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层序地层格架及其对页岩储层发育特征的影响-以四川盆地龙马溪组页岩为例

赵迪斐 郭英海 WangGeoff 李冠霖 曾春林 焦伟伟

赵迪斐, 郭英海, WangGeoff, 李冠霖, 曾春林, 焦伟伟. 层序地层格架及其对页岩储层发育特征的影响-以四川盆地龙马溪组页岩为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(2): 379-397. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
引用本文: 赵迪斐, 郭英海, WangGeoff, 李冠霖, 曾春林, 焦伟伟. 层序地层格架及其对页岩储层发育特征的影响-以四川盆地龙马溪组页岩为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(2): 379-397. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
DiFei ZHAO, YingHai GUO, Geoff WANG, GuanLin LI, ChunLin ZENG, WeiWei JIAO. Sequence Stratigraphic Framework and Its Influence on the Development Characteristics of Shale Reservoirs: Taking the Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin as an example[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(2): 379-397. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
Citation: DiFei ZHAO, YingHai GUO, Geoff WANG, GuanLin LI, ChunLin ZENG, WeiWei JIAO. Sequence Stratigraphic Framework and Its Influence on the Development Characteristics of Shale Reservoirs: Taking the Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin as an example[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(2): 379-397. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043

层序地层格架及其对页岩储层发育特征的影响-以四川盆地龙马溪组页岩为例

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41772130

国家自然科学基金项目 41772130

国家重点基础研究发展计划(973)项目 2012CB214702

教育部中央高校科研业务专项基金 2017CXNL03

江苏省自然科学基金青年基金项目 BK20170274

刘宝珺地学青年科学基金 DMSMX2019002

重庆市绩效激励引导专项 cstc2018jxj190002

重庆页岩气公司科研项目 CYS-FW-2019-0099

煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室(中国矿业大学)开放基金资助项目 2015-007

详细信息
    作者简介:

    赵迪斐,男,1991年出生,博士研究生,沉积岩石学与非常规油气地质学,E-mail: diffidiffi@126.com

    通讯作者:

    郭英海,男,教授,E-mail: guoyh@163.com

  • 中图分类号: P618.13

Sequence Stratigraphic Framework and Its Influence on the Development Characteristics of Shale Reservoirs: Taking the Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin as an example

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41772130

National Natural Science Foundation of China 41772130

National Basic Research Program of China(973 Program) 2012CB214702

Fundamental Research Funds for the Central Universities 2017CXNL03

Natural Science Foundation of Jiangsu Province BK20170274

Liu Baojun Scientific Research Foundation for Youth Scholars DMSMX2019002

Chongqing Performance Incentive and Guidance Project cstc2018jxj190002

Scientific Research Projects of Chongqing Shale Gas Company CYS-FW-2019-0099

Scientific Research Foundation of Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process, Ministry of Education (China University of Mining and Technology) 2015-007

  • 摘要: 为研究海相页岩沉积层序及其对页岩储层发育特征的控制作用,通过露头、岩芯研究及地化测试、有机质测试、矿物组分测试、孔隙发育特征测试等室内分析测试,结合测井小波分析,综合建立四川盆地龙马溪组的层序地层格架,并结合储层发育特征探讨层序与储层发育特征的关系。研究表明:研究区龙马溪组发育有两个三级层序;结合多口钻孔通过测井小波分析构建了研究区的高分辨率层序地层格架,识别出四个中期旋回A~D;对比各旋回内的储层发育特征,旋回A储层岩石学特征与旋回B~D存在显著差异,表现为储层有机质含量更高、水平层理更为发育、脆性矿物含量更高、微观储集空间(微—纳米级孔隙与微裂隙)发育程度更好,显示了层序旋回与储层物质成分、结构、力学脆性、含气性特征的显著相关关系,说明层序旋回是储层物性与含气性等发育特征的重要影响因素。基于前述研究,讨论了层序地层格架对储层发育的控制机理,层序格架下各旋回内沉积环境与沉积条件的差异导致储层沉积构造、物质成分与分布的差异,进而影响储层物性与含气性等特征;沉积盆地内高分辨率层序格架的建立可以为储层对比、评价与资源预测提供时间框架。建立了通过测井小波分析高分辨率层序地层格架进行储层分析对比的新方法,提出了基于储层小层分析建立页岩储层精细评价的新工作流程,有助于减少人为因素干扰,可以为页岩优质储层成因研究及其预测评价提供科学依据与新思路。
  • 图  1  四川盆地构造区块划分及研究钻孔、剖面位置

    Figure  1.  Division of tectonic blocks and the positions of studied wells and sections

    图  2  观音桥剖面沉积环境及层序划分

    Figure  2.  Sedimentary environment and sequence division of the Guanyinqiao section

    图  3  四川盆地龙马溪组综合柱状图(据王玉满等[25])及层序界面识别

    Figure  3.  Columnar section of the Longmaxi Formation in Sichuan Basin (after Wang et al.[25]) and sequence interface identification

    图  4  龙马溪组层序界面特征及界面上下岩性、古生物特征

    (a)观音桥剖面五峰组与龙马溪组分界线;(b)(c)观音桥剖面及WK1井SQ1内的笔石沉积特征,以具有双列胞管的直笔石等笔石组合为主;(d)J-12井SQ2底部出现的Demirastritestriangulatus(三角半耙笔石),笔石胞管变为单列胞管;(e)WK1井SQ1内的富笔石水平层理(侧面);(f)WK1井SQ2内的粉砂质纹层沉积(侧面);(g)打风坳剖面SQ1与SQ2的分界面附近岩性特征;(h)打风坳剖面龙马溪组SQ2顶部与小河坝组的分界特征

    Figure  4.  Sequence interface characteristics in the Longmaxi Formation and lithology and paleontology of the upper and lower interfaces

    图  5  J-12井自然伽马测井数据小波分析处理结果

    Figure  5.  Wavelet analysis and processing results of natural gamma ray logging data from well J-12

    图  6  J-12井岩性及测井曲线特征

    Figure  6.  Lithology and logging curve characteristics of well J-12

    图  7  研究区龙马溪组测井层序对比图(西南—东北向)

    Figure  7.  Sequence stratigraphic division and sedimentary-logging characteristics of the Longmaxi Formation in the study area

    Figure  8.  Petrology characteristics of each cycle in the Longmaxi Formation in sections

    图  9  J-12井旋回划分及对应TOC、矿物、孔隙、全烃特征

    Figure  9.  Cycle division and corresponding total organic carbon (TOC), mineral, pore, and total hydrocarbon characteristics of well J-12

    图  10  基于箱线图的中期旋回与储层发育特征(TOC含量、脆性矿物含量、含气性)关系分析

    (a)中期旋回A~D内TOC含量的变化趋势;(b)中期旋回A~D内脆性矿物比例的变化趋势;(c)中期旋回A~D内全烃的变化趋势

    Figure  10.  The relationship between middle-term cycles and reservoir development characteristics (TOC content, brittle mineral content, and gas content) based on the box plot

    图  11  龙马溪组不同旋回中的沉积微相薄片镜下特征

    (a)(b)旋回A显微薄片观察:(a)示旋回A底部高脆性矿物含量、高有机质含量,物质分异不显著,对应沉积构造主要为富笔石水平层理构造;(b)示旋回A中上部粉砂质含量略微增多,具有由粉砂质层—泥质层构成的层理结构; (c)(d)旋回B显微薄片观察:(c)示旋回B下部样品,微观结构不显著,但较大颗粒的陆源砂质含量相比旋回A显著增多,隐约可见砂质—泥质纹层;(d)示旋回B上部样品的显微结构与物质分异,相比旋回下部,上部砂质—泥质纹层更加显著,物质分异明显,纹层连续性较好;(e)(f)旋回C显微薄片观察:(e)示旋回C下部样品,与旋回A~B相比,旋回C底部有机质—泥质含量降低,粉砂质含量增多,具有一定的纹层结构;(f)示旋回C上部样品,颗粒分选变差,层间力学薄弱面开裂而形成的裂隙中充填有固体沥青(solid bitumen);(g)(h)旋回D显微薄片观察:(g)示旋回D下部样品,粉砂质含量进一步增高,与泥质、少量有机质杂乱分布;(h)示旋回D上部样品,沉积构造更加复杂,粒度更粗,示陆源碎屑影响增加,物质分异更显著

    Figure  11.  Characteristics of sedimentary microfacies in different cycles using section observations

    图  12  页岩气储层小层评价流程

    Figure  12.  Evaluation process of small-scale layers in shale gas reservoir

    表  1  研究收集样品与实验测试

    Table  1.   Collected samples and experimental methods

    收集样品 主要岩性 地层 实验测试
    观音桥剖面(60余块) 黑色页岩—粉砂质泥页岩 龙马溪组底部—中部 TOC测试(20块)、地球化学测试(8块)、XRD测试(10块)、微观孔隙观测(10块)、薄片观测(20片)
    打风坳剖面(30余块) 黑色页岩 龙马溪组 TOC测试(15块)、XRD测试(5块)、微观孔隙观测(10块)、薄片观测(10片)
    三泉剖面(10块) 黑色—灰黑色泥页岩 龙马溪组下部 TOC测试(5块)、XRD测试(5块)、微观孔隙观测(5块)、薄片观测(5片)
    华蓥山剖面(10块) 灰黑色页岩 龙马溪组 TOC测试(2块)、微观孔隙观测(2块)、薄片观测(2片)
    J-12井(200块) 黑色碳质页岩—灰黑色粉砂质页岩 龙马溪组 TOC测试(104块)、XRD测试(20块)、微观孔隙观测(5块)、图像量化分析(3块)、测井小波分析、薄片观测(20片)
    WK-1井 黑色碳质—粉砂质页岩 龙马溪组 薄片观测(25片)、测井小波分析
    L-7井、ZS-1井、YS-1井 黑色碳质页岩—灰黑色粉砂质泥页岩 龙马溪组 测井小波分析
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    表  2  龙马溪组页岩物质成分与地球化学特征

    Table  2.   Material compositions and geochemical characteristics of the Longmaxi Formation shale

    样品来源 层序 脆性矿物/% 黏土矿物/% 黄铁矿/% 有机质/% V/(V+Ni) V/Cr Mo/TOC
    观音桥剖面 SQ1 36.3~43.8 36.1~61.0 2.2~4.0 2.2~6.2 0.64~0.66 0.94~1.69 0.02~3.71
    观音桥剖面 SQ2 29.2~48.0 42.2~64.2 0.6~2.4 0.8~2.4 0.57~0.62 1.47~2.85 5.74~68.86
    三泉剖面 SQ1 24.0~27.2 64.8~69.3 1.4~1.7 1.2~2.3 厌氧环境 > 0.5;贫氧环境0.45~0.6;富氧 < 0.45 厌氧环境 > 4.25;贫氧环境2~4.25;富氧环境 < 2 对于缺氧环境沉积物,比值越低,滞留程度越强
    打风坳剖面 SQ1 32.4~66.2 30.4~65.4 1.5~4.6 1.8~4.4
    打风坳剖面 SQ2 33.2~54.2 47.6~63.2 1.1~2.1 0.6~2.2
    J-12井 SQ1 67.7~92.3 4.3~30.2 1.4~2.1 2.3~6.4
    J-12井 SQ2 52.2~60.4 34.6~46.6 0.2~2.0 1.0~2.1
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    表  3  层序界面划分及其天文周期驱动机制[28]

    Table  3.   Orders and driving mechanism of sequence cycles[28]

    层序级别 层序地层术语 时限范围/ka 驱动机制
    一级 巨层序 (200~400)×103 板块运动所引起的构造型海平面变化 泛大陆形成与解体引起的全球海平面变化
    二级 超层序 (10~40)×103 大洋中脊扩张体系引起的全球海平面变化
    三级 层序 (1~10)×103 洋中脊变化及大陆冰川消长引起的全球海平面变化+板块内构造沉降与抬升作用对地区性海平面变化的影响
    四级 准层序组或体系域 400 米氏天文周期所引起的冰川型海平面变化 长偏心率旋回
    五级 准层序 100 短偏心率旋回
    六级 韵律层 20~40 岁差旋回或黄赤交角旋回
    七级 交替纹层 2~5 冰川消融与大地水准面变化
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-16
  • 修回日期:  2019-04-12
  • 刊出日期:  2020-04-10

目录

    层序地层格架及其对页岩储层发育特征的影响-以四川盆地龙马溪组页岩为例

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
      基金项目:

      国家自然科学基金项目 41772130

      国家自然科学基金项目 41772130

      国家重点基础研究发展计划(973)项目 2012CB214702

      教育部中央高校科研业务专项基金 2017CXNL03

      江苏省自然科学基金青年基金项目 BK20170274

      刘宝珺地学青年科学基金 DMSMX2019002

      重庆市绩效激励引导专项 cstc2018jxj190002

      重庆页岩气公司科研项目 CYS-FW-2019-0099

      煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室(中国矿业大学)开放基金资助项目 2015-007

      作者简介:

      赵迪斐,男,1991年出生,博士研究生,沉积岩石学与非常规油气地质学,E-mail: diffidiffi@126.com

      通讯作者: 郭英海,男,教授,E-mail: guoyh@163.com
    • 中图分类号: P618.13

    摘要: 为研究海相页岩沉积层序及其对页岩储层发育特征的控制作用,通过露头、岩芯研究及地化测试、有机质测试、矿物组分测试、孔隙发育特征测试等室内分析测试,结合测井小波分析,综合建立四川盆地龙马溪组的层序地层格架,并结合储层发育特征探讨层序与储层发育特征的关系。研究表明:研究区龙马溪组发育有两个三级层序;结合多口钻孔通过测井小波分析构建了研究区的高分辨率层序地层格架,识别出四个中期旋回A~D;对比各旋回内的储层发育特征,旋回A储层岩石学特征与旋回B~D存在显著差异,表现为储层有机质含量更高、水平层理更为发育、脆性矿物含量更高、微观储集空间(微—纳米级孔隙与微裂隙)发育程度更好,显示了层序旋回与储层物质成分、结构、力学脆性、含气性特征的显著相关关系,说明层序旋回是储层物性与含气性等发育特征的重要影响因素。基于前述研究,讨论了层序地层格架对储层发育的控制机理,层序格架下各旋回内沉积环境与沉积条件的差异导致储层沉积构造、物质成分与分布的差异,进而影响储层物性与含气性等特征;沉积盆地内高分辨率层序格架的建立可以为储层对比、评价与资源预测提供时间框架。建立了通过测井小波分析高分辨率层序地层格架进行储层分析对比的新方法,提出了基于储层小层分析建立页岩储层精细评价的新工作流程,有助于减少人为因素干扰,可以为页岩优质储层成因研究及其预测评价提供科学依据与新思路。

    English Abstract

    赵迪斐, 郭英海, WangGeoff, 李冠霖, 曾春林, 焦伟伟. 层序地层格架及其对页岩储层发育特征的影响-以四川盆地龙马溪组页岩为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(2): 379-397. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
    引用本文: 赵迪斐, 郭英海, WangGeoff, 李冠霖, 曾春林, 焦伟伟. 层序地层格架及其对页岩储层发育特征的影响-以四川盆地龙马溪组页岩为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(2): 379-397. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
    DiFei ZHAO, YingHai GUO, Geoff WANG, GuanLin LI, ChunLin ZENG, WeiWei JIAO. Sequence Stratigraphic Framework and Its Influence on the Development Characteristics of Shale Reservoirs: Taking the Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin as an example[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(2): 379-397. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
    Citation: DiFei ZHAO, YingHai GUO, Geoff WANG, GuanLin LI, ChunLin ZENG, WeiWei JIAO. Sequence Stratigraphic Framework and Its Influence on the Development Characteristics of Shale Reservoirs: Taking the Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin as an example[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(2): 379-397. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.043
      • 页岩气是一种赋存在富有机质泥页岩层系内的新型非常规天然气,其储层具有自生自储、低孔低渗的特点,由于页岩气主要富集于页岩基质内的纳米尺度孔隙中,探究页岩储层的发育影响因素对明确优质页岩储层发育基质、页岩气赋存富集机理等具有重要意义[1-4]。页岩气属于新型清洁能源,自北美页岩气革命以来,我国页岩气在近年来得到了地质理论与勘探开发方面的快速发展,目前,已经在重庆涪陵、川南等产区实现了商业化开发,对页岩气富集与赋存机理、储层发育特征与物性等有了较为深入的认识[5-6]。而相比于对页岩储层发育特征、页岩气赋存特征等的认识,龙马溪组页岩储层层序特征及其对储层的控制仍然有待进一步深入研究[7]

        在页岩层系的层序地层研究方面,学者们已经在岩石地层、生物地层和年代地层方面对龙马溪组展开了一定程度的研究,近年来,李一凡等[8]、郑和荣等[9]分别基于剖面露头将龙马溪组页岩储层划分为两个三级层序[8-9],Chen et al.[10]、王同等[7]、郭旭升等[11]综合露头、钻井、地震、测试数据等资料将龙马溪组划分为两个三级层序[7, 10-11],但学者们在层序地层格架的划分上仍然存在一定争议,如对格架下体系域的划分存在分歧。同时,目前针对龙马溪组层序地层的相关研究中,对层序地层格架影响优质储层发育机理的认识仍然有待进一步深入。层序地层对优质储层的发育具有控制作用,是进行页岩优质储层发育预测与评价的重要依据[7],不同层序格架内沉积物的响应特征不同[12],但是对于细粒沉积,其自然属性中宏观均质性相对较好,使其层序响应研究与层序划分、对比成为难题[13],深水沉积体尤甚[14]。本文基于测井小波分析与岩芯露头研究,综合展开对龙马溪组页岩的层序研究,结合通过剖面和岩芯样品获取的页岩储层发育特征,综合分析龙马溪组页岩储层高分辨率层序地层特征及其对储层发育特征、含气性等的影响,为页岩优质储层发育机理的深化以及优质储层预测提供科学依据。

      • 四川盆地是我国重要的油气资源富集盆地,位于扬子准台地西缘,内部包含川西—川北山前坳陷区、川中平缓地块区、川西南低缓构造褶皱区、川南中缓构造褶皱区、川东高陡构造褶皱区等多个构造小区(图 1[15]。自震旦纪以来,四川盆地先后经历了加里东期构造演化(含前古特提斯洋扩张—被动大陆边缘发展阶段(Z-O1)及造山阶段(O2-S)、海西—早印支期构造演化(含洋盆拉张—地块拉开阶段(D-C)及洋盆俯冲阶段(P-T1))、晚印支期—早燕山期构造演化、燕山晚期—喜山早期构造演化以及喜山晚期构造演化等阶段,沉积了下寒武统牛蹄塘组、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组、上二叠统龙潭组等多套优质黑色非常规岩系。

        图  1  四川盆地构造区块划分及研究钻孔、剖面位置

        Figure 1.  Division of tectonic blocks and the positions of studied wells and sections

        晚奥陶世—志留纪时期,受益于滇黔桂隆起带的演化与盆地内的半闭塞滞留水体环境,四川盆地形成了分布广泛、发育稳定、厚度较大的五峰组—龙马溪组黑色页岩沉积物。华夏板块与扬子板块在奥陶世—志留纪末发生汇聚,至志留纪时期挤压作用强烈,进而在四川盆地形成了与板块俯冲有关的前陆盆地,在加里东运动的影响下,区域内古隆起扩大,在研究区发生海侵[16],形成了一套沉积环境为深水—浅水陆棚相的黑色页岩沉积,与五峰组共同构成一套富有机质黑色页岩气储层[17-18]。目前,这套页岩岩系是我国最为重要的页岩气开发目的层段之一,已经在涪陵等地区实现了龙马溪组页岩气的商业化开采[11]。在研究区范围内,本文主要选取典型钻孔、剖面等展开野外工作与室内实验研究(图 1)。

      • 本文在前人对研究区层序地层与沉积环境研究的基础上,对龙马溪组岩芯、露头展开了层序地层学研究,结合地球化学测试结果、古生物特征、岩性特征等,确定龙马溪组层序地层界面,搭建层序地层格架。取样或收集资料的目标钻孔、露头包括J-12井、L-7井、WK-1井、ZS-1井、YS-1井及綦江观音桥剖面、石柱打风坳剖面、南川三泉剖面、华蓥山剖面等,在目标龙马溪组岩芯、露头中取样300余块,并对8个观音桥剖面样品展开了地球化学测试,对J-12井、观音桥剖面等140块样品进行了有机碳含量(TOC)测试、30块样品进行了矿物组分定量测试(XRD)、40块样品进行了微观孔隙特征分析(氩离子抛光—场发射扫描电镜观测—图像量化处理),并在龙马溪组底部、下部、中上部分别选取一块样品进行了基于图像分析技术(Image Processing)的孔隙比例定量研究(表 1)。

        表 1  研究收集样品与实验测试

        Table 1.  Collected samples and experimental methods

        收集样品 主要岩性 地层 实验测试
        观音桥剖面(60余块) 黑色页岩—粉砂质泥页岩 龙马溪组底部—中部 TOC测试(20块)、地球化学测试(8块)、XRD测试(10块)、微观孔隙观测(10块)、薄片观测(20片)
        打风坳剖面(30余块) 黑色页岩 龙马溪组 TOC测试(15块)、XRD测试(5块)、微观孔隙观测(10块)、薄片观测(10片)
        三泉剖面(10块) 黑色—灰黑色泥页岩 龙马溪组下部 TOC测试(5块)、XRD测试(5块)、微观孔隙观测(5块)、薄片观测(5片)
        华蓥山剖面(10块) 灰黑色页岩 龙马溪组 TOC测试(2块)、微观孔隙观测(2块)、薄片观测(2片)
        J-12井(200块) 黑色碳质页岩—灰黑色粉砂质页岩 龙马溪组 TOC测试(104块)、XRD测试(20块)、微观孔隙观测(5块)、图像量化分析(3块)、测井小波分析、薄片观测(20片)
        WK-1井 黑色碳质—粉砂质页岩 龙马溪组 薄片观测(25片)、测井小波分析
        L-7井、ZS-1井、YS-1井 黑色碳质页岩—灰黑色粉砂质泥页岩 龙马溪组 测井小波分析

        为综合探究龙马溪组层序地层特征,对观音桥等剖面样品进行了地球化学测试,基于测试结果,选取∑REE、∑(LREE/HREE)、(La/Yb)NδEu、Cerium-anomaly(Ce-anom)值等参数反映龙马溪组沉积环境的变化,主要是指示海平面的变化情况。

        选取了J-12井、L-7井、WK-1井、ZS-1井、YS-1井等钻孔的测井数据进行分析研究,取用自然伽马数据进行小波分析处理。J-12井为涪陵页岩气产区生产钻井,以J-12井为例,对储层样品进行了TOC测试、X射线衍射、孔隙发育特征测试,并取钻孔的实测全烃特征指示页岩气储层的含气性。其中,TOC测试完成于中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心,测试前对样品烘干处理,并磨至80目待用,以CS-344分析仪完成测定;XRD测试完成于中国矿业大学分析测试中心,使用BRUKER D8 ADVANCE型号衍射测试仪,测试条件为:Cu靶、Kα辐射、管电压40 kV,管电流30 mA,测试后以物质标准粉末衍射资料进行对应分析;氩离子抛光—场发射扫描电镜测试完成于哈尔滨工业大学,使用S-4700冷场发射扫描电子显微镜进行观测,获取图像后对图像进行统一的二值化及参数量化处理;元素地球化学测试实验在中国矿业大学矿业分析测试中心完成,使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),在研磨至颗粒粒径小于100 μm后进行烘干处理并取0.5 g进行测试。

        沉积层序具有显著的周期性,其控制影响因素复杂,是构造运动、地区性地质因素与天文因素的叠加[19],不同级别的天文周期对层序影响显著,如米兰科维奇旋回中的长偏心率周期(0.405 Ma)可以对应影响四级准层序组或体系域,短偏心率周期(0.10~0.13 Ma)影响五级准层序,黄赤交角(0.029~0.045 Ma)及岁差(0.017~0.022 Ma)则影响六级韵律层[20]。本文采用小波分析和快速傅里叶变换技术手段,对测井数据所提供的复杂信号进行多尺度分解,将测井数据转化为具有一定周期性的旋回曲线,作为分析层序地层与沉积旋回的基础。小波分析处理所选用软件工具为Matlab,所选取的频谱为Morlet小波,Morlet小波被证实在沉积环境与沉积旋回研究中应用效果较好[21-22]

      • 综合露头剖面、钻井岩芯研究,结合岩性、古生物、地球化学、测井特征分析层序沉积特征,基于对观音桥剖面(图 2)、华蓥山剖面、打风坳剖面、三泉剖面等露头及J-12井、WK-1井等钻孔岩芯的系统观测研究,构建龙马溪组层序地层格架,在龙马溪组内识别出两个三级层序(SQ1~SQ2)(图 2)。其中,观音桥剖面笔石数据自朱炎铭等[23],笔石带划分方法参考樊隽轩等[24],综合柱状图修改自王玉满等[25]

        图  2  观音桥剖面沉积环境及层序划分

        Figure 2.  Sedimentary environment and sequence division of the Guanyinqiao section

        三级层序SQ1与下伏岩层的分界线为龙马溪组与上奥陶统(五峰组观音桥段)的分界面(图 3图 4a),区域上该界面属于上超面,在部分地区出现此界面上下的笔石带缺失[24],属Ⅰ型层序界面类型。研究区内龙马溪组多以底部的Glyptograptu spersculptus笔石带与下伏上奥陶统地层呈整合接触(图 4b);在测井响应上,此界面表现了“跳相”特征。因此,龙马溪组底面是一区域上超面,也是一区域海进面,区域上与奥陶纪末的云南运动密切相关,表明了层序界面的存在。

        图  3  四川盆地龙马溪组综合柱状图(据王玉满等[25])及层序界面识别

        Figure 3.  Columnar section of the Longmaxi Formation in Sichuan Basin (after Wang et al.[25]) and sequence interface identification

        图  4  龙马溪组层序界面特征及界面上下岩性、古生物特征

        Figure 4.  Sequence interface characteristics in the Longmaxi Formation and lithology and paleontology of the upper and lower interfaces

        SQ1与SQ2的分界面位于龙马溪组第4笔石小层与第5笔石小层的分界面,该分界面的确定主要依据于生物组合带变化、地球化学元素分布变化、岩性变化以及测井特征变化,具体表现为:界面之下以Glyptograptus persculptus(雕刻雕笔石)、Akidograptus acuminatus(尖笔石)、Orthograptns vesiculosus(泡沫直笔石)、Pristiograptns cyphus(曲背锯笔石)、Pristiograptns leei(李氏锯笔石)组合带为主,界面之上以Demirastrites triangulatus(三角半耙笔石)、Oktavites communis(通常奥氏笔石)、Monograptus sedgwickii(赛氏单栅笔石)组合带为主(图 4bc);界面上下岩性存在一定差异,界面以下以黑色富有机质泥页岩为主,水平层理沉积构造更为发育,界面以上颜色逐渐变浅,向上过渡为灰黑色、灰色、灰绿色泥岩页岩,水平层理发育程度降低(图 4de);此外,界面之下∑REE、∑(LREE/HREE)、(La/Yb)NδEu等降低,其中δEu降幅较大,而界面之上∑REE、∑(LREE/HREE)、(La/Yb)NδEu等升高,Ceanom值降低,沉积环境对沉积物中的REE具有显著影响,海相环境中,储层沉积经历不同的环境变化影响而具有不同的REE值,受到继承源岩特征及环境演化的双重影响,可以在一定程度上作为环境演化的“示踪剂”,龙马溪组的REE值由底部向上升高,至中部出现波动性下降,反映了龙马溪组底部具有更强的还原性,而从稳定板块内部沉积或被动大陆边缘到非稳定的活动大陆边缘及岛弧区,∑(LREE/HREE)、(La/Yb)N常有降低趋势,δEu值虽不能直接应用于层序界面判断,但δEu值偏向相对正异常时为还原环境,其值可以一定程度上反映水体氧化还原环境,间接反映水体深度的变化,故这几项地球化学指标综合反映龙马溪组沉积期海平面具有整体下降的趋势(图 2)。

        SQ2与上覆岩层的分界线为龙马溪组的顶界面,该界面是一个明显的海侵冲刷面(图 3),其上部为石牛栏组泥质生物碎屑灰岩或小河坝组砂岩(图 4h,打风坳剖面),其成因是由于海平面相对上升时,海岸带向陆方向迁移,陆棚砂坝通过海侵侵蚀使临滨后退向陆迁移,并导致在浅水陆棚泥岩中夹有废弃的海侵砂坝沉积物。在测井响应上,自然伽马曲线与深测电阻曲线组合模式在界面上下呈突变的“跳相”关系,属IIII型层序界面。

      • 研究区龙马溪组发育2个三级层序SQ1~SQ2,沉积时,龙马溪组沉积环境主要是泥质陆棚沉积环境,由底部深水陆棚过渡为中上部的泥质浅水陆棚环境,沉积基底的坡度相对较缓,仅在古陆边缘区域受到一定程度的物源影响[18],使龙马溪组层序格架横向变化的幅度相对较小;据龙马溪组页岩样品的地化及岩石矿物测试结果(表 2),龙马溪组沉积早期水体底部为强还原环境(SQ1沉积期V/(V+Ni)比值更低、V/Cr值更高,反映SQ1沉积环境更加缺氧、还原),水体相对局限(Mo/TOC比值向上降低,需注意氧化环境下此指标不适用,故龙马溪组顶部氧化环境沉积物内此指标不适用,而只适用于底部—中上部缺氧环境沉积物),有机质、黄铁矿丰富(表 2),笔石相生物分异度低(图 4bc),而随着海侵程度增加,晚期水体的循环程度、含氧程度、笔石相带分异度[18]也逐渐增加,沉积速率加快,岩层厚度加大;体系域整体表现为加积—弱进积的准层序特点。

        表 2  龙马溪组页岩物质成分与地球化学特征

        Table 2.  Material compositions and geochemical characteristics of the Longmaxi Formation shale

        样品来源 层序 脆性矿物/% 黏土矿物/% 黄铁矿/% 有机质/% V/(V+Ni) V/Cr Mo/TOC
        观音桥剖面 SQ1 36.3~43.8 36.1~61.0 2.2~4.0 2.2~6.2 0.64~0.66 0.94~1.69 0.02~3.71
        观音桥剖面 SQ2 29.2~48.0 42.2~64.2 0.6~2.4 0.8~2.4 0.57~0.62 1.47~2.85 5.74~68.86
        三泉剖面 SQ1 24.0~27.2 64.8~69.3 1.4~1.7 1.2~2.3 厌氧环境 > 0.5;贫氧环境0.45~0.6;富氧 < 0.45 厌氧环境 > 4.25;贫氧环境2~4.25;富氧环境 < 2 对于缺氧环境沉积物,比值越低,滞留程度越强
        打风坳剖面 SQ1 32.4~66.2 30.4~65.4 1.5~4.6 1.8~4.4
        打风坳剖面 SQ2 33.2~54.2 47.6~63.2 1.1~2.1 0.6~2.2
        J-12井 SQ1 67.7~92.3 4.3~30.2 1.4~2.1 2.3~6.4
        J-12井 SQ2 52.2~60.4 34.6~46.6 0.2~2.0 1.0~2.1

        两个三级层序中,SQ1与埃隆阶大体相当,以沉积体系转换面为底界,由一个TST和一个HST构成,TST沉积于泥质深水—半深水陆棚环境,岩性主要是灰黑色泥页岩(图 3),整体体现加积—进积序列特点;HST主要沉积于泥质浅水陆棚,岩性主要是粉砂质、钙质泥岩等(图 3),整体体现向上变浅的进积序列特点。SQ2层序由一个海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)构成,与鲁丹阶地层大体相当。TST整体体现加积序列特点,岩性对应富水平层理的黑色碳质页岩(图 4e),对应陆棚边缘深水盆地—泥质深水陆棚沉积环境,此阶段海平面相对升高显著,可容纳空间增大,沉积速率缓慢[26];HST整体体现加积—进积序列特点,向上粒度变粗、砂质纹层增多(图 4f),主要岩性为黑色—灰黑色泥页岩,局部见灰色粉砂质泥岩—泥质粉砂岩。

      • J-12钻孔自然伽马测井数据小波分析处理结果见图 5。由图 5可知,小波系数曲线具有周期性震荡的特征,其数值的变化反映了沉积环境的周期性变化,具有很好的时频域分析特性,使数值周期性具有地质意义,各频率区间的突变点与突变区域反映沉积环境要素的突变;小波曲线的突变点,是沉积环境变化的界面响应,也是进行层序界面识别的基本依据[27],测井信号的长周期分量(对应大变换尺度值),可以用于划分层序界面,短周期分量(对应小变换尺度值)则可以用于划分基准面旋回。在龙马溪组的小波分析多尺度频谱中,小波曲线显著存在两个周期(a=100与a=400),可以分别对应短偏心率周期(100 ka)与长偏心率周期(400 ka)(表 3)。

        图  5  J-12井自然伽马测井数据小波分析处理结果

        Figure 5.  Wavelet analysis and processing results of natural gamma ray logging data from well J-12

        表 3  层序界面划分及其天文周期驱动机制[28]

        Table 3.  Orders and driving mechanism of sequence cycles[28]

        层序级别 层序地层术语 时限范围/ka 驱动机制
        一级 巨层序 (200~400)×103 板块运动所引起的构造型海平面变化 泛大陆形成与解体引起的全球海平面变化
        二级 超层序 (10~40)×103 大洋中脊扩张体系引起的全球海平面变化
        三级 层序 (1~10)×103 洋中脊变化及大陆冰川消长引起的全球海平面变化+板块内构造沉降与抬升作用对地区性海平面变化的影响
        四级 准层序组或体系域 400 米氏天文周期所引起的冰川型海平面变化 长偏心率旋回
        五级 准层序 100 短偏心率旋回
        六级 韵律层 20~40 岁差旋回或黄赤交角旋回
        七级 交替纹层 2~5 冰川消融与大地水准面变化

        同时,结合测井小波分析建模结构,综合J-12井钻孔及其他研究钻孔、剖面的岩石学特征、测井曲线特征进行中期旋回的综合划分(图 6),如J-12钻孔中,2 568.97~2 524.45 m层段岩性对应为黑色碳质页岩,上覆于观音桥层灰黑色泥灰岩(2 569.29 ~2 568.97 m),其间存在岩性差异,该差异在手标本鉴定及测井GR曲线、DEN曲线上非常显著,在测井曲线上可以较好区分,作为中期旋回A的底界;中期旋回A与中期旋回B可以通过岩性差异、测井曲线特征差异进行区分,J-12井中期旋回A对应岩性主要是灰黑色碳质页岩,与中期旋回B的分界线附近出现粉砂质泥岩,GR测井曲线在层段内向上略微负偏,但保持相对稳定,而中期旋回B内GR曲线变化幅度较大,显示吸附放射元素的泥质含量不稳定,说明沉积环境发生一定程度的变化;中期旋回B向上至中期旋回C,岩性发生进一步变化,颜色变浅,岩性由灰黑色页岩转变为深灰色—灰黑色粉砂质泥页岩,同时,测井GR曲线、SP曲线均在中期旋回B/C分界线附近出现负偏;中期旋回C与中期旋回D具有岩性差异,由中期旋回C至D层段岩性由深灰色—灰黑色粉砂质泥页岩过渡为灰色粉砂质泥岩,颜色变浅,层理性减弱,此外,测井GR曲线、SP曲线也在分界线位置存在有一定波动。综上,通过测井小波分析,通过长偏心率旋回曲线(a=400)以及岩性、测井信息,可以在龙马溪组中识别出四个中期旋回,以图 5中曲线左拐点为旋回的分界面,并四个中期旋回命名为旋回A、B、C、D。

        图  6  J-12井岩性及测井曲线特征

        Figure 6.  Lithology and logging curve characteristics of well J-12

      • 对研究区内其他多口钻井的自然伽马测井数据进行小波分析,均清晰的划分出四个中期旋回,进而构建出研究区的高分辨率层序地层格架(图 7),说明四个中期旋回的控制影响因素在盆地内部具有普遍性,也说明利用测井数据与小波分析进行层序格架的划分来减小人为因素干扰、增加量化程度与可信度是可行的。

        图  7  研究区龙马溪组测井层序对比图(西南—东北向)

        Figure 7.  Sequence stratigraphic division and sedimentary-logging characteristics of the Longmaxi Formation in the study area

        由多个不同周期(尺度)沉积旋回叠加的测井曲线,通过小波变换,被分解为各自周期独立的沉积旋回,以不同尺度的形式展示出来。SQ1、SQ2分别包括两个中期旋回,从小波曲线上看,整体来说,SQ2相比于SQ1曲线振幅相对更小,说明SQ1沉积期泥质含量及泥质所吸附的放射性元素含量更高,进而说明沉积速率更慢、沉积时水体环境更加稳定;SQ2沉积期基本对应于埃隆阶(Aeronian Stage)沉积物,地化数据显示,此沉积期沉积物有机质含量降低,沉积物受氧化环境影响更强,表明水体变浅、受陆源物质影响程度加深(图 2表 2)。而SQ2对应于鲁丹阶(Rhuddanian Stage)沉积期,此阶段沉积速率缓慢,水体更深,也因沉积速率缓慢,使沉积物受到天时变化影响显著,形成了发育的富笔石水平层理,富笔石水平层理沉积构造在龙马溪组内部向上发育变差,其在SQ1内的发育程度也由中期旋回A向旋回B减弱。这种沉积构造内,泥质在储层内部受压实作用影响而具有较好的定向性,使储层在垂直地层方向渗透能力极差,故而使储层具有一定的自封性,有利于旋回A含气性的增强。

        结合剖面展开各旋回层段的岩性特征研究,四个中期旋回中,旋回A位于龙马溪组底部、下部,岩性主要是黑色碳质页岩(图 8a),有机质含量高,剖面水平层理极为发育,层面富含笔石化石,黄铁矿发育(图 8b),层序底面与五峰组观音桥段的假整合接触面是一个海侵上超面(图 8c);旋回B岩性主要为黑色—灰黑色富有机质泥页岩、粉砂质泥页岩及泥质粉砂岩(图 8d),并出现少量粉砂质夹层与纹层,水平层理发育程度降低,层面笔石化石丰度下降,与旋回A相比,砂质纹层增多、有机质含量减少、颜色变浅;旋回C岩性主要是粉砂质泥页岩、泥质粉砂岩及砂质纹层(图 8e),砂质纹层发育程度进一步增高,并出现岩相突变,笔石化石丰富显著降低;旋回D岩性变为灰色—灰绿色粉砂质泥岩、粉砂岩(图 8f),至其顶部可能出现灰岩透镜体,指示水深进一步变浅。

        Figure 8.  Petrology characteristics of each cycle in the Longmaxi Formation in sections

        而在SQ1内部,发育于底部的中期旋回A曲线振幅更大,但厚度相对较小;曲线震动幅度整体向上减弱,底部曲线峰值更高,说明龙马溪组页岩储层在底部沉积泥质较细、泥质富集放射性元素含量更高,也说明底部中期旋回A沉积环境与沉积条件具有特殊性。通过J-12页岩气生产井产能数据可知,旋回A基本对应龙马溪组底部—下部的主力优质产层,也是水平井施工的目标层段。

      • 为进一步探究层序地层特征对储层发育的控制,本文以J-12井等样本为例,结合储层样品的室内测试,讨论高分辨率层序地层格架内的储层发育特征。在页岩储层评价中,有机碳含量、脆性矿物、孔隙发育特征、含气性特征是优质储层评价的核心指标[7, 29],故本文选取以上参数展开讨论。

      • 井样测试数据显示,龙马溪组页岩储层有机质丰度底部最高,至中下部出现下降,上部显著降低(图 9)。储层底部有机质高丰度段TOC值介于3.0%~6.0%,与旋回A(鲁丹阶下部)的垂向范围吻合较好。旋回B与旋回C有机质丰度下降至2.0%左右,至旋回C储层TOC值出现显著降低。高有机质含量是页岩气成藏、富集的物质基础,龙马溪组高有机质层段与层序旋回具有显著的相关性(中期旋回内部一般具有向上降低的有机质含量变化特征),指示层序地层是储层有机质发育特征的控制因素。

        图  9  J-12井旋回划分及对应TOC、矿物、孔隙、全烃特征

        Figure 9.  Cycle division and corresponding total organic carbon (TOC), mineral, pore, and total hydrocarbon characteristics of well J-12

        有机质的变化特征也可以侧面反映页岩沉积时的沉积环境变化,据页岩储层有机质的变化规律,旋回A下部可以对应为静水缺氧(保持—减弱),至旋回上部变为缺氧减弱环境,旋回B整体为缺氧缓慢减弱,旋回C则变为动荡缺氧—贫氧,至旋回D基本变为贫氧环境[30]

        通过地球化学参数对各旋回内储层有机质特征影响因素进行分析,结果显示(表 2),旋回A段V/(V+Ni)比值小于0.6,旋回B~D段则均大于0.6,指示旋回A样品的水体沉积环境更加缺氧;在水体氧化还原条件上,旋回A段具有最高的V/Cr值和Ni/Co值,V/Cr值数值大于2,Ni/Co值大于5,指示其沉积水体为厌氧—贫氧环境,旋回B~D段V/Cr值则普遍小于2,Ni/Co值小于5,指示水体富氧,龙马溪组内V/Cr值、Ni/Co值整体向上降低,指示水体氧化程度增高,底部缺氧、低能程度更高;在水体滞留程度方面,Mo/TOC比值从旋回A段向上变低,说明水体条件不利于Mo的沉积,水体滞留程度变强,故旋回A段底部水体相比于旋回B~D段更为开放,而底部具有更高的有机质含量,说明水体的滞留程度对龙马溪组有机质富集的影响较小。结合对旋回A段古地理环境的认识,旋回A段属早志留世鲁丹阶前期,此时期研究区处于近赤道的温暖气候区,水体生产力强,研究区内前陆盆地进入第二次挤压沉降演化阶段,加之赫南特末期的冰川消融,使水体深度迅速增加,形成面积宽广的底部缺氧水体,形成此阶段深水陆棚相的富有机质储层层段。其后,随着挤压作用的增强,研究区水体深度下降、水域面积缩小、滞留程度增加,使龙马溪组有机质富集的关键条件水体缺氧程度变差[26],储层有机质沉积与保存变差。

      • 脆性矿物含量是储层可压裂性评价的关键参数,在水力压裂等新开采工艺广泛应用的背景下,是影响储层改造和页岩气产能的重要因素[31]。X射线衍射测试显示(图 9),龙马溪组脆性矿物主要为石英,还含有少量方解石、长石、白云石等,底部石英含量最高(旋回A下部可达85%~93%),至旋回B段降低至30%~50%,旋回C~D段进一步降低至20%~40%。龙马溪组在旋回A段内的高脆性层段被认为有两个主要成因,包括生物成因的硅质矿物以及成岩过程中的自生石英[32-33],此外也含有少量的陆源碎屑石英[34],而旋回B~D段石英矿物总量显著降低,陆源碎屑石英含量在脆性矿物中相对增加,生物成因硅质矿物及自生石英则相对降低,造成储层脆性特征变差。此外,旋回A~D储层中沉积构造发育程度不一致,富笔石水平层理的发育程度自下向上显著降低。

      • 孔隙性是页岩储层具备成藏能力的基础,通过图像数值化处理[35],对比龙马溪组页岩储层纳米尺度的孔隙发育特征,结果表明,龙马溪组底部旋回A段储层样品孔隙度略高于旋回B~D段,旋回A段下部孔隙性最好;微观观测显示,龙马溪组页岩储层纳米尺度孔隙极为发育,主要发育类型包括有机质纳米孔、脆性矿物孔隙、黏土矿物孔隙、微裂隙等,对研究样品的纳米孔定量评价显示,龙马溪组底部旋回A段储层样品有机质孔隙所占微观储集空间比例达63%,矿物孔隙达33%,还含有5%的微裂隙储集空间[36];而以同样的方法对龙马溪组旋回B段的储层样品进行定量评价,有机质孔隙比例下降至43%,矿物孔隙增加至54%,微裂隙所占微观储集空间比例仍然较低,为3%;旋回C段样品有机质孔隙比例仅22%,主要发育黏土矿物孔隙与脆性矿物周缘孔隙[37]

      • 储层含气性特征是判断页岩气开发潜力和储层优劣的直接指标,储层气测结果受控于储层孔隙发育特征、储层生烃能力等。J-12井气测全烃显示,龙马溪组旋回A与旋回B中下段全烃含量高,在旋回A、旋回B与旋回D底部有全烃峰值(图 9),故高频层序对储层的含气性的显著控制,具体来说,在龙马溪组内,每个中期旋回的底部具有旋回内显著更好的含气性表现。由此可知,旋回初期的沉积环境转变可能与高含气层段有成因联系。综合以上储层测试结果,可知旋回A下部具有最高的有机质含量、脆性矿物含量以及有机孔比例,储层既具有有利的储集空间发育程度,也具备较好的力学脆性特征,是含气性最佳、储层性质最好的层段,有利于页岩气开发;旋回B储层有机质含量、脆性矿物含量、有机孔比例相比旋回A有所下降,旋回B中下段仍然具有较高的气测全烃显示,属于较为优质的储层;旋回C与旋回D储层质量下降较大、仅在旋回D下部出现气测全烃峰值,但脆性矿物含量相对较低,水平层理发育程度降低,不利于压裂开发。特定沉积环境下高频层序对储层含气性的控制影响关系,可能为海相页岩储层含气性的预测和评价提供一个新思路。

      • 为明确层序地层格架对储层的控制影响程度,尤其是明确中期旋回对页岩气储层发育特征的控制,本文设计箱线图对比各中期旋回间及中期旋回内部上下段的TOC含量、脆性矿物含量与含气性参数变化趋势(图 10)。箱线图包含统计最大值、最小值、平均值、25%数值位置、75%数值位置等丰富信息,可以对样本的数据进行直观对比。图 10a示J-12井样品中期旋回A~D内TOC含量的变化趋势,由图可知,TOC含量向上整体具有下降趋势,同时,各中期旋回内也均具有旋回下部层段高于上部层段的趋势,高频层序显示出了对储层TOC含量的显著控制。

        图  10  基于箱线图的中期旋回与储层发育特征(TOC含量、脆性矿物含量、含气性)关系分析

        Figure 10.  The relationship between middle-term cycles and reservoir development characteristics (TOC content, brittle mineral content, and gas content) based on the box plot

        图 10b为中期旋回A~D内脆性矿物比例的变化趋势,箱线图中展示的样本主要包括J-12井样本及部分观音桥剖面样本,样本数值的分布范围等在各中期旋回间存在差异,但各中期旋回内部均具有脆性矿物平均含量及主体分布范围由底部向上降低的趋势。图 10c为J-12井中期旋回A~D内全烃的变化趋势,8个层段的平均脆性矿物含量具有向上下降的趋势,但样本数值的分布范围等在各中期旋回间存在差异,中期旋回A、B、D内部均具有全烃及样本主体分布范围由底部向上降低的趋势,旋回C下部全烃值低于上部,但下部储层全烃最大值显著高于上部。由箱线图分析结果可知,中期旋回间、中期旋回内部均显示出了对储层有机质含量、脆性矿物含量、含气性等重要储层特征的显著影响。

      • 层序地层格架内储层发育特征出现了规律性的差异与变化,依据于沉积控相、相控储层的思路,层序格架不同位置的沉积条件、沉积环境不同,进而控制、影响了沉积物的类型与沉积速率、沉积结构,并经由储层成岩作用的改造最终影响储层的物质分异与储层物性、含气性特征。选取四个中期旋回的典型样品,利用高倍显微镜进行薄片观察,结合前述地化信息,对比各旋回在沉积条件与沉积环境上的差异及其成因,并讨论其对储层发育特征的影响机理。

        薄片显微观测显示,旋回A~D虽然在宏观上差异不大,但其所处的沉积微相差异显著。四个旋回整体相比,旋回A属于典型的富含笔石水平层理、富有机质页岩,旋回A层段内笔石丰度较高、有机质含量较高,旋回A与旋回B基本由一个砂质显著增多的浊流微相为界,旋回A内部层理发育较为稳定,至旋回B沉积构造及物质分异程度增加、粉砂质含量增加,至旋回C~D,沉积构造在微观尺度已经出现了较大的变化,不再以泥质—有机质层理为主,而是以粉砂质—泥质层理为主(图 11)。

        图  11  龙马溪组不同旋回中的沉积微相薄片镜下特征

        Figure 11.  Characteristics of sedimentary microfacies in different cycles using section observations

        对旋回A的薄片观测显示(图 11a,b),旋回A内部物质成分致密,虽然具有富笔石水平层理沉积构造,但在薄片观察中不容易观察,薄片重矿物粒度细小,有机质含量较高,物质成分不具有显著的重力分异现象,说明储层沉积时受水体运动影响较小,也反映水体深度较大、受水中水体运动影响程度弱[38];但在观测中也可以看出,旋回A底部向上在沉积构造上发生了微小的变化,主要体现在有底部的泥质—有机质水平层理向上转换为泥质/有机质—粉砂质水平层理(图 11ab);而旋回B底部见粉砂—细砂质深水浊流沉积物,由底部向旋回B内的下部逐渐稳定,继续出现富笔石水平层理,但从样品层面来看,此阶段沉积物中笔石出现了定向性,而旋回A中笔石的沉积方向则较为杂乱,说明旋回A主要为悬浮沉积,而旋回B水体已经相对变浅,笔石在层面的沉积受到了水体运动的影响,但因仍具有一定水深,受陆源、水体表层运动影响程度有限,仍然富集、保存了相对较高的有机质含量,但水平层理的发育程度已经降低、陆源粉砂质含量相对增多(图 11cd)。旋回C中砂质含量已经较高,由于有机质的“染色效应”,在宏观手标本中,旋回C仍然显示为灰色—灰黑色泥页岩,但微观观察显示旋回C沉积物粉砂质含量相较于旋回A~B显著增多,说明旋回C中水体进一步变浅,陆源碎屑在沉积物中的比例进一步提高(图 11ef);旋回D中沉积构造更为复杂,但沉积构造不再以泥质—有机质水平层理为主,而是以粉砂质—泥质纹层为主,有机质含量进一步下降(图 11gh)。

        沉积环境与沉积条件的变化控制了对应的储层发育特征,总的来说,旋回A~B水体较深,沉积构造以富笔石水平层理为主,脆性矿物受到了自生石英、陆源碎屑、生物成因脆性矿物的共同影响,旋回B物性、有机质含量略低于旋回A,受到了水体变浅、水体运动的影响;旋回C~D水体显著变浅,受陆源影响程度增加,沉积构造发生变化,变为泥质—砂质纹层为主,层段有机质含量、含气性相对降低,储层物性变差。在四个中期旋回中,旋回A具有富笔石泥质—有机质水平层理发育、横向发育稳定、脆性矿物含量高、有机质含量高、孔隙发育的特点,而此层段厚度低于龙马溪组整组厚度的30%,沉积时为全球海平面上升期,在沉积时间上却超过了龙马溪组沉积时间的一半[39],缓慢的沉积速率、较深的古水体是有机质富集、保存的有利因素[40]

        故上述研究综合反映了层序格架对格架内的储层发育特征的控制及影响,龙马溪组虽然整体沉积于海相陆棚环境下,但储层沉积时发生了沉积微环境与沉积条件的规律性变化,这种变化受到天时因素、构造因素等的控制,可以由层序格架下储层物质成分、结构、物性的差异体现。储层含气性的好坏是是否具有开发价值的关键指标,储层中的高含气段是开发的主要目标层段,压裂时的力学脆性是开发效果的另一制约因素,但含气性是是否适合进行商业化开发的基础,受到有机质含量、物性、储层结构等因素的综合影响;对储层含气性的影响因素及预测评价是页岩气地质研究结合生产实践的可能方向,是页岩气地质理论研究中的难点之一,通过小波分析建立的高频层序与含气性等数据体现了很好的规律关系,在龙马溪组内,每个中期旋回的底部具有旋回内显著更好的含气性表现,良好的含气性表现是优质物性、成分、结构的叠加结果,中期旋回底部是海平面升降等因素控制下发生沉积环境与沉积条件转换的位置,这些位置的优质组分特征、物性特征与沉积时特殊的环境条件有关,如中期旋回A下部的海平面快速上升水体环境,这样的规律为基于高频旋回进行储层含气性预测与评价提供了新思路,但高频层序对含气性的控制也仍然需要对沉积微环境及对应储层特征展开进一步精细研究。

      • 研究目标龙马溪组页岩储层中,虽然各中期旋回对应的储层质量具有一定差异,但是在每段旋回对应的储层中,层序底部地层具有更高的气测全烃仍然是普遍规律。针对页岩气储层评价,除与常规储层要求相同的岩石学特征及物性评价外,还应着重考虑对压裂时力学脆性特征的评价,因为脆性优劣影响压裂效果,具有优质脆性的储层压裂时容易形成网格状裂缝,有利于页岩气的渗流释放[38]。依据于页岩储层评价思路,以有机质特征、矿物组成与力学性质、物性、含气性为评价内容[41],对四个旋回内的储层展开评价,可知旋回A层段的TOC含量、脆性矿物:1)比例均最高,孔隙发育、含气性好,储层质量显著高于旋回B~D;2)旋回A层段内部,由底部向层段上部储层有机质含量、脆性矿物比例、含气性略变差,储层质量在层段内向上变差;3)旋回B气测全烃显示较好,相比于旋回A段,有机质含量降低、脆性矿物含量降低、水平层理发育程度也显著降低,力学性质的变差可能造成其压裂开发效果受到限制,旋回B内部也仍然具有层序底部含气性最好的规律;4)旋回C与旋回D有机质含量、脆性矿物含量显著降低,脆性矿物比例已经降低至50%以下,旋回C、D内部也都遵循底部含气性更好的规律,但旋回C底部与旋回A、B、D相比更低。故综合来看,旋回A储层底部—下部最适合展开页岩气开发,B底部—下部次之,旋回C~D储层质量相对较差。

        各旋回内部及之前的对比说明,虽然相同的层序位置更有利于页岩气富集赋存,但沉积环境的差异仍然造成储层本身及含气性的差异。如旋回A与旋回C相比,旋回A沉积期内有机质来源丰富、保存条件更好[18],有利于有机质的富集保存;而自底部向上龙马溪组水体深度降低,有机质保存的关键还原条件受到破坏,使旋回C虽然具有类似的层序位置,却不具备有利的有机质保存条件和含气性。

        对页岩气储层的评价,目前的评价方法仍然主要针对层系整体展开评价,而页岩气相对特殊的开发方式,提出了对页岩层系展开更加精细的小层评价的新要求,如页岩气开发所采用的水平井开发方式,需要确定目标优质储层在层系内发育的确切位置。在层序综合分析的基础上,基于测井小波分析建立地层层序格架,研究区域范围内层序地层格架对应储层发育特征与控制影响机理,可以为小层级别的储层评价提供依据(图 12)。层序格架下各小层内的沉积作用与沉积条件具有特殊性[41-42],水体下沉积环境具有多样的沉积方式与沉积构造,引起沉积物物质成分、组构等方面的变化,故结合层序格架展开小层沉积微环境及其影响储层、含气性机理的研究,是进一步进行小层层序精细评价应用的重要研究内容。

        图  12  页岩气储层小层评价流程

        Figure 12.  Evaluation process of small-scale layers in shale gas reservoir

      • 小波分析是在傅里叶变换的基础上通过构建函数,对原始复杂信号进行多级分解,从时域和频域两个角度反映信号的多时间尺度变化特征,被誉为“数学显微镜”,并能够清晰地显示周期的强弱分布和突变点,分析出主要周期[43-45]。测井资料是对地质历史时期内各种沉积事件所形成的物质记录的综合反映,表征不同层序界面的岩性差异、沉积环境的差异,以及不同的沉积特征形成不同的沉积旋回。针对测井数据选择合适的小波基,经小波分析后,分解成不同尺度不同周期的沉积旋回,对应于不同级别的层序,进而根据测试信号的周期判断出相应的层序。此外,传统方法不能解析出测井信号的位置特征,而小波分析具有较强的空间分辨能力,能精准的确定信号的地理位置信息[40]

        在层序地层研究中,层序地层的划分显著受到人为因素影响,不同研究者对同一套地层的划分可能因为岩性特征、数据资料或划分方法与依据的差异而不同,不确定性较强,影响层序地层的互相对比与格架间的统一[20]。而随着地质学科的不断数字化、定量化、标准化,如何减小层序地层划分的不确定性,成为层序进展的突出问题。测井数据具有垂向连续性好、信息丰富的特点,是目前可获取的分辨率最高的地质数据之一,以测井数据作为层序划分的依据,可以翔实记录地层中地质条件及其影响因素的变化,大幅度减小层序地层划分与对比中的不确定性,增加划分结构的通用性和标准程度。

        五峰组—龙马溪组页岩储层成为目标产层以来,针对该套地层优质页岩发育机理与模式的研究引起越来越多的重视,学者从岩相古地理[46]、沉积水体环境与地化特征[47]、沉积环境与沉积相[39]、构造控制与改造[48]等角度展开了分析,明确了龙马溪组页岩储层有机质富集、脆性矿物富集的主控因素,为优质页岩储层发育机理的阐明提供了丰富依据,总的来说,龙马溪组底部页岩沉积期海平面快速上升及其所带来的缺氧还原底水条件、相对缓慢的沉积速率、较高的水体古生产力等因素共同影响了优质页岩的发育。古地理特征与沉积环境控制了储层原始物质成分,也控制了储层的物质分异特征,是储层原始结构与成分非均质性的主要控制因素,进行优质页岩成因研究,则需要首先展开地层的精细划分与精细对比工作[49],目前,古生物地层划分方法、放射性元素定年方法、同位素热年代学方法等都已经在页岩地层划分、对比中取得应用,但也仍然存在很多问题,如古生物地层划分方法显著受到化石资料的限制,对于化石保存差、化石资料少、或不齐全的地层难以应用,其他方法则一般经济性较差,也受到测年矿物赋存特征的影响;而量化层序地层格架的建立则具有较好的经济性,可以为分析比对页岩层系内各段储层发育特征提供框架,在此框架内,可以进一步结合古生物信息、元素/同位素年代信息、矿物岩石学信息展开页岩精细对比,具有可比较性强、综合性强等优势。

        本文研究结果显示,页岩气储层矿物特征、有机碳含量、孔隙发育特征、含气性特征都与小波分析所划分的旋回层序显著相关,说明旋回层序是页岩储层物质成分、结构与气测产能的重要影响因素。而相比与其他层序划分与对比方法,小波分析更为量化、标准化,可以为优质储层、高产层的成因与控制因素研究提供可靠依据;基于对层序旋回与高产气层的对应关系,可以为优质页岩气储层的预测与评价提供科学支撑。

      • (1)通过小波分析建立龙马溪组的层序地层格架,在龙马溪组两个三级层序的基础上,分析测井频谱曲线,认为龙马溪组小波分析多尺度频谱曲线显著存在两个周期(a=100与a=400),分别对应短偏心率周期(100 ka)与长偏心率周期(400 ka),长偏心率旋回曲线(a=400)识别出四个中期旋回。层序界面分别为龙马溪组与上奥陶统(观音桥组)的分界面、龙马溪组中部第6层与第5层分界面以及龙马溪组顶界面,并划分出二个三级层序(SQ1与SQ2),层序结构以二元体系域为主,低位体系域不发育。

        (2)高分辨率层序地层格架内的储层发育特征研究显示,旋回A储层岩石学特征与旋回B-D存在显著差异,表现为储层有机组分含量更高、水平层理更为发育、脆性矿物含量更高、微观储集空间发育程度更好,旋回底部常具有更高的气测全烃值,显示层序旋回与储层物质成分、结构、力学脆性、含气性特征具有相关关系,说明层序旋回是储层物性、含气性与开发潜力的重要控制影响因素。

        (3)在前述研究的基础上,讨论了层序地层格架下的储层发育特征,层序地层格架内沉积条件与沉积环境的差异控制了储层的物质组分与其分布,沉积构造、化石分布、矿物及有机质含量等受到了层序格架的显著控制,并进而影响了储层的物性;高频层序对储层含气性的控制可以为基于高频旋回进行储层含气性预测与评价提供新思路。

        (4)通过测井小波分析建立层序地层格架相比其他方法更为量化、标准化,可以为优质储层、产层的成因与控制因素研究提供可靠依据;基于层序旋回与高产气层的对应关系,可以为优质页岩气储层、产层的预测提供科学支撑。

    参考文献 (49)

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