海相页岩纹层特征、成因机理及其页岩气意义

2022-10-27熊敏陈雷陈鑫计玉冰吴佩津胡月王高翔彭浩

中南大学学报（自然科学版） 2022年9期

熊敏，陈雷，陈鑫，计玉冰，吴佩津，胡月，王高翔，彭浩

(1.天然气地质四川省重点实验室，四川成都，610500；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都，610500；3.中国石油集团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；4.中国石油浙江油田公司，浙江杭州，310023；5.昆仑数智科技有限责任公司，北京，102206；6.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院，四川成都，610056；7.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川成都，610051)

作为页岩最富特色的沉积构造，纹层广泛发育于不同的页岩层系中[1-3]。目前，页岩纹层的研究主要集中于纹层类型、发育特征、形成控制因素以及纹层的非均质性。随着近年来对于页岩非均质性研究的不断深入，越来越多的学者发现研究页岩纹层有助于认识页岩气的富集规律[4-6]。泥页岩中纹层的发育对储层储集性能具有重要影响[4-12]。纹层不仅能影响储层的储集空间类型、孔径分布和孔洞缝的发育，控制储层的孔渗性能，而且还能大幅提升储层的水平渗流能力[7-12]。目前国内外学者大量研究湖相页岩纹层的成因机制及其对储层非均质性的影响等[13-18]，并在此基础上建立了湖相页岩纹层与页岩油气富集的关系模型[19]。针对海相页岩纹层，研究主要集中于纹层对海相页岩储层的影响。由于纹层是海相页岩沉积层里的最小单位，细粒沉积中纹层的类型、发育特征及其形成机理的研究深度尚还薄弱[6-9,11-12,20-23]，因此，海相页岩纹层的形成机制以及其与页岩气富集的关系是亟待解决的科学问题。国内外学者研究发现，海相页岩中纹层类型会对页岩储层的储集性能、含气性、运移疏导和压裂开发等产生不同的影响[6,7,11-12,20-23]，并影响页岩气的富集，因此，分析纹层对海相页岩储层的影响，建立纹层与页岩气的富集模式已成为开展页岩气资源评价的重要突破口[20-23]。

海相页岩发育多种类型和多种尺度的纹层，不同纹层具有不同的特征及形成机理，纹层的多样性也必然对页岩储层品质和含气性产生影响。四川盆地的五峰组—龙马溪组是我国海相页岩气开发的重点层位，纹层对海相页岩气赋存、富集以及实际生产的影响需要开展大量研究。对海相页岩不同类型纹层开展定性观察和定量统计，可以作为评估储层可压裂性及优选页岩气富集区的依据。海相页岩中细粒沉积纹层的组成、结构及构造可以反映页岩储集层微观结构与储集性能，控制着页岩的物质组成、孔隙特征、微裂缝展布、渗流系统，直接影响水平井体积压裂裂缝扩展规律及后期压裂效果。因此，研究页岩不同纹层及组合、明确页岩气富集规律及其控制因素是找寻页岩气“甜点区”的关键。

1 纹层的定义

WILLIAM 等[24]提出在讨论某些沉积岩和变质岩时，将纹层(laminae)作为附加术语使用，将其定义为厚度为10～12 mm的沉积层。此后，地质学家对纹层开展了相关研究，对纹层进行定性和定量描述[25-31]，认为纹层往往具有比较均一的成分和结构，但有时也可有一些粒级的变化(表1)。本文认为海相页岩纹层为厚度一般小于10 mm(常为0.05～1.00 mm)的沉积物或沉积岩中可分辨的最小或最薄原始沉积层，而比纹层尺度更小的微细纹层、显微微细纹层暂无确切定义。

2 纹层的特征及分类

LAMONT[32]提出了利用当前沉积纹层削截顶部和渐近基底，确定地层的切割顺序，这说明纹层的形态较为多变，并非只表现为连续、水平的产状。此后，国内外学者分别从纹层形状、连续性与几何形状、矿物组成、界面接触关系与纹层组合等方面对纹层的特征进行了细致研究[24-28,32-34]。SHROCK[33]通过大量研究实例介绍了交错层理的矿物组成、形态以及沉积环境，而MCKEE[26]对交错纹层的成因机理进行了阐述。此外，INGRAM[34]从厚度出发，表征纹层的结构特征，CAMPBELL[27]对纹层的特征进行了总结和具体描述，指出纹层与层理面相同，但因它们包含在层理中，面积较小，形成时间较短，具有以下特点：

1) 在成分和结构上相对均匀；

2) 内部没有小层(至少在显微镜下)；

3) 面积范围小于封闭层理，纹层平行层理表面除外；

4) 形成时间短，厚度通常以毫米为单位。

纹层连续性、形状和几何形状是描述纹层的3个关键属性[27-28]。在相对较小的横向范围内，纹层可以是连续或不连续状、板状、弯曲状(单一变化)或波状(多重变化)以及平行(纹层不相交)或不平行(纹层相交)，如图1所示。纹层属性的描述和捕获对于识别原生沉积构造(如波痕、板状和槽状交错层理)以及挖掘关于改造的次生破坏信息至关重要[35]，这对页岩气的富集具有重要影响[36]。

图1 纹层连续性、形状和几何形状[28]Fig.1 Descriptive terms for laminae continuity,shape,and geometry[28]

LAZAR 等[28]提出了基于纹层结构、层理和组成成分3个关键属性来描述细粒沉积岩的纹层、层理，认为纹层的连续性、形状和集合形状是描述纹层的关键要素。实际研究中，有学者认为单位尺度最小的纹层或纹层组，在某些层状序列中可能无法识别，而紧邻纹层或纹层组的层并不都是层状的，因此，应首先描述地层的特征，然后对纹层进行对比表征[27]。但是，也有学者认为纹层研究首先要识别纹层、纹层组和层，其中单个纹层研究包括组成、结构和构造3个方面；然后，提取纹层组成(无机矿物、有机质、孔隙和颗粒类型)、结构和构造等关键属性(表2[12])；最后，明确纹层组和层的组成、结构和构造。

表2 细粒沉积纹层关键属性Table 2 Key properties of fine-grained sedimentary laminae

学者们也从各个方面对纹层进行表征。赵建华等[11]将纹层的组成和结构联系起来，发现纹层组分影响纹层的发育类型，粉砂质页岩、黏土质页岩和灰质页岩中纹层类型不一。根据纹层组分，施振生等[12]划分了4种纹层类型和2个纹层组，而根据纹层的密度和单层最大厚度，WANG 等[37-38]将四川盆地龙马溪组页岩纹层分为3类(表3)。

综上所述，前人对纹层特征的研究主要依据微观岩石学特征和宏观纹层的形态、结构、构造以及纹层的发育特征(厚度、密度等)，并据此提出了纹层分类的主要方案(表3)。在总结出前人划分依据以及划分方案的基础上，发现目前纹层的分类并没有统一分类标准。根据纹层现今研究情况来看，仅仅根据纹层厚度或者形态、矿物组成已经不能对纹层进行很好地表征，纹层的分类表征已经逐渐从基于单一特征向综合多方面特征发展。

表3 前人关于纹层分类方案统计表Table 3 Previous statistical table on the classification scheme of the laminae

3 主要纹层、纹层组类型及特征

基于前人对纹层的特征以及分类研究，发现不同类型的纹层及纹层组合在纹层形态、结构、矿物组成、叠置关系等常存在明显差异。上扬子地区在五峰组—龙马溪组沉积时期整体沉积环境相对稳定，为一套大面积的深海陆棚，页岩中矿物颗粒多以复合颗粒为主，因此，在描述海相页岩纹层的关键属性时，纹层的结构和颗粒类型不再作为分类的主要依据，本次纹层的分类主要基于纹层的组成和构造特征(表4)。

表4 海相细粒沉积纹层分类依据Table 4 Classification of marine fine-grained sedimentary laminae

以四川盆地南部五峰组—龙马溪组海相页岩为例，五峰组—龙马溪组海相页岩纹层的厚度为几毫米至几厘米，横向分布范围一般小于1 km2。由纹层组成的纹层组是相对整合的，是有内在联系的纹层序列，它们以侵蚀面、无沉积或与之有关的整合面为界面，厚度可从几毫米至几十厘米，横向分布范围一般小于几平方千米(图2)。

图2 川南地区永寿村剖面及页岩纹层Fig.2 Section and shale laminae of Yongshou Village,Southern Sichuan

基于页岩矿物组分分类，从纹层形态学和矿物学特征出发，发现海相页岩纹层发育类型较多，包括硅质纹层、黏土纹层、有机质纹层、碳酸盐岩纹层及其组合，局部可见黄铁矿纹层、斑脱岩纹层，纹层形态多为板状、条带状、微波状和透镜状(表5)。

1) 硅质纹层。该纹层构造形态主要为板状、条带状、微波状和透镜状，具体可分为7类(表5)。其中，常见的纹层类型有4类，主要成分为石英与斜长石(质量分数超过40%)(图3(a)～(c)和(g))，以富石英纹层为主。若形成过程受压实等成岩作用的影响，矿物颗粒长轴方向与纹层延伸方向平行，粒间可见网状的有机质丝状体与深色的黏土矿物。

2) 黏土纹层。海相页岩中黏土纹层尤为发育，其构造形态多为板状、条带状和微波状，共5种纹层类型(表5)。其中，连续板状黏土纹层、连续条带状黏土纹层和连续微波状黏土纹层类型最常见，主要成分为伊利石(质量分数超过70%)，含少量绿泥石和长英质矿物。黏土纹层在镜下颜色较深，为深褐色、灰色(图3(d)和(f))。

表5 海相页岩纹层及其组合类型Table 5 Types of marine shale laminae and lamine association

3) 斑脱岩纹层。王玉满等[39]根据露头观察和描述，发现五峰组—龙马溪组斑脱岩普遍具有发育层数多、单层厚度一般为0.5～5.0 cm且呈薄片状分布等特点。以川南五峰组—龙马溪组页岩为例，斑脱岩呈铅灰色，纹层在单偏光下颜色较浅，主要由火山灰、棱角状石英、近椭圆形长石晶屑组成，部分云母晶屑已经暗化，含黑色绿泥石矿物(图3(k)和3(l))，主要为连续板状斑脱岩纹层或断续板状斑脱岩纹层类型。斑脱岩纹层可指示晚奥陶—早志留世上扬子区曾经历过大规模的火山活动[40-41]，海相页岩沉积时有火山灰的富集。

4) 碳酸盐岩纹层。因沉积水体的差异，海相页岩中局部可见厚度不均的碳酸盐岩纹层，矿物成分以亮晶方解石和白云石为主。在不同深度，碳酸盐岩纹层厚度变化较大，局部具有透镜体结构，矿物颗粒整体呈定向排列，多个厚度不一的碳酸盐岩纹层与有机质纹层相间分布，呈平行、亚平行状，多为板状、透镜状结构(图3(e)和(i))。因此，可划分为4类(表5)。

5) 黄铁矿纹层。在深海还原环境中发育大量黄铁矿，部分黄铁矿局部富集形成黄铁矿结核或纹层，纹层边界明显，呈不连续、弯曲状分布，颗粒内部间有机质及孔隙发育，多呈微波状及透镜状(图3(j))。结合纹层的构造形态，将黄铁矿纹层划分为6类(表5)。

6) 有机质纹层。有机质通常与黏土矿物伴生，因此，有机质丝状体常发育于黏土矿物间而形成有机质纹层。该纹层在镜下呈黑色，颜色较黏土纹层更深，也具有板状、条带状和微波状3 种形态，纹层中的有机质条带、丝状体是其区别于黏土纹层的重要特征(图3(a)和(h))。有机质纹层类型也包括4类(表5)。

图3 川南五峰组—龙马溪组海相页岩纹层类型及其特征Fig.3 Types and characteristics of marine shale laminae,Wufeng—Longmaxi Formation,Southern Sichuan

海相页岩中多种类型的纹层往往会构成纹层组(表5)，但是碳酸盐岩纹层的分布受控于沉积水体，所以海相页岩中最常见的纹层组有3类(表5和图4)，包括硅质纹层-黏土纹层组、硅质纹层-有机质纹层组和黏土纹层-有机质纹层组。

连续板状硅质纹层-连续板状黏土纹层组、连续板状硅质纹层-连续板状有机质纹层组以及断续透镜状硅质纹层-连续微波状黏土纹层(有机质纹层)在偏光显微镜下明暗层相间，界线分明。粉砂纹层沉积于水动力较强的环境，沉积物粒度较粗，而黏土纹层和有机质纹层沉积粒度较细，其中也含有一定数量的石英、长石及方解石等矿物颗粒，连续性较好，纹层组合纵向上呈平行或亚平行(图4(a)～4(f)和4(h))。

连续微波状黏土纹层-连续微波状有机质纹层组和连续板状黏土纹层-连续板状有机质纹层组主要发育于黑色炭质页岩中，黏土纹层中零散分布石英、长石和方解石颗粒，沉积物粒度较粗，厚度不均。由于这2类纹层形成于水体安静、外源输入少的沉积环境中，形成条件相似，所以纹层界限难以界定，呈平行或亚平行分布(图4(c)、4(e)、4(g)和4(i))。

图4 川南地区五峰组—龙马溪组海相页岩纹层组合类型及其特征Fig.4 Microscopic characteristics of typical laminae association types in Longmaxi Formation shale in southern Sichuan

4 海相页岩纹层成因机理

海相页岩多具有纹层状沉积构造，表现出成分均匀、不连续、波状和透镜状等不同产状。纹层状通过组成和结构变化反映了沉积物类型、搬运方式、流体性质和生物活动，还指示了纹层的保存环境[42-44]。主流观点认为，黑色页岩纹层由浊流、等深流或雾状层流形成[1,7,45-46]，代表了侧向搬运的不连续沉积或絮凝沉积[46]，或在沉积过程中具有悬浮沉降、沉积物输入变化、浮游生物生产力波动和成岩作用[47-48]，但研究证明，在沉积物快速流入的富氧环境中，也能保留纹层，这可能与高浊度流体有关[49]。

O′BRIEN[35,50]对英国下侏罗统页岩进行研究，提出了3种不同成因的纹层类型：

1) 在深海厌氧条件下，悬浮沉降形成的细纹层；

2) 底流沉积形成厚纹层；

3) 底栖微生物席形成波状纹层。

这也进一步说明不同类型纹层可以指示不同的沉积环境和成岩过程。此外，SPEARS[51]将英国约克郡石炭系海相页岩纹层分为浅色纹层和暗色纹层，认为暗色纹层中有机碳质量分数增加可能是季节性的，具有周期性特征。施振生等[12]将四川盆地下志留统龙马溪组海相页岩纹层划分为暗色泥纹层和浅色粉砂纹层(图5)，认为它们的形成可能与富硅生物的勃发有关，间歇期形成泥纹层，勃发期形成粉砂纹层。纽约的Genesee、Sonyea和West Falls Formation页岩证明了纹层形态与流体性质、水动力条件及沉降方式等有关。该层位薄而平行的纹层主要由相间的富有机质的细粒黏土纹层和较粗的粉砂质黏土纹层组成，而这种纹层的形成机制是正常的半深海沉积和浊层分层沉积的重复交替作用[50]。

图5 川南龙马溪组海相黑色细粒沉积泥纹层和粉砂纹层特征[12]Fig.5 Clayey (white arrows) and silty (red arrows) black shale laminae,Longmaxi Formation southern Sichuan[12]

除了沉积作用，后期成岩也会对纹层的形成产生影响。关于成岩作用对纹层的影响机制，CAREY 等[52]发现缅因州Jemtland 断续纹层状页岩具有泥质和有机质(包括笔石)交错和薄透镜状粉砂纹层，认为该纹层是向浊积岩演化的结果。YAWAR 等[43,53]通过水槽实验证明了絮凝物可以表现为与粗粒碎屑搬运等效的方式，作为高密度流或浊流在海底搬运形成絮凝波纹(图6(a)和6(b))，而波纹的形成与保存与成岩作用密切相关(图6(c)～(e))。随着成岩作用不断进行，泥岩大量脱水，造成波纹迅速被压扁，也就是页岩岩心观察中的“假平行”纹层(图6(f))。

图6 岩石搬运记录中的絮凝现象以及石膏实验[43,53]Fig.6 Flocculation phenomenon in rock transportation records and gypsum experiment[43,53]

因此，海相纹层的成因机理也包括生物作用、生物化学作用、机械沉积作用、物源季节性输入以及成岩作用改造等[1,7,12,42-53]。细粒沉积物通过介质搬运以垂直沉降或者侧向加积的方式沉降到深水区最终形成纹层，而海相纹层不同的成因机制也会造成页岩的矿物成分、岩性和沉积构造等的差异，必将影响页岩储层的物性、脆性、可压裂性。

5 纹层非均质性及其与页岩气富集的关系

纹层非均质性是页岩储层存在物质分异最直观的体现，不仅影响页岩储集空间的发育[54]，还造成了页岩储层具有显著的非均质性[55-57]。此外，纹层构造中黏土矿物的定向分布对储层流体分布具有重要影响[58]，因此，纹层的发育特征逐渐被作为优质储层的发育机理之一[36,59](表5)。目前，四川盆地下志留统龙马溪组一段含气页岩纹层发育，其因高有机碳质量分数、高含气量、高脆性矿物含量及高孔隙度而成为页岩气勘探开发的最佳目的层[1-3,59-63]。对四川盆地龙马溪组页岩进行研究，发现由深至浅页岩储层矿物组分、纹层及纹层组合和w(TOC)呈规律性变化(表6和图7)。

表6 纹层富集的页岩储层参数统计表[59]Table 6 Statistical of shale reservoir parameters with rich laminae[59]

1) 龙一1 亚段底部以高w(TOC)、高含气性层段纹层以富有机质纹层、富有机质+硅质纹层组为主，且富有机质纹层和硅质纹层的发育频率在垂向上变化趋势相同，表现为“同增同减”的趋势。

2) 到龙一2 亚段沉积时期，硅质纹层极其发育，但有机质纹层发育程度显著降低，这可能跟硅质的来源有关。

目前，四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中硅质成因公认的主要有3种，包括陆源碎屑成因、生物成因以及成岩成因[64]。通过对过量硅质量分数的计算，发现该研究层段中过量硅质量分数近似代表了海相富有机质页岩中生物硅质量分数[64]。计算表明：龙一1亚段中的硅质来源主要为生物硅(图7和图8)，该沉积时期主要为静水还原环境，生物硅的沉积不仅提高了古生产力，也促进了硅质纹层和有机质纹层的发育和保存，纹层发育频率高的层段也相应成为w(TOC)、高含气性的优质储层。相反，龙一2亚段的硅质来源主要为陆源碎屑输入，陆源碎屑输入的增加破坏了有机质的保存，w(TOC)降低，出现了硅质纹层极其发育，但有机质纹层欠发育的现象，而这也进一步影响了页岩气的富集。

图7 川南地区龙马溪组页岩纹层发育特征及其与储层物性关系[59]Fig.7 Development characteristics of shale laminae and its relationship with reservoir properties,SW[59]

根据笔石带进行划分，龙马溪组不同笔石带页岩的矿物成分、w(TOC)和纹层类型存在差异。通过建立笔石带和自然伽马(GR)测井曲线的对应关系[65]，以川南地区X1 井为例，笔石带LM1—LM4 对应于龙一1 亚段，笔石带LM5—LM7 对应于龙一2 亚段(图9)。由下至上，龙马溪组页岩不同笔石带纹层和纹层组类型均具有特殊性(图9)。LM1—LM7 页岩中纹层发育类型逐渐增多，纹层组合及结构也变得较为复杂，但从纹层发育频率来看，龙一2 亚段有机质纹层的发育频率显著降低，碳酸盐岩纹层和黏土纹层的发育频率增加，这与龙一2亚段沉积时期水体变浅和陆源输入的增加具有较好的对应关系(图7)。

图9 川南地区X1井五峰组—龙马溪组笔石带页岩纹层类型及纵向分布图Fig.9 Graptolite relationship with shale lamina types and vertical distribution of Wufeng—Longmaxi Formation,Well X1,Southern Sichuan

根据页岩岩相划分方案，笔石带LM1—LM4发育富(含)有机质水平纹层硅质页岩，LM5—LM9发育贫有机质水平纹层混合页岩，大量有机质呈纹层状、堆积式分布，为页岩气提供了更多的储存空间和各类孔隙连通、流体流动的优势通道[66-70](图10)。此外，富笔石水平纹层界面处笔石体内存在有机孔[71-73]、有机质与矿物接触的粒间孔以及笔石与围岩接触部位的层间缝等[71]，页岩储层有机孔、无机孔和微裂缝相互连通，形成有效的孔隙网络，而有机质、孔缝系统的发育程度直接影响页岩气的富集[74]。

图10 川南长宁地区龙马溪组页岩笔石体与围岩微观孔隙发育特征[66]Fig.10 Pores in graptolite and the host shale from the Longmaxi shale in Changning area,Southern Sichuan[66]

海相页岩储层以层状非均质性为主，在平行和垂直于层理的方向上，弹性模量、抗拉强度具有明显的差异性[75-80]。越来越多的学者发现不同的纹层及其组合对储层的可压裂性、物性影响不同。SAYAR 等[79]研究美国Barnett 页岩，结合有效介质理论，再现纹层页岩的典型特征(如裂缝、黏土的排列方式、孔隙的孤立与连通等)，然后利用岩石弹性性质的预测来识别纹层，纹层发育的岩石往往具有较高的垂直弹性模量和水平弹性模量，适合压裂。另外纹层发育还会影响页岩孔隙类型和孔隙占比分布，但同孔隙度之间无明显线性相关性[1]，纹层的发育主要控制无机孔的孔径及其分布。WOO等[81]用页岩孔隙度与纹层间的关系来评价Montney页岩储层物性，发现由于组分间的复杂相互作用，砂岩纹层中颗粒之间存在粒间孔隙，而黏土矿物内部的孔隙较小，说明泥岩和砂岩相比具有明显的孔径异质性。同时，纹层密度越大，在水力压裂过程中越不利于垂直裂缝的形成[37]，尤其是页岩中泥纹层和粉砂纹层的厚度比会造成页岩水平、垂直方向物性差异较大，并决定了其造缝形态[82-87](图11)。

图11 垂直平面内裂缝水平扩展示意图[84]Fig.11 Horizontal propagation diagram of vertical plane fractures[84]

在应力作用下，海相页岩中微裂缝优先在细粒页岩的纹层界面处形成，当有机碳质量分数小于2%时，裂缝密度极低，当有机碳质量分数大于2%时，有机碳质量分数越高，裂缝密度越大[9]。此外，纹层力学性质薄弱界面固结强度对页岩地层裂缝的沟通效果、应力差异和趋近角度均有显著影响，压裂过程中整体传播区域呈椭圆形，层理沿垂直平面内，主要水力裂缝呈两翼非对称张开[84](图12)。

图12 垂直平面内裂缝形成的构型[84]Fig.12 Configuration of fractures in vertical plane[84]

纹层在页岩储层中普遍存在，并显著影响油气运聚过程[88]，这与矿物组成、孔隙度和弹性模量的不同特征有关。在许多富有机质的砂质纹层页岩中，页岩层状结构由泥岩纹层和砂岩薄层组成，而页岩和砂岩的产层是相互连通的，是一个不可分割的压力系统，据此可以计算页岩或砂岩中原始游离气和吸附气储量，估算开发过程中的解吸气[72]。由于泥岩和砂岩的孔径异质性和无机质的亲水性，油更倾向于吸附在有机质周围。因此，孔径和润湿性非均质性会影响页岩中油和水的流动能力，进而影响页岩油的生产[89]。