四川盆地巫溪2井龙马溪组含气页岩细粒沉积纹层特征

施振生 ，邱振 ，董大忠 ，卢斌 ，梁萍萍 ，张梦琪

（1.中国石油勘探开发研究院，河北廊坊 065007；2.国家能源页岩气研发（实验）中心，河北廊坊 065007）

0 引言

通过四川盆地东北缘巫溪 2井志留系龙马溪组130余米岩心描述及483块样品X衍射全岩、X衍射黏土矿物、常规电子扫描电镜、场发射电子扫描电镜等综合分析，确定含气页岩纹层组成、结构和构造，以期为提炼纹层关键属性、创建相应研究方法提供素材，并明确其地质意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

巫溪 2井位于四川盆地东北缘，其奥陶系五峰组—志留系龙马溪组发育大套黑色页岩（见图 1）。五峰组与下伏宝塔组或临湘组呈不整合接触；龙马溪组与下伏五峰组整合接触，与上覆石牛栏组、小河坝组或梁山组角度不整合接触，由下至上分为龙一段和龙二段，龙一段分为龙一1亚段和龙一2亚段，龙一1亚段细分出 4个小层[14]。龙马溪组龙一段为黑色、灰黑色薄层状页岩或块状页岩夹薄层状粉砂岩；龙二段为泥质粉砂岩，有时夹粉砂岩。

图1 研究区构造位置及地层综合柱状图（据文献[15]修改和补充）

四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组形成于华南盆地消亡和南华造山带形成阶段，该时期扬子板块进入前陆盆地构造演化阶段，为半闭塞滞流海盆，盆地基底东南高北低，海域自东南向北逐渐变深[14]。

1.2 实验方法

研究样品来自巫溪 2井龙马溪组岩心，取样井深为1 500.9～1 630.5 m，分析样品483块次，通过提取关键属性，识别纹层、纹层组和层，开展系统研究，分析地质意义。纹层结构和构造通过岩心描述和岩石薄片观察确定。通过X衍射全岩、X衍射黏土矿物、常规电子扫描电镜等确定矿物组成。有机质类型通过光片分析确定，并通过感应炉或岩石热解分析获得有机碳含量（TOC值）。在感应炉分析之前，用酸去除样品中的碳酸盐。

不同分析项目对样品规格的要求有所差异。制作大薄片样品要求直径不小于8 cm。X衍射全岩和X衍射黏土矿物分析样品要求为粉末，样品质量分别不低于20 g和50 g。场发射电子扫描电镜分析样品直径不小于20 mm，垂直和平行层面切制，制成薄片（20～25 μm），并进行氩离子抛光。有机质光片分析用于确定有机质类型，样品直径要求不小于8 cm；有机碳分析样品为粉末，质量不低于100 g。

1.3 纹层研究方法

层序地层学中地层单元等级自小到大可划分为纹层、纹层组、层、层组、准层序、准层序组、层序 7个级别。纹层研究首先要识别纹层、纹层组和层，然后提取纹层组成、结构和构造等关键属性，最后明确纹层组和层的组成、结构和构造。单个纹层研究包括组成、结构和构造3个方面（见表1）。纹层组成关键属性是无机矿物、有机质、孔隙和颗粒类型。无机矿物研究关键是确定各无机矿物类型及相对含量，并探讨其成因[16-17]。有机质可分为陆源有机质和内源有机质，研究重点是确定有机质类型、丰度与成熟度。细粒沉积以纳米孔隙为主，研究关键是确定孔隙类型、孔隙结构与孔隙度。颗粒类型分为简单颗粒和复合颗粒，复合颗粒包括絮凝颗粒[18]、泥质内碎屑[19]、岩屑[20]、有机质-黏土矿物集合体及浮游动物粪球粒等[11,21-37]。露头和岩心观察阶段，可通过肉眼观察法（颜色、断口、光泽度、硬度）和盐酸法初步判断碎屑矿物组成。室内分析要借助场发射电子扫描电镜、常规电子扫描电镜、能谱、阴极发光等手段来确定碎屑矿物组成、有机质、孔隙和颗粒类型。

表1 细粒沉积纹层关键属性

纹层结构关键属性是颗粒粒径（见表 1）。根据Lazar的划分标准[4]，细泥岩粒径小于8 μm，黏土矿物含量相对较高；中泥岩粒径8～32 μm，碎屑矿物含量增加；粗泥岩粒径32.0～62.5 μm，以粉砂级碎屑颗粒为主。露头和岩心分析阶裂主要通过刻痕法[4]确定粒径。室内分析阶段，要借助于场发射电子扫描电镜，观察颗粒外部形态和内部构成，判断颗粒类型。

纹层构造关键属性包括纹层形态、连续性和叠置关系（见表 1）。纹层形态有板状、弯曲状和波状[4]。纹层形态与流体性质、水动力条件及沉降方式等有关：板状常形成于较强的单向水流条件或静水悬浮沉降条件；弯曲状常与单向水流底载荷搬运或波浪振荡有关，水体能量较高；波状常与波浪振荡流有关，水流能量相对中等至较低。纹层连续性分为连续型和断续型2类，其形成可能与沉积作用空间稳定性有关。多个纹层发育平行和非平行2种叠置关系，平行叠置纹层顶、底界面平行、不相交，非平行叠置纹层顶、底界面相交。叠置关系反映水流流向和能量在时间和空间上的变化。

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纹层组组成关键属性是纹层组成，结构关键属性是粒径，构造关键属性是界面形态、连续性、叠置关系和粒序（见表1）。界面形态有板状、弯曲状和波状，连续性有连续型和断续型，叠置关系有平行和非平行，粒序有正递变、反递变和均质状3种类型[5,21]。正递变形成多与浊流、等深流及底流搬运有关；反递变形成多与气候周期性变化有关；均质纹层分原生均质纹层和次生均质纹层，原生均质纹层形成与悬浮沉降及快速沉降有关，次生均质纹层形成多与生物扰动及成岩作用有关。

层组成关键属性是纹层或纹层组组成，结构关键属性是颗粒粒径，构造关键属性有纹层组耦合、界面形态和界面清晰性（见表1）。纹层组耦合分相似耦合和相关耦合，相似耦合表现为各纹层或纹层组组成、结构和构造特征基本一致，相关耦合表现为各纹层或纹层组性质差异，但其间具备成因联系。层界面形态分为板状、弯曲状和波状，界面清晰性分为清晰和欠清晰 2种，上下层之间形成条件差异较大时常发育清晰界面，上下层形成条件相近时发育欠清晰界面，生物扰动也可造成界面清晰性变差。

2 巫溪2井龙马溪组纹层

2.1 沉积组成

细粒沉积有碎屑矿物、生物碎屑、有机质，这些矿物构成多种颗粒类型，碎屑矿物含量 93%，生物碎屑含量3%，有机质含量为4%（见表2）。碎屑矿物主要有石英、黏土矿物、碳酸盐矿物、长石和硫化物，局部见硬石膏、萤石及磷灰岩。硫化物主要为黄铁矿，其中，草莓状黄铁矿发育，直径为1～10 μm。生物碎屑有笔石、放射虫（见图 2a）和硅质海绵骨针（见图2b）等。笔石沿层面分布，龙马溪组发育 9个笔石带[38-43]。放射虫多被硅质充填（见图2c），硅质可见被碳酸盐矿物交代，少数被黄铁矿（见图2d）和有机质充填。海绵骨针扫描电镜下形状平直，内部常发育大量自生钡长石（见图2e）。有机质有分散有机质和有形有机质。有形有机质显微组分为镜质体（见图 2f）和丝质体。有机质以“海洋雪”、粪球粒和层状产出，局部富集成层。

颗粒类型有简单颗粒（见图 3a）和复合颗粒（见表2）。复合颗粒分粪球粒、有机质-黏土矿物集合体（见图3b）、内碎屑（见图3c）、泥岩岩屑（见图3d）和絮凝颗粒（见图 3e、图 3f）。有机质-黏土矿物集合体含水量与絮凝颗粒相似[21]，内碎屑成岩作用过程中常脱水形成压平状，并沿着其他颗粒发生弯曲[24-26]，泥岩岩屑与基质性质差异明显，呈现明显的支撑性质或造成周围泥质发生弯曲。

表2 巫溪2井龙马溪组细粒沉积组成

2.2 纹层组成、结构和构造

纹层类型有富有机质纹层、含有机质纹层、黏土质纹层和粉砂质纹层（见表3）。富有机质纹层单层厚度为0.1～0.6 mm，多纹层相互叠置，形成界面不清晰的富有机质层（见图4a），也可与含有机质纹层叠置，构成反递变层（见图4b）。含有机质纹层单层厚度0.1～1.0 mm，个别达1 mm，其中有机质呈块状或絮状分布，多个纹层相互叠置，形成界面不清晰的含有机质层（见图4c），也可与粉砂质纹层（见图 4d）互层，形成界面清晰的含有机质+粉砂质纹层组（见图 4e）。粉砂质纹层厚度0.02～0.10 mm，一般为0.05 mm，常与含有机质纹层互层，形成界面清晰的砂泥薄互层纹层组或层（见图4e）。

图2 巫溪2井龙马溪组生物碎屑、有机质组分照片

图3 巫溪2井龙马溪组场发射扫描电镜照片显示颗粒类型

2.3 纹层组和层组成、结构和构造

纹层组有2类（见表3），富有机质+含有机质纹层组（见图 4f）和含有机质+粉砂质纹层组（见图 4g—图4i）。富有机质+含有机质纹层组层厚1～2 mm，含有机质+粉砂质纹层组在显微镜下呈现亮暗纹层相间，可细分为稀疏型和密集型。稀疏型中含有机质纹层厚度为0.1～1.0 mm，一般为0.8 mm，粉砂质含量较高，分选性较差，大小混杂，而粉砂质纹层厚度为 0.1～

0.3 mm，呈脉状、透镜状或线状分布，含有机质纹层与粉砂质纹层厚度比为8～10。密集型中含有机质纹层厚度0.06～0.30 mm，粉砂质纹层厚0.03～0.10 mm，含有机质纹层与粉砂质纹层厚度比为 2～3。龙马溪组发育 5类层（见表 3），即富有机质层（见图 4a）、含有机质层（见图4c）、生物碎屑层（见图4j）、砂泥薄互层（见图4k、图4l）和黄铁矿层。砂泥薄互层界面上下常发育上超、下超和削截等现象（见图4k、图4l）。生物碎屑层单层厚度6～9 mm，生物碎屑有放射虫，椭圆状，呈粒度双众数分布。黄铁矿层厚 0.5～1.5 cm，一般为1.0 cm，黄铁矿富集，呈斑点状、层状分布。

表3 巫溪2井龙马溪组细粒沉积纹层关键属性

图4 巫溪2井龙马溪组显微镜下纹层、纹层组和层

2.4 纹层纵向演化

巫溪 2井龙马溪组由深至浅，脆性矿物含量轻微降低，黏土矿物含量逐渐增加，TOC值逐渐降低（见图 5）。龙一1亚段脆性矿物含量为 60%～80%，黏土矿物含量为 20%～40%，TOC值为 2%～7%。龙一2亚段脆性矿物含量为 40%～60%，黏土矿物含量为40%～60%，TOC值小于2%。龙一1亚段内部，脆性矿物含量、黏土矿物和TOC值也呈现规律性变化，其中，龙一1亚段1—3小层脆性矿物含量70%～80%，黏土矿物含量为 20%～40%，TOC值为 4%～7%，龙一1亚段4小层脆性矿物含量为60%～70%，黏土矿物含量为30%～40%，TOC值为2%～4%。

图5 巫溪2井龙马溪组矿物组成与纹层分布

巫溪 2井龙马溪组纹层类型纵向上呈规律性变化（见图 5）。龙一1亚段 1—3小层富有机质纹层约占90%，含有机质纹层和粉砂质纹层各占 5%；龙一1亚段4小层含有机质纹层约占55%，富有机质纹层和粉砂质纹层分别占20%，黏土质纹层占5%；龙一2亚段黏土质纹层占 60%，粉砂质纹层占 30%，富有机质纹层和含有机质纹层各占5%。纹层组类型中，龙一1亚段1—3小层富有机质+含有机质纹层组占90%，含有机质+粉砂质纹层组占10%；龙一1亚段4小层富有机质+含有机质纹层组约占 15%，含有机质+粉砂质纹层组约占85%；龙一2亚段富有机质+含有机质纹层组约占5%，含有机质+粉砂质纹层组占95%。层类型中，龙一1亚段1—3小层富有机质层占75%，含有机质层占5%，生物碎屑层和黄铁矿层分别占10%；龙一1亚段4小层下部含有机质层占70%，富有机质层占20%，砂泥薄互层占10%；龙一1亚段4小层上部砂泥薄互层占 60%；龙一2亚段砂泥薄互层占约 80%，富有机质层和含有机质层分别占10%。

3 地质意义

3.1 古物源与古环境

前人通过大量地球化学分析认为，龙马溪组底部水体处于缺氧状态，向上由于海平面下降，水体含氧量有所增加[38]。纹层特征进一步表明，巫溪 2井龙一1亚段1—3小层沉积期水体缺氧，古水动力弱，但由下至上古水动力逐渐增强，水体含氧量增加，证据有：①有机质含量高，有机质-黏土矿物以集合体或粪球粒的形式富集，表明沉积期水动力弱，水体含氧量低，沉积物以悬浮沉降为主；②富有机质纹层界面不清晰，粉砂质纹层含量低，表明古水动力弱、陆源碎屑供给少；③黄铁矿层的出现及生物扰动缺失，表明水体处于缺氧还原状态；④局部出现顺层状杂乱堆积生物碎屑层，可能反映周期性风暴作用。龙一1亚段4小层沉积期水体含氧量进一步增加，古水动力进一步增强，证据有：①草莓状黄铁矿大量发育及生物扰动缺失，表明水体仍处于周期性分层、缺氧状态；②粉砂级颗粒和粉砂质纹层增加（见图4k、图4l），表明陆源碎屑供给增加，古水动力增强；③含有机质纹层、富有机质纹层和粉砂质纹层互层，表明古水动力条件周期性变化；④粉砂质纹层多呈透镜状、波状甚至交叉，表明水体流速较大，水动力较强。龙一2亚段沉积期水体含氧量明显增加，古水动力和物源供给进一步增强，证据有：①粉砂质纹层和黏土质纹层互层，表现古水动力条件周期性变化；②粉砂质纹层呈连续或断续的线状，甚至出现交错纹层（见图4k、图4l），表明水体流速较高，碎屑颗粒以底载荷形式搬运堆积；③有机质含量进一步降低（见图5），粉砂质含量进一步增高，表明沉积速率增大，陆源碎屑供给进一步增加。整体上，巫溪 2井在龙马溪组沉积期处于深水陆棚沉积环境，底部水体的还原环境有利于有机质产生与保存。

3.2 储集层特征与“甜点”井段

纹层组成和结构研究中，页岩有机质含量、含气性、孔隙度等分析可为“甜点”井段储集层评价提供定量指标。同时，微观非均质性影响油气渗流能力和渗流路径，也影响页岩储集层“甜点”井段的选择[39-43]。纹层构造研究通过分析纹层、纹层组和层纵向叠置和空间匹配关系，明确各纹层界面展布和匹配关系，从而明确储集层微观非均质性。

综合研究，确定巫溪2井龙一1亚段1—3小层为“甜点”井段。原因有 2：①龙一1亚段 1—3小层储集层高有机质含量、高含气性、高孔隙度，其TOC值为4%～7%、含气量为5%～8%、孔隙度为6%，而龙一1亚段4小层和龙一2亚段TOC值小于4%、含气量为 5%～8%、孔隙度为 6%。②龙一1亚段 1—3小层纹层纵向叠置和空间匹配关系简单、非均质性弱，而龙一1亚段4小层和龙一2亚段纹层纵向叠置和空间匹配关系复杂、非均质性强。

3.3 储集层可压裂性与最佳钻井目标

可压裂性是确定页岩储集层最佳钻井目标的关键因素，其受脆性矿物含量、硅质含量和纹层构造控制。脆性矿物含量越高，页岩储集层可压裂性越好；硅质含量越高，顺层缝和非顺层缝越发育。纹层构造中，界面连续性、形态和几何关系影响页岩压裂过程中裂缝扩展规律。平直、连续和清晰的界面，压裂过程中易造成应力集中，从而形成单一缝网。非平直、断续、不清晰的纹层界面，压裂过程应力不易集中，有利于形成复杂缝网体系。同时，纹层界面的角度也影响页岩的岩石力学性质，在岩样单轴受压直到破坏的过程中，随页岩层理倾角的增大，其单轴抗压强度线性增大。

综合研究，确定巫溪2井龙一1亚段1—3小层为最佳钻井目标。原因有 2：①龙一1亚段 1—3小层脆性矿物含量高（70%～80%），可压裂性强；②龙一1亚段1—3小层纹层构造复杂，纹层界面多为断续、波状不清晰界面，压裂过程中易形成复杂缝网，可压性强，易于形成复杂缝网体系。

4 结论

巫溪2井志留系龙马溪组纹层组成包括碎屑矿物、生物碎屑、有机质等组分，纹层结构有细粒、中粒和粗粒，纹层构造有连续和断续，板状、透镜状、线状或波状，平行或非平行。发育4类纹层、2类纹层组和5类层，随深度的变浅纹层TOC值逐渐降低、黏土矿物含量逐渐增加、脆性矿物含量轻微降低，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。龙一1亚段1—3小层以富有机质纹层、富有机质+含有机质纹层组及富有机质层为主，沉积期水体缺氧，古水动力弱；龙一1亚段4小层富有机质纹层、含有机质纹层和黏土质纹层均发育，水体含氧量增加，古水动力增强。龙一1亚段1—3小层为目前页岩气勘探开发“甜点”井段及最佳钻井目标。

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