上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组页岩是中国唯一实现页岩气商业开发的页岩层系, 四川盆地及周缘地区已发现涪陵、威荣、威远、长宁、昭通等页岩气田^{[1, 2, 3, 4, 5]}, 累计探明页岩气地质储量10 455× 10⁸ m³, 建成150× 10⁸ m³产能。其中, 涪陵页岩气田是中国首个实现商业开发的页岩气田, 气田具有超压特征^[6]。五峰组— 龙马溪组页岩厚度约90 m, 其中气藏优质页岩储集层段（TOC≥ 2%）厚度为30~40 m, 热演化程度高, R_o值为2.0%~3.5%, 页岩储集层孔隙度高, 为1.85%~8.32%, 平均为5.22%, 且以有机孔为主; 总含气量为3.52~8.90 m³/t, 平均达5.96 m³/t; 页岩储集层压裂改造效果好, 产量高, 313口井平均测试产量为24.2× 10⁴m³/d。前人针对四川盆地五峰组— 龙马溪组这套深水陆棚相页岩发育的沉积环境、储集层特征、富集高产主控因素等多方面的研究, 取得诸多成果^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]}, 提出了南方海相页岩气“ 二元富集” 规律等认识^[14], 对于深水陆棚相页岩生烃、储集机理的研究也取得了一定的认识, 但大多只是针对生烃机理或储集机理进行分析研究^{[6, 10, 11, 15, 16]}, 并未对这二者之间的动态演化过程和内在关系进行深入地分析探讨。本文从四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩气储集层特征分析入手, 通过实验模拟, 开展五峰组— 龙马溪组深水陆棚相页岩生（成烃）、储（成储）机理及其内在关系的研究, 探讨不同埋藏深度深水陆棚相优质页岩成烃、成储的主控因素, 以期揭示高演化深层优质页岩（埋深为4 000~5 000 m）储集层富集高产/稳产的内在机制。

四川盆地位于中国西南部, 可划分为川西低陡构造带、川北低缓构造带、川中平缓构造带、川西南低陡构造带、川东高陡构造带和川南低陡构造带6个构造带。四川盆地及周缘地区已发现涪陵、威荣、威远、长宁、昭通等页岩气田, 主要分布在川东高陡构造带、川南低陡构造带和川西南低陡构造带（见图1）。上奥陶统— 下志留统富有机质泥页岩（TOC> 0.5%）主要发育在五峰组— 龙马溪组一段, 为陆棚相沉积, 优质泥页岩（TOC> 2%）发育在五峰组— 龙马溪组一段一亚段, 为深水陆棚相沉积, 厚度一般为20~40 m, 主要发育在川西南、川南、川东地区, 以含钙硅质页岩和硅质页岩两种类型为主, 前者主要分布在川西南、川南地区威远— 长宁— 仁怀— 林滩场一带, 后者则分布在川东南焦石坝以北和川东北地区。

图1

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	图1 四川盆地及周缘构造特征及构造单元划分图

五峰组— 龙马溪组深水陆棚相页岩具有较高的有机碳含量和硅质含量, TOC值为1.04%~5.89%, 平均值为3.50%, 硅质含量为31.00%~70.60%, 平均为44.57%（见图2）, 两者存在明显的正相关关系, 总体表现出优质页岩层段高TOC值、硅质含量高的良好耦合特征（见图3）。分析其原因主要为两方面：一是优质页岩富含笔石、硅质放射虫和海绵骨针等生物化石, 具有高有机质生产力, 安静、缺氧、强还原的深水陆棚环境有利于有机质富集和保存, 对有机质富集保存具有明显的控制作用; 二是放射虫、海绵骨针大量发育, 能够形成高含量的内生硅质矿物^[1]。

图2

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	图2 涪陵页岩气田五峰组— 龙马溪组一段页岩气储集层综合柱状图

图3

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	图3 浅水陆棚（a）和深水陆棚（b）TOC值与硅质含量相关关系图

浅水陆棚相页岩陆源碎屑物质供给相对充足, 对有机质具有一定的破坏和稀释作用, 总体表现为TOC值和硅质矿物含量较低（见图2）, 且硅质以陆源碎屑石英为主, 硅质含量与TOC值相关性差（见图3）。

不同成因类型的干酪根具有不同的生烃能力和降解产物^[16]。五峰组— 龙马溪组有机质类型以Ⅰ — Ⅱ ₁型为主, 泥页岩TOC值高, 热演化程度高。不同学者及单位采用不同的测试手段实测R_o值主要为2.2%~3.4%^{[17, 18, 19]}, 按照生烃理论, 通过TOC值、优质页岩厚度、R_o值等参数模拟计算结果表明, 五峰组— 龙马溪组页岩产烃率高。以JY1井为例, 浅水陆棚相页岩厚度为51 m, 生烃强度为25× 10⁸ m³/km²; 深水陆棚相优质页岩厚度为38 m, 生烃强度为35× 10⁸ m³/km², 生烃潜力大^[14]。

涪陵页岩气田五峰组— 龙马溪组页岩干酪根和天然气δ ¹³C值与四川盆地各层系烃源岩干酪根对比表明, 天然气来源于自身层系烃源^[13]。涪陵页岩气田气体碳同位素值完全倒转, δ ¹³C₁> δ ¹³C₂> δ ¹³C₃, 同源不同期生成的天然气混合是造成这种现象的主要原因^{[20, 21, 22, 23]}。

根据JY1井五峰组— 龙马溪组早期持续深埋生烃（见图4）, 最大埋深裂解生气及晚期气藏调整、破坏的三阶段成烃演化史, 选取与涪陵地区五峰组— 龙马溪组页岩类似的海相深水陆棚烃源岩— — 云南禄劝泥盆系泥页岩, TOC值为2.64%, Ⅱ ₁型干酪根, R_o值为0.48%, 在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所油气成藏重点实验室进行实验模拟生烃过程, 实验模拟原理及仪器详见文献[24]。模拟实验结果表明：干酪根裂解生气具有阶段性, 3个R_o高峰值分别为1.0%、2.1%、3.2%, R_o值为1.0%是生油高峰期（见图5a）, 有机质热解生油的同时, 一部分活化能较低的小分子脱落生成气; R_o值为2.1%时, 由于热裂解能量较高, 生气能力最强, 之后可能由于有机质的缩聚反应生成固体沥青, 产率下降; R_o值为3.2%后由于水的作用又产生部分烃气, 但从累计生烃产率趋势来看（见图5b）, 后续生气量不大。干酪根累计生气能力为2 m³/t岩石, 滞留油对高— 过热演化阶段天然气量贡献较大, 生油高峰期排油效率68%的页岩（原始TOC值为2.64%）滞留油累计最大生气能力为6 m³/t。

图4

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	图4 JY1井五峰组— 龙马溪组一段成烃演化图

图5

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	图5 干酪根生烃产率和累计生烃产率

以实验结果为基础, 计算出生油高峰期之后不同演化阶段干酪根裂解气和滞留油裂解气的比例, 见图5b所示, 高— 过成熟阶段后, 滞留油裂解气约占70%, 干酪根裂解气约占30%。

涪陵地区五峰组— 龙马溪组页岩气层顶底板厚度大、展布稳定、岩性致密、突破压力高, 封隔性好^[21]。页岩气层顶板为龙马溪组二段灰色— 深灰色中— 厚层粉砂岩、泥质粉砂岩, 厚度约为50 m; 底板为上奥陶统临湘组深灰色含泥瘤状灰岩、灰岩等, 总厚度为30~40 m, 区域上分布稳定。涪陵焦石坝龙马溪组二段粉砂岩孔隙度平均值为2.4%, 渗透率平均值为0.001 6× 10^-3μ m²; 成都理工大学国家重点实验室特殊岩石物理实验室采用TS-100突破压力试验仪分析测试表明, 在80 ℃条件下, 地层突破压力为69.8~71.2 MPa; 下伏临湘组孔隙度平均值为1.58%, 渗透率平均值为0.001 7× 10^-3μ m², 在80 ℃条件下, 地层突破压力为64.5~70.4 MPa, 高顶底板突破压力对页岩气的聚集起到重要作用^[17]。其中, 顶底板的封存作用有利于早期生成的原油大量滞留, 也有利于后期裂解生气阶段页岩气的滞留保存。基于大量两个端元气即干酪根与原油裂解气按照不同演化阶段、不同比列混合并测定其甲烷、乙烷等烷烃气同位素值的实验研究和碳同位素组成分馏的理论计算, 建立了一种预测两种端元混合气在某一演化阶段某种比例条件下的烷烃气碳同位素值的图版^[23]; 反之, 也可以根据两种端元混合气的甲烷、乙烷实测值来预测其成熟度和混合比例范围, 判识该混合气中是否存在原油裂解气贡献。将现今焦石坝地区页岩气甲烷和乙烷同位素组成投点到干酪根和原油裂解气同位素组成的定量判别图版上发现, 原油（滞留油）裂解气含量占比为60%~80%（见图6）, 进一步验证了模拟实验结果的可信度。

图6

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	图6 焦石坝五峰组— 龙马溪组页岩气干酪根和原油裂解气同位素组成的定量判别（底图据文献[23]）

五峰组— 龙马溪组优质页岩热演化程度高、生烃强度大、物质基础好, 良好的顶底板条件使得早期原油滞留效率高, 气源主要来自原油滞留裂解气, 为高丰度优质页岩气的形成奠定了物质基础。

五峰组— 龙马溪组深水陆棚相生物成因的硅质（蛋白石A）, 在埋藏成岩早期转化成高硬度晶态石英, 伴生形成大量微米级粒间孔, 生物成因的硅质格架抗压性强, 为优质页岩储集层早期原油充注及纳米级蜂窝状有机孔的发育和保存提供了空间和保护, 是有机孔得以保存的关键因素。

五峰组— 龙马溪组深水陆棚相硅质页岩脆性好, 均质性强, 微米级硅质粒间孔与纳米级有机孔共生, 是压裂形成复杂缝网、有效沟通微米级硅质粒间孔, 实现与硅质粒间内纳米级有机孔高效连通的关键, 从而利于页岩气高产、稳产。