海相富有机质页岩储集层特征、成因类型和机制: 以川南长宁五峰组—龙马溪组为例^*

Characteristics,genetic types and mechanisms of marine organic-rich shale reservoirs: a case study of the Wufeng-Longmaxi Formations in Changning area,southern Sichuan Basin

摘要

以四川盆地南部长宁地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组为例,通过对各井的矿物组分、总有机碳(TOC)含量、孔隙度、含气性和沉积古地貌特征研究,对海相富有机质页岩的储集层成因机制进行分析。研究发现: (1)五峰组主要发育碳酸盐矿物和硅质矿物,页岩TOC含量、孔隙度和含气性均相对较低/较差; 龙马溪组龙一₁亚段下部页岩以硅质矿物为主,TOC含量、孔隙度和含气性均表现最好; 龙一₁亚段上部主要以黏土矿物为主,TOC含量、孔隙度和含气性均较低/较差。(2)将五峰组—龙马溪组海相页岩储集层划分为3个大类: 基质孔隙型储集层、黏土裂缝型储集层和有机孔型储集层,其中基质孔隙型储集层主要发育在五峰组,有机孔型储集层主要发育在龙一₁亚段下部,龙一₁亚段上部则以发育黏土裂缝型储集层为主,研究表明有机孔型储集层孔隙度高、含气性好,是最优质的海相页岩气储集层。 (3)依据残留厚度和补偿厚度印模法, 以下二叠统梁山组底界面为依据绘制出龙马溪组沉积前古地貌格局,通过对龙一₁亚段下部储集层特征与古地貌格局对比, 表明古隆起控制优质烃源岩、斜坡区控制优质储集层, 古隆起与陆源输入联合控制脆性矿物分布。研究提供了一种新的海相富有机质页岩储集层勘探新思路,结果将有助于丰富中国南方海相页岩气富集理论。

Abstract

This study investigates the genetic mechanisms of marine organic-rich shale reservoirs through an integrated analysis of mineral composition,total organic carbon(TOC),porosity,gas content,and sedimentary paleogeomorphology in the Upper Ordovician Wufeng Formation(O₃w)to Lower Silurian Longmaxi Formation(S₁l₁)within the Changning area,southern Sichuan Basin. The results show that: (Ⅰ)Carbonate minerals and siliceous minerals are mainly developed in the O₃w,and the TOC,porosity and gas content of the shale are relatively poor;The shale in the bottom of S₁ l_1^1 is dominated by siliceous minerals,and its TOC,porosity and gas content are the best. The upper S₁ l_1^1 is dominated by clay minerals,and its TOC,porosity and gas content are poor. (Ⅱ)Marine shale reservoirs of O₃w and S₁ l_1^1 can be divided into three categories: matrix-porosity reservoirs(dominant in O₃w,avg. porosity 3.1%),clay-fracture reservoirs(prevalent in lower S₁ l_1^1,avg. porosity 5.8%)and organic-porosity reservoirs(characteristic of upper S₁ l_1^1,avg. porosity 2.3%). Organic-porosity reservoirs represent the optimal marine shale gas reservoirs,characterized by high porosity and excellent gas-bearing capacity. (Ⅲ)The pre-depositional paleogeomorphic pattern of the Longmaxi Formation is drawn based on the bottom interface of the lower Permian Liangshan Formation by the residual thickness and compensation thickness impression method. The comparative study of reservoir characteristics and paleogeomorphic pattern in the bottom of S₁ l_1^1 proves that the paleouplift controls the high-quality source rocks,the slope area controls the high-quality reservoirs,and the distribution of brittle minerals is controlled jointly by the paleouplift and terrigenous input. Comprehensive analysis shows that the high quality shale gas reservoir mainly develops in the paleogeomorphic slope area. This systematic approach advances exploration strategies for marine shale reservoirs and enhances theoretical understanding of shale gas enrichment mechanisms in southern China.

Graphical abstract

关键词

富有机质页岩 / 储集层特征 / 成因类型 / 成因机制 / 古地貌 / 奥陶系 / 四川盆地

Key words

organic-rich shale / reservoir characteristics / genetic types / genetic mechanism / palaeogeomorphology / Ordovician / Sichuan Basin

1 概述

随着中国南方海相页岩气勘探开发取得重大突破,目前四川盆地及其周缘的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组已实现规模有效开发(Chen et al., 2020;邹才能等,2021)。自2012年至今,四川盆地在长宁、威远、昭通、涪陵和威荣等3500 m以浅的页岩气田已获得巨大产量,截至2023年,中国页岩气产量达到250×10⁸ m³/a。同时,中深层领域由中石化部署的金石103HF探井在川南寒武系筇竹寺组获得高产工业气流,日产达到25.86×10⁴ m³,这标志着中国海相页岩气勘探开发迈入新台阶和新领域。因此,深入研究海相富有机质页岩储集层特征和成因类型对推动中国其他地区和其他地层的海相页岩气勘探开发具有重要意义。

海相页岩储集层研究一直以来受到地质学者的广泛关注(Chen et al., 2023;Xiong et al., 2023),现阶段已经明确其是发育以硅质矿物、碳酸盐矿物和黏土质矿物为主且孔隙类型主要为纳米—微米级有机质孔隙的天然气储集层(陈增裕等,2023;任官宝等,2023),并认识到有机质孔是页岩气主要的赋存空间(郭旭升等,2014),也是页岩气藏与其他气藏类型的主要差异之一,目前已经认识到优质页岩储集层与矿物组分(Liu et al., 2022)、岩相类型(Wu et al., 2024)、有机质含量(Feng et al., 2023)和有机质成熟度(Chang et al., 2022)之间均存在联系。然而对于中国南方海相页岩气储集层特征、成因和分布仍然缺乏充分的认识和系统的评价,导致对于海相页岩气储集层的成因机制的认识不够明确,制约了中国海相页岩气储集层进一步的预测及评价。

为明确海相富有机质页岩储集层特征、成因类型及成因机制,本次研究以四川盆地长宁地区五峰组—龙马溪组为例,通过岩石学、沉积学和有机地球化学,结合沉积期古地貌和页岩气勘探开发实践,分析海相富有机质页岩的储集层特征,探讨优质海相页岩储集层的成因类型,明确优质储集层成因机制,通过本次研究以对海相页岩气勘探开发提供理论依据和指导。

2 地质背景

本次研究区域位于四川盆地的南部,研究区涵盖乐山市的南部以及宜宾市的大部分地区(图1-a),构造位置位于川南低陡褶皱带,东部为川湘凹陷断褶带,西部边界为华蓥山断裂,南部为娄山褶皱带(廖梓翔等,2023)。研究区五峰组—龙马溪组埋深较小,大部分地区介于2500~3500 m之间(陈雷等,2023)。

晚奥陶世—早志留世,受全球海平面变化和区域构造活动等地质事件的综合影响,上扬子地区在四川盆地及其周缘逐渐形成了由乐山—龙女寺古隆起、黔中隆起和雪峰隆起等隆起带所夹持的半局限的沉积环境(图1-a)(施振生等,2023),该时期隆凹相间且相对滞留的沉积环境致使水体上下对流受限,沉积物和有机质在停滞缺氧的沉积环境下得到良好的保存,上扬子地区沉积了大套的五峰组—龙马溪组海相富有机质黑色页岩(刘伟等,2012;陈旭等,2017;Chen et al., 2023)。其厚度一般介于40~100 m之间,在四川盆地南部的泸州地区附近和东南部的涪陵—丁山一带最为发育(郭彤楼和张汉荣,2014;陈雷等,2023)。

五峰组在全区主要发育黑色富笔石的硅质页岩和含灰硅质页岩,仅在靠近古隆起的地区发育灰质页岩或粉砂质页岩,该套页岩厚度一般小于10 m(聂海宽等,2017),部分地区在五峰顶部可见发育大量赫南特贝的“观音桥段”,该小层岩性以灰岩和泥质灰岩为主,厚度均小于1 m(王玉满等,2016)。而龙马溪组则以沉积大套的黑色富笔石富有机质页岩为特征(王红岩等,2021),根据电性和岩性特征通常将龙马溪组分为龙一段和龙二段,龙一段以黑色和灰黑色薄层状或块状硅质页岩为主,纹层和裂缝在龙一段大量发育(王高翔等,2022);龙二段自下而上发育灰绿色或黄绿色页岩、粉砂质页岩、泥质粉砂岩或泥质灰岩,相较于龙一段该段自下而上砂质含量有增大的趋势,构成向上变粗序列(蔡苏阳等,2021),而其中龙一段作为现阶段页岩气勘探的主力目标,又划分为龙一₁亚段和龙一₂亚段,并在此基础上将龙一₁亚段划分成4个小层(图1-b)(郭伟等,2022),其中龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层作为最富有机质的层段,是本次研究的重点。

3 海相页岩储集层特征

3.1 矿物组分特征

对长宁地区五峰组—龙马溪组19口评价井的X射线衍射(XRD)全岩分析结果表明,海相富有机质页岩矿物组成成分较为复杂,但主要由硅质矿物(石英+长石)、碳酸盐矿物(方解石、白云石)和黏土矿物组成(图2),其中硅质矿物最为发育,平均含量占比接近50%,达到了49.6%,其次为黏土矿物,平均占比26.9%,碳酸盐矿物相对较少,平均占比为21.7%。

纵向上,以N16井为例,五峰组页岩显示出下部硅质矿物含量高、 向上碳酸盐矿物增多的趋势。进入龙马溪组之后,页岩碳酸盐矿物含量急剧减少,硅质矿物在龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层—龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层底部发育,龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层顶部和龙一 {\mathrm{ }}_1^4小层硅质矿物含量降低,大量发育黏土矿物(图2-a)。黏土矿物—硅质矿物—碳酸盐矿物三端元图表明,五峰组样品大多分布在靠近碳酸盐矿物和硅质矿物一端,硅质矿物端主要为龙一 {\mathrm{ }}_1^1—龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层投点,龙一 {\mathrm{ }}_1^4小层的样品投点则大部分处于3种类型矿物均发育的端元(图2-b)。

平面上,基于龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层页岩矿物组分含量,对石英和黏土矿物2种发育程度较高的矿物类型进行平面展布研究。发现长宁地区石英矿物分布具有明显的分区分带特征,主要在中部地区和东南部地区发育。龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层到龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层有明显的中部和东南部发育程度较低、而西北部发育程度增高的趋势,其中Y06和Y07井附近表现最明显,从龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层石英含量低于30%增加到龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层50%左右的石英含量(图3);黏土矿物总体显示出与石英矿物耦合分布的特征,石英矿物分布高的地区,黏土矿物往往含量相对较低(图3)。总体上,长宁地区龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层黏土矿物发育程度相差不大,均是东南方向最为发育,其次南部从龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层到龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层有明显的发育程度增加的趋势,N40和YS109井及其附近的黏土矿物含量接近30%,其次西南方向的黏土矿物含量也较高,整体上向北黏土矿物含量降低,Y05和Y06井附近均低于10%(图3)。

3.2 有机碳含量特征

有机碳含量是页岩气生烃生气、聚集成藏的重要控制因素之一(Kennedy et al., 2002;赵建华等,2016),本次研究对研究区16口井共计647个页岩样品进行了有机碳含量测定。结果表明,五峰组页岩TOC含量相对龙一₁亚段稍低,最高仅为5.16%,平均含量为2.57%,且只有不到50%的样品TOC含量大于3%;龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层TOC含量在五峰组—龙马溪组处于峰值,该小层平均TOC含量为4.00%,且TOC含量介于1.39%~7.08%之间;龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层TOC含量相差不大,平均TOC含量分别为3.84%和3.87%,且龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层样品TOC含量大部分都处于3%~6%之间; 龙一 {\mathrm{ }}_1^4小层TOC含量最低,平均TOC含量仅为2.21%,且有77%的样品TOC含量小于3%(图4)。

对龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层TOC平面富集情况进行了研究,可以看出龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层长宁东南方N12井和西南方N31井附近均存在TOC含量高点,整体上TOC主要在长宁东部和长宁西南部地区含量较高,长宁西部和长宁北部则TOC含量相对较低; 而到龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层,长宁东部地区高TOC含量区同样存在,此外在长宁西北部Y02井周缘发生TOC含量增加的趋势,成为西北部TOC含量较高区域(图5)。

3.3 储集空间及孔隙度特征

3.3.1 储集空间类型及孔隙结构特征

长宁地区五峰组—龙马溪组富有机质海相页岩储集空间类型较为复杂,通过扫描电镜观察,在研究区页岩中识别出多种成因-形貌类型孔隙,基于产状将孔隙分为残余原生孔隙(图6-b)、不稳定矿物溶蚀孔(图6-a)、微裂缝(图6-c)、黏土矿物层间孔隙(图6-d, 6-e)、有机质孔隙(图6-f,6-g,6-h)和生物孔(图6-i)等。

通过扫描电镜镜下观察发现,不同的矿物组分和有机质含量差异会造成明显的孔隙特征差异(Chen et al., 2022)。龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层的高TOC含量段页岩在有机质演化生气后能够发育更多的有机质孔隙(图6-f至6-h),而富黏土矿物的页岩段则大量发育黏土矿物层间裂缝(图6-d)。

3.3.2 孔隙度特征

长宁地区页岩样品液体饱和法孔隙度测试结果表明: 五峰组平均孔隙度最差,仅为3.74%,且有45%的样品孔隙度小于3%;龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层孔隙度最优,92%的样品孔隙度超过3%,且最高孔隙度为9.71%,平均孔隙度达5.60%;龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层孔隙度较低,平均孔隙度为4.83%,57%的样品孔隙度在3%~6%之间; 龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层孔隙度表现仅次于龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层,平均孔隙度为5.43%,最高孔隙度大于9%,且84%的样品孔隙度大于3%;龙一 {\mathrm{ }}_1^4小层孔隙度同样较低,平均孔隙度为4.44%,其中24%的样品孔隙度小于3%(图7)。

长宁地区龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层高孔隙度发育区主要位于西部Y05井、Y02井周缘以及长宁中部N27井、N01井、N09井、N33井附近区域,龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层高孔隙度区域范围大幅缩减,仅在西北部存在高孔隙度发育区域,N09井周缘孔隙度则有明显降低趋势(图8)。

3.4 含气性特征

依据现场对长宁地区16口井五峰组—龙马溪组1亚段实测含气量数据,通过直线回归计算,长宁地区五峰组页岩含气性最差,平均仅为1.62 m³/t,五峰组样品中,94%的样品含气性小于3 m³/t;龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层含气性最好,平均含气量接近3 m³/t,达到2.99 m³/t,且55%的样品含气量大于3 m³/t;龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层含气性差异不大,平均含气量均大于2 m³/t,分别为2.48 m³/t和2.33 m³/t,2个小层90%以上的样品含气量均大于1 m³/t; 龙一 {\mathrm{ }}_1^4小层含气性同样较差,平均含气量仅为1.64 m³/t,且95%以上的样品含气量小于3 m³/t(图9)。

4 储集层成因类型和分布特征

4.1 储集层成因类型

根据岩心观察、镜下鉴定和全岩衍射结果,在储集空间类型分析的基础上,结合页岩的成岩作用的改造因素,对海相页岩储集层进行成因类型划分,将研究层段页岩储集层划分为基质孔隙型储集层、黏土裂缝型储集层和有机孔型储集层3大类(表1)。

基质孔隙型储集层的储集空间均为常规油气藏中的孔隙类型,对应常见的碎屑岩和碳酸盐岩中的粒内孔、粒间孔和微裂缝等,因此基于孔隙产状和前人对常规储集层的划分基础,将基质孔隙型储集层的储集空间划分为残余原生孔隙(图6-b)、不稳定矿物溶蚀孔(图6-a)和构造微裂缝(图6-c)。残余原生孔隙的储集空间多为脆性矿物颗粒支撑、颗粒间未被充填的原生孔和脆性矿物颗粒与黏土矿物之间的残余孔; 溶蚀孔以碳酸盐矿物、长石等不稳定矿物因溶解或溶蚀作用形成的次生溶孔为主; 构造微裂缝则与构造活动相关,长宽不定,随机性很大。

黏土裂缝型储集层页岩中的黏土矿物在成岩阶段发生脱水转化(主要为蒙脱石向伊利石的转化),在变化过程中,伴随黏土矿物的结构及其化学性质发生改变,析出了大量的层间水和结构水,形成大量的黏土矿物层间裂缝(图6-d,6-e)。

有机孔型储集层主要分布在TOC含量较高的层段。在高过成熟阶段,有机质因热降解和热裂解而大量排烃,进而形成微孔,这些微孔多为微米级甚至纳米级,孔径大部分集中在2~50 nm之间(图6-f至6-h)。生物孔则来自于有机生烃母质自身所具有的各种孔隙,可见有低等生物体腔孔或高等植物的组织孔(图6-i),同属原生孔隙。

4.2 储集层分布特征

为进一步厘清不同类型的储集层分布特征,对长宁地区取心井岩心进行了扫描电镜观察和储集空间发育情况的标定。结果表明,海相富有机质页岩在不同沉积环境下沉积了不同的矿物组分,从而导致不同地区和不同层位发育完全不同的储集空间和储集层类型。

纵向上,五峰组由于大量发育的碳酸盐矿物易受到溶蚀作用(赵东方等,2022),储集空间主要以不稳定矿物溶蚀孔为主,其次为残余原生孔隙、微裂缝和有机质孔,为基质孔隙型储集层; 龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层硅质矿物大量发育的同时,TOC含量在研究层位中达到最大值,该小层大量发育有机质孔,且由于生物硅和草莓状黄铁矿的大量存在,生物孔和残余原生孔隙在该小层同样大量发育;龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层情况与龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层类似,但因为龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层黏土矿物的增加导致硅质矿物的相对减少,从而残余原生孔隙、不稳定矿物溶蚀孔和生物孔发育频率大大减少,但依然以有机孔型储集空间为主,龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层均发育有机孔型储集层; 龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层分为2个部分,其底部储集层类型和储集空间类型依然与龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层保持一致,但在龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层顶部黏土矿物含量大量增加,对有机质造成了一定程度上的相对稀释,从而以大量发育有机孔储集空间转变成黏土矿物层间裂缝储集空间类型,但由于龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层依然保有较高的TOC含量,且大量黏土矿物层间裂缝遭到有机质的充填,因此依然以有机孔型储集层为主; 龙一 {\mathrm{ }}_1^4小层则由于黏土矿物含量的进一步增加,镜下能明显观察到以黏土矿物层间裂缝为主的储集空间类型在该小层大量发育,因此4小层储集层类型为黏土裂缝型储集层(图10)。

通过N16井综合柱状图可以发现,龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层、龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层的下部TOC含量和孔隙度都明显高于其他层段,且龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层至龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层下部主要发育的储集层类型均为有机孔型储集层(图10),这说明有机孔型储集层在海相富有机质页岩中属优质储集层类型; 其次龙一 {\mathrm{ }}_1^4小层中大量发育黏土矿物层间裂缝,虽然部分遭到充填,但仍是不可忽视的储集层类型; 基质孔隙型储集层在五峰组至龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层底部均有发育,但由于该类储集层的储集空间大多不连通,仅发育在矿物表面,难以形成优质的联通孔隙,因此属于较差的储集层类型(图10)。

5 储集层成因机制

通常认为,海相富有机质页岩优质储集层受多种因素叠合控制(Jarvie et al., 2007;Fishman et al., 2012;Kuila et al., 2014)。根据前述结果可以发现,不同储集层类型的矿物组分和有机质丰度差异富集特征明显,其中硅质矿物和黏土矿物组分以及有机质丰度是影响页岩储集层的重要因素。由于页岩的矿物组分和有机质丰度与沉积环境之间密切相关,并且大量学者已经证实,奥陶纪末—志留纪初由于都匀运动的挤压作用,上扬子地区形成由川中、黔中和雪峰隆起所夹持的水体封闭性较强的“三隆夹一凹”的大区域沉积格局(孙莎莎等,2018),该时期沉积水体因全球冰盖发育的影响,海平面下降,最大水深范围处于10~30 m之间(耿良玉,1984;陈雷等,2023),且随着进一步研究,越来越多的学者发现龙马溪组沉积时期存在一系列的水下隆起(梁峰,2018;王同等,2018;施振生等,2022)。因此本次以龙马溪组沉积前的古地理格局为基础,探讨沉积古地貌与储集层成因机制间的关联性。同时因为龙一 {\mathrm{ }}_1^3小层沉积时期研究区附近的三大隆起区开始逐渐扩大,致使沉积古地貌进一步发生变化,所以本次研究主要将龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层—龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层的储集层特征与古地貌进行对比研究。

5.1 古地理格局对页岩有机质丰度的控制

由于海西运动早期盆地基底整体遭受的抬升剥蚀,四川盆地泥盆系和石炭系大面积缺失,致使四川盆地二叠系沉积前形成准平原化格局,并导致川南地区下二叠统梁山组与下志留统韩家店组形成不整合接触(童崇光,1992;胡明毅等,2012)。大面积整体的抬升剥蚀导致全盆地具有相似的剥蚀量,因此本次研究直接基于梁山组沉积期的准平原化格局,结合构造分析使用残余厚度法和补偿厚度印模法分别计算出龙马溪组的残余厚度和印模厚度,从而计算出龙马溪组沉积时的相对沉积厚度(朱正平等,2019),进行古地理格局推演,结果发现在龙马溪组沉积前,长宁地区呈现出西部次高、中部低、东部高的隆凹相间的水下微古地貌格局(图11)(韦国栋等,2023)。

通过古地貌格局与长宁地区龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层的TOC等值线图对比研究(图5;图11),发现TOC含量分布与古地貌具有较好的耦合作用,平面图上表现为隆起区及其周缘页岩TOC含量高,洼陷区TOC含量较低。该现象与前人研究认为的水体越深TOC越富集(拜文华等,2019)相悖,说明TOC富集的主控因素并非是水体深度,而可能是因为溶解氧含量和光照强度会随着水深而减小,从而导致隆起区的较浅水环境下浮游植物、藻类和生物等相较水下洼地更加发育(吴锋等,2012),造成隆起区和斜坡区的初级生产力更高(Lin et al., 2024)。另外,在安静的潟湖环境下,15~20 m存在“最小含氧带”(Woolnough,1937;李鹤等,2017;俞焰等,2017)。这与三大隆起区夹持的水动力条件较弱、水体处于相对停滞的研究区背景类似,致使在斜坡区沉积下来的有机质得到了良好的保存。因此古隆起区域及其附近因较高的初级生产力和良好的保存条件导致有机质更为发育、TOC含量更高。

5.2 古地理环境对页岩矿物组分的控制

海相富有机质页岩中矿物类型与古地貌之间同样存在耦合关系。对长宁地区石英的等值线图研究发现,高石英含量主要发育在斜坡区,低洼地带石英含量较低(图3-a,3-c;图11)。这与前人研究发现硅质矿物主要在深水环境中发育的观点完全不同,这是因为矿物组分中的硅质矿物主要来源于陆源硅质和生物硅质,一方面,由于古地貌高地更容易受到南边陆源输入的影响,导致古地貌斜坡区沉积了大量的陆源硅质; 另一方面,由于龙马溪组初期,全球冰盖的因素导致海洋环境中水体温度尚未均一,水体中大量冷、热水相遇,形成冷涡,而冷涡所造成的上升流能将海洋下层的营养盐携带至海洋上层,从而促进上层水体的初级生产力大大提高,从而导致硅质生物在海洋表层大量发育,目前已经有学者研究发现,现代海洋的冷涡发育区,硅质放射虫在水深0~25 m大量发育(胡维芬等,2015;苏德辰等,2022),证实了该类现象出现的可能性。在上述2种因素的叠加控制下,古地貌斜坡区保存了大量的硅质矿物。

另外,对黏土矿物组分的对比研究中,同样表现出受到古地貌控制的现象,黏土矿物在东南部的隆起区极为发育,而在西部次隆区和其余洼陷区含量低(图3-b, 3-d;图11),这与东部隆起区受到东南方向黔中隆起物源区影响有关,说明页岩中影响黏土矿物含量的原因主要来源于陆源供给,而研究区中部部分斜坡区具有较高黏土矿物含量则与浊流相关(何佳伟等,2021;郭伟等,2022),大量浊流沉积造成隆起区以外的位置同样发育较高的黏土矿物含量。

综上可以发现,古地理格局中的水下古隆起控制了有机质的富集和保存,而在古隆起附近的斜坡区域则大量发育硅质矿物,黏土矿物则主要受制于水上隆起物源区的距离,离物源越近的区域黏土矿物通常更加发育。

5.3 古地理格局对页岩孔隙的控制

沉积古地貌与页岩孔隙度对比研究发现,高孔隙度多发育在斜坡部位,长宁西部和东南部等斜坡区均有较高的孔隙度(图8;图11)。通过对TOC含量和孔隙度平面展布对比研究发现,TOC总体上与孔隙度呈现正相关性,这说明高TOC含量对于有机质孔隙的发育和页岩在深成作用阶段热裂解形成页岩气是密不可分的(Wang et al., 2022;Wang et al., 2023),而针对Nx202井、N16井-N17井和N12井-N40井范围内存在的3个异常低孔隙区域,通过研究表明异常低孔隙区域与构造挤压带下大量孔隙遭到压实有关(Li et al., 2014;Zeng et al., 2016;Ju et al., 2018),例如处于褶皱发育区的N16井和构造相对稳定的N01井,两者TOC含量相差不大,但N16井在强烈的挤压作用下,孔隙发生大量的坍塌,导致N16井孔隙度远低于N01井(图12)。此外,同样对石英含量与孔隙度平面展布进行对比,可见石英与孔隙度之间存在较好的耦合关系,高石英含量区同样是高孔隙度发育区,而针对长宁背斜褶皱发育区N16井和N17井龙一 {\mathrm{ }}_1^1—龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层不同石英平均含量(61.69%和51.05%),更高石英含量的N16井平均孔隙度为4.32%,大于N17井的3.49%,证明脆性石英颗粒对页岩的储集空间在压实作用下的保护作用。而高TOC含量由于主要发育在隆起区及其周缘,而高石英含量区域同样处于古地貌斜坡区,这证实了隆起区附近的斜坡区是高孔隙度发育的重要区域。

整体上看,高TOC含量对于有机质孔隙的发育和页岩在深成作用阶段热裂解形成页岩气是密不可分的,这说明有机质富集仍是优质储集层类型形成的主要原因(Loucks and Reed,2014),这解释了有机孔型储集层是最为优质的页岩气储集层的原因; 其次脆性石英颗粒对储集层的保护作用也是必不可少的(Bowker,2003),同时,石英颗粒还对后期开采页岩气的可压裂性起到重要的作用,有学者甚至认为页岩气的有利区石英平均含量应达到30%以上。另外,在页岩气勘探开发中,还应考虑到构造复杂区域对储集层的保护或破坏作用(Liang et al., 2017;张灿,2019)。

综上所述,海相富有机质页岩储集层的差异性是古地貌控制下的矿物成分多样性和有机质富集程度导致的储集层非均质性造成的。研究区海相富有机质页岩在隆起区附近TOC含量高,斜坡区石英含量高,靠近物源区则富集黏土矿物,隆起区高TOC产气并保存在斜坡区的高硅质矿物的优质有机孔型储集层中,基于此提出海相富有机质页岩储集层三元耦合理论,即古隆起控制优质烃源岩、斜坡区控制优质储集层和古隆起与陆源输入联合控制脆性矿物分布。这一认识可以推广至具有相似沉积背景地区的海相富有机质页岩的优质储集层勘探预测,通过沉积期古地貌恢复以预测页岩气优质储集层分布。

6 结论

1)四川盆地南部长宁地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相富有机质页岩自下而上呈现3种类型,第1种为五峰组的碳酸盐矿物大量发育的灰质页岩,其TOC含量低、孔隙度低、含气性差,储集空间主要发育为残余原生孔隙和不稳定矿物溶蚀孔; 第2种是龙一 {\mathrm{ }}_1^1小层和龙一 {\mathrm{ }}_1^2小层大量发育的硅质页岩,特点为高TOC含量、高孔隙度和优质的含气性,储集空间主要为有机质孔,偶见残余原生孔隙; 第3种为龙一₁亚段上半部分的黏土质页岩,储集层呈现出低TOC含量、中等孔隙度和差含气性,大量发育黏土矿物层间裂隙型储集空间。

2)基于成因类型将海相页岩储集层划分为基质孔隙型储集层、黏土裂缝型储集层和有机孔型储集层,发现有机孔型储集层是最优质的储集层类型,其次为黏土裂缝型储集层,基质孔隙型储集层因难以形成连通的孔隙,是最差的储集层。

3)对古地理格局与储集层特征进行分析对比研究表明,海相富有机质页岩储集层差异性是古地貌控制下的矿物成分多样性和有机质富集程度导致的储集层非均质性造成的。提出页岩储集层三元耦合理论,即古隆起控制优质烃源岩、斜坡区控制优质储集层和古隆起与陆源输入联合控制脆性矿物分布,为其他具有相似沉积背景地区的海相富有机质页岩的优质储集层勘探预测提供参考。

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基金资助

*国家自然科学基金项目(42372173)