川東南石林地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖特征

林 彤, 雍自權,2, 劉樹根,2, 白志強, 王 浩

( 1. 成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610059 )

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川東南石林地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖特征

林 彤1, 雍自權1,2, 劉樹根1,2, 白志強1, 王 浩1

( 1. 成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610059 )

川東南石林地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖為四川盆地頁巖氣勘探重點地區重點層位，應用野外觀察、鏡下鑒定、化學測試等方法分析石林地區頁巖特征.結果表明：川東南地區五峰組—龍馬溪組主要為陸棚相黑色頁巖、硅質泥頁巖和粉砂質泥巖沉積，且黑色頁巖段富含黃鐵礦和筆石化石；以Ⅱ型干酪根為主， 有機碳質量分數大于2.0%，有機質成熟度大于2.0%，具備大量生氣條件；脆性礦物質量分數大于50%，有利于人工造縫；儲集空間類型豐富，以納米級孔隙及微裂縫為主，測試孔隙度為2.5%.與焦石壩地區對比，川東南地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖整體表現為有機質質量分數高、成熟度高、頁巖脆性好和生氣能力強的特點，較有利于頁巖氣的形成和富集，為勘探遠景有利區.

頁巖； 沉積特征； 川東南； 石林地區； 五峰組； 龍馬溪組

0 引言

20世紀90年代以來，油氣勘探難度越來越大，油氣勘探研究也逐漸由常規向非常規方向轉變.美國頁巖氣的成功開發利用，使得頁巖氣資源在全世界受到廣泛的重視.作為化石能源領域的一次重大革命，非常規油氣的成功勘探與開發將使石油工業的生命周期有效延長[1].

在對頁巖氣藏的探索與準備階段，作為陸相沉積為主的國家，中國的陸相頁巖主要分布在鄂爾多斯盆地上三疊統長7段地層[2]，而更有利于頁巖氣生成與富集的海相頁巖主要分布在南方地區.張金川、聶海寬[3-5]等在分析中國南方頁巖氣成藏條件的基礎上，認為下寒武統和下志留統黑色頁巖是四川盆地廣泛發育的6套有效烴源巖中形成頁巖氣藏最有利的層系；王社教、黃文明等[6-8]在探討整個四川盆地下志留統頁巖氣成藏條件的基礎上發現，五峰組—龍馬溪組黑色頁巖分布范圍廣、厚度大、埋藏適中、有機碳質量分數高、生氣能力強、處于高成熟—過成熟階段，具有良好的頁巖氣勘探前景，因此五峰組—龍馬溪組是非常好的頁巖氣研究層段.截至2014年5月，中國石化先后在涪陵頁巖氣田焦石壩區塊鉆探4口探井，均在五峰組—龍馬溪組下段海相地層中發現良好的頁巖氣層，頁巖氣年產能達到10×108m3[9].中國深層海相頁巖，尤其是中國南方地區下志留統龍馬溪組黑色頁巖勘探開發前景廣闊.筆者分析涪陵氣田西南方向的石林地區地表出露的五峰組—龍馬溪組黑色頁巖，探討五峰組—龍馬溪組黑色頁巖整體特征.

1 地質概況

石林地區位于四川盆地東南緣，隸屬重慶市南川區，五峰組—龍馬溪組地層出露完整.在構造歷史時期，四川盆地是一個特提斯構造域內長期發育、不斷演化的古生代—中新生代復雜疊合盆地，具有早期沉降、晚期隆升，沉降期長、隆升期短等特點[10-11].在晚奧陶世—早志留世隨著黔北和湘東大部分古陸的隆起[12]，上、中揚子地區發育川東北、川東鄂西、川西南3個深水陸棚區，黑色頁巖主要分布于夾持在川中、黔中、江南(雪峰)三大古隆起之間不受都勻運動影響的半閉塞滯留環境[13-14](見圖1).研究區五峰組—龍馬溪組野外實測厚度為280～420 m，其中富有機質黑色頁巖主要發育于五峰組—龍馬溪組下段，厚度為60～150 m；到志留紀時，隨著全球氣候變暖，古生產力也逐漸降低[15]，有機質質量分數下降，普遍發育灰黑色頁巖及粉砂質泥頁巖.

圖1 四川盆地及其周緣晚奧陶系五峰組沉積格架及石林地區地層分布Fig.1 Sedimentary structure trellis diagram of the Sichuan basin and nearby regions during the late Ordovician Wufeng intervalandsection locations in work area, Shilin, southwest of Sichuan basin

2 巖相類型

四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組為一套深水陸棚—淺水陸棚相沉積，常見的巖相類型為黑色頁巖、粉砂巖、生物灰巖、硅質巖和斑脫巖[16].綜合石林地區上奧陶統—下志留統野外露頭剖面及鏡下鑒定信息，五峰組—龍馬溪組地層有3種主要巖相.

2.1 黑色頁巖相

黑色頁巖是石林地區五峰組—龍馬溪組最重要的沉積類型，主要分布在五峰組—龍馬溪組下段，以SH02剖面為例，黑色頁巖段累積厚度可達120 m.研究層段黑色頁巖頁理發育，隱約可見水平層理，局部含粉砂質，龍馬溪組底部黑色頁巖段筆石化石豐富，且普遍發育典型的莓球狀黃鐵礦(見圖2(a)、(b))，反映水體深且盆地隔絕性強、水體循環差的深水貧氧—缺氧環境[17].

2.2 硅質泥頁巖相

該巖相主要集中在五峰組—龍馬溪組下段，肉眼觀察巖石具紋層狀構造，局部可見順層或斜切紋層的硅質細脈(見圖2(c)).巖石內混有少量放射蟲沉積(見圖2(d))，呈點星狀分布，體積分數為1%～2%.少量云母呈定向排列，可見較多的石英顆粒，分選好，粒度小，體積分數為16%～26%.放射蟲是一類終生浮游、具有硅質骨骼的原生動物，它的出現反映一種安靜、清潔、遠離陸源碎屑及淡水補給的古海洋環境[18].

2.3 粉砂質泥頁巖相

該類巖相主要由泥質、有機質和陸源粉砂(石英、云母)構成，常表現為紋層狀構造，粉砂質紋層夾于泥巖，顏色較下段淺.泥質體積分數為60%～80%，粉砂顆粒體積分數為10%～20%，在實測剖面中，從龍馬溪組下段上部開始向上粉砂質體積分數逐漸增多，直至小河壩組變為泥質粉砂巖，出現粉砂質紋層與泥質紋層互層(見圖2(e)).龍馬溪組粉砂質泥巖中含有有機質(見圖2(f))及黃鐵礦，共占體積分數的5%～8%，黃鐵礦部分氧化為褐鐵礦，少見云母，石英顆粒相對較多，分選較好，磨圓差.粉砂質的逐漸增加反映水位線下降、水深逐漸變淺的沉積環境.

圖2 川東南石林地區SH02剖面五峰組—龍馬溪組顯微特征Fig.2 Microscope characteristic of Wufeng-Longmaxi foramation in Shilin SH02 section, southeast of Sichuan basin

3 有機地球化學特征

3.1 有機質豐度

巖石中有足夠數量的有機質既是能夠形成豐富油氣的物質基礎，又是決定巖石生烴能力大小的主要因素[19].有機碳質量分數是衡量巖石有機質豐度的重要指標，一般具有經濟開采價值的頁巖氣遠景區帶的頁巖總有機碳質量分數在2.0%以上[18].在石林地區9個野外剖面的五峰組—龍馬溪組頁巖層段選取222個樣品，進行有機碳質量分數測試，其結果顯示(見圖3)：石林地區總有機碳質量分數較高，尤其是五峰組—龍馬溪組底部黑色頁巖段，遠超過優質烴源巖評價標準界定的2.0%；至龍馬溪組上段主要為粉砂質泥巖或灰色頁巖，測試有機碳質量分數逐漸降低，遠小于優質烴源巖評價標準界定的2.0%.川東南石林地區五峰組—龍馬溪組底部黑色頁巖有機碳質量分數較高，具有較大的產氣潛力.

圖3 川東南石林地區不同剖面五峰組—龍馬溪組有機碳質量分數Fig.3 The comparison of TOC at each section of Wufeng-Longmaxi formation in Shilin, southeast of Sichuan basin

3.2 有機質類型

圖4 石林地區五峰組—龍馬溪組干酪根碳同位素分布Fig.4 The distribution of kerogen carbon isotope at Wufeng-Longmaxi formation in Shilin

有機碳質量分數(w(TOC))和鏡質體反射率(Ro)是決定烴源巖生氣潛力的關鍵因素，干酪根類型是評價有機質質量的主要指標[20].對石林地區12個剖面五峰組—龍馬溪組共計25個樣品進行鏡檢測試分析，顯示剖面中五峰組—龍馬溪組黑色頁巖主要為殼質組，平均質量分數為53.37%；其次為鏡質組，平均質量分數為33.69%；腐泥組較少，平均質量分數為12.24%.研究區干酪根類型以Ⅱ型為主，局部為Ⅲ型.此外,對研究區不同剖面的10個志留系樣品進行干酪根δ13C值測試(見圖4)，按照烴源巖干酪根碳同位素劃分標準[16,21]分類原則,石林地區烴源巖干酪根類型多為Ⅱ～Ⅲ型，與鏡檢測試分析結果基本一致.石林地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖有機質類型主要為Ⅱ～Ⅲ型，有機質類型條件一般.

3.3 有機質成熟度

沉積巖中有機質豐度和類型是油氣生成的物質基礎，有機質成熟度是確定有機質能夠生油、生氣或判定有機質向烴類轉化程度的關鍵指標，只有有機質達到一定熱演化程度,才能開始大量生烴.四川盆地五峰組—龍馬溪組總體埋藏較深，熱演化程度較高.

對川東南石林地區各剖面的25個五峰組—龍馬溪組樣品進行有機地球化學分析測試鏡質體反射率，石林地區烴源巖樣品Ro大多數達到2.0%以上，其中XJG01-02D、SQ01-02D較低(見圖5)，反映石林地區五峰組—龍馬溪組熱演化程度較高，屬于高成熟晚期—以過成熟、生干氣為主的階段，能夠大量生成天然氣.

圖5 石林地區樣品鏡質體反射率測試結果Fig.5 The test result of Ro in Shilin

4 泥頁巖儲層特征

4.1 巖石學特征

脆性礦物質量分數分析是確定巖石脆性的重要手段.頁巖中石英、長石、碳酸鹽等脆性礦物質量分數越高，伊利石、蒙脫石等黏土礦物質量分數越低，巖石的脆性越強，在外力的作用下越易形成天然裂縫和誘導性裂縫[22]，或者樹狀、網狀結構縫，有利于天然氣滲流和開采.具備商業性開發的頁巖，一般脆性礦物質量分數高于40%，黏土礦物質量分數小于30%[19].

以石林地區的SH02剖面為例，對五峰組—龍馬溪組3個典型頁巖樣品進行全巖分析測試，礦物質量分數見圖6.黏土礦物質量分數為27.0%～57.0%，平均為45.0%；石英質量分數為26.0%～69.0%，平均為41.0%；長石質量分數為4.0%～8.0%，平均為6.0%；方解石質量分數為0.0%～7.0%，平均為4.0%；白云石質量分數為0.0%～4.0%，平均為3.0%；黃鐵礦質量分數為0.0%～3.0%，平均為1.0%.其中，石英、長石、碳酸鹽礦物質量分數總和平均達到54.0%；黏土礦物主要為伊—蒙混合成因的物質.另外，通過縱向對比剖面樣品鏡下特征發現，底部樣品脆性礦物質量分數較高，由龍馬溪組上段向上至小河壩組黏土礦物質量分數逐漸增加，石英、碳酸鹽巖礦物質量分數降低.

圖6 川東南石林地區SH02剖面五峰組—龍馬溪組沉積特征Fig.6 Composite depositional characteristics of Shilin SH02 section, southeast of Sichuan basin

4.2 頁巖儲集空間特征

常規領域頁巖主要作為烴源巖和蓋層存在，在非常規領域頁巖作為特低孔滲的儲層，儲層致密，孔隙類型多樣，發育大量有利于頁巖氣吸附的微孔(孔隙直徑≥0.75 μm)和納米級孔隙(孔隙直徑<0.75 μm)，包括顆粒間微孔、黏土片間微孔、顆粒溶孔、溶蝕雜基內孔、粒內溶蝕孔及有機質孔等.平均50%左右的頁巖氣儲存在頁巖基質孔隙中[23].

對川東南石林地區五峰組—龍馬溪組下段樣品進行掃描電鏡分析，觀察納米級孔隙結構.分析測試采用FEI-QUANTAN 250 FEG掃描電子顯微鏡和OXFORD-INCA X-MAX 20 X射線能譜儀，測試環境溫度為21 ℃，濕度為45%RH.測試的樣品編號分別為SH02-02D、SH02-03D.識別的微孔隙類型包括溶蝕孔(見圖7(a))、粒間微孔(見圖7(b))、粒內微氣孔(見圖7(c))、黃鐵礦粒內孔(見圖2(b))、黏土礦物片理縫(見圖7(d))、粒緣縫(見圖7(e))及收縮縫(見圖7(f)).其中溶蝕孔最為發育，還有長石等礦物的粒內溶蝕微孔、莓球狀黃鐵礦溶蝕的印?？椎?微裂縫主要有黏土礦物在一定條件下脫水縮合形成的收縮縫、礦物顆粒邊緣的粒緣縫和黏土礦物的片理縫等.微裂縫的發育不僅為頁巖氣提供充足的儲集空間，也為頁巖氣提供運移通道，更有效提高頁巖產氣量[24-25].

圖7 川東南石林地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖儲集空間掃描電鏡特征

對川東南石林地區SH02剖面五峰組—龍馬溪組的2個野外樣品(SH02-02D、SH02-03D)進行孔隙度、密度測試，孔隙度分別為3.29%和1.76%.另外，對石林地區頁巖氣區塊及鄰區五峰組—龍馬溪組其他28個野外樣品進行孔隙度、密度測試，結果顯示石林地區五峰組—龍馬溪組頁巖密度變化不大，集中在2.13～2.55 g/cm3之間，平均為2.34 g/cm3；孔隙度分布在1.02%～5.64%之間，平均為3.66 %，大部分集中在2.00%～5.00%之間(見圖8)，測試頁巖樣品的密度和孔隙度具有一定的負相關關系.此外，所取樣品整體孔隙度值顯示偏高，這與露頭泥頁巖中發育大量的次生孔隙有關.

圖8 石林地區五峰組—龍馬溪組孔隙度特征Fig.8 Porosity characteristic of Wufeng-Longmaxi formation in Shilin

5 石林地區與焦石壩地區黑色頁巖特征

受喜馬拉雅期構造隆升作用的影響，在川東南附近桐梓—石林地區北東—南西向發生構造抬升，石林地區五峰組—龍馬溪組地層被抬升至地表，焦石壩地區隆升至埋深3 000 m左右[26].川東南地區夾持于黔中古隆起與樂山—龍女寺古隆起之間，沿漆遼—桐梓一線，黑色頁巖沉積中心與有機碳富集中心呈耦合特征(見圖9).對比五峰組—龍馬溪組在石林地區的野外地表露頭特征與焦石壩地區地腹鉆井資料[27-28]，由于沉積期地理位置接近，兩者在沉積環境、沉積厚度、巖性和礦物組成等多方面具有相似性(見表1)；同時樣品性質存在差異，形成不同特征：

表1 石林地區與焦石壩地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖特征

(1)有機質類型.石林地區多為Ⅱ型或Ⅲ型干酪根，以殼質組、鏡質組為主，母質來源多為植物的孢子及各種凝膠體；焦石壩地區有機質品質較高，以Ⅰ型干酪根為主，腐泥組質量分數高，以藻類體和棉絮狀腐泥無定形體為主，母質來源主要為浮游生物和菌藻類.

(2)孔隙度及孔隙類型.石林地區為地表露頭信息，一方面由于地層抬升至地表后，壓力釋放，巖石發生彈性膨脹；另一方面受地表的風化、淋濾作用影響，露頭樣品多見溶蝕孔、粒內溶孔等孔徑普遍大于50 nm的大孔且測試孔隙度值偏高.焦石壩地區五峰組—龍馬溪組下部以2～900 nm的有機質孔為主，向上逐漸演變至以黏土礦物孔為主.

圖9 川東南地區五峰組—龍馬溪組頁巖厚度特征Fig.9 Shale thickness of Wufeng-Longmaxi formation in southeast of Sichuan basin

6 結論

(1)川東南石林地區五峰組—龍馬溪組野外實測厚度為280～420 m，主要發育深水陸棚相黑色頁巖、硅質泥頁巖及淺水陸棚相粉砂質泥頁巖；五峰組—龍馬溪組下部頁巖脆性礦物質量分數高，平均為65.0%；測試有機碳質量分數平均為1.46%，有機質類型以Ⅱ型干酪根為主，有機質成熟度為2.43%；主要發育溶蝕孔、粒間微孔、粒內微氣孔、黃鐵礦粒內孔、黏土礦物片理縫、粒緣縫及收縮縫等7類微型儲集空間，平均孔隙度約為3.66%，具備較大生烴潛力、較有利儲存運移和壓裂改造條件.

(2)與焦石壩地區具有較高的相似性，五峰組—龍馬溪組發育深水陸棚—淺水陸棚相的富筆石黑色頁巖、粉砂質泥頁巖沉積,石林地區為地表露頭區，斷層發育、構造復雜，相較于焦石壩地區具有較差的保藏條件.

(3)由于沿桐梓—石林一線向東南方向五峰組—龍馬溪組多被抬升至地表或剝蝕，該方向近四川盆地東南緣的五峰組—龍馬溪組具有較淺的埋深條件、較厚的有效頁巖厚度、較高的有機碳質量分數，更具備頁巖氣勘探價值.

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2015-03-19；編輯：劉麗麗

中國地質調查局基金項目(1212011220749)

林 彤(1990-)，女，碩士研究生，主要從事儲層沉積學方面的研究.

雍自權,E-mail: yongzq@cdut.edu.cn

TE122.1

A

2095-4107(2015)03-0083-11

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.011