涪陵焦石壩地區(qū)五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖巖相劃分——以JY11－4井為例

劉 超，陸亞秋，梁 榜，張夢(mèng)吟

（中國(guó)石化江漢油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，湖北 武漢430223）

隨著近年來(lái)世界能源需求的不斷攀升，頁(yè)巖氣作為主要的非常規(guī)天然氣的勘探開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。四川盆地南部上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組是中國(guó)頁(yè)巖氣近期研究的熱點(diǎn)。四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的有利層系，其沉積背景及巖性巖相特征與北美Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖具有很好的對(duì)比性。

2014年7月，中國(guó)石化提交的涪陵焦石壩區(qū)塊五峰組－龍馬溪組頁(yè)巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量1 067.5億方，通過(guò)國(guó)土資源部組織的油氣儲(chǔ)量專(zhuān)家組評(píng)審，并認(rèn)定涪陵頁(yè)巖氣田是典型的優(yōu)質(zhì)海相頁(yè)巖氣，標(biāo)志著我國(guó)第一個(gè)大型頁(yè)巖氣田的誕生。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

涪陵焦石壩構(gòu)造位于四川盆地川東褶皺帶的東南部，萬(wàn)縣復(fù)向斜的南揚(yáng)起端，該區(qū)北部為萬(wàn)縣復(fù)向斜的主體。震旦紀(jì)以來(lái)，四川盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了現(xiàn)今的盆地格局。焦石壩構(gòu)造夾持于大耳山西、天臺(tái)場(chǎng)－吊水巖、悅來(lái)場(chǎng)斷層之間，總體表現(xiàn)為北東走向的低緩南北傾伏、向北東方向抬升被斷層封堵的斷鼻構(gòu)造，高部位位于大耳山西斷層下盤(pán)，其西部邊界天臺(tái)場(chǎng)斷層呈NE走向（圖1）。

1.2 五峰組－龍馬溪組頁(yè)巖

研究區(qū)晚奧陶世，雪峰隆起、川中隆起和黔中隆起出露海平面之上，使早中奧陶世具有廣海特征的海域轉(zhuǎn)變?yōu)楸宦∑鹚鶉薜木窒藓Ｓ颍纬纱竺娣e低能、欠補(bǔ)償、缺氧的沉積環(huán)境。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及海侵影響，晚奧陶世五峰組沉積時(shí)期沉積了一套深水沉積巖，主要為硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、碳酸鹽巖；早志留世龍馬溪組沉積時(shí)期形成了一套黑色碳質(zhì)頁(yè)巖。

研究區(qū)JY11－4井上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組上部主要為粉砂質(zhì)頁(yè)巖，夾薄層泥質(zhì)粉砂巖，中下部頁(yè)巖發(fā)育良好，頁(yè)巖厚度大，主要為黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，富含黃鐵礦和筆石，且富含有機(jī)質(zhì)，為一套重要的烴源巖，是該區(qū)頁(yè)巖氣勘探的主要目標(biāo)。

圖1 涪陵焦石壩地區(qū)志留系底反射層構(gòu)造圖

2 巖相劃分及特征

2.1 巖相劃分依據(jù)

本文從JY11－4井取心分析測(cè)試及測(cè)井資料出發(fā)，并結(jié)合前人資料對(duì)區(qū)內(nèi)五峰組－龍馬溪組頁(yè)巖的研究成果，主要從測(cè)井 U、Th／U變化特征、巖石礦物組分和有機(jī)質(zhì)豐度差異三方面對(duì)JY11－4井89m含氣頁(yè)巖段巖相劃分依據(jù)進(jìn)行詳細(xì)研究。

2.1.1 U、Th／U變化特征

利用U元素對(duì)海平面變化引起氧化還原環(huán)境的變化較為敏感，但Th元素相對(duì)不敏感（Jacobi等，2008）的特性，認(rèn)為U濃度和Th／U值的波動(dòng)對(duì)應(yīng)于海平面的升降，在海進(jìn)時(shí)期盆地處于缺氧環(huán)境，沉積硅質(zhì)，有機(jī)質(zhì)豐富的泥巖沉積物來(lái)自深海環(huán)境，盆地條件變化的標(biāo)志是U急劇增加，Th／U值降低到2以下；相反地，海退形成淺水的、氧化作用較強(qiáng)的水體環(huán)境，在這種環(huán)境中形成較少的有機(jī)質(zhì)，但是碎屑巖、粉砂質(zhì)泥巖和碳酸質(zhì)泥巖較容易形成，反映出過(guò)渡海相環(huán)境部分受陸源沉積物供給的影響，U急劇降低，Th／U值升高到2以上。結(jié)合JY11－4井U、Th的測(cè)井資料，綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為T(mén)h／U＜2為有利層段，反之Th／U＞2為非有利層段。

2.1.2 巖石礦物組分特征

JY11－4井樣品分析結(jié)果表明，焦石壩地區(qū)五峰組－龍馬溪組下部含氣頁(yè)巖礦物成分以石英和粘土礦物為主，含斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石、白云石和黃鐵礦等。JY11－4井五峰組－龍馬溪組主要含氣頁(yè)巖取心段分析X射線全巖樣品共87塊，粘土礦物含量為16.6%～62.8%，平均含量40.89%；長(zhǎng)英質(zhì)含量為23.4%～74.1%，平均含量46.62%；碳酸鹽巖含量較少，為0～34.5%，平均含量9.91%；其它平均2.58%。自上而下具有長(zhǎng)英質(zhì)的脆性礦物含量增高特點(diǎn) （圖2）。

圖2 JY11－4井含氣頁(yè)巖礦物含量分布圖

本區(qū)五峰組－龍馬溪組下部硅質(zhì)頁(yè)巖與粉砂質(zhì)頁(yè)巖的區(qū)別為：①硅質(zhì)來(lái)源不同。硅質(zhì)頁(yè)巖的硅質(zhì)為自生SiO2，一般為生物、化學(xué)及機(jī)械成因；粉砂質(zhì)頁(yè)巖中的硅質(zhì)主要來(lái)源于外源碎屑石英。②硅質(zhì)結(jié)構(gòu)不同。硅質(zhì)頁(yè)巖中硅質(zhì)為非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)和隱晶、微晶結(jié)構(gòu)；粉砂質(zhì)頁(yè)巖中硅質(zhì)一般為石英顆粒，呈單晶結(jié)構(gòu)。對(duì)比北美頁(yè)巖氣研究成果，結(jié)合本區(qū)頁(yè)巖氣實(shí)際勘探開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)結(jié)果，綜合研究認(rèn)為硅質(zhì)礦物含量 ＞40% 為富硅質(zhì)頁(yè)巖，硅質(zhì)礦物含量＜40%為貧硅質(zhì)頁(yè)巖。

JY11－4井五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖段粘土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，次為綠泥石，含少量的高嶺石，不含蒙脫石。取心段伊利石相對(duì)含量為21%～68%，高嶺石相對(duì)含量為5%～13%，綠泥石相對(duì)含量為2%～20%，其中下部2 377.5～2 415.5m（38m）井段伊利石含量低，伊蒙間層含量高，相對(duì)百分含量伊利石平均為31.36%，伊蒙混層平均63.55%，綠泥石平均4.79%。碳酸鹽礦物主要以裂縫充填物和膠結(jié)物形式存在，含氣頁(yè)巖段主要形成于深水還原環(huán)境，富含黃鐵礦和筆石，JY11－4井巖心中可見(jiàn)碳質(zhì)頁(yè)巖夾黃鐵礦條帶（圖3a），在巖心斷面處可見(jiàn)到大量筆石化石（圖4b、4c、4d）。此外，在巖心中還可見(jiàn)少量的硅化生物屑，主要為海綿骨針，約占3%。

圖3 JY11－4井五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖特征

2.1.3 有機(jī)質(zhì)豐度

四川盆地周緣上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組是四川盆地主力烴源巖之一，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育于地層下部，向上隨著砂質(zhì)含量增加，頁(yè)巖顏色變淺，TOC含量降低。據(jù)周邊露頭及井下巖樣有機(jī)碳含量分析結(jié)果，研究區(qū)龍馬溪組TOC含量0.35%～18.40%，平均2.52%；其中井下樣品TOC含量 ＞2% 占45%，TOC含量＞2%的高有機(jī)碳頁(yè)巖主要分布于龍馬溪組下部。區(qū)內(nèi)JY11－4井五峰－龍馬溪組2 330.0～2 415.5m層段，173個(gè)巖心樣品有機(jī)碳TOC含量為0.55%～5.89%，平均為2.54%，具有自上而下有機(jī)碳含量逐漸增加趨勢(shì)。富有機(jī)質(zhì)泥巖相對(duì)高值區(qū)分布于五峰組－龍馬溪組底部2 377.5～2 415.5m井段，有機(jī)碳分析樣品83塊，有機(jī)碳含量最小為1.04%，最大5.89%，平均3.50%（表1）。研究評(píng)價(jià)可將有機(jī)質(zhì)豐度＜2% 為低有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)豐度2%～4%為中等有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)豐度＞4%為富有機(jī)質(zhì)含量。

表1 JY11－4井巖心有機(jī)碳含量分析統(tǒng)計(jì)表

2.2 巖相劃分方案

區(qū)內(nèi)無(wú)法較好識(shí)別傳統(tǒng)概念的泥巖、頁(yè)巖，因此將該區(qū)泥頁(yè)巖統(tǒng)稱(chēng)為頁(yè)巖。通過(guò)JY11－4井測(cè)井資料Th／U變化、巖心觀察及顯微鏡下分析，根據(jù)含氣頁(yè)巖段礦物組分及有機(jī)質(zhì)豐度（TOC含量）的差異，將五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖自上至下劃分出5種巖相：低有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖相、中等有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖相、低有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相、中等有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相、富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相（表2、圖4）。

圖4 JY11－4井五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖段巖相劃分圖

表2 JY11－4井五峰組－龍馬溪組下部含氣頁(yè)巖巖相劃分參數(shù)表

2.3 巖相類(lèi)型及特征

2.3.1 低有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖相

含氣頁(yè)巖上部（井段：2 326.5～2 340.5m ），巖性為深灰色含砂質(zhì)泥巖、泥巖，見(jiàn)泥質(zhì)粉砂巖斑塊或條帶，性較硬，巖屑呈塊狀。顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)紋層構(gòu)造，細(xì)鱗片狀結(jié)構(gòu)，碎屑顆粒主要為石英、巖屑、針狀云母類(lèi)，不均勻呈星散分布，硅質(zhì)含量＜40%。有機(jī)質(zhì)呈隙狀、細(xì)條狀順層分布，局部呈細(xì)隙狀集合體富集，少許黃鐵礦晶斑零星分布（圖5a），有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）＜2%，測(cè)井解釋Th／U＞2。

2.3.2 中等有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖相

發(fā)育含氣頁(yè)巖段中上部（井段：2 340.5～2 353.0m），巖心觀察為灰、深灰色頁(yè)巖夾薄層狀灰質(zhì)泥巖，巖屑呈塊狀。顯微鏡下觀察見(jiàn)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、粉砂結(jié)構(gòu)，碎屑顆粒為石英、巖屑、細(xì)條狀白云母，石英顆粒可見(jiàn)波狀消光，巖片主要由粘土礦物、碎屑顆粒組成，其次黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽礦物等，硅質(zhì)含量＜40%。灰質(zhì)頁(yè)巖中碳酸鈣含量為25%～50%，巖心中可見(jiàn)灰質(zhì)斷口，鏡下碳酸鹽礦物包括白云石、方解石均有分布，半自形－他形，泥晶狀為主，較均勻分布。有機(jī)質(zhì)呈斑狀、團(tuán)塊狀分布或浸染，有機(jī)質(zhì)以浸染為主，亦可見(jiàn)黑色不透明礦物顆粒與有機(jī)質(zhì)相混，可見(jiàn)黃鐵礦微粒與有機(jī)質(zhì)相混伴生（圖5b），有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）為2%～4%，測(cè)井解釋Th／U＜2。

2.3.3 低有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相

分布在含氣頁(yè)巖段中部（井段：2 353.0～2 377.5m），巖性為深灰色、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖，砂質(zhì)泥巖。鏡下觀察砂質(zhì)含量30%，多為石英粉砂，有少量極細(xì)粒，偶見(jiàn)云母細(xì)片；水平紋層發(fā)育，紋層厚0.1～5.2mm，紋層為炭質(zhì)粘土質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)炭質(zhì)粘土巖不等厚互層，泥晶方解石呈星點(diǎn)狀較為均勻分布，粉末狀黃鐵礦亦較為均勻分布，硅質(zhì)含量 ＞40%。有機(jī)質(zhì)呈團(tuán)絮狀、粒狀密集分布或呈浸染狀，黃鐵礦呈不規(guī)則狀聚集晶斑（圖5c），有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）＜2%，測(cè)井解釋Th／U＞2。

2.3.4 中等有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相

分布在含氣頁(yè)巖段中下部（井段：2 377.5～2 390.0m），巖心觀察巖性為灰黑色、深灰色粉砂質(zhì)泥巖，碳質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育水平層理、塊狀層理。顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)碎屑顆粒含量20% ～40%，以石英為主，呈漂浮狀產(chǎn)出，分選較差，磨圓中等，次棱角－次圓狀。粘土礦物多呈鱗片狀或無(wú)定形，見(jiàn)少量長(zhǎng)石及云母，硅質(zhì)含量 ＞40%。黑色物主要為富含有機(jī)質(zhì)的粘土礦物，有機(jī)質(zhì)與粘土礦物混雜，呈不規(guī)則的細(xì)粒狀（圖5d），有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）為2% ～4%，測(cè)井解釋Th／U＜2。

2.3.5 富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相

主要集中分布在含氣頁(yè)巖段下部（井段：2 390.0～2 415.5m），巖性為灰黑色、黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，硅質(zhì)頁(yè)巖。碳質(zhì)頁(yè)巖顯微鏡下觀察見(jiàn)放射蟲(chóng)分布較為均勻，多吸附碳質(zhì)粘土，少量仍為硅質(zhì)放射蟲(chóng)；偶見(jiàn)單軸雙射硅質(zhì)骨針，石英粉砂分布較為均勻，粉末狀黃鐵礦分布不均，少數(shù)放射蟲(chóng)內(nèi)被較多黃鐵礦充填（圖5e）。硅質(zhì)頁(yè)巖中硅質(zhì)含量＞40%，幾乎不含碳酸鹽礦物，硅質(zhì)常呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，顯微鏡下觀察見(jiàn)大量放射蟲(chóng)，殼壁為硅質(zhì)，部分殼壁內(nèi)被黃鐵礦充填，少量巖屑有粉砂巖巖屑、粘土巖巖屑。鏡下可見(jiàn)明顯的亮暗同心圓，硅質(zhì)外殼內(nèi)部一般被有機(jī)質(zhì)充填，部分有機(jī)質(zhì)溶蝕后被硅質(zhì)充填，這為硅質(zhì)來(lái)源與生物有關(guān)提供了證據(jù)，有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）＞4%，測(cè)井解釋Th／U＜2。

圖5 JY11－4井五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖顯微鏡下特征

2.4 巖相類(lèi)型與含氣性關(guān)系

依據(jù)上述巖相劃分方案，對(duì)工區(qū)內(nèi)JY2、JY3和JY4井五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖段巖石相進(jìn)行劃分對(duì)比表明，涪陵焦石壩地區(qū)五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖段巖相類(lèi)型橫向可對(duì)比，并且分布較穩(wěn)定（圖6）。

圖6 涪陵焦石壩地區(qū)五峰組－龍馬溪組含氣頁(yè)巖段巖相對(duì)比圖

結(jié)合測(cè)井解釋含氣量分析，富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相含氣量最高，中等有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相次之，低有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖相最低，其中富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相測(cè)井解釋含氣量平均值達(dá)到8.08m3／t，中等有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相測(cè)井解釋含氣量平均值為6.04m3／t。對(duì)涪陵焦石壩地區(qū)已完鉆水平井的無(wú)阻流量影響因素分析表明，水平段富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相穿行比例與無(wú)阻流量相關(guān)性非常好（圖7），富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相穿行比例越高，該井無(wú)阻流量越大。

圖7 無(wú)阻流量與富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相穿行比例關(guān)系圖

3 結(jié)論

四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組含氣頁(yè)巖厚度較大，礦物成分以石英和粘土礦物為主，含斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石、白云石和黃鐵礦，部分頁(yè)巖中的硅質(zhì)來(lái)源于硅質(zhì)生物，有利于有機(jī)質(zhì)富集。根據(jù)區(qū)內(nèi)Th／U變化特征、巖石礦物組分及有機(jī)質(zhì)豐度富集程度，可將JY11－4井五峰組－龍馬溪組頁(yè)巖劃分為低有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖相、中等有機(jī)質(zhì)貧硅頁(yè)巖相、低有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相、中等有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相和富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相五種類(lèi)型頁(yè)巖相，其中富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相含氣性最好。實(shí)鉆資料證實(shí)，水平井穿行富有機(jī)質(zhì)富硅頁(yè)巖相比例越高無(wú)阻流量越大，富有機(jī)質(zhì)富硅質(zhì)頁(yè)巖相為區(qū)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的最有利頁(yè)巖相。

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