巖相角度的五峰組頁巖小尺度沉積構造系統分類與解析
——兼論對深層頁巖精細評價的影響

張妍煜，趙迪斐，郭英海,3，魏 源，康維旗，焦偉偉，張治波,3

(1. 中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業大學 人工智能研究院，江蘇 徐州 221116；3. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；4. 重慶工業職業技術學院 建筑工程學院，重慶 401120)

0 引言

在傳統化石能源逐漸枯竭，碳中和壓力增加的背景下, 我國儲量豐富的頁巖氣、煤層氣等非常規能源成為替代傳統化石能源的現實選擇[1]。近年來我國頁巖氣的研究及勘探開發取得了豐碩成果, 但也面臨中淺層資源開發速度過快等問題。深層頁巖資源成為接續頁巖氣勘探開發的關鍵[2-4]。深層頁巖勘探開發受制約因素多, 深地條件下頁巖氣物性、含氣性影響因素及程度發生變化, 小尺度非均質性顯著, 中淺層勘探開發積累的評價因素經驗適用性不強，亟待針對深層頁巖氣儲層特征開展精細認知，以科學指導深層頁巖儲層的精準勘探開發[5-6]。

沉積構造對于頁巖氣儲層評價及工程效果的重要意義越來越得到重視。研究表明, 頁巖紋層等沉積構造是在沉積環境因素控制下形成的、影響頁巖系統儲層有效性評價的關鍵因素之一。在頁巖漫長的地質演化過程中, 沉積構造與儲層成巖作用過程中的物質組分協同演化, 通過影響物質分異、空間分布控制了儲層微觀儲集空間的分布、連通性及其他物理性質, 進而影響了頁巖儲層的力學結構、物性、含氣性以及氣體滲流釋放能力[7-10]。但由于頁巖小尺度沉積構造的復雜性高, 對宏觀沉積構造的籠統描述或巖相分類, 在應用時難以表征出儲層在小尺度組合及結構上的差異。該文以川南地區渝西大足區塊的深層五峰組頁巖儲層為例，通過巖石宏-微觀觀測、礦物成因與來源分析、儲層力學特征研究等手段, 結合礦物來源、比例及空間分布等特征，精細分析頁巖儲層小尺度沉積構造的類型、特征和結構, 為深層頁巖精細表征與精準勘探提供科學指導。

1 研究樣品與背景

研究區位于四川盆地川南地區渝西大足區塊, 大地構造上處于川中平緩構造帶與川南低陡構造帶的交界地區, 是我國深層頁巖氣資源勘探與開發的重要先行地區[11]。渝西地區在大地構造上呈現出鼻狀背斜間寬緩向斜的特征, 大足區塊處于渝西地區北部, 在大地構造上處于川中平緩構造帶及川南低陡構造帶2個構造帶的交界地區。在研究區內, 五峰組(O3w)—龍馬溪組(S1l)頁巖儲層構成主要的頁巖氣勘探目標層系, 二者在研究區內為連續沉積, 沉積環境屬于陸棚相環境, 埋深大于或接近3 500 m, 屬于深層-近深層頁巖儲層。

五峰組在研究區內廣泛分布, 厚度為6.5～8.8 m, 上覆于臨湘組(O3l)泥質灰巖, 下伏于龍馬溪組底部的黑色碳質-硅質富筆石頁巖儲層，頂部發育有不足1 m厚度的觀音橋段(Guanyinqiao Bed)含介殼灰質泥巖或泥質灰巖。研究區五峰組巖性主要包括灰黑色-黑色富筆石碳質頁巖、灰黑色-黑色碳質頁巖、粉砂質泥頁巖或含放射蟲硅質頁巖, 揭露化石主要包括奧陶紀凱迪階—特列奇階筆石化石, 如Dicellograputus complexus, Tangyagraptus typicus等, 在觀音橋段見赫南特貝等冷水動物群化石。

五峰組研究樣本選取自大足區塊內的Z-2井、Z-3井和Z-5井, 其中Z-2井大地構造位置處于川中平緩構造帶, Z-3井和Z-5井位于川南低陡構造帶，如圖1所示。

圖1 研究區及鉆孔取樣位置Fig.1 Study area and sampling location

選取的3口井中，Z-2井五峰組厚度最小，約為6.4 m，五峰組底深約3 899 m；Z-3井五峰組埋深最大，厚度約為8.7 m，五峰組底深約4 111.6 m；Z-5井五峰組厚度約為8.9 m，底深約為3 359.5 m。在巖心編錄的基礎上，選取各鉆孔五峰組不同層段的代表性樣品進行巖石薄片觀測、礦物來源元素測井數據處理和物質組分分異特征分析，系統研究頁巖儲層物質組分分異以及沉積構造發育特征，總結儲層在物質組分分布與結構上的小尺度非均質性特征，結合礦物來源與成因分析，開展五峰組深層頁巖儲層沉積構造的分類與特征總結研究[2]。

2 儲層沉積構造發育特征

2.1 宏觀巖石學特征

研究區鉆孔樣品的宏觀觀測顯示，五峰組頁巖整體塊度較好，巖石較為致密，宏觀尺度非均質性表象較弱，難以反映沉積構造的精細差異。五峰組底部—中部一般發育粉砂質頁巖，下伏臨湘組頂部常為一層含灰質化石的泥巖沉積，以研究區Z-3井為例，五峰組底部頁巖層面筆石相對較少，含少量粉砂質(如圖2a所示)，部分層面富集黃鐵礦，有的呈結核、團粒狀(如圖2b和圖2c所示)，中下部粉砂質頁巖層面筆石富集程度輕微增加，部分層段見有沿層理方向發育的方解石脈或擦痕、階步等沿沉積層理面發育的構造現象(如圖2d和圖2e所示)，五峰組頁巖儲層巖性主要是碳質-硅質頁巖，層面筆石化石極為富集(如圖2f所示)。Z-2井、Z-5井在宏觀上同樣呈現了巖石致密、顏色較深的巖石學特征，反映了有機質含量較為豐富的特點，所包含的巖性差異不大，但構造現象、微觀變化趨勢不一致。

圖2 Z-3井五峰組頁巖儲層宏觀特征Fig.2 Macroscopic characteristics of Wufeng Formation shale reservoir in well Z-3

2.2 顯微沉積構造特征

針對Z-3井五峰組頁巖儲層，選取了17塊代表性樣品進行巖石薄片觀測以及物質組分分異特征的分析，如圖3所示。結果表明，五峰組雖然宏觀均質性較強，但在微觀尺度下顯示了豐富的物質組分分異特征以及強烈的非均質性。圖3a所示為下伏臨湘組頂部的含灰質化石泥巖沉積典型微觀特征，貧有機質；五峰組底部灰黑色粉砂質頁巖有機質含量相對較低，見有黃鐵礦晶體交待原有礦物填充發育，不連續泥質紋層發育于粉砂質基質(如圖3b所示)，向上泥質紋層發育程度增高，泥質紋層的連續性變好，見有硅質同沉積結核等特殊沉積現象發育(如圖3c所示)；至五峰組下部，頁巖有機質含量顯著增高，沉積物粒度變化呈現差異顯著，例如，在4 109.65 m深度處，微觀沉積構造不顯著，礦物定向性不明顯，但巖石粒度分選差，而在4 108.73 m深度處，則出現了顯著的富有機質紋層沉積構造，表示儲層物質來源受陸源碎屑影響較為顯著(如圖3d-e所示)。五峰組中部4 107.72 m處，顯微觀察顯示儲層微觀物相以及結構出現較大差異，儲層巖性對應放射蟲硅質頁巖，放射蟲多為有機質浸染，具圈層，有機質含量較高(如圖3f所示)；五峰組上部頁巖巖石粒度分選變好，粒度變細，有機質含量較高(如圖3g和圖3h-i所示)，在部分層段出現了富自生硅質集合體-有機質的顯微物相組合(如圖3g所示)，屬于可以發育優質孔隙網絡兼具良好力學脆性的優質儲層類型[8,12]。同樣的，對Z-2井、Z-5井五峰組頁巖儲層展開巖石薄片分析，結果表明，根據五峰組頁巖儲層的物質組分、物質分異、空間分布等特征，除五峰組下伏的臨湘組頂部穩定發育含灰質化石的貧有機質泥巖外，五峰組頁巖中的沉積構造可以劃分為貧有機質非連續泥質紋層、貧有機質連續發育泥質紋層、富有機質粉砂質-泥質紋層、集聚放射蟲硅質層、富自生硅質集合體條帶、細粒硅質水平層理等不同類型?？偟膩碚f，Z-3井五峰組頁巖儲層小尺度沉積構造主要為水平層理及粉砂質紋層等沉積構造，這2類沉積構造在微觀上主要反應為巖性的頻繁變化，主要由砂質、粉砂質成分及微體化石及自生礦物等成分的不均勻發育造成。

圖3 研究區五峰組頁巖儲層微觀結構特征Fig.3 Microstructure characteristics of shale reservoir of Wufeng Formation in the study area

2.3 五峰組頁巖礦物來源層段性差異

基于五峰組頁巖元素地球化學測井信息，對五峰組頁巖礦物來源進行表征。深層頁巖勘探的一個要點是尋找壓裂效果更好的儲層，在深地條件下，壓裂縫延伸距離受到地層高壓等因素的影響而明顯比中淺層儲層差，以石英為主的脆性礦物含量是影響深層頁巖力學脆性的關鍵因素[12-13]。主微量元素地化參數可以用于判定石英的生物源成因，通過Si/Al比值可以建立圖版，進行石英礦物來源的區分與評價。以Z-3鉆孔為例，Si/Al比值評價結果顯示，五峰組Si/Al比值數值波動較為顯著，整體上樣品點分布較為分散，說明五峰組樣品受到了生物源硅質與陸源碎屑的共同影響。根據頁巖儲層石英礦物來源的差異，可以將五峰組頁巖劃分為8個小層，如圖4所示，小層(1)與下伏臨湘組鄰接，受到方解石沉積、演化的影響；小層(2)受到的影響逐漸減弱，陸源石英相對增多；小層(3)水體水動力條件減弱，受生物源石英影響程度增加；小層(4)水動力條件顯著增強，頁巖中陸源石英顯著增多；小層(5)中生物源石英含量增多，陸源石英含量迅速降低，說明該層段內水動力條件被限制，靜度可能較高；小層(6)中陸源石英再次略微增加；小層(7)生物硅質含量拉高至30%以上；小層(8)出現顯著的過量硅現象[12]，受生物源石英含量顯著增多的影響，儲層石英含量最高。

圖4 基于五峰組石英礦物來源的小層劃分Fig.4 Fine division of Wufeng Formation in well Z-3based on genetic difference of quartz

結合對頁巖儲層沉積構造研究，具有不同礦物來源與成因的精細小層與沉積構造差異可以較好地匹配：小層(1)鄰接下伏臨湘組，主要發育貧有機質非連續泥質紋層、貧有機質連續發育泥質紋層等沉積構造；小層(2)～小層(4)反映了水動力條件以及陸源碎屑輸入的變化，主要發育富有機質粉砂質-泥質紋層沉積構造；小層(5)生物源石英含量增多，見有集聚放射蟲硅質層等沉積構造，與細粒頁巖儲層間層分布，受到靜水沉積以及古氣候、古地理條件的影響[14-16]；小層(6)～小層(8)生物源硅質顯著增多，主要發育富自生硅質集合體條帶、細粒硅質水平層理等以細粒、富硅質-有機質物相為特點的沉積構造類型。

3 討論

3.1 五峰組小尺度沉積構造發育特征

根據對研究區內Z-2井、Z-3井、Z-5井等鉆孔五峰組頁巖儲層巖石學特征、礦物來源及組合、空間分布、物質分異的綜合分析, 結合水動力條件以及有機質含量等信息, 對五峰組小尺度沉積構造發育類型進行系統分類, 用于建立評價指標, 服務儲層優選。研究區五峰組小尺度沉積構造系統分類及特征如表1所示, 依據沉積構造類型及關鍵特征, 將五峰組常見小尺度沉積構造劃分為10個類型, 包含4類粉砂質-泥質紋層、3類富硅質沉積構造和3類組合類型。粉砂質-泥質紋層沉積構造發育的層段水動力條件一般相對較強，石英含量常低于60%，有機質含量波動或相對較低[7, 17]。3類富硅質沉積構造包括集聚放射蟲硅質條帶、富自生硅質集合體條帶以及細粒硅質水平層理，放射蟲硅質條帶可以觀測到顯著的生物化石特征，富自生硅質集合體條帶具有變化的石英硅質集合體和更粗的粒度，細粒硅質水平層理可以觀察到水平層理結構。這2類富硅質沉積構造中有機質含量一般較高，水動力條件相對較弱，石英含量一般高于60%。除7類紋層類以及富硅質沉積構造外，儲層最多見的沉積構造實際上是這些小尺度沉積構造的組合類型，紋層組合類型是粉砂質-泥質紋層的組合，屬于相對較強水動力條件下波動形成的小尺度沉積構造，石英及有機質含量波動起伏；水平層理-硅質條帶組合是富硅質沉積構造的組合類型，屬于相對較弱水動力條件下的波動，石英含量一般相對較高；富硅質沉積構造-紋層組合是粉砂質-泥質紋層與富硅質沉積構造的微互層，形成于強弱交替的水動力條件，石英及有機質含量波動。需要注意的是，分類方案中的水動力條件，特指地層沉積環境下的相對水動力強弱[18]。

表1 研究區五峰組小尺度沉積構造系統分類及特征

3.2 基于精細沉積構造特征的儲層優選

小尺度沉積構造既可以反映沉積時的水動力條件，也與儲層物質組分特征、空間分布、物質分異特點等具有相關性。例如富硅質沉積構造類型一般粒度細小、石英含量豐富，對于深層頁巖可以起到抗壓?？椎淖饔?，有利于優質孔隙網絡頁巖儲層的發育，同時，其所對應的沉積環境一般為相對靜水沉積環境，有利于有機質的富集與沉積，從而使富硅質沉積構造發育層段兼具良好的孔隙發育特征和力學脆性特征；而粉砂質-泥質紋層以及紋層組合發育層段，粒度相對較粗且在微觀尺度物質分異顯著，具有極強的微觀非均質性，黏土礦物含量相對較高，導致頁巖儲層在深層條件演化中抵抗高壓應力的能力減弱，不利于孔隙網絡的發育。以Z-3井為例，小層(5)～小層(8)具有豐富的生物源硅質來源石英，同時，該層段內還是火山源蒙脫石等礦物較為富集的層段，這樣的礦物來源特點，有利于在頁巖儲層成巖作用過程中形成過量硅，成為具有異常高硅質特點+富有機質的優質儲層層段[12]。

不同的沉積構造具有顯著不同的微觀物質組分以及組合特征，基于深層頁巖儲層優選勘探對精細評價的需要，小尺度沉積構造特征應當納入頁巖儲層精細優選方案的影響因素中，并作為一項可以綜合礦物組分、來源、微結構與非均質性的關鍵指標。

4 結論

1)五峰組頁巖儲層巖性主要為碳質-硅質頁巖，其整體巖石學特征較為致密，塊度較好，宏觀均質性較強。五峰組頁巖在微觀尺度下展現了較強的物質分異及非均質性，小尺度沉積構造特征變化顯著。

2)基于五峰組頁巖元素的地球化學測井信息，表明了五峰組頁巖礦物來源的層段性沉積構造差異。對根據頁巖儲層中石英礦物的來源差異劃分的8個小層進行的研究表明，影響五峰組礦物來源的主要因素是陸源碎屑和生物源硅質。

3)依據頁巖的物質組分、分異和空間分布特征，將五峰組常見的小尺度沉積構造劃分為貧有機質非連續泥質紋層、貧有機質連續發育泥質紋層、貧有機質粉砂質-泥質紋層、含/富有機質粉砂質-泥質紋層、集聚放射蟲硅質條帶、富自生硅質集合體條帶、細粒硅質水平層理、紋層組合類型、水平層理-硅質條帶組合類型以及富硅質沉積構造-紋層組合10個典型類型。

4)小尺度沉積構造反映了沉積時的水動力條件和儲層的物質組分、分異和空間分布特點。對小尺度沉積構造的解析可得到的礦物來源、組分、成因等認識，是深層頁巖儲層優選的關鍵指標，應作為深層頁巖儲層精細優選的科學依據。