沉积环境对页岩气储层的控制作用———以中下扬子区下寒武统筇竹寺组为例

　　摘要:以“沉积控相,相控储层”为研究思路,基于野外露头实测、室内试验测试以及结合前人研究成果,探讨中下扬子区下寒武统筇竹寺组沉积环境对页岩气储层的控制作用。研究表明:中下扬子区下寒武统筇竹寺组富有机质泥页岩主要发育于陆棚相和深海—次深海滞留盆地相中,沉积中心页岩厚度可达100~180m,有机碳含量(TOC)最高可达18．7%,平均达到5．07%;静水缺氧还原沉积环境岩石类型主要以富含有机质的炭质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩以及钙质页岩为主,页岩矿物成分以石英(平均达64．97%)和黏土矿物(平均达23．66%)为主;缺氧还原环境下沉积的大量黄铁矿形成的黄铁矿晶间孔、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物层间微孔隙以及脆性矿物控制的微裂缝为页岩气提供了良好的储集空间。沉积环境控制下储层发育特征的研究可为页岩展布、有机质丰度、储集空间以及后期有利区评价等研究提供基础。

　　关键词:沉积环境;页岩气;储层特征;中下扬子区;筇竹寺组

　　国内外页岩气地质研究表明,页岩气是一种自生自储的连续型气藏,储层研究是页岩气基础地质研究的重要组成部分。页岩储层研究的重点包括矿物类型与含量、孔隙度和渗透率、储集空间特征和储层含气性等方面。其中,沉积环境不仅控制了泥页岩的厚度、分布面积、有机碳含量等特征,沉积相还严重影响沉积岩石类型以及岩石的矿物组成,而岩石类型以及矿物组成差异又决定着储层物性发育的特点,进而影响页岩气的成藏。目前,对就此问题尚未开展充足的研究。因此,研究沉积环境对储层发育的控制作用对于分析页岩气成藏机理以及资源评价等具有重要的理论指导意义。笔者选取中下扬子地区下寒武统筇竹寺组黑色页岩为研究对象,研究沉积环境对页岩气储层的控制作用。

　　1、地质概况与沉积背景

　　中下扬子区北临秦岭构造带,南依江南构造带,西联四川盆地,东望太平洋板块,是指勉阳—略阳断裂带、郯庐断裂带和五莲—荣城断裂带以南,江山—绍兴断裂带以北,齐岳山断裂带以东的陆上部分,面积约40×104km2。

　　中下扬子地区的寒武纪不是一个独立的构造演化单元,而是同整个南方寒武纪有着紧密的联系,南方寒武纪基底为晚元古代前的陆壳,进入寒武纪,扬子沉积区以台地沉积为主体,北部为南秦岭海槽深水区,南部边缘有一斜坡过渡带与华南海深水盆地过渡。东、西发育有两大陆地,即东南部的华夏古陆和西部的康滇古陆,此外还发育有规模较小陆地。因此南方寒武纪沉积时的古地理格局表现为北高南低,扬子区总体以台地为背景,西部及东南部受康滇古陆和华夏古陆的制约,南部由东南斜坡与华南海相连,纵向上表现为一个进积序列。

　　早寒武世筇竹寺期沉积时,海水由西南入侵,在中下扬子地区沉积了浅海—深海相的沉积环境。研究区江苏范围内主要以扬子海沉积环境为主,在宁镇和盱眙洪泽一带发育黑色炭质页岩、砂质页岩夹石煤层,含磷结核、黄铁矿炭质、硅质较高;往东南方向,海水逐渐加深,海侵自南西向北东逐渐扩大,海水浸没到江山—绍兴和杭州—嘉兴一带,形成静水滞流海盆和平缓斜坡环境。在浙江江山—临安一带沉积了黑色炭质页岩、炭质硅质页岩、石煤及薄层灰岩,水平层理发育,反映了滞流盆地相沉积。安徽扬子海沉积范围内的东至歙县、滁州、宿松一带为硅泥质型深水盆地相沉积,岩石呈深灰色,代表强还原环境。在湖南凤凰—吉首—常德一线西北及整个湖北省地区,筇竹寺组下部岩性以炭质页岩为主夹灰岩或白云质灰岩,上部发育灰绿色页岩夹钙质页岩及泥灰岩,指示为次深海—宽阔的浅海陆架环境沉积,在强还原、滞流及海盆缓慢沉降条件下,生活了大量藻类。

　　研究表明,中下扬子早寒武世筇竹寺期主要发育缓坡、陆棚、深海—次深海盆地和陆坡等4种沉积相,进而分为泻湖、平缓斜坡、浅水陆棚、深水陆棚和深水滞留盆地等5种沉积亚相。其中筇竹寺组富有机质泥页岩主要发育于陆棚相和深海—次深海滞留盆地相中。

　　2、沉积环境控制下的储层发育特征

　　2．1页岩厚度与总有机碳含量发育特征

　　不同的富有机质泥页岩类型形成于不同的沉积环境,古水深、沉积类型、古气候等直接影响其发育特征,而沉积环境是影响研究区富有机质泥页岩发育的主控因素。富有机质泥页岩在横、纵向上明显受沉积相带变迁的控制,即在不同的沉积相带中富有机质泥页岩的发育不同。

　　通过野外调研、室内分析测试以及结合前人研究成果可知,中下扬子富有机质泥页岩主要存在3个沉积中心,分别为湖南桑植—永顺地区、江苏扬州—盐城地区以及安徽黟县—黄山地区,基本上呈北东向展布,沉积中心富有机质泥页岩厚度一般可达100~180m。全区有机碳含量(TOC)最高可达18．7%,平均达到5．07%。其中,中扬子宜昌、张家界等地区页岩样品有机碳含量介于0．3%~18．2%,平均为5．3%;下扬子区页岩介于0．2%~18．8%,平均可达5．25%。在平面上,厚度、TOC含量等值线展布与沉积相带的分布密切相关,均呈北东向,而且随着海水由北西向南东的加深,页岩有效厚度由北西向南东呈递增的趋势,有机质在水深较大的地区更容易富集和保存,TOC高值区与厚度高值区重叠。纵向上,下寒武统筇竹寺组黑色页岩的下段沉积于生物生产率较高的缺氧环境,但往上随着缺氧环境逐渐变差,底部黑色页岩中的TOC含量较高,往上逐渐减小。

　　由上述分析可知,浅海陆棚相以及深海—次深海滞留盆地相沉积环境对有机质的富集和保存有利。此外,沉积环境控制的黑色泥页岩厚度是页岩气生成和赋存的基础,故形成于浅海陆棚和深海—次深海滞留盆地环境下的厚度大于30m的富有机质页岩具有较大的生烃潜力,加之页岩气具有短距离运移的特性,在较厚的页岩层中易于富集成藏。

　　2．2源岩发育特征

　　沉积岩的岩性特征包括颜色、碎屑成分和岩石类型、结构及构造等方面。其中颜色是沉积岩最直观和醒目的标志,主要反映沉积环境的古气候和氧化还原环境。

　　2．2．1黑色页岩岩性特征

　　通过野外露头、岩芯观察、室内测试分析表明,研究区筇竹寺组黑色页岩并非单纯页岩,通常为泥页岩与砂岩互层,不同地区层段岩性组合差异较大,岩性岩相分异现象明显,根据泥页岩的成分差异,将筇竹寺组页岩划分出4种主要岩相,即炭质页岩、粉砂质页岩、硅质页岩和钙质页岩。

　　(1)黑色炭质页岩相:主要发育半深海环境,富含有机质,有机碳含量为3%~15%。泥质一般被炭质侵染,易染手,肉眼难以区分其他矿物成分,细粒石英颗粒呈斑点状分布。

　　(2)纹层状黑色粉砂质页岩相:主要发育于陆棚环境,钙质胶结,炭质含量相对较少,钙质页岩与粉砂质页岩呈薄互层状。

　　(3)深灰色钙质页岩相:主要发育于浅海及海陆过渡环境,碳酸钙含量达30%~50%,手标本中可见灰质断口。发育有纹层状和块状钙质页岩。

　　(4)灰黑色硅质页岩相:主要发育在半深海—深海环境。露头样品呈灰黑色,富含隐晶硅质,晶粒极细小,硬度大。

　　2．2．2源岩矿物成分定量分析