渝西地区龙马溪组下部页岩储层发育特征及其影响因素——以重庆綦江观音桥剖面为例

李冠霖，郭英海，赵迪斐

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116； 2. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；3. 中国矿业大学 人工智能研究院，江苏 徐州 221116)

0 引言

页岩气是指以吸附态或游离态赋存在富含有机质的暗色泥岩、页岩中的非常规的天然气，具有自生自储的特点[1]。四川盆地是我国页岩气勘探开发的重点地区，发育有多套富含有机质的泥页岩层[2-3]。四川盆地下志留统页岩是重要的页岩气储藏层位，下志留统为静水还原环境的海相地层，龙马溪组下部页岩为典型的笔石页岩相，有机质含量丰富，类型较好，演化程度高，生烃量大。目前中国页岩气勘探开发取得了较大的进展，在四川盆地涪陵焦石坝等地区已实现了商业化开采[1, 4-5]。

扬子区志留系泥岩主体处于中成岩B期-晚成岩期，具有较低孔隙度、较低渗透率、高突破压力及

以超微孔为主的物性和孔隙结构特征，志留系高演化泥质岩仍具有很好的封盖能力[6]。渝西地区是重要的深层页岩气潜力区，该文选取渝西地区綦江观音桥剖面龙马溪组下部页岩样品，采用X射线衍射、扫描电镜、氩离子抛光-场发射扫描电镜、能谱实验、低温氮吸附实验及地球化学元素分析等实验手段，详细描述了页岩储层的特征，结合沉积环境分析与孔隙演化，讨论了页岩储层发育的影响因素。

1 样品与测试方法

1.1 地质背景

研究区处于重庆东南部綦江地区，构造位置位于上扬子地台坳陷构造带川东高陡构造褶皱区内，构造纲要及取样位置如图1所示(有修改)[7]。

观音桥剖面位于华蓥山断裂与七曜山断裂之间的渝西—渝东格挡式构造带内，属扬子陆块南部被动大陆边缘褶皱带范围，其北西以七曜山基底断裂与四川中生代前陆盆地为界[8]。

华南前陆盆地的演化经历了3次剧烈的构造运动[8-9]：第1次是奥陶纪临湘时期至奥陶纪晚期，第2次是五峰时期到早志留世龙马溪时期，第3次是早志留世到中志留世。从志留纪晚期到早泥盆世，北部和东南边缘前陆盆地和扬子陆块发生了海退事件。早石炭世早期开始发生海侵，海水从东北向西南侵入，形成潮坪、滨海海湾及滨海湖泊相含煤沉积。晚石炭世，随着海侵继续扩大，海平面上升。石炭纪时期，云南、贵州、广西地区受古特提斯扩张的影响，形成以西北方向为主的裂谷盆地，浅水碳酸盐岩与裂谷盆共存。

研究区地层位于四川盆地范围之内，发育较为齐全，基底为前震旦系板溪群浅变质岩，上覆盖层除缺失泥盆系、石炭系、古近系-新近系外，其余各时期地层均有沉积，总厚度近10 000 m[10-13]。

綦江观音桥剖面龙马溪组沉积环境分析如图2所示。观音桥剖面龙马溪组岩层厚160.8 m，以黑灰色、灰黑色笔石页岩、泥岩及粉砂质泥岩为主，中上部含有少量泥质粉砂岩薄层，顶部含少量串珠状泥灰质透镜体。含丰富的笔石及少量头足类化石，其中底部以含轴笔石等化石为特征，其上则出现大量无轴笔石，属浅海盆地相沉积，底部与下伏上奥陶统五峰组为整合接触[14-17]。

1.2 实验及样品

结合定性描述和定量测试研究龙马溪组页岩储层的特征，包括X射线衍射、扫描电镜、氩离子抛光-场发射扫描电镜、能谱实验、低温氮吸附实验及地球化学元素分析等。

X射线衍射采用BRUKER公司的D8 ADVANCE型X射线衍射仪。测试条件如下：Cu靶，Kα辐射；管电压为40 kV, 管电流为30 mA, 测试后应用K值法标定矿物组分含量。

扫描电镜观测采用Helios Nanolab 600i聚焦离子电子双束显微镜和S-4700冷场发射扫描电子显微镜。利用氩离子束使样品表面无损抛光, 采用场发射扫描电镜进行观测, 最小实际观测尺度可达10 nm。

低温氮吸附实验使用Autosorb-1型比表面积及孔径测定仪。通过测定吸附的氮气体积，结合BET模型表征纳米级孔隙。

2 实验结果

2.1 有机质特征

总有机碳含量(TOC)是研究页岩中有机质含量的重要参考标准和评价指标[18-19]。綦江观音桥剖面龙马溪组下部页岩的总有机碳含量较高，而上部较低，如图3所示。下部页岩总有机碳含量值最小为0.46%，最大为4.74%，平均值为2.84%；整体上龙马溪组总有机碳含量为4%～5%。

图3 綦江观音桥剖面龙马溪组储层TOC分布特征Fig.3 TOC distribution of Longmaxi Formation reservoirin Guanyinqiao section, Qijiang

根据烃源岩划分标准[20]，綦江观音桥剖面龙马溪组下部页岩为最好烃源岩，上部页岩为较好烃源岩、好烃源岩，顶部为差烃源岩。烃源岩有效厚度约为40～60 m，是好的生烃潜力区。

龙马溪组在沉积时期处于滞留、闭塞的深水-浅水陆棚环境[21]，含有大量的笔石生物、浮游生物和菌藻生物等化石，局部存在放射虫和硅质海绵骨针[22]。其中笔石最为丰富，故也被称为富笔石页岩，有机质类型以腐泥型为主[23-24]。

有机质成熟度代表着页岩生烃的能力并且可以用来反演有机质生烃演化的过程[25-26]，还可以用来判断和描述有机质的生烃阶段及生烃类型。在缺乏镜质组的海相岩层中，可以测量其类镜质组的反射率[27-28]，应用转换公式[29]得到观音桥剖面龙马溪组页岩等效镜质组反射率Ro为2.90%～3.58%，平均值为3.302%，属于过成熟阶段，如表1所示。

表1 綦江观音桥剖面龙马溪组有机质成熟度Table 1 Organic matter maturity of Longmaxi Formation in Guanyinqiao section, Qijiang

2.2 矿物组分

X射线衍射实验表明, 綦江观音桥剖面龙马溪组页岩中黏土矿物以伊利石为主, 其次为伊蒙混层。伊利石含量为76.9%～57.5%, 平均为67.2%；伊蒙混层含量为19.6%～12.0%, 平均为15.8%；绿泥石含量为6.3%～24.5%, 平均为15.4%；绿蒙混层含量为0～4.50%, 平均为2.25%；没有发现蒙皂石。石英含量为30.1%～46.5%, 平均为38.3%；斜长石含量为3.4%～9.6%, 平均为6.5%；钾长石含量为0～1.0%, 平均为0.5%；方解石含量为0～9.4%, 平均为4.7%；白云石含量为0～5.70%, 平均为2.85%；黄铁矿含量为0.60%～3.50%, 平均为2.05%。代表性样品的X射线衍射测试结果如图4所示。

图4 代表性样品的X射线衍射测试结果Fig.4 XRD test results of representative samples

綦江观音桥剖面龙马溪组下部页岩成分较为均一，主要是石英和黏土矿物(如图5a所示)，下部可见较多黄铁矿颗粒，呈条带状分布(如图5b所示)，偶见黄铁矿结核(如图5c所示)，可以清晰地观察到页岩层理(如图5d所示)。

图5 观音桥剖面龙马溪组页岩储层观察Fig.5 Shale reservoir observation of Longmaxi Formation in Guanyinqiao section

2.3 孔隙类型

页岩气主要赋存在页岩的孔隙中，扫描电镜可以观察到页岩孔隙的形貌和特征。观音桥剖面页岩储层主要发育的孔隙类型包括有机质纳米孔、粒内孔、矿物周缘孔(粒间孔)、黏土矿物晶间孔、微裂缝和生物化石孔。有机质纳米孔是龙马溪组页岩中最为发育的孔隙类型(如图6a所示)，这些孔隙形成于有机质的生烃演化中，数量大且集中于有机质颗粒内部。孔径发育于纳米级别(7.5～800.0 nm)，加上有机质本身的亲气性，使页岩有机质孔具有极大的比表面积，可以为储层吸附提供更多的吸附内比表面积与吸附点位，是页岩气主要的吸附储集空间。

矿物成分决定了矿物的物理、化学性质。石英等硅酸盐矿物较为稳定，其粒内孔主要为原生形成的，碳酸盐矿物和硫化物等容易被溶蚀，存在一定的溶蚀现象(如图6b所示)；粒间孔是发育在矿物颗粒与颗粒之间的孔隙(如图6c和图6d所示)，以页岩为例，粒间孔主要发育在脆性矿物周缘或黏土矿物集合体周缘。其成因是骨架矿物间相互支撑、矿物生长、骨架矿物部分或整体溶蚀等，由于龙马溪组页岩储层受到了强烈的成岩作用改造，尤其是受到压实作用与矿物转化的影响，残余原生孔隙发育极少。

黏土矿物晶体的形态为板状、片状，因而黏土矿物晶间孔常为狭窄的缝隙状，具有一定的连通性(如图6e和图6f所示)。吸附或游离状态下的页岩气可以通过微裂缝迁移，微裂缝连通了孔隙，就会增加岩石的渗透率，对页岩气的开发有利。通过扫描电镜观察，观音桥剖面龙马溪组页岩中微裂缝主要有黏土矿

物颗粒间的微裂缝、矿物溶蚀所形成的微裂缝、构造作用影响而形成的微裂缝(如图6g所示)。龙马溪组页岩是富有机质页岩，有机质来源是保存在页岩中的古生物遗体，包括基质中的菌藻类遗体及层理面赋存的笔石等大化石遗体，笔石化石内部保存一定数量的孔隙(如图6h和图6i所示)。

图6 扫描电镜下的页岩储层孔隙类型Fig.6 Pore types of shale reservoir under scanning electron microscope

2.4 孔隙结构

采用低温氮吸附实验对页岩孔隙结构特征进行定量表征，用IUPAC对于孔隙孔径的分类方案，将储集空间划分为微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和大孔(>50 nm)。实验结果显示，龙马溪组下部页岩储层样品孔隙发育区间相对集中，主要发育在40 nm以下, 有2个主峰, 分别为1～10 nm和18～22 nm(如图7所示)。美国Barnett页岩孔隙的孔径为5～750 nm, 平均孔径小于100 nm[30-31]；Haynesville盆地页岩孔隙孔径主要为2～20 nm[32]；我国牛蹄塘组、乃家河组页岩孔径主要分布在50 nm以下[33]；川南地区龙马溪组页岩储层孔隙主要分布在40 nm以下[34]。

图7 页岩孔径分布曲线Fig.7 Pore size distribution curves of shale samples

实验结果显示, 样品比表面积最大为20.5 m2/g, 最小为10.7 m2/g, 平均为15.1 m2/g；总孔隙体积最大为0.031 ml/g, 最小为0.012 ml/g, 平均为0.021 ml/g；平均孔径最大为37.5Å, 最小为19.3Å,平均为27.9Å，如表2所示。页岩储层孔隙孔径小、体积小，但是比表面积大，这是储层渗透性减弱的原因。

表2 龙马溪组下部页岩储层孔隙结构参数表Table 2 Table of pore structure parameters of shale reservoir in lower Longmaxi Formation

3 讨论

3.1 孔隙结构量化评价

页岩具有分形特征，利用分形维数可以对孔隙结构进行量化评价[30,35]。该文采用FHH分形模型[26]计算分形维数，对页岩孔隙进行量化评价。FHH模型如下：

lnV=K(ln(ln(Po/P)))+C

(1)

式中：P为平衡压力, MPa；Po为饱和蒸气压, MPa；V为所对应的吸附体积，m3；K为线性关系系数, 常数；C为常数。

若吸附机理为毛细管凝结作用，则K=D-3；若认为吸附机理为分子间作用，不考虑毛细管力作用时[36]，K=(D-3)/3。

将大于0.45吸附数据对lnV与ln(Po/P)做出图像，用最小二乘法绘制趋势线来拟合数据。如果孔隙具有分形特征，认为其线性相关，通过线性图像的斜率表达式计算出分形维数D，在此基础上建立FHH分形模型。图8为储层FHH分形模型建模结果，可以看出，储层孔隙分形特征明显，相关性高，相关系数大多在约99%处。样品的分形维数值最大为2.85，最小为2.76，比较接近，说明孔隙体积小，结构复杂，具有较强的非均质性。

图8 低温氮吸附实验的lnV和ln(Po/P)的关系曲线图Fig.8 Relationship between lnV and ln(Po/P) in low temperature nitrogen adsorption experiment

从图9所示分形维数与孔隙体积、比表面积、平均孔径、TOC质量分数的关系图中可以看出，孔隙体积、平均孔径、比表面积与分形维数呈现负相关，而TOC质量分数与分形维数呈现正相关。

图9 分形维数与孔隙体积、比表面积、平均孔径、TOC质量分数的线性关系Fig.9 Linear relationship between fractal dimension and pore volume, specific surface area, average pore size and TOC mass fraction

3.2 页岩储层孔隙发育的影响因素

沉积环境是龙马溪组页岩物质成分与孔隙特征在纵向上呈现非均质性的重要控制因素。龙马溪组下段沉积于深水陆棚环境，岩石厚度较上段薄，但沉积时间比上段长，沉积速率较低，属于欠补偿环境[37]。上段沉积于碳酸盐台地—浅水陆棚—深水陆棚环境，沉积速率相对快，水体呈现弱还原性。龙马溪组沉积时期聚集了大量的有机质，为成岩期形成有机质孔隙奠定基础。如表3所示[38]，龙马溪组V/(V+Ni)比值反映了沉积时属于厌氧环境, 且底部氧含量最低；V/Cr值反映了底部贫氧, 中部—上部逐渐变为富氧环境；Ni/Co比值反映了下部缺氧、中上部富氧的沉积环境；Mo/TOC比值反映水体底部低受限程度逐渐到上部高受限程度的变化。由于龙马溪组页岩底部有机质含量多, Mo/TOC并不能准确反映沉积环境。V/(V+Ni), V/Cr与Ni/Co比值变化规律共同表明了龙马溪组底部缺氧闭塞环境到上部水体氧含量增加的变化。

表3 龙马溪组页岩沉积环境判别地化指标表Table 3 Geochemical indicators for shale sedimentary environment discrimination of Longmaxi Formation

五峰组沉积期相对滞留的沉积环境及龙马溪组早期快速上升水体背景下沉积的页岩具有更高的有机质含量及脆性矿物含量，前者有利于有机质纳米孔的大量发育，后者有利于储层中微裂缝、力学薄弱面的增多，利于储层的压裂改造。扫描电镜、薄片观察及能谱分析等认为龙马溪组页岩储层主要成岩作用包括机械压实作用、化学压实作用、溶蚀作用、有机质生烃成孔作用、矿物转化作用及破裂作用等。压实作用是导致页岩中孔隙细小、连通性差的主要原因，溶蚀作用、有机质生烃成孔作用有利于储层中储集空间的增多，破裂作用有利于微裂缝的发育，矿物转化作用则具有双重影响，部分黏土矿物转化时发生体积缩减，有利于储层中储集空间的增多，也对孔隙的保存有积极作用[39]。

3.3 储层发育的非均质性特征

页岩储层具有显著的非均质性[38]。观音桥剖面测试结果显示，有机质在龙马溪组底部最为发育；孔隙观测结果表明，龙马溪组下部页岩储层样品发育更多的有机质纳米孔，这类孔隙具有极大的比表面积，可以为页岩提供更多吸附点位[40]；此外，下部页岩储层还具有更高的黄铁矿及脆性矿物含量，与下部观测到的更为发育的微裂缝和矿物周缘孔隙吻合。总体而言，龙马溪组底部页岩最为优质，表现为更高的有机质含量、更优的力学脆性、更发育的孔隙网络、富笔石水平层理发育；向上黏土矿物含量增多，脆性矿物含量下降，粉砂质-砂质纹层发育更为显著，储层内有机质孔隙相对比例下降，力学性质变差，不利于页岩气富集、赋存与储层改造[41]。沉积环境与沉积条件的变化是控制其纵向非均质性的主要因素，龙马溪组底部特殊的沉积环境是优质页岩气储层发育的重要影响因素。

4 结论

1)重庆綦江观音桥剖面龙马溪组下部页岩储层主要矿物组分为石英和黏土矿物，脆性矿物从下向上有微弱的减少趋势，页岩储层力学脆性更好；龙马溪组页岩底部干酪根类型为I型，有机质热演化程度达到过成熟阶段。从纵向对比来看，龙马溪组中、上部页岩储层有机质含量明显降低。

2)龙马溪组下部页岩具有低孔低渗的特征，孔隙类型包括有机质孔、粒内孔、矿物周缘孔、黏土矿物晶间孔、微裂缝和生物化石孔，孔径集中在40 nm以下，具有较强的非均质性，纳米孔隙提供了大部分的孔容，是页岩气吸附与成藏的基础。

3)页岩孔隙具有较强的分形特征，FHH分形模型相关性很强，分形维数值为2.76～2.85，分形曲线显示出双重分形的特征。

4)龙马溪组下部页岩沉积环境特殊，沉积速率低，属欠补偿的缺氧深水环境，页岩水平层理发育，有机质含量高，化石丰富，形成了优质储层。