李明隆 ，譚秀成 ，李延鈞 ，鄒辰 ，張朝 ，王高翔

（1.天然氣地質(zhì)四川省重點實驗室，四川 成都 610500；2.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(xué)研究分室，四川 成都610500；3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；4.成都創(chuàng)源油氣技術(shù)開發(fā)有限公司，四川 成都 610500；5.中國石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310013；6.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川 成都 610500）

0 引言

五峰組—龍馬溪組海相頁巖是我國頁巖氣勘探開發(fā)最有利的層系[1-2]。隨著研究的深入，相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)該套頁巖具有極強的非均質(zhì)性，極大影響了頁巖氣的富集[3-7]。因此，精細劃分頁巖巖相是研究五峰組—龍馬溪組海相頁巖非均質(zhì)性的基礎(chǔ)，有助于分析頁巖沉積過程和沉積環(huán)境，對尋找頁巖氣勘探開發(fā)“甜點”具有重要意義。

“巖相”一詞于20世紀中葉提出，每種巖相都有代表性的巖石顏色、粒度、礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征[8]，這些特征反映了特定的沉積背景。目前，五峰組—龍馬溪組頁巖巖相劃分標準不一。趙建華等[3]結(jié)合頁巖礦物成分、沉積構(gòu)造和生物化石等方面的差異，識別了7種頁巖巖相。Wang等[9]根據(jù)頁巖礦物成分、總有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）及地球化學(xué)特征，將川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組巖相分為6種。Jiang等[10]認為川南地區(qū)龍馬溪組粉砂質(zhì)頁巖、灰質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)白云巖是頁巖氣勘探的優(yōu)質(zhì)相帶。Zhang等[11]識別了川東南地區(qū)龍馬溪組富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、中等有機質(zhì)混合頁巖和貧有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖3種巖相。

需要指出的是，目前頁巖巖相精細劃分研究主要集中在四川盆地南部和東部地區(qū)，滇黔北地區(qū)相關(guān)研究較少，僅有陳科洛等[12]利用剖面及少量探井資料，將滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組下段地層劃分為硅質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖等6種巖相。隨著勘探工作的進行，滇黔北地區(qū)作為中淺層頁巖氣勘探的重要區(qū)塊之一[13-14]，有必要利用新井資料對頁巖巖相詳細研究?；诖?，本文結(jié)合滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖TOC和礦物成分差異劃分頁巖巖相類型，分析不同頁巖巖相對含氣性的影響。該研究為頁巖氣富集區(qū)預(yù)測提供了巖相學(xué)支撐，對頁巖氣評價和有利區(qū)識別有一定的指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)背景

滇黔北地區(qū)位于四川、云南和貴州三省交界處的揚子板塊中部，研究區(qū)主體在滇黔北坳陷威信凹陷內(nèi)，北部和南部分別為四川盆地南緣和滇黔古隆起的一部分（見圖1a）。滇黔北坳陷為多旋回疊合盆地，主體在加里東早期開始形成，現(xiàn)今的研究區(qū)是古上揚子克拉通盆地的殘留，構(gòu)造變形強度具有南強北弱、西強東弱的特點。

圖1 研究區(qū)地理位置及巖性柱狀圖

奧陶紀時期，研究區(qū)的構(gòu)造沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，隨著海平面持續(xù)上升，揚子板塊形成廣泛的淺海臺地，沉積了寶塔組石灰?guī)r與五峰組黑色頁巖。奧陶紀末期（赫南特期），位于南極的岡瓦納大陸古生代冰蓋的擴張引發(fā)了廣泛海退，形成了奧陶系頂部的石灰?guī)r。隨后，在早志留紀時期，研究區(qū)由于岡瓦納大陸冰期的結(jié)束，發(fā)生了廣泛海侵，在志留系底部形成了一套黑色頁巖（見圖1b）。

2 頁巖巖相劃分及特征

越來越多的研究表明，TOC對頁巖氣富集具有重要作用[4，15-16]。五峰組—龍馬溪組頁巖TOC與含氣性、儲層品質(zhì)均呈正相關(guān)[4，7]。TOC 大小通常反映了還原和高古生產(chǎn)力的沉積環(huán)境[17-18]。

為了綜合反映不同類型巖相的沉積環(huán)境和產(chǎn)氣能力，本文頁巖采用“TOC+礦物成分”兩步命名法。具體步驟為：首先，按照TOC大小分為富碳頁巖（TOC≥2%）和貧碳頁巖（TOC<2%）；然后，根據(jù)礦物成分命名，以黏土礦物、碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物（石英+長石）作為三端元，將頁巖分為硅質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)鈣質(zhì)頁巖和鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖（見圖2）。

圖2 五峰組—龍馬溪組頁巖礦物成分三端元圖

根據(jù)研究區(qū)5口井35塊巖石樣品的巖性、薄片分析及X射線衍射（XRD）分析資料，劃分出富碳硅質(zhì)頁巖、貧碳硅質(zhì)頁巖、富碳鈣質(zhì)頁巖、貧碳鈣質(zhì)頁巖、貧碳黏土質(zhì)頁巖、富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖、貧碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富碳黏土質(zhì)鈣質(zhì)頁巖等9種巖相。

1）富碳硅質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為石英、長石等硅酸鹽礦物，碳酸鹽礦物相對較少。鏡下可見大量分布的放射蟲和海綿骨針，石英顆粒呈次圓狀，粒徑為5～30 μm，偶見碳酸鹽礦物顆粒，黏土礦物與有機質(zhì)混雜，不易用顯微鏡區(qū)分（見圖3a）。

圖3 滇黔北地區(qū)五峰組龍一1亞段顯微鏡下照片

2）貧碳硅質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC<2%，主要礦物為石英、長石等硅酸鹽礦物，碳酸鹽礦物相對較少。鏡下可見局部泥質(zhì)重結(jié)晶，石英顆粒呈次圓狀，粒徑為5～30 μm，偶見碳酸鹽礦物顆粒，黏土礦物與有機質(zhì)混雜，不易用顯微鏡區(qū)分（見圖3b）。

3）富碳鈣質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為碳酸鹽礦物，質(zhì)量分數(shù)高達60%，其余為石英、長石及黏土礦物。鏡下可見微晶白云石和方解石充填于黏土礦物和有機質(zhì)之間，石英顆粒呈次圓—次棱角狀（見圖3c）。

4）貧碳鈣質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC<2%，主要礦物為碳酸鹽礦物，質(zhì)量分數(shù)高達60%，其余為石英、長石及黏土礦物。鏡下可見微晶白云石及方解石充填于黏土礦物和有機質(zhì)之間，石英顆粒呈次圓—次棱角狀（見圖3d）。

5）貧碳黏土質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC<2%，主要礦物為黏土，質(zhì)量分數(shù)高達50%，其余為石英、長石及少量碳酸鹽礦物。鏡下可見黏土礦物較為富集，TOC較低（見圖3e）。

6）富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為石英和碳酸鹽礦物。鏡下可見條帶狀暗色有機質(zhì)，偶見鈣質(zhì)生物碎屑，微晶碳酸鹽礦物分散，分布于黏土礦物及有機質(zhì)之間（見圖3f）。

7）富碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為石英和黏土礦物。鏡下可見有機質(zhì)較為豐富，黏土礦物與有機質(zhì)混合形成暗色條帶，石英顆粒呈次棱角—次圓狀，定向分布（見圖3g）。

8）貧碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC<2%，主要礦物為石英和黏土礦物。鏡下石英定向分布，TOC相對較低（見圖3h）

9）富碳黏土質(zhì)鈣質(zhì)頁巖巖相。該巖相TOC≥2%，主要礦物為黏土礦物和碳酸鹽礦物，石英和長石質(zhì)量分數(shù)在20%左右。鏡下可見微晶白云石及方解石充填于黏土礦物和有機質(zhì)之間，少見黃鐵礦，有時可見順層狀裂縫充填方解石（見圖3i）。

3 不同頁巖巖相含氣性評價

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

低溫氮氣吸附實驗測得五峰組—龍馬溪組頁巖的比表面積為12.40～24.52 m2/g，平均18.65 m2/g；孔隙體積為 0.023 5～0.041 6 cm3/g，平均 0.033 0 cm3/g；TOC 為0.76%～3.53%，平均2.10%（見表1）。這與四川盆地焦石壩地區(qū)頁巖的比表面積（平均 17.81 m2/g）相當[18]，但是高于三疊系延長組長7段頁巖的比表面積（平均1.54 m2/g）[19]。

表1 五峰組—龍馬溪組不同頁巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

研究區(qū)頁巖的比表面積和孔隙體積，在不同巖相中表現(xiàn)出較強的非均質(zhì)性。富碳類巖相的比表面積及孔隙體積明顯高于貧碳類，富碳硅質(zhì)頁巖、富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相的比表面積及孔隙體積最大，平均孔徑差異不大。

低溫氮氣吸附實驗獲取的五峰組—龍馬溪組不同頁巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

不同頁巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)特征不同，孔徑分布有一定差異（見圖4）。由圖可知：不同巖相的平均孔徑介于2～25 nm，且有 2～3，4～5，10～11，20～21 nm 等 4 個優(yōu)勢分布區(qū)；2～3，4～5 nm分布區(qū)的孔隙體積較大，10～11，20～21 nm分布區(qū)次之。富碳類巖相在4個分布區(qū)的孔隙體積一般大于貧碳類，表明有機質(zhì)孔對頁巖孔隙體積有明顯的控制作用。貧碳類巖相孔徑分布主要受無機礦物的控制，黏土質(zhì)頁巖巖相在2～3，4～5 nm分布區(qū)的孔隙體積及比表面積均相對較高，鈣質(zhì)頁巖巖相次之，硅質(zhì)頁巖巖相較差，可能是因為伊利石為主的黏土礦物的貢獻[20]。鈣質(zhì)礦物相對硅質(zhì)礦物的溶蝕孔隙較為發(fā)育[21]，因此，貧碳鈣質(zhì)頁巖巖相在 2～3，4～5 nm分布區(qū)的孔隙相對貧碳硅質(zhì)頁巖巖相更發(fā)育。

圖4 不同頁巖巖相低溫氮氣吸附模型下的孔徑分布

3.2 含氣性分析

如果頁巖儲層TOC≥2%，含氣量大于2 m3/t，該頁巖儲層可能成為潛在的工業(yè)開采目標[22]。五峰組—龍馬溪組頁巖氣現(xiàn)場解析試驗發(fā)現(xiàn)，富碳類巖相均滿足該條件，富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相及富碳鈣質(zhì)頁巖巖相的含氣量最高（見圖5）。

圖5 滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組不同頁巖巖相含氣量

滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組不同頁巖巖相含氣量見圖5。

頁巖氣現(xiàn)場解析試驗獲得的是游離氣含量，為了獲得不同頁巖巖相的絕對含氣量（吸附氣含量+游離氣含量），本研究采用質(zhì)量平衡法開展甲烷等溫吸附實驗。不同頁巖巖相甲烷等溫吸附曲線見圖6。不同頁巖巖相最大甲烷吸附量介于1.1～3.5 m3/t，富碳類巖相甲烷吸附量均大于貧碳類巖相。這說明影響頁巖巖相最大甲烷吸附量的主要因素是TOC。事實上，低溫氮氣吸附實驗分析發(fā)現(xiàn)，TOC越高，有機質(zhì)中的孔隙越發(fā)育，比表面積越大。同時，由于TOC影響了頁巖巖相比表面積，甲烷吸附量增大，因此TOC越高，頁巖的吸附能力越強。

圖6 滇黔北地區(qū)不同頁巖巖相甲烷等溫吸附曲線

當TOC相差不大時，鈣質(zhì)頁巖巖相甲烷吸附量相對硅質(zhì)頁巖巖相更大，可能是由于鈣質(zhì)礦物自身攜帶溶蝕微孔隙的影響。但是，鈣質(zhì)、硅質(zhì)頁巖巖相甲烷吸附量均低于黏土質(zhì)頁巖巖相，這是因為黏土礦物多為層狀結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)間多發(fā)育粒內(nèi)孔隙[11，23]。

本文結(jié)合不同頁巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)特征及含氣性分析認為，滇黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組的富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富碳硅質(zhì)頁巖、富碳鈣質(zhì)頁巖巖相為研究區(qū)優(yōu)質(zhì)巖相，不同頁巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)及含氣性受TOC與礦物成分的控制。

4 結(jié)論

1）五峰組—龍馬溪組發(fā)育富碳硅質(zhì)頁巖、貧碳硅質(zhì)頁巖、富碳鈣質(zhì)頁巖、貧碳鈣質(zhì)頁巖、貧碳黏土質(zhì)頁巖、富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖、貧碳黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富碳黏土質(zhì)鈣質(zhì)頁巖等9種巖相。

2）富碳類巖相具有較大的比表面積和孔隙體積，含氣量高，不同頁巖巖相孔隙結(jié)構(gòu)及含氣性受TOC與礦物成分的控制。

3）富碳鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富碳硅質(zhì)頁巖、富碳鈣質(zhì)頁巖巖相為研究區(qū)優(yōu)質(zhì)巖相。研究結(jié)果為頁巖氣富集區(qū)預(yù)測及頁巖氣勘探奠定了基礎(chǔ)。