海相页岩纹层特征及其对页岩储层发育的影响——以川南长宁地区龙马溪组为例

胡月 ，陈雷 ，周昊 ，谭秀成 ，李雪松 3，，王文婧

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室，四川 成都 610500；3.天然气地质四川省重点实验室，四川 成都 610500；4.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 成都 610051）

我国页岩油气勘探潜力巨大，目前在四川盆地、鄂尔多斯盆地等地区取得巨大突破。页岩气储层具有大面积连续分布、纹层及层理普遍发育等特点。纹层是沉积岩中肉眼可识别的最小沉积层［1］，单层厚度不超过10 mm。四川盆地海相页岩分布广泛，沉积厚度稳定，纹层作为页岩最富特色的沉积构造，广泛发育于龙马溪组海相页岩中。几十年前，国外学者注意到了页岩纹层，并对其进行了相应研究［2］。近年来，随着页岩气勘探的不断深入，越来越多的学者开始认识到纹层在页岩储层形成、页岩气富集等方面具有重要作用［1-5］。纹层发育特征直接导致页岩非均质性的变化，并进一步对页岩生烃能力、页岩储层物性以及页岩含气性等产生影响［3-8］，但目前对于海相页岩纹层特征及其对页岩储层发育的具体影响研究较少［9］。四川盆地上奥陶统五峰组和志留系龙马溪组是我国页岩气勘探的主要目标层位［10］，本文以四川盆地南部长宁地区龙马溪组为例，对海相纹层发育特征进行了研究，以揭示纹层对储层发育的影响作用，为页岩气的勘探与开发提供地质依据。

1 地质背景

研究区处于四川盆地川南低陡褶皱带的长宁地区（见图1）。自震旦纪以来，四川盆地经历了多期构造运动［11］，是上扬子地台的克拉通盆地。晚奥陶世—早志留世期，由于东南部华夏板块汇聚，扬子地台南缘发生抬升，北部被动大陆边缘向华北板块俯冲，秦岭洋开始收缩，由于高度挤压，导致扬子地台形成了“三隆围一坳”的沉积格局。大部分中上扬子海域为低能、缺氧的半深水—深水陆棚沉积环境及笔石等生物繁盛的局限海盆，导致了富含有机质和生物硅质钙质、分布广泛、厚度稳定的五峰组—龙马溪组黑色页岩的形成［12-13］。

图1 研究区位置示意

研究区主要发育五峰组（O3w）和下志留统龙马溪组（S1l）2 套页岩，二者整合接触［14］。 根据古生物特征、沉积特征、岩性及构造特征将研究层段S1l1划分为2个亚段（S1l11，S1l12），S1l11亚段又被划分为 4 个小层（S1l11-1，S1l11-2，S1l11-3，S1l11-4）。 其中：S1l11-1小层发育灰黑色碳质页岩，笔石体积分数在50%～60%，形态粗大完整；S1l11-2小层以灰黑色碳质页岩为主，块状构造，笔石发育，体积分数在10%～50%，个体粗大，散乱分布；S1l11-3小层发育灰黑色碳质页岩，块状构造，笔石不发育，个体大小不一；S1l11-4小层发育灰黑色碳质页岩，块状构造，笔石不发育，向上泥质质量分数增加；S1l12小层发育深灰色页岩，纹层发育，单层厚度在1～2 mm，见少量笔石，散乱分布（见图2）。

图2 长宁地区五峰组—龙马溪组地层综合柱状图

2 分析方法

为了明确海相页岩纹层发育特征及其对页岩储层的影响，本次研究对长宁地区X井龙马溪组进行了系统采样，采样间距为0.9～1.2 m，并进行了岩石薄片分析、总有机碳质量分数（TOC）测定、含气量测试、全岩X衍射测定和物性分析等研究工作。1）在偏光显微镜下观察薄片，进行全尺度照相，图像采集完成后，用Adobe photoshop无缝拼接，图像拼接完成后，利用偏光显微镜与SEM图像综合分析颗粒组成，区分纹层类型，并测量纹层厚度，统计出单位厚度的各类纹层层数，作为纹层发育频次，进行纹层特征精细研究（包括纹层及纹层组合的关键属性及其他发育特征［15］）；2）根据全岩X衍射的定量识别和肉眼观察的定性识别结果来划分纹层类型，全岩X衍射测定是确定岩石矿物组成的常用方法［16］，将岩石样品研磨至粒径小于40 μm的粉末，制作样片，测试得到矿物的质量分数（见图2）；3）利用CS230碳硫分析仪测试了样品的TOC，用稀盐酸除去岩石样品粉末中的无机碳组分，使得样品中的有机碳全部转化为二氧化碳，然后经红外光谱器检测得到样品的TOC。

3 纹层发育特征

3.1 纹层类型

长宁地区龙马溪组取心井段的页岩岩心呈灰黑色，页理发育，部分层段可见大量笔石杂乱分布，笔者通过大量薄片镜下观察，根据矿物类型对纹层类型进行划分，认为研究区主要发育石英纹层、黏土纹层、有机质纹层和黄铁矿纹层等4种类型（见图3）。

3.1.1 石英纹层

石英纹层为浅黄色、白色和灰白色（见图3a），呈次棱角状—次圆形，分选较差（见图3b），与黑色黏土纹层有明显差异。主要成分为石英、斜长石，少量方解石。石英纹层构造主要呈水平连续状，少量呈断续、波状，纵向上多呈平行或亚平行，纹层界面清晰，其颗粒粒径小于0.1 mm，纹层厚度在0.05～2.50 mm，局部可见顺层微裂缝。石英纹层主要发育在S1l12亚段，随着深度增大，其发育频次减弱。

图3 X井龙马溪组页岩纹层发育特征

3.1.2 黏土纹层

黏土纹层为褐色、灰色，颜色较深（见图3c），主要成分为黏土矿物。黏土矿物主要为伊利石（质量分数大于70%），含少量绿泥石。黏土纹层构造主要呈水平连续状，少量呈断续、波状；纵向上多呈平行或亚平行状，纹层界面不清晰，逐渐过渡或者边界参差不齐。纹层厚度介于0.10～5.00 mm，局部发育顺层微裂缝，在整个研究层段发育相对稳定。

3.1.3 有机质纹层

有机质纹层为黑色，纹层边界明显，且以突变为主，常与黏土纹层伴生（见图3d）。与黏土纹层的主要区别是，有机质纹层中偶见有机物质的丝状体，在正交光下颜色最深。有机质纹层构造主要呈水平连续，少量呈断续、波状，纵向上多呈平行或亚平行。纹层厚度在0.10～3.50 mm，整个层段可见有机质纹层，部分纹层受生物扰动影响，纹层不明显（见图3e）。

3.1.4 黄铁矿纹层

黄铁矿纹层呈黑色，由不规则状、他形、草莓状的黄铁矿颗粒局部富集形成（见图3f）。薄片样品中黄铁矿纹层发育频次极低。

3.2 纹层组合

纹层组合是成因或者成分相似的纹层集合，与纹层一样，其连续性、形状和几何形态对恢复古环境和确定物源方向有重要作用。纹层组合的形成一般与水流作用、波浪作用、气候等因素有关［17］。X井研究层段发育石英纹层-黏土纹层、黏土纹层-有机质纹层和石英纹层-有机质纹层3种组合类型（见图4）。

3.3 纹层组合样式

3.3.1 石英纹层-黏土纹层

该组合呈亮暗纹层相间（见图4a），有密集型和稀疏型。其中：密集型表现为厚度相似的石英纹层与黏土纹层互层，明暗相间；稀疏型表现为石英纹层与黏土纹层厚度相差较大，明暗反差大，界线清晰。这类组合发育频次较高，主要发育在S1l12亚段中。

3.3.2 石英纹层-有机质纹层

该组合呈亮暗纹相间，与石英纹层-黏土纹层组合不同的是明暗反差极大，石英纹层颜色浅，有机质纹层颜色为黑色，二者界限清晰（见图4b）。有机质纹层通常与黏土纹层伴生，主要以水平、连续状发育。这类组合发育频次较低。

3.3.3 黏土纹层-有机质纹层

黏土纹层与有机质纹层常伴生，二者都为暗色纹层，黏土纹层颜色较有机质纹层浅，有机质附于黏土纹层中。厚层黏土纹层与有机质纹层组合明暗反差较强、界线明显，薄层黏土纹层与有机质纹层明暗反差较弱、界线模糊（见图4c）。此类组合发育频次较高，主要呈水平、连续状，发育在S1l11亚段中。

图4 长宁地区龙马溪组X井页岩纹层组合发育特征

3.4 纹层纵向分布

据统计，X井 S1l11—S1l12亚段地层厚度为 68.33 m，3种纹层都发育。

由表1、图5可以看出：纵向上3种纹层的发育具有明显非均质性，随深度变浅，有机质纹层发育频次呈向上减少的趋势，石英纹层发育频次呈向上增加的趋势，黏土纹层在整个研究层段分布稳定。其中：S1l12亚段石英纹层最为发育，平均发育频次为7.96层/cm，最高可达12.00层/cm，有机质纹层欠发育，平均发育频次为3.40层/cm；S1l11亚段黏土纹层最发育，平均发育频次为5.42层/cm，而石英纹层与有机质纹层发育程度较低，平均频次为4.20层/cm左右。

结合TOC、孔隙度、含气量等分析测试结果（见表1），可以得出：S1l12亚段TOC小于1.50%，孔隙度小于4.00%，含气量低于 2.00 mL/g；而S1l11亚段的TOC、孔隙度、含气量均明显高于S1l12亚段，S1l11亚段可作为良好的储层。

表1 纹层富集的页岩储层参数统计

4 纹层发育对页岩储层的影响

有学者发现，纹层发育对页岩储层的非均质性、储集性能等均有影响［18］，分布于纹层之间的微裂缝或者层理面不仅能够有效沟通页岩储层中无机孔、有机质孔等，而且能为油气水平运移提供通道［19］。储层物性较好的层段大致与有机质纹层富集的层位相对应（如S1l11-2—S1l11-3小层）（见图5）。由图6可知：石英纹层与TOC趋势线呈现倒C形，石英纹层发育或欠发育的情况下，TOC均较低（见图6a），石英纹层发育适中（6层/cm）时，储层才较发育；TOC与有机质纹层发育频次有明显的正相关性（见图6b），与黏土纹层发育频次具有负相关性（见图6c）。测试结果显示，研究层段的含气量、孔隙度的变化与TOC的变化趋势相似，故含气量、孔隙度与各类纹层之间的相关性与上述结果相同。

石英纹层对储层物性的影响具有两面性，主要表现为：石英纹层发育在水体不稳定的沉积环境中，其发育特征代表了沉积速率与水动力的变化，这种情况下不利于有机质的富集与保存［9］。另外，纹层中石英等碎屑颗粒可作为相对刚性格架，增强页岩的抗压实能力，有利于页岩中有机质孔隙的保存。X井石英纹层最富集的层段为S1l12亚段，由于沉积环境具较强、变化频繁的水动力，陆源物质供给充分，不利于有机质的保存和有机质孔隙的发育，导致页岩孔隙度、TOC和含气量都低（见图5）。另外，部分S1l11-3—S1l11-4小层的石英纹层不发育，主要是由于陆源输入增加而稀释有机质，沉积环境为弱还原—次氧化环境，不利于有机质保存，导致储层不发育。S1l11小层的石英纹层适当发育时（2～6层/cm），沉积水动力条件较稳定，沉积水体多处于还原环境。另外，在其内部保留了早成岩—中成岩时期的部分孔隙，可以为外源有机质提供充足的储集空间；随着充填于孔隙之间的有机质成熟度的增加，可以产生大量的有机质孔隙，为页岩气的储存创造更大的储集空间。因此，TOC、含气量及孔隙度等都要高于石英纹层发育或欠发育的层段，TOC与石英纹层的线性关系呈倒C形（见图6a）。

图5 X井龙马溪组纹层发育特征

晚奥陶纪末赫南特大冰期后的上扬子海域极度缺氧，至中志留统研究区一直处于一个大的海退期，在较深海域形成了龙马溪组底部的黑色页岩，在极度缺乏其他物质沉淀的条件下，藻类大量死亡后分解出的有机质缓慢沉淀，形成有机质纹层。黏土纹层是物源季节性向沉积盆地进积的产物，黏土矿物沉积以后形成黏土纹层，受生物扰动影响明显，使得储层连通性增强。有机质内发育有机质孔隙，TOC在很大程度上控制了有机质孔的发育程度，所以TOC与有机质孔隙度呈正相关性。X井有机质纹层发育的层段TOC较高，TOC越高，其生气能力越强，与之伴生的孔隙越发育，相对应的含气量也越高（见表1）。所以TOC与有机质纹层的发育频次具有明显的正相关关系（见图6b）。

图6 各类纹层发育频次与TOC的关系

X井龙马溪组受陆源碎屑输入影响较大［20］。龙马溪组底部水体较深，受陆源输入影响小；龙马溪组上部沉积水体变浅，受陆源输入影响增大。另外，陆源输入的石英与黏土矿物质量分数呈耦合关系。由于有机质的发育受控于沉积环境，缺氧深水环境更有利于有机质的保存，深水陆棚沉积环境中有机质质量分数高，陆源碎屑的输入对有机质影响较小，所以龙马溪组底部有机质质量分数高，黏土矿物质量分数少。垂向上，龙马溪组向上沉积水体变浅，随着沉积时期陆源碎屑供给逐渐增加，古水动力增强，水体含氧量增加（见图2），陆源碎屑的输入加上水体环境的变化，不利于有机质的沉积与保存，导致有机质质量分数减少，黏土矿物质量分数增加。因此，S1l11—S1l12亚段，随深度的变浅，石英质量分数降低、黏土矿物质量分数升高，有机质质量分数减少。黏土纹层的发育频次与黏土矿物质量分数呈正相关性，TOC呈向上减小趋势，所以TOC与黏土纹层的发育频次具有负相关关系（见图6c）。

5 结论

1）X井龙马溪组主要发育石英纹层、黏土纹层、有机质纹层、黄铁矿纹层等4种类型，另外，还发育石英纹层-黏土纹层、黏土纹层-有机质纹层和石英纹层-有机质纹层3种组合类型。

2）纵向上，3种纹层发育频次、厚度具有明显的非均质性。从S1l11至S1l12亚段，有机质纹层发育频次呈降低的趋势，石英纹层发育频次变化趋势相反，黏土纹层发育频次在整个研究层段相对稳定。

3）储层物性、含气量与有机质纹层呈正相关性，与黏土纹层呈负相关性；与石英纹层呈复杂相关，只有石英纹层发育适中，才对储层发育有利，石英纹层发育和欠发育对储层发育均不利。

4）S1l11亚段有机质纹层发育，且石英纹层发育适中，使得TOC较高、孔隙度相对较大，相应的含气量也高，可以作为良好的储层。因此，明确纹层发育特征对储层的影响作用，对页岩气的勘探开发具有重要意义。