四川盆地周缘筇竹寺组泥页岩储层特征

马文辛 刘树根 黄文明 曾祥亮 张长俊 王 佳

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中国石油川庆钻探工程有限公司 地质勘探开发研究院，成都610051）

页岩气是一种广分布、低丰度、易发现、难开采的连续型非常规低效气藏，具有典型的自生自储、近原地成藏富集的特点[1－13]。美国和加拿大是目前实现页岩气工业开发的国家。近年来，在钻井、完井工艺技术进步和天然气价格高涨推动下，页岩气的勘探领域越来越广，对页岩气资源的认识迅速提高，估计全球最终页岩气资源量将超过1 000×1012m3[9，11，14]。下寒武统筇竹寺组是中上扬子（特别是四川盆地）一套重要的烃源岩，是威远震旦系气田（探明储量40.861×109m3）和寒武系气藏的主力烃源岩[10]。另外，盆地内部众多以震旦系灯影组为目的层位的钻井和盆缘灯影组露头中储层沥青的地化证据显示，其油源为筇竹寺组[15，16]。经估算威远－资阳震旦系古油藏原油量达1.701×109t[17]；川东南缘林滩场震旦系古油藏原油量达0.863×109t[15]；龙门山－米仓山地区震旦系古油藏原油量约为11.5×109t。这充分说明筇竹寺组在地质历史中曾生成过大量的液态烃类，是一套高品质的烃源岩。

中国在页岩气研究方面，落后于美国，但进步较迅速。特别是近几年来针对四川盆地下寒武统筇竹寺组开展了大量的科学研究和国际合作，中国石油和美国页岩气公司在威远构造合作勘探开发页岩气，并于2011年在威201井获得了初步突破，测试2段，每段获天然气10 000m3／d。而在四川盆地周缘寒武系暗色泥岩较威远构造更为发育[18]，故盆地周缘寒武系具有更广阔的页岩气勘探前景。此外，页岩气具有近原地成藏的特点，因此，需重点加强针对泥页岩基本特征，尤其是储层特征的研究[11]。本文通过地表和井下研究相结合，采用岩石学和地球化学等技术方法，深入分析了四川盆地周缘地区下寒武统泥页岩的储层特征，并讨论页岩气的勘探前景。

1 区域地质概况

四川盆地位于中国西部，四面环山（图1）。其沉积盖层从上元古界震旦系灯影组至第四系均有分布[10]。下寒武统由筇竹寺组（川东南称牛蹄塘组，川中称九老洞组，鄂西渝东称水井沱组，川北称郭家坝组）、沧浪铺组、明心寺组、清虚洞组组成。早寒武世，研究区古地理背景总体保持北西高、南东低的格局，四川盆地由东向西广泛海侵[18]。早寒武世在四川盆地发生了兴凯地裂运动，强烈的拉张背景致使盆地发育凹陷槽和形成众多热液成因黑色硅质页岩或硅岩[19]。

图1 四川盆地区域构造简图Fig.1 Regional tectonics map of Sichuan Basin

在盆地东缘的恩施、秀山等地区为深水陆棚，而盆地内部主要为一套浅海陆棚相沉积，仅在川南泸州－宜宾存在一个小范围的深水陆棚[13]。但在垂向上，筇竹寺组岩性具有明显的变化[11，20]。其主要表现为一套黑色碳质泥页岩、灰色含粉砂泥岩、粉砂岩、细砂岩、灰岩及含泥灰岩等（图2，图3）。总体上，筇竹寺组表现出沉积水体向上逐渐变浅，砂质、灰质含量逐渐增多、岩石颜色逐渐变浅的特征（图2）。筇竹寺组厚度变化大，介于60～400m间，共存在川北广元－南江、川东北万源、川南泸州3个沉降中心，在中心处厚度可达400m。筇竹寺组下部泥岩厚度为20～240m，在湘西－黔北－泸州－自贡一带厚度较大。筇竹寺组泥页岩与地层厚度比值，在古隆起南斜坡的威远地区和川南地区较高，而在渝东地区和米仓山地区则相对较低。下部黑色碳质泥页岩在川东南地区的厚度在60～200m，在川北和渝东地区不发育。四川盆地地表一般出露侏罗系－白垩系（威远气田为三叠系），筇竹寺组埋藏较深（一般＞3km），在周缘造山带核部筇竹寺组有出露。

2 岩相特征

筇竹寺组由多种岩相组成，主要为黏土－粉砂级细粒沉积。此外，筇竹寺组下部岩性颜色较上部更暗，表明其沉积水体的还原性更强、水体流动更加不畅，有利于有机质的富集和保存。因此，下面将重点讨论下部的岩相学特征。根据矿物成分、碎屑、生物和结构特征不同，可将研究区筇竹寺组下部分为7种主要岩相。

a.富有机质（碳质）非纹层状泥页岩（图4－A，B）。该类岩石主要分布在筇竹寺组底部，有机质的质量分数较高，一般在4%～15%；但部分样品因有机质高成熟而显炭化特征，呈集合体斑块状分布。岩石中常见少量均匀分布的微粒石英，呈棱角状，不显纹层状。上述特征反映岩石是在较深、安静的水体中沉积的，微粒石英是通过风力搬运或经海水悬移搬运到深水区。

b.泥岩（图4－C，D）。泥岩主要分布筇竹寺组中上部，质纯，泥质的质量分数在90%以上。可含有少量的微－粉粒石英，分布较分散，或充填生物虫孔等洞穴，不显纹层状。常见零星分布的黄铁矿和有机质。该类岩石在后期常形成各种裂缝，可被自生石英和方解石充填。

c.钙质泥岩。该类岩石以泥质为主，泥质的质量分数在59%～78%，含少量方解石（10%～18%），有机质、黄铁矿呈斑块分布。泥岩中黏土矿物X射线衍射分析表明，伊利石的质量分数在67%～70%，伊利石结晶度在0.44%～0.49%。该类岩石有机质和铁质含量较高，它们的质量分数分别为4%～15%和3%～10%，常呈条纹状分布，导致岩石显纹层状构造。

图2 四川盆地周缘地表剖面及钻井筇竹寺组对比图Fig.2 Correlation between the columnar sections of the outcrops and wells in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation of Sichuan Basin and surrounding areas

d.粉砂岩（图4－E）。该类岩石成分复杂，根据颗粒类型不同，可细分为（灰质）长石粉砂岩、岩屑长石粉砂岩。分选好，粒径一般为0.04～0.07 mm，次棱角状。长石含量高，颗粒细，分布均匀，以钾长石为主，少量斜长石，黏土化，个别方解石化。岩屑成分较单一，为基性喷出岩屑，少量针状碎片，偶见重矿物锆石。粒间填隙物主要为黏土质，部分绿泥石化，少量方解石及白云石胶结，颗粒呈点线接触。铁质晶粒细小，晶形差，零星分布。部分石英粉砂岩的石英粒间常为泥质和有机质充填，其中有机质的质量分数在3%～7%。在该类岩石中，裂缝较发育，但多为后期的方解石和石英完全充填。

e.纹层状粉砂质泥岩或泥质粉砂岩（图4－F）。该类岩石在筇竹组下部和中部十分发育，根据石英（可含少量长石）含量分为粉砂质泥岩或泥质粉砂岩。在前者中，石英的质量分数一般在10%～35%，主要由粉粒石英组成，分选好，粒径为0.01～0.03mm，部分粒径≤0.01mm，为隐晶硅质；磨圆度较差，呈棱角状－次棱角状分布。在后者中，石英占主导，其质量分数一般在50%～87%；可见少量的黄铁矿或有机质，常呈纹层状分布。此外，在上述2种岩性上，一般0.03～0.04 mm相对较粗颗粒呈条纹状分布，其间由碳酸盐胶结，铁质晶粒细小，一般＜0.02mm，晶形差，分布较密集。石英含量的分布特征反映该类岩石在沉积时水动力能量变化频繁。

图3 下寒武统筇竹寺组剖面和岩心照片Fig.3 Section and core photos of Qiongzhusi Formation

f.（含）硅质泥岩（图4－G）。黏土岩中碎屑颗粒零星分布或少见，粒径小，一般为0.02～0.03 mm，次棱角状。少见针状云母及云质斑晶，富含隐晶硅质，晶粒极细小，显暗灰色，分布均匀，为火山凝灰质蚀变产物。铁质含量高，分布均匀，晶粒极细小，一般在0.01mm左右，个别为0.02～0.03mm，晶形差。

g.钙质粉砂岩或粉砂质灰岩（图4－H）。该类岩石主要分布在筇竹寺组上部，由微－粉粒方解石和粉粒石英组成。在钙质粉砂岩中，钙质的质量分数变化大，在15%～40%；钙质主要分布在粉粒石英之间，可部分交代石英颗粒，常见有未交代的残余结构。少见黄铁矿和有机质。在粉砂质灰岩中，方解石的质量分数一般在70%～90%，石英呈分散状分布于岩石中，方解石交代石英程度高。在这2类岩石中，常见有交错层理、波纹层理和沙纹层理。

图4 下寒武统筇竹寺组显微照片Fig.4 Micrographs of Qiongzhusi Formation

3 矿物组分特征

图5 丁山1井、林1井，和青竹园、沙滩剖面中筇竹寺组页岩矿物组成三角图Fig.5 Triangular diagram of mineral compositions of the Qiongzhusi Formation shale in Well Dingshan 1，Well Lin 1and outcropped Qingzhuyuan，Shatan

页岩的矿物组成与有机碳含量和有机质成熟度是页岩储层发育的3个最重要因素[1，7，11]。丁山1井、林1井，青竹园、沙滩剖面筇竹寺组下部页岩矿物成分统计表明（图5），2口探井和2个重点剖面筇竹寺组下部黏土矿物的质量分数平均值分别为38.5%（1.5%～71.9%）、64.5%（9%～82.2%）、34.8%（25%～54%）、48.5% （15%～73%），石英的平均质量分数分别为38.5%（3%～64.35%）、14.5%（3%～60%）、52.4%（40%～60%）、38.3%（10%～73%），长石的平均质量分数分 别 为 21.3%（0.5%～35.5%）、3% （1%～6%）、2%（0.5%～2.5%）、1.8%（0.3%～3%），碳酸盐矿物的平均质量分数为7.5%（0.3%～30%）、13.8%（3%～28%）、10.8%（5%～18%）、25.6%（7%～86%），沥青质的平均质量分数为5%（2%～12%）、6.7%（1%～15%）、3%（2%～5%）、8.5%（1%～12%）。

页岩中陆源碎屑石英和长石占绝大多数，它们呈纹层状或分散状、斑块状分布，颗粒大小一般在0.01～0.07mm。筇竹寺组底部除上述成因的石英外，还偶见成岩自生的石英，如在丁山1井的3 392～3 406m段，可见隐晶质硅质，粒径＜0.01mm，分布均匀，为火山凝灰物质蚀变产物，平均质量分数为17.2%（12%～26%）。硅质常表现为含硅质粉砂质泥岩或硅质泥岩。

筇竹寺组下部岩石中长石由斜长石和钾长石组成，但以钾长石为主。长石黏土化程度较高，部分为方解石及白云石交代或半交代，仅剩部分残留晶核。碳酸盐主要由方解石和白云石组成，以交代陆源矿物或少部分以胶结物形式存在。黏土矿物少量绿泥石化。沥青质主要分布在筇竹寺组底部的黑色碳质泥页岩或粉砂质泥岩中。

4 孔隙特征

近几年，美国页岩气的成功勘探和开发极大地推动了针对页岩结构和构造特征的相关研究。经证实，页岩中实际上含有大量的孔隙和裂缝，可作为良好的天然气储层[21，22]。而且，由于页岩内部碳酸盐矿物或各种易蚀变矿物存在，导致页岩内部形成各种各样的次生孔隙，并且在很大程度上次生孔隙较原生孔隙更为发育[11]。

通过扫描电镜研究发现，筇竹寺组泥页岩中纳米级孔隙、微孔隙和微裂缝十分发育（图6）。纳米级孔隙度约为1%～3%。林1井筇竹寺组底部黑色碳质页岩在扫描电镜下可见多种类型孔隙：自生方解石晶间孔隙、黏土矿物晶间孔隙、长石溶蚀孔隙、泥岩内部陆源碎屑石英粒间孔隙及其他溶孔等。各类孔隙常呈孤立状，或由狭长平直的喉道连接，孔隙直径5～30μm。此外，筇竹寺组泥岩中微裂缝十分发育，裂缝宽一般在2μm左右，延伸宽度一般在50～120μm。而在取心段，亦可见各种裂缝或岩心常呈饼状破裂。

林1井筇竹寺组泥岩（8个样品）氦气法孔隙度平均值为1.1%（0.95%～1.25%），平均渗透率为0.005×10－3μm2（0.004×10－3～0.008×10－3μm2）。丁山1井筇竹寺组底部灰黑色含炭泥岩（6个样品）氦气法平均孔隙度为0.84%（0.79%～0.93%），平均渗透率为0.006×10－3μm2（0.005×10－3～0.007×10－3μm2）。

5 结论

a.四川盆地周缘筇竹寺组厚度40～400m，为一套黑色碳质泥页岩、灰色含粉砂泥岩、粉砂岩、细砂岩、灰岩及含泥灰岩建造，表现出沉积水体逐渐向上变浅，砂质、灰质含量逐渐增多，岩石颜色逐渐变浅的特征。主要为深水陆棚－浅水陆棚－滨岸沉积。

b.四川盆地周缘筇竹寺组下部泥岩厚度20～240m，在湘西－黔北－泸州－自贡一带厚度较大。筇竹寺组泥质岩与地层厚度比值表现为在古隆起南斜坡的威远地区和川南地区比较高，而在渝东地区和米仓山地区则相对较低。下部黑色碳质泥页岩在川东南地区的厚度在60～200m，在川北和渝东地区不发育。

图6 四川盆地周缘筇竹寺组显微电镜照片Fig.6 Micropores and microfractures（SEM）in the Qiongzhusi Formation shale

c.筇竹寺组下部岩性主要由富有机质（碳质）非纹层状泥页岩、泥岩、钙质泥岩、粉砂岩、纹层状粉砂质泥岩或泥质粉砂岩、（含）硅质泥岩、钙质粉砂岩或粉砂质灰岩7种岩性构成。

d.筇竹寺组页岩中石英和长石占绝大多数，它们呈纹层状或分散状、斑块状分布，颗粒大小一般在0.01～0.07mm。除陆源石英外，还可见隐晶质硅质，粒径＜0.01mm，为火山凝灰物质的蚀变产物，平均质量分数为17.2%。硅质常表现为含硅质粉砂质泥岩或硅质泥岩。下部页岩中常见沥青质，质量分数为1%～12%。

e.川东南地区筇竹寺组岩心平均孔隙度为0.79%～1.25%，渗透率为0.004×10－3～0.008×10－3μm2。微孔隙发育，约为2%～3%，主要为自生方解石晶间孔隙、黏土矿物晶间孔、长石溶蚀孔、泥岩内部陆源碎屑石英粒间孔隙及其他溶孔和微裂缝等。微裂缝规模一般在2μm×（50～120μm）左右。

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