鄂西地區(qū)五峰組—龍馬溪組巖石相與頁巖氣富集關(guān)系分析
——以鄂紅地1井為例

何 偉，陳 楊，雷玉雪，錢 程，陳 科，林 拓，宋 騰

(1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083)

自2014年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)揮基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查優(yōu)勢，以科技創(chuàng)新為引領(lǐng)，瞄準(zhǔn)長江經(jīng)濟(jì)帶復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，精細(xì)部署油氣調(diào)查工作，開拓新區(qū)、拓展新層位、發(fā)現(xiàn)新類型，在長江經(jīng)濟(jì)帶上、中、下油頁巖氣調(diào)查中取得全面突破，突破了我國頁巖氣勘查開發(fā)集中在長江上游龍馬溪組一個(gè)層系的現(xiàn)狀，大大拓展了勘查開發(fā)領(lǐng)域[1]。鄂西神農(nóng)架背斜周緣屬于油氣調(diào)查空白區(qū)，在下古生界發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)頁巖。目前，該區(qū)內(nèi)已實(shí)施了多口頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，鉆遇了厚度較大的黑色筆石頁巖。其中，鄂紅地1井在上奧陶五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組獲得良好頁巖氣顯示，含氣量局部層段達(dá)到3.57 m3/t，在該區(qū)具有很好的代表性，鄂紅地1井是中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心為擴(kuò)大鄂西頁巖氣勘查戰(zhàn)果的一次大膽嘗試，具有十分重要的戰(zhàn)略意義[2]。

鄂西地區(qū)顯示了較好的頁巖氣勘探開發(fā)前景，其五峰組—龍馬溪組頁巖的研究也受到諸多關(guān)注，研究內(nèi)容涵蓋了烴源巖特征、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征、裂縫發(fā)育特征[3-6]、孔隙、裂縫發(fā)育特征[7-8]、資源潛力特征[9]和沉積相特征[10]，而關(guān)于該區(qū)的巖石相劃分和巖石相與頁巖氣富集關(guān)系的研究還未系統(tǒng)開展。

筆者選取鄂西地區(qū)地質(zhì)調(diào)查井(鄂紅地1井)龍一段進(jìn)行系統(tǒng)取芯、巖芯觀察、筆石生物地層劃分等(圖1)，結(jié)合TOC含量、主微量元素、礦物成分和含氣量的系統(tǒng)測試和分析，旨在揭示不同時(shí)期五峰組—龍馬溪組巖石相特征，從而為優(yōu)質(zhì)頁巖分布預(yù)測提供借鑒。

1 巖石相劃分

鄂紅地1井鉆探過程中獲得良好氣顯示，氣測值在龍馬溪組中上部開始抬升伴隨有鉆時(shí)加快現(xiàn)象，揭示神農(nóng)架背斜北翼在上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)發(fā)育富有機(jī)質(zhì)頁巖，其中，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖段主要位于龍一段，巖性以黑色炭質(zhì)頁巖和硅質(zhì)/含硅質(zhì)頁巖為主，富含黃鐵礦和筆石、放射蟲化石(圖1)。

1.1 巖石相劃分標(biāo)準(zhǔn)

目前，部分學(xué)者利用石英含量、石英成因及紋層類型3個(gè)參數(shù)作為判別依據(jù)對頁巖巖石相進(jìn)行了劃分[11]，其中紋層在頁巖中不能有效的進(jìn)行定量識別，導(dǎo)致巖石相的劃分不是十分準(zhǔn)確。

鄂紅地1井龍一段脆性礦物主要為石英，含量在26%～53%，有利于后期的儲(chǔ)層壓裂改造。黏土礦物主要表現(xiàn)為“伊/蒙混層+綠泥石+伊利石”的組合類型，含量在13%～55%，伊利石和綠泥石分別代表了富含K+,Mg2+,Fe2+離子的古水質(zhì)，反映了在成巖過程中堿性水介質(zhì)起到了重要的控制作用，這種貧氧的相對還原沉積環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存與富集。

為了更加準(zhǔn)確有效的對巖石相進(jìn)行劃分和判定，筆者利用TOC含量、石英、黏土礦物和筆石[12-13]4個(gè)參數(shù)對鄂紅地1井龍一段的巖性進(jìn)行定量分級，再結(jié)合測井曲線等手段更有利于準(zhǔn)確的對優(yōu)質(zhì)頁巖層段進(jìn)行劃分和識別(表1)。

圖1 鄂紅地1井構(gòu)造位置及目的層巖性柱狀圖Fig.1 Column map of structure location and target stratum lithology of Erhongdi 1 well

表1 巖石相劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Lithofacies classification standard

1.2 巖石相劃分

鄂紅地1井龍一段4小層頂部GR曲線由199.8 API增大至314.7 API，發(fā)生突變;巖性由灰黑色含粉砂泥質(zhì)頁巖變?yōu)樯罨疑凵百|(zhì)頁巖。首先，結(jié)合測井曲線和巖性組合特征，將1～4小層劃分為深水陸棚亞相，將5～9小層劃分為淺水陸棚亞相。

其次，根據(jù)巖石相劃分標(biāo)準(zhǔn)將龍一段淺水陸棚亞相劃分為低碳低硅中含筆石頁巖相、低碳中硅中含筆石頁巖相、中碳中硅中含筆石頁巖相和中碳中硅高含筆石頁巖相4類巖石相;將龍一段深水陸棚亞相劃分為高碳高硅富含筆石頁巖相、富碳富硅富含筆石硅質(zhì)頁巖相、富碳富硅富含筆石高伽馬頁巖相和富碳富硅富含筆石頁巖相4類巖石相(表2、圖2)。最后，結(jié)合伽馬元素掃描和氣測錄井資料表明深水陸棚亞相巖石相明顯優(yōu)于淺水陸棚亞相，為頁巖氣勘探開發(fā)的最有利層段。

1.3 巖石相特征

(1)低碳低硅中含筆石頁巖相。巖性以灰色泥巖為主(圖3(a));有機(jī)碳含量較低，在0.10%～0.89%，平均含量為0.31%;石英含量約為32%；黏土礦物含量約為58%;巖芯橫斷面筆石數(shù)量極少，筆石類型以直筆石為主，屬淺水陸棚向?yàn)I岸過渡的沉積產(chǎn)物。

(2)低碳中硅中含筆石頁巖相。巖性以灰色含云泥頁巖為主(圖3(b),(c));有機(jī)碳含量較低在0.15%～0.50%，平均含量為0.29%;石英含量約為31%；黏土礦物含量在44%～58%;巖芯橫斷面筆石數(shù)量適中，筆石類型以直筆石為主，屬淺水陸棚相的沉積產(chǎn)物。

(3)中碳中硅中含筆石頁巖相。巖性以灰色泥巖為主(圖3(d));有機(jī)碳含量適中，在0.21%～0.50%，平均含量為0.34%;石英含量約為32%，黏土礦物含量約為61%;巖芯橫斷面筆石數(shù)量適中，筆石類型以直筆石為主，屬淺水陸棚相的沉積產(chǎn)物。

表2 鄂紅地1井龍一段巖石相劃分Table 2 Lithofacies classification of the first member of longmaxi formation in well Erhongdi 1

圖2 鄂紅地1井龍一段沉積相Fig.2 Sedimentary facies of the first member of longmaxi formation in well Erhongdi 1

(a)灰色泥巖;主要是微晶/隱晶的黏土礦物集合體;偶見少量炭質(zhì)組分(約1%)和黃鐵礦(約1%)發(fā)育，炭質(zhì)組分主要呈炭粒狀零散分布 在泥質(zhì)中，黃鐵礦主要呈草莓狀集合體分布;(b)灰色含云泥頁巖;主要由泥質(zhì)(約78%)和部分碳酸鹽組分(約10%)組成，其中泥質(zhì)組 分主要是微晶/隱晶的黏土礦物集合體;碎屑組分主要為石英、長石顆粒;(c)灰色含云泥頁巖;主要由泥質(zhì)(約78%)和部分碳酸鹽組分 (約10%)組成，其中泥質(zhì)組分主要是微晶/隱晶的黏土礦物集合體;碎屑組分主要為石英、長石顆粒;(d)灰色泥巖;幾乎全部由泥質(zhì) (約93%)組成，主要是微晶/隱晶的黏土礦物集合體;少量碎屑組分(約3%)，主要為細(xì)小的石英、長石等碎屑顆粒，偶見少量黃鐵礦(含 量不足1%);(e)深灰色含粉砂質(zhì)頁巖;主要由泥質(zhì)(約81%)和部分碎屑組分(約10%)組成，其中泥質(zhì)組分主要是微晶/隱晶的黏土礦物集 合體;碎屑組分主要為石英、長石顆粒;(f)灰黑色含粉砂泥質(zhì)頁巖;主要由泥質(zhì)(約82%)和碎屑組分(約10%)組成，其中泥質(zhì)組分主要是 微晶/隱晶的黏土礦物集合體;碎屑組分主要為細(xì)小的石英、長石顆粒;(g)黑色含炭泥巖;主要由泥質(zhì)(約84%)和部分炭質(zhì)組分(約5%)組 成，其中泥質(zhì)組分主要是微晶/隱晶的黏土礦物集合體;炭質(zhì)組分主要呈黑色與泥質(zhì)混染分布;見部分碎屑組分零散分布，主要為細(xì)小的 石英、長石等碎屑顆粒;(h)黑色炭質(zhì)泥巖;主要由泥質(zhì)(約77%)、碎屑組分(約5%)和部分炭質(zhì)組分(約15%)組成，其中泥質(zhì)組分主要是 微晶/隱晶的黏土礦物集合體;碎屑組分主要為細(xì)小的石英、長石等碎屑顆粒;有機(jī)質(zhì)發(fā)育，呈黑色分布在泥質(zhì)中;(i)黑色含放射蟲泥巖; 主要由泥質(zhì)(約73%)生物碎屑(約15%)和部分硅質(zhì)組分(約8%)組成，其中泥質(zhì)組分主要是微晶/隱晶的黏土礦物集合體;生物碎屑為放射 蟲，主要充填硅質(zhì)組分;有機(jī)質(zhì)主要呈黑色分布在泥質(zhì)中 圖3 鄂紅地1井龍一段頁巖陰極發(fā)光鑒定特征Fig.3 Shale characteristics from cathodoluminescence microscopic identification of the first member of Longmaxi Formation in well Erhongdi 1

(4)中碳中硅高含筆石頁巖相。巖性以深灰色含粉砂質(zhì)頁巖為主(圖3(e));有機(jī)碳含量適中，在1.45%～2.95%，平均含量為1.94%;石英含量約為32%，黏土礦物含量約為64%;巖芯橫斷面筆石數(shù)量較多，筆石類型以三角半耙筆石為主，屬深水陸棚向淺水陸棚過渡的沉積產(chǎn)物。

(5)高碳高硅富含筆石頁巖相。巖性以灰黑色含粉砂泥質(zhì)頁巖為主(圖3(f));有機(jī)碳含量較高，在1.95%～3.78%，平均含量為2.77%;石英含量約為45%，黏土礦物含量約為29%;巖芯橫斷面筆石數(shù)量較多，筆石類型以曲背冠筆石、花瓣筆石和尖筆石為主，屬深水陸棚的沉積產(chǎn)物。

(6)富碳富硅富含筆石硅質(zhì)頁巖相。巖性以黑色含炭泥巖為主(圖3(g));有機(jī)碳含量較高，在3.2%～3.7%，平均含量為3.44%;石英含量約為56%，黏土礦物含量約為26%;巖芯橫斷面筆石數(shù)量較多，筆石類型以胖筆石為主，屬深水陸棚的沉積產(chǎn)物。

(7)富碳富硅富含筆石高伽馬頁巖相。巖性以黑色炭質(zhì)泥巖為主(圖3(h));有機(jī)碳含量較高，在3.01%～3.65%，平均含量為3.33%;石英含量約為67%，黏土礦物含量約為23%;巖芯橫斷面筆石數(shù)量較多，筆石類型以胖筆石為主，屬深水陸棚的沉積產(chǎn)物。

(8)富碳富硅富含筆石頁巖相。巖性以黑色含放射蟲泥巖為主(圖3(i));有機(jī)碳含量較高，在3.65%～5.33%，平均含量為4.39%;石英含量約為53%，黏土礦物含量約為19%;巖芯橫斷面筆石數(shù)量較多，筆石類型以叉筆石為主，屬深水陸棚的沉積產(chǎn)物。

2 巖石相與頁巖氣富集關(guān)系

2.1 巖石相與微量元素的關(guān)系

缺氧是形成高有機(jī)碳含量的關(guān)鍵因素之一，氧含量高則有機(jī)質(zhì)遭受氧化分解，有機(jī)質(zhì)保存含量少，生烴潛力差。過渡元素如V,Ni,U,Th以及Cr對氧化還原條件變化敏感，是目前公認(rèn)的氧化還原指標(biāo)。

V/(V+Ni)比值是反映氧化還原條件的有效指標(biāo)[14]，比值小于0.46為氧化環(huán)境，0.46～0.57為弱氧化環(huán)境，0.57～0.83為缺氧環(huán)境，0.83～1.00為靜海環(huán)境。鄂紅地1井龍一段V/(V+Ni)在0.54～0.69，均值為0.61，均大于0.46，指示缺氧環(huán)境。當(dāng)V/Cr比值小于2時(shí)代表氧化環(huán)境，大于2代表缺氧環(huán)境[15-16]。鄂紅地1井龍一段6～9小層V/Cr比值在0.53～1.58，指示氧化環(huán)境。龍一段1～5小層V/Cr比值在2.05～7.62，指示缺氧環(huán)境。應(yīng)用U和Th的關(guān) 系式δU=2U(U+Th/3)，當(dāng)δU大于1代表缺氧環(huán)境，小于1代表正常海水沉積[17-18]。鄂紅地1井龍一段δU在1.16～2.00，平均值為1.59，指示缺氧環(huán)境。鄂紅地1井龍一段δU,V/Cr與V/(V+Ni)有很好的對應(yīng)關(guān)系(圖4)，綜合反映深水陸棚處于缺氧環(huán)境，深水陸棚沉積的富碳富硅富含筆石硅質(zhì)頁巖相、富碳富硅富含筆石高伽馬頁巖相、富碳富硅富含筆石頁巖相3類巖石相中能夠形成高有機(jī)碳含量。

圖4 鄂紅地1井龍一段地球化學(xué)指標(biāo)縱向變化特征Fig.4 Vertical distribution of geochemical indicators of the first member of Longmaxi Formation in well Erhongdi 1

2.2 巖石相與儲(chǔ)集空間的關(guān)系

頁巖中大量微孔隙和微裂縫的存在，為頁巖氣提供了良好的儲(chǔ)集空間。這些微孔隙對揭示頁巖氣富集機(jī)理和賦存狀態(tài)、孔滲性都提供了可視化途徑，具有重要的意義[19]。通過對鄂紅地1井龍一段泥頁巖的樣品掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)泥頁巖中微孔隙十分發(fā)育。龍馬溪組泥頁巖樣品的掃描電鏡顯示，泥頁巖中普遍可見大量粒間孔縫及溶蝕孔隙，其他微孔隙還包括有機(jī)質(zhì)孔、粒內(nèi)孔隙及粒緣縫。較大比例尺下連片的有機(jī)質(zhì)孔隙較常見，微孔隙(粒間孔縫、溶蝕孔、晶間孔、粒內(nèi)孔居多)、微裂縫發(fā)育(較大型微裂縫縫寬3.86 μm)。這些微孔隙和微裂縫均是頁巖氣良好的儲(chǔ)集空間，可以為頁巖氣的富集提供場所(圖5)。其中，低碳低硅中含筆石頁巖相、低碳中硅中含筆石頁巖相、中碳中硅中含筆石相有機(jī)質(zhì)含量減少，孔徑較小，數(shù)量少，孔隙呈長條狀，連通性較差，孔隙度較小，滲透率較低(圖5(a)～(c));中碳中硅高含筆石頁巖相有機(jī)質(zhì)含量減少，孔徑較小，數(shù)量少，孔隙呈長條狀和橢圓狀，連通性較差，孔隙度中等，滲透率較低(圖5(d));高碳高硅富含筆石頁巖相有機(jī)質(zhì)含量高，孔徑較大，數(shù)量多，有機(jī)質(zhì)孔隙呈片狀，連通性較好，孔隙度中等，滲透率較好(圖5(e));富碳富硅富含筆石硅質(zhì)頁巖相有機(jī)質(zhì)含量高，孔隙細(xì)密，數(shù)量多，有機(jī)質(zhì)孔隙呈洞穴狀，連通性好，孔隙度大，滲透率高(圖5(g));富碳富硅富含筆石高伽馬頁巖相、富碳富硅富含筆石頁巖相有機(jī)質(zhì)含量高，孔徑大，數(shù)量多，有機(jī)質(zhì)孔隙呈管柱狀，連通性較好，孔隙度大，滲透率高(圖5(h),5(i))。

泥頁巖的顯微孔隙結(jié)構(gòu)是影響頁巖氣賦存狀態(tài)和儲(chǔ)氣性能的關(guān)鍵因素。頁巖吸附能力大小主要受頁巖孔隙體積控制。根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)的孔隙分類，頁巖孔隙直徑<2 nm時(shí)為微孔(micropores);當(dāng)頁巖孔隙直徑為2～50 nm時(shí)，為中孔(mesopores);當(dāng)頁巖孔隙直徑>50 nm時(shí)，為宏孔(macropores)[20-22]。

鄂紅地1井龍一段低碳低硅中含筆石頁巖相、低碳中硅中含筆石頁巖相和中碳中硅高含筆石頁巖相泥頁巖孔隙以微孔和中孔為主，占到了總體積的79.5%～88%，宏孔所占總體積僅為11.9%～20.5%，表明泥頁巖吸附能力中等。

鄂紅地1井龍一段高碳高硅富含筆石頁巖相、富碳富硅富含筆石硅質(zhì)頁巖相、富碳富硅富含筆石高伽馬頁巖相、富碳富硅富含筆石頁巖相泥頁巖孔隙以中孔和宏孔為主，占到了總體積的39.5%～78.3%，微孔所占總體積僅為21.7%～26.5%，表明泥頁巖具有較強(qiáng)的吸附能力(圖6)。從孔隙結(jié)構(gòu)反映出深水陸棚沉積環(huán)境巖石相的儲(chǔ)集條件明顯優(yōu)于淺水陸棚相。

2.3 巖石相與含氣量的關(guān)系

有機(jī)碳含量是頁巖氣聚集最重要的控制因素之一，有機(jī)碳含量和吸附氣量有很好的正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)碳含量越高，吸附氣量也越高[23-30]。

通過對鄂紅地1井龍一段巖芯樣品進(jìn)行現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)獲得解吸氣含量，通過解吸氣量采用線性回推獲得損失氣量，通過實(shí)驗(yàn)室測定獲得殘余氣量，3者之和為總含氣量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鄂紅地1井龍一段泥頁巖總含氣量介于0.41～3.57 m3/t。

鄂紅地1井龍一段巖石相與含氣量呈很好的正相關(guān)關(guān)系，富碳富硅富含筆石硅質(zhì)頁巖相、富碳富硅富含筆石高伽馬頁巖相、富碳富硅富含筆石頁巖相含氣量最好，平均在2.85～3.57 m3/t，表明龍一段1小層到4小層為頁巖氣勘探開發(fā)最有利層段(圖7)。巖石相通過有機(jī)質(zhì)豐度和礦物組分控制了頁巖氣富集，其中，富碳富硅富筆石硅質(zhì)頁巖和富碳富硅富筆石放射蟲硅質(zhì)頁巖相對頁巖氣藏現(xiàn)今含氣量影響最大。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)巖石相劃分標(biāo)準(zhǔn)，鄂紅地1井龍一段可劃分為8類巖石相。再結(jié)合伽馬元素掃描、石英含量、黏土礦物含量、TOC含量,U/Th含量比、筆石數(shù)量等參數(shù)判定出淺水陸棚亞相主要發(fā)育低碳低硅中含筆石頁巖相、低碳中硅中含筆石頁巖相和中碳中硅中含筆石頁巖相。深水陸棚亞相主要發(fā)育高碳高硅富含筆石頁巖相、富碳富硅富含筆石硅質(zhì)頁巖相、富碳富硅富含筆石高伽馬頁巖相和富碳富硅富含筆石頁巖相。深水陸棚亞相巖石相明顯優(yōu)于淺水陸棚亞相，為頁巖氣勘探開發(fā)的最有利層段。

(2)鄂紅地1井龍一段δU,V/Cr與V/(V+Ni)有很好的對應(yīng)關(guān)系，綜合反映深水陸棚處于缺氧環(huán)境，深水陸棚沉積的富碳富硅富含筆石硅質(zhì)頁巖相、富碳富硅富含筆石高伽馬頁巖相、富碳富硅富含筆石頁巖相3類巖石相中能夠形成高有機(jī)碳含量。

(3)鄂紅地1井龍一段有機(jī)孔隙空間上呈片狀、洞穴狀、管柱狀等復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。淺水陸棚中的巖石相以微孔和中孔為主，深水陸棚中的巖石相以中孔和宏孔為主。由上而下，優(yōu)質(zhì)頁巖段孔徑逐漸變大，連通性變好，儲(chǔ)集性能變好。

(4)鄂紅地1井龍一段1～4小層為頁巖氣勘探開發(fā)最有利層段，巖石相通過有機(jī)質(zhì)豐度和礦物組分控制了頁巖氣富集，其中，富碳富硅富筆石硅質(zhì)頁巖和富碳富硅富筆石放射蟲硅質(zhì)頁巖相對頁巖氣藏含氣量影響最大。