引用本文
施振生, 董大忠, 王红岩, 孙莎莎, 武瑾. 含气页岩不同纹层及组合储集层特征差异性及其成因——以四川盆地下志留统龙马溪组一段典型井为例[J]. 石油勘探与开发, 2020,47(4): 829-840.
SHI Zhensheng, DONG Dazhong, WANG Hongyan, SUN Shasha, WU Jin. Reservoir characteristics and genetic mechanisms of gas-bearing shales with different laminae and laminae combinations: A case study of Member 1 of the Lower Silurian Longmaxi shale in Sichuan Basin, SW China[J]. Petroleum Exploration & Development, 2020,47(4): 829-840.  
Doi: 10.11698/PED.2020.04.20
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含气页岩不同纹层及组合储集层特征差异性及其成因——以四川盆地下志留统龙马溪组一段典型井为例
施振生1,2, 董大忠1,2, 王红岩1,2, 孙莎莎1,2, 武瑾1,2
1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2.国家能源页岩气研发（实验）中心,河北廊坊 065007
联系作者简介：董大忠（1962-）,男,四川广元人,博士,中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师,主要从事油气资源与发展战略、页岩气地质理论技术及勘探生产实践等方面研究。地址：北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院非常规研究所,邮政编码：100083。E-mail: ddz@petrochina.com.cn

第一作者简介：施振生（1976-）,男,安徽枞阳人,博士,中国石油勘探开发研究院高级工程师,主要从事细粒沉积学地质理论技术研究。地址：北京市海淀区学院路20号北厂区1号楼,中国石油勘探开发研究院非常规研究所,邮政编码：100083。E-mail: shizs69@petrochina.com.cn

收稿日期: 2019-10-14
基金项目: 国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2017ZX05035-001）; 国家自然科学基金“晚三叠世四川盆地不同类型三角洲内部构型及成因模式”（41572079）
摘要

基于薄片、氩离子抛光大片成像和纳米CT扫描等实验分析资料,对四川盆地下志留统龙马溪组一段典型井含气页岩不同纹层及组合储集层特征差异性及其成因进行研究。结果表明,该套页岩发育泥纹层和粉砂纹层,二者的单层厚度、物质组成、孔隙类型及结构、面孔率和孔径分布均存在差异性。泥纹层单层厚约100 μm,有机质含量大于15%,石英含量大于70%,有机孔占比和面孔率高,顺层缝发育,有机质和有机孔均相互连通构成网状。粉砂纹层单层厚约50 μm,有机质含量为5%~15%,碳酸盐含量大于50%,无机孔占比高,顺层缝不发育,有机质和孔隙均相互不连通。泥纹层和粉砂纹层的形成可能与富硅生物的勃发有关,间歇期形成泥纹层,勃发期形成粉砂纹层。泥纹层和粉砂纹层可构成条带状粉砂、砂泥递变和砂泥薄互层3类纹层组合。条带状粉砂纹层组合的孔隙度和水平与垂直渗透率比值均最大,砂泥递变纹层组合次之,砂泥薄互层纹层组合最低,泥纹层与粉砂纹层含量比值造成水平与垂直渗透率比值差异。图13表1参36

关键词: 含气页岩; 纹层; 储集层特征; 成因机制; 下志留统; 龙马溪组; 四川盆地
中图分类号:TE122.1 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2020)04-0829-12
Reservoir characteristics and genetic mechanisms of gas-bearing shales with different laminae and laminae combinations: A case study of Member 1 of the Lower Silurian Longmaxi shale in Sichuan Basin, SW China
SHI Zhensheng1,2, DONG Dazhong1,2, WANG Hongyan1,2, SUN Shasha1,2, WU Jin1,2
1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China
2. National Energy Shale Gas R&D (Experiment) Center, Langfang 065007, China
Abstract

Based on thin-section, argon-ion polished large-area imaging and nano-CT scanning data, the reservoir characteristics and genetic mechanisms of the Lower Silurian Longmaxi shale layers with different laminae and laminae combinations in the Sichuan Basin were examined. It is found that the shale has two kinds of laminae, muddy lamina and silty lamina, which are different in single lamina thickness, composition, pore type and texture, plane porosity and pore size distribution. The muddy laminae are about 100 μm thick each, over 15% in organic matter content, over 70% in quartz content, and higher in organic pore ratio and plane porosity. They have abundant bedding fractures and organic matter and organic pores connecting with each other to form a network. In contrast, the silty laminae are about 50 μm thick each, 5% to 15% in organic matter content, over 50% in carbonate content, higher in inorganic pore ratio, undeveloped in bedding fracture, and have organic matter and organic pores disconnected from each other. The formation of mud lamina and silt lamina may be related to the flourish of silicon-rich organisms. The mud lamina is formed during the intermittent period, and silt lamina is formed during the bloom period of silicon-rich organisms. The mud laminae and silt laminae can combine into three types of assemblages: strip-shaped silt, gradating sand-mud and sand-mud thin interlayers. The strip-shaped silt assemblage has the highest porosity and horizontal/vertical permeability ratio, followed by the gradating sand-mud assemblage and sand-mud thin interlayer assemblage. The difference in the content ratio of the mud laminae to silt laminae results in the difference in the horizontal/vertical permeability ratio.

Keyword: gas-bearing shale; lamina; reservoir characteristics; genetic mechanism; Lower Silurian; Longmaxi Formation; Sichuan Basin
0 引言

含气页岩纹层及其组合控制着页岩的物质组成、孔隙特征和微裂缝展布[1], 从而控制页岩的孔隙度和渗透率。过去的几十年内, 针对页岩纹层的术语[2]、描述方法[3]、纹层类型[4]、形成环境[5, 6]、不同纹层形成水动力条件[7]及其页岩气勘探开发意义[8]等方面做了大量工作。前人研究认为, 纹层可从组成、结构和构造3个方面开展描述[3]。根据纹层组成, 黑色页岩可划分出富有机质纹层、含有机质纹层和黏土纹层[4]。根据纹层结构, 黑色页岩可划分出泥纹层和粉砂纹层[9]。纹层构造可从连续性（连续、非连续）、形态（板状、波状、弯曲状）及相互之间几何关系（平行、非平行）进一步细分为12类。

黑色页岩主要由粒径小于62.5 μ m的颗粒组成[3], 根据颗粒粒径可细分为粗粉砂（31.2~62.5 μ m）、细粉砂（3.9~31.2 μ m）和细粒泥（小于3.9 μ m）[10]。光学显微镜下可识别的矿物颗粒最小粒径为31.2 μ m, 鉴于此, 本文将粒径小于31.2 μ m的颗粒统称为泥质, 粒径为31.2~62.5 μ m的颗粒统称为粉砂质。页岩纹层按其泥质和粉砂质含量可细分为泥纹层和粉砂纹层, 泥纹层的泥质含量大于50%, 粉砂纹层的粉砂质含量大于50%。泥纹层和粉砂纹层相互叠置, 构成多种纹层组合[6]。黑色页岩泥纹层和粉砂纹层的孔隙组成、孔隙结构及微裂缝分布也存在巨大差异。泥纹层富含黏土级矿物颗粒[11], 在低— 中热成熟演化阶段粉砂纹层常具有更好的储集空间及渗透性[8]。成岩演化过程中, 由于成分差异, 泥纹层和粉砂纹层表现出不同的成岩路径及储集性能[12]。

四川盆地下志留统龙马溪组一段含气页岩纹层发育, 其因高TOC值、高含气量、高脆性矿物含量及高孔隙度而成为目前页岩气勘探开发的最佳目的层[1]。针对纹层矿物组成及分类[4]、不同纹层结构页岩的储集层整体特征[13], 前人已开展一系列研究。然而, 目前研究仍存在3个方面问题：①泥纹层和粉砂纹层的储集层和微裂缝特征是否存在差异; ②不同纹层的成因机理是什么; ③不同纹层及组合对页岩的物性存在哪些影响。本文以四川盆地龙马溪组一段含气页岩为例, 采用常规薄片观察、大薄片、氩离子抛光大片成像和纳米CT扫描相结合的研究方法, 分别探讨泥纹层和粉砂纹层的储集层特征差异性及其成因, 并探讨不同纹层组合对页岩孔隙度和渗透率的控制。

1 实验样品及方法
1.1 样品制备

四川盆地龙马溪组发育大套黑色页岩（见图1）。龙马溪组与下伏奥陶系五峰组整合接触, 与上覆石牛栏组、小河坝组或梁山组呈角度不整合接触, 由下至上分为龙一段和龙二段, 龙一段分为龙一1亚段和龙一2亚段, 龙一1亚段细分出4个小层（龙一11— 龙一14）。龙一段为黑色、灰黑色薄层状页岩或块状页岩夹薄层状粉砂岩; 龙二段为泥质粉砂岩, 有时夹粉砂岩。

图1 取样点分布（a）及研究区地层综合柱状图（b）

本文研究样品取自四川盆地威201、威202、威204H10-5、自201、足202、盐津1等井岩心及长宁双河剖面露头, 取样层位为龙马溪组一段。威201、威202、自201、足202等井制作大薄片各5块, 盐津1井制作薄片42块, 威204H10-5井和足202井CT扫描各1块。露头选取连续取样方法, 共制作大薄片203块、小薄片203块, 物性分析13块次, 氩离子抛光片1块次。大薄片尺寸为5 cm× 7 cm× 30 μ m, 物性分析样品尺寸为25 mm× 10 mm。所有分析测试在国家能源页岩气研发（实验）中心完成。

1.2 薄片成像和显微镜观察

层理描述主要借助于大薄片全尺度照相和偏光显微镜观察。选用德国Leica4500P显微高精度数字平台开展全薄片照相, 每张大薄片一共采集图像3 200张。图像采集完成后, 利用Adobe Photoshop CS5及以上版本图形处理软件在高配制工作站上对采集的3 200张图像开展无缝拼接, 从而完成全薄片照相。完成全薄片照相后, 开展层理特征描述, 并选用配备有Leica DFC450照相系统的Leica DMIP偏光显微镜开展标准薄片岩石学特征研究。

1.3 纳米孔隙分析

为了获得高精度和大视域纳米孔隙图像, 采用氩离子抛光片制作、图像采集和拼接、孔隙组成与孔径分布分析等研究步骤和方法。氩离子抛光片尺寸为10 mm× 10 mm× 5 mm, 图像采集选用携带冷排放的Hitachi场发射扫描电镜, 并配备二次电子探针和X-射线能谱仪（EDS）。扫描电镜放大倍数为30× 103倍（单张照片最大分辨率为9 nm）。为了弄清不同纹层的纳米孔隙类型及孔径分布, 图像采集区域垂直于纹层面。水平方向采集图像7张, 垂直方向采集图像80张, 单张图像尺寸为8.172 μ m× 11.829 μ m, 累计采集面积82.80 μ m× 653.76 μ m。图像采集完成后, 选用Adobe Photoshop图形处理软件拼接图像。

图像拼接完成后, 根据SEM图像颗粒组成区分泥纹层和粉砂纹层, 并测量纹层厚度。泥纹层以黏土级颗粒为主, SEM图像相对较暗; 粉砂纹层以粉砂级颗粒为主, SEM图像相对较亮。纹层识别结束后, 采用软件追踪和人工校正相结合统计各纹层的孔隙数量、孔径大小、孔径分布、孔隙面积、面孔率等。首先, 利用Adobe Photoshop图形处理软件二值化处理页岩高分辨率氩离子抛光图像, 自动识别孔隙边界, 并用人工标识孔隙类型。然后, 统计各个纹层不同类型孔隙数量、比例、面积、面孔率和面积比例等, 并统计

不同粒径范围不同孔隙类型数量、比例、面积和面积比例。最后, 利用Excel软件编制不同类型孔隙组成百分比图（数量和面积）、孔隙孔径分布图（数量和面积）、不同类型孔隙孔径分布图（数量和面积）及同一孔径不同类型孔隙组成分布图（数量和面积）等, 并完成相关图件编制。图像识别过程中, 孔隙孔径是将FE-SEM图像照片中孔隙面积等效为同等圆形的截面积计算出的孔隙直径, 也可称为等效圆孔径或等效孔径。

2 不同纹层储集层特征差异性
2.1 纹层厚度和物质组成

龙马溪组一段含气页岩发育泥纹层和粉砂纹层（见图2）。偏光显微镜与SEM图像综合分析表明, 泥纹层单层厚度为64.80~92.80 μ m（平均值76.54 μ m）, 粉砂纹层单层厚度23.20~87.30 μ m（平均值54.14 μ m）。

图2 四川盆地龙马溪组一段含气页岩不同纹层特征（白色箭头所指处为泥纹层, 红色箭头所指处为粉砂纹层）

泥纹层有机质相互连通, 粉砂纹层有机质相互不连通。泥纹层有机质多呈弥散状、条带状或团块状分布（见图3a）, 不同有机质相互连通, 在空间构成网状。粉砂纹层中粉砂质颗粒之间多呈点接触或线接触（见图3b）, 少数呈分散状, 有机质呈条带状、弥散状或团块状分散于粉砂质颗粒之间（见图3b）, 多数相互之间不连通。泥纹层与粉砂纹层接触面处, 由于矿物组分和颗粒粒度突变, 有机质颗粒的纵向延伸受到阻碍。

图3 四川盆地龙马溪组一段含气页岩泥纹层（a）和粉砂纹层（b）SEM图像（红色箭头所指处为有机质）

泥纹层石英含量大于70%, 有机质含量大于15%。粉砂纹层碳酸盐含量大于50%, 石英含量大于20%, 有机质含量为5%~15%。SEM研究表明, 泥纹层中泥质主要为石英（70%~90%）、有机质（15%~25%）和少量其他矿物（5%~15%）; 粉砂纹层中粉砂质主要为方解石（25%~35%）、白云石（25%~35%）和石英（10%~20%）, 局部黄铁矿富集, 泥质主要为石英（20%~30%）和有机质（5%~10%）。泥纹层中石英颗粒粒径为1~3 μ m, 孤立分布或组成集合体; 粉砂纹层中方解石和白云石颗粒粒径多为20~40 μ m。偏光显微镜下泥纹层颜色较暗, 常称作暗纹层（见图2）, 粉砂纹层颜色较亮, 常称作亮纹层[4]。

2.2 孔隙类型及孔隙结构

黑色页岩发育有机孔、无机孔和微裂缝。有机孔分布于有机质中, 形态有椭圆状、近球状、不规则蜂窝状、气孔状或狭缝状（见图4a、图4b）, 单个有机质中有机孔面孔率为13.6%~33.8%。无机孔分布于矿物颗粒内或颗粒之间, 形态有三角状、棱角状或长方形。无机孔可分为粒间孔（见图4c、图4d）和溶蚀孔隙（见图4e、图4f）。溶蚀孔隙主要为碳酸盐矿物和少量长石溶蚀而成。微裂缝主要分布于矿物颗粒之间或有机质内部或矿物颗粒与有机质之间（见图4a）, 呈条带状, 常能沟通各类孔隙。

图4 四川盆地龙马溪组一段含气页岩孔隙类型及孔隙特征SEM照片
（a）宁209井, 龙一11, 红色为有机孔, 粉色为微裂缝; （b）威202井, 2 573.5 m, 有机孔和溶蚀孔隙; （c）威204井, 3 529.9 m, 粒间孔; （d）盐津1井, 1 534.6 m, 粒间孔和微裂缝; （e）长宁双河剖面, 龙一11, 溶蚀孔隙; （f）长宁双河剖面, 龙一11, 溶蚀孔隙; （g）长宁双河剖面, 龙一11, 泥纹层中有机孔发育, 红色代表有机孔; （h）长宁双河剖面, 龙一11, 粉砂纹层中无机孔发育, 绿色代表溶蚀孔隙, 浅黄色代表粒间孔

泥纹层有机孔占比高, 粉砂纹层无机孔占比高。以SEM图像中单行长度82.800 μ m、宽度8.172 μ m的区域分别统计泥纹层和粉砂纹层不同类型孔隙的占比（见图5）。5个泥纹层有机孔数量分别是3 799, 14 775, 9 737, 4 540, 6 679个, 平均7 906个; 粒间孔数量分别为0, 0, 0, 1, 0个; 溶蚀孔隙数量分别为7, 25, 5, 1, 18个, 平均11.2个; 微裂缝数量分别是0, 0, 1, 5, 2个, 平均1.6个。5个粉砂纹层中, 有机孔数量分别是2 644, 4 915, 3 031, 2 642, 1 227个, 平均值2 891.8个; 粒间孔数量分别为0, 4, 3, 0, 0个; 溶蚀孔隙数量分别是36, 21, 24, 26, 17个, 平均24.8个; 微裂缝数量分别是1, 0, 0, 5, 1个, 平均1.4个。泥纹层有机孔占比是粉砂纹层的2.73倍, 粉砂纹层的溶蚀孔隙占比是泥纹层的2.2倍。

图5 四川盆地龙马溪组一段含气页岩泥纹层和粉砂纹层不同类型孔隙数量对比

泥纹层有机孔相互连通, 构成网状; 粉砂纹层有机孔和无机孔均为分散状, 相互不连通。泥纹层有机孔沿着有机质广泛分布, 有机质中有机孔相互连通, 能在三维空间构成相互连通的网络。粉砂纹层中, 无机孔多呈分散状（见图4h）, 有机孔也呈不连续状分布, 从而造成粉砂纹层中各类孔隙相互之间不连通。泥纹层与粉砂纹层之间, 由于矿物组成及有机质分布的不连续, 不同纹层之间孔隙连通性差。

泥纹层无机孔孔径小, 粉砂纹层无机孔孔径大。泥纹层中, 无机孔多数为微小颗粒溶蚀而形成的溶蚀孔隙; 粉砂纹层中, 无机孔多为较大颗粒溶蚀形成粒间溶孔或粒内溶孔, 有些方解石甚至溶蚀形成网状溶蚀孔隙（见图4e、图4f、图4h）。

2.3 面孔率

纹层面孔率的大小可反映其孔隙度大小。研究表明, 泥纹层面孔率与粉砂纹层基本一致。以SEM图像中单行长度82.800 μ m、宽度8.172 μ m的区域分别统计泥纹层和粉砂纹层面孔率（见图6）。5个泥纹层面孔率分别为0.81%, 2.80%, 2.26%, 1.08%, 1.73%, 平均值为2.09%（见图6a）。5个粉砂纹层面孔率分别为3.02%, 4.35%, 2.20%, 1.80%, 1.73%, 平均值为2.62%, 粉砂纹层面孔率平均值高出泥纹层0.5%。前人研究认为, 龙马溪组一段含气页岩中微孔占比约占总有机孔的25%~35%[14]。鉴于SEM图像只能识别孔径大于10 nm的介孔和宏孔, 通过折算可得泥纹层总面孔率应为2.65%, 粉砂纹层总面孔率应为2.93%, 故泥纹层和粉砂纹层面孔率差别不大。

图6 四川盆地龙马溪组一段含气页岩泥纹层和粉砂纹层面孔率及孔隙组成统计

泥纹层有机孔面孔率高, 粉砂纹层无机孔面孔率高（见图6b）。5个泥纹层有机孔面孔率占比分别为52.9%, 58.7%, 60.6%, 53.4%, 26.6%, 平均值为50.4%, 有机孔面孔率均高于无机孔; 5个粉砂纹层无机孔面孔率占比分别为73.2%, 78.3%, 81.7%, 83.5%, 87.9%, 平均值80.9%, 无机孔面孔率远高于有机孔。

2.4 孔径分布

龙马溪组一段含气页岩以纳米孔隙为主（见图7）, 孔径为0~1 000 nm（见图8a）, 以0~100 nm区间孔隙分布频率最大。

图7 自201井3 670.5 m（a）与威202井2 573.5 m（b）含气页岩孔隙组成（红色代表有机孔, 黄色代表粒间溶孔, 绿色代表粒内溶孔）

图8 四川盆地龙马溪组一段含气页岩粉砂纹层和泥纹层不同孔隙孔径分布特征

泥纹层分布于10~40 nm孔径区间的孔隙分布频率最大, 粉砂纹层于100~1 000 nm孔径区间的孔隙分布频率最大。有机孔孔径集中分布于0~100 nm, 其中10~40 nm区间孔隙分布频率最大（见图8b）。无机孔中, 粒间孔孔径分布于200~1 000 nm, 其中500~1 000 nm区间的孔隙分布频率最大（见图8c）; 溶蚀孔隙孔径分布于40~1 000 nm, 100~1 000 nm区间的孔隙分布频率最大（见图8d）。微裂缝长度分布于10~200 nm, 其中40~200 nm区间的微裂缝分布频率较大（见图8e）。

泥纹层不同孔径区间有机孔含量均高于粉砂纹层（见图8b）, 粉砂纹层不同孔径区间的无机孔含量高于泥纹层（见图8c、图8d）。以SEM图像中单行长度82.800 μ m、宽度8.172 μ m的区域分别统计粉砂纹层和泥纹层不同孔径区间的孔隙含量（见图8）。0~100 nm孔径区间泥纹层有机孔含量是粉砂纹层的2~3倍。200~1 000 nm孔径区间粉砂纹层粒间孔含量是泥纹层的2~3倍。100~1 000 nm孔径区间粉砂纹层溶蚀孔隙分布频率是泥纹层的1~2倍。

泥纹层有机孔孔径较小, 粉砂纹层有机孔孔径较大。统计结果显示, 泥纹层中孔径小于100 nm的有机孔面孔率占比高于粉砂纹层, 而粉砂纹层孔径大于100 nm的有机孔面孔率占比高于泥纹层（见图9）。其中, 20~40 nm区间泥纹层有机孔面孔率平均值为25.9%, 粉砂纹层为20.3%; 40~100 nm区间泥纹层有机孔面孔率平均值为31.8%, 粉砂纹层为24.1%; 100~200 nm区间泥纹层有机孔面孔率平均值为18.1%, 粉砂纹层为18.9%; 200~500 nm区间泥纹层有机孔面孔率平均值17.9%, 粉砂纹层为23.6%; 500~1 000 nm区间泥纹层有机孔面孔率平均值为6.3%, 粉砂纹层为13.1%。

图9 四川盆地龙马溪组一段含气页岩粉砂纹层和泥纹层有机孔面孔率分布

2.5 微裂缝类型及密度

龙马溪组一段含气页岩发育大量微裂缝, 按其与纹层面的关系可分为顺层缝和非顺层缝[11]。偏光显微镜下, 顺层缝平行于纹层面或与纹层面微角度倾斜（见图10a）, 非顺层缝斜交和垂直纹层界面（见图10b）。顺层缝和非顺层缝常相互交切, 构成网状（见图10c）。龙马溪组一段含气顺层缝和非顺层缝多数被方解石（见图10c、图10d）、有机质（见图10e）或硅质充填（见图10f）, 少数被泥质、黄铁矿等充填物半充填或完全充填[15]。

图10 四川盆地龙马溪组一段含气页岩微裂缝类型及其充填物特征SEM照片
（a）长宁双河露头, 龙一11小层, 顺层缝; （b）长宁双河露头, 龙一11小层, 非顺层缝; （c）泸205, 龙一11小层, 顺层缝与非顺层缝相互交切, 充填方解石; （d）泸205, 龙一14小层, 微裂缝被方解石充填; （e）威201, 1 542.5 m, 非顺层缝被有机质充填; （f）威202, 2 573.5 m, 微裂缝被硅质充填

泥纹层顺层缝发育, 粉砂纹层顺层缝不发育。龙马溪组一段含气页岩顺层缝密度是非顺层缝的3倍, 单缝长度是非顺层缝的5~6倍。顺层缝长度受泥纹层连续性和厚度控制, 纹层越连续, 长度越大, 单层厚度越大, 顺层缝越发育。顺层缝主要分布于泥纹层中, 沿着泥纹层中部或泥纹层与粉砂纹层接触面分布（见图10a）, 粉砂纹层顺层缝不发育。SEM图像下, 顺层缝和非顺层缝起点位于有机质内部或有机质与碎屑颗粒接触面[16], 其长度和密度受顺层展布的有机质丰度控制。

3 纹层组合及其对物性的控制
3.1 纹层组合及其特征

根据泥纹层与粉砂纹层的形态、接触关系及厚度分布, 可划分为条带状粉砂纹层、砂泥递变纹层、砂泥薄互层纹层这3类组合。四川盆地龙马溪组一段中, 条带状粉砂组合主要分布于龙一11小层, 砂泥递变组合主要分布于龙一12小层, 砂泥薄互层组合主要分布于龙一13— 龙一14小层。

条带状粉砂组合以泥纹层为主, 泥纹层与粉砂纹层厚度比值一般大于10, 粉砂纹层多呈透镜状（见图11a）、弥散状或条带状（见图11b）。泥纹层与粉砂纹层顶底界面多为突变接触, 界面多为断续、板状、平行（见图11a）, 偶见连续、板状、平行（见图11b）。

图11 四川盆地龙马溪组一段含气页岩纹层组合类型及特征SEM照片
（a）长宁双河剖面, 龙一11小层, 条带状粉砂组合, 粉砂纹层呈透镜状, 界面断续、板状、平行, 顶底突变接触; （b）长宁双河剖面, 龙一11小层, 条带状粉砂组合, 粉砂纹层呈条带状, 界面连续、板状、平行, 顶底为突变接触; （c）足201井, 4 365.8 m, 砂泥递变组合, 粉砂纹层顶界面为突变接触, 底界面为渐变接触, 构成反粒序, 界面多为断续、板状、平行; （d）自201井, 3 670.5 m, 砂泥递变组合, 粉砂纹层与泥纹层构成正粒序或反粒序, 界面多为连续、板状、平行; （e）盐津1井, 1 534.6 m, 砂泥薄互层组合, 泥纹层与粉砂纹层顶底界均为突变接触, 下部纹层界面连续、板状、平行, 上部纹层界面为连续、板状、非平行; （f）威204井, 3 529.9 m, 砂泥薄互层组合, 泥纹层与粉砂纹层顶底界均为突变接触, 纹层界面断续、板状、平行

砂泥递变组合由泥纹层和粉砂纹层互层组成, 其中泥纹层与粉砂纹层厚度比值一般为2~3。粉砂纹层的底界面或顶界面常为递变接触, 从而构成反粒序（见图11c）或正粒序（见图11d）。纹层界面多为连续、板状、平行或断续、板状、平行。

3.2 纹层组合对储集层物性的控制

条带状粉砂组合孔隙度最大, 砂泥递变纹层组合次之, 砂泥薄互层纹层组合最低（见表1）。长宁双河露头3块条带状粉砂纹层组合样品孔隙度分别为9.04%, 4.13%, 6.31%, 平均值为6.49%; 5块砂泥递变纹层组合样品孔隙度分别为5.76%, 6.17%, 5.98%, 2.17%, 4.17%, 平均值为6.49%; 5块砂泥薄互层纹层组合样品孔隙度分别为2.63%, 2.73%, 2.29%, 2.48%, 1.83%, 平均值为2.39%。

表1 四川盆地长宁双河剖面龙马溪组一段含气页岩不同纹层组合孔隙度和渗透率统计表

条带状粉砂组合水平与垂直渗透率比值最大, 砂泥递变纹层组合次之, 砂泥薄互层纹层组合最低。长宁双河露头条带状粉砂纹层组合3块样品比值分别为8.62, 6.53, 7.64; 砂泥递变组合5块样品比值分别为3.72, 4.56, 4.69, 3.15, 3.47; 砂泥薄互层组合5块样品比值分别为2.13, 1.47, 2.66, 1.98, 2.54。

砂泥薄互层组合由泥纹层和粉砂纹层互层组成, 其中泥纹层与粉砂纹层厚度比一般为1~20。粉砂纹层多呈长条带状, 纹层顶界面和底界面均呈突变接触, 多为连续、板状、平行（见图11e）或断续、板状、平行（见图11f）, 少数为连续、板状、非平行（见图11e）。

4 讨论
4.1 不同纹层的成因机制

黑色页岩纹层形成机制常见有脉冲流[17]、多个不同水体能量的沉积事件堆积[18]、藻类生物勃发[19]、沉积分异[20]或水流搬运分异[9]等。

富硅生物的勃发可能是四川盆地龙马溪组一段含气页岩的纹层形成机制, 主要证据有以下3点。

①泥纹层和粉砂纹层中的泥质均为生物成因硅, 表明沉积时期硅质生物大量繁盛。泥纹层和粉砂纹层发育大量放射虫、硅质海绵骨针等生物骨骼（见图12）, 生物骨骼多被硅质和有机质充填, 少数被黄铁矿充填。同时, 泥纹层和粉砂纹层中泥质多为隐晶、微晶或石英集合体, 阴极发光照射下发光微弱— 不发光, 表明其为自生成因或生物成因。而且, 前人通过石英赋存状态、微量元素统计及过量硅含量的研究也认为这些硅质成分主要为生物成因[21, 22, 23]。综合分析认为, 泥纹层中生物成因硅含量大于70%, 粉砂纹层中生物成因硅质含量大于20%。

图12 四川盆地龙马溪组一段含气页岩主要生物骨骼及特征
（a）自201, 龙一11小层, 大量放射虫骨骼顺层分布, 单偏光; （b）威202, 龙一11小层, 放射虫骨骼被硅质充填, 单偏光; （c）威204, 龙一11小层, 放射虫骨骼被有机质充填, 少数被黄铁矿充填, 单偏光; （d）足201, 龙一11小层, 放射虫骨骼被硅质充填, 单偏光; （e）长宁双河露头, 龙一11小层, 硅质海绵骨针, 呈纺锤状断续分布, 硅质充填, 单偏光; （f）长宁双河露头, 龙一11小层, 硅质海绵骨针, 硅质充填, 单偏光

②董大忠等[11]通过长宁双河露头103块含气页岩样品的主微量元素分析, 发现龙马溪组Zr含量与SiO2含量呈负相关关系, 从而推测该时期硅质矿物多为生物成因。

③粉砂纹层与泥纹层界面多为板状平行结构, 未见任何交错层理和侵蚀现象（见图13）。Schieber等[24]研究表明, 水流成因纹层多发育交错层理或侵蚀现象, 而生物勃发成因纹层多发育板状平行结构。

图13 四川盆地龙马溪组一段含气页岩纹层界面特征大薄片照片
（a）长宁双河露头, 龙一11小层, 泥纹层与粉砂纹层交互, 泥纹层与粉砂纹层界面连续、板状、平行; （b）长宁双河露头, 龙一11小层, 泥纹层与粉砂纹层交互, 泥纹层与粉砂纹层界面连续、板状、平行; （c）足201, 4 365.8 m, 泥纹层与粉砂纹层交互, 泥纹层与粉砂纹层界面连续、板状、平行; （d）自201, 3 670.5 m, 泥纹层与粉砂纹层交互, 泥纹层与粉砂纹层界面连续、板状、平行; （e）盐津1, 1 534.6 m, 泥纹层与粉砂纹层交互, 泥纹层与粉砂纹层界面连续、板状、平行; （f）威204, 3 529.9 m, 泥纹层与粉砂纹层交互, 泥纹层与粉砂纹层界面连续、板状、平行

生物勃发可能与古气候的季节变化有关, 气候相对温暖潮湿的季节, 陆源淡水带来大量营养成分, 导致硅质生物的勃发性生长。泥纹层可能形成于生物勃发期, 粉砂纹层可能形成于间歇期。富硅生物勃发期, 由于硅质生物大量生长, 故形成大量生物成因硅和有机质。同时, 生物勃发造成水体中二氧化碳消耗严重, 故碳酸钙大量沉淀[19, 25], 形成大量方解石、白云石和生物骨骼。方解石、白云石和生物骨骼由于颗粒直径和密度较大, 故其沉降速率较大, 故在生物勃发期形成粉砂纹层。硅质生物和有机质由于密度和粒径小, 故其缓慢沉降, 形成富有机质的泥纹层。

4.2 不同纹层储集层特征差异性成因

硅质生物断续勃发及页岩不同纹层成岩演化分异造成泥纹层和粉砂纹层的纹层厚度、物质组成、孔隙结构和面孔率等差异。泥纹层形成于勃发的间隔期, 硅质生物残骸大量缓慢堆积, 因此硅质生物残骸构成的泥纹层厚度大、有机质含量高。粉砂纹层形成于勃发期, 由于其形成时间短, 故其厚度较小、有机质含量较低。同沉积时期, 泥纹层和粉砂纹层均以无机孔为主, 有机孔不发育或欠发育[26]。沉积成岩期, 随着有机质热演化程度的增大, 无机孔减少, 有机孔逐渐形成并增加[27, 28, 29]。泥纹层由于有机质含量高、故其有机孔发育; 粉砂纹层由于有机质含量低, 故其无机孔发育。且泥纹层由于脆性矿物含量低, 故压实程度高, 孔径小于100 nm的有机孔面孔率占比高; 粉砂纹层由于脆性矿物含量高, 压实程度低, 故孔径大于100 nm的有机孔面孔率占比高[30, 31, 32]。

物质组成差异造成泥纹层和粉砂纹层微裂缝差异。泥纹层有由于机质和硅质含量高, 故更易于形成微裂缝[33], 且高有机质含量在生烃过程中更易形成生烃增压缝[7, 16, 31, 34]。粉砂纹层中有机质和硅质含量相对较低, 故在相同的应力作用下形成微裂缝的可能性较小。同时, 成岩早期粉砂纹层由于无机孔发育, 故其渗透性较好, 不易形成生烃增压缝。另外, 泥纹层与粉砂纹层接触面也多属于岩石力学强度薄弱面, 微裂缝常易沿着接触面形成[35]。

有机孔占比和微裂缝造成泥纹层水平/垂直渗透率比值大。泥纹层有机孔占比高, 空间上相互连通, 从而具有较强的渗透能力; 粉砂纹层无机孔占比虽高, 但多呈孤立状, 很难构成有效的连通网络, 从而渗透能力较差。平行纹层面方向, 泥纹层中顺层缝相互连通, 故水平渗透能力较强[8]。垂直纹层面方向, 泥纹层和粉砂纹层非顺层缝密度均较低, 且多数终止于纹层界面, 故垂直渗透能力较差。汪虎等[36]研究表明, 微裂缝可大大提高页岩样品渗透率, 有微裂缝样品渗透率均值是无微裂缝页岩样品渗透率均值的62.9倍。

4.3 不同纹层组合物性差异成因

测量方法造成不同纹层组合孔隙度差异。本文孔隙度值均采用氦气法测得, 为有效孔隙度。黑色页岩中, 有机孔多构成有效孔隙度, 而无机孔多构成无效孔隙度。泥纹层有机孔占比高, 故有效孔隙度高; 粉砂纹层无机孔占比高, 故无效孔隙度高。条带状粉砂纹层组合泥纹层占比最高, 故其有效孔隙度最大, 砂泥薄互层纹层泥纹层占比最低, 故其有效孔隙度最低。

泥纹层与粉砂纹层含量比值差异造成不同纹层组合水平与垂直渗透率比值差异。条带状粉砂纹层组合泥纹层与粉砂纹层比值最高, 故有机孔占比最高、顺层缝密度最大, 水平与垂直渗透率比值最大。砂泥递变纹层组合泥纹层与粉砂纹层比值相对较小, 故有机孔占比和顺层缝密度相对较低, 水平与垂直渗透率比值偏低。砂泥薄互层纹层组合泥纹层与粉砂纹层比值最低, 故有机孔占比和顺层缝密度进一步降低, 水平与垂直渗透率比值最小。

5 结论

四川盆地龙马溪组一段含气页岩发育泥纹层和粉砂纹层, 二者的单层厚度、物质组成、孔隙类型及结构、面孔率和孔径分布差异。

泥纹层单层厚约100 μ m, 有机质含量大于15%, 石英含量大于70%, 有机孔占比和面孔率高, 顺层缝发育。有机质和有机孔均各自相互连通, 构成网状。粉砂纹层单层厚约50 μ m, 有机质含量5%~15%, 碳酸盐含量大于50%, 无机孔占比高, 顺层缝不发育。

粉砂纹层中, 有机质相对分散, 有机孔和无机孔均相互不连通。泥纹层和粉砂纹层的形成可能与富硅生物的勃发有关, 间歇期形成泥纹层, 勃发期形成粉砂纹层, 纹层不同成因和后期成岩作用造成泥纹层和粉砂纹层储集层特征差异。

泥纹层和粉砂纹层可构成条带状粉砂、砂泥递变和砂泥薄互层3类纹层组合。条带状粉砂纹层组合孔隙度和水平与垂直渗透率比值均最大, 砂泥递变纹层组合次之, 砂泥薄互层纹层组合最低, 测量方法造成不同纹层组合的孔隙度差异, 泥纹层与粉砂纹层含量比值造成水平与垂直渗透率比值差异。

（编辑 王晖）

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