川渝鄂地區(qū)龍馬溪組頁巖沉積環(huán)境及儲集特征

鄧 鑫， 康志宏,2， 陳陽陽， 彭媛媛， 肖海峰， 韓慧宇， 余旭東， 趙 晨

( 1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院,北京 100083； 2. 國土資源部頁巖氣資源戰(zhàn)略評價重點實驗室，北京 100083； 3. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京 100083； 4. 中國石油遼河油田公司 遼河工程技術(shù)處，遼寧 盤錦 124010 )

0 引言

2012年，在焦石壩地區(qū)鉆探焦頁1井，測試穩(wěn)定產(chǎn)量為11.0×104m3/d，最高工業(yè)氣流為20.3×104m3/d，發(fā)現(xiàn)涪陵頁巖氣田，使中國成為除北美以外的首個實現(xiàn)頁巖氣工業(yè)化生產(chǎn)的國家[1]。雖然川渝鄂地區(qū)頁巖氣經(jīng)歷多年的勘探和開發(fā)，但多期次復(fù)雜的構(gòu)造運動導(dǎo)致沉降帶和沉積中心受構(gòu)造體系影響而發(fā)生劇烈遷移，泥頁巖沉積體系和有利沉積相帶的展布等缺少系統(tǒng)認識。

中國南方下古生界富有機質(zhì)頁巖以海相沉積為主，其中中上揚子及滇黔桂地區(qū)海相泥頁巖分布面積大，厚度穩(wěn)定，有機碳含量高，熱演化程度高[2-4]。中國海相頁巖氣賦存地質(zhì)條件與美國的相比既有相似性，也存在差異，不能照搬北美頁巖氣評價標準[5]。川渝鄂地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組作為主要頁巖氣產(chǎn)層，根據(jù)“構(gòu)造控盆、盆控相帶、相控資源”的觀點，對其沉積層序進行劃分、對比，在野外剖面實測研究的基礎(chǔ)上，康玉柱采用“單因素分析綜合作圖法”，對川渝鄂及周緣區(qū)域龍馬溪期的巖相古地理進行研究[6],進一步明確龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段的沉積特征，厘清優(yōu)質(zhì)頁巖展布、厚度及儲層特性有助于擴大非常規(guī)天然氣的勘探范圍，為川渝鄂地區(qū)內(nèi)“涪陵式”頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

大地構(gòu)造位置控制頁巖氣藏，中國海相頁巖發(fā)育于多期次疊合盆地。聶海寬等[7]總結(jié)海相頁巖的特點，根據(jù)中國盆地特點制定頁巖氣藏評價指標。賈承造等[8]提出非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)重要理論。隨著南方中上揚子復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)評價井資料的獲取，李博等[9]總結(jié)頁巖氣的核心評價指標。通過對Barnett頁巖的研究，Loucks R G等[10]總結(jié)頁巖氣成藏的古海洋沉積環(huán)境模式圖，認為頁巖地層沉積在一個較封閉且水體較深的前陸盆地，底層靜水有利于保存富有機質(zhì)烴源巖，并伴隨豐富的草莓狀黃鐵礦。筆者利用巖心、野外露頭等資料，分析川渝鄂地區(qū)龍馬溪組頁巖沉積環(huán)境及儲集特征，預(yù)測研究區(qū)域的勘探有利區(qū)帶。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)范圍為四川盆地及其周緣和湘鄂西地區(qū)，其中主要行政區(qū)包括四川省、重慶市和湖北省西部，屬于山地—丘陵地貌，海拔為300～2 000 m。研究區(qū)地跨三大構(gòu)造單元，北以秦嶺大別山斷裂帶為界，南至黔中隆起，西以龍門山斷裂帶為界，東至雪峰隆起區(qū)(見圖1)。志留世是地史上加里東構(gòu)造階段地殼運動最為強烈的時期，古地理輪廓產(chǎn)生很大變革。志留系地層的沉積特征受構(gòu)造運動影響，受控于多種類沉積環(huán)境和沉積條件，巖相古地理分布及其發(fā)育程度復(fù)雜多變[11-19]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置Fig.1 Regional location of study area

南方志留系地層研究較為深入，滇東北、貴州及川、湘部分地區(qū)的志留系名稱較多，地層特征大體能夠?qū)Ρ取５撞康凝堮R溪組為跨系地層，為淺海碎屑巖相、筆石頁巖相及碳酸鹽巖相沉積。主要由含大量筆石的黑色頁巖、硅質(zhì)頁巖夾不穩(wěn)定灰?guī)r透鏡體組成，主要化石有Orthograptusvesiculosus,Glyptograptuspersculptus。

研究區(qū)志留系龍馬溪組，與下伏上奧陶統(tǒng)五峰組地層呈整合或假整合接觸，部分地區(qū)五峰組地層有尖滅，志留系底部頁巖直接覆蓋在奧陶系灰?guī)r地層之上。龍馬溪組為淺海細碎屑沉積物，富含筆石。該組頁巖與砂巖混層在華鎣山一帶砂泥質(zhì)加重，厚度為229～299 m。綦江一帶夾多層泥灰?guī)r，厚度為161 m。長寧、興文增厚至310 m。二郎山、雷波地區(qū)，龍馬溪組為炭質(zhì)頁巖夾泥灰?guī)r。二郎山西坡佛爾崖厚度為46 m，超覆于五峰組之上。二郎山東坡陳香崖厚度為148 m。馬邊、布拖厚度為153～157 m。雷波芭焦灘厚度為176～321 m，且逐漸過渡到整合接觸。上覆石牛欄組為深灰色中厚層介屑灰?guī)r，富含珊瑚、腕足、三葉蟲及頭足類化石，主要有三葉蟲Songkanig、腕足類Pentamerus。

2 巖性特征

龍馬溪組頁巖巖性表現(xiàn)為以泥頁巖為主、夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖和碳酸鹽巖。在不同層段和不同地區(qū)，各種巖石類型組合特征也存在差異，如焦石壩地區(qū)龍馬溪組一段以連續(xù)發(fā)育的黑色炭質(zhì)筆石頁巖為主，厚度為89.5 m。龍馬溪組二段為濁積砂夾粉砂質(zhì)泥巖，厚度為34.0 m。龍馬溪組三段含粉砂質(zhì)泥巖，厚度為128.0 m[20]。龍馬溪組頁巖從下向上總體表現(xiàn)為水體逐漸變淺的沉積序列，巖性三分性特征明顯。總體上，巖石類型較簡單，但組合類型多樣。根據(jù)各類巖石成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特征，識別和分析多種巖石類型和沉積現(xiàn)象[21](見圖2)。

(1)黑色頁巖。主要為頁理發(fā)育的深黑色頁巖，單層厚度較薄。主要分布于鄂西—黔北一帶。

(2)炭質(zhì)頁巖。主要為灰黑色炭質(zhì)泥頁巖，可見黑色炭質(zhì)顆粒，粒徑為2～5 mm，頁理構(gòu)造發(fā)育，污手。主要分布于利川—興文一帶。

(3)灰質(zhì)頁巖。主要為頁理不發(fā)育灰黑色灰質(zhì)頁巖，單層厚度較薄，為2～10 cm，不易風(fēng)化。在恩施長梁子剖面龍馬溪組中上部可見。

(4)硅質(zhì)頁巖。主要為頁理較發(fā)育的灰黑色硅質(zhì)頁巖，硅質(zhì)質(zhì)量分數(shù)約為35%，單層厚度薄，風(fēng)化后常呈尖角狀。主要分布于利川—桑植一帶，在利川毛壩、桑植沙塔坪剖面龍馬溪組底部可見。

圖2 研究區(qū)龍馬溪組頁巖沉積特征Fig.2 The sedimentary characteristics of Longmaxi formation shale in study area

(5)含筆石頁巖。主要為黑灰色、灰黑色薄板狀頁巖，生物種類單調(diào)，僅見蜉蝣類筆石化石遺跡，保存較好，質(zhì)量分數(shù)約為20%。在利川彭家灣、鶴峰牛角尖剖面龍馬溪組底部可見。

(6)粉砂質(zhì)頁巖。主要為深灰色薄層粉砂質(zhì)頁巖，風(fēng)化覆蓋較嚴重，粉砂質(zhì)質(zhì)量分數(shù)約為30%，風(fēng)化后的顏色為黃灰色。主要分布于渝東南地區(qū)，在重慶石柱剖面龍馬溪組中上部可見，向南延伸至貴州桐梓和習(xí)水一帶。

3 沉積相類型及特征

研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)泥頁巖出露情況較好，廣泛分布于川東、鄂西及渝東地區(qū)。觀察8條野外剖面(其中實測剖面5條)、焦頁1井等5口井巖心，結(jié)合野外露頭觀察、測井響應(yīng)特征和薄片鑒定，根據(jù)野外剖面沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、生物巖石類型分析，下志留統(tǒng)龍馬溪組可識別深水陸棚相、淺海陸棚相和潮坪潟湖相。

(1)深水陸棚相。深水陸棚是碎屑巖陸棚靠近深海盆地一側(cè)，主要為泥質(zhì)沉積[22-25]。根據(jù)巖性巖相特征可識別泥質(zhì)陸棚微相。巖性主要為黑色、黑灰色炭質(zhì)、硅質(zhì)泥頁巖，代表水動力條件很弱的沉積環(huán)境，沉積微相是研究區(qū)主要的頁巖氣源巖發(fā)育相帶。

(2)淺海陸棚相。淺海陸棚是碎屑巖陸棚靠近過渡帶一側(cè)，主要為砂泥質(zhì)沉積，發(fā)育于水動力較弱的潮下帶[22-25]。巖性主要為泥頁巖和粉砂巖薄互層相間分布，發(fā)育水平紋層狀，含豐富的底棲生物和遺跡化石，廣泛發(fā)育生物擾動構(gòu)造。

(3)潮坪潟湖相。潮坪潟湖相屬于濱岸沉積體系中有障壁沉積類型，發(fā)育于平緩的海岸，呈帶狀分布[22-25]。碎屑巖潮坪潟湖相主要由細砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖等組成。碳酸鹽巖潮坪潟湖相巖性為膏溶角礫巖、泥灰?guī)r及準同生白云巖等。

以湖南石門白云山奧陶系—志留系、湖北鶴峰縣牛角尖奧陶系—志留系、貴州習(xí)水縣騎龍村奧陶系—志留系、四川興文縣三新磚廠奧陶系—志留系、云南永善縣胡家山奧陶系—志留系5條剖面為節(jié)點，建立東西向連井剖面進行志留紀區(qū)域沉積格架研究(見圖3)。志留系沉積變化的控制因素主要為隆升運動引起的海退[26]。早志留世龍馬溪期水體下降，中揚子地區(qū)普遍發(fā)育砂泥質(zhì)潮坪相沉積，川渝鄂東部常德—鶴峰一帶為淺海陸棚—潮坪潟湖相沉積，西部永善—雷波一帶為淺海陸棚相，中部地區(qū)興文—習(xí)水一帶水體深度相對較大，深水陸棚相蜉蝣類生物繁盛，發(fā)育以筆石泥頁巖為特征的深水陸棚相沉積。龍馬溪組川渝鄂地區(qū)總體以發(fā)育黑色頁巖相為特征的淺海局限盆地沉積。

4 頁巖厚度分布及沉積環(huán)境

根據(jù)頁巖厚度及展布范圍可判斷氣藏邊界，龍馬溪組在常德、恩施、石柱、習(xí)水、興文等地區(qū)發(fā)育，在川南—黔北、渝東—湘西地區(qū)沉積厚度較大，泥頁巖厚度由南向北逐漸增大，平均厚度約為60 m，川東的厚度為40～60 m，川南的厚度為20～80 m，川西南的厚度為20～50 m，川中的厚度為25～100 m，川北的厚度為40～120 m(見圖4)。

圖3 研究區(qū)龍馬溪組區(qū)域沉積格架Fig.3 Regional sedimentary framework of Longmaxi formation shale in study area

圖4 研究區(qū)龍馬溪組頁巖厚度預(yù)測分布

富頁巖氣層段主要分布于龍馬溪組下部，底部巖性為炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖及其互層[27]。馮增昭[28]采用單因素分析綜合作圖法，對川渝鄂及周緣區(qū)域龍馬溪期的巖相古地理進行研究，見圖5。

川渝鄂地區(qū)早志留世龍馬溪組盆山格局受加里東階段克拉通盆地構(gòu)造運動控制，繼晚奧陶世錢塘江期陸塊擠壓，褶皺造山，川中隆起、康滇古陸和黔中古陸隆升，揚子地區(qū)南緣的江南隆起、雪峰隆起相連而形成規(guī)模較大的滇黔桂隆起帶。

龍馬溪組進一步被古陸包圍，中上揚子地區(qū)海域縮小，隆起周緣為陸架邊緣海，主要濱岸—淺海陸棚相向中部過渡為深水陸棚[29]。在擠壓背景和受全球缺氧事件控制下，廣泛發(fā)育烴源巖。龍馬溪期早期，川渝鄂區(qū)域上主要發(fā)育淺海陸棚和深水陸棚環(huán)境，小部分以淺灰色粉砂巖、砂巖沉積為主；大部分以深水陸棚深色泥頁巖沉積為主。龍馬溪期晚期，由于海平面繼續(xù)相對下降，川東潮坪潟湖相范圍擴大，川中深水陸棚相分布范圍減少，整體以淺海陸棚相沉積為主，發(fā)育炭質(zhì)頁巖和粉砂巖。

圖5 研究區(qū)龍馬溪組沉積相Fig.5 Sedimentary facies map of Longmaxi formation shale in study area

5 儲層特征

5.1 巖石

圖6 龍馬溪組粉砂質(zhì)泥頁巖礦物組成三角圖Fig.6 Triangular diagram of mineral composition of silty shale of Longmaxi formation shale

龍馬溪組巖石以石英礦物為主，其次為黏土礦物。如焦頁1井志留系龍馬溪組厚度為2 001～2 145 m，泥巖黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為8.83%～40.12%，石英質(zhì)量分數(shù)為44.63%～77.86%，鉀長石質(zhì)量分數(shù)為1.28%～2.55%，斜長石質(zhì)量分數(shù)為5.52%～25.45%，方解石質(zhì)量分數(shù)為1.29%～3.59%，黃鐵礦質(zhì)量分數(shù)為0.84%～2.95%。碳酸鹽巖礦物、黏土礦物，以及石英、長石、黃鐵礦礦物的分布特征見圖6。脆性礦物包括石英、鉀長石、斜長石及碳酸鹽巖礦物，質(zhì)量分數(shù)為38.91%～67.70%，其中石英質(zhì)量分數(shù)為50.00%左右，可壓性強。頁巖的主要黏土礦物為伊利石、綠泥石、蒙脫石和高嶺石[30]。黏土礦物的種類及質(zhì)量分數(shù)對天然氣的吸附量有影響。當溫度為30 ℃時，伊利石吸附CH4的能力最強，其次是蒙脫石的，伊利石和蒙脫石的吸附能力明顯高于高嶺石的。焦頁1井龍馬溪組頁巖層段黏土礦物以伊/蒙混層和伊利石為主，質(zhì)量分數(shù)為28.25%～56.80%，其次為綠泥石的，質(zhì)量分數(shù)為0.78%～4.36%，伊利石質(zhì)量分數(shù)普遍較高，有利于吸附氣大量富集(見圖7)。

5.2 孔滲

頁巖氣主要存在形式為吸附態(tài)和游離態(tài)，游離氣含量與受巖石孔隙空間影響最大。頁巖基質(zhì)孔隙中賦存50%左右的頁巖氣[31]。孔隙性決定儲存油氣的能力，滲透性控制油氣的產(chǎn)能。通過對川渝鄂地區(qū)野外露頭剖面采集的75個樣品試驗測定，龍馬溪組泥頁巖孔隙度為0.47%～16.50%，平均為4.57%(見圖8)；水平滲透率為(0.004～0.917)×10-3μm2(見圖9)，垂直滲透率介于(0.000 2～0.024 0)×10-3μm2，平均為0.032 3×10-3μm2，垂直滲透率遠低于水平滲透率。龍馬溪組孔隙度和滲透率相對于下古生界其他頁巖氣組段的較小，主要是由黏土礦物質(zhì)量分數(shù)高、脆性礦物質(zhì)量分數(shù)相對較小決定的。

圖7 焦頁1井龍馬溪組頁巖層段巖礦特征柱狀圖

圖8 龍馬溪組泥頁巖孔隙度分布Fig.8 Porosity distribution histogram of Longmaxi formation shale

圖9 龍馬溪組泥頁巖滲透率分布Fig.9 Permeability distribution histogram of Longmaxi formation shale

5.3 儲集空間

川渝鄂地區(qū)頁巖段的儲集空間類型主要包括微孔隙和微裂縫，其中孔隙包括有機質(zhì)孔隙和無機質(zhì)孔隙，有機質(zhì)孔隙分布于成熟—高成熟有機質(zhì)(見圖10)。由于下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)成熟度一般在

圖10 龍馬溪組黑色頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)Fig.10 Microscopic pore structure of Longmaxi formation black shale

2%～4%之間，各層位均達到過成熟干氣階段[32]。有機質(zhì)孔較為發(fā)育，決定陸棚相黑色頁巖含氣量的高低。無機質(zhì)孔隙包括黏土礦物晶間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔。裂縫主要包括成巖裂縫、構(gòu)造裂縫和構(gòu)造—成巖裂縫。龍馬溪組經(jīng)歷加里東、海西、印支、燕山及喜山期等構(gòu)造運動改造，儲集層類型豐富，裂縫非常發(fā)育[33]。頁巖中，裂縫根據(jù)成因不同可分為構(gòu)造裂縫和成巖裂縫，裂縫有利于形成高孔滲有利流體疏導(dǎo)通道，對頁巖氣匯聚成藏有積極作用。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)露頭、測井等資料，分析川渝鄂地區(qū)龍馬溪組頁巖層段沉積相，確定研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組總體為古隆起圍限的淺海、深水沉積的古地理格局。東西為水體較淺的潮坪潟湖相—淺海陸棚相，盆地中部為相對深水環(huán)境的陸棚相。

(2)龍馬溪組頁巖段黏土礦物質(zhì)量分數(shù)分布在18.80%～30.19%之間，平均為26.50%。黏土礦物成分中，伊利石質(zhì)量分數(shù)為20.70%～42.50%，泥頁巖孔隙度為0.47%～16.50%，平均為4.57%；滲透率為(0.004～0.917)×10-3μm2。頁巖儲集空間主要包括微孔隙和微裂縫2種類型。有機質(zhì)孔最為發(fā)育，與含氣量呈正相關(guān)關(guān)系。

(3)川渝鄂地區(qū)龍馬溪組黑色頁巖以泥頁巖為主、夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖和碳酸鹽巖。沉積相帶控制頁巖發(fā)育，龍馬溪組主體發(fā)育以陸棚相沉積為主的泥頁巖。優(yōu)質(zhì)頁巖主要分布于龍馬溪組底部，泥頁巖平面展布由北西向南東方向逐漸增厚，以習(xí)水—桐梓和秀山—酉陽一帶為沉降中心，厚度為60～120 m。該位置為研究區(qū)龍馬溪組的勘探有利區(qū)帶。

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