量介于0～22.3%，平均值為9.7%。東岳廟段石英礦物含量介于15.3%～77.3%，平均值為53.1%；黏土礦物含量介于12.7%～63.7%，平均值為42.3%；碳酸鹽礦物含量介于0～27.5%，平均值為3.7%。綜上表明，各層段細粒巖石英礦物和黏土礦物平均含量差異不大，方解石礦物在大安寨段含量最高。整體表現為黏土礦物與石英含量高，碳酸鹽礦物局部富集的特征。

通過巖心、偏光顯微鏡觀察和XRD分析，將研究區細粒巖類型劃分為頁巖、介殼泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖和介殼灰巖（圖3，4）。下侏羅統湖相沉積環境中存在大量瓣鰓類生物，導致介殼灰巖發育。由于陸相沉積環境變化快，陸相巖石非均質性強，介殼灰巖與頁巖頻繁互層。為方便整體敘述，將位于同層段的泥巖、粉砂巖和石灰巖統歸為細粒巖。其中，灰黑色的頁巖則指示了安靜、還原的沉積環境，主要發育于碎屑巖半深湖環境（圖3a）。粉砂質泥巖、粉砂巖分選較好。呈塊狀沉積構造的灰色粉砂巖指示了強水動力條件下的快速沉積（圖3c）。在粉砂巖中也可見交錯層理、韻律層理發育，說明了沉積水動力季節性變化，指示了淺湖灘壩微相的存在（圖3d）。

介殼泥巖中的沉積構造，包括溝槽鑄模、沖刷面、波狀層理和遞變層理的出現，說明介殼泥巖和粉砂質介殼泥巖是在風暴主導的半深湖中沉積的。部分貝殼在淺水湖泊中被風暴破壞，搬運到半深湖，與泥巖一起沉積。風暴侵蝕了底層的地層，可形成不規則的槽模[21]。風暴過后，湖水恢復了平靜。半深湖中的細粒沉積物沉積在貝殼層上，形成一個突變接觸的界面（圖3b）。多重風暴沉積疊加形成介殼泥巖和介殼灰巖互層沉積。

3 細粒巖儲層特征

3.1 細粒巖物性特征

使用氦氣法測量研究區大安寨段細粒沉積巖的孔隙度和滲透率，得到研究區細粒沉積巖孔隙度介于0.92%～8.12%，平均為3.35%，且絕大部分樣品孔隙度在2% 以上；滲透率介于（0.001～33.93）×10-3 μm2，平均為6.83×10-3 μm2。東岳廟段細粒巖孔隙度介于0.55%～6.72%，平均為2.84%。滲透率介于（0.001～1.46）×10-3 μm2，平均為0.51×10-3 μm2。與北美進行商業開采的頁巖孔隙度和滲透率相比（孔隙度為2%～15%，滲透率為（1×10-4～1）×10-3 μm2），研究區細粒巖物性總體適中，為頁巖氣儲集提供了空間[22?23]。四川盆地下侏羅統細粒巖層日產氣0.4～50.7 ×104 m3。

現場含氣量解吸測試數據表明，細粒巖含氣量分布在0.5～5.8 m3/t，平均1.37 m3/t，含氣性較好（含氣量大于1.00 m3/t）。其中，富有機質（TOC大于2.00%）的大安寨段和東岳廟段介殼泥巖和頁巖含氣量最好，含氣量為1.05～5.8 m3/t，平均2.6 m3/t。通過對關鍵鉆井下侏羅統巖心的物性測試分析，細粒巖中灰黑色頁巖孔隙度介于2.37%～5.96%，平均為3.99%，滲透率介于（0.002～7.97）×10-3 μm2，平均為2.83×10-3 μm2；灰黑色介殼泥巖孔隙度介于0.92%～8.12%，平均為2.69%，滲透率介于（0.001～13.83）×10-3 μm2，平均為3.78×10-3 μm2（表2）。根據國家標準GB/T 31483—2015《頁巖氣地質評價方法》富有機質陸相頁巖的孔隙度標準（Φ>2%）、滲透率標準（K>0.1×10-3 μm2）、有機質含量標準（TOC>1%），以及陸相頁巖氣最低工業性氣流量標準（日產氣大于0.5×104 m3），認為下侏羅統頁巖與介殼泥巖可作為良好的陸相細粒巖儲層[24]。

3.2 細粒巖儲層儲集空間的類型及特征

前人依據細粒巖孔隙成因，將細粒巖儲集空間分為粒間孔、粒內孔、有機質孔和裂縫孔隙[23]。為了探討細粒巖儲集空間的形成機理和控制因素，根據陸相細粒巖儲集空間的成因，將下侏羅統細粒巖儲集空間劃分為3大類：無機孔、有機孔和微裂縫。其中，無機孔可細分為粒間孔和粒內孔，粒間孔包括顆粒間孔和粒緣孔，粒內孔分為黏土礦物片間孔、溶蝕孔和少量的莓狀黃鐵礦內孔（圖5）。

在掃描電鏡下可以觀察到常發育于礦物顆粒接觸處的粒間孔，孔徑大小為10 nm～2 μm（圖5a，b）。粒間孔主要形成于同生成巖階段—早成巖階段。在成巖過程中，除了壓實作用會減少粒間孔外，膠結作用也會降低孔隙度。其中，顆粒間孔發育在相互支撐的脆性礦物顆粒間或黏土礦物與脆性礦物之間，呈三角形或不規則多邊形。粒緣孔沿脆性礦物顆粒邊緣分布，可勾勒出脆性礦物形態（圖5b）。主要發育于早成巖階段，連通性較差。

成巖溶蝕孔發育在相對不穩定的長石、碳酸鹽礦物內部，形狀不規則，連通性差，以宏孔為主，直徑為2～5 μm（圖5c）。在中成巖A期，有機質熱成熟產生的有機酸溶蝕長石或碳酸鹽礦物，形成溶蝕孔。

黏土礦物片間孔主要出現在相互支撐的片狀黏土礦物之間，連通性較好，可被黃鐵礦、有機質充填。這種片間孔孔徑一般為10～50 nm，與黏土礦物解理面平行分布（圖5d）。由于黏土礦物抗壓性差，可見彎曲狀的黏土礦物片間孔。陸相頁巖中黏土礦物含量高，故黏土礦物片間孔含量較多，為主要的孔隙類型。

莓球狀黃鐵礦內的孔隙在頁巖與介殼泥巖中普遍存在，這種孔隙多被有機質或自生黏土礦物堵塞，孔徑范圍較廣，一般為10～30 nm。由于莓狀黃鐵礦為缺氧環境下的化學沉積的產物，周圍黏土礦物呈現被壓實的形態。因此，莓球狀黃鐵礦以及它內部的孔隙形成于壓實作用之前的同生成巖—早成巖階段（圖5e）。

有機孔是有機質生烴演化過程中由于烴類的生成和排出而在有機質內部產生的大量孔隙。有機質多為狹長狀或不規則形狀，直徑為30～50 nm，整體連通性較差（圖5f）。在自流井組陸相頁巖中的有機孔很少，僅在富有機質的頁巖和介殼泥巖中出現，觀察不同巖石類型的場發射掃描電鏡FE-SEM大面積拼接圖像，識別各種類型孔隙，并用顏色標記（圖6）。利用ImageJ軟件計算不同巖石類型中的各種孔隙占比。大面積拼接的FE-SEM圖像能夠避免因巖石非均質性導致的孔隙統計結果不準。分析統計結果發現，ImageJ軟件計算的頁巖不同孔隙面孔率與實驗測試得到的孔隙度呈正相關，說明利用場發射掃描電鏡圖像識別配合ImageJ軟件計算孔隙占比的方法，準確可靠（表3、圖7）。利用此方法識別研究區陸相細粒巖中微裂縫、無機孔、有機孔占比。統計發現，無機孔最多，微裂縫次之，有機孔占比最少，不到10%（表3）。這是由于研究區陸相細粒巖中的有機質主要為II2與III型有類型，生油、氣能力較差。無機孔中以黏土礦物片間孔為主。因此，物性較好的介殼泥巖、頁巖發育大量的黏土礦物片間孔和微裂縫。

4 細粒巖儲層質量的主控因素

陸相細粒巖與海相細粒巖形成于不同的沉積環境，且經歷了獨特的成巖作用，其儲層特征差異較大。綜合前人對頁巖儲層質量控制因素的研究方法，從陸相頁巖的組成成分、沉積環境和成巖作用3方面分析陸相頁巖儲層質量的主控因素。

4.1 礦物組成與細粒巖孔隙的關系

石英是細粒巖成分中抗壓能力最強的礦物，可以形成礦物格架，提供粒間孔隙。學者們在北美和四川海相頁巖中皆觀察到支撐粒間孔的石英顆粒[23，25?26]。同時，細粒巖中的石英可以使細粒巖儲層的脆性增加，使其在開發過程中更易壓裂。在下侏羅統細粒巖中的存在以方解石為主要成分的生物殼，既可被溶解形成溶蝕孔，也可在成巖后期發生重結晶作用[27]。黏土礦物對于儲層的影響包括正交細粒巖儲層孔隙比表面積，有利于細粒巖儲層對油氣的吸附；黏土礦物轉化為伊利石，孔體積增加改善儲層空間；黏土轉化作用可以產生石英，石英可以增加巖石的整體脆性[28?29]。通過分析下侏羅統自流井組細粒巖樣品孔隙度與滲透率的相關性可知，二者呈正相關，即孔隙度越大，滲透率越好（圖8）。

但將陸相細粒巖的孔隙度與黏土礦物、石英和碳酸鹽礦物含量進行相關性分析發現，其相關性并不明顯（圖9）。這可能是由于陸相細粒巖巖性變化快，所含礦物類型較多，含量變化大，比海相更為復雜。因此，細粒巖的組成礦物不是控制儲層質量的主要因素。

4.2 有機質與有機孔的關系

細粒巖中的有機質含量是指示生烴潛力的重要指標，控制有機孔的發育。通過下侏羅統細粒巖TOC含量與孔隙度相關性分析可知，隨著TOC含量的增加，細粒巖孔隙度增加，與前人研究結論一致（圖9d）[8?11]。這是因為隨著TOC含量增加，有機孔數量增加，從而影響細粒巖整體孔隙度的增加。

研究發現，下侏羅統細粒巖中的TOC含量較典型海相富有機質頁巖低，有機孔含量較少，僅占總孔隙的10%（表3）。同時，有機質主要為II2與III型，成熟度偏低，生油、氣能力較海相頁巖差[30?31]。TOC與比表面積、孔體積相關性較弱，反映了陸相頁巖有機質內部結構復雜（圖10）。因此，有機質含量并不是控制陸相細粒巖儲層質量的主要因素。

4.3 沉積環境對細粒巖儲層的影響

四川盆地下侏羅統主要發育三角洲、濱湖、淺湖和半深湖相。近物源的元壩地區珍珠沖段主要沉積中砂巖、粉砂巖和砂礫互層，以三角洲平原和前緣亞相為主[18，20]。東岳廟段沉積環境以半深湖相為主，沉積富有機質灰黑色頁巖和介殼泥巖；馬鞍山段發生湖退，湖泊面積減小，沉積環境以濱淺湖為主，主要沉積粉砂巖和灰綠色泥巖；大安寨段四川盆地沉降速率加大，再次發生湖侵，湖平面范圍最大，淺湖—半深湖相發育，沉積厚層頁巖和介殼泥巖。根據上文分析可知廣泛發育于東岳廟段和大安寨段半深湖相的頁巖和介殼泥巖的有機質含量高，物性較好，可作為良好的油氣儲層。因此，半深湖相可為油氣的聚集和保存提供良好條件。

元素地球化學可以有效地指示古環境變化。可通過分析頁巖的地化指標與孔隙結構的關系，探討頁巖儲層形成過程中的沉積環境對儲層的影響。為了避免元素分析的不確定性，利用多種參數分析古環境控制因素，包括古氧化還原環境、古鹽度、古生產力、古氣候和陸源輸入情況。

V/（V+Ni）和Cu/Zn常用來指示古環境氧化還原性。其中，在厭氧環境中V和Ni富集；在富氧條件下，V和Ni相對較少。因此，V/（V+Ni）與氧化性呈負相關[32?33]。Cu和Zn在沉積過程中，隨著環境中氧氣含量的不同，發生沉積分異，Cu/Zn與氧氣含量呈正相關[34]。統計可知，V/（V+Ni）與SBET、VBJH（r=0.67，0.67）呈正相關；Cu/Zn與SBET、VBJH（r=-0.62，-0.57）呈負相關（表4）。這說明孔隙結構受古氧化還原性影響，且還原條件下孔隙比表面積和體積較大。下侏羅統半深湖還原環境的還原性最好，可沉積富有機質的介殼泥巖和頁巖，其黏土礦物含量高，黏土礦物片間孔較多，可為頁巖油氣提供了充足的儲集空間。

在自然水介質中，Sr比Ba遷移的距離更遠。因為當淡水與咸水混合時，淡水中的Ba2+與咸水中的SO24 -結合生成BaSO4沉淀下來；而SrSO4溶解度高，可以運移得更遠并在生物作用下沉淀[35]。隨著水體咸度的增加，MgO 含量增加，Al2O3 含量降低。因此，Sr/Ba和MgO/Al2O3與湖水古鹽度皆呈正比[36]。統計發現，Sr/Ba、100*MgO/Al2O3與SBET（r=-0.50，-0.55）呈負相關，與VBJH（r=-0.51，-0.60）呈負相關。這說明高鹽度的沉積環境會減少儲層空間。相對較高鹽度的湖水適合微生物發育，有助于大量瓣鰓類生物的生存。因此，高鹽度的環境，介殼灰巖大量存在，由于方解石膠結物充填孔隙，導致儲層物性較差。

Ti、Al是典型的陸源輸入標志。陸源元素Al、Ti越高，說明陸源輸入越多[37?40]。研究區下侏羅世Al、Ti與SBET（r=0.88，0.85）呈正相關，與VBJH（r=0.87，0.83）呈正相關，說明陸源輸入越多，孔隙空間越發育。陸源碎屑供給可以提供有機質生產所需的養分，從而有利于有機孔的形成。

P是判別生物生產力高低的重要標志。為了減少陸源輸入的影響，利用P/Ti判別古生產力的大小[39?40]。重晶石含量（BaSO4）與古生產力呈正相關，可以利用Ba/Al判別古生產力的大小[41]。對比生產力與儲集空間的參數關系發現，P/Ti、Ba/Al與SBET（r=-0.31，0.20）關系較弱，與VBJH（r=-0.34，0.11）關系較弱，說明古生產力與孔隙關系較弱。古生產力高，有機質含量高，從而有機質孔增加，孔隙度增加。

Mn 在湖泊中常以Mn2+的形式存在，當湖水中Mn2+達到飽和時，Mn會發生沉淀。因此，穩定的Mn含量指示了相對溫暖潮濕的氣候[42?43]。相反，巖石中的高Mn含量指示了干旱炎熱的古氣候條件；在潮濕氣候條件下，Fe以Fe（OH）3 膠體形式沉淀下來。因此，高Fe/Mn反映了溫暖潮濕的氣候，低Fe/Mn則反映了干旱炎熱的氣候。巖石中的稀土元素總量Σ REE（Σ REE=La+Ce+Pr+Nd+Sm+Eu+Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Yb+Lu）也能指示古氣候條件變化[44]。低ΣREE，表明氣候干旱炎熱，高ΣREE表明氣候溫暖濕潤。統計發現，ΣREE 和Fe/Mn 與SBET（r=0.78，0.64）呈正相關，與VBJH（r=0.73，0.68）呈正相關，說明溫暖濕潤的氣候有利于孔隙空間的形成。沉積環境越潮濕，說明湖水深度越大，黏土礦物含量多且有機質發育，黏土礦物片間孔和有機質孔增加，儲層質量較好。

綜上所述，沉積環境可以影響陸相細粒巖儲集空間的變化。半深湖控制富有機質細粒巖的分布，還原、低鹽度、潮濕和物源充足的沉積環境有利于細粒巖孔隙空間的發育。

4.4 成巖作用對細粒巖儲層的影響

分析研究區YL4井、FY1井大安寨段、東岳廟段黏土礦物組合均為I+I/S+C+K，其中I/S普遍為15%。黏土礦物組合特征及有序I/S礦物的大量出現。同時，下侏羅統富有機質頁巖的鏡質體反射率介于1.20%～2.10%，Tmax普遍大于430 ℃，表明陸相頁巖已進入中成巖B期階段。因此，四川盆地自流井組頁巖成巖演化可劃分為同生成巖階段、早成巖階段A期、早成巖階段B期、中成巖階段A期和中成巖階段B期（圖11）。陸相頁巖在沉積后經歷壓實、膠結、溶蝕、黏土礦物轉化及脫水等一系列成巖作用，不同階段頁巖儲層的孔隙結構是不同的。

4.4.1 不同成巖階段成巖作用對儲層的控制

在同生成巖階段，細粒沉積物沉積后尚未完全脫離上覆水體，沉積物疏松，原生孔隙發育，沉積物孔隙度為60%～80%。在早成巖階段，沉積盆地逐漸沉降，沉積物持續沉積，機械壓實成為這一階段最主要的成巖作用。壓實作用使松散的沉積物被壓實為弱固結—半固結狀態，導致原生粒間孔孔體積減少。巖石孔隙度迅速減少，此時細粒巖的孔隙主要為原生粒間孔。介殼泥巖中的生物介殼在壓實作用下緊密平行排列甚至破裂，同時文石向方解石轉化。

中成巖階段A期，沉積物埋藏深度大于2 000 m，壓實作用強烈，巖石已完全固結。有機質生烴演化和黏土礦物之間的相互轉化是主要的成巖作用。鏡質體反射率Ro 值介于0.50%～1.30%，有機質處于成熟階段，有機酸大量生成，有機質孔的豐度也隨之增加。有機酸溶解長石顆粒和碳酸鹽膠結物，形成溶蝕孔。黏土礦物經轉化作用，析出層間水，形成大量黏土礦物片間孔。細粒巖孔隙度減小速度減緩，下降到5%～10%。中成巖階段B期，沉積物埋藏深度大于4 000 m，鏡質體反射率Ro值介于1.30%～2.00%，有機質已處于高成熟階段，無機孔逐漸減小趨于穩定。有機酸的含量在這一階段降低，酸性減弱，溶蝕作用減弱，膠結作用開始增強。細粒巖可受后期構造作用產生微裂縫。

綜上所述，研究區自流井組經過早成巖階段的壓實作用，孔隙度大幅度降低；中成巖階段A期，隨著有機酸大量生成，有機質孔發育；中成巖階段B期，無機孔趨于穩定，受構造運動影響可形成微裂縫。

4.4.2 欠壓實作用對儲層的影響

利用聲波時差也可以反映巖石孔隙度，聲波時差越高，巖石孔隙度越高[45?48]。分析自流井組頁巖層段的聲波時差與孔隙度關系可知，聲波時差與孔隙度呈較好的正相關，說明聲波時差能夠反映孔隙度的變化（圖12）。通過觀察研究區井位的聲波時差測井曲線發現，隨著地層埋藏深度的增加，聲波時差逐漸降低，但是在下侏羅統產氣層段的聲波時差值普遍較高。下侏羅統2 600 m附近的聲波時差測井曲線幅度與1 000 m以上的曲線幅度相似，說明下侏羅統存在超壓（圖13）。雖然近年來，有學者發現泥頁巖中的有機質會導致聲波時差異常，并建立相應定量公式[49]。Δtfm=（1－ΦT）Δtma+ΦTΔtom。式中：Δtfm為烴源巖骨架聲波時差；ΦT為有機質含量；Δtma為巖石骨架聲波時差，μs/m；Δtom為有機質聲波時差，μs/m。但四川盆地元壩地、涪陵地區下侏羅統泥頁巖整體上有機質含量較低，其中元壩有機質含量平均為1.05%，東岳廟段有機質含量平均為1.56%，涪陵有機質含量為1.36%。較低的有機質含量對聲波時長影響較小，可以忽略不計。

通過野外實測可知，下侏羅統頁巖層厚度為20～30 m，厚度較大，封閉性強。隨著地層埋藏深度的增加，當地層溫度超過100 ℃，細粒巖不僅受機械壓實作用，也受化學壓實作用[50]。化學壓實作用可以增加細粒巖的封閉性，促進超壓的發育。如黏土礦物發生轉化作用所需的K+往往來自于鉀長石或云母的溶解，從而導致細粒巖中的負載顆粒遭到破壞或溶解，細粒巖內部顆粒間的支撐力下降，上覆地層壓力轉移至孔隙流體，從而產生超壓[50]。同時，固態有機質成熟轉化為烴類，導致有機質所承受負載減少，孔隙流體體積膨脹，孔隙流體壓力增加。因此，在細粒巖超壓帶中，孔隙流體由于機械壓實和化學壓實導致的地層致密而不能及時排出，會承受來自上覆巖石骨架的壓力，從而支撐黏土礦物片間孔，使其保存下來，為頁巖氣富集提供有利的儲存空間。

同時，前人研究發現，四川盆地下侏羅統頁巖層段普遍存在超壓。涪陵地區大安寨段頁巖層段壓力系數為1.1～1.4；元壩地區大安寨段，頁巖層段壓力系數為1.33～2.07[51]。這說明壓實作用是控制陸相細粒巖儲層質量的主要作用。超壓帶內的頁巖、介殼泥巖是優質陸相細粒巖儲層。因此，在預測優質頁巖儲層時，可在欠壓實帶內尋找半深湖相灰黑色頁巖和灰黑色介殼泥巖，即為優質儲層部位。

綜上，優質細粒巖儲層主要受兩方面控制，即合適的沉積環境和獨特的成巖作用。二者是富有機質細粒巖儲層形成的必備條件。其中，半深湖控制富有機質細粒巖的分布，還原、低鹽度、潮濕、物源充足的沉積環境有利于細粒巖孔隙空間的發育；細粒沉積物在沉積埋藏過程中經歷的成巖作用，尤其是受到壓實作用的改造，儲層空間發生了巨變，為油氣的儲集提供了有效空間。可在欠壓實帶內尋找半深湖相頁巖，即為有利的勘探位置。

5 結論

（1） 四川盆地下侏羅統細粒巖主要組成礦物為石英、黏土礦物、碳酸鹽礦物，以及少量的長石和黃鐵礦。其中，脆性礦物（石英、長石和碳酸鹽礦物）含量大于50%，黏土礦物與石英在各層段的含量都較高，碳酸鹽礦物則在大安寨段含量最高。

（2） 大安寨段和東岳廟段富有機質頁巖和介殼泥巖物性、含氣性較好，可作為良好的陸相細粒巖儲層。介殼泥巖、頁巖的儲集空間以黏土礦物片間孔、微裂縫和少量有機孔為主。

（3） 下侏羅統細粒巖儲層質量主要受沉積環境和成巖作用控制。半深湖控制富有機質細粒巖的分布，還原、低鹽度、潮濕、物源充足的沉積環境有利于細粒巖孔隙空間的發育，為儲層的形成提供物質基礎。細粒巖儲層中的黏土礦物片間孔在超壓作用下保存下來，為頁巖氣富集提供了儲存空間。提出了預測優質頁巖儲層和有利勘探部位的方法，即首先尋找頁巖欠壓實帶，然后在欠壓實帶中尋找富含有機質的半深湖灰黑色頁巖和灰黑色介殼泥巖。

致謝 審稿專家和編輯部老師的修改意見，極大提高了論文質量，在此表示由衷感謝！

參考文獻（References）

［1］ Jiang F J， Chen D， Wang Z F， et al. Pore characteristic analysis

of a lacustrine shale： A case study in the Ordos Basin， NW China

［J］. Marine and Petroleum Geology， 2016， 73： 554-571.

［2］ 郭旭升，胡東風，李宇平，等. 海相和湖相頁巖氣富集機理分析

與思考：以四川盆地龍馬溪組和自流井組大安寨段為例［J］. 地

學前緣，2016，23（2）：18-28.［Guo Xusheng， Hu Dongfeng， Li

Yuping， et al. Analyses and thoughts on accumulation mechanisms

of marine and lacustrine shale gas： A case study in shales

of Longmaxi Formation and Daanzhai section of Ziliujing Formation

in Sichuan Basin［J］. Earth Science Frontiers， 2016， 23

（2）： 18-28.］

［3］ 楊智，侯連華，陶士振，等. 致密油與頁巖油形成條件與“甜點

區”評價［J］. 石油勘探與開發，2015，42（5）：555-565.［Yang

Zhi， Hou Lianhua， Tao Shizhen， et al. Formation conditions and

“sweet spot” evaluation of tight oil and shale oil［J］. Petroleum

Exploration and Development， 2015， 42（5）： 555-565.］

［4］ 黨偉，張金川，黃瀟，等. 陸相頁巖含氣性主控地質因素：以遼

河西部凹陷沙河街組三段為例［J］. 石油學報，2015，36（12）：

1516-1530. ［Dang Wei， Zhang Jinchuan， Huang Xiao， et al.

Main-controlling geological factors of gas-bearing property of

continental shale gas： A case study of member 3rd of Shahejie

Formation in western Liaohe Sag［J］. Acta Petrolei Sinica，

2015， 36（12）： 1516-1530.］

［5］ 羅鵬，吉利明. 陸相頁巖氣儲層特征與潛力評價［J］. 天然氣地

球科學，2013，24（5）：1060-1068.［Luo Peng， Ji Liming. Reservoir

characteristics and potential evaluation of continental shale

gas［J］. Natural Gas Geoscience， 2013， 24（5）： 1060-1068.］

［6］ 何發岐，朱彤. 陸相頁巖氣突破和建產的有利目標：以四川盆

地下侏羅統為例［J］. 石油實驗地質，2012，34（3）：246-251.

［He Faqi， Zhu Tong. Favorable targets of break through and

built-up of shale gas in continental facies in Lower Jurassic，

Sichuan Basin［J］. Petroleum Geology & Experiment， 2012， 34

（3）： 246-251.］

［7］ Aplin A C， Macquaker J H S. Mudstone diversity： Origin and

implications for source， seal， and reservoir properties in petroleum

systems［J］. AAPG Bulletin， 2011， 95（12）： 2031-2059.

［8］ 姜在興，梁超，吳靖，等. 含油氣細粒沉積巖研究的幾個問題

［J］. 石油學報，2013，34（6）：1031-1039.［Jiang Zaixing， Liang

Chao， Wu Jing， et al. Several issues in sedimentological studies

on hydrocarbon-bearing fine-grained sedimentary rocks［J］. Acta

Petrolei Sinica， 2013， 34（6）： 1031-1039.］

［9］ 蔡蘇陽，肖七林，朱衛平，等. 川南龍馬溪組頁巖儲層特征及主

控因素［J］. 沉積學報，2021，39（5）：1100-1110.［Cai Suyang，

Xiao Qilin， Zhu Weiping， et al. Shale reservoir characteristics

and main controlling factors of Longmaxi Formation， southern Sichuan

Basin［J］. Acta Sedimentologica Sinica， 2021，39（5）：

1100-1110.］

［10］ 曹濤濤，宋之光，王思波，等. 下揚子地臺二疊系頁巖儲集物

性特征及控制因素［J］. 天然氣地球科學，2015，26（2）：341-

351.［Cao Taotao， Song Zhiguang， Wang Sibo， et al. Physical

property characteristics and controlling factors of Permian shale

reservoir in the Lower Yangtze Platform［J］. Natural Gas Geoscience，

2015， 26（2）： 341-351.］

［11］ 郭旭升，李宇平，劉若冰，等. 四川盆地焦石壩地區龍馬溪組

頁巖微觀孔隙結構特征及其控制因素［J］. 天然氣工業，2014，

34（6）：9-16.［Guo Xusheng， Li Yuping， Li Ruobing， et al.

Characteristics and controlling factors of micro-pore structures

of Longmaxi shale play in the Jiaoshiba area， Sichuan Basin

［J］. Natural Gas Industry， 2014， 34（6）： 9-16.］

［12］ Ross D J K， Bustin R M. The importance of shale composition

and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs

［J］. Marine and Petroleum Geology， 2009， 26（6）：

916-927.

［13］ 徐杰，高潮，劉剛. 鄂爾多斯盆地陸相頁巖儲層微觀孔隙結構

特征及發育控制因素［J］. 科技通報，2020，36（2）：17-23.［Xu

Jie， Gao Chao， Liu Gang. Characteristics and controlling factors

of microscopic pore structure of continental shale gas in Ordos

Basin［J］. Bulletin of Science and Technology， 2020， 36

（2）： 17-23.］

［14］ Jadoon Q K， Roberts E M， Henderson B， et al. Lithological

and facies analysis of the Roseneath and Murteree shales， Cooper

Basin， Australia［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering，

2016， 37： 138-168.

［15］ 楊曉萍，趙文智，鄒才能，等. 低滲透儲層成因機理及優質儲

層形成與分布［J］. 石油學報，2007，28（4）：57-61.［Yang

Xiaoping， Zhao Wenzhi， Zou Caineng， et al. Origin of lowpermeability

reservoir and distribution of favorable reservoir

［J］. Acta Petrolei Sinica， 2007， 28（4）： 57-61.］

［16］ 耿一凱，金振奎，趙建華，等. 川東地區龍馬溪組頁巖黏土礦

物組成與成因［J］. 天然氣地球科學，2016，27（10）：1933-

1941.［Geng Yikai， Jin Zhenkui， Zhao Jianhua， et al. Composition

and origin of clay minerals in the Lower Silurian Longmaxi

Formation in eastern Sichuan Basin［J］. Natural Gas Geoscience，

2016， 27（10）： 1933-1941.］

［17］ 張順. 東營凹陷頁巖儲層成巖作用及增孔和減孔機制［J］. 中

國礦業大學學報，2018，47（3）：562-578.［Zhang Shun. Diagenesis

and mechanism of shale reservoir pore increase and reduction

in Dongying Sag［J］. Journal of China University of Mining

& Technology， 2018， 47（3）： 562-578.］

［18］ 朱彤，王烽，俞凌杰，等. 四川盆地頁巖氣富集控制因素及類

型［J］. 石油與天然氣地質，2016，37（3）：399-407.［Zhu Tong，

Wang Feng， Yu Lingjie， et al. Controlling factors and types of

shale gas enrichment in the Sichuan Basin［J］. Oil & Gas Geology，

2016， 37（3）： 399-407.］

［19］ 朱彤， 包書景， 王烽. 四川盆地陸相頁巖氣形成條件及勘探

開發前景［J］. 天然氣工業， 2012， 32（9）： 23-28.［Zhu Tong，

Bao Shujing， Wang Feng. Pooling conditions of non-marine

shale gas in the Sichuan Basin and its exploration and development

prospect［J］. Natural Gas Industry， 2012， 32（9）： 23-28.］

［20］ 李英強，何登發. 四川盆地及鄰區早侏羅世構造—沉積環境

與原型盆地演化［J］. 石油學報，2014，35（2）：219-232.［Li

Yingqiang， He Dengfa. Evolution of tectonic-depositional environment

and prototype basins of the Early Jurassic in Sichuan

Basin and adjacent areas［J］. Acta Petrolei Sinica， 2014， 35

（2）： 219-232.］

［21］ Whitaker J H M.‘ Gutter casts， a new name for scour-and-fill

structures： With examples from the Llandoverian of Ringerike

and Malm?ya， southern Norway ［J］. Norsk Geologisk

Tidsskrift， 1973， 53： 403-417.

［22］ 張林曄，李鉅源，李政，等. 北美頁巖油氣研究進展及對中國

陸相頁巖油氣勘探的思考［J］. 地球科學進展，2014，29（6）：

700-711.［Zhang Linye， Li Juyuan， Li Zheng， et al. Advances

in shale oil/gas research in North America and considerations on

exploration for continental shale oil/gas in China［J］. Advances

in Earth Science， 2014， 29（6）： 700-711.］

［23］ Loucks R G， Reed R M， Ruppel S C， et al. Spectrum of pore

types and networks in mudrocks and a descriptive classification

for matrix-related mudrock pores［J］. AAPG Bulletin， 2012， 96

（6）： 1071-1098.

［24］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準

化管理委員會. GB/T 31483—2015 頁巖氣地質評價方法

［S］. 北京：中國標準出版社，2015. ［General Administration of

Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the Peoples

Republic of China， Standardization Administration of the Peoples

Republic of China. Geological evaluation methods for

shale gas［S］. Beijing： Standards Press of China， 2015.］

［25］ Liang C， Jiang Z X， Zhang C M， et al. The shale characteristics

and shale gas exploration prospects of the Lower Silurian

Longmaxi shale， Sichuan Basin， South China［J］. Journal of

Natural Gas Science and Engineering， 2014， 21： 636-648.

［26］ Liang C， Jiang Z X， Cao Y C， et al. Sedimentary characteristics

and paleoenvironment of shale in the Wufeng-Longmaxi Formation，

north Guizhou province， and its shale gas potential［J］.

Journal of Earth Science， 2017， 28（6）： 1020-1031.

［27］ 強子同，楊植江，王建民，等. 大安寨石灰巖的成巖作用與成

巖圈閉［J］. 地球化學，1981，10（3）：232-241，318.［Qiang Zitong，

Yang Zhijiang， Wang Jianmin， et al. Diagenesis and diagenetic

trap of Daanzhai limestone［J］. Geochimica， 1981， 10

（3）： 232-241， 318.］

［28］ 趙建華，金之鈞，金振奎，等. 四川盆地五峰組—龍馬溪組含

氣頁巖中石英成因研究［J］. 天然氣地球科學，2016，27（2）：

377-386.［Zhao Jianhua， Jin Zhijun， Jin Zhenkui， et al. The

genesis of quartz in Wufeng-Longmaxi gas shales， Sichuan

Basin［J］. Natural Gas Geoscience， 2016， 27（2）： 377-386.］

［29］ Thyberg B， Jahren J， Winje T， et al. Quartz cementation in

Late Cretaceous mudstones， northern North Sea： Changes in

rock properties due to dissolution of smectite and precipitation of

micro-quartz crystals［J］. Marine and Petroleum Geology，

2010， 27（8）： 1752-1764.

［30］ 黃思欽. 四川盆地陸相烴源巖生物標志化合物特征及應用［D］.

成都：西南石油大學，2016：10-25.［Huang Siqin. Characteristics

and application of biomarkers in terrestrial source rocks of

Sichuan Basin［D］. Chengdu： Southwest Petroleum University，

2016： 10-25.］

［31］ 何柳，蔡忠賢. 涪陵地區大安寨段頁巖地球化學和儲集特征

變化規律［J］. 長江大學學報（自科版），2016，13（32）：7-13.

［He Liu， Cai Zhongxian. The change rule of geochemistry and

reservoir characteristics of shale in Daanzhai section of Fuling

area［J］. Journal of Yangtze University （Natural Science Edition），

2016， 13（32）： 7-13.］

［32］ 李艷芳，邵德勇，呂海剛，等. 四川盆地五峰組—龍馬溪組海

相頁巖元素地球化學特征與有機質富集的關系［J］. 石油學

報，2015，36（12）：1470-1483.［Li Yanfang， Shao Deyong， Lü

Haigang， et al. A relationship between elemental geochemical

characteristics and organic matter enrichment in marine shale of

Wufeng Formation-Longmaxi Formation， Sichuan Basin［J］.

Acta Petrolei Sinica， 2015， 36（12）： 1470-1483.］

［33］ Hatch J R， Leventhal J S. Relationship between inferred redox

potential of the depositional environment and geochemistry of

the Upper Pennsylvanian （Missourian） Stark Shale member of

the Dennis limestone， Wabaunsee County， Kansas， U. S. A.

［J］. Chemical Geology， 1992， 99（1/2/3）： 65-82.

［34］ 梅水泉. 巖石化學在湖南前震旦系沉積環境及鈾來源研究中

的應用［J］. 湖南地質，1988，7（3）：25-31，49.［Mei Shuiquan.

Application of rock chemistry in the study of presinian sedimentary

environment and the source of uranium mineralization in

Hunan province［J］. Hunan Geology， 1988， 7（3）： 25-31， 49.］

［35］ 郭艷琴，余芳，李洋，等. 鄂爾多斯盆地東部石盒子組盒8 沉積

環境的地球化學表征［J］. 地質科學，2016，51（3）：872-890.

［Guo Yanqin， Yu Fang， Li Yang， et al. Geochemical characteristics

of sedimentary environment on He 8 member of Shihezi

Formation in eastern Ordos Basin［J］. Chinese Journal of Geology，

2016， 51（3）： 872-890.］

［36］ 田洋，趙小明，王令占，等. 重慶石柱二疊紀棲霞組地球化學

特征及其環境意義［J］. 沉積學報，2014，32（6）：1035-1045.

［Tian Yang， Zhao Xiaoming， Wang Lingzhan， et al. Geochemical

characteristics and its paleoenvironmental implication of

Permian Qixia Formation in Shizhu， Chongqing［J］. Acta Sedimentologica

Sinica， 2014， 32（6）： 1035-1045.］

［37］ Schwarzkopf T A. Model for prediction of organic carbon content

in possible source rocks［J］. Marine and Petroleum Geology，

1993， 10（5）： 478-492.

［38］ Xu Q， Liu B， Ma Y S， et al. Controlling factors and dynamical

formation models of lacustrine organic matter accumulation for

the Jurassic Da'anzhai member in the central Sichuan Basin，

southwestern China［J］. Marine and Petroleum Geology， 2017，

86： 1391-1405.

［39］ Algeo T J， Kuwahara K， Sano H， et al. Spatial variation in sediment

fluxes， redox conditions， and productivity in the Permian‐

Triassic Panthalassic Ocean ［J］. Palaeogeography， Palaeoclimatology，

Palaeoecology， 2011， 308（1/2）： 65-83.

［40］ Dymond J， Collier R. Particulate barium fluxes and their relationships

to biological productivity［J］. Deep Sea Research Part

II： Topical Studies in Oceanography， 1996， 43（4/5/6）： 1283-

1308.

［41］ Paytan A， Griffith E M. Marine barite： Recorder of variations

in ocean export productivity［J］. Deep Sea Research Part II：

Topical Studies in Oceanography， 2007， 54（5/6/7）： 687-705.

［42］ 師晶，黃文輝，呂晨航，等. 鄂爾多斯盆地臨興地區上古生界

泥巖地球化學特征及地質意義［J］. 石油學報，2018，39（8）：

876-889.［Shi Jing， Huang Wenhui， Lü Chenhang， et al. Geochemical

characteristics and geological significance of the Upper

Paleozoic mudstones from Linxing area in Ordos Basin［J］. Acta

Petrolei Sinica， 2018， 39（8）： 876-889.］

［43］ 宋明水. 東營凹陷南斜坡沙四段沉積環境的地球化學特征

［J］. 礦物巖石，2005，25（1）：67-73.［Song Mingshui. Sedimentary

environment geochemistry in the Shasi section of southern

ramp， Dongying Depression［J］. Journal of Mineralogy and Petrology，

2005， 25（1）： 67-73.］

［44］ 陳亮，劉春蓮，莊暢，等. 三水盆地古近系下部湖相沉積的稀

土元素地球化學特征及其古氣候意義［J］. 沉積學報，2009，27

（6）：1155-1162.［Chen Liang， Liu Chunlian， Zhuang Chang，

et al. Rare earth element records of the Lower Paleogene sediments

in the Sanshui Basin and their paleoclimate implications

［J］. Acta Sedimentologica Sinica， 2009， 27（6）： 1155-1162.］

［45］ 陳荷立，湯錫元. 試論泥巖壓實作用與油氣初次運移［J］.

石油與天然氣地質，1981（2）：114-122.［Chen Holi， Tang Hsiyuan.

A study of clay compaction and primary migration of oil

and gas［J］. Oil & Gas Geology， 1981（2）： 114-122.］

［46］ 羅群. 泥巖壓實動態分析法定量評價石油初次運移［J］. 石油

勘探與開發，2002，29（2）：71-73.［Luo Qun. Quantitatively

evaluating hydrocarbon primary migration by mudstone compaction

dynamic analysis［J］. Petroleum Exploration and Development，

2002， 29（2）： 71-73.］

［47］ Magara K. Compaction and fluid migration： Practical petroleum

geology［M］. Amsterdam： Elsevier， 1978.

［48］ Luo X R， Wang Z M， Zhang L Q， et al. Overpressure generation

and evolution in a compressional tectonic setting， the southern

margin of Junggar Basin， northwestern China［J］. AAPG

Bulletin， 2007， 91（8）： 1123-1139.

［49］ 李超，張立寬，羅曉容，等. 泥巖壓實研究中有機質導致聲波

時差異常的定量校正方法［J］. 中國石油大學學報（自然科學

版），2016，40（3）：77-87. ［Li Chao， Zhang Likuan， Luo

Xiaorong， et al. A quantitative method for revising abnormally

high sonic data in rich-organic rock during compaction study

［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural

Science）， 2016， 40（3）： 77-87.］

［50］ 李超，羅曉容，張立寬. 泥巖化學壓實作用的超壓響應與孔隙

壓力預測［J］. 中國礦業大學學報，2020，49（5）：951-973.［Li

Chao， Luo Xiaorong， Zhang Likuan. Overpressure responses

for chemical compaction of mudstones and the pore pressure pre‐

diction［J］. Journal of China University of Mining & Technology，

2020， 49（5）： 951-973.］

［51］ 朱彤. 四川盆地陸相頁巖油氣富集主控因素及類型［J］. 石油

實驗地質，2020，42（3）：345-354.［Zhu Tong. Main controlling

factors and types of continental shale oil and gas enrichment in

Sichuan Basin［J］. Petroleum Geology & Experiment， 2020， 42

（3）： 345-354.］