焦石壩頁巖氣田龍馬溪組
—五峰組沉積相特征

林　婉，肖傳桃，石文睿，梁文君，李　昂，任　元

焦石壩頁巖氣田龍馬溪組
—五峰組沉積相特征

林婉1，肖傳桃1，石文睿2，梁文君1，李昂1，任元3

（1. 長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，武漢 430100；2.長江大學地球物理與石油資源學院，武漢 430100；3.中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司，湖北 潛江 433123）

依據巖心觀察、實驗分析、錄井和測井資料，研究了四川焦石壩頁巖氣田志留系龍馬溪組下部—奧陶系五峰組海相頁巖基本特征、沉積環境。龍馬溪組下部—五峰組主要為黑色、灰黑色炭質頁巖，形成于弱氧化—強還原環境，由含碳低硅，高碳低硅，中碳中硅、低硅，高碳高硅、中硅，富碳高硅7種巖石相構成；沉積微相可劃分為深水砂泥質陸棚、深水混積陸棚、深水硅泥質陸棚、深水泥質陸棚4種；頁巖沉積經歷了一個較為完整的“海進—海退”三級海平面升降旋回，沉積亞相為深水陸棚沉積。研究成果為今后在四川盆地海相頁巖地層尋找優質儲層、深化認識焦石壩海相頁巖儲層特征提供了有益的借鑒。

頁巖氣；巖心；沉積相；焦石壩

中國南方中古生界海相領域勘探已有五十多年歷史，在四川盆地找到了豐富的油氣儲量。由于其良好的原始油氣地質條件，比照北美地區頁巖氣田形成條件、勘探方法與儲層評價標準，形成了具有中國特色的頁巖氣戰略選區、鉆完井施工、測錄井儲層評價等頁巖氣勘探開發關鍵技術，近三年中石油和中石化相繼在川南威遠地區和川東南涪陵焦石壩地區發現了威遠頁巖氣田和焦石壩頁巖氣田，取得了中國頁巖氣勘探的新突破［1-5］。

1　區域地質概況

焦石壩頁巖氣田隸屬于川東褶皺帶，位于萬縣復向斜的南部與方斗山背斜帶西側的交匯區域。氣田主要構造位于包鸞—焦石壩背斜帶，邊緣被大耳山西、石門、吊水巖等斷層夾持，遠離“通天”斷層，頁巖氣保存條件良好；背斜形態清楚，地層平緩，傾角0.5°～10°。氣田地表出露地層為下三疊統嘉陵江組，工區地層自上而下為三疊系、二疊系與石炭系黃龍組、志留系韓家店組、小河壩組、龍馬溪組及奧陶系五峰組、澗草溝組等，與中上揚子地區地層層序一致（表1）［6-9］。

中上揚子地區龍馬溪組—五峰組地層主要為深水陸棚相沉積，且沉積水體從下到上逐漸變淺，有利于富含有機質的頁巖層生長發育，頁巖具有較好的儲集性能。

表1　中上揚子地區志留系至奧陶系地層及巖性簡表

2　沉積相特征研究

“相”最早由丹麥地質學家Steno（斯丹諾，1669）引入地質文獻，而后瑞士地質學家Gressly（格列斯利，1838）認為：“相是沉積物變化的總和?！弊源艘院?，相的概念逐漸為地質界所接受和引用，并用來研究地層沉積環境［10］。沉積相定義為沉積環境及在該環境中形成的沉積巖的綜合特征，包括巖石相、相標志及相模式等，以焦頁1井的巖心、錄井、測井資料，從四個方面對其進行分析。

2.1巖石相綜合特征

在前人研究的基礎上，利用測井U和Th/U、錄井巖石礦物組分和碳硅含量三方面的變化來剖析龍馬溪組下部—五峰組地層巖石相特征［11-14］。

2.1.1測井U和Th/U特征

利用U元素對海平面變化引起氧化還原環境的變化較為敏感，但Th元素相對不敏感（Adams and Weaver，1958；Jacobi et al.，2008）的特性，認為U濃度和Th/U值的波動對應于海平面的升降，在海進時期盆地處于缺氧環境，沉積硅質，有機質豐富的泥巖沉積物來自深海環境，盆地條件變化的標志是U急劇增加，Th/U值降低到2以下；相反地，海退形成淺水的、氧化作用較強的水體環境，在這種環境中形成較少的有機質，但是碎屑巖、粉砂質泥巖和碳酸質泥巖較容易形成，反映出過渡海相環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。

2.1.2巖石礦物組分特征

焦頁1井樣品分析結果表明焦石壩地區龍溪組下部—五峰組含氣頁巖礦物成分以石英和粘土礦物為主，含斜長石、鉀長石、方解石、白云石和黃鐵礦等。根據焦頁1井龍馬溪組—五峰組含氣頁巖段取樣分析及測井解釋巖石礦物組分剖面可以看出，粘土礦物含量為16.0%～63.0%，平均含量40.0%，長英質含量為23.0%～74.0%，平均含量46.5%，碳酸鹽巖含量較少，為0%～34.0%，平均含量10.0%，其它平均2.5%。

2.1.3碳硅含量特征

表2　頁巖巖石相硅碳劃分標準表（石元會等，2012）

通常，頁巖TOC＞4%為富有機質含量、簡稱“富碳”；頁巖硅含量＞40%為高硅含量、簡稱“高硅”（表2）。焦頁1井龍溪組下部—五峰組含氣頁巖段，有機碳含量為0.5%～6.0%，平均為2.5%，具有自上而下有機碳含量逐漸增加的趨勢。富有機質泥巖相對高值區分布于五峰組—龍馬溪組底部2 377.5～2 415.5m井段。根據以上三方面特征的差異性（表2），將焦石壩地區龍馬溪組—五峰組含氣頁巖段劃分出7個不同的巖石相類型，自上而下分別：⑦2 326.5～2 338.5m：含碳低硅頁巖相，⑥2 338.5～2 353.5m：高碳低硅頁巖相，⑤2 353.5～2 368.5m：中碳中硅頁巖相，④2 368.5～2 377.5m：中碳低硅頁巖相，③2 377.5～387.5m:高碳高硅頁巖相，②2 387.5～2 395.5m：高碳中硅頁巖相，①2 395.5～2 415.5m：富碳高硅頁巖相。

圖1　焦頁1至4井連井沉積相對比圖

從焦頁1、2、3、4井橫向對比情況來看，7個巖相橫向厚度穩定（圖1）。

2.2沉積相標志

相標志是反映沉積相的一些標志，它是相分析及古地理研究的基礎。一般可歸納為巖石相、沉積構造、古生物、層序特征、地球化學和電性相標志類型［10］。巖石相前文已詳述，不再贅述。

2.2.1沉積構造

從巖心觀察來看，目的層大量發育層理構造，主要表現為水平層理以及塊狀、中層狀層理。從焦頁1井巖心可觀察到灰黑色含炭質粉砂質泥巖與泥質粉砂巖呈條帶狀或條紋狀頻繁韻律互層（圖2A），巖石中常含順層分布的筆石化石，代表其屬深水陸棚環境條件下季節性低密度濁流形成的產物（圖2B）。其中，龍馬溪組下部井深2347.2m薄片觀察顯示水平紋層發育，富炭質紋層與富粉砂紋層間互成層（圖2C），井深2 368.6m處也發育水平紋層，由富泥炭質紋層（厚度為0.32mm～6.4mm）與貧炭質富粉砂質紋層（厚度0.16mm～0.96mm）形成明暗相間紋層構造（圖2D）。五峰組井深2 413.0～2 415.0mFMI靜態圖像為亮黃色—白色，動態圖像可見大多發育塊狀、中層狀層理（圖2E）。

圖2　焦石壩地區龍馬溪組下部主要巖性特征

2.2.2古生物

焦頁1井龍馬溪組下部-五峰組89m段普見筆石類生物化石（圖3），化石較為單一，化石含量相對豐富，代表了典型的深水陸棚沉積環境（包括深水砂泥質陸棚微相、深水混積陸棚微相），除了富含筆石化石外，另外可見較為豐富的海綿、放射蟲和骨針等硅質類骨骼生物化石，代表水體更深的深水陸棚沉積環境（包括深水硅泥質陸棚微相和深水泥質陸棚微相）。從生物化石縱向發育組合特征來看，龍馬溪組下部-五峰組整體上下部水體要明顯深于中部和上部。

圖3　焦頁1井龍馬溪組-五峰巖心筆石化石照片

2.2.3沉積層序

三級層序與盆地規模的中期基準面旋回相對應，其本質上是在外部由不整合面及與之可對比的整合面所圍限（因在三級旋回中一般沒有發生明顯的構造變動，而主要由基準面的升降而形成，所以一般是超覆不整合或下切不整合），在內部由初始水進面和最大水進面分隔成的一個完整的沉積體系域旋回組成。在三級層序內部一般不可能出現明顯的不整合面，也不可能出現多個完整的沉積旋回［15］。研究區龍馬溪組下部—五峰組暗色富有機質泥頁巖發育時期共可劃分出兩個三級層序。

通過研究區焦頁1、2、3、4井的連井對比情況來看（圖1），89m段三級層序具備較好的可對比性，從橫向對比情況來看，焦石壩地區龍馬溪組—五峰濁積砂段以下暗色富有機質泥頁巖發育段均可劃分出一個完整的三級層序，主體均為深水陸棚沉積環境，自下而上依次發育了深水硅泥質陸棚、深水泥質陸棚、深水砂泥質陸棚和深水混積陸棚縱向沉積相演化序列（圖4）。

圖4　焦頁1井龍馬溪組下部—五峰組沉積相特征

2.2.4地球化學標志

焦頁1井龍馬溪組下部-五峰組含氣頁巖段，173個巖心樣品分析顯示，有機碳TOC含量為0.5%～6.0%，平均為2.5%，具有自上而下有機碳含量逐漸增加趨勢。富有機質泥巖相對高值區分布于龍馬溪組底部—五峰組2 377.5～2 415.5m井段，83塊樣品分析，有機碳含量最小為1.0%，最大5.89%，平均3.50%。

2.2.5電性特征

1段（2 377.5～2 415.5m，厚38.0m）：下部6m五峰組巖性以黑色硅質、炭質頁巖為主，頂部為幾十厘米至一米厚的凝灰巖與龍馬溪組作為分界，測井顯示五峰組具有三個峰值，向上伽馬增大，最大值可達307.4API；龍馬溪組以灰黑色粉砂質、炭質泥頁巖夾放射蟲粉砂質、炭質泥頁巖為主，測井顯示具有高伽馬、高含U，低電阻、低密度及低Th/U的特征，其中伽馬平均值為181.6API，U平均值為12.8API，密度平均值為2.53g/cm3，Th/U值＜2.0，平均值僅1.3，筆石和放射蟲含量高，脆性礦物含量在60%以上。

2段（2 353.5～2 377.5m，厚24.0m）：巖性較為單一，以灰黑色-黑色泥質粉砂巖及粉砂質泥巖為主，夾薄層炭質頁巖，砂質含量明顯增多。測井顯示具有相對較低的伽馬、低含U，高電阻、高密度及高Th/U的特征，自然伽馬、電阻率及三孔隙均呈箱狀中值，其中伽馬平均值為151.2API，U平均值為7.2API，密度平均值為2.63g/cm3，Th/U＞2.0，平均值為2.4，本段砂質含量較重，脆性礦物含量分布于50%～60%。

3段（2 326.5～2 353.5m，厚27.0m）：下部為灰色-深灰色炭質泥巖與粉砂質泥巖互層，偶夾薄層的灰質泥巖，自然伽馬和電阻率曲線上齒化似峰狀，脆性礦物含量也在40%～50%左右。上部主要為一套灰黑色～黑色含炭質粉砂質泥巖，自然伽馬似箱狀高值，對應的電阻率為低值，其脆性礦物的含量在40%左右。整段測井顯示具有較高伽馬、高密度，較低電阻、低U含量、低聲波、中子的特征，伽馬平均值為170.2API，U平均值為8.2API，密度平均值為2.66g/cm3，Th/U＞2.0，平均值2.5。

2.3沉積模式

綜合焦頁1、2、3、4井的連井沉積相對比可以看出，焦石壩地區五峰-龍馬溪組濁積砂段下部暗色富有機質泥頁巖段沉積時期海平面經歷了一個完整的三級升降旋回，其中存在兩期次一級的升降旋回，沉積環境縱向上先后經歷了深水硅泥質陸棚、深水泥質陸棚、深水砂泥質陸棚、深水混積陸棚、深水砂泥質陸棚這樣一個自下而上水體整體逐漸變淺的縱向演化序列（圖5）。至層序二時期，轉變為淺水陸棚沉積環境，底部沉積了一套濁流成因的濁積砂，向上逐漸轉變為淺水泥質陸棚的沉積環境。

總體上志留系時期中揚子地區為一擠壓背景下的前陸盆地，研究區位于前陸隆起隆后盆地部位，龍馬溪組下部—五峰組暗色泥頁巖沉積時期主體為深水陸棚沉積環境，向東逐漸過渡為淺水陸棚、濱岸相沉積環境直至當時的川中古隆起，向東至湘鄂西地區逐漸轉變為淺水陸棚沉積環境，當時的沉積中心位于彭水地區。

圖5　焦石壩地區龍馬溪組—五峰沉積模式圖

3　結論

1）焦石壩頁巖氣田龍馬溪組下部—五峰組以深水陸棚沉積體系為主，頁巖顏色主要為黑色、灰黑色，反映其處于弱氧化—強還原環境。

2）依據頁巖顏色、有機碳含量及硅質含量變化，將焦石壩頁巖氣田龍馬溪組下部—五峰組頁巖層劃分為含碳低硅、高碳低硅、中碳中硅、中碳低硅、高碳高硅、高碳中硅、富碳高硅7種巖石相；依據頁巖巖石相（巖石組合類型）、古生物化石及電性特征，將焦石壩頁巖氣田龍馬溪組下部—五峰組頁巖層劃分為深水砂泥質陸棚微相、深水混積陸棚微相、深水硅泥質陸棚微相、深水泥質陸棚等4種沉積環境。

3）焦石壩頁巖氣田龍馬溪組下部—五峰組暗色富有機質頁巖沉積時期，海水自下而上經歷了一個較為完整的“海進—海退”三級海平面升降旋回，在大的海平面升降旋回過程中，仍存在兩個次一級的海平面升降旋回。

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Sedimentary Facies of the Longmaxi Formation-Wufeng Formations in the Jiaoshiba Shale Gas Field

LIN Wan1XIAO Chuan-tao1SHI Wen-rui2LIANG Wen-jun1LI Ang1REN Yuan3
（1-Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources， MLR， Yangtze University，Wuhan 430100； 2-College of Geophysics and Oil Resources， Yangtze University， Wuhan 30100； 3- Jianghan Well Logging & Testing Engineering Company， SINOPEC， Qianjiang， Hubei 433123）

This paper deals with lithologic characteristics and sedimentary environment of marine shale of the Lower Silurian Longmaxi-Ordovician Wufeng Formations in the Jiaoshiba shale gas field， Sichuan basin，based on core observation， experimental analysis， logging and logging data. The marine shale is characterized by low silicon， high carbon and low silicon， medium carbon and medium silicon， medium carbon and low silicon，high carbon and high silicon， high carbon and medium silicon， rich carbon and high silicon and formed in weakly oxidized-strong reducing environment. The sedimentary microfac ies may be divided into 4 types such asdeepwater sand shale shelf， deepwater mixing product shelf， deepwater silicon argillaceous shelf and deepwater shale shelf.

shale gas； Longmaxi-Wufeng Formations； sedimentary facies； Jiaoshiba； Sichuan

P618.13

A

1006-0995（2015）03-0517-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.009

2014-10-20

中石化石油工程技術服務有限公司科技攻關項目“涪陵地區頁巖氣示范區石油工程集成技術”（SG1305）

林婉（1989-），女，長江大學地質工程專業在讀碩士研究生，主要研究方向是儲層地質學

肖傳桃（1965-），男，碩士生導師，研究方向：古生態學與古環境、油氣勘探地層學、巖性油氣藏預測等