岩相角度的五峰组页岩小尺度沉积构造系统分类与解析——兼论对深层页岩精细评价的影响

张妍煜，赵迪斐，郭英海,3，魏 源，康维旗，焦伟伟，张治波,3

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 人工智能研究院，江苏 徐州 221116；3. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；4. 重庆工业职业技术学院 建筑工程学院，重庆 401120)

0 引言

在传统化石能源逐渐枯竭，碳中和压力增加的背景下, 我国储量丰富的页岩气、煤层气等非常规能源成为替代传统化石能源的现实选择[1]。近年来我国页岩气的研究及勘探开发取得了丰硕成果, 但也面临中浅层资源开发速度过快等问题。深层页岩资源成为接续页岩气勘探开发的关键[2-4]。深层页岩勘探开发受制约因素多, 深地条件下页岩气物性、含气性影响因素及程度发生变化, 小尺度非均质性显著, 中浅层勘探开发积累的评价因素经验适用性不强，亟待针对深层页岩气储层特征开展精细认知，以科学指导深层页岩储层的精准勘探开发[5-6]。

沉积构造对于页岩气储层评价及工程效果的重要意义越来越得到重视。研究表明, 页岩纹层等沉积构造是在沉积环境因素控制下形成的、影响页岩系统储层有效性评价的关键因素之一。在页岩漫长的地质演化过程中, 沉积构造与储层成岩作用过程中的物质组分协同演化, 通过影响物质分异、空间分布控制了储层微观储集空间的分布、连通性及其他物理性质, 进而影响了页岩储层的力学结构、物性、含气性以及气体渗流释放能力[7-10]。但由于页岩小尺度沉积构造的复杂性高, 对宏观沉积构造的笼统描述或岩相分类, 在应用时难以表征出储层在小尺度组合及结构上的差异。该文以川南地区渝西大足区块的深层五峰组页岩储层为例，通过岩石宏-微观观测、矿物成因与来源分析、储层力学特征研究等手段, 结合矿物来源、比例及空间分布等特征，精细分析页岩储层小尺度沉积构造的类型、特征和结构, 为深层页岩精细表征与精准勘探提供科学指导。

1 研究样品与背景

研究区位于四川盆地川南地区渝西大足区块, 大地构造上处于川中平缓构造带与川南低陡构造带的交界地区, 是我国深层页岩气资源勘探与开发的重要先行地区[11]。渝西地区在大地构造上呈现出鼻状背斜间宽缓向斜的特征, 大足区块处于渝西地区北部, 在大地构造上处于川中平缓构造带及川南低陡构造带2个构造带的交界地区。在研究区内, 五峰组(O3w)—龙马溪组(S1l)页岩储层构成主要的页岩气勘探目标层系, 二者在研究区内为连续沉积, 沉积环境属于陆棚相环境, 埋深大于或接近3 500 m, 属于深层-近深层页岩储层。

五峰组在研究区内广泛分布, 厚度为6.5～8.8 m, 上覆于临湘组(O3l)泥质灰岩, 下伏于龙马溪组底部的黑色碳质-硅质富笔石页岩储层，顶部发育有不足1 m厚度的观音桥段(Guanyinqiao Bed)含介壳灰质泥岩或泥质灰岩。研究区五峰组岩性主要包括灰黑色-黑色富笔石碳质页岩、灰黑色-黑色碳质页岩、粉砂质泥页岩或含放射虫硅质页岩, 揭露化石主要包括奥陶纪凯迪阶—特列奇阶笔石化石, 如Dicellograputus complexus, Tangyagraptus typicus等, 在观音桥段见赫南特贝等冷水动物群化石。

五峰组研究样本选取自大足区块内的Z-2井、Z-3井和Z-5井, 其中Z-2井大地构造位置处于川中平缓构造带, Z-3井和Z-5井位于川南低陡构造带，如图1所示。

图1 研究区及钻孔取样位置Fig.1 Study area and sampling location

选取的3口井中，Z-2井五峰组厚度最小，约为6.4 m，五峰组底深约3 899 m；Z-3井五峰组埋深最大，厚度约为8.7 m，五峰组底深约4 111.6 m；Z-5井五峰组厚度约为8.9 m，底深约为3 359.5 m。在岩心编录的基础上，选取各钻孔五峰组不同层段的代表性样品进行岩石薄片观测、矿物来源元素测井数据处理和物质组分分异特征分析，系统研究页岩储层物质组分分异以及沉积构造发育特征，总结储层在物质组分分布与结构上的小尺度非均质性特征，结合矿物来源与成因分析，开展五峰组深层页岩储层沉积构造的分类与特征总结研究[2]。

2 储层沉积构造发育特征

2.1 宏观岩石学特征

研究区钻孔样品的宏观观测显示，五峰组页岩整体块度较好，岩石较为致密，宏观尺度非均质性表象较弱，难以反映沉积构造的精细差异。五峰组底部—中部一般发育粉砂质页岩，下伏临湘组顶部常为一层含灰质化石的泥岩沉积，以研究区Z-3井为例，五峰组底部页岩层面笔石相对较少，含少量粉砂质(如图2a所示)，部分层面富集黄铁矿，有的呈结核、团粒状(如图2b和图2c所示)，中下部粉砂质页岩层面笔石富集程度轻微增加，部分层段见有沿层理方向发育的方解石脉或擦痕、阶步等沿沉积层理面发育的构造现象(如图2d和图2e所示)，五峰组页岩储层岩性主要是碳质-硅质页岩，层面笔石化石极为富集(如图2f所示)。Z-2井、Z-5井在宏观上同样呈现了岩石致密、颜色较深的岩石学特征，反映了有机质含量较为丰富的特点，所包含的岩性差异不大，但构造现象、微观变化趋势不一致。

图2 Z-3井五峰组页岩储层宏观特征Fig.2 Macroscopic characteristics of Wufeng Formation shale reservoir in well Z-3

2.2 显微沉积构造特征

针对Z-3井五峰组页岩储层，选取了17块代表性样品进行岩石薄片观测以及物质组分分异特征的分析，如图3所示。结果表明，五峰组虽然宏观均质性较强，但在微观尺度下显示了丰富的物质组分分异特征以及强烈的非均质性。图3a所示为下伏临湘组顶部的含灰质化石泥岩沉积典型微观特征，贫有机质；五峰组底部灰黑色粉砂质页岩有机质含量相对较低，见有黄铁矿晶体交待原有矿物填充发育，不连续泥质纹层发育于粉砂质基质(如图3b所示)，向上泥质纹层发育程度增高，泥质纹层的连续性变好，见有硅质同沉积结核等特殊沉积现象发育(如图3c所示)；至五峰组下部，页岩有机质含量显著增高，沉积物粒度变化呈现差异显著，例如，在4 109.65 m深度处，微观沉积构造不显著，矿物定向性不明显，但岩石粒度分选差，而在4 108.73 m深度处，则出现了显著的富有机质纹层沉积构造，表示储层物质来源受陆源碎屑影响较为显著(如图3d-e所示)。五峰组中部4 107.72 m处，显微观察显示储层微观物相以及结构出现较大差异，储层岩性对应放射虫硅质页岩，放射虫多为有机质浸染，具圈层，有机质含量较高(如图3f所示)；五峰组上部页岩岩石粒度分选变好，粒度变细，有机质含量较高(如图3g和图3h-i所示)，在部分层段出现了富自生硅质集合体-有机质的显微物相组合(如图3g所示)，属于可以发育优质孔隙网络兼具良好力学脆性的优质储层类型[8,12]。同样的，对Z-2井、Z-5井五峰组页岩储层展开岩石薄片分析，结果表明，根据五峰组页岩储层的物质组分、物质分异、空间分布等特征，除五峰组下伏的临湘组顶部稳定发育含灰质化石的贫有机质泥岩外，五峰组页岩中的沉积构造可以划分为贫有机质非连续泥质纹层、贫有机质连续发育泥质纹层、富有机质粉砂质-泥质纹层、集聚放射虫硅质层、富自生硅质集合体条带、细粒硅质水平层理等不同类型。总的来说，Z-3井五峰组页岩储层小尺度沉积构造主要为水平层理及粉砂质纹层等沉积构造，这2类沉积构造在微观上主要反应为岩性的频繁变化，主要由砂质、粉砂质成分及微体化石及自生矿物等成分的不均匀发育造成。

图3 研究区五峰组页岩储层微观结构特征Fig.3 Microstructure characteristics of shale reservoir of Wufeng Formation in the study area

2.3 五峰组页岩矿物来源层段性差异

基于五峰组页岩元素地球化学测井信息，对五峰组页岩矿物来源进行表征。深层页岩勘探的一个要点是寻找压裂效果更好的储层，在深地条件下，压裂缝延伸距离受到地层高压等因素的影响而明显比中浅层储层差，以石英为主的脆性矿物含量是影响深层页岩力学脆性的关键因素[12-13]。主微量元素地化参数可以用于判定石英的生物源成因，通过Si/Al比值可以建立图版，进行石英矿物来源的区分与评价。以Z-3钻孔为例，Si/Al比值评价结果显示，五峰组Si/Al比值数值波动较为显著，整体上样品点分布较为分散，说明五峰组样品受到了生物源硅质与陆源碎屑的共同影响。根据页岩储层石英矿物来源的差异，可以将五峰组页岩划分为8个小层，如图4所示，小层(1)与下伏临湘组邻接，受到方解石沉积、演化的影响；小层(2)受到的影响逐渐减弱，陆源石英相对增多；小层(3)水体水动力条件减弱，受生物源石英影响程度增加；小层(4)水动力条件显著增强，页岩中陆源石英显著增多；小层(5)中生物源石英含量增多，陆源石英含量迅速降低，说明该层段内水动力条件被限制，静度可能较高；小层(6)中陆源石英再次略微增加；小层(7)生物硅质含量拉高至30%以上；小层(8)出现显著的过量硅现象[12]，受生物源石英含量显著增多的影响，储层石英含量最高。

图4 基于五峰组石英矿物来源的小层划分Fig.4 Fine division of Wufeng Formation in well Z-3based on genetic difference of quartz

结合对页岩储层沉积构造研究，具有不同矿物来源与成因的精细小层与沉积构造差异可以较好地匹配：小层(1)邻接下伏临湘组，主要发育贫有机质非连续泥质纹层、贫有机质连续发育泥质纹层等沉积构造；小层(2)～小层(4)反映了水动力条件以及陆源碎屑输入的变化，主要发育富有机质粉砂质-泥质纹层沉积构造；小层(5)生物源石英含量增多，见有集聚放射虫硅质层等沉积构造，与细粒页岩储层间层分布，受到静水沉积以及古气候、古地理条件的影响[14-16]；小层(6)～小层(8)生物源硅质显著增多，主要发育富自生硅质集合体条带、细粒硅质水平层理等以细粒、富硅质-有机质物相为特点的沉积构造类型。

3 讨论

3.1 五峰组小尺度沉积构造发育特征

根据对研究区内Z-2井、Z-3井、Z-5井等钻孔五峰组页岩储层岩石学特征、矿物来源及组合、空间分布、物质分异的综合分析, 结合水动力条件以及有机质含量等信息, 对五峰组小尺度沉积构造发育类型进行系统分类, 用于建立评价指标, 服务储层优选。研究区五峰组小尺度沉积构造系统分类及特征如表1所示, 依据沉积构造类型及关键特征, 将五峰组常见小尺度沉积构造划分为10个类型, 包含4类粉砂质-泥质纹层、3类富硅质沉积构造和3类组合类型。粉砂质-泥质纹层沉积构造发育的层段水动力条件一般相对较强，石英含量常低于60%，有机质含量波动或相对较低[7, 17]。3类富硅质沉积构造包括集聚放射虫硅质条带、富自生硅质集合体条带以及细粒硅质水平层理，放射虫硅质条带可以观测到显著的生物化石特征，富自生硅质集合体条带具有变化的石英硅质集合体和更粗的粒度，细粒硅质水平层理可以观察到水平层理结构。这2类富硅质沉积构造中有机质含量一般较高，水动力条件相对较弱，石英含量一般高于60%。除7类纹层类以及富硅质沉积构造外，储层最多见的沉积构造实际上是这些小尺度沉积构造的组合类型，纹层组合类型是粉砂质-泥质纹层的组合，属于相对较强水动力条件下波动形成的小尺度沉积构造，石英及有机质含量波动起伏；水平层理-硅质条带组合是富硅质沉积构造的组合类型，属于相对较弱水动力条件下的波动，石英含量一般相对较高；富硅质沉积构造-纹层组合是粉砂质-泥质纹层与富硅质沉积构造的微互层，形成于强弱交替的水动力条件，石英及有机质含量波动。需要注意的是，分类方案中的水动力条件，特指地层沉积环境下的相对水动力强弱[18]。

表1 研究区五峰组小尺度沉积构造系统分类及特征

3.2 基于精细沉积构造特征的储层优选

小尺度沉积构造既可以反映沉积时的水动力条件，也与储层物质组分特征、空间分布、物质分异特点等具有相关性。例如富硅质沉积构造类型一般粒度细小、石英含量丰富，对于深层页岩可以起到抗压保孔的作用，有利于优质孔隙网络页岩储层的发育，同时，其所对应的沉积环境一般为相对静水沉积环境，有利于有机质的富集与沉积，从而使富硅质沉积构造发育层段兼具良好的孔隙发育特征和力学脆性特征；而粉砂质-泥质纹层以及纹层组合发育层段，粒度相对较粗且在微观尺度物质分异显著，具有极强的微观非均质性，黏土矿物含量相对较高，导致页岩储层在深层条件演化中抵抗高压应力的能力减弱，不利于孔隙网络的发育。以Z-3井为例，小层(5)～小层(8)具有丰富的生物源硅质来源石英，同时，该层段内还是火山源蒙脱石等矿物较为富集的层段，这样的矿物来源特点，有利于在页岩储层成岩作用过程中形成过量硅，成为具有异常高硅质特点+富有机质的优质储层层段[12]。

不同的沉积构造具有显著不同的微观物质组分以及组合特征，基于深层页岩储层优选勘探对精细评价的需要，小尺度沉积构造特征应当纳入页岩储层精细优选方案的影响因素中，并作为一项可以综合矿物组分、来源、微结构与非均质性的关键指标。

4 结论

1)五峰组页岩储层岩性主要为碳质-硅质页岩，其整体岩石学特征较为致密，块度较好，宏观均质性较强。五峰组页岩在微观尺度下展现了较强的物质分异及非均质性，小尺度沉积构造特征变化显著。

2)基于五峰组页岩元素的地球化学测井信息，表明了五峰组页岩矿物来源的层段性沉积构造差异。对根据页岩储层中石英矿物的来源差异划分的8个小层进行的研究表明，影响五峰组矿物来源的主要因素是陆源碎屑和生物源硅质。

3)依据页岩的物质组分、分异和空间分布特征，将五峰组常见的小尺度沉积构造划分为贫有机质非连续泥质纹层、贫有机质连续发育泥质纹层、贫有机质粉砂质-泥质纹层、含/富有机质粉砂质-泥质纹层、集聚放射虫硅质条带、富自生硅质集合体条带、细粒硅质水平层理、纹层组合类型、水平层理-硅质条带组合类型以及富硅质沉积构造-纹层组合10个典型类型。

4)小尺度沉积构造反映了沉积时的水动力条件和储层的物质组分、分异和空间分布特点。对小尺度沉积构造的解析可得到的矿物来源、组分、成因等认识，是深层页岩储层优选的关键指标，应作为深层页岩储层精细优选的科学依据。