中上扬子地区寒武系页岩储层特征及其主控因素探讨

邵德勇,张 瑜,宋 辉,孟 康,罗 欢,李艳芳,吴陈君,唐 玄,张同伟

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069;2.兰州大学 地质科学与矿产资源学院,甘肃 兰州 730000;3.中国科学院 广州地球化学研究所 有机地球化学国家重点实验室,广东 广州 510640;4.长江大学 资源与环境学院,湖北 武汉 430100;5.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083;6.德州大学 奥斯汀分校 杰克逊地球科学学院 经济地质局，美国 德州 78713)

随着水平钻井和水力体积压裂等工程技术的应用和突破,页岩气已成为可有效开发的非常规石油天然气资源,其资源潜力巨大,是未来重要的接替能源。近十多年来,我国大力推进南方下古生界海相页岩气的勘探和开发,并在四川盆地及周缘地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组富有机质页岩地层取得了重大突破,先后形成涪陵、长宁—威远、富顺—永川和昭通4大工业化生产示范区,成为北美之外第1个实现页岩气商业开采的国家[1-3]。截至2020年,我国页岩气探明地质储量和年产气量分别突破了2×1012m3和200×108m3[4]。与五峰组—龙马溪组页岩相比,下寒武统筇竹寺组及其同时代页岩(牛蹄塘组、水井沱组等)横跨上、中、下扬子地区,有机质丰度高、地层厚度大、有机质类型好,是我国页岩气最具勘探潜力的目的层位之一,也是继五峰组—龙马溪组之后未来重要的接替领域[2, 5-7]。从已有的关于五峰组—龙马溪组页岩或北美海相页岩勘探实践经验和页岩气成藏地质条件的理论来评价,我国南方寒武系页岩具有非常优越的页岩气形成和聚集条件[7-10],预测页岩气地质资源量高达35.16×1012m3[11]。

然而,已有钻井资料显示,中上扬子地区下寒武统页岩含气量普遍低于五峰组—龙马溪组页岩,且在不同地区含气量、试气效果与产能差异很大[1, 7, 12-15]。尽管下寒武统页岩气地质资源量巨大,但由于勘探开发程度低,尚未实现商业意义上的突破。目前已在威远、井研—犍为、宜昌和汉中等少数地区的个别单井获得不同程度的工业气流。近日,西南石油分公司部署的金石103HF井获天然气产量25.86×104m3/d的高产工业气流，评价落实地质资源量达3 878×108m3，标志着我国在寒武系筇竹寺组地层取得页岩气勘探的重大突破。但南方地区含气程度普遍偏低,甚至不含气或高含N2、CO2等非烃气体[1, 2, 7, 12-17]。通过对比下寒武统筇竹寺组和五峰组—龙马溪组页岩气成藏关键要素,发现前者尽管拥有优越的页岩气形成物质条件,但其储集物性相对较差,孔隙度显著小于后者,特别是有机孔普遍欠发育或不发育[2, 7]。这也被认为是造成我国南方寒武系页岩低含气量的主要原因。本文通过梳理近5年该团队对中上扬子地区寒武系页岩储层特征的深入研究,并结合前人成果,探讨寒武系页岩中有机孔形成、演化和保存机理,不仅对寒武系页岩气储层评价和成藏富集机理研究具有实际意义,而且对于指导我国高-过成熟海相页岩气勘探和资源评价具有重要指导意义。

1 地质概况

中上扬子地区泛指川、渝、黔、滇、鄂、湘等所属区域,面积约为50×104km2,不仅是我国常规天然气的主要产区,也是近十年来海相页岩气勘探开发的重点区域。

早寒武世,伴随Rodinia大陆的持续裂解和海侵作用,上升的海水几乎覆盖了整个扬子碳酸盐台地,使其处于被动大陆边缘的浅海环境[18-19]。中上扬子由于地势整体呈西北高、东南低的特征,因此，扬子海沿着东南方向水体逐渐加深,从西北到东南方向依次发育滨海岸、浅水陆棚、深水陆棚、陆棚边缘斜坡和深水盆地等相带[20]。与此同时,在区域拉张活动控制背景下,扬子板内发育呈南北走向的绵阳—长宁裂陷槽和鄂西裂陷槽[21],共同控制着寒武世早期中上扬子隆凹相间的古地理格局(见图1)。该沉积期内海侵带来的富营养上升洋流造成了海洋生产力的大幅提高，以及在大洋底层形成相对稳定的缺氧环境,使得扬子地台广泛沉积了一套富有机质黑色页岩。这套黑色页岩不仅是我国南方下古生界常规油气的主力烃源岩,同时也是非常规页岩气勘探的重要目标层系。

2018—2022年期间,作者团队在已开展工作总结和资料调研基础上,针对中上扬子不同地区寒武系地层开展了多次露头剖面和钻井岩心剖面的野外现场考察和样品采集工作,并参考中国地质调查局油气资源调查中心提出的页岩气成藏模式——“古老隆起边缘控藏模式”[22],结合寒武系黑色页岩在空间上的展布特征以及页岩气勘探实践效果,对位于黄陵隆起东南缘的宜昌地区(鄂西裂陷槽)、汉南古隆起南缘的陕南汉中地区、川中隆起附近的威远地区(绵阳—长宁裂陷槽)和渝湘黔深水陆棚-斜坡带(热水沉积区)的黔北开阳、瓮安地区等10余个野外露头剖面或岩心钻井进行了系统采样,研究了不同沉积相带寒武系页岩有机孔的形成、演化和保存机理。

图1 中上扬子地区下寒武统岩相古地理及剖面位置(据文献[15, 23-24]修改)Fig.1 Paleo-geographic map of the Middle-Upper Yangtze region in the Lower Cambrian period and profile location

2 中上扬子地区寒武系页岩储层特征

2.1 有机碳(TOC)含量

露头和钻井岩心资料表明,中上扬子不同地区下寒武统筇竹寺组及其同时代页岩TOC含量在横向上波动很大,尤其是富有机质页岩层段(见图2)。其中,位于鄂西裂陷槽和湘黔深水陆棚-斜坡带的下寒武系水井沱组/牛蹄塘组页岩的TOC含量显著偏高,EYY1井、ZK003井、ZK909钻孔和瓮安剖面富有机质层段TOC含量平均值分别高达4.0%、5.7%、3.8%和5.3%,同时，TOC>1%的富有机质页岩层段的厚度也相对较大，为80～100 m。而位于绵阳—长宁裂陷槽边缘和汉中隆起附近的筇竹寺组页岩TOC含量普遍相对偏低,W001-4井、SNY1井和杨坝剖面TOC含量平均值分别为2.1%、2.2%和2.4%,富有机质页岩层段厚度明显减小,仅为20～40 m。因此,中上扬子地区从东南缘深水陆棚-斜坡带(热水沉积区)沿着海侵方向,向陆内西北方向延伸发育浅水陆棚、滨海岸、碳酸盐台地,下寒武统筇竹寺组及其同时代页岩的TOC含量逐渐降低,富有机质页岩层段的沉积厚度通常显著减小,但同时受到绵阳—长宁裂陷槽和湘鄂西裂陷槽的重要控制[15, 21]。研究表明,黑色页岩的发育和分布在中上扬子不同地区的强烈波动,除了受氧化-还原条件、陆源输入和古海洋生产力等关键因素控制外,中上扬子地区东南缘深水陆棚-斜坡带和鄂西裂陷槽上升洋流和/或海底热液对有机质的富集也起到了显著的促进作用[19, 25]。

图2 中上扬子不同地区寒武系剖面有机质丰度变化对比情况Fig.2 Comparison of changes in OM abundance in the Cambrian profiles in different areas of the Middle-Upper Yangtze region

在纵向上,寒武系剖面富有机质页岩层段表现出明显的二分段性,特别是寒武系页岩气获得突破的鄂西宜昌地区。以ZK003井为例,研究区水井沱组富有机质页岩下段(一段)以碳质页岩为主,含灰岩/钙质页岩夹层,TOC含量为1.8%～11.5%,平均值为5.7%;而富有机质页岩上段(二段)则以灰黑色页岩为主,TOC含量为0.7%～5.3%,平均值为2.7%,相对低于一段[26-27]。结合主、微量元素分析和岩石薄片镜下观察,发现水井沱组富有机质页岩一、二段在矿物组成和成因来源以及成烃生物组合等几个重要方面均存在较大差异,这主要受早寒武世海洋沉积环境演变的控制[26-27]。通过结合宜昌地区EYY1井和黔北开阳地区ZK-909钻孔剖面对比研究,下寒武统富有机质页岩表现出相似的分段性特征[28]。可见,中上扬子地区寒武系剖面富有机质页岩层段的二分段性具有重要的地质意义。

2.2 矿物组成和岩相特征

XRD测试结果显示,中上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩在矿物组成和岩相上也存在较大差异(见图3)。其中,位于鄂西裂陷槽的宜昌地区下寒武统水井沱组富有机质页岩以石英、黏土和碳酸盐矿物为主,含有相对少量的长石和黄铁矿等。以EYY1井为例,水井沱组页岩石英含量为13%～55%,平均值为41%,黏土矿物、碳酸盐矿物(白云石+方解石)、长石和黄铁矿等其他矿物平均含量分为24%、23%、9%和3%等[29]。研究表明,水井沱组富有机质页岩中生物成因石英占比大,主要来源于海绵骨针、放射虫、絮状/纺锤状硅质集合体等,并且在一、二段表现出很大的差异性,二段陆源碎屑石英含量明显高于一段[26];而相对高含量的碳酸盐矿物则可能与宜昌地区北东方向发育的碳酸盐台地内碎屑物质的输入有关[30]。参考近年来提出的石英+长石-黏土-碳酸盐矿物三端元法划分方案[31],EYY1井水井沱组富有机质页岩可进一步划分为硅质页岩、过渡型页岩和钙质页岩3类主要岩相。

湘黔深水陆棚-斜坡带下寒武统牛蹄塘组黑色页岩则以石英和黏土矿物为主,含少量长石、碳酸盐矿物、黄铁矿等。以ZK909钻孔为例,牛蹄塘组页岩石英矿物含量为34%～55%,平均值为42%,黏土含量为23%～45%,平均值为33%,两者在剖面上呈此消彼长的关系[28]。长石、碳酸盐矿物(方解石+白云石)、黄铁矿矿物平均含量分别为12%、7%和6%。岩相上,湘黔深水陆棚-斜坡带下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩则以硅质页岩和过渡型页岩为主,碳酸盐矿物含量较低,石英含量相对更高,可能与生物成因石英的贡献和/或热液活动有关[28, 32]。

图3 中上扬子地区下寒武统富有机质页岩矿物组成(据文献[28-29]修改)Fig.3 Mineral composition of the Lower Cambrian organic-rich shales in the Middle-Upper Yangtze region

相比之下,位于长宁—绵阳裂陷槽边缘和汉南古隆起附近地区下寒武统筇竹寺组和牛蹄塘组页岩在矿物组成上则具有非常高的长英质矿物含量和异常低的碳酸盐矿物含量,这应与沉积区靠近古陆而具有显著高的陆源输入有关[29]。其中,W001-4井筇竹寺组页岩中石英含量为6%～65%,平均值为34%,黏土矿物含量为12%～40%,平均值为26%,长石含量为0%～29%,平均值为19%,白云石、方解石和黄铁矿等其他矿物平均含量分别为6%、5%和7%等;SNY1井牛蹄塘组页岩中石英含量为38%～58%,平均值为45%,黏土矿物含量为17%～41%,平均值为27%,长石含量为12%～33%,平均值为22%,方解石、白云石和黄铁矿平均含量分别为3%、1%和2%等。与上述两个地区相比,长宁—绵阳裂陷槽边缘和汉南古隆起附近地区下寒武统富有机质页岩在岩相上则以硅质页岩为主,与四川盆地五峰组—龙马溪组页岩相似。

2.3 孔隙特征

近十多年来,国内外学者结合氩离子抛光-场发射扫描电镜、N2/CO2低温吸附、小角散射等各种孔隙表征方法对富有机质泥页岩孔隙开展了大量工作,并取得了一系列重要研究进展[33-38]。尤其是关于泥页岩中有机质微纳米级孔隙的扫描电子显微镜成像，以及对有机孔作为非常规页岩气主要储集空间的认识。

通过氩离子抛光-场发射扫描电镜大量观察发现[28-29, 39-40],中上扬子地区下寒武统富有机质页岩发育孔隙具有很强非均质性,尤其是有机孔的发育情况(见图4)。具体表现如下:①按照有机质类型划分,研究区页岩中有机质包括运移有机质(热解沥青)和原生有机质(残余干酪根)2个组成部分,并且运移有机质发育有机孔情况显著优于原生有机质,前者发育有机孔数量往往较多,其孔径也相应较大(见图4A～4C)[28-29]。但需要指出的是,由于这两种类型有机质在高-过成熟阶段的演化特征趋同,均沿着碳化甚至石墨化方向进行,因此，在大多数情况下,很难在扫描电镜下区分寒武系页岩中有机孔的发育载体是运移有机质还是原生有机质[41]，这也是近年来非常规页岩储层研究中的一个难点。②依据页岩微观组构、有机质赋存形式和有机孔发育非均质性3者之间的内在联系[41],下寒武统页岩中有机孔的类型可进一步划分为脆性矿物粒间有机质孔隙、黄铁矿集合体晶间有机质孔隙、矿物颗粒内有机质孔隙和黏土矿物伴生有机质孔隙等[29, 39],并且以黏土矿物伴生有机质孔隙最为发育(见图4D～4H),其次为脆性矿物粒间有机质孔隙(见图4B～4C),而孤立的条带状有机质(干酪根)往往不发育孔隙(见图4A)[28]。③不同岩相页岩有机孔发育情况存在差异,其中，硅质页岩发育孔隙情况相对优于钙质页岩,过渡型页岩则主要介于两者之间(见图4A～4E)[29];④在同一剖面上, 富有机质页岩发育孔隙特征与TOC含量变化相似,具有明显的二分段性,其中，中等TOC含量的富黏土矿物层段(二段/上段)发育有机孔情况相对优于高TOC含量的贫黏土矿物层段(一段/下段)(见图4H～4I)[27-28]。这也与前人在中上扬子不同地区的N2吸附实验结果相一致[42-44],下寒武统页岩比表面积和孔体积与黏土矿物含量呈一定的正相关关系,而这和志留系龙马溪组页岩孔隙参数与石英含量呈正相关的特征恰好相反。⑤无机矿物孔隙对寒武系页岩总孔隙度有显著贡献[15]。无机矿物孔隙具体包括脆性矿物粒间孔、碳酸盐矿物粒内孔、黏土矿物层间孔和草莓状黄铁矿晶间孔等,并以黏土矿物层间孔和脆性矿物粒间孔为主。需要指出的是，粒内孔通常在钙质页岩中相对发育,与白云石、方解石等碳酸盐矿物发生溶蚀有关。⑥从区域上来看,宜昌等寒武系页岩气勘探突破区的页岩储集物性较好,孔隙相对发育[15, 24]。具体对比结果显示,鄂西宜昌地区水井沱组页岩孔隙以有机孔和碳酸盐矿物溶蚀孔为主,其次为粒间孔,孔径大于50 nm的大孔较发育;四川威远地区筇竹寺组页岩孔隙以粒间孔和黏土矿物层间孔为主,其次为与黏土矿物伴生的有机质孔隙,以介孔和微孔为主。相比之下, 渝湘黔地区牛蹄塘组页岩发育少量的有机孔,但其孔径明显变小(<30 nm),并且无机矿物孔隙相对不发育[40]。

A 原生有机质,EYY1井,TOC=3.64%,钙质页岩;B 运移有机质(脆性矿物粒间孔充填有机质),EYY1井,TOC=3.64%,钙质页岩;C 运移有机质(黄铁矿晶间孔充填有机质),EYY1井,TOC=1.34%,钙质页岩;D 黏土矿物伴生有机质,EYY1井,TOC=2.09%,过渡型页岩;E 黏土矿物伴生有机质,EYY1井,TOC=2.87%,硅质页岩;F 黏土矿物伴生有机质,SNY1井,TOC=1.74%,硅质页岩;G 黏土矿物伴生有机质,W001-4井,TOC=0.78%,硅质页岩;H 黏土矿物伴生有机质,ZK909井,TOC=3.66%,黏土矿物含量=34%;I 黏土矿物伴生有机质,ZK909井,TOC=6.67%,黏土矿物含量=23%。图4 中上扬子地区下寒武统不同类型富有机质页岩发育孔隙特征(据文献[29, 43]修改)Fig.4 Pore characteristics of different organic-rich shales from the Lower Cambrian Fm. in the Middle-Upper Yangtze region

需要指出的是,中上扬子地区下寒武统富有机质页岩孔隙整体相对欠发育,并往往以孔径较小的海绵状有机孔为主,微孔和介孔占主导,显著区别于四川盆地五峰组—龙马溪组极为发育的连通型气泡状有机孔。He孔隙度测试、N2/CO2低温吸附实验结果也进一步表明,下寒武统富有机质页岩孔隙度一般为0.40%～7.82%,平均值为2.43%,仅为五峰组—龙马溪组页岩储层(2.0%～9.2%,平均值为4.9%)的二分之一左右,并且前者的比表面积和孔径也显著小于后者[2, 28, 43, 45]。

3 寒武系页岩有机孔欠发育的演化机制探讨

3.1 下寒武统富有机质页岩孔隙发育与TOC含量的关系

有机质丰度是评价烃源岩质量好坏的关键参数,在非常规页岩油气系统中,有机质作为泥页岩的重要组成部分,不仅为页岩油气的生成提供了物质基础,同时也为页岩油气的保存和富集提供了重要储集空间[33, 36, 46]。近年来大量勘探开发实践进一步证实,四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气富集差异与有机质丰度相关,页岩含气量、孔隙度与TOC含量3者之间具有良好的正相关性[10, 28, 47]。

与五峰组—龙马溪组页岩相比,中上扬子地区下寒武统黑色页岩在横向和纵向上TOC含量波动较大。近年来不少研究发现[48-51],研究区下寒武统页岩孔隙度并非随TOC含量增加而单调增大,而是与TOC含量之间呈现明显的分段式关系(见图5)。其中,以湘黔深水陆棚-斜坡带的TX-1井和TM-1井为例,当TOC<6.5%时,页岩孔隙度与TOC含量之间具有良好的正相关关系。这表明有机质丰度是影响下寒武统黑色页岩孔隙的主控因素之一,有机孔对总孔隙度具有显著贡献。但是,当TOC> 6.5%时,下寒武统黑色页岩的孔隙度不但没有随 TOC 含量的继续增加而增大,反而呈现显著下降趋势。类似现象在其他时代页岩地层中也有相关报道。例如,Milliken等学者通过对美国Marcellus页岩研究，首次发现该套页岩孔隙度在TOC值大于5.6%以后,页岩孔隙度随TOC含量的继续增高开始降低,并解释高TOC含量的富有机质页岩岩石组构更容易被压实,不利于孔隙保存,或可能含有更高比例的惰质组等低生烃潜力的显微组分[36]。中上扬子地区下寒武统黑色页岩有机质类型以I型或II型为主[52],具有高的生烃潜力,但是地质历史时期其最大埋深普遍超过6.5 km[53]。因此，国内部分学者认为,盆地埋藏过程中的机械压实作用可能是导致下寒武统黑色页岩孔隙普遍相对欠发育的主要原因[9, 50, 54-55]。

A 五峰组—龙马溪组;B 牛蹄塘组图5 富有机质页岩孔隙度与TOC含量的关系(据文献[47, 49]修改)Fig.5 Relationship between porosity and TOC content from organic-rich shales

然而,下寒武统黑色页岩孔隙度随TOC含量增加呈先增大后减小的趋势,在中上扬子不同地区变化差异较大。马子杰等[29]通过对鄂西裂陷槽、长宁—绵阳裂陷槽附近和汉南隆起边缘地区的3口钻井进一步研究发现,EYY1井和W001-4井水井沱组和筇竹寺组页岩有机质面孔率随TOC含量增加其峰值拐点TOC值分别出现在3.0%和1.0%附近,均显著低于湘黔深水陆棚-斜坡带的TX-1井和TM-1井。并且,位于汉南隆起边缘的SNY1井牛蹄塘组页岩TOC含量主体介于0%～3%之间,其有机质面孔率与TOC含量呈现单调的正相关关系。由此可见,研究区下寒武统黑色页岩发育孔隙情况复杂,主控因素更是尚未明确。

3.2 下寒武统页岩孔隙发育与成熟度的关系

自Loucks 等学者利用氩离子抛光-场发射扫描电镜技术首次观察发现了美国Barnett页岩中发育丰富的纳米级有机孔[33]以来,国内外学者针对有机质发育孔隙的形成机理和发育时间开展了大量研究,并且明确页岩中有机孔的发育与有机质热演化和油气形成阶段密切相关[33, 35, 56-59]。特别是当镜质体反射率Ro值高于0.9%时,有机质进入生油高峰,由于早期形成的液态烃开始裂解,页岩中纳米级的海绵状有机孔开始大量发育[60-61]。通常情况下,页岩中有机孔的孔径和数量随着成熟度的升高而显著增大和增加[60-62]。但需要指出的是,迄今为止,有利于有机孔发育对应的成熟度上限并不十分清楚。

对下寒武统页岩而言,有机质热演化已进入过成熟阶段,但是不同地区其热演化程度仍然存在较大差异[2, 10, 16, 63]。通过对我国南方不同钻井岩心样品的成熟度进行统计对比发现[16],位于绵阳—长宁裂陷槽附近的威远—犍为地区和湘黔深水陆棚-斜坡带(热水沉积区)已经进入过成熟晚期,其中，威远—犍为地区等效镜质体反射率(EqRo值)主体为3.20%～3.60%,平均值为3.30%;滇黔北地区EqRo值为4.08%～4.44%,平均值为4.30%,而黔西地区更是高达4.5%。相比之下,鄂西宜昌地区和陕南汉中地区受黄陵、汉南古隆起的影响,EqRo值相对比较接近,分别为2.17%～2.72%和2.04%～3.14%,平均值为2.69%和2.66%,较前两者热演化程度低,整体处于过成熟早-中期[21, 64-65]。而我们从研究区下寒武统黑色页岩发育孔隙情况来看,位于鄂西宜昌地区的EYY1井和陕南汉中地区的SNY1井目标层页岩有机孔发育情况相对优于四川威远地区的W001-4井,而成熟度最高的黔北地区ZK909井有机孔发育情况则最差[28-29]。因此,过高的热演化程度也被认为可能对页岩孔隙网络具有破坏作用,不利于有机孔的保存。

通过进一步对比北美和我国4套典型海相页岩孔隙度与成熟度的关系,可以看出,美国中泥盆统Marcellus页岩和我国下寒武统筇竹寺组页岩较上泥盆统Woodford页岩和下志留统龙马溪组页岩具有相对高的成熟度,当EqRo>3.0%以后,前两套页岩孔隙度随成熟度增加呈现一定的下降趋势(见图6)。这与前面报道的结果也一致。而事实上,邹才能等和王道富等学者通过对威远地区筇竹寺组(EqRo=3.2%～3.6%)和龙马溪组(EqRo=2.3%～2.8%)页岩样品开展氩离子抛光-场发射扫描电镜观察发现,筇竹寺组页岩受有机质碳化影响,有机孔边界模糊不清或呈弧形,开始出现塌陷和充填现象,孔径变小,有机质面孔率仅为4.6%～10.6%,而龙马溪组页岩不仅有机孔数量众多,且形态轮廓清晰,较少出现充填现象,有机质面孔率高达11.9%～23.9%[3,66]。近年来,不少学者也提出过高成熟度使页岩中有机质发生碳化,甚至趋于石墨化,有机孔因发生塌陷和被充填而锐减,是中上扬子地区下寒武统页岩有机孔相对欠发育的重要原因之一[1-3, 12, 66]。并且,肖贤明等[10]学者进一步提出把EqRo>3.5%的区域作为我国南方寒武系页岩气勘探的高风险区,而由于古隆起边缘热演化程度相对较低,中国地质调查局油气资源调查中心在结合近年来页岩气勘探实践的基础上创新提出了寒武系独特的页岩气成藏模式——古老隆起边缘控藏模式[22]。

图6 富有机质海相页岩孔隙度随成熟度变化(据文献[67]修改)Fig. 6 Variations in porosity with maturity for organic-rich shales

3.3 排烃对下寒武统页岩孔隙发育的影响

除了前两种观点外,张同伟等[7, 15]学者提出,排烃效率高、残余油量小,是可能导致中上扬子地区下寒武统黑色页岩中有机孔相对欠发育和含气量低的关键原因。四川盆地及周缘地区五峰组—龙马溪组具有相对良好的构造保存条件,生油窗相当数量的生成油被滞留在页岩孔隙网络,因此,在后期高-过成熟阶段进一步裂解形成大量的页岩气,与此同时，热解沥青发育丰富的气泡状有机孔作为主要储集空间[7, 46, 68]。然而,与五峰组—龙马溪组页岩相比,下寒武统黑色页岩时代更老,经历了更为复杂的构造活动和地质事件。其中,晚震旦世—早寒武世沉积期发生的桐湾运动在中上扬子地区广泛发育,下寒武统与下伏地层震旦系灯影组之间形成的不整合面为富有机质页岩在生油窗发生大规模的排烃和油气散失提供了重要的运移通道[1, 14, 51, 69]。2013年,中石油在四川盆地川中隆起发现安岳震旦系—寒武系特大型常规气田,筇竹寺组富有机质页岩作为烃源岩,邻近灯影组碳酸盐岩缝洞型白云岩作为储集层[70],为上述推论提供了重要证据。除此之外,威远、丁山、南江、汉中等多个地区露头或钻井资料表明,下寒武统黑色页岩下伏的灯影组白云岩发育古风化壳,沥青广泛、密集分布(见图7),也指示了下寒武统富有机质页岩在生油窗曾发生了大规模排烃过程[71]。而页岩中滞留油裂解形成的热解沥青(运移有机质)是有机孔发育的主要载体[56, 72-74],尽管近年来也认识到有机孔在干酪根(原生有机质)中也广泛存在[75]。因此,构造保存条件相对较差、排烃效率高、页岩中残余油量小,也可能是导致中上扬子地区下寒武统筇竹寺组及其同时代页岩在后期高-过成熟阶段油裂解形成气量小、热解沥青含量低、孔隙相对欠发育的关键因素之一[7, 15]。

A SNY1井灯影组岩心;B 南江杨坝剖面灯影组露头剖面图7 震旦系灯影组白云岩分布沥青特征Fig.7 Characteristics of bitumen distributed in Sinian Dengying Formation dolomites

另一方面,前文提到,研究区下寒武统黑色页岩TOC含量和孔隙度特征在剖面上具有二分段性,也进一步支持了这一推论。其中,张六六等通过对湖北宜昌地区ZK003井水井沱组富有机质页岩一、二段开展岩石小柱体吸水实验、He孔隙度测试等相关研究发现,水井沱组富有机质页岩一段TOC含量比二段要高,但是其孔隙度、吸水量、吸水速率却明显低于二段[27, 45]。而利用氩离子抛光-场发射扫描电镜进一步观察发现,水井沱组富有机质页岩一、二段在矿物组成和有机孔发育方面存在显著差异,其中，二段具有较高含量的黏土矿物,并且有机孔发育情况相对优于一段,以与黏土矿物伴生有机质孔隙为主。吴陈君等[28]通过对黔北地区ZK909井牛蹄塘组黑色页岩深入研究时同样发现,剖面下段高TOC含量的贫黏土页岩段比表面积和孔体积相对较小,有机孔欠发育,而剖面上段富含黏土矿物的中等TOC 含量页岩段比表面积和孔体积整体较高,有机质以有机质-黏土矿物复合体形式赋存,有机孔相对发育。因此,引起下寒武统富有机质页岩上、下段(一、二段)孔隙发育差异的原因很可能与生油窗排烃效率差异有关。下寒武统富有机质页岩下段/一段TOC含量高,生烃潜力大,并且与下伏震旦系灯影组不整合面距离近,因此排烃效率高,生油窗大量生成油气被排出,残余油量小,进而导致高-过成熟阶段富有机质页岩中热解沥青含量低,有机孔相对不发育,有机质类型则以原生有机质为主,总孔隙度小;而富有机质页岩上段/二段TOC含量中等,黏土矿物高,层间孔发育,生油窗吸附大量生成油滞留在孔隙网络,并且该层段顶板发育低TOC泥岩和泥灰岩,封闭性好,与此同时,下伏的富有机质页岩下段/一段由于更高的TOC含量和生烃量,从而构成烃浓度封闭,以相对高的烃浓度阻滞上覆地层生成的油气向下运移,进而导致上段中等TOC含量的富有机质页岩层段具有相对低的排烃效率,并在更高热演化条件下二次裂解成气,热解沥青含量高,有机孔相对发育。此外,下段富有机质页岩层系内发育的旋回性泥灰岩或钙质夹层可能也起到了一定的隔挡效应,相对限制了上段形成油气在垂向上的大量运移和散失。这也部分解释了研究区页岩孔隙度在TOC大于某一门限值范围时，随TOC含量的继续增加反而呈减小趋势的原因。因此,与高TOC含量的富有机质页岩下段/一段相比,中等TOC含量、富黏土矿物的富有机质页岩上段/二段可能为寒武系页岩气勘探的更有利层段/甜点段。这一认识与目前宜昌地区已获得勘探突破的宜地2井水井沱组富有机质页岩层含气量在纵向上的变化特征相一致[76]。

4 结语

中上扬子地区下寒武统页岩TOC含量、矿物组成和岩相在横向和纵向上波动较大。研究区富有机质页岩孔隙相对欠发育,以孔径较小的海绵状有机孔为主,微孔和介孔占主导,但具有很强的非均质性。整体上,下寒武统页岩孔隙度随TOC含量的增加呈先增大后减小趋势,尽管在不同地区存在差异,但总地指示了高TOC含量的富有机质页岩岩石组构容易被压实,不利于孔隙的保存。与此同时,下寒武统页岩中有机孔的演化还受到成熟度的控制。其中,位于过成熟早-中期(EqRo=2.0%～3.0%)的鄂西宜昌地区和陕南汉中地区下寒武统页岩有机孔发育情况相对优于过成熟晚期(EqRo=3.0%～3.5%)的四川威远地区,而成熟度最高(EqRo>4.0%)的黔北地区有机孔发育情况则最差。除此之外,下寒武统富有机质页岩孔隙发育特征与矿物组成、TOC含量在宜昌地区ZK003井、EYY1井和贵州开阳地区ZK909钻孔等多个研究剖面上均具有二分段性。其中，中等TOC含量的富有机质页岩二段(上段)发育孔隙以与黏土矿物伴生的有机质孔隙为主,相对优于高TOC含量的富有机质页岩一段(下段)。近年来笔者团队提出的下寒武统富有机质页岩一、二段在生油窗的排烃效率差异,不仅解释了其孔隙发育差异的原因,而且研究结果也为寒武系页岩优质储层筛选及页岩气勘探的“甜点段”预测提供了重要参考。