四川盆地湖相泥页岩沉积模式及岩石相类型

朱　彤　龙胜祥　王　烽　彭勇民

四川盆地湖相泥页岩沉积模式及岩石相类型

朱彤1,2龙胜祥1,2王烽1,2彭勇民1,2

1.中国石化石油勘探开发研究院 2.中国石化页岩油气勘探开发重点实验室

朱彤等.四川盆地湖相泥页岩沉积模式及岩石相类型.天然气工业,2016, 36(8): 22-28.

四川盆地湖相页岩气勘探已在建南、涪陵、元坝地区中下侏罗统获得了显示和工业气流,展示了良好的勘探前景.通过对该盆地中下侏罗统不同层段湖相泥页岩中石灰岩和砂岩夹层比例的统计,将中下侏罗统湖相泥页岩划分为最大湖进期碳酸盐岩湖泊和局限湖进期陆源碎屑湖泊2种沉积模式,前者主要分布于川东北地区下侏罗统自流井组大安寨段和东岳庙段,后者主要分布于川东-川东北地区中侏罗统千佛崖组(凉高山组)和川东北地区自流井组东岳庙段.在此基础上,按照页岩气地质、开发、工程一体化的思路,根据岩性及岩性组合、有机碳含量、脆性矿物类型3大关键参数,建立了该区湖相泥页岩岩石相划分方案,将其划分为6种岩石相类型.最后通过有机地球化学、压汞-吸附联合测定、脉冲渗透率、纳米CT、X射线衍射矿物组分、含气性测试等技术方法,对不同岩石相类型的页岩气形成基础条件进行了综合对比评价.结论认为:以碳酸盐岩占主导沉积的湖坡风暴滩与湖坡泥交替沉积的中-高碳低硅中钙页岩与介屑灰岩互层相,具有良好生烃、储集、渗透和可压裂的配置条件,有利于页岩气的形成和改造,为湖相泥页岩最有利的岩石相类型.

四川盆地 早-中侏罗世 湖相泥页岩 沉积模式 岩石相类型 划分方案 页岩气 形成和改造

四川盆地侏罗系以湖泊沉积环境为主,暗色泥页岩主要发育于下侏罗统自流井组和中侏罗统千佛崖组(凉高山组)."十二五"初期已在四川盆地建南、涪陵、元坝地区自流井组大安寨段和东岳庙段泥页岩中获得良好页岩气显示和工业气流.在建南构造东岳庙段(埋深600～630 m)水平井7段压裂测试最高日产气12 300 m3,试采稳定日产气近2 000 m3;在涪陵地区大安寨二段水平井10段压裂试获日产气1.4X104～1.7X104m3低产气流,在元坝地区5口常规兼探井大安寨段泥页岩直井测试获日产13X104～50X104m3工业气流[1],展示了四川盆地湖相页岩气良好的勘探前景.

由于四川盆地陆相湖盆分布范围较海相规模要小,受周缘构造活动影响大,导致沉积相变化快,岩性变化频繁,黏土矿物含量高,岩性组合类型多样(互层、夹层),生烃、储集条件和脆性矿物类型差异大,非均质性强的特点[2-3].因此湖相泥页岩的原始沉积模式及其岩性组合特征是该区页岩气形成和改造的基础.

图1　中下侏罗统泥页岩层段石灰岩和砂岩夹层的比例统计图

1　湖相泥页岩沉积特征及沉积模式

四川盆地下侏罗统纵向上自下而上分为珍珠冲段、东岳庙段、马鞍山段、大安寨段共4段,泥页岩主要分布在大安寨和东岳庙两个湖泛期,为一套泥页岩与介壳灰岩、粉砂岩的不等厚互层沉积;而自流井组珍珠冲段和马鞍山段以灰色-深灰色泥页岩夹大套砂岩为主;中侏罗统千佛崖组(凉高山组)继承了自流井组的沉积格局,纵向上可分为3个岩性段,即千佛崖组一段(下部杂色段泥页岩夹粉砂岩)、千佛崖组二段(中部黑色段泥页岩)和千佛崖组三段(上部杂色段泥质粉砂岩),分别对应于滨浅湖、浅湖-半深湖和滨浅湖亚相沉积,反映了一次完整的湖侵-湖退沉积旋回.由此,四川盆地中下侏罗统的泥页岩主要分布于大安寨段、东岳庙段和千佛崖组二段湖泛面沉积的半深湖相黑色泥页岩[4].

由于不同时期构造活动的差异,受周缘山系物源影响,湖侵范围的不同,导致不同时期的湖相沉积模式存在着较大的差异.通过对四川盆地千佛崖组二段、大安寨段和东岳庙段不同层段泥页岩层系中石灰岩和砂岩夹层的厚度和占比统计表明(图1),千佛崖组(凉高山组)泥页岩层系中多以砂岩夹层为主,累计厚度为60～78 m,所占比例为22%～45%;大安寨段主要以石灰岩夹层为主,累计厚度为15～28 m,所占比例为24%～31%,仅在建南地区以砂岩夹层为主;而东岳庙段不同地区砂岩和石灰岩夹层占比各有不同,其中川东涪陵、建南地区以石灰岩夹层为主,累计厚度为10～20 m,所占比例为15%～23%,川东北元坝地区以砂岩夹层为主,累计厚度为30 m,所占比例为25%.分析认为,以石灰岩夹层为主的泥页岩沉积期,周缘山系构造不活跃,物源供给少,湖侵范围较大;而以砂岩夹层为主的泥页岩沉积期,周缘山系构造活跃,物源碎屑物供给较多,湖侵范围较小.据此,按照不同层段泥页岩中石灰岩和砂岩夹层岩性的差异,进一步将中下侏罗统湖相划分为最大湖进期碳酸盐岩湖泊沉积模式和局限湖进期陆源碎屑湖泊沉积模式.

1.1最大湖进期碳酸盐岩湖泊沉积模式

主要发育于四川盆地周缘构造相对稳定的最大湖进期,以大安寨段为代表.沉积环境受陆源碎屑物源的影响较小,湖盆范围最大,水体清澈,浮游生物丰富,以滨湖砂坪-碳酸盐浅湖介屑滩-湖坡风暴滩-半深湖沉积为特征(图2),平面上主要分布于川中-川东北地区.沉积微相主要包括砂坝、介屑滩、滩间泥、风暴滩、湖坡泥和半深湖泥等微相.其中湖坡风暴滩微相为浅湖介屑滩受风暴流的作用,打碎后间歇进入湖盆中,就近堆积在湖盆斜坡位置,呈现为风暴滩与湖坡泥交替沉积[5-6],岩性以黑色、灰黑色页岩与薄层介屑灰岩不等厚互层(图3),水平层理发育,富含黄铁矿、菱铁矿等还原性自生矿物沉淀的较深水环境,有利于有机质的保存.

1.2局限湖进期陆源碎屑湖泊沉积模式

图2　四川盆地最大湖进期碳酸盐岩湖泊沉积模式图(东西向)

图3　FY3井大安寨段二亚段页岩气形成条件综合柱状图

主要发育于四川盆地周缘构造相对活跃的局限湖进期,以千佛崖组(凉高山组)二段为代表.沉积环境受四川盆地西南陆源碎屑物源的影响较大,以扇三角洲-滨湖-碎屑岩浅湖-半深湖沉积为特征(图4),湖盆分布范围局限于川东北地区.沉积微相主要包括扇三角洲前缘砂坝、砂质滩、砂泥坪和半深湖泥等微相,岩性为深灰、灰色细砂岩-粉砂岩、灰黑色的块状泥岩、泥岩夹薄层粉砂岩等.泥岩页理不发育,粉砂岩条带和薄夹层具波状层理及流水型沙纹层理和浪成沙纹层理,显示浅湖泥虽主要形成于浪基面之下的低能带,但持续受底流和湖浪改造作用,由河流间歇注入浅湖的漫流席状砂沉积较发育.因入湖河水带入的物源碎屑多,水体浑浊,生物不发育,不利于有机质的保存.

图4　四川盆地局限湖进期陆源碎屑湖泊沉积模式图(东西向)

2　湖相泥页岩岩石相类型划分方案

由于四川盆地湖相泥页岩的原始沉积环境和模式的差异,导致其岩性组合特征存在着不同,进而影响着页岩气的生烃、储集和后期改造.

2.1岩石相的提出及分类参数的确立

"北美页岩气革命"的关键地质参数是页岩的生烃潜力,关键工程技术是水平井及压裂改造[7-8].考虑到不同岩性组合有机碳是页岩气富集的物质基础,页岩气藏开发过程中岩石脆性矿物组成差异对可压性的工程技术的影响[9-10].因此在传统的岩相(Lithofacies)划分基础上,针对页岩气生烃、储集和后期改造兼备的特点,按照地质、开发、工程三者一体化的思路,选取岩性(岩性组合)、有机碳含量(TOC)、脆性矿物类型(硅质、钙质)3个关键参数,提出了岩石相(Petrological Facies Types)概念(据彭勇民,2014),为页岩气勘探开发目标的优选指明了方向.

与海相页岩岩性单一稳定,泥页岩占比大于等于50%相比[11-12],湖相泥页岩的岩性变化频繁,多以互层、夹层的不稳定组合方式呈现,需要以一种或一种以上的岩性或岩性组合进行分类命名,以反映其特有的沉积结构.湖相泥页岩的有机碳含量偏低,据统计,TOC主要分布在1%～3%.在脆性矿物含量上,碳酸盐湖泊的钙质含量较高,硅质含量变化大,石英成因以碎屑硅为主,与钙质含量形成互补.

依据岩性组合方式,有机碳含量以步长为1的分级,岩石脆性指数与可压性的关系(脆性指数大于等于0.6,可压裂性较好;脆性指数介于0.6～0.4,可压裂性中等;脆性指数小于0.4,可压裂性差[13]),对湖相泥页岩硅质和钙质含量不同的可压性进行高、中、低3个级别划分.通过统计,硅质含量以30%、40%的界限值确定硅质分级,即高硅≥40%、30%≤中硅<40%、低硅<30%共3级;钙质含量以20%、50%的界限值确定钙质分级,即高钙≥50%、20%≤中钙<50%、低钙<20%共3级.

2.2分类方案及类型划分

依据湖相泥页岩岩性组合、有机碳含量、脆性矿物(硅质、钙质)含量3个参数的分级评价,建立了湖相泥页岩岩石相的分类命名方案(表1),命名原则为有机碳含量+脆性矿物类型+岩性(岩性组合).

根据湖相岩石相分类命名原则,对涪陵、元坝、建南地区XL101等4口井的凉高山组、大安寨段、东岳庙段岩石相进行划分,总体可归为6大类,每一类所对应了不同沉积模式下的沉积微相类型(表2).通过不同沉积模式下沉积微相的岩石相类型分析表明,最大湖进期碳酸盐岩湖泊沉积模式下的岩石相类型主要包括半深湖泥沉积的中-高碳低硅低钙页岩相、湖坡风暴滩与湖坡泥交替沉积的中-高碳低硅中钙页岩与介屑灰岩互层相和碳酸盐浅湖介屑滩沉积的低碳低硅高钙介屑灰岩相3类,而局限湖进期陆源碎屑湖泊沉积模式下的岩石相类型主要包括半深湖泥沉积的中碳低硅低钙泥岩相,浅湖砂泥坪沉积的低碳中硅低钙砂泥互层相和滨湖滩坝沉积的低碳高硅低钙粉砂岩相3类.

表1　湖相泥页岩岩石相类型划分方案表

表2　四川盆地中下侏罗统泥页岩岩石相类型表

3　不同类型岩石相特征及优选

针对6个岩石相类型,采用有机地球化学、压汞-吸附联合测定、脉冲渗透率、纳米CT、X射线衍射矿物组分、含气性测试等方法技术,对不同岩石相类型的生烃条件、储集性、矿物组成、含气性(图5)等地质特征参数进行对比,其中最大湖进期碳酸盐岩湖泊沉积的中-高碳低硅中钙页岩与介屑灰岩互层相和中-高碳低硅低钙页岩相为有利的岩石相类型.

图5　不同岩石相类型含气性对比图

以碳酸盐岩占主导的大安寨段湖相沉积环境,岩性以页岩和介屑灰岩岩性组合为特征,主要分布在涪陵大安寨段、东岳庙段[14-15]和元坝大安寨段[16].其中中-高碳低硅中钙页岩与介屑灰岩互层相和中-高碳低硅低钙页岩相,有机质含量较高,TOC主要分布于0.6%～3.7%,平均值分别为1.42%和1.02%;基质储渗性较好,孔隙度平均分别为3.32%和3.23%,孔径以中-大孔为主,中值孔径为24.42 nm,以中孔占比最高,为50%～70%,有机孔相对发育,纳米级孔隙度多大于2%.但两类岩石相渗透率差异明显,据纳米CT实验分析对比,在纳米级孔隙度相近的条件下,孔隙连通体积却存在较大的差异,中-高碳低硅中钙页岩与介屑灰岩互层相孔隙连通体积为6.65X1011nm3,是中-高碳低硅低钙页岩相孔隙连通体积(仅为3.84X1011nm3)的近1倍(图6),由此表明,页岩与介屑灰岩互层相有利于微裂隙发育,扫描电镜下观察其粒缘缝及层理缝发育,渗透率为0.02～18 mD,具有更好渗透性和连通性.而中-高碳低硅低钙页岩相渗透率较低,介于0.002 7～12 mD,裂缝仅在石灰岩夹层处可见.此外中-高碳低硅中钙页岩与介屑灰岩互层相脆性矿物除含硅质(平均为25.54%)外,钙质脆性矿物含量较高(20.20%～47.16%,平均为35.52%),脆性指数可达0.61,可压性好,录井显示全烃平均含量为2.64%.而中-高碳低硅低钙页岩相硅质含量平均为34.79%,钙质含量较低,平均为14.03%,脆性指数为0.49,可压性较差,录井显示全烃平均含量为2.25%.综上所述,中-高碳低硅中钙页岩与介屑灰岩互层相具有良好页岩气生烃、储集、渗透和可压配置条件,有利于页岩气的形成和改造,为湖相最有利的岩石相类型;中-高碳低硅低钙页岩相具有良好的页岩气生烃和储集条件,但渗透性和可压性较差,为较有利岩石相类型.

图6　大安寨段岩石相类型纳米CT实验分析对比图

以陆源碎屑占主导的千佛崖组(凉高山组)二段湖相环境,岩性以泥岩和粉砂岩岩性组合为特征.其中中碳低硅低钙泥岩相、低碳中硅低钙砂泥互层相由于受陆源碎屑物源的影响较大,湖盆分布范围局限,入湖河水带入的含氧水系造成水体浑浊,形成于弱还原环境,泥岩中有机质不易保存,有机碳含量低,以低碳为主,TOC主要分布于0.5%～1.9%,平均值小于0.9%;基质储渗性较差,孔隙度平均值小于3%,有机孔不发育,纳米级孔隙度较低,仅1.28%,以无机孔、大孔为主,缺乏有机质孔,基质渗透率较低,页理、水平裂缝不发育;脆性矿物以碎屑硅为主,黏土矿物含量较高,平均近50%,钙质含量低,平均值在5%～9%,脆性指数低,平均为0.45,可压性差;录井显示全烃含量平均值在1.20%～1.36%,不利于页岩气的形成和改造.

4　结论

1)四川盆地湖相泥页岩发育最大湖进期碳酸盐岩湖泊和局限湖进期陆源碎屑湖泊2种沉积模式.前者主要分布于川中-川东北大安寨段和川东东岳庙段,后者主要分布于千佛崖组(凉高山组)和川东北东岳庙段.

2)按照地质、开发、工程一体化的思路,根据岩性(岩性组合)、有机碳含量、脆性矿物类型(硅质、钙质)3大关键参数,建立了湖相岩石相划分方案,将湖相泥页岩划分为6大类岩石相类型.

3)通过对不同宏观沉积模式下不同岩石相类型的页岩气形成基础条件进行综合对比评价,以碳酸盐岩占主导的最大湖进期碳酸盐岩湖泊沉积,岩性以页岩与介屑灰岩夹层、互层组合沉积为特征,有机质含量以中-高碳为主,基质储渗性较好,含气性和可压性好.其中湖坡风暴滩与湖坡泥交替沉积的中-高碳低硅中钙页岩与介屑灰岩互层相,具有良好的页岩气生烃、储集、渗透和可压条件配置,有利于页岩气的形成和改造,为湖相最有利的岩石相类型.而以陆源碎屑占主导的局限湖进期陆源碎屑湖泊沉积,岩性以泥岩和粉砂岩沉积为特征,有机质含量以低碳为主,基质储渗性较差,黏土矿物含量高,含气性和可压性差,不利于页岩气的形成和改造.

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(修改回稿日期 2016-05-26 编 辑 罗冬梅)

Sedimentary models and lithofacies types of lacustrine mud shale in the Sichuan Basin

Zhu Tong1,2, Long Shengxiang1,2, Wang Feng1,2, Peng Yongmin1,2
(1. Sinopec Exploration & Production Research Institute, Beijing 100083, China; 2. Sinopec Key Laboratory of Shale Oil & Gas Exploration and Deνelopment, Chengdu, Sichuan 610041, China )

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.22-28, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

In the Sichuan Basin, lacustrine shale gas exploration presents good prospects, with gas show and commercial gas flow discovered in the Middle-Lower Jurassic strata in the areas of Jiannan, Fuling and Yuanba. Based on the statistics of interbedded limestonesandstone ratio, the lacustrine mud shale of Middle-Lower Jurassic in the Sichuan Basin was divided into two sedimentary models, i.e., the carbonate lake deposited during the maximum transgression and the terrigenous clastic lake deposited during the restricted transgression. The former is mainly located in Da'anzhai and Dongyuemiao Members of Lower Jurassic in the NE Sichuan Basin, and the latter is mainly distributed in the Middle Jurassic Qianfoya (Lianggaoshan) Fm in the E-NE Sichuan Basin and the Lower Jurassic Dongyuemiao Member in the northeastern Sichuan Basin. Then, according to the concept of integrated geology, development and engineering, the lithofacies classification scheme of lacustrine mud shale in this area was worked out by using three key parameters (i.e., lithological and lithological combination, TOC and fragile mineral type). Based on this scheme, it was divided into 6 lithofacies types. Finally, the basic forming conditions of shale gas in different types of lithofacies were evaluated and comprehensively compared by using a series of technologies, such as organic geochemistry, combined mercury injection-adsorption measurement, pulse-decay permeability, nanometer CT, X-diffraction mineral composition and gas-bearing property test. It is concluded that the alternative facies of middle-high carbon, low silicon and middle calcium shale and shell limestone where lake slope storm beach and lake slope mud are deposited alternatively with carbonate rocks as the dominant sediments is good in hydrocarbon generation, reservoir, permeability and fracturing conditions, so they are favorable for the formation and stimulation of shale gas reservoirs and the most favorable lithofacies type of lacustrine mud shale.

Sichuan Basin; Early-Middle Jurassic; Lacustrine mud shale; Sedimentary models; Lithofacies types; Classification scheme; Shale gas; Formation and stimulation

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.003

中国石油化工股份有限公司科技开发部项目"四川盆地页岩气形成条件及富集规律研究"(编号:P13085).

朱彤,女,1968年生,高级工程师,硕士;主要从事页岩气沉积和储层地质研究非常规油气勘探开发规划工作.地址: (100083)北京市海淀区学院路31号.ORCID:0000-0002-1225-8901.E-mail: zhutong.syky@sinopec.com