纹层、夹层沉积构造对海相页岩储集空间和储层脆性的影响——以四川盆地龙马溪组页岩为例

王玉杰，赵迪斐,2,3,4，卢琪荣，张逸箫，刘 静，郭英海,2

(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.自然资源部页岩气资源勘查重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 4001120；4.页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心(重庆地质矿产研究院)，重庆 4001120)

页岩气是指页岩或泥岩在各种地质条件下生成但未完全排出的天然气，储存于盆地内厚度较大、分布较广的泥页岩内部，有吸附、游离、溶解等多种赋存方式[1-2]。页岩气属于非常规天然气，其分布范围广、厚度大，具有开采年限长和生产周期长的优点，其资源量巨大，但埋藏一般较深，渗透性一般不佳，开发工作具较大难度且成本较高[3]。四川盆地是我国重要的天然气产区，四川盆地海相页岩气资源量丰富，以寒武系筇竹寺组与志留系龙马溪组最为典型，这两个地层的页岩分布广泛、厚度大、勘探价值高、TOC含量适宜，适合开展页岩气的进一步地质研究[1,3-4]。

页岩气成藏的主控因素包括有机质类型与含量、成熟度、裂隙、孔隙度、渗透率、矿物组成、厚度、湿度、深度与温压条件等。近年来的地质勘探及研究结果表明，不仅基质孔隙和裂缝中含气，在部分地区的龙马溪组上部—新滩组粉砂质夹层、纹层发育段也发现页岩具有较好的含气性，甚至可以形成致密气藏[5]。

前人多对陆相及湖相页岩纹层进行研究，而对海相页岩纹层及其对页岩储层的影响研究相对较少，在最近一两年才开始增多。前人研究表明，纹层的组成和结构会对页岩储层的有机质含量、含气性、孔隙度产生影响[6]，无机质孔隙更为发育，而总有机碳含量和有机孔隙发育程度相对降低[7]。目前，已有研究成果对海相页岩纹层做了详细研究以及初步划分，对海相页岩纹层与页岩储层的评价指标进行了相关探索，但对页岩储层脆性等的影响研究不足，且其研究仍侧重于实验研究，而对其地质意义的讨论有待进一步深入。本文选取蜀南、重庆地区志留纪龙马溪组页岩为研究对象，主要从地质意义方面讨论页岩纹层、夹层对页岩气储层的影响。

1 页岩纹层、夹层的地质特征

1.1 纹层、夹层的发育特征

研究区龙马溪组厚度在229.2～672.5 m，属志留系下统，与下伏地层奥陶系五峰组呈整合接触，岩性以黑灰色、灰黑色笔石页岩、泥岩及粉砂质泥岩为主，富含笔石化石，常见有黄铁矿细晶粒。上段以灰—深灰色、灰黑色泥岩为主，夹少量薄层或条带状粉砂岩、泥质粉砂岩、灰岩，顶部含少量串珠状泥灰岩小透镜体；中段为深灰色、灰黑色页岩；下段为灰黑色、黑色碳质页岩(表1)。

表1 重庆市綦江区观音桥剖面龙马溪组页岩及邻近地层中的粉砂质纹层、夹层

龙马溪组及其邻近地层中粉砂质层段较为发育，除龙马溪组底部陆源粉砂质含量较少外[8]，不仅页岩基质孔隙和裂缝可含气，而且龙马溪组页岩间砂质、粉砂质夹层、灰岩条带等也可含气，巫浅1井、龚地1井、临7井粉砂质夹层均出现气测异常，阳深2井、阳9井等的灰岩条带、砂质条带出现了井涌、气浸、气喷等现象(表2)。在夹层、纹层发育位置，这种气测异常普遍存在，对纹层、夹层及其对储层的影响进行研究，将有利于了解气测异常原因与页岩储层层系物性的影响因素。

表2 研究区代表性钻孔的夹层、纹层段的气测异常与对应岩性

1.2 纹层、夹层的成因分析

龙马溪组沉积于中国南方挤压最强烈的地质历史时期，早晚期的沉积环境不同，受控于沉积环境，龙马溪组页岩储层不同层段特征具有显著差异[9]。图1c示龙马溪组页岩发育初期，研究区在五峰组封闭深水滞留盆地的基础上接受沉积，形成深水、低能、欠补偿、缺氧的水体环境，在海平面快速上升的背景下形成以富有机质笔石页岩相为主的沉积物[10]；龙马溪组底部页岩储层发育水平层理，说明沉积环境水动力条件较弱；普遍存在的笔石化石，说明为深水环境；分散状的黄铁矿晶粒说明环境为还原静水条件[5]。图1b示龙马溪组中期时，随着水体深度变浅，陆源碎屑物质对储层的影响增加，储层中粉砂质纹层等的发育增多，水平层理由碳质—泥质水平层理过渡为泥质—粉砂质层理[5]，沉积环境由深海陆棚向浅海陆棚环境逐渐过渡，此阶段沉积物中断续的水平层理、水平波状层理、粉砂质纹层说明水动力条件相对增强，沉积物开始受到动力沉积的影响。图1a示龙马溪组晚期，由于水体进一步变浅，在观音桥剖面等可见碳酸盐岩夹层。

图1 沉积演化成因分析模式图

1.2.1 纹层状碳酸盐岩夹层

在古水体中，由于从海水平面以下某一深度开始，碳酸盐岩溶解度增大，随海水深度增加，溶解度随之增大，因此，在较深水环境下碳酸盐岩被溶解而无法沉积保存，但观音桥剖面等的龙马溪组上部页岩中却发育有碳酸盐岩夹层[5]。图2a示WX-1井龙马溪组上部的纹层状碳酸盐岩夹层；图2b示YC-4井龙马溪组上部泥质灰岩层段，对箭头指向处进行局部放大；图2c示局部放大后的碳酸岩矿物，说明此可能为快速搬运沉积的结果，其来源可能是水下高地或临近碳酸盐岩台地的碳酸盐岩沉积物，在具坡度差的情况下和风暴、地震影响条件下快速搬运沉积而成。

图2 龙马溪组纹层状碳酸盐岩夹层

1.2.2 粉砂质、砂质夹层

粉砂质、砂质沉积物粒度粗于页岩基质，故在页岩中出现的这类沉积常与水动力条件增强有关，如风暴、浊流等事件沉积可能是其重要成因[11]。观音桥剖面样品的微观观测显示，龙马溪组各层段普遍发育有粉砂质纹层、夹层，图3a示龙马溪组下部页岩基质中微型浊流成因的粉砂质夹层，图3b示龙马溪组中部页岩中的粉砂质纹层显微特征，图3c示龙马溪组上部页岩储层中发育的粉砂质夹层，图3d则示龙马溪组中上部页岩储层基质中粒度较粗的陆源碎屑矿物。以川北广元地区的河深1井龙马溪组为例，其4 340～4 355 m井段在黑色页岩中夹多层褐灰色纹层状粉砂岩、泥质粉砂岩及不等粒含生物碎屑砂岩，这些均为典型的浊流沉积；泉浅一井也可见粉砂质薄夹层的存在，发现多处微型浊流沉积，在岩心中呈向两侧减薄的透镜状[2]。

图3 龙马溪组中的粉砂质纹层—夹层沉积特征

2 纹层、夹层对页岩储层的影响

纹层、夹层发育部位出现的气测异常说明，在这些层段页岩气的储层物性、含气方式、含气量等存在与页岩基质的差异。这些层位岩石的性质发生变化，在显微尺度可以认为这些层位发生由有机质—泥质(泥级矿物)构成的页岩储层向粉砂质—砂质等构成的致密储层的转变，其游离气含量更高，孔隙发育尺度相对更大，纹层—夹层的发育是页岩储层物质成分与物性非均质性的重要影响因素[12-14]。不同岩性的夹层对页岩气储层物性的影响是不一样的，但总的来说，夹层对页岩物性与页岩气储集的作用主要有以下方面：作为游离气等的微观储集空间、构成页岩层系中的渗流通道、调整页岩储层小尺度储运条件、影响页岩储层的脆性特征等。概括而言，纹层、夹层的发育特点对页岩储层的不同影响如图4所示。

图4 纹层、夹层对页岩储层的影响

2.1 改变微观储集空间

页岩基质具有低渗低储的典型特点，纳米级储集空间是页岩储层重要的研究目标[15]。对于页岩储集空间而言，夹层的存在是一种对基质储集空间的调整和补充，其气体赋存特征有别于页岩基质。粉砂岩、砂岩纹层与夹层，其孔隙、微裂隙发育尺度更大，孔隙度高于页岩基质，可以为游离气、吸附气提供一定储集空间；纹层、夹层的发育位置基本处于基质之间，图5a示YC-4井695.7 m处粉砂质纹层发育于基质之间，图5b示YC-4井704 m处粉砂质夹层较为发育，图5c示 YC-4井760.7 m处发育粉砂质纹层，图5d示YC-8井840 m处发育透镜状粉砂质纹层，上下一般均为低孔、低渗的页岩基质，故其内部可以保持相对较高的压力。取代表性含纹层、夹层页岩样品进行测试，结果(表3)表明，粉砂岩夹泥质纹层样品的孔隙度、渗透率均显著更高(孔隙度为3.45%，渗透率为0.085 2 mD)；含有粉砂质夹层的泥页岩样品的孔隙度、渗透率次之(孔隙度为2.35%～3.05%，渗透率为0.001 4～0.010 1 mD)；而龙马溪组底部无粉砂质纹层、夹层发育的页岩储层基质样品的孔隙度与渗透性最低(孔隙度为2.25%，渗透率为0.000 1 mD)，但因有机质纳米孔隙大量发育而具有最好的储集性能。值得注意的是，龙马溪组无纹层、夹层发育的非底部储层层位，孔隙度等物性条件差于龙马溪组底部无粉砂质纹层、夹层发育的页岩储层基质样品。因此，在纹层、夹层发育程度较高、保持压力较高时，层段可以为游离气提供储集空间，龚地1井等在龙马溪组上部—新滩组发现的气藏即属于粉砂质层段内部赋存的高压力气藏，故应该重视页岩层系与邻近地层的综合研究[2]。

图5 龙马溪组粉砂质纹层—夹层发育情况

表3 代表性含纹层、夹层页岩物性测试结果

2.2 增加页岩储层的连通性

纹层、夹层发育层段的孔隙裂隙系统是与整体连通性相配合的，在储层形成后漫长的成岩改造过程中，这些夹层的存在有利于构造作用下孔裂隙系统的调整与整体连通性的改变[16]。同时，由于纹层、夹层发育程度较高，储层内部对压力的调整方式增多，有利于储层裂缝发育[17]。纹层、夹层的矿物粒度更粗，使矿物颗粒间可以保持相对更好的渗流通道，由于页岩基质中的微孔隙和微裂隙常表现为黏土矿物开缝、脆性矿物开缝或矿物间的接触缝[11,18]，图6c示页岩基质中黏土矿物变形显著，孔隙连通性较差，而纹层、夹层发育层段内部的孔隙、微裂隙更为发育；图6a示纹层、夹层发育段的颗粒矿物之间的孔隙较大；图6b示碳酸盐岩矿物溶蚀后发育的储层孔隙，使纹层、夹层发育层段的连通性更加完备。所以，粉砂岩、灰质粉砂岩等薄层可以增加页岩孔隙裂隙的连通性，成为页岩气运移的良好通道。

图6 龙马溪组页岩微孔隙发育情况

2.3 提高页岩储层的脆性

低孔低渗是页岩储层的典型特点，确定页岩气资源潜力区域不仅要考虑储气量，还要考虑储层的压裂效果。脆性矿物是容易被击破压碎的矿物，因此压裂效果与脆性矿物息息相关[11]。脆性矿物含量越高，页岩脆性越高，压裂时越易产生网络型裂缝[19]，使页岩气的产能越高，当储层脆性不够时，压裂产生裂缝效果不好，将影响页岩气的产量。同时，页岩脆性是评价页岩储层可压性的重要指标，页岩脆性越高，形成复杂缝网的潜力越大，易于增强储层改造效果[20]。薄片观察及扫描电镜照片观察显示，粉砂质纹层、夹层的脆性矿物颗粒含量高于页岩基质，其中发育有较多的黄铁矿、石英、方解石和长石等脆性矿物[2,11]。由Y-2井龙马溪组页岩储层脆性指数的纵向变化可知，龙马溪组底部页岩储层(780～800 m)具有较好的力学脆性，向上脆性降低，至龙马溪组上部—顶部页岩，随着粉砂质纹层、夹层的发育，脆性指数重新增高(图7)。脆性矿物含量会影响储层微观刚性构架，图8a示龙马溪组纹层、夹层中的黄铁矿，图8b示龙马溪组纹层、夹层中的方解石颗粒，图8c示龙马溪组纹层、夹层中的长石颗粒。在页岩气的相关研究中，脆性矿物有着非常重要的作用，纹层、夹层中的脆性矿物含量更高且矿物粒度更粗，有助于形成微观刚性构架[11]，偏脆性夹层沉积构造在非五峰组-龙马溪组底部储层的发育，可能有利于形成压裂缝。

图7 Y-2井龙马溪组页岩储层脆性指数变化特征

图8 龙马溪组扫描电镜下的矿物特征

2.4 纹层、夹层的地质意义

龙马溪组页岩储层向上具有粉砂质纹层、夹层发育增多的特征，在顶部及其上覆新滩组地层中，因地层中粉砂质的相对增多，岩性在部分层位逐渐过渡为泥质粉砂岩、粉砂岩，使储层的岩石学性质由页岩储层过渡为致密储层。渝东南地区因相对靠近沉积盆地边缘，YC-8井、YC-6井等所揭露的龙马溪组储层陆源粉砂质含量显著更高，如YC-8井除龙马溪组底部数米外，岩性基本对应泥质粉砂岩—粉砂岩，渝东南地区东南部的优质页岩储层主要是五峰组地层，龙马溪组页岩基质的储层质量相对较差；而在渝东南地区，龚滩等地残留向斜发现的高压致密砂岩气藏也证明，在这些陆源粉砂质沉积相对较多的页岩储层层系中，致密气可能是具有可行性的潜在目标，因此粉砂质纹层、夹层的发育在影响海相页岩储层的同时，可能形成高压致密砂岩气藏。

3 结束语

龙马溪组页岩沉积构造反映当时的沉积环境整体为弱水动力条件、深水还原环境；粉砂质夹层、纹层等沉积构造的形成则多与水体逐渐变浅、水动力条件逐渐增强有关，且多为事件沉积。川南龙马溪组页岩普遍发育粉砂质或灰质纹层、夹层，夹层岩性包括灰岩、生物灰岩、粉砂岩、砂岩等，夹层发育部位多有气测异常发生，与页岩基质相比，纹层、夹层发育段的储层物性更好，脆性矿物含量更高，孔隙及微裂缝更为发育。纹层、夹层对页岩物性与页岩气储集具有一定影响，薄夹层与页岩孔隙裂隙系统相配合，改变了页岩储层的运聚条件；此外，纹层、夹层还可以通过改变储层中的脆性矿物含量调整脆性与压裂效果。在陆源粉砂质沉积相对较多的页岩储层层系中，致密气可能是具有可行性的潜在目标。

致谢：感谢重庆地质矿产研究院页岩气分院曾春林高工、焦伟伟高工在岩心研究中的指导和帮助，感谢中国矿业大学孟祥胜、刘英杰参加薄片观测工作。