川东南地区黑色页岩中笔石特征对页岩气生储影响的启示

徐松XU Song；王世文WANG Shi-wen；杨江超YANG Jiang-chao

（重庆科技学院，重庆 401331）

0 引言

中国川东南地区五峰-龙马溪组为典型黑色笔石页岩[1]，该页岩具高有机质、孔裂隙发育较好以及高含量脆性矿物等特征，为优质烃源岩，十分利于页岩气的勘探开发[2]。目前，五峰-龙马溪组为四川盆地页岩气勘探的重点和主要建产层位，现已建成焦石坝、威远和长宁-昭通3个国家级页岩气示范区[3]，具较好的页岩气勘探开发潜力。五峰-龙马溪组中含有丰富的笔石化石，其对页岩储层发育特征具有一定的影响[4]，由于其演化迅速等特征，被用做寻找五峰-龙马溪组优质烃源岩的“黄金卡尺”[5]，具有十分重要的油气地质意义。

国内对笔石的研究主要集中在生物地层划分，陈旭等运用笔石生物地层学的方法，对扬子地区五峰-龙马溪组笔石进行生物划带，以及对笔石页岩在扬子覆盖区内进行划分和圈定[6]。笔石在生物地层划分、沉积环境、矿物组成、储层微观结构及页岩气资源分布等方面有着重要作用[7]，但是，对于笔石对页岩气的生储影响缺乏总结，本文基于前人研究进展，通过川东南地区五峰-龙马溪组笔石带、笔石体化学组成，并结合实测页岩孔隙数据，分析笔石发育特征对页岩储层孔隙影响。

1 页岩气开发现状

根据美国EIA调查数据，我国页岩气可采资源储量为31.6万亿立方米，居世界第一。页岩气作为国家战略重要资源，我国对该资源开展了前期勘探评价，全国页岩气资源调查结果表明：陆域页岩气地质资源量为134.42×1012m3，可采资源量为25.08×1012m3，其中，四川盆地五峰-龙马溪组海相页岩气资源占比较大[8]，现目前主要气田储量与产量如表1。五峰-龙马溪组中页岩气资源量丰度，工业经济价值巨大，笔石作为该层系宏观可识别主要生物化石，对页岩气勘探开发具有重要意义。

表1 四川盆地页岩气田五峰-龙马溪组页岩气储量与2020年产量

2 川东南地区笔石带划分

四川盆地广泛沉积五峰-龙马溪组黑色含笔石页岩，由于其分布范围广、富含笔石，易于国内外相应地层进行对比，该地层一直以来都是地层学和古生物学研究的热点之一[6]。川东南地区五峰-龙马溪组页岩气勘探获得了重大突破，可与同时期北非和中东主要油气田热页岩层段和油气产出进行对比开发研究[9-10]。学者们对五峰-龙马溪组页岩进行笔石带划分，并对有利区块进行预测，现已划分出6个页岩气有利区块，其中四川盆地及周缘已建成涪陵、威荣、长宁、昭通和永川等页岩气商业开发区[11]。

五峰-龙马溪组中笔石绝大部分为正笔石目笔石，营群体浮游生活，根据笔石种类与生物相组合特征，陈旭等将五峰-龙马溪组笔石页岩自下而上划分了13个笔石带[6]。不同地区由于自然条件改变，笔石演化方式不同，笔石带划分略有不同，通过对比威远202井、宁211井和焦页1井五峰-龙马溪组笔石带划分可知，底部优质储层笔石带划分较为集中，其中观音桥层在不同区域厚度略有变化[12-14]（图1）。

五峰-龙马溪组笔石带的划分利于国内外相应地层对比，且通过笔石深度分带模式，推断黔渝龙马溪组连续沉积的笔石页岩层段随时间其沉积水深是不断加深的过程[6]。陈旭等根据五峰-龙马溪组笔石生物地层最新研究信息，提出五峰组的WF2-WF3和龙马溪组的LM2-3到LM6下部是页岩气勘探的有利层位，目前已被中国石油、中国石化等公司采用[6]，为页岩气勘探开发提供了有利依据。

3 笔石与有机质富集关系

3.1 笔石成分组成

就目前而言，国内外对笔石成分组成上还存在着较大的争议。在笔石早期的研究中认为笔石体的主要组成是几丁质[15]，但国外学者Towe和Urbanek通过透射电子显微镜观察到，笔石周皮结构、组成方式与胶原蛋白相似，认为其原始组分为胶原蛋白类，非几丁质[16]。Bustin等使用红外光谱观察分析到笔石周皮由芳香族和脂肪结构组成[17]，刘大锰等通过显微傅里叶红外光谱（Micro-FT-IR）和二次离子质谱仪（TOF-SIMS）分析发现，笔石体主要是由含O、N等杂原子基团的高分子化合物的聚合物蛋白质组成[18]。利用扫描电镜对笔石体壁进行能谱分析发现，其中还含有Fe、Si、Al、S、Mg、K等[19]。马施民等对笔石体进行元素分析，发现笔石体的轴部C含量极高，接近100%，并认为其具备生烃潜力[20]。通过国内外学者研究成果，笔石体主要成分可能是胶原蛋白类高分子聚合物。

3.2 笔石有机质特征与生烃能力

五峰-龙马溪组底部，笔石绝大部分以炭质薄膜保存，笔石体中有机质含量远高于围岩[21]，通过纵向统计笔石丰度与有机质丰度变化，研究发现两者变化规律基本一致，在五峰-龙马溪组底部笔石与有机质含量均较高，向上笔石丰度、有机质含量逐渐降低，整体上两者变化规律一致，但对于两者是否为正相关关系，目前未得到统一证实[21]。此外，页岩生烃能力受有机质成熟控制，由于学者们对上扬子地区五峰-龙马溪组黑色页岩有机质热演化研究差异较大，导致结果较为离散，数据差异大，得不到有效的统一认识，曹长群等利用笔石表皮体的反射率来显示五峰-龙马溪组页岩中有机的成熟度，研究结果显示笔石反射率指示页岩有机质成熟度效果较好，在区域分布上具更好的一致性[28]。

4 笔石孔隙发育特征与页岩储层孔隙关系

五峰-龙马溪组中笔石以压扁薄膜保存，少部分被黄铁矿化，以半立体到立体保存，这两种保存方式下的笔石体中发育许多孔隙[19]。在五峰-龙马溪组底部中笔石丰度较高，分布方式主要有两种：无序叠加式，笔石丰度较高，散乱叠加顺层分布于页岩层理面中；分散式分布，笔石丰度低，零散分布于页岩层中[14]。根据陈旭等对五峰-龙马溪组页岩笔石带的划分可知，有利层位中笔石丰度普遍较高[6]，对此，学者们开始研究笔石体本身孔隙发育特征对页岩储层孔隙的贡献[22-23]。

4.1 笔石孔隙结构特征

正笔石目笔石宏观上主要由正胞管组成。笔石体始端为胎管，胎管主要由亚胎管与原胎管组成，原胎管向上，胞管从亚胎管出芽生成，接连生长发育，最终形成笔石枝[24]。笔石死后沉积于地层中，软体部分被分解，硬体部分在成岩过程中，保存下来并成为页岩的一部分。

学者们使用透射电子显微镜、扫描电镜等仪器对笔石显微结构进行精细研究，发现笔石体据外部纺锤层和外部皮质层双层结构，皮质层又由纤维组织与表皮组织组成，纤维组织结构类型较多[25]，这些纤维组织之间与内部均可见纳米级及以上孔隙[26]。此外，笔石体碎屑中发育较多孔隙，其中主要有有机质孔[27]、蜂窝状黄铁矿物颗粒孔、石英印模孔[28]及笔石体边缘微裂缝[29]等。通过扫描电镜可以观察到笔石体中孔隙开放性、连通性均较好，且邱振等对龙马溪组中笔石体与围岩微观孔隙进行提取对比发现，笔石体中发育大量微纳米孔隙，与围岩相比，笔石体中有机质孔面孔率、孔径均值均更大[23]，说明笔石中孔隙是页岩气赋存重要场所。

4.2 笔石丰度与页岩孔隙关系

为研究两者之间的关系，本文通过实测岩心数据，纵向上选取龙马溪组中含不同笔石丰度的页岩，进行孔隙定量分析，以确定两者之间的关系。分析测试结果表明，含笔石页岩样品，孔隙度介于2.90%~5.03%，平均为4.25%，且底部孔隙度明显较高。各段孔隙均有贡献，其中宏孔体积介于0.0050~0.0108mL/g、介孔体积介于0.009~0.019mL/g、微孔体积介于0.0016~0.0034mL/g，通过对比分析与笔石丰度关系发现（图2），两者具有较好的正相关关系，其中以宏孔相关系数最大。通过纵向对比发现，笔石丰度与各阶段孔隙也具有较好的相关关系。

5 结论

川东南地区五峰-龙马溪组页岩气储量巨大，笔石对页岩气勘探开发具有重要指示意义。WF2-WF3、LM2-LM6黑色页岩中笔石体有机质含量高，且笔石丰度与有机质丰度有较好正相关关系。笔石体中孔隙发育，且开放性好，为页岩气储存、运移提供有利空间。但对于笔石对页岩储层孔隙贡献研究较少，有待深入和量化研究。此外，高笔石丰度页岩层理面，力学性质薄弱，极易碎裂，可从笔石与脆性矿物含量角度研究笔石与页岩储层关系，为后期优质储层层段压裂改造提供重要依据。