川南长宁地区五峰组和龙马溪组页岩储层差异性分析

周昊 ，陈雷 ，李雪松 ，陈鑫 ，王文婧 ，杨莉 ，郭鸣黎

（1.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 成都 610051；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；3.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；4.中国石化石油勘探开发研究院，北京 102206）

0 引言

中国页岩气资源丰富［1］，在四川盆地及其周缘龙马溪组海相页岩勘探中获得了有目共睹的成就［2］。四川盆地下古生界五峰组—龙马溪组下部富有机质海相黑色页岩，具有地质条件良好［3］、有机质丰度高、厚度大、含气量高、分布广、埋深适中、脆性矿物质量分数高（一般大于44.5%）等特点［4］，是我国页岩气勘探开发的最有利层系［1，4］。经过近 15 a 的页岩气勘探开发，目前已在威远、涪陵、长宁-昭通、威荣等地发现了超过千亿立方米的龙马溪组页岩气田［5］，以及泸州、东溪-丁山、叙永、巫溪等诸多重要勘探潜力区［6］。截止到2019年底，我国页岩气资源已探明地质储量约为1.8×1012m3。2019年全国页岩气产量约为 154×108m3，为全球第二大页岩气产区［7］。

前人研究表明：五峰组和龙马溪组海相页岩储层特征在垂向上差异显著［4］，页岩气主要富集在五峰组（O3w）—龙马溪组一段1亚段（S1l11）富有机质页岩层段，厚度一般为10～60 m［8］。前期普遍将五峰组与龙马溪组页岩作为一个整体进行研究，但是奥陶纪和志留纪之交的广西运动、生物灭绝、海平面变化，以及赫南特阶的全球冰盖事件，造成五峰组与龙马溪组沉积时的构造背景、沉积环境等均有所差异［9-10］，这也必然导致五峰组与龙马溪组沉积的页岩储层特征具有差异性。但是对于五峰组和龙一1亚段页岩储层是否存在差异以及存在何种差异鲜有报道。随着页岩气的勘探开发，对于页岩储层的研究也需要更加细致。基于此，本文对长宁地区五峰组和龙马溪组页岩储层进行了细致的对比分析和研究，以期为长宁地区页岩气的高效勘探开发提供一定的指导。

1 区域地质概况

奥陶纪和志留纪之交，受扬子地块与华夏古陆之间的板块汇聚、挤压作用影响，川中隆起、乐山隆起、黔中古隆起、雪峰山隆起等一系列古隆起陆续形成，使得四川盆地形成受古隆起分割局限的盆地格局［11］。受古隆起围限，四川盆地及其周缘沉积了一套广泛分布的富有机质黑色页岩［12］。其中，川南地区五峰组—龙马溪组富有机质页岩厚度大，分布广，横向展布稳定，埋深适中（1 500～3 500 m），成熟度高，优质页岩段有机碳质量分数较高（TOC≥3%），是四川盆地页岩气勘探开发的有利区域之一［13］。

长宁页岩气勘探区块大地构造位于四川盆地川南低陡褶皱带（见图1），研究区构造主体位于长宁单箱形、长轴背斜构造带。长宁背斜主体构造的轴部为NWW—SEE向，西自高县以南，东至叙永县，消失于叙永构造之中；背斜两翼不对称，北翼及东端陡，南翼及西端缓（40°～60°），呈现出东宽西窄的形态，轴部出露的地层为下奥陶统，龙马溪组地层被剥蚀殆尽（见图2）；背斜内次级褶皱和断裂发育，断裂走向大多为NE—NNW向和NW—NNW向，以逆断层为主［14］。

图1 长宁地区构造位置

图2 研究区龙马溪组埋深情况

2 储层差异性对比

2.1 地层发育特征

川南长宁地区五峰组厚几米到十几米不等，下部以黑色碳质、硅质页岩为主，富含笔石，顶部主要为泥质灰岩、介壳灰岩（观音桥段）。龙马溪组一段主要发育黑色碳质页岩和黑色钙质页岩，含丰富的笔石和有机质［15-16］（见图3）。结合前人研究成果，本次研究将龙一段划分为2个亚段：龙一2亚段以粉砂质页岩为主；龙一1亚段为优质页岩发育层段，主要发育黑色碳质、硅质页岩，局部发育钙质页岩，富含笔石，局部裂缝发育，厚度在20～35 m（见图3）。S1l11亚段可进一步划分为4个小层［17］：S1l11-1小层发育碳质、硅质页岩，以高 TOC、高含气量和高自然伽马（均值250～260 API）为特征，厚度不大，一般介于1～4 m；S1l11-2小层多发育碳质页岩，TOC和含气量分布稳定，低于S1l11-1和S1l11-3小层，自然伽马呈低平的箱形特征 （均值170～190 API），厚度一般介于4～12 m；S1l11-3小层发育碳质页岩或硅质页岩，高声波时差，低密度，自然伽马均值在210 API左右，厚度多介于2～10 m；S1l11-4小层以页岩、粉砂质页岩为主，TOC和含气量较低，自然伽马呈低平的箱形特征，均值160 API左右，厚度较大，介于10～20 m。

图3 长宁地区五峰组—龙马溪组地层综合柱状图

2.2 矿物组分特征

2.2.1 矿物组分

全岩X衍射分析结果表明：五峰组与龙一1亚段页岩矿物种类一致，主要为石英、长石（斜长石为主，局部含正长石）、黏土矿物、碳酸盐矿物（方解石和白云石）、黄铁矿等（见表1）。由表1可知，五峰组与龙一1亚段页岩矿物虽然种类一致，但矿物质量分数存在很大差异。前者碳酸盐矿物质量分数远远高于后者，而后者硅质矿物质量分数远远高于前者，尤其是石英矿物质量分数差异较大，长石质量分数相差不大，黏土矿物和黄铁矿质量分数相近。这说明五峰组页岩矿物组分偏碳酸盐矿物，龙一1亚段页岩偏硅质矿物（见图4），可能与两者沉积环境差异有关。

表1 长宁地区五峰组与龙一1亚段页岩矿物组分质量分数

图4 长宁地区五峰组与龙一1亚段页岩矿物组分三角图

2.2.2 脆性特征

矿物组分特征的差异直接决定了页岩脆性的差异。页岩脆性指数越高，则压裂后储层造缝能力越强，越容易形成复杂的裂缝网络，越有利于页岩气的勘探开发［18］。国内外学者对页岩的脆性评价方法有很多，但是没有一个统一的标准［15，19］。海相页岩中不同矿物的弹性模量和弹性参数不同。研究发现，钾长石、斜长石和方解石虽然弹性模量高于黏土矿物，但泊松比也比黏土矿物高，均大于0.3，脆性并不是很理想［20］。而石英、白云石和黄铁矿均有高弹性模量和低泊松比的特征，是典型的脆性矿物。因此，本文页岩脆性指数的计算模型为

式中：BI为岩石脆性指数，%；wq，wd，wp分别为石英、白云石、黄铁矿的质量分数；wt为全岩矿物质量分数。

计算发现，长宁地区五峰组页岩脆性指数均值为45.32%，龙一1亚段脆性指数均值为56.74%。龙一1亚段页岩脆性指数明显高于五峰组页岩，更有利于后期压裂改造。

2.3 储层含气性

长宁地区五峰组与龙一1亚段页岩TOC和含气量结果表明：龙一1亚段页岩含气量略低于五峰组（见表2）；五峰组页岩大部分TOC≥2%（占比72%），而龙一1亚段页岩TOC主要在2%～4%（占比49%）（见图5）。测试数据显示：龙一1亚段页岩TOC比五峰组垂向变化幅度更大，非均质性更强。

表2 五峰组与龙一1亚段页岩TOC和含气量

图5 长宁地区五峰组与龙一1亚段页岩TOC分布

2.4 储层储集性

2.4.1 孔隙度和含水饱和度

龙一1亚段121个页岩样品和五峰组20个页岩样品的孔隙度和含水饱和度结果显示，五峰组页岩孔隙度和含水饱和度总体低于龙一1亚段（见表3）。

表3 五峰组与龙一1亚段页岩孔隙度和含水饱和度

2.4.2 储集空间

以N216井为例。长宁地区五峰组与龙一1亚段页岩储层孔隙类型基本一致，以有机质孔为主，其次发育矿物溶蚀孔、草莓状黄铁矿晶间有机质孔、成岩收缩缝、黏土矿物层间孔等（见图6）。五峰组页岩有机质孔多呈长条状、扁平状，孔径多集中在100 nm，少部分孔隙较大，可达几百纳米；龙一1亚段页岩有机质孔多呈圆柱状、椭圆状，孔径多集中在几百纳米，明显与五峰组有机质孔隙形状不同，且孔径较大（见图7）。

图6 N216井龙一1亚段页岩孔隙类型

图7 N216井五峰组与龙一1亚段页岩有机质孔发育特征

3 储层差异性分析

上扬子地区五峰组沉积期为强滞留海盆，龙马溪组沉积期属于半滞留海盆［21］。长宁地区五峰组页岩沉积水体中下部处于强滞留还原环境，在奥陶纪末期发生一次大规模海平面下降事件［22］，使得五峰组上部观音桥段演变为贫氧—氧化沉积环境；龙马溪组早期发生大规模的全球海侵事件，龙一1亚段多处于半滞留缺氧还原的沉积环境（见图8）。

图8 长宁地区五峰组与龙一1亚段页岩Mo-U协变图（据 Tribovillard［23］，2006 修改）

图8中绿色虚线表示海水中Mo与U的浓度比值（SW=7.9），其余3条蓝色虚线分别表示Mo与U的浓度比值是海水的0.1，0.3，3.0倍；粉色区域代表金属颗粒载体作用下的Mo-U协变模式，蓝色区域代表正常开放海洋环境中的Mo-U协变模式。

滞留还原的沉积环境有利于有机质的发育［23］，这是五峰组页岩TOC略大于龙一1亚段的原因。

五峰组沉积期水体局限，康滇古陆附近受陆源碎屑的影响更强，导致碳酸盐矿物较多；尤其五峰组顶部观音桥段沉积期受冰期事件影响，海平面下降，水体变浅，沉积环境由南到北为潮缘带碳酸盐岩沉积向陆棚带泥岩过渡，在陆架沉积背景下，正常浪基面与风暴浪基面之间发育风暴搬运的异地生物碎屑灰质泥岩［24］。龙马溪组沉积期，冰盖快速融化导致水体迅速加深，使得沉积水体开阔［24］，水体局限程度降低。龙一1亚段受陆源碎屑影响较小，硅质矿物石英发育，而碳酸盐矿物不如石英稳定，在后期容易被成岩作用改造，储层抗压实能力降低，不利于孔隙的保存。随埋深的不断增加，五峰组有机质孔隙被压实坍塌，孔径较小，而龙一1亚段硅质矿物丰富，物质组成稳定，有利于有机质孔隙的保存。这也是五峰组页岩TOC和含气量略高于龙一1亚段，但孔隙度略低于龙一1亚段的原因。

4 结论

1）五峰组与龙一1亚段页岩矿物种类基本一致，但组分占比存在很大差异，尤其是碳酸盐矿物和石英，其他组分相差不大。其中，五峰组页岩碳酸盐矿物组分中的方解石和白云石质量分数都远远大于龙一1亚段，而龙一1亚段页岩石英矿物质量分数远远大于五峰组。五峰组与龙一1亚段页岩矿物组分特征的较大差异性，导致两者的脆性指数也相差较大。研究发现，龙一1亚段页岩脆性指数明显高于五峰组，更有利于后期压裂改造。

2）总体上，五峰组页岩的TOC略高于龙一1亚段，但后者TOC比前者垂向变化幅度更大，非均质性更强，二者含气量相差不大。

3）虽然五峰组与龙一1亚段页岩储层的孔隙类型基本一致，以有机质孔为主，但两者孔隙发育特征不同。五峰组页岩有机质孔多呈长条、扁平状，孔径较小；龙一1亚段页岩有机质孔多呈圆柱、椭圆状，孔径较大。五峰组页岩孔隙度总体上小于龙一1亚段。

4）长宁地区五峰组多处于强滞留还原环境，而龙一1亚段多处于半滞留缺氧还原环境。沉积环境的不同，最终导致了两者储层存在一定差异。总体上，龙一1亚段页岩储层优于五峰组，更有利于页岩气的勘探开发。