页岩岩相划分及含气性评价——以滇黔北地区五峰组—龙马溪组为例

李明隆 ，谭秀成 ，李延钧 ，邹辰 ，张朝 ，王高翔

（1.天然气地质四川省重点实验室，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.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；4.成都创源油气技术开发有限公司，四川 成都 610500；5.中国石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310013；6.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院，四川 成都 610500）

0 引言

五峰组—龙马溪组海相页岩是我国页岩气勘探开发最有利的层系[1-2]。随着研究的深入，相关学者发现该套页岩具有极强的非均质性，极大影响了页岩气的富集[3-7]。因此，精细划分页岩岩相是研究五峰组—龙马溪组海相页岩非均质性的基础，有助于分析页岩沉积过程和沉积环境，对寻找页岩气勘探开发“甜点”具有重要意义。

“岩相”一词于20世纪中叶提出，每种岩相都有代表性的岩石颜色、粒度、矿物成分、结构构造等特征[8]，这些特征反映了特定的沉积背景。目前，五峰组—龙马溪组页岩岩相划分标准不一。赵建华等[3]结合页岩矿物成分、沉积构造和生物化石等方面的差异，识别了7种页岩岩相。Wang等[9]根据页岩矿物成分、总有机碳质量分数（TOC）及地球化学特征，将川南地区五峰组—龙马溪组岩相分为6种。Jiang等[10]认为川南地区龙马溪组粉砂质页岩、灰质页岩和粉砂质白云岩是页岩气勘探的优质相带。Zhang等[11]识别了川东南地区龙马溪组富有机质硅质页岩、中等有机质混合页岩和贫有机质黏土质页岩3种岩相。

需要指出的是，目前页岩岩相精细划分研究主要集中在四川盆地南部和东部地区，滇黔北地区相关研究较少，仅有陈科洛等[12]利用剖面及少量探井资料，将滇黔北地区五峰组—龙马溪组下段地层划分为硅质页岩、黏土质页岩、钙质页岩等6种岩相。随着勘探工作的进行，滇黔北地区作为中浅层页岩气勘探的重要区块之一[13-14]，有必要利用新井资料对页岩岩相详细研究。基于此，本文结合滇黔北地区五峰组—龙马溪组页岩TOC和矿物成分差异划分页岩岩相类型，分析不同页岩岩相对含气性的影响。该研究为页岩气富集区预测提供了岩相学支撑，对页岩气评价和有利区识别有一定的指导作用。

1 地质背景

滇黔北地区位于四川、云南和贵州三省交界处的扬子板块中部，研究区主体在滇黔北坳陷威信凹陷内，北部和南部分别为四川盆地南缘和滇黔古隆起的一部分（见图1a）。滇黔北坳陷为多旋回叠合盆地，主体在加里东早期开始形成，现今的研究区是古上扬子克拉通盆地的残留，构造变形强度具有南强北弱、西强东弱的特点。

图1 研究区地理位置及岩性柱状图

奥陶纪时期，研究区的构造沉积环境相对稳定，随着海平面持续上升，扬子板块形成广泛的浅海台地，沉积了宝塔组石灰岩与五峰组黑色页岩。奥陶纪末期（赫南特期），位于南极的冈瓦纳大陆古生代冰盖的扩张引发了广泛海退，形成了奥陶系顶部的石灰岩。随后，在早志留纪时期，研究区由于冈瓦纳大陆冰期的结束，发生了广泛海侵，在志留系底部形成了一套黑色页岩（见图1b）。

2 页岩岩相划分及特征

越来越多的研究表明，TOC对页岩气富集具有重要作用[4，15-16]。五峰组—龙马溪组页岩TOC与含气性、储层品质均呈正相关[4，7]。TOC 大小通常反映了还原和高古生产力的沉积环境[17-18]。

为了综合反映不同类型岩相的沉积环境和产气能力，本文页岩采用“TOC+矿物成分”两步命名法。具体步骤为：首先，按照TOC大小分为富碳页岩（TOC≥2%）和贫碳页岩（TOC<2%）；然后，根据矿物成分命名，以黏土矿物、碳酸盐矿物、硅酸盐矿物（石英+长石）作为三端元，将页岩分为硅质页岩、黏土质页岩、钙质页岩、黏土质硅质页岩、黏土质钙质页岩和钙质硅质页岩（见图2）。

图2 五峰组—龙马溪组页岩矿物成分三端元图

根据研究区5口井35块岩石样品的岩性、薄片分析及X射线衍射（XRD）分析资料，划分出富碳硅质页岩、贫碳硅质页岩、富碳钙质页岩、贫碳钙质页岩、贫碳黏土质页岩、富碳钙质硅质页岩、富碳黏土质硅质页岩、贫碳黏土质硅质页岩、富碳黏土质钙质页岩等9种岩相。

1）富碳硅质页岩岩相。该岩相TOC≥2%，主要矿物为石英、长石等硅酸盐矿物，碳酸盐矿物相对较少。镜下可见大量分布的放射虫和海绵骨针，石英颗粒呈次圆状，粒径为5～30 μm，偶见碳酸盐矿物颗粒，黏土矿物与有机质混杂，不易用显微镜区分（见图3a）。

图3 滇黔北地区五峰组龙一1亚段显微镜下照片

2）贫碳硅质页岩岩相。该岩相TOC<2%，主要矿物为石英、长石等硅酸盐矿物，碳酸盐矿物相对较少。镜下可见局部泥质重结晶，石英颗粒呈次圆状，粒径为5～30 μm，偶见碳酸盐矿物颗粒，黏土矿物与有机质混杂，不易用显微镜区分（见图3b）。

3）富碳钙质页岩岩相。该岩相TOC≥2%，主要矿物为碳酸盐矿物，质量分数高达60%，其余为石英、长石及黏土矿物。镜下可见微晶白云石和方解石充填于黏土矿物和有机质之间，石英颗粒呈次圆—次棱角状（见图3c）。

4）贫碳钙质页岩岩相。该岩相TOC<2%，主要矿物为碳酸盐矿物，质量分数高达60%，其余为石英、长石及黏土矿物。镜下可见微晶白云石及方解石充填于黏土矿物和有机质之间，石英颗粒呈次圆—次棱角状（见图3d）。

5）贫碳黏土质页岩岩相。该岩相TOC<2%，主要矿物为黏土，质量分数高达50%，其余为石英、长石及少量碳酸盐矿物。镜下可见黏土矿物较为富集，TOC较低（见图3e）。

6）富碳钙质硅质页岩岩相。该岩相TOC≥2%，主要矿物为石英和碳酸盐矿物。镜下可见条带状暗色有机质，偶见钙质生物碎屑，微晶碳酸盐矿物分散，分布于黏土矿物及有机质之间（见图3f）。

7）富碳黏土质硅质页岩岩相。该岩相TOC≥2%，主要矿物为石英和黏土矿物。镜下可见有机质较为丰富，黏土矿物与有机质混合形成暗色条带，石英颗粒呈次棱角—次圆状，定向分布（见图3g）。

8）贫碳黏土质硅质页岩岩相。该岩相TOC<2%，主要矿物为石英和黏土矿物。镜下石英定向分布，TOC相对较低（见图3h）

9）富碳黏土质钙质页岩岩相。该岩相TOC≥2%，主要矿物为黏土矿物和碳酸盐矿物，石英和长石质量分数在20%左右。镜下可见微晶白云石及方解石充填于黏土矿物和有机质之间，少见黄铁矿，有时可见顺层状裂缝充填方解石（见图3i）。

3 不同页岩岩相含气性评价

3.1 孔隙结构特征

低温氮气吸附实验测得五峰组—龙马溪组页岩的比表面积为12.40～24.52 m2/g，平均18.65 m2/g；孔隙体积为 0.023 5～0.041 6 cm3/g，平均 0.033 0 cm3/g；TOC 为0.76%～3.53%，平均2.10%（见表1）。这与四川盆地焦石坝地区页岩的比表面积（平均 17.81 m2/g）相当[18]，但是高于三叠系延长组长7段页岩的比表面积（平均1.54 m2/g）[19]。

表1 五峰组—龙马溪组不同页岩岩相孔隙结构参数

研究区页岩的比表面积和孔隙体积，在不同岩相中表现出较强的非均质性。富碳类岩相的比表面积及孔隙体积明显高于贫碳类，富碳硅质页岩、富碳钙质硅质页岩、富碳黏土质硅质页岩岩相的比表面积及孔隙体积最大，平均孔径差异不大。

低温氮气吸附实验获取的五峰组—龙马溪组不同页岩岩相孔隙结构参数见表1。

不同页岩岩相孔隙结构特征不同，孔径分布有一定差异（见图4）。由图可知：不同岩相的平均孔径介于2～25 nm，且有 2～3，4～5，10～11，20～21 nm 等 4 个优势分布区；2～3，4～5 nm分布区的孔隙体积较大，10～11，20～21 nm分布区次之。富碳类岩相在4个分布区的孔隙体积一般大于贫碳类，表明有机质孔对页岩孔隙体积有明显的控制作用。贫碳类岩相孔径分布主要受无机矿物的控制，黏土质页岩岩相在2～3，4～5 nm分布区的孔隙体积及比表面积均相对较高，钙质页岩岩相次之，硅质页岩岩相较差，可能是因为伊利石为主的黏土矿物的贡献[20]。钙质矿物相对硅质矿物的溶蚀孔隙较为发育[21]，因此，贫碳钙质页岩岩相在 2～3，4～5 nm分布区的孔隙相对贫碳硅质页岩岩相更发育。

图4 不同页岩岩相低温氮气吸附模型下的孔径分布

3.2 含气性分析

如果页岩储层TOC≥2%，含气量大于2 m3/t，该页岩储层可能成为潜在的工业开采目标[22]。五峰组—龙马溪组页岩气现场解析试验发现，富碳类岩相均满足该条件，富碳钙质硅质页岩岩相及富碳钙质页岩岩相的含气量最高（见图5）。

图5 滇黔北地区五峰组—龙马溪组不同页岩岩相含气量

滇黔北地区五峰组—龙马溪组不同页岩岩相含气量见图5。

页岩气现场解析试验获得的是游离气含量，为了获得不同页岩岩相的绝对含气量（吸附气含量+游离气含量），本研究采用质量平衡法开展甲烷等温吸附实验。不同页岩岩相甲烷等温吸附曲线见图6。不同页岩岩相最大甲烷吸附量介于1.1～3.5 m3/t，富碳类岩相甲烷吸附量均大于贫碳类岩相。这说明影响页岩岩相最大甲烷吸附量的主要因素是TOC。事实上，低温氮气吸附实验分析发现，TOC越高，有机质中的孔隙越发育，比表面积越大。同时，由于TOC影响了页岩岩相比表面积，甲烷吸附量增大，因此TOC越高，页岩的吸附能力越强。

图6 滇黔北地区不同页岩岩相甲烷等温吸附曲线

当TOC相差不大时，钙质页岩岩相甲烷吸附量相对硅质页岩岩相更大，可能是由于钙质矿物自身携带溶蚀微孔隙的影响。但是，钙质、硅质页岩岩相甲烷吸附量均低于黏土质页岩岩相，这是因为黏土矿物多为层状结构，层状结构间多发育粒内孔隙[11，23]。

本文结合不同页岩岩相孔隙结构特征及含气性分析认为，滇黔北地区五峰组—龙马溪组的富碳钙质硅质页岩、富碳硅质页岩、富碳钙质页岩岩相为研究区优质岩相，不同页岩岩相孔隙结构及含气性受TOC与矿物成分的控制。

4 结论

1）五峰组—龙马溪组发育富碳硅质页岩、贫碳硅质页岩、富碳钙质页岩、贫碳钙质页岩、贫碳黏土质页岩、富碳钙质硅质页岩、富碳黏土质硅质页岩、贫碳黏土质硅质页岩、富碳黏土质钙质页岩等9种岩相。

2）富碳类岩相具有较大的比表面积和孔隙体积，含气量高，不同页岩岩相孔隙结构及含气性受TOC与矿物成分的控制。

3）富碳钙质硅质页岩、富碳硅质页岩、富碳钙质页岩岩相为研究区优质岩相。研究结果为页岩气富集区预测及页岩气勘探奠定了基础。