四川盆地深层页岩沉积特征及储层主控因素——以威东地区龙马溪组为例

伍翊嘉 王 滢 黎 菁

中国石油集团川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院

0 引言

页岩气是一种以吸附气和游离气的形态贮存在泥页岩中的非常规低碳能源，其特点是自生自储[1-3]。前人研究表明，沉积相控制了页岩的分布与品质，有利的沉积微相与页岩气储层在时空关系大多保持一致。因此沉积环境研究对于页岩气储层的评价具有重要的意义[4-6]。四川盆地南部地区稳定发育上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组的黑色碳质页岩，主要形成于缺氧闭塞的深水陆棚环境，富含笔石化石和黄铁矿[7-10]。该套海相页岩沉积稳定、广泛分布，埋深介于2 500～6 500 m，有利区页岩气资源量巨大[11-13]。目前已在埋深3 500 m以浅的中浅层实现了规模效益开发，其中威远、长宁等国家级页岩气示范区已顺利进入稳产阶段。随着勘探开发的不断深入，地质认识和工程水平的不断提高，埋深大于3 500 m的深层页岩气已表现出良好的勘探开发前景，曾经受限于工艺、技术等因素的页岩气资源已有条件实现了动用。深层页岩气已成为页岩气下一步勘探开发的热点和重点。威东地区属于典型的深层页岩气分布区，目前该区已部署了多口针对龙马溪组的深层页岩气评价井，钻探揭示的龙马溪组底界埋藏深度均超过了3 500 m。本文通过系统地研究该区页岩储层的岩石、沉积和储层特征，在区域背景认识的基础之上，建立基于古氧相和岩相研究的威东地区龙马溪组沉积相划分标准，明确了深层页岩气储层发育的主控因素，以期为威东地区深层页岩气成藏模式和富集规律的研究打下基础，为下一步锁定规模建产区提供理论依据。

1 地质背景

威东地区位于四川盆地中南部，构造上隶属于川南古坳中隆低陡穹形带和川中古隆中斜平缓带两个二级构造单元的交界处。区内构造比较简单，西部为平缓、低幅度的单斜构造，北部发育鼻突构造，断层均不发育；中部为中敖西潜伏构造，呈北东—西向展布，幅度较低；南部为螺观山构造，东部接西山构造，均呈现出宽向斜窄背斜的构造特征，断层较发育，多呈北东—南西向展布（图1）。

图1 威东地区构造位置简图

目的层上奥陶统五峰组至龙马溪组一段为一套稳定分布的深灰—灰黑色海相页岩，以自然伽马值升高、电阻率升高半幅度点为界限，可将龙马溪组自下而上划分为龙一段、龙二段。综合自然伽马和铀元素的曲线形态，可在本区五峰组—龙马溪组识别出8个三级层序（SE 1～SE 8）：以指示最大海泛面（MFS）的铀（U）元素曲线峰值为界，底部发育海侵体系域（TST），代表海平面上升，U元素曲线形态呈钟形，自下而上快速增大；顶部发育高水位体系域（HST），代表海平面下降，U元素曲线呈漏斗形，曲线幅度逐渐降低。底部五峰组—龙一1亚段灰黑色厚层碳质页岩，生物含量丰富，含大量笔石化石、硅质及钙质生物屑，有机质丰富，系最有利勘探目标。受早志留世龙马溪期早期大规模快速海侵和伴随着小幅度升降的持续海退的旋回影响，该层段呈现出整体较高、起伏较大的自然伽马和铀曲线特征，通常作为层位识别的重要电性特征依据（图2）。

图2 威东地区地层综合柱状图

2 沉积特征

在龙马溪组沉积伊始，全球性的古气候变暖造成冈瓦纳大陆冰盖的消融，海水体积大幅增加，在四川盆地内发生大规模的快速海侵，从而形成利于有机质富集的沉积背景[14-15]。威东地区龙马溪组底部的页岩段亦形成于这种背景，系一套在快速海侵条件下形成的富含有机质的深水陆棚相沉积。通过优选特征元素，结合沉积标志、黄铁矿发育特征、古生物等特征，对研究区的沉积相特征展开了深入研究。

2.1 古氧相

不同的沉积环境具有不同的沉积速率和古生产力并控制了烃源岩岩石的矿物组成[16-18]。作为一种贮存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的气体，页岩气具有生储一体的特点，因此沉积环境的识别对页岩气储层的评价具有重要意义[19-20]。随着元素地球化学学科的发展和多学科的交叉研究，沉积环境的研究开始借助于在沉积和成岩过程当中的不同元素的迁移和聚集过程中体现出的特点进行定量深入探讨[21-23]。多种常量元素或微量元素均对沉积环境有一定的指示意义[24-25]，如铀（U）元素通常吸附于有机质上，镍（Ni）、钒（V）元素的出现指示深海沉积物的显著增加。因此在页岩沉储层的沉积环境的研究探讨中，通常选用铀（U）、镍（Ni）、钒（V）等特征元素或U/Th、Ni/Co、V/Cr等特征元素的比值指示有利于有机质沉积的深水环境（表1），比值越大，反映的沉积环境越缺氧，且越有利于有机质保存。

表1 氧化还原环境特征元素指示表

威东地区05井在五峰组—龙马溪组底部，U/Th、Ni/Co、V/Cr的比值较高（U/Th介于1.29～6.84，平均值为3.2；Ni/Co介于7.1～26.1，平均值10.5；V/Cr介于4.6～13.5，平均值为9.5），且曲线趋势与TOC保持一致，均呈现出自下而上急剧上升再持续缓慢下降的形态，表明龙马溪组底部沉积环境为深水强还原环境，海水能量较低，阳光不充足，黏土或细碎屑沉积物发育，有机质发育，向上水体逐渐变浅，缺氧程度降低，有机质保存条件变差。

威东地区五峰组—龙马溪组底部页岩岩心分析数据表明，TOC与U/Th、Ni/Co、V/Cr值均表现出较好的正相关关系，相关系数R2分别为0.608、0.6418、0.4141（图3）。根据氧化还原环境特征元素指示表中U/Th＞1.25的参考指标，绘制了龙马溪期早期深水强还原环境沉积厚度平面分布图（图4）。从图4可以看出，沉积厚度由西北向东南方向逐渐增厚，指示了水体深度从西北往东南方向逐渐增厚，沉积中心位于东南方向。

图3 威东地区岩心TOC与常量元素、微量元素交会图

图4 威东地区龙马溪期早期深水强还原环境沉积厚度平面分布图

2.2 沉积微相划分

目前关于四川盆地龙马溪组沉积相的研究成果表明，川南地区下志留统龙马溪组为陆棚相沉积，由靠近滨岸的内陆棚（龙马溪组上部地层）和远离滨岸的外陆棚（龙马溪组底部地层）组成[26-29]。外陆棚位于风暴浪基面以下，水深介于40～200 m，属于安静、贫氧、深水的还原环境，主要发育黑色炭质泥页岩和深色粉砂质泥岩，黄铁矿十分发育且呈小透镜状、星散粒状产出，可见同沉积莓球状团块。构造上多发育毫米级片状及纹层状的页理构造，古生物化石丰富且以笔石为主，同时可见大量硅质放射虫和少量硅质海绵骨针等生物化石[30]。内陆棚位于正常浪基面之下至风暴浪基面之间的相对浅水区，水深介于20～40 m，仍属于静水的低能环境，但常常受到特大风暴浪的影响，沉积物以深色陆源粉砂级、泥级碎屑物为主。在研究区偶尔受低密度流的影响，形成指示相对高能沉积环境的泥质粉砂岩与指示相对低能沉积环境的深色粉砂质泥页岩互层的韵律状微相沉积体[30]。

在前人研究基础上，基于元素特征，结合沉积层理、黄铁矿发育特征、古生物特征等沉积标志，精细刻画了本区深层页岩沉积相特征，自下而上共识别出了6种沉积微相（表2）。其中，浅水泥质粉沙棚、浅水粉砂质泥棚发育于内陆棚，U/Th比值小于0.3，属于氧化、弱氧化沉积环境，对应海退体系域4、层序5～9；富有机质硅质泥棚、有机质泥棚、富有机质粉砂质泥棚、深水粉砂质泥棚发育于外陆棚，U/Th比值大于0.3，属于还原沉积环境，对应层序1～3、海侵体系域4。

表2 研究区五峰组—龙马溪组沉积相划分简表

以威东05井为例，在五峰组沉积时期，盆地内发生大规模的海侵事件，最大海泛面对应伽马、U曲线的最大值。在最大海泛面之下发育海侵体系域，岩性以暗色页岩为主，可见同沉积莓球状黄铁矿，古生物化石丰富，有机硅含量较高（图5）。随后，盆地内发生持续缓慢的海退，页岩泥质含量逐渐减少，颜色逐渐变浅，且在此过程中海平面升降偶有起伏，发育数个次级小旋回。

图5 威东地区05井龙马溪组龙一1亚段沉积相综合柱状图

2.2.1 富有机质泥棚微相和富有机质硅质泥棚微相

在页岩的沉积过程中，富有机质泥棚微相和富有机质硅质泥棚微相处于外陆棚水体深度最深的沉积时期，对应于最大海泛面下的三级层序2，水动力能量最弱，基本不受洋流、密度流和风暴流的影响，在研究区内稳定的发育极薄的一层，自西北向东南方向逐渐增厚。该类微相U/Th比通常大于1.25，为强还原环境，有机质含量高，通常大于4%。沉积产物以黑色页岩为主，有机质十分丰富，沉积构造以水平纹层、块状层理为主（图6-a、图6-b）。富含笔石化石，以雕笔石为主，可见同沉积莓球状黄铁矿发育（图6-c、图6-d）。以上多种特征反映了该类沉积微相沉积作用极不活跃，指示了缺氧低能以及低速欠补偿的静水沉积特征，有利于有机质的生成和富集，为其在成熟的条件下向油气转化创造了条件。

2.2.2 富有机质粉砂质泥棚微相和深水粉砂质泥棚微相

富有机质粉砂质泥棚微相和深水粉砂质泥棚微相仍属于外陆棚沉积，但相较于富有机质泥棚微相和富有机质硅质泥棚微相，该类微相的沉积水体相对较浅，主要见于三级层序3，但沉积环境能量仍然较低，水动力条件较弱，基本不受密度流和风暴流的影响，属于弱还原沉积环境，U/Th比通常介于0.5～1.25。岩性以深灰色、深褐色泥页岩和粉砂质泥岩为主，沉积构造可见水平层理和黏土—石英韵律层理发育（图6-e、图6-f），岩心断面见大量的栅笔石和雕化石（图6-g），可见生物潜穴（图6-h），反映了该沉积环境较低能、还原以及低速欠补偿的较深水的特征。

2.2.3 浅水粉砂质泥棚微相和浅水泥质粉砂棚微相

浅水粉砂质泥棚微相和浅水泥质粉砂棚微相位于更靠近滨岸的内陆棚区，沉积水体更浅，氧化环境特征更明显。该类微相U/Th比值通常小于0.5，为弱氧化环境，有机质含量相对较低。随着海平面的频繁升降，形成的沉积产物色偏浅，以灰色、灰绿色、黄绿色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主要岩性。沉积构造主要以块状层理、韵律层理为主（图6-i、图6-j），可见生物潜穴、生物扰动构造和冲刷侵蚀面（图6-k、图6-l），表明沉积时水动力条件较强，水深相对浅，呈氧化环境[31]。

图6 威东地区05井龙马溪组典型沉积特征照片

3 岩相划分及特征

页岩岩相的精细划分对开展页岩储层的精细刻画具有重要的指导意义[32-33]。随着页岩气地质认识的不断深入，页岩储层主要立足于有机质发育和脆性矿物组成评价。有机质表征了储层的生烃潜力，通常用TOC定量表征；脆性矿物组成表征了储层的可改造性，通常由石英+长石含量和碳酸盐矿物含量共同表达。对于孔隙空间致密的页岩，有机质排酸溶蚀储层基质矿物形成的溶蚀孔不易被识别，目前只能通过扫描电镜偶尔观察到，不作为页岩主要储集空间考虑。

因此，本文采用TOC含量+矿物组成的页岩岩相划分标准（图7），在威东地区目的层五峰组—龙一1亚段开展岩相划分。首先，以TOC含量为一级分界，将TOC≥4%归类为高碳页岩相，TOC介于3%～4%的归类为中碳页岩相，TOC介于2%～3%的归类为低碳页岩相，TOC≤2%的归类为特低碳页岩相；其次，以黏土含量为二级标准，将黏土含量大于等于40%的划分为富黏土岩相，将黏土含量小于40%的划分为贫黏土岩相；最终，以石英+长石含量、碳酸盐矿物含量和（石英+长石含量）/碳酸盐矿物含量（RQC）3个指标作为三级标准，划分出硅质、硅质—碳酸盐质、碳酸盐质—硅质、碳酸盐质岩相。根据以上划分标准，在龙马溪组底部划分出15种主要页岩岩相。

图7 威东地区龙马溪组岩相划分标准

中碳硅质页岩岩相和高碳硅质页岩岩相均为有利岩相，发育于深水还原环境，具有有机质含量高、黏土矿物含量低、黄铁矿发育、笔石化石丰富等特征。基于Well 2、Well 3、Well 5、Well 8等4口评价井在龙马溪组底部的岩心分析测试资料，SiO2的含量与TOC成正比（图8），表明硅质含量多来源于生物成因硅，且可见生物扰动和水平纹层。富有机质保证了页岩的生烃能力及含气性，高有机硅含量有利于储层的压裂和改造。威东地区五峰组—龙一1亚段的岩相展布特征，有利硅质岩相多位于龙马溪组底部，呈由东南向西北逐渐减薄并尖灭的趋势。其中，高碳、中碳硅质页岩岩相均发育于富有机质硅质泥棚和富有机质泥棚段。

图8 威东地区岩心实测SiO2含量与TOC的关系图

4 储层发育控制因素

龙马溪组沉积早期，全球古气候变暖，冈瓦纳大陆冰盖开始消融，造成海水体积大幅增加，四川盆地发生大规模海侵，龙马溪组页岩正形成于这种背景。贫氧滞留的深水沉积环境控制了泥页岩的分布范围、矿物组成、有机碳含量等特征，对页岩气储层发育起到了主要控制作用。

4.1 沉积环境控制了页岩的展布特征

岩心、元素、测井等资料表明，龙马溪组底部富含有机质的黑色、深灰色碳质页岩厚度范围介于1～4 m，呈由西北向东南远离剥蚀线方向逐渐增厚的趋势。其纵、横向分布范围与基于U/Th＞1.25的参考指标绘制的龙马溪期早期深水强还原环境沉积厚度平面分布高度一致，表明富有机质泥页岩在空间展布上明显受沉积相，即富有机质泥棚微相、富有机质硅质泥棚微相的控制。

4.2 沉积环境控制了矿物组成

龙马溪组底部黑灰色泥页岩均为典型的海相水生有机质富集，富含生物化石，可见同沉积形成的莓球状黄铁矿。发育的高碳硅质页岩岩相、中碳硅质页岩岩相，总有机碳含量平均值大于4.35%，硅质含量普遍大于55%且多以生物成因硅为主。其分布范围与深水强还原的富有机质泥棚微相、富有机质硅质泥棚微相沉积范围重叠。随着沉积水体的逐渐变浅，岩石特征逐渐过渡为中碳、低碳的硅质—碳酸盐质页岩相，其特征是总有机碳含量降低，Al元素指标升高，陆源沉积的陆源硅含量增加。页岩岩性特征随沉积相带的变化而发生的改变，表明沉积环境对矿物组成起主要控制作用。

4.3 缺氧滞留的深水还原环境使有机质富集

基于元素特征的古氧相分析表明，在龙马溪期早期，快速大范围的海侵造成水体严重缺氧，有利于有机质的富集，最终形成一套典型的富有机质黑色页岩。在最大海泛面时期以后，沉积环境由早期的富有机质泥棚微相、富有机质硅质泥棚微相转变为富有机质粉砂质泥棚微相、深水粉砂质泥棚微相，随着水体富氧的增强而使得有机质的保存条件逐渐变差，能赋存的有机质含量也就随之降低和减少。之后随着海平面持续下降，沉积环境过渡为内陆棚的浅水粉砂质泥棚微相、浅水泥质粉砂棚微相，形成龙马溪组上部的贫有机质页岩段。

4.4 有机质含量是影响页岩气储层物性和含气性的关键因素

有机质是页岩气的物质来源，热成熟作用使有机质在达到生烃门限后大量生烃[34]。有机质生成烃后不仅产生高压保护孔隙，并在生烃演化过程中形成有机孔，同时有机质体积缩小会产生超微裂隙，有利于页岩气的保存；有机质生烃过程产生大量的微孔隙和微裂缝让更多的游离天然气存储于这些空间中，而有机碳含量越高，微孔的总体积就越大，则可供吸附气吸附的表面积就越大，从而使得总含气量增大[35-36]。据多口评价井的岩心分析化验资料，TOC与总含气量、孔隙度均有一定的正相关性（图9）。

图9 威东地区TOC含量与总含气量、孔隙度交会图

5 结论

1）基于古氧相特征、岩性特征和沉积标志特征，结合前人的研究成果，在研究区五峰组—龙马溪组共识别出6个沉积微相。其中富有机质硅质泥棚微相和富有机质泥棚微相为控制优质页岩气储层发育的最有利沉积微相。

2）威东地区龙马溪组底部优质黑色碳质页岩的发育受沉积相带控制，沉积中心位于研究区东南方，沉积厚度介于0～7.5 m，由东南向西北逐渐减薄至尖灭。储层物性佳，总有机碳含量平均值为4.35%，脆性矿物含量平均值为64%，孔隙度平均值为5.65%，总含气量平均值为4.67 m3/t，且越靠近沉积中心的方向，储层物性参数越佳。

3）受大规模快速海侵和伴随着小幅度升降的持续海退的旋回影响，在龙马溪组共识别出7个三级层序（SE2～SE8）。最具生烃潜力的黑色碳质页岩即发育在位于最大海泛面之下的海侵体系域（TST2）。随着海平面的持续降低，深灰、灰黑色碳质页岩逐渐转变为灰、浅灰色贫有机质粉砂质泥岩或泥质粉砂岩，生烃潜力逐渐下降。

4）滞留贫氧的深水环境下形成了高碳硅质页岩相和中碳硅质页岩相，富含有机质，生物成因硅和黄铁矿发育，大量晶间孔和有机质排烃后形成的有机孔为游离气和吸附气提供了良好的贮存空间。