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(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430100；2.長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，武漢 430100；3.中石化江漢石油工程有限公司測(cè)錄井公司，湖北 潛江 433123）

依據(jù)巖心觀察、實(shí)驗(yàn)分析、錄井和測(cè)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(huán)境。龍馬溪組下部—五峰組主要為黑色、灰黑色炭質(zhì)頁巖，形成于弱氧化—強(qiáng)還原環(huán)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(gòu)成；沉積微相可劃分為深水砂泥質(zhì)陸棚、深水混積陸棚、深水硅泥質(zhì)陸棚、深水泥質(zhì)陸棚4種；頁巖沉積經(jīng)歷了一個(gè)較為完整的“海進(jìn)—海退”三級(jí)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(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層、深化認(rèn)識(shí)焦石壩海相頁巖儲(chǔ)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(lǐng)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(chǔ)量。由于其良好的原始油氣地質(zhì)條件，比照北美地區(qū)頁巖氣田形成條件、勘探方法與儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，形成了具有中國特色的頁巖氣戰(zhàn)略選區(qū)、鉆完井施工、測(cè)錄井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)等頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，近三年中石油和中石化相繼在川南威遠(yuǎn)地區(qū)和川東南涪陵焦石壩地區(qū)發(fā)現(xiàn)了威遠(yuǎn)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(qū)域地質(zhì)概況

焦石壩頁巖氣田隸屬于川東褶皺帶，位于萬縣復(fù)向斜的南部與方斗山背斜帶西側(cè)的交匯區(qū)域。氣田主要構(gòu)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(yuǎn)離“通天”斷層，頁巖氣保存條件良好；背斜形態(tài)清楚，地層平緩，傾角0.5°～10°。氣田地表出露地層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組，工區(qū)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(yáng)子地區(qū)地層層序一致（表1）［6-9］。

中上揚(yáng)子地區(qū)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(jī)質(zhì)的頁巖層生長(zhǎng)發(fā)育，頁巖具有較好的儲(chǔ)集性能。

表1　中上揚(yáng)子地區(qū)志留系至奧陶系地層及巖性簡(jiǎn)表

2　沉積相特征研究

“相”最早由丹麥地質(zhì)學(xué)家Steno（斯丹諾，1669）引入地質(zhì)文獻(xiàn)，而后瑞士地質(zhì)學(xué)家Gressly（格列斯利，1838）認(rèn)為：“相是沉積物變化的總和。”自此以后，相的概念逐漸為地質(zhì)界所接受和引用，并用來研究地層沉積環(huán)境［10］。沉積相定義為沉積環(huán)境及在該環(huán)境中形成的沉積巖的綜合特征，包括巖石相、相標(biāo)志及相模式等，以焦頁1井的巖心、錄井、測(cè)井資料，從四個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1巖石相綜合特征

在前人研究的基礎(chǔ)上，利用測(cè)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(cè)井U和Th/U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（Adams and Weaver，1958；Jacobi et al.，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。

2.1.2巖石礦物組分特征

焦頁1井樣品分析結(jié)果表明焦石壩地區(qū)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(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石、白云石和黃鐵礦等。根據(jù)焦頁1井龍馬溪組—五峰組含氣頁巖段取樣分析及測(cè)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(zhǎng)英質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)表（石元會(huì)等，2012）

通常，頁巖TOC＞4%為富有機(jī)質(zhì)含量、簡(jiǎn)稱“富碳”；頁巖硅含量＞40%為高硅含量、簡(jiǎn)稱“高硅”（表2）。焦頁1井龍溪組下部—五峰組含氣頁巖段，有機(jī)碳含量為0.5%～6.0%，平均為2.5%，具有自上而下有機(jī)碳含量逐漸增加的趨勢(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。根據(jù)以上三方面特征的差異性（表2），將焦石壩地區(qū)龍馬溪組—五峰組含氣頁巖段劃分出7個(gè)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(duì)比圖

從焦頁1、2、3、4井橫向?qū)Ρ惹闆r來看，7個(gè)巖相橫向厚度穩(wěn)定（圖1）。

2.2沉積相標(biāo)志

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

2.2.1沉積構(gòu)造

從巖心觀察來看，目的層大量發(fā)育層理構(gòu)造，主要表現(xiàn)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(zhì)粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)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(huán)境條件下季節(jié)性低密度濁流形成的產(chǎn)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(fā)育，富炭質(zhì)紋層與富粉砂紋層間互成層（圖2C），井深2 368.6m處也發(fā)育水平紋層，由富泥炭質(zhì)紋層（厚度為0.32mm～6.4mm）與貧炭質(zhì)富粉砂質(zhì)紋層（厚度0.16mm～0.96mm）形成明暗相間紋層構(gòu)造（圖2D）。五峰組井深2 413.0～2 415.0mFMI靜態(tài)圖像為亮黃色—白色，動(dòng)態(tài)圖像可見大多發(fā)育塊狀、中層狀層理（圖2E）。

圖2　焦石壩地區(qū)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(duì)豐富，代表了典型的深水陸棚沉積環(huán)境（包括深水砂泥質(zhì)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(zhì)類骨骼生物化石，代表水體更深的深水陸棚沉積環(huán)境（包括深水硅泥質(zhì)陸棚微相和深水泥質(zhì)陸棚微相）。從生物化石縱向發(fā)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(jí)層序與盆地規(guī)模的中期基準(zhǔn)面旋回相對(duì)應(yīng)，其本質(zhì)上是在外部由不整合面及與之可對(duì)比的整合面所圍限（因在三級(jí)旋回中一般沒有發(fā)生明顯的構(gòu)造變動(dòng)，而主要由基準(zhǔn)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(nèi)部由初始水進(jìn)面和最大水進(jìn)面分隔成的一個(gè)完整的沉積體系域旋回組成。在三級(jí)層序內(nèi)部一般不可能出現(xiàn)明顯的不整合面，也不可能出現(xiàn)多個(gè)完整的沉積旋回［15］。研究區(qū)龍馬溪組下部—五峰組暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育時(shí)期共可劃分出兩個(gè)三級(jí)層序。

通過研究區(qū)焦頁1、2、3、4井的連井對(duì)比情況來看（圖1），89m段三級(jí)層序具備較好的可對(duì)比性，從橫向?qū)Ρ惹闆r來看，焦石壩地區(qū)龍馬溪組—五峰濁積砂段以下暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育段均可劃分出一個(gè)完整的三級(jí)層序，主體均為深水陸棚沉積環(huán)境，自下而上依次發(fā)育了深水硅泥質(zhì)陸棚、深水泥質(zhì)陸棚、深水砂泥質(zhì)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(xué)標(biāo)志

焦頁1井龍馬溪組下部-五峰組含氣頁巖段，173個(gè)巖心樣品分析顯示，有機(jī)碳TOC含量為0.5%～6.0%，平均為2.5%，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(jī)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(zhì)、炭質(zhì)頁巖為主，頂部為幾十厘米至一米厚的凝灰?guī)r與龍馬溪組作為分界，測(cè)井顯示五峰組具有三個(gè)峰值，向上伽馬增大，最大值可達(dá)307.4API；龍馬溪組以灰黑色粉砂質(zhì)、炭質(zhì)泥頁巖夾放射蟲粉砂質(zhì)、炭質(zhì)泥頁巖為主，測(cè)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(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖為主，夾薄層炭質(zhì)頁巖，砂質(zhì)含量明顯增多。測(cè)井顯示具有相對(duì)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(zhì)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(zhì)泥巖與粉砂質(zhì)泥巖互層，偶夾薄層的灰質(zhì)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(zhì)粉砂質(zhì)泥巖，自然伽馬似箱狀高值，對(duì)應(yīng)的電阻率為低值，其脆性礦物的含量在40%左右。整段測(cè)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(duì)比可以看出，焦石壩地區(qū)五峰-龍馬溪組濁積砂段下部暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖段沉積時(shí)期海平面經(jīng)歷了一個(gè)完整的三級(jí)升降旋回，其中存在兩期次一級(jí)的升降旋回，沉積環(huán)境縱向上先后經(jīng)歷了深水硅泥質(zhì)陸棚、深水泥質(zhì)陸棚、深水砂泥質(zhì)陸棚、深水混積陸棚、深水砂泥質(zhì)陸棚這樣一個(gè)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(shí)期，轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水陸棚沉積環(huán)境，底部沉積了一套濁流成因的濁積砂，向上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水泥質(zhì)陸棚的沉積環(huán)境。

總體上志留系時(shí)期中揚(yáng)子地區(qū)為一擠壓背景下的前陸盆地，研究區(qū)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(shí)期主體為深水陸棚沉積環(huán)境，向東逐漸過渡為淺水陸棚、濱岸相沉積環(huán)境直至當(dāng)時(shí)的川中古隆起，向東至湘鄂西地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水陸棚沉積環(huán)境，當(dāng)時(shí)的沉積中心位于彭水地區(qū)。

圖5　焦石壩地區(qū)龍馬溪組—五峰沉積模式圖

3　結(jié)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(qiáng)還原環(huán)境。

2）依據(jù)頁巖顏色、有機(jī)碳含量及硅質(zhì)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(jù)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(zhì)陸棚微相、深水混積陸棚微相、深水硅泥質(zhì)陸棚微相、深水泥質(zhì)陸棚等4種沉積環(huán)境。

3）焦石壩頁巖氣田龍馬溪組下部—五峰組暗色富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積時(shí)期，海水自下而上經(jīng)歷了一個(gè)較為完整的“海進(jìn)—海退”三級(jí)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(gè)次一級(jí)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(shù)服務(wù)有限公司科技攻關(guān)項(xiàng)目“涪陵地區(qū)頁巖氣示范區(qū)石油工程集成技術(shù)”（SG1305）

林婉（1989-），女，長(zhǎng)江大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要研究方向是儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)

肖傳桃（1965-），男，碩士生導(dǎo)師，研究方向：古生態(tài)學(xué)與古環(huán)境、油氣勘探地層學(xué)、巖性油氣藏預(yù)測(cè)等