滇黔北麟鳳地區(qū)Y井五峰組-龍馬溪組頁巖礦物、地球化學(xué)特征及意義

程青松，章超，周博宇，梅玨，鄒辰，蔣立偉

1.中國石油浙江油田分公司勘探開發(fā)一體化中心，浙江 杭州 310023

2.中國石油浙江油田分公司天然氣勘探開發(fā)事業(yè)部，四川 敘永 646400

3.中國石油浙江油田分公司重慶天然氣勘探開發(fā)項目部，重慶 404100

滇黔北地區(qū)下古生界五峰組-龍馬溪組海相黑色頁巖廣泛分布，具有形成頁巖氣藏的地質(zhì)條件。目前，滇黔北地區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探在黃金壩、紫金壩和太陽-大寨地區(qū)實現(xiàn)了突破并達(dá)到了每年10×108m3以上的產(chǎn)量[1]。昭通頁巖氣示范區(qū)位于滇黔北坳陷威信凹陷的中西部區(qū)域，具有“強(qiáng)改造、過成熟、高演化、雜應(yīng)力、保存差”的地質(zhì)特點與工程條件。前人從沉積、有機(jī)地球化學(xué)、儲層特征與含氣性以及頁巖氣保存條件等角度對滇黔北地區(qū)龍馬溪組頁巖進(jìn)行了研究[2-6]，并取得了一些重要認(rèn)識。

隨著滇黔北地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)工作的不斷推進(jìn)，勘探對象逐漸從北部羅場復(fù)向斜向中部及東部轉(zhuǎn)移。Y井為昭通頁巖氣示范區(qū)麟鳳向斜2020年底新鉆的一口參數(shù)井，具有重要的地質(zhì)和油氣勘探意義。雖然滇黔北地區(qū)整體為頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)，但是不同區(qū)域沉積環(huán)境的差異，導(dǎo)致不同區(qū)域的優(yōu)質(zhì)含氣層段存在差異。因此，筆者旨在通過對Y井巖石礦物、元素地球化學(xué)及含氣性的分析，對麟鳳向斜區(qū)沉積環(huán)境與有機(jī)質(zhì)保存和頁巖氣有利富集層段進(jìn)行探討。

1 地質(zhì)背景

滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區(qū)是2014年國家國土資源部在中國境內(nèi)命名的第一批頁巖氣示范區(qū)?？缭皆瀑F川三省交界地帶，包括四川與云南省間的筠連-威信地區(qū)天然氣(頁巖氣)勘查區(qū)和云南與貴州省間的鎮(zhèn)雄-畢節(jié)地區(qū)天然氣(頁巖氣)勘查區(qū)。研究區(qū)主體位于上揚子構(gòu)造區(qū)西南緣的滇黔北坳陷威信凹陷，北鄰四川盆地川南低陡褶皺帶，南與滇東-黔中隆起相接(見圖1)。下寒武統(tǒng)筇竹寺組、下志留統(tǒng)龍馬溪組、上奧陶統(tǒng)五峰組和中志留統(tǒng)羅惹坪組等海相黑色頁巖是探區(qū)內(nèi)主要氣源巖，其中下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)-上奧陶五峰組(O3w)厚度大、有機(jī)碳豐度高、保存較好，為昭通頁巖氣開發(fā)的重點目標(biāo)層系。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造區(qū)劃及井位圖Fig.1 Structural division and well location of the study area

Y井位于滇黔北坳陷威信凹陷麟鳳向斜南東翼。受多期構(gòu)造運動影響，麟鳳向斜呈狹長的“S”形展布，向斜主體較寬，約20km，為北東-南西走向，兩端變窄，為近東西走向。向斜北側(cè)發(fā)育平行軸線方向的走滑逆沖斷層，規(guī)模較大，延伸長度大于6km，其他部位多見短軸方向斷層，規(guī)模較?。缓瞬砍雎兜貙虞^新為白堊系、侏羅系，向翼部地層逐漸變老，多由志留系、奧陶系地層組成。

2 樣品與分析

元素分析中樣品的主、微量元素分析由X 射線熒光光譜(XRF)分析所得。XRF是目前化學(xué)元素分析方法中發(fā)展最快、應(yīng)用領(lǐng)域最廣、最常用的分析方法之一[7,8]。

現(xiàn)場解析氣采用CQJC QT 2型頁巖氣煤層氣含氣量現(xiàn)場測試系統(tǒng)，解析氣測量精度為0.1mL，溫度測量誤差為0.1℃，氣壓測量精度為0.01MPa。設(shè)備可現(xiàn)場讀取和換算解析氣量、損失氣量，不具備殘余氣量測試條件；現(xiàn)場解析氣的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)整理參考GB/T 0254—2014《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。

巖石薄片鑒定利用OLYMPUS/BH-2偏光顯微鏡進(jìn)行檢測，檢測和分析依據(jù)SY/T 5368—2016《巖石薄片鑒定技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。有機(jī)碳含量采用 OGM-Ⅱ型儀器測得。

3 結(jié)果

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度與礦物組成特征

表1 樣品TOC測試結(jié)果

表2 Y井各層段全巖顯微組分

3.2 巖石薄片特征

巖石薄片鏡下顯示，五峰組頁巖炭質(zhì)和泥質(zhì)均勻混雜，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)不清。方解石細(xì)粉晶結(jié)構(gòu)為主，少量粗粉晶結(jié)構(gòu)，常順層分布。陸源碎屑主要為石英、長石；黃鐵礦呈凝塊狀；見亮晶方解石脈(見圖2(a))。

注：(a)Y井五峰組，3188.63～3188.75m，炭質(zhì)和泥質(zhì)混雜，凝塊狀黃鐵礦，泥晶方解石順層分布，見亮晶方解石脈；(b)Y井S1，3184.29～3184.38m，炭質(zhì)和泥質(zhì)混雜，凝塊狀黃鐵礦，細(xì)粉晶方解石順層分布；(c)Y井S1，3184.29～3184.38m，方解石脈；(d)Y井S1，3182.37～3182.47m，炭質(zhì)和泥質(zhì)混雜，凝塊狀黃鐵礦，細(xì)粉晶方解石順層分布；(e)Y井S1，3168.90～3169.02m，炭質(zhì)和泥質(zhì)混雜，散點狀黃鐵礦，細(xì)粉晶方解石順層分布；(f)Y井S1，3151.72～3151.85m，泥質(zhì)鱗片結(jié)構(gòu)，細(xì)粉晶方解石為主，散點狀黃鐵礦，偶見介形蟲碎片；(g)Y井S1，3165.41～3165.54m，炭質(zhì)和泥質(zhì)混雜，細(xì)粉晶方解石順層分布；(h)Y井S1，3076.13～3076.32m，泥質(zhì)鱗片與方解石互層，透鏡狀泥晶方解石，炭屑順層分布；(i)Y井S1，3094.90～3094.99m，泥質(zhì)鱗片與方解石混雜分布，炭屑順層分布。

避雨栽培最早是由日本西部的“康拜爾早生”等短梢修剪拱棚式發(fā)展而來[6]，20世紀(jì)90 年代開始在我國南方由栽培試驗向推廣應(yīng)用方向發(fā)展，并逐漸向我國北方地區(qū)推移[7]。在北方如山東、河南等地，年降水量主要集中在 7、8、9 月，此時正值果實發(fā)育時期，雨熱同期的環(huán)境條件會導(dǎo)致葉片病害嚴(yán)重、果實病害加重和品質(zhì)下降，嚴(yán)重減少葡萄產(chǎn)值[8]。避雨栽培作為設(shè)施栽培的一種集約化的栽培方式，具有提高果實坐果率，降低病蟲害發(fā)病率，提高果實品質(zhì)，減少噴藥次數(shù)，有利于優(yōu)質(zhì)無公害葡萄生產(chǎn)[9]等優(yōu)點。

3.3 元素特征

對Y井五峰組-龍馬溪組208個含氣頁巖樣品進(jìn)行了主、微量元素分析，部分主量元素的測試結(jié)果見表3。不同取心筒次的主量元素Al、Si、Ca總含量介于38.040%～41.911%之間，均值為39.580%。其中，Si元素含量最高，均值為23.837%，其次為Ca元素，含量均值為9.144%，再次是Al元素，含量均值為6.599%。K、Fe、Na、Mg、P、S、Ti元素的含量均值分別為3.003%、3.398%、1.438%、2.661%、0.040%、0.516%和0.495%。與世界頁巖平均值相比[9]，優(yōu)質(zhì)氣層段表現(xiàn)明顯的Ca、Na、P、S富集和Al、K、Mg、Fe虧損，Ti元素含量基本與標(biāo)準(zhǔn)頁巖相當(dāng)。

表3 Y井主量元素分析測試結(jié)果

4 討論

4.1 沉積環(huán)境特征

有機(jī)質(zhì)沉積環(huán)境和保存條件決定了頁巖的TOC高低。元素示蹤是追溯巖相與古環(huán)境的有利手段，其中微量元素指標(biāo)，如Mo元素對氧化還原敏感，V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th可以判別沉積古環(huán)境[10,11]。表4中，V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th分別代表相應(yīng)各元素含量的比值。

表4 沉積環(huán)境的元素判別指標(biāo)

圖3 Y井V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th古海水氧化還原環(huán)境劃分圖Fig.3 Division diagram of redox environment of ancient seawater of V/(V+Ni), V/Cr, Ni/Co and U/Th in Well Y

在古環(huán)境恢復(fù)的研究中，沉積期水體深度的分析具有重要意義。Mn/Fe、Sr/Ba是元素地球化學(xué)分析古水深及其變化的常用參數(shù)，表示相應(yīng)各元素含量比值。Mn能在離子溶液中比較穩(wěn)定的存在，而鐵極易受氧化而成Fe3+，在pH大于3時Fe3+形成Fe(OH)3的沉淀。所以鐵的化合物易在淺水環(huán)境聚集，隨著沉積期水深增大，F(xiàn)e元素含量普遍降低，Mn/Fe增大[12]。大量Sr2+常以生物堆積作用的方式，在水體較淺、能量較高的淺海區(qū)沉淀，形成較高的Sr/Ba。在水較深、水動力較弱的半深海-深?；驕艉Ｓ虺练e物中，黏土及細(xì)碎屑物質(zhì)增加，對Ba2+的吸附能力增強(qiáng)，Sr/Ba逐漸降低[13]。

圖4 Y井古水深參數(shù)Fig.4 Parameters of ancient water depth in Well Y

Y井V/(V+Ni) 、V/Cr和U/Th均判別古海水在龍馬溪和五峰組整體處于富氧狀態(tài)，Ni/Co判別其處于富氧-貧氧-缺氧的動態(tài)變化狀態(tài)。V，Cr，U，Ni的富集除與水體氧化還原有關(guān)之外，還與陸源碎屑的輸入有關(guān)。V/(V+Ni)從第6筒到第21筒(3060.92～3176.32m)一直在降低，如果按氧化還原的角度思考則說明隨水體加深，水體更加富氧。如果按陸源輸入思考，則是隨水體加深，陸源輸入減少。Ni/Co在第17筒(3156.51m)開始隨著水體加深，變?yōu)樨氀醐h(huán)境，在水體最深的第21筒(3176.32m)為最大缺氧狀態(tài)。隨著水體變淺，其水體開始逐漸富氧，因此其水體的含氧狀態(tài)在Y井應(yīng)該用參數(shù)Ni/Co去判別。

4.2 古生產(chǎn)力特征

根據(jù)Barnett黏土質(zhì)頁巖Si、Al含量擬合得出的伊利石Si/Al線上方區(qū)域為過量硅部分，代表生物成因的硅質(zhì)。生物成因硅質(zhì)頁巖具有高SiO2、P2O5和 Fe2O3，低Al2O3、TiO2、FeO和MgO特征。Al的富集與陸源輸入相關(guān)，而Fe和Mn則主要與熱水沉積相關(guān)，因而Al/(Fe+Al+Mn)(各相應(yīng)元素含量或含量之和的比值)是判斷硅質(zhì)成因的重要參數(shù)。Al/(Fe+Al+Mn)≤0.01為純熱水成因，純生物成因比值則大于0.6[14,15]。Y井主量元素分析表明， Al/(Fe+Al+Mn)介于0.581～0.715之間，可見硅質(zhì)成因與生物沉積過程有關(guān)。值得注意的是，Y井整個五峰組樣品的硅質(zhì)為陸源輸入(見圖5)。

圖5 Y井生物成因硅分析Fig.5 Analysis of biogenic silica in Well Y

來源于生物作用的鋇被稱為生物鋇(過量鋇，w(Baxs)，用樣品總的Ba元素含量w(Ba)s減去陸源Ba含量得到，而陸源Ba含量可以利用樣品中的Al元素含量換算得到[9,16]。其計算公式為：

當(dāng)w(Baxs)>0.1時，可認(rèn)為其沉積時期具有較高的古生產(chǎn)力[17,18]。從生物鋇的分布特征可見，龍馬溪組上部地層的生物鋇含量高，到龍馬溪組下部及五峰組明顯降低(見圖6)。這里龍馬溪組下部及五峰組生物鋇含量的降低可能與還原環(huán)境生物鋇的溶解作用有關(guān)[19,20]。上部還原作用較弱的層段，有機(jī)質(zhì)輸入量大，生物鋇保存較好，因此生物鋇含量高，而龍馬溪底部還原性強(qiáng)，雖然有機(jī)質(zhì)輸入量大，但是生物鋇溶解造成生物鋇含量低。

圖6 Y井五峰組-龍馬溪組各取心段的生物成因鋇分布特征 Fig.6 Distribution characteristics of biogenic barium in each coring section of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Y

4.3 頁巖含氣性與筆石發(fā)育特征

Y井第1筒到第11筒巖心現(xiàn)場解析得到的含氣量在0.035～0.167m3/t之間，實驗室測定總含氣量在0.090～0.331m3/t之間；第12筒到第21筒巖心現(xiàn)場解析得到的含氣量在0.414～0.789m3/t之間，實驗室測定總含氣量在0.662～2.187m3/t之間；第22筒到第24筒巖心現(xiàn)場解析得到含氣量在0.531～0.715m3/t之間，實驗室測定總含氣量在1.781～1.921m3/t之間(見表5)。

表5 Y井五峰組-龍馬溪組現(xiàn)場解析氣與實驗室測定總含氣量分析數(shù)據(jù)表

第1筒到第11筒巖心：巖性以大段的灰黑色頁巖為主，夾灰質(zhì)條帶，與頁巖交界處巖性常為突變，隨深度增大頁巖顏色由淺變深又稍有變淺；前4筒巖心筆石發(fā)育較少，至第5筒巖心筆石突變增多，呈堆疊放射狀，第6筒巖心后筆石急劇減少，至第11筒巖心逐漸增多。

第12筒到第21筒巖心：巖性主要為大段黑色頁巖，顏色整體變深，灰質(zhì)條帶也較少出現(xiàn)，筆石逐漸增多，至第17筒巖心達(dá)到最大，可占節(jié)理面40%～80%，第18筒巖心后筆石又減少，約占節(jié)理面5%～10%。

第22筒到第24筒巖心：第21筒心底部和第22筒心頂部見觀音橋段介殼灰?guī)r，從第22筒至第24筒巖心五峰組隨深度加深巖心灰質(zhì)含量增多，顏色逐漸變淺，第24筒巖心底部見寶塔組瘤狀灰?guī)r；筆石部分節(jié)理面可見，多為零星分布(見圖7)。

圖7 Y井巖性柱狀圖Fig.7 Lithology histogram of Well Y

圖8 Y井五峰組-龍馬溪組伽馬分布Fig.8 Gamma distribution of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Y

在奧陶系-志留系交替時期，揚子地塊位于岡瓦拉大陸西緣的熱帶或亞熱帶區(qū)域[26]，全球環(huán)境發(fā)生了巨大變化[27]。南非、北非、西亞、南歐和中歐以及南美均發(fā)育晚奧陶世的大陸冰川或海相冰川沉積[28]。雖然我國沒有相應(yīng)的冰川活動沉積，但觀音橋段沉積發(fā)育冰期Hirnantia動物群。有研究認(rèn)為，當(dāng)時全球大氣和海水的溫度急劇下降(幅度達(dá) 8～10℃)。因此，高緯區(qū)的冷水向赤道運移，形成富富營養(yǎng)的冷水流，造成大洋翻轉(zhuǎn)；此外，冰期海平面下降，海岸線向海推進(jìn)。因此，一方面富富營養(yǎng)的冷水流給赤道海區(qū)表層帶來豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面陸源營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入海洋，海洋初級生產(chǎn)力在多重因素作用下大增。龍馬溪組下部出現(xiàn)高生產(chǎn)力，可能與當(dāng)時研究區(qū)氣候不穩(wěn)定，即氣溫短暫下降有關(guān)[29]。

5 結(jié)論