川南天宫堂构造带五峰组—龙马溪组页岩不同纹层内部结构差异及其控制机理

Structural differences of shale laminae and their controlling mechanisms in the Wufeng-Longmaxi Formations in Tiangongtang, southwestern Sichuan

摘要

天宫堂地区位于四川盆地南部,发育大规模沉积稳定性与连续性好的海相页岩,是页岩气勘探开发的热点地区。本研究以五峰组-龙马溪组纹层状富有机质页岩为对象,基于岩心尺度描述与大薄片观察,系统分析了页岩纹层的发育特征,并对纹层组合进行了分类与定量表征。通过有机地球化学、矿物学、岩石学、孔隙结构和场发射扫描电镜等分析,表征了页岩的孔隙结构,揭示了页岩的储集物性特征。结合纹层分析结果,揭示了不同类型纹层组合内部结构差异及其控制机理。研究表明,川西南缘天宫堂构造五峰-龙一1亚段页岩主要发育递变型、块状型和砂泥互层型3类纹层组合。递变型纹层组合页岩和互层型纹层组合页岩水平渗透率远高于块状型页岩,块状型页岩的垂直渗透率最高,整体递变型纹层组合页岩物性最好。且三者孔体积和微孔比表面积均呈现由递变型纹层组合页岩、块状型页岩到互层型纹层组合页岩递减的趋势。受沉积环境和成岩作用的共同控制,具有较高TOC和发育有机质-黏土纹层的递变型纹层组合页岩相较于具有较低TOC和发育厚粉砂纹层组和黏土纹层为主的泥纹层组的互层型纹层组合页岩,有效孔隙空间更大,孔隙连通率更高,表现为孔体积更大。而相对较高的有机质含量和无序的矿物孔粒组合排列共同导致块状型页岩有效储集空间优于砂泥互层型纹层组合页岩,而劣于递变型纹层组合页岩。

关键词

细粒沉积岩 / 纹层结构 / 孔隙结构 / 储层特征 / 天宫堂地区 / 五峰组-龙马溪组

Key words

fine-grain sedimentary rocks / laminar structure / pore structure / reservoir characteristics / Tiangongtang area / Wufeng-Longmaxi Formations

0 引言

页岩气作为一种清洁能源,已被广泛认为是保障国家能源供应安全重要战略性接替能源^[1⇓-3]。四川盆地海相页岩气勘探潜力巨大,是全球海相盆地页岩气勘探开发的典范。上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩具有厚度大、品质优等特点,是目前我国页岩气勘探开发的主力层段^[4⇓⇓-7]。自2012年以来,我国先后在四川盆地及其周缘地区设立了长宁—威远、涪陵、昭通等国家级页岩气示范区。随着页岩气基础地质理论不断发展、勘探开发技术不断进步,我国已发展成为世界上第二大页岩气生产国^[8]。在川南地区五峰组—龙马溪组中浅层(埋深<3 500 m)页岩气实现规模效益开发的同时,正逐步向深层(埋深在3 500~4 500 m),甚至是超深层(埋深>4 500 m)新领域迈进^[9⇓⇓-12]。

纹层是沉积序列中最小肉眼可识别层,可以组合成相对整合的、具有成因联系的纹层序列,构成纹层组或层^[13]。纹层沉积后会经历漫长的成岩转化过程,识别和区分页岩纹层的类型与成因机制,一直是页岩沉积与储集特征分析的热点和难点。页岩纹层发育特征可以通过岩心观察、成像测井、大薄片扫描、偏光显微镜和扫描电镜等技术,结合ImageJ、MatLab等图像处理软件,从定性到定量、宏观到微观多尺度进行研究。如采用MatLab软件对湖相页岩的薄片图像进行处理,对纹层数量、厚度、厚度差异和连续性,以及纹层构成颗粒的数目、大小、分选度、磨圆度、垂向分布均匀度和整体分布均匀度等结构和形态参数进行提取,以及采用数字钻孔摄像技术、岩心拍照、扫描电镜和PCAS(Particle and Crack Analysis System)软件分别表征分米、厘米、毫米和10微米尺度的页岩纹层、纹层组或层^[14⇓-16] 。施振生等^[17⇓-19]根据结构和层理特征,对川南地区长宁双河剖面龙马溪组页岩进行了系统研究,识别出2种纹层(泥纹层和粉砂纹层)、2种纹层组(泥纹层组和粉砂纹层组)和2种层(递变层和均质层),以及5大类层理(块状层理、递变层理、韵律层理和年纹层、水平层理和交错层理)。

随着页岩油气勘探开发的深入,纹层发育特征及其对储层物性的影响越来越受到重视。根本原因是页岩纹层发育特征可反映储层非均质性,与矿物组成、孔隙特征和微裂缝展布等密切相关,从而控制着页岩的储集物性特征^[20],进而影响页岩油气的富集机制^[21-22]。然而在海相页岩储层的研究中,针对具有不同纹层结构页岩的储集性能差异的关注相对较少^[23]。部分学者利用扫描电镜与气体吸附实验等,对比不同纹层类型页岩中孔隙类型和结构的差异,并且从矿物组分和沉积构造两个方面进行了解释^[17,24-25]。

总体而言,前人研究多停留在纹层识别或储层表征的单方面研究,对于二者关系的探究相对较少,未能在查明页岩纹层发育特征的基础上,精细表征微观尺度的孔隙特征,进而研究不同纹层及纹层组合对页岩储层物性的影响。基于此,笔者以川西南天宫堂地区纹层型页岩储层为研究对象,结合岩心描述、大薄片扫描、偏光显微镜和X-射线衍射实验(XRD),从宏观尺度到微观尺度,系统研究了Y206井五峰组—龙一₁亚段各小层页岩纹层、纹层组合类型及其发育特征。与此同时,利用脉冲法渗透率测试、低温氮气(N₂)和二氧化碳气体(CO₂)吸附实验、高压压汞实验和氩离子抛光扫描电镜(FE-SEM),精细表征了不同纹层组合页岩的储集空间特征,分析其在微观孔隙结构、孔隙度和渗透率上的差异。在此基础上,综合分析了不同纹层组合控制下页岩内部结构的差异及其控制机理,以期为研究区层状页岩储层勘探开发提供依据。

1 地质背景

四川盆地位于上扬子板块西北缘,是经历了多期构造演化的叠合盆地^[26-27]。根据其形成和构造演化特征,可划分为川北低缓构造带、川中平缓构造带、川东高陡构造带、川西低陡构造带、川西南低褶构造带和川南低陡构造带(图1)。晚奥陶世—早志留世,受都匀运动和广西造山运动的影响,四川盆地及其邻近地区形成了被川中隆起、黔中隆起和江南隆起所包围的“三隆夹一坳”的古地理格局^[28⇓-30]。使得川东南、鄂西渝东地区从具有广海特征的海域转变成被隆起所围限的局限浅海,形成低能、缺氧的沉积环境^[31-32]。

天宫堂构造位于川西南低褶构造带,整体为不对称的箱状背斜(图1a^[33])。构造主体轴向为NW,轴线略呈反“S”形延伸,北部发育有鼻状构造,南西部发育的鹰草湾构造为断裂复杂带^[34],构造整体呈北东翼陡、南西翼缓的特征^[33]。由于主体远离控盆断裂,天宫堂构造未被断裂破坏,构造变形较弱。研究区五峰组—龙马溪组页岩现今埋深多介于2 000~6 000 m,主要为深水-浅水陆棚相沉积^[35]。岩性以泥灰岩、粉砂质泥岩和页岩为主。纹层和块状层理发育,笔石、腕足、腹足、头足类和硅质远洋浮游生物等较为常见^[36]。

五峰组与下伏宝塔组不整合接触,龙马溪组与五峰组整合接触,根据岩性和电性特征,龙马溪组自下而上可依次分为龙一段和龙二段,龙一段可进一步划分为龙一₁亚段和龙一₂亚段(图1b)。目前川南地区页岩气商业开发的主力产层位于五峰组和龙一₁亚段下部。

2 样品与实验

岩心样品取自川西南缘天宫堂构造Y206井(图1),取样层位涵盖五峰组和龙一₁亚段。其中,五峰组厚6.1 m,龙一₁亚段厚41.5 m。首先,对岩心样品切割和抛光处理后,进行精细描述。之后,对五峰组(s8),龙一₁亚段下部(s5-s7)和龙一₁亚段上部(s1-s4)共8块典型样品进行一系列实验分析(表1^[37])。具体为,制备垂直于层理面的大薄片(4 cm×4 cm),使用奥林巴斯(北京)DSX1000型号3D超景深数字显微镜,放大5×70倍后分别在单偏光和正交偏光下开展了岩心剖面图片采集,并利用Adobe PhotoshopCS5进行了拼接合成。通过调节亮度和对比度,实现了页岩纹层与微裂缝发育特征观察和相关数据统计(如泥级颗粒和粉砂颗粒占比)。制作了1 cm×1 cm×0.5 cm的岩块,进行氩离子抛光,用于TESCAN CLARA场发射扫描电镜观察。每块样品沿层理方向和垂直层理方向分别钻取ϕ25 mm×25 mm和ϕ25 mm×45 mm的柱样,分布用于平行和垂直层理渗透率的测试。渗透率测试仪器为PDP-200型气体渗透率测量仪,测量范围0.000 01~10 mD。采用氮气作为工作介质,本实验围压为3.447 5 MPa。主要参考标准为GB/T 29172—2012《岩心分析方法》。运用Micromeritics ASAP2460和AutoPoreIV9500孔隙分析仪对柱塞样的孔隙度进行系统分析。利用余样制备粉末样品,用稀盐酸处理去除无机碳后,运用力可Leco CS844碳硫分析仪进行了总有机碳(TOC)测定。其余未处理的余样运用日本理学Smart Lab SE X射线衍射仪分析了全岩矿物和黏土矿物组成。

3 纹层发育特征

有关细粒沉积的纹层研究,国外学者较为重视纹层的形态、连续性和几何关系等属性^[38],而国内学者多强调纹层的矿物组成、粒度变化和界面接触关系^[17,23]。针对海相纹层的研究,需要提取的关键属性主要包括结构、沉积构造和组成^[18]。

3.1 纹层组成

纹层组成的关键属性包括有机质和矿物含量。天宫堂地区五峰组—龙一₁亚段页岩样品主要发育硅质纹层、黏土纹层、钙质纹层和有机质纹层4类(表1)。钙质纹层颜色介于硅质纹层和黏土质纹层之间,主要成分为方解石和白云石,单偏光下呈亮白色,正交偏光下偏黄色(图2a-c),碳酸盐含量>50%(平均61.6%),黏土含量较低(不足30%),纹层界面清晰度较差,粒度在中泥级。硅质纹层颜色较浅,主要成分为石英和钠长石,单偏光下主要呈白色、灰白色,正交偏光下呈一级灰干涉色(图2d-f),石英含量平均为45.9%,硅质矿物(石英+长石)含量>50%(平均58.2%),与其余纹层的分界清晰,粒度通常在中-细泥级。黏土纹层颜色较深,单偏光下呈深灰色,正交偏光下呈褐色(图2b,c),主要成分是黏土矿物,平均含量>50%,主要由绿泥石和伊利石组成(表1),纹层界面模糊,粒度通常在细泥级,常与硅质或钙质纹层紧密叠置。有机质常与黏土矿物共同形成黏土-有机质复合纹层,在单偏光和正交偏光下均呈黑色 (图2e,f),放大至纳米级别时偶见镜质体或丝状体等显微组分。

3.2 纹层结构

纹层结构主要由纹层的颗粒粒径决定。按照结构可将页岩纹层划分为泥纹层和粉砂纹层两大类:泥纹层主要由粒径<31.2 μm的泥级颗粒组成^[17],含量>50%;粉砂纹层由粒径分布在31.2~62.5 μm的粉砂级颗粒组成,含量>50%。光学显微镜下,泥纹层颜色较深,也常被称作暗纹层;粉砂纹层颜色较浅,常被称作亮纹层。而多条物质组成、结构和几何关系均相似且相互整合纹层又构成粉砂纹层组合和泥纹层组合^[19]。

选取典型纹层状页岩样品的大薄片照片,利用Image J软件将照片转化为灰度图像并进行高斯滤波处理,将滤波后的图像二值化,对纹层的颗粒粒径进行提取,确定粉砂纹层和泥纹层,利用灰度曲线分别对粉砂纹层组和泥纹层组厚度、密度等特征进行定量表征(图3)。统计结果表明,泥纹层组厚度分布在0.03~0.36 cm,平均为0.18 cm,纹层组发育密度为3.60条/cm;粉砂纹层组厚度分布在0.02~0.18 cm,平均0.08 cm,纹层组发育密度为3.55条/cm。

3.3 纹层组合及其分布

纹层构造的主要特征包括纹层形态、连续性和叠置关系,其中纹层形态可分为板状、弯曲状和波状,纹层连续性包括连续型和断续型(非连续型),纹层叠置关系则包括平行和非平行。研究区五峰组—龙一₁亚段页岩纹层、纹层组主要特征为连续平行板状,泥纹层组与粉砂纹层,或泥纹层组与粉砂纹层组相互叠置,依据其叠置关系和粒序又可详细划分为砂泥递变型和砂泥互层型纹层组合。其中,砂泥递变型纹层组合又可划分为正递变纹层组合即颗粒粒度由底部向上变细,和反递变纹层组合即颗粒粒度由底部向上变粗(图4)。此外,五峰组还发育有纹层不明显的块状型页岩。

龙一₁亚段典型样品中,s1和s4页岩纹层组合类型主要为砂泥互层型(图5a,d和图6a,c),由粉砂纹层和泥纹层叠合构成,岩心剖面与大薄片观察均可见连续平行板状的粉砂纹层与泥纹层呈亮暗纹层相间分布,二者多呈突变接触,界面清晰可辨。砂泥互层型纹层组合主要发育在龙一₁亚段上部,反映沉积时期水动力条件变强,陆源碎屑增多。s2,s3和s5-s7纹层组合类型主要为砂泥递变型纹层组合(图5b,c,e,f,g和图6b,d,e),岩心剖面可观察到明显的层状构造,单偏光与正交偏光的大薄片观察均可见不同组合界面内粒度呈现单向变化的特征,底界清晰,顶界相对模糊。砂泥递变型纹层组合主要发育在龙一₁亚段下部,反映沉积时期水动力弱,陆源碎屑输入较少。s2和s7为正递变型纹层组合,粉砂纹层组底部与下伏泥纹层突变接触(图5b,g),界限清晰,呈平直、平行连续,板状,由底部到顶部粉砂质颗粒逐渐减少,泥质颗粒含量增加,逐步过渡到泥纹层为主导。s3为反递变纹层组合,粉砂纹层组顶部与上覆泥纹层呈突变接触(图5c,6b),由底部向顶部沉积颗粒逐渐由细变粗,形态与正递变层大致相同,顶界清晰底界模糊,岩心剖面观察由底部至顶部,从明显泥纹层递变为粉砂纹层为主。s8为块状型页岩,未见明显层理,可见团块状黄铁矿发育,主要发育于五峰组(图5h,6f)。

4 不同纹层组合储层特征

4.1 孔隙类型

场发射扫描电镜结合矿物能谱可以精细观察和表征页岩的微观孔隙结构与孔隙类型。Y206井五峰组—龙一₁亚段页岩非均质性强,孔隙类型复杂,形状各异,尤其是有机质孔的发育程度和发育特征存在巨大差异(图7)。各类纹层组合页岩样品均可见有机质发育,多呈团块状或条带状分布(图7a-c)。互层型纹层组合页岩样品中很少观察到有机质孔隙,部分样品可在扫描镜下观察到有机质微裂缝(图7a,b)。递变型纹层组合页岩样品中有机质发育大量保存较好的原生有机质孔隙或生排烃作用产生的气泡孔^[39],大多数呈椭圆形,孔径主要分布在10~300 nm的区间内,密集发育的有机质孔隙相互连通,形成更为复杂的网络体系,增强了孔隙结构的非均质性,并为页岩气的吸附和储集提供了丰富空间(图7c,d),部分有机质孔发育在充填于黄铁矿晶间孔的有机质中。块状型页岩内部有机质主要呈分散块状发育,主要赋存于方解石或石英矿物颗粒之间,内部可见少量原生有机质孔隙,孔径可达微米级,孔隙形状不规则,孔隙连通性较差。

无机质孔包括粒内孔和粒间孔,常见的粒内孔包括球粒或黏土集合体内的孔隙或黄铁矿集合晶间孔隙,尺度在10 nm~10 mm,呈椭圆形或近圆形;粒间孔主要是颗粒间、晶间或黏土矿片间的孔隙,尺度在100 nm~10 mm,呈三角形、多边形或狭缝形^[40]。黏土矿物孔是发育最广泛的粒间孔,也是无机质孔最重要的组成部分。五峰组—龙一₁亚段页岩因埋深较深,压实作用强烈,脆性矿物较少的部位,孔隙容易受外力挤压导致变形或闭合,表现为镜下常观察到黏土矿物间孔隙多呈无序片状或狭缝状分布(图8a)。溶蚀孔是五峰组—龙一₁亚段页岩较为常见的粒内孔(图8b),主要形成于长石、方解石等易溶矿物中,形成不规则,发育尺度变化较大,其形成条件主要与埋藏深度和酸性溶液有关。图8c所示为黄铁矿晶间孔,其形状似菱形,发育在黄铁矿晶体之间,有时会被矿物碎屑或沥青质所充填,在各个小层的页岩中均有被观察到。除此之外,部分样品(如s2和s5)还发育一定量的微裂缝(图8d),这也是造成二者水平渗透率较高的原因。微裂缝宽度在几纳米到几十纳米之间,长度可达几十纳米到数百微米,可发育在无机矿物或有机质内部,也可发育在二者之间,很大程度上增强了页岩孔隙的连通性。

整体而言,无机孔隙在所有样品中均有发育,在粉砂质纹层占比较大的互层型纹层组合页岩中,无机质孔普遍为孤立孔隙,连通性较差(图8b,c);在泥质纹层占比较大的递变型纹层组合中,有机孔的发育促进无机孔,特别是黏土矿物相关孔隙与有机孔的相互连通,有利于形成较好的储集空间(图7c)。

4.2 孔径分布

国际理论和应用化学联合会(IUPAC)将孔隙按孔隙直径的大小划分为微孔(d<2 nm)、中孔(d=2~50 nm)和宏孔(d>50 nm)^[41]。研究利用低温CO₂和N₂吸附与高压压汞实验对页岩样品的孔体积、比表面积和孔径分布进行了精细表征 (表2)。如图9所示,页岩孔体积分布在0.007 03 ~0.040 09 cm³/g,平均0.022 28 cm³/g;表面积分布在4.344 8 ~18.777 9 m²/g,平均为13.257 9 m²/g。中孔孔体积占比平均可达47.4%,微孔孔体积和宏孔孔体积的占比分别为23.9%和28.7%,表明中孔是五峰组—龙马溪组页岩储集空间的主要贡献者,微孔比表面积占比平均高达83.2%,表明五峰组—龙马溪组页岩发育大量微孔(图9c,d)。整体而言,龙一₁亚段递变型纹层状页岩的孔体积和比表面积高于互层型纹层页岩和五峰组块状型页岩(图9a,b)。

如图10所示,页岩孔体积增量与孔径分布关系的曲线在微孔阶段整体呈现出三峰型特征,峰值孔径主要分布在0.6、0.9和1.3 nm处。中孔阶段整体呈现多峰分布,且主要孔径分布于20~50 nm范围内,对应的最大体积增量为0.006 85 cm³/g。此外,块状型页岩在中孔阶段峰值孔径较纹层状页岩更小,如块状页岩中孔体积增量第一个峰值孔径与最高峰值孔径分别位于2和20 nm,而纹层状页岩分别位于5和30~40 nm。宏孔阶段大微米级的孔隙可能与样品内部天然微裂缝发育和试样制备或干燥过程中造成的裂缝有关。

4.3 物性特征

通过对天宫堂地区五峰组—龙一₁亚段不同纹层组合页岩孔隙度及渗透率进行分析和对比(表2),递变型纹层组合页岩/块状型页岩和互层型纹层组合页岩平均孔隙度分别为5.13%、4.31%和2.87%,平均水平渗透率为0.619、0.003 5和0.023 3 mD,平均垂直渗透率为0.001 5、0.002 4和0.000 13 mD。整体来看,递变型纹层组合页岩的孔隙度和水平渗透率最高,块状型页岩的垂直渗透率最高,孔隙度和水平渗透率低于递变型纹层组合,而互层型页岩水平渗透率远高于块状型页岩,孔隙度和垂直渗透率较前两者最差。

对比递变型纹层组合页岩、块状型页岩和互层型纹层组合页岩3种类型页岩样品的孔隙结构特征,三者微孔体积、中孔体积、宏孔体积、微孔比表面积和中孔比表面积均呈现递减的趋势。递变型纹层组合页岩样品微孔与中孔占比之和最高,平均为72.7%;其次为互层型页岩样品,平均占比为71.3%;块状型页岩最低,为63.9%。

通过薄片、扫描电镜观察、低温气体吸附和高压压汞实验综合分析,可以发现递变型纹层组合页岩、块状型页岩和互层型纹层组合页岩样品的孔隙结构和物性存在显著差异,递变型纹层组合页岩样品的孔隙结构和连通性最优,块状型页岩样品次之,互层型纹层组合页岩样品最差。

5 纹层组合成因及控储机理

5.1 不同纹层组合成因分析

海相页岩纹层单个纹层厚度薄,形成时间较短,多个纹层相互叠置构成纹层组合,不同的纹层组合代表特定的沉积条件。因此,对于页岩纹层的成因机制,以不同纹层组合去分类分析。

如图11所示,五峰组—龙一₁亚段页岩块状型纹层组合主要有生物成因和沉积成因,发育于五峰组下部的块状纹层形成于低能、浅水和含氧的沉积环境,喜泥生物对泥质的消耗,及其对原始纹层沉积的扰动,导致原有的纹层结构被破坏,内部可见遗迹化石。而海侵形成的块状纹层主要是在静水条件下悬浮沉积形成,在缺氧的静水环境中,内部无明显生物扰动迹象,纹层界面不可见,主要发育于龙一₁亚段下部。

不同深度的递变型纹层组合页岩内,泥纹层与粉砂纹层的厚度及其厚度比往往出现较大差异,这种差异往往是不同沉积环境及水动力条件造成的。以厚泥纹层为主的递变型纹层组合主要是由陆表海远岸底流搬运沉积形成,纹层多以流水波纹形态,沉积物以粉砂级-砂级絮凝状颗粒为主,以泥纹层为主,粗粒泥纹层与细粒泥纹层组间界面清晰,主要发育于五峰组中上部。以极薄粉砂纹层和厚泥纹层为主的递变型纹层组合可能形成于缺氧、水动力弱、水体深和陆源碎屑输入量极少的半封闭海水环境,同时,适宜的古环境促使微生物藻类勃发,形成富有机质的厚泥纹层与薄陆源粉砂纹层成层组合,其中厚泥纹层组与薄粉砂纹层突变接触,纹层界面清晰,粉砂纹层多为陆源碎屑沉积或黄铁矿,泥纹层组内部存在粒序变化,主要分布在1~3小层^{[16⇓⇓-19]}。

而以厚粉砂纹层和薄泥纹层为主的递变型及互层型纹层组合均形成于间歇性的高能流(浊流、重力流、风暴流等),在携带较大的陆源碎屑的同时,由于间歇性的高水动力破坏了原有的纹层结构,可能使得纹层组底界不清晰,在持续流动一段时间后,随着水体能量减少,又以悬浮沉积为主,在较深的区域沉积泥纹层。因此,在周期性的高能流作用下,形成这两类纹层组合。

总体而言,随着水动力的增强和水体含氧量的增加,纹层组合类型呈现出块状型纹层组合、递变型纹层组合、块状型纹层组合(生物扰动)和互层型纹层组合的变化规律,粉砂纹层厚度呈逐渐增加的趋势。

5.2 纹层组合对储层品质的控制机理

砂泥互层型纹层组合和递变型纹层组合页岩中,硅质、碳酸盐和黏土矿物颗粒水平方向上呈有序排列,这种矿物颗粒架构在压实过程中,形成支撑骨架,有利于原生粒间孔和晶间孔的保存,这些原生孔隙也为生烃阶段迁移有机质提供了良好的赋存空间,有利于有机质孔隙的保存。另一方面,这种矿物颗粒和纹层的定向排列在水平和垂直方向上存在显著的差异,从而导致页岩气与层间水在扩散与流动过程中,更加倾向于横向输送而不是垂向运移^[42],从而造成这两类纹层组合页岩样品在水平方向的渗透率远大于垂向渗透率。块状型页岩内部矿物颗粒的组合排序相较于纹层状页岩定向性较弱,因此在水平与垂向上渗透率的差异相对较小。

砂泥互层型纹层组合页岩主要发育于龙一₁亚段上部,该段地层形成时期随着上扬子板块受到强烈挤压抬升,川中隆起、黔中隆起和雪峰山隆起逐步扩大成为物源区,导致物源输入供给丰富,陆源石英、碳酸盐矿物和黏土矿物含量明显增加,其粉砂纹层组主要为陆源石英纹层组和钙质纹层组,泥纹层组内部主要由黏土纹层为主(图2a-c)。同时研究区及其周缘附近地区海水逐渐变浅,深海区的缺氧环境逐渐遭到破坏,有机质含量降低^[43-44]。递变型纹层组合页岩主要发育于龙一₁亚段的下部,形成于快速海进时期^[45],由于陆源输入量较少和深水区高盐度缺氧环境有利于有机质的保存,生物成因的微晶石英和有机质含量明显增加^[43],泥纹层组主要由有机质-黏土复合纹层和分散于其中的微晶石英颗粒组成 (图2d-f)。成岩过程中,胶结作用对富含硅质矿物和碳酸盐矿物的粉砂纹层影响最显著。白云石和铁白云石充填剩余粒间孔,以及次生加大石英在碎屑石英颗粒表面的生长占据了原始孔隙空间,导致无机矿物孔隙减少和连通性变差^[46]。此外,生烃过程中有机质内部形成大量连通性良好的有机孔和有机质收缩缝,同时有机酸的排出也促进钾长石等铝硅酸盐矿物溶蚀,形成连通性较好的溶蚀孔系,增加了页岩的有效储集空间^[45]。在有机质生成液态烃的同时,黏土矿物伊利石化同时进行着,新生成的伊利石主要以片状形式平行于层理面产出并排列,迁移有机质充填到黏土矿物层间孔中顺层分布,形成大量有机质-黏土纹层,为有机孔的生成提供了良好的发育空间^[47]。综上,具有较高TOC和发育有机质-黏土纹层的递变型纹层组合页岩相较于具有较低TOC和发育厚粉砂纹层组和黏土纹层为主的泥纹层组的互层型纹层组合页岩,有效孔隙空间更大,孔隙连通率更高,表现为孔体积更大。而块状型页岩内部矿物颗粒的无序堆积,为迁移有机质提供了有利的赋存空间,有利于有机质孔的发育,同时有机质和黏土矿物的无序充填造成原始孔隙堵塞。另一方面,混杂的矿物颗粒导致胶结作用在该类页岩内部各处均可能发生,同样造成孔隙堵塞,从而导致有效孔隙空间和孔隙连通性降低。因此,块状型页岩相对较高的有机质含量和无序的矿物颗粒组合排列共同导致该类型页岩有效储集空间优于砂泥互层型纹层组合页岩而劣于递变型纹层组合页岩。

6 结论

(1)川西南缘天宫堂构造五峰-龙一₁亚段主要发育递变型纹层组合页岩、块状型页岩和互层型纹层组合页岩。

(2)递变型纹层组合页岩的孔隙度和水平渗透率最高,块状型页岩的垂直渗透率最高,而互层型页岩水平渗透率远高于块状型页岩,孔隙度和垂直渗透率较前两者最差。

(3)受沉积环境和成岩作用的共同控制,具有较高TOC和发育有机质-黏土纹层的递变型纹层组合页岩相较于具有较低TOC和发育厚粉砂纹层组和黏土纹层为主的泥纹层组的互层型纹层组合页岩,有效孔隙空间更大,孔隙连通率更高,表现为孔体积更大。

参考文献

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基金资助

中国石油天然气集团公司科技攻关项目“深层页岩气有效开采关键技术攻关与试验-深层页岩气开发优化技术现场试验(任务2)”(2019F-31-02)

湖南省科技创新领军人才项目(2023RC1021)