四川盆地湖相页岩气源-储配置类型及评价

朱 彤,胡宗全,刘忠宝,冯动军

(1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京，100083； 2. 中国石化 石油勘探开发研究院，北京，100083)

在多旋回构造演化过程中，四川盆地发育了海相、陆相和海陆过渡相多套富有机质泥页岩[1-2]。目前除了在川东南涪陵焦石坝、川南威远、长宁五峰组-龙马溪组实现商业开发外，在元坝、涪陵北和建南等地区中-下侏罗统湖相泥页岩层系也获得工业气流和稳定产量。其中川东北元坝地区大安寨段5口直井试获(14～50)×104m3/d工业气流，鄂西渝东建南地区东岳庙段垂深600～620 m泥页岩段水平井压裂最高日产气1.23×104m3，稳定日产气2 000～3 000 m3，展示了四川盆地湖相页岩气良好的勘探前景[3-5]。

与四川盆地海相五峰组-龙马溪组发育稳定的深水陆棚沉积，富有机质页岩单层厚度较大，横向分布稳定[6]，具有典型的源储一体、源储共生[7]的页岩气形成特征相比，陆相湖盆分布范围较海相规模小，受周缘构造活动影响大，导致湖相泥页岩沉积相变快，岩性变化频繁，单层厚度薄，岩相类型多样(互层、夹层)，有机质丰度较低，储集非均质性强[8]，源-储配置复杂。

四川盆地下侏罗统自下而上分为珍珠冲段、东岳庙段、马鞍山段和大安寨段，暗色泥页岩主要分布在大安寨和东岳庙两个湖泛期，为一套泥页岩与介壳灰岩、粉砂岩的不等厚互层沉积；中侏罗统千佛崖组(凉高山组)继承了下侏罗统的沉积格局，自下而上分为千一段(凉一段)、千二段(凉二段)和千三段(凉三段)，暗色泥页岩主要分布在千二段(凉二段)湖泛期，主要为一套泥页岩与粉砂岩的不等厚互层沉积。本文在对东岳庙段、大安寨段和千二段(凉二段)3个湖泛期暗色泥页岩层系不同岩相划分的基础上，探讨不同岩相的源-储配置特征，对有利的源-储配置类型进行评价。

1 沉积及岩相特征

1.1 沉积模式及沉积相

四川盆地中-下侏罗统不同时期由于构造活动的差异，受周缘山系物源影响，湖侵范围的不同，导致不同时期的湖相沉积模式和沉积相存在着较大的差异。主要体现在浅湖-半深湖亚相的划分上。浅湖亚相位于枯水期水面至浪基面之间的浅水地带，沉积物受波浪和湖流作用的影响明显。通过对不同层段泥页岩层系中灰岩和砂岩夹层的厚度和占比统计，按照沉积物的不同，将中-下侏罗统划分为最大湖进期碳酸盐湖泊和局限湖进期陆源碎屑湖泊两种沉积模式[9]。

碳酸盐湖泊主要发育于四川盆地周缘构造相对稳定的最大湖进期，以大安寨段为代表。沉积受陆源碎屑物源的影响较小，湖盆范围最大，水体清澈，浮游生物丰富，沉积亚相以滨湖-碳酸盐岩浅湖-湖坡-半深湖沉积为特征，湖盆分布于川中-川东北地区(图1)。沉积微相主要包括砂坝、介屑滩、滩间泥、风暴滩、湖坡泥和半深湖泥等(图2)，其中湖坡风暴滩微相为浅湖介屑滩受风暴流的作用，打碎后间歇进入湖盆中，就近堆积在湖盆斜坡位置，呈现为风暴滩与湖坡泥交替沉积[10-11]，岩性以黑色、灰黑色页岩与薄层介屑灰岩不等厚互层，水平层理发育，与半深湖泥微相一样富含黄铁矿、菱铁矿等还原性自生矿物沉淀的较深水环境，有利有机质保存。

陆源碎屑湖泊主要发育于四川盆地周缘构造相对活跃的局限湖进期，以元坝千二段和东岳庙段为代表。沉积受四川盆地西南陆源碎屑物源的影响较大，以扇三角洲-滨湖-碎屑岩浅湖-半深湖沉积为特征，湖盆分布范围局限于川东地区。沉积微相主要包括扇三角洲前缘砂体、砂质滩、砂泥坪和半深湖泥等，岩性为深灰、灰色细砂岩-粉砂岩、灰黑色的块状泥岩、泥岩夹薄层粉砂岩等。泥岩页理不发育，粉砂岩条带和薄夹层具波状层理及沙纹层理，显示浅湖泥虽主要形成于浪基面之下的低能带，但持续受底流和湖浪改造作用，由河流间歇注入浅湖的漫流席状砂沉积较发育。因入湖河水带入的物源碎屑多，水体浑浊，生物不发育，不利于有机质保存。

1.2 岩相类型划分

按照湖相泥页岩层系岩性及组合特征，对涪陵、元坝和建南地区XL101等4口井东岳庙段、大安寨段和千二段的岩相进行划分，总体可归为6大类，每一类所对应了不同湖泊沉积的沉积微相类型(表1)。最大湖进期碳酸盐岩湖泊的岩相类型主要包括半深湖泥沉积的页岩夹薄层介壳灰岩相、湖坡风暴滩沉积的页岩与介屑灰岩互层相以及碳酸盐浅湖介屑滩沉积的介屑灰岩夹页岩相3类；局限湖进期陆源碎屑湖泊的岩相类型主要包括半深湖沉积的厚层泥页岩夹薄层粉砂岩相，滨、浅湖砂泥坪沉积的纹层状泥页岩与粉砂岩不等厚互层相以及滨湖砂坝沉积的粉砂岩夹泥页岩相3类。

图1 四川盆地下侏罗统大安寨段沉积相Fig.1 Sedimentary facies of the Lower Jurassic Da’anzhai Formation,Sichuan Basin

2 湖相页岩气源-储配置类型及特征

在湖相泥页岩岩相类型划分的基础上，选取泥地比大于50%的岩相，依据泥页岩与灰岩、砂岩纵向上组合方式，将四川盆地东岳庙段、大安寨段和千二段(凉二段)划分为源夹储型、源储互层型2大类4亚类源-储配置类型。采用有机地化、微观储渗实验及纳米CT等方法技术，对每一种源-储配置类型的生烃、储集和可压性特征进行研究。

2.1 源夹储型

主要包括页岩夹介壳灰岩型和泥页岩夹粉砂岩型，泥地比在70%～90%。

2.1.1 页岩夹介壳灰岩型

该类型为碳酸盐湖泊的半深湖泥微相沉积，岩性主要为含介壳页岩，岩相为厚层页岩夹薄层介壳灰岩，具有机质和孔隙度较高，孔隙连通体积、渗透率和脆性指数较低的特点。有机碳含量平均为1.02%，粘土矿物含量较高，平均为51.18%，孔隙类型以粘土矿物晶间孔为主(图3a)，与海相有机质孔广泛发育不同[12-14]，湖相页岩演化程度较低，Ro多在在1.1%～1.8%，有机质孔随演化程度增加而逐渐发育(图3b,c)。孔隙度较高，平均为3.23%；有机碳与粘土、孔隙度具有一定的正相关关系。纳米CT微观结构中见粘土质矿物定向分布(图3d)，测定的局部有机质含量可高达4.2%，但孔隙度仅为2.27%，孔喉以中-大孔为主，主要分布在30～90 nm范围内，以40 nm为峰值。孔隙连通性较差，孔隙连通体积仅为3.84×1011nm3。渗透率中等，平均为6×10-3μm2，微裂缝仅在夹层处可见。脆性矿物中硅质含量平均为34.79%，钙质含量较低，平均为14.03%，脆性指数(硅质+钙质)为0.52，可压性较差。

2.1.2 泥页岩夹粉砂岩型

该类型为陆源碎屑湖泊的滨、浅湖泥坪微相沉积，岩性主要为含粉砂质泥岩，岩性组合为厚层泥岩夹薄层粉砂岩，具有机质、孔隙度、渗透率和脆性指数均较低的特点。有机碳含量较低，平均为0.8%。孔隙类型以粘土矿物孔为主，有机质孔不发育，孔隙度平均为2.56%。渗透率较低，平均为0.9×10-3μm2。页理不发育，粘土矿物含量较高，平均为54.4%；碎屑硅质含量平均为40.56%；钙质少量平均为5.04%，脆性指数(硅质+钙质)仅为0.46，可压性差。

图2 四川盆地FY3井大安寨二段页岩气形成条件综合柱状图Fig.2 Composite column of shale gas forming conditions in the 2nd member of Da’anzai Formation in Well FY3,Sichuan Basin

岩相类型厚层页岩夹薄层介壳灰岩相页岩与介屑灰岩不等厚互层相厚层介屑灰岩夹薄层泥页岩相厚层泥页岩夹薄层粉砂岩相纹层状泥页岩与粉砂岩不等厚互层相厚层粉砂岩夹薄层泥岩相典型岩心剖面泥地比/%70～9050～70小于5070～9050～70小于50微相类型半深湖泥湖坡风暴滩介屑滩半深湖泥浅湖砂泥坪滨湖滩坝沉积模式最大湖进期碳酸盐湖泊最大湖进期碳酸盐湖泊最大湖进期碳酸盐湖泊局限湖进期陆源碎屑湖泊局限湖进期陆源碎屑湖泊局限湖进期陆源碎屑湖泊分布层段涪陵、元坝大安寨二段涪陵、元坝大安寨二段涪陵大安寨一段元坝东岳庙段、千二段元坝东岳庙段、千二段元坝东岳庙段、千二段

图3 四川盆地页岩夹介壳灰岩型孔隙特征Fig.3 Pore characteristics for source-reservoir configuration type of shell limestone interbedded within shale,Sichuan Basina.粘土矿物晶层间孔隙发育，XL101井，大安寨段，埋深2 146.57 m；b.有机质孔隙不发育，FY1井，大安寨段，埋深2 605.9 m，Ro=1.1%；c.有机质孔隙沿微缝发育，FY1井，东岳庙段，埋深2 735.6 m，Ro=1.43%；d.粘土质矿物定向分布， FY1井，东岳庙段，埋深2 735.5 m

2.2 源储互层型

主要包括页岩与灰岩互层型和页岩与粉砂岩互层型，泥地比在50%～70%。

2.2.1 页岩与介屑灰岩互层型

该类型为碳酸盐湖泊湖坡风暴滩微相沉积，岩性主要为介壳灰质页岩，岩性组合为页岩与介屑灰岩薄互层，具有机质、孔隙度、孔隙连通体积、渗透率和脆性指数均较高的特点。有机碳含量最高可达3.7%，平均为1.42%。孔隙类型以顺层微裂缝和有机质边缘缝为主(图4a)，有机质孔不发育。孔隙度在1.25%～6.2%，平均为3.34%。纳米CT微观结构中可见粘土矿物定向排列中夹有自生菱形方解石、白云石和具有一定磨圆程度的碎屑石英颗粒(图4b)，测定局部有机质含量可高达为4.1%，孔隙度为1.99%，孔喉以中-大孔为主，主要分布在30～110 nm，以40 nm和80 nm为峰值。由于岩性组合为页岩与介屑灰岩互层，页理、水平裂缝和高角度裂缝均发育，孔隙连通性和渗透率为4种源-储类型中最好，孔隙连通体积为6.65×1011nm3，是页岩夹介壳灰岩型的近2倍。渗透率较高，平均为9.01×10-3μm2。粘土矿物含量较低，平均为38.94%，硅质含量平均为25.54%，钙质含量较高，平均为35.52%，脆性指数(硅质+钙质)可达0.61，可压性好。

2.2.2 页岩与粉砂岩互层型

该类型为陆源碎屑湖泊的滨、浅湖砂泥坪微相沉积，岩性主要为粉砂质泥岩，岩性组合为纹层状砂泥不等厚互层相，具粘土矿物含高、有机质较低，孔隙度、渗透率和脆性指数中等的特点。有机碳含量在0.5%～1.94%，平均为0.9%；孔隙类型以颗粒边缘残余原生微孔(图5a)、顺层微裂缝为主，有机质孔不发育。孔隙度在1.8%～3.5%，平均为2.56%。纳米CT微观结构中粘土矿物定向较差(图5b)，可见具有一定磨圆程度的碎屑石英颗粒，测定局部有机质含量仅1.19%，孔隙度为1.28%，孔喉以中-大孔为主，主要分布在40～300 nm，以40～100 nm为主；沉积纹层和高角度缝发育，孔隙连通性较好，孔隙连通体积为5.28×1011nm3，仅次于页岩与介屑灰岩互层型。渗透率中等，平均为5.02×10-3μm2。粘土矿物含量较高，平均为56.45%，碎屑硅质在17.3%～59.6%，平均为35.68%；钙质少量，平均为7.87%，脆性指数(硅质+钙质)为0.44，可压性差。

图5 四川盆地页岩与粉砂岩互层型孔隙特征Fig.5 Pore characteristics for source-reservoir configuration type of alternating shales and siltstones,Sichuan Basina.颗粒边缘微缝隙，FY4井，大安寨段，埋深2 541.9 m；b.粘土矿物定向较差，可见碎屑石英颗粒，JYHF-1井，东岳庙段，埋深620.53 m

3 基于源储体系数的源-储配置类型评价

3.1 源储体系数构建

页岩气具有生烃、储集和后期改造兼备的“地质”和“工程”双甜点叠置的特点[15]。页岩作为烃源层，有机碳含量(TOC)高低决定于生气潜力的优劣，也决定着生气量多少。页岩有机碳含量越高，越有利于页岩气聚集，同时页岩作为储层，其储集性能的好坏对页岩气的富集至关重要[16-17]。湖相泥页岩沉积相变快，单层厚度薄，岩相类型复杂，多以泥页岩与灰岩、粉砂岩互层、夹层组合方式呈现。生烃主要以泥页岩为主，储集性除了泥页岩自身影响外，与泥页岩中的灰岩、粉砂岩夹层及其之间的组合方式(互层和夹层)也密切相关，因此湖相泥页岩层系具有多类型复杂的源-储配置的特点。不同源-储配置类型中泥页岩的生烃能力与灰岩、砂岩夹层的储集性能之间的协同关系，以及页岩气水平井开发中的可压裂性，共同决定了湖相页岩气的富集的物质基础。

目前，四川盆地下侏罗统已在元坝、涪陵和建南直井勘探中获得了高产工业气流，但至今未实现经济有效开发的关键之一是复杂岩性(泥页岩与灰岩、粉砂岩互层、夹层)页岩气水平井及适应性压裂工程工艺关键技术还未形成，难以实现经济有效开发。因此，针对陆相多类型源-储配置的特点，不仅要考虑有机质丰度和孔隙类型、孔隙度大小等“地质”甜点对页岩气富集的影响，更要重视不同源-储配置类型对可压裂性的影响。

前人依据五峰组-龙马溪组海相页岩气源储一体、源储共生的特点，建立的页岩气藏的源-储一体的评价思路及源-储耦合系数(10 000TOCΦ，其中，TOC为有机质含量，Φ为孔隙度)进行评价[18](胡宗全，2016)，对于陆相有机质丰度较低(TOC多小于2%)，孔隙度差异小(多分布于2%～4%)，源-储配置类型多样(页岩夹介壳灰岩型、泥页岩夹粉砂岩型和页岩与灰岩互层型、页岩与粉砂岩互层型)，且不同源-储配置类型对后期改造影响较大的特点，仅通过源-储耦合系数评价，不能有效地反映湖相不同岩性组合方式的差异对可压裂性的影响，需要增加可压裂性评价参数。硅质和钙质总和作为泥页岩矿物组成中脆性矿物的主体[19]，其含量多少与压裂工程密切相关，为开发水平井的压裂提供依据。

按照地质、开发和工程3者一体化的思路，将不同的源-储类型作为一个独立的“源储体”单元(类似于致密砂岩储层“储渗体”[20-21]的概念)进行源-储-可压裂性综合评价。在前人源-储耦合系数的基础上，增加反映不同源-储类型可压裂性的脆性指数表征参数，创建了与陆相多类型源-储配置相适应的源储体系数进行评价，即源储体系数=10 000TOCΦBi，(Bi为脆性指数，小数),并据此对4口井东岳庙段、大安寨段和千二段3个泥页岩层段不同的源-储配置类型进行了源储体系数的计算。

图6 四川盆地不同源-储配置类型源储体系数与全烃背景值关系Fig.6 Correlation between source-reservoir coefficient and total hydrocarbon background value for different source-reservoir configuration types,Sichuan Basin

3.2 源-储配置类型评价

通过上述源-储配置类型的生烃、储集和可压裂性特征参数的源储体系数与含气性相关系性分析表明，源储体系数与全烃背景值(去掉因裂缝发育导致的气测峰值)具有良好的正相关关系(图6)。

以碳酸盐湖泊沉积占主导的页岩夹介壳灰岩型和页岩与介屑灰岩互层型，有利有机质保存，有机质含量较高，有机孔相对发育，生烃和储集性较好。但因这两种类型源-储配置的的方式不同(前者为夹层，后者为互层)，其孔隙连通性和渗透性却存在较大的差异。页岩与介屑灰岩互层型更有利于水平裂缝的发育，连通性更好，而且脆性矿物除含硅质外，钙质含量较高，可压裂性最好，源储体系数大于2.5，全烃背景值在同一井中最高，为好的源-储配置类型；页岩夹介壳灰岩型虽然有机质含量和孔隙度较高，但孔隙连通性较差，加之粘土矿物含量高，钙质含量较低，可压裂性较差，源储体系数在1.5～2.5，同一井中全烃背景值较页岩与介屑灰岩互层型低，为较好的源-储配置类型。

以陆源碎屑湖泊沉积占主导泥页岩夹粉砂岩型和页岩与页岩与粉砂岩互层型，受陆源碎屑物源的影响，有机质含量低，有机孔不发育，基质储渗性较差。其中泥页岩夹粉砂岩型的最差，脆性矿物以碎屑硅为主，钙质含量低，粘土矿物含量较高，可压裂性差，源储体系数多小于1.5，全烃背景值在同一井中最低，不利于页岩气的形成和改造，为较差的源-储配置类型。

4 结论

以湖相不同岩相为基础的源-储配置类型研究和评价表明，碳酸盐湖泊沉积页岩与介屑灰岩互层相具有良好页岩气生烃、储集、渗透和可压裂性形成条件，有利于页岩气的形成和改造，是湖相最有利的源-储配置类型；偏泥质相的页岩夹介壳灰岩相具有良好页岩气生烃和储集条件，但孔隙连通性、渗透性和可压性较差，为较有利源-储配置类型；陆源碎屑湖泊沉积的泥页岩夹粉砂岩相和页岩与页岩与粉砂岩互层型相，有机质含量较低，储渗性和可压性较差，不利于页岩气的形成和改造，为不利的源-储配置类型。因此以碳酸盐湖泊沉积的页岩与介屑灰岩互层和夹层相为主的页岩区和层段可作为湖相页岩气勘探的有利目标区和开发的优选层段。