世界能源发展已经进入从传统化石能源向新能源转换的关键期，天然气作为最清洁的化石能源，是化石能源向新能源转换的“桥梁”或最佳“伙伴”，其中页岩气作为一种重要的天然气资源逐渐登上了油气勘探开发的舞台^[1⁃3]。

沉积环境本质上控制着富有机质页岩的结构、孔隙度、矿物学成分和有机质丰度等特征，对页岩储层质量和页岩气产量具有显著控制作用^[4⁃6]。然而，目前关于有机质页岩储层沉积机制的研究大多集中在层序地层学、地球化学、岩石学或定性地震解释上^[7⁃12]，对于沉积环境对页岩储层弹性特征的影响研究相对较少。部分学者根据实验数据系统地分析了有机质含量、孔隙度和矿物含量对有机质页岩弹性响应的影响^[13⁃15]，如Zargari et al.^[13]通过颗粒尺度模量测量结合场发射扫描电子显微镜分析了页岩中矿物与干酪根对杨氏模量的控制；Allan et al.^[14]结合多种实验方法分析了矿物基质与各向异性之间的关系；Zhao et al.^[15]基于全球岩心测量实验室数据库分析有机质体积分数和孔隙度之和与弹性参数之间的关系。另外，还有学者通过建立岩石物理模型来探索页岩特性对储层弹性的影响^[16⁃18]，如Vasin et al.^[16]基于实测显微结构特征建立泥页岩弹性各向异性模型，并将模型结果与实验确定的弹性特性进行比较；Carcione et al.^[17]建立RPT模型对页岩弹性进行分析，Zhao et al.^[18]通过岩石物理建模分析了不同成熟阶段页岩的弹性特征。此外，地震弹性参数经常被学者用于估计有机页岩的有机物含量和孔隙度^[19⁃22]，如Suwannasri et al.^[19]通过无水热解实验评估和分析了弹性变化与TOC之间的关系；Bredesen et al.^[20]基于地震反演与岩石物理建模来预测TOC与硅质碎屑的体积分数；Ouadfeul et al.^[21]使用地震成因反演来预测储层TOC含量，Kumar et al.^[22]基于正交各向异性进行AVOAz反演来估计储层特性。然而，很少有学者通过地震属性研究来提供对有机质页岩系统中沉积环境演变和地质过程的预测见解^[23]，这对于地质模型的建立，储层质量评估和非常规储层模拟具有重要价值。

针对上述问题，本文以四川盆地南部自贡地区龙马溪组页岩为研究对象，在井—震结合的基础上，分析了沉积环境控制有机质页岩弹性特征变化的隐藏机制。通过叠前AVO反演来利用地震弹性属性了解沉积演化特征，从而为页岩油气藏的储层质量评价、储层非均质性描绘和地质模型构建提供见解。

四川盆地处于扬子准地台偏西北一侧，包括川东南坳褶区、川中隆起区和川西北坳陷区^[24]，构造上以受多期构造运动影响的多条陡峭断层为界^[7]，页岩气储层保存条件复杂。五峰组—龙马溪组沉积的大套黑色富有机质页岩与晚奥陶世—早志留世发生的两次全球海侵事件有关^[25]。

研究区位于四川省自贡市北部（图1），属于川中隆起区的川西南低陡褶皱带，构造整体上呈北东向展布大背斜，北翼缓南翼陡，呈一隆三凹构造格局。研究区西北部、东北部地层倾角较小，一般介于1°~5°，东南部地层倾角较大，介于5°~30°，埋深一般大于3 500 m。研究区东南部发育多条北东走向逆断层，延伸长度2~18 km，断距20~200 m。

图  1  研究区龙马溪组页岩埋深图及五峰组—龙马溪组地层综合柱状图

Figure 1.  Shale burial depth of the Longmaxi Formation in the research area and comprehensive stratigraphic histogram of the Wufeng Formation⁃Longmaxi Formation

根据对研究区龙马溪组页岩的沉积特征、矿物含量以及岩相分析，主要将龙马溪组页岩段划分出四个沉积单元（图2，3）。

图  2  W01井龙马溪页岩沉积单元综合柱状图

Figure 2.  Comprehensive histogram of the Longmaxi Shale depositional unit in well W01

图  3  W01井龙马溪组页岩岩心特征

Figure 3.  Characterization of the Longmaxi shale in well W01

（1） I-A单元代表为富有机质硅质页岩，对应初级有机质产能（图2，3）。同时，该单元沉积时期，发生了全球性的海侵事件，海平面急剧上升，深水缺氧环境下古生产力较高，为有机质的积累富集和保存提供了有利条件。因此，该单元是龙马溪组的主要产气层段。

（2） I-B单元为含灰硅质页岩，主要分布在龙马溪组中部（图2，3）。在该单元内，沉积环境逐渐由深水陆棚向半深水陆棚转变。与沉积单元I-A相比，该单元的石英含量和TOC含量相对较低。

（3） I-C单元为含黏土硅质页岩（图2，3），由于海平面的降低和陆源输入的增加导致黏土含量相对较高，初级生产力降低。由下至上有机质含量减少，表明水体变浅以及氧化沉积环境的形成对有机质富集和保存存在一定的影响。

4） II单元为浊流环境下沉积形成的泥质粉砂岩（图2，3），分布于龙马溪组上部。随着海平面的下降和相对丰富的陆源输入，风暴能量的增加使浊积岩得以发展沉积，导致该单元出现泥质粉砂岩。

研究沉积环境对页岩储层弹性特征的影响，关键问题在于明确沉积环境如何控制岩石性质，进而影响有机页岩储层的弹性特征。由于地震速度取决于几个关键性的沉积学参数（如矿物成分、结构和结构成熟度），而地震波阻抗又取决于地震速度与岩石密度，故本次研究在综合考虑各方面因素的基础上，结合测井数据将地震波速度、波阻抗等地震数据与地质特征相，开展沉积环境对页岩储层弹性特征的控制机理研究。

研究发现，在给定的黏土含量下，浊流沉积环境中的泥质粉砂岩（II单元）比深水陆棚沉积环境中的含黏土硅质页岩（I-C单元）具有更高的速度（图4）。II单元与I-C单元中孔隙度与TOC含量相差较小（图2），说明有机质含量的微小差异不能解释如此明显的速度差异，即速度差异可能与不同的沉积环境对岩石结构的影响密切相关。

图  4  W01井龙马溪组页岩纵波阻抗与黏土含量交会图（数据按沉积单元排列）

Figure 4.  Cross⁃plot of P⁃wave impedance and clay content of the Longmaxi Formation shale in well W01(data arranged by sedimentary unit)

对于海平面波动较弱的深水陆棚沉积环境，由于细粒碎屑沉积物在远源位置更容易发生运移，故石英与碳酸盐颗粒可能分散在黏土矿物中，形成黏土基质起支撑作用的杂基支撑结构（图5a）；对于具有高能量和风暴流的浊流沉积环境，大颗粒碎屑沉积物倾向于积累并在近端形成颗粒接触，所以此时石英颗粒可能相互连接并起到支撑作用，形成颗粒支撑结构（图5b）。因此，沉积环境可能从根本上控制页岩岩石结构，进而决定了浊流沉积环境中的泥质粉砂岩与深水陆棚沉积环境中的含黏土硅质页岩之间的弹性特征差异。

图  5  岩石结构模型^[23]

Figure 5.  Rock structure model ^[23]

沉积环境与海平面变化密切相关，其中TOC含量由于海岸线向盆地推进和水体变浅而逐渐降低（图2）。从I-B单元到II单元，纵波阻抗和纵横波速度比整体呈明显的增长趋势（图6），这种增长趋势主要归因于水体变浅导致的有机质丰度降低，以及水体中含氧量和风暴能量的增加。具有高TOC的页岩通常含有丰富的有机孔和较高的气体饱和度，这些因素都可能导致纵波阻抗和纵横波速度比的降低。在I-B单元到I-C单元的过渡区域内大多数数据点的纵波阻抗呈下降趋势，主要与黏土含量的增加有关，也与沉积环境的过渡密切相关。在I-A单元中，虽然有机质含量仍对页岩的弹性特征有重大影响，但是由于石英含量的增加，纵波阻抗和纵横波速度比等弹性参数在此单元中并不能用单一的变化趋势来呈现，关于有机质和石英含量对岩石弹性的耦合作用将在下一章进行详细分析。

图  6  W01井龙马溪组页岩纵波阻抗与纵横波速度比交会图（数据按沉积单元排列）

Figure 6.  Cross plot of P⁃wave impedance and P⁃S⁃wave velocity ratio of the Longmaxi Formation shale in well W01 (data arranged by sedimentary unit)

在有机页岩储层中，石英含量的增加有助于增强储层的地震弹性响应，而TOC含量的增加则起到相反的效果，即石英和TOC在对影响储层的弹性特征方面具有竞争关系^[26]。在具有高石英含量与高有机质的I-A单元中，这种效应更为明显。

关于龙马溪组有机质页岩中石英的成因，主要有碎屑石英来源和生物石英来源两类^[27]，而二者的形成均与沉积环境密切相关。其中碎屑石英主要来自河流提供的陆源碎屑；生物石英主要与硅质生物残骸有关，这些生物残骸在重力的作用下通过悬浮作用沉降到海底。图7展示了碎屑石英和生物石英含量在W01井的垂向变化，结果表明生物石英是龙马溪组底部尤其是I-A单元中的主要石英类型，其含量由下至上逐渐降低，在3 660 m处降到最低。碎屑石英含量则显示出从下至上显著增加的趋势，因此研究区龙马溪组页岩层段中I-B单元与I-C单元的石英类型主要为碎屑石英。

图  7  W01井龙马溪组页岩石英成分和含量垂直变化图

Figure 7.  Vertical variation diagram of quartz composition and content in the Longmaxi Formation shale in well W01

以W01井数据为例来分析石英及有机质含量对页岩储层纵波阻抗的影响（图8，9）。当石英含量较低时（小于40%），纵波阻抗随石英含量的增加而减小、随TOC含量的增加而减小（图8与图9中黑色区域），表明此时由有机质引起的软化效果可能强于石英颗粒引起的硬化效果，即此时有机质对储层弹性特征的影响（减弱）占据了主导位置。当石英含量到达一定程度时（大于40%），纵波阻抗开始随石英含量的增加而增加、随TOC含量的增加而增加（图8与图9中红色区域），表明此时由石英颗粒引起的硬化效果可能强于有机质引起的软化效果，即此时石英颗粒对储层弹性特征的影响（增强）占据了主导位置。故认为石英含量是否达到某一临界值（此次为40%）是决定石英颗粒引起的硬化效果与有机质引起的软化效果孰能在对储层弹性特征的影响中占据主导位置的关键。在Zhao et al.^[23]对涪陵地区龙马溪组页岩的研究中也得出了相似的结论（其石英含量临界值约为37%），通过对比分析认为石英颗粒的成分与结构的不同，是其对储层弹性特征的影响具有差异性的原因。

图  8  W01井龙马溪组页岩石英含量与纵波阻抗交会图

Figure 8.  Intersection diagram of quartz content and P⁃wave impedance of the Longmaxi Formation shale in well W01

图  9  W01井龙马溪组页岩TOC含量与纵波阻抗交会图

Figure 9.  Cross plot of total organic carbon (TOC) content and P⁃wave impedance of the Longmaxi Formation shale in well W01

在I-A单元中，纵波阻抗并没有表现出随着石英含量的进一步增加而增加的趋势，即此时纵波阻抗几乎保持恒定（图8与图9中黄色区域）。这说明在I-A单元中，尽管石英含量的增加远大于TOC含量的增加（石英含量增加20%左右时，TOC含量增加2%左右），纵波阻抗并没有发生明显的变化，即说明石英颗粒和有机物对页岩储层弹性特征的影响可能相互抵消，这可能是由于生物石英对页岩储层弹性方面的增强效应弱于碎屑石英。从岩石结构上来看，可能是由于龙马溪组中生物石英的粒径较小（1~10 μm），且其通常与塑性有机质共存，而碎屑石英通常粒径较大（10~50 μm），其倾向于更有效地加固岩石基质^[26]。

基于以上分析发现自贡地区龙马溪组页岩储层弹性响应与其所处的沉积环境密切相关，反之可通过分析其弹性特征的变化来追溯其沉积环境的变化。叠前AVO反演是从地震资料中获取弹性参数的有效途径^[28]，因此利用叠前AVO反演对地震弹性属性的预测能力来揭示其沉积演化。

沿着对应于I-A单元、I-B单元、I-C单元和II单元的不同层顶的所提取的纵波阻抗和纵横波速度比进行切片（图10，11），发现随着沉积环境从深水陆棚向相对浅水陆棚的逐步过渡（I-A单到I-C单元），纵波阻抗和纵横波速度比总体都呈现出增加趋势；最后随着沉积环境从低能陆棚向高能浊流沉积环境的转变（I-C单到II单元），纵波阻抗和纵横波速度比有明显的增加。

图  10  研究区龙马溪组不同沉积单元纵波阻抗反演切片

Figure 10.  P⁃wave impedance inversion slice for different depositional units of the Longmaxi Formation in the study area

图  11  研究区龙马溪组不同沉积单元纵横波速度比反演切片

Figure 11.  Inversion slice of P-S wave velocity ratio in different depositional units of the Longmaxi Formation

由于有机质富集，I-A单元与I-B单元的地震反演切片显示出典型的较低的纵波阻抗和纵横波速度比特性，且I-A单元与I-B单元的整个地层处于深水陆棚沉积环境中，应将其视为研究区页岩气储层的最佳位置。但是，即使在单位I-A内纵波阻抗仍然显示出不均匀的空间分布，W01井与W02井的中心区域显示出相对较低的纵波阻抗特征，这可能表明该区域页岩储层质量更好；此外，研究区西南地区显示出相对较高的纵波阻抗特征，意味着该区域储层的质量可能较差。

在I-C单位内，地震切片显示东北区域的纵波阻抗和纵横波速度比低于西南区域。从地质的角度来看，这可能说明西南区域更靠近物源近端，而东北区域更靠近物源远端，即东北区域的水体趋于更深，为有机质的保存提供了更有利的条件；反之表明西南区域可能存在更多的陆源输入，从而稀释了古生产力，促进了氧化环境的形成。因此，在I-C单元内，东北区域的页岩储层质量普遍高于西南区域。

（1） 沉积环境控制着岩石的结构，进而决定了深水陆棚沉积环境中的含黏土硅质页岩与浊流沉积环境中的泥质粉砂岩之间的弹性特征差异，即出现II单元中颗粒支撑的泥质粉砂岩较I单元中杂基支撑的含黏土硅质页岩具有更大的纵波阻抗等特征。

（2） 沉积环境的改变决定了TOC的含量，由于水体变浅，氧气含量和风暴能量增加，导致有机质丰度降低，从I单元到II单元，纵波阻抗与纵横波速度比等特征整体呈现明显的增长趋势。

（3） 石英和TOC含量在影响页岩储层的弹性特征方面具有竞争关系。当石英含量较低时（小于40%），由有机质引起的软化效果起主导作用；当石英含量较高时（大于40%），石英颗粒的硬化效果则起主导作用。此外，I-A单元的生物石英对页岩储层弹性方面的增强效应弱于碎屑石英。

（4） 利用叠前AVO反演对地震弹性属性的预测能力来追踪沉积演化过程，结果表明I-A单元与I-B单元内页岩气储层质量普遍较高，而I-C单元内页岩气储层质量一般且东北区域的页岩气储层质量高于西南区域。