西昌盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層序沉積特征及頁巖氣聚集模式

何 偉 牟必鑫 陳 楊 李 桃 魏洪剛 雷玉雪 于 璐 董雪潔

（ 1 四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院；2 頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室 ）

0 引言

20世紀90年代，在西昌盆地中西部米市凹陷內(nèi)針對上三疊統(tǒng)白果灣組實施的喜德1井和喜德3井鉆遇了海相地層上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組，但未鉆遇頁巖氣。近幾年，西昌盆地頁巖氣勘探取得了較大進展，雖然盆地北部甘洛凹陷內(nèi)的甘地1井、中西部米市凹陷內(nèi)的普格1井在海相地層五峰組—龍馬溪組均未鉆遇頁巖氣，但盆地東南部昭覺凹陷內(nèi)的布地1井和布參1井在海相地層五峰組—龍馬溪組鉆獲頁巖氣，尤其是在五峰組—龍馬溪組下部富有機質(zhì)頁巖段氣測異常明顯、含氣量較高，顯示西昌盆地五峰組—龍馬溪組具有較好的頁巖氣資源前景和勘探開發(fā)潛力[1-5]。研究表明，優(yōu)質(zhì)頁巖的發(fā)育程度受層序和沉積共同控制[6-10]，五峰組—龍馬溪組為一套沉積旋回不明顯、測井響應(yīng)特征簡單、含多種筆石的頁巖地層[11-12]，西昌盆地頁巖氣勘探開發(fā)面臨的首要任務(wù)是開展其層序及沉積精細研究。目前針對西昌盆地開展五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖高精度層序和沉積環(huán)境研究的難點有以下3個：（1）如何有效劃分優(yōu)質(zhì)頁巖；(2）如何合理劃分三級層序，建立區(qū)域等時地層格架；(3）如何有效結(jié)合鉆井、錄井、測井等資料劃分沉積微相。

本文通過系統(tǒng)巖心觀察，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、實驗測試、測井解釋等資料，建立了西昌盆地五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段等時地層格架，精細描述了優(yōu)質(zhì)頁巖的層序和沉積特征；在此基礎(chǔ)上建立層序格架下的優(yōu)質(zhì)頁巖沉積模式和頁巖氣聚集模式，有助于劃分和認識西昌盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣主力產(chǎn)層。

1 地質(zhì)概況

西昌盆地位于揚子板塊與青藏高原東緣交接過渡的區(qū)域，大地構(gòu)造位置屬于揚子板塊的西南邊緣，跨越了康滇地軸和上揚子臺坳兩個二級構(gòu)造單元。盆地邊界受控于安寧河、峨邊—雷波和則木河等斷裂，由北部的甘洛凹陷、東北部的美姑凹陷、中西部的米市凹陷、中部的麻姑山凹陷和東南部的昭覺凹陷組成，在多期構(gòu)造運動作用下產(chǎn)生較強的褶皺變形和隆升剝露，形成現(xiàn)今近南北向展布的狹長構(gòu)造格局（圖1）[13]。

圖1 西昌盆地構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Xichang Basin

西昌盆地面積大小約為16000km2，基底主要由古生界至下—中三疊統(tǒng)的玄武巖、碎屑巖和碳酸鹽巖組成。盆內(nèi)斷層較發(fā)育，以逆斷層為主，在控盆斷裂帶附近分布密集、凹陷內(nèi)部分布較稀疏；斷裂多呈南北向展布，地腹與地表基本一致；斷裂通常發(fā)育在構(gòu)造軸部或者翼部，與構(gòu)造平行，部分斷裂被東西向斷裂切割。西昌盆地內(nèi)沉積的海相富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育于上奧陶統(tǒng)五峰組（O3w）—下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l），出露于盆地北部的甘洛—峨邊、東部的美姑、東南部的布拖、昭覺一帶，分布廣泛，與下伏上奧陶統(tǒng)臨湘組整合接觸[14-15]。

2 優(yōu)質(zhì)頁巖層序地層劃分

2.1 優(yōu)質(zhì)頁巖劃分

根據(jù)國內(nèi)成功商業(yè)化頁巖氣區(qū)塊各項指標[16-17]，結(jié)合西昌盆地五峰組—龍馬溪組實際地質(zhì)條件，本文將TOC＞2.5%、含氣量大于1.5m3/t、脆性指數(shù)大于70%、巖石相優(yōu)（有機碳含量高、硅質(zhì)含量高、筆石含量高）的頁巖層段定義為優(yōu)質(zhì)頁巖[18]。為了更加準確有效地識別出優(yōu)質(zhì)頁巖層段，首先根據(jù)巖性、實驗測試結(jié)果、測井曲線等資料，對五峰組—龍一段進行詳細劃分，共劃分出9個小層。然后，結(jié)合TOC、含氣量、脆性指數(shù)劃分出優(yōu)質(zhì)頁巖層段為①—⑤小層（圖2）。

圖2 布參1井優(yōu)質(zhì)頁巖劃分Fig.2 Classification of high-quality shale in Well Bucan 1

2.2 層序地層劃分

開展層序地層學(xué)精細研究的關(guān)鍵任務(wù)是要進行層序界面的識別，由于優(yōu)質(zhì)頁巖受沉積控制主要發(fā)育在深水陸棚中，因此利用傳統(tǒng)層序地層學(xué)中依靠地震剖面識別不整合面來識別層序界面的方法進行頁巖層序地層研究難度較大[19-20]。已有研究表明，早古生代，西昌盆地是上揚子克拉通盆地的一部分。整個加里東時期，該克拉通盆地總體上較為穩(wěn)定，以隆升和坳陷為主，總體趨勢表現(xiàn)為上升區(qū)、隆起區(qū)自西向東不斷擴大[21-23]。西昌盆地及其周緣地區(qū)受兩次不同構(gòu)造運動的影響，形成五峰組和龍馬溪組兩套不同的黑色頁巖。其中五峰組的形成受到了廣西運動的影響，龍馬溪組的形成則與赫南特晚期全球冰川消融事件有關(guān)。

整體而言，西昌盆地五峰組—龍馬溪組厚度受層序和沉積控制，自西向東逐漸增厚，在盆地東部地區(qū)較發(fā)育，尤其是在東南部的昭覺凹陷最為發(fā)育。

根據(jù)巖性識別、測井解釋等[24]，在西昌盆地五峰組—龍馬溪組內(nèi)識別出五峰組底界（SB1）、龍馬溪組底界（SB2）、龍一1亞段頂界（SB3）、龍一段頂界（SB4）4個界面（圖3）。

圖3 布參1井五峰組—龍馬溪組層序地層劃分及層序沉積特征圖Fig.3 Sequence stratigraphic division and sedimentary sequence characteristics of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Bucan 1

五峰組底界（SB1）特征：該界面為五峰組和臨湘組的分界，其具體特征表現(xiàn)為界面上下巖性變化明顯，界面之下為臨湘組瘤狀灰?guī)r，界面之上為五峰組灰黑色硅質(zhì)頁巖。布參1井測井曲線特征表現(xiàn)為該界面處電阻率曲線和自然伽馬曲線均發(fā)生突變，自然伽馬值由低值突變?yōu)橄鄬Ω咧?，?3API突變?yōu)?1API；電阻率值突變?yōu)榈椭?，深?cè)向電阻率由38.3Ω·m陡降至6.6Ω·m，指示石灰?guī)r開始向頁巖過渡。

龍馬溪組底界（SB2）特征：該界面為龍馬溪組與觀音橋段/五峰組的分界，其具體特征表現(xiàn)為界面上下巖性變化明顯，界面之下為觀音橋段的灰色塊狀介殼灰?guī)r或五峰組灰黑色硅質(zhì)頁巖，界面之上則為龍一1亞段黑色薄層狀含筆石鈣質(zhì)頁巖。布參1井測井曲線特征表現(xiàn)為該處電阻率曲線和自然伽馬曲線均發(fā)生突變，自然伽馬值表現(xiàn)出低值向高值變化的趨勢，由38.18API突變?yōu)?11.36API；電阻率曲線呈相反的變化趨勢，深側(cè)向電阻率由24.22Ω·m陡降至6.12Ω·m。地震反射特征表現(xiàn)為五峰組—龍馬溪組底界為上覆頁巖與下伏石灰?guī)r的巖性變化面，上下地層速度變化大，對應(yīng)一套連續(xù)、亞平行、強振幅波峰反射界面特征。

龍一1亞段頂界（SB3）特征：界面上下主要表現(xiàn)為巖性有差異，該界面之下為龍一1亞段灰黑色鈣質(zhì)頁巖，界面之上為龍一2亞段深灰色鈣質(zhì)頁巖。布參1井測井曲線特征表現(xiàn)為該處電阻率曲線和自然伽馬曲線均發(fā)生突變，自然伽馬值在界面處略微增高，由118.7API升至155.9API；電阻率曲線呈相反的變化趨勢，深側(cè)向電阻率由63.58Ω·m降至39.64Ω·m。

龍一2亞段頂界（SB4）特征：界面上下主要表現(xiàn)為巖性有差異，界面之下為龍一2亞段深灰色鈣質(zhì)頁巖，界面之上為龍二段深灰色鈣質(zhì)粉砂巖夾灰色粉砂巖條帶，巖性變化表明該界面處相對海平面下降至最低，導(dǎo)致氧化環(huán)境的形成，最終沉積了一套淺水陸棚的粉砂巖。布參1井測井曲線特征表現(xiàn)為電阻率曲線和自然伽馬曲線均發(fā)生突變，自然伽馬值由高值突變?yōu)榈椭担?07.13API突變?yōu)?5.2API；電阻率值突變?yōu)楦咧担顐?cè)向電阻率由54.09Ω·m陡升至220.15Ω·m，指示頁巖開始向石灰?guī)r過渡。

3 優(yōu)質(zhì)頁巖層序發(fā)育特征

根據(jù)測井曲線特征，五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段可劃分為SQ1和SQ2兩個三級層序，每個三級層序又細分為海侵體系域（TST）和高位體系域（HST）（圖3）。五峰組/觀音橋段可劃分為海侵體系域（①小層）和高位體系域（②小層），其中，海侵體系域內(nèi)發(fā)育五峰組灰黑色薄層狀硅質(zhì)頁巖；高位體系域在赫南特期全球冰期廣泛發(fā)育一套介殼灰?guī)r（觀音橋段）。在龍一1亞段內(nèi)識別出海侵體系域（③小層）和高位體系域（④—⑤小層），并進一步在高位體系域內(nèi)識別出早期高位體系域（④小層）和晚期高位體系域（⑤小層）。其中，海侵體系域與高位體系域以最大海泛面為界，早期高位體系域與晚期高位體系域以次一級海泛面為界。

3.1 SQ1層序（五峰組/觀音橋段）沉積充填特征

SQ1對應(yīng)深水陸棚相中的硅質(zhì)泥棚和潮坪相中的生屑灘沉積，厚度約為20m，由于石灰?guī)r的影響，測井曲線具有高自然伽馬、低電阻率特征，巖性主要為深灰色薄層—中層狀介殼灰?guī)r與灰黑色薄層狀硅質(zhì)頁巖。

3.2 SQ2層序（龍一1亞段）沉積充填特征

SQ2層序劃分為海侵體系域和高位體系域。海侵體系域?qū)?yīng)龍一1亞段底部，厚度約為15m；早期高位體系域?qū)?yīng)龍一1亞段中部，厚度約為37m；晚期高位體系域?qū)?yīng)龍一1亞段頂部，厚度約為13m。整體上，龍一1亞段在測井曲線上表現(xiàn)為高自然伽馬、低電阻率特征。其中，海侵體系域為深水陸棚相，沉積微相為灰質(zhì)泥棚。早期、晚期高位體系域為深水陸棚相，并且向上砂質(zhì)含量增大，沉積微相由早期高位體系域的灰質(zhì)泥棚過渡到晚期高位體系域的含灰粉砂質(zhì)泥棚。

4 優(yōu)質(zhì)頁巖沉積特征

4.1 沉積相類型

西昌盆地在晚奧陶世—志留紀臨近康滇古陸，總體上位于一個深水的沉積環(huán)境。綜合野外調(diào)查、巖心和測井曲線等資料，將五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段沉積相劃分為深水陸棚相和潮坪相（圖4）。

圖4 西昌盆地優(yōu)質(zhì)頁巖典型沉積相測井特征圖Fig.4 Logging characteristics of typical sedimentary facies in high-quality shale interval in Xichang Basin

4.2 沉積相特征

五峰組沉積時期沉積體系由早—中奧陶世的碳酸鹽緩坡轉(zhuǎn)為晚奧陶世細粒頁巖沉積，盆地西部為古隆起，從古隆起東緣向盆地東部依次發(fā)育潮坪相和深水陸棚相。潮坪相和深水陸棚相呈條帶狀展布（圖5a）。

圖5 西昌盆地優(yōu)質(zhì)頁巖層段沉積相圖Fig.5 Sedimentary facies of high-quality shale interval in Xichang Basin

觀音橋段沉積時期受冰期海退和廣西運動影響，古隆起區(qū)擴大，水體變淺，海平面下降幅度有50～100m，盆地面積減小，沉積物普遍含有赫南特貝，形成于水體單層充氧、開放、暢通、鹽度正常的淺水中，具全球廣布特征，以潮坪相沉積為主，主要發(fā)育介殼灰?guī)r（圖5b）。

龍一1亞段沉積時期，盆地西部為古隆起，從古隆起東緣向盆地東部依次發(fā)育潮坪相和深水陸棚相。潮坪相環(huán)繞于隆起帶周緣，展布范圍小。深水陸棚相分布于布拖、美姑一帶，主要為黑色鈣質(zhì)頁巖和含放射蟲硅質(zhì)頁巖沉積（圖5c）。

4.3 沉積模式

五峰組整體為一個海侵體系域，從臨湘組到五峰組，整個揚子海水體逐步變深，五峰組發(fā)育深水陸棚。廣西運動作為中晚奧陶世—早志留世時期發(fā)生在華南地區(qū)的一次重要區(qū)域構(gòu)造運動[25-27]，其造成的古陸抬升由東南沿海逐漸向西北方向延伸，五峰組沉積期揚子海發(fā)生基底沉降，水體逐漸停滯缺氧；加之表層初級生產(chǎn)力較高，導(dǎo)致了布參1井、布地1井一帶深水環(huán)境下五峰組富有機質(zhì)頁巖的形成，并且頁巖厚度向古陸方向逐漸減薄，約至坡博烏剖面處尖滅。此外，靠近古陸的喜德3井、普格1井處水體深度較淺，氧氣含量充足，沉積了一套石灰?guī)r（圖6a）。

觀音橋段沉積期正值赫南特冰期，該時期全球氣候變冷。一方面極地和高緯度地區(qū)大面積冰蓋的形成導(dǎo)致?lián)P子海海平面急劇下降，出現(xiàn)了大量底棲生物群；另一方面，全球溫度的降低會加快極地與赤道間的水體循環(huán)，這兩者共同導(dǎo)致了揚子海富氧水體的形成。有機質(zhì)難以在這樣的水體環(huán)境下保存，因而，在烏科牧場、布參1井一帶沉積了一套介殼灰?guī)r，在靠近古陸的喜德3井、普格1井地區(qū)沉積了一套石灰?guī)r（圖6b）。

龍一1亞段底部主要為海侵體系域格架下的深水陸棚沉積（圖6c），優(yōu)質(zhì)頁巖厚度較大、有機碳含量較高、含氣量較高。全球氣候逐漸轉(zhuǎn)暖，赫南特期冰蓋的快速消融引發(fā)全球海平面上升，并在華南地區(qū)引起廣泛的海侵。冰川融水給西昌盆地五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖的形成提供了豐富的物質(zhì)來源，同時在盆緣沿岸帶上升流的作用下，極大地促進了優(yōu)質(zhì)頁巖的形成。自生礦物對優(yōu)質(zhì)頁巖原生礦物組成影響極大，主要為生物成因的石英及有機質(zhì)降解后形成的黃鐵礦等。赫南特期的古生物廣泛發(fā)育，是生物硅質(zhì)形成的主要物源，如放射蟲、海綿、古針等。在盆地東部地區(qū)，特別是布地1井和布參1井一帶，形成了以硅質(zhì)為主、黏土礦物次之、少量碳酸鹽的礦物組合。而向古陸方向，逐漸出現(xiàn)石灰?guī)r透鏡體或粉砂質(zhì)含量明顯增高。

圖6 西昌盆地五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖沉積模式圖（剖面位置見圖1）Fig.6 Depositional pattern of high-quality shale in Wufeng-Longmaxi Formation in Xichang Basin(section location is in Fig.1)

龍一1亞段中部屬于早期高位體系域，該時期為深水陸棚沉積，以大量發(fā)育的鈣質(zhì)頁巖為特征，頁巖砂質(zhì)含量增高，向古陸方向水深逐漸變淺。由于赫南特冰蓋的快速消融，其對全球氣候的影響逐漸衰減，以構(gòu)造抬升為代表的區(qū)域性事件（廣西運動）逐漸成為主要影響因素。受盆地西緣古陸不斷抬升的影響，廣西運動持續(xù)推進，整個上揚子呈持續(xù)性海退，硅質(zhì)

泥棚、灰質(zhì)泥棚、含灰粉砂質(zhì)泥棚邊界逐漸向盆地中心縮小。此外，由于海平面下降，形成反復(fù)沖刷的流體效應(yīng)，導(dǎo)致沉積物和氧氣接觸頻繁，對有機質(zhì)的保存較為不利。龍一1亞段頂部屬于晚期高位體系域（圖6d），此時，由于盆地西緣的古陸快速抬升，廣西運動推進到上揚子腹地，造成海平面快速降低，陸源輸入增加。該時期沉積速率顯著增加，稀釋作用大大加強，水體充氧程度升高，導(dǎo)致有機質(zhì)含量相對降低，頁巖中粉砂含量進一步增大。

5 頁巖氣聚集模式

由于頁巖的有機質(zhì)自身對頁巖氣具有較好的吸附能力，巖石的基質(zhì)孔隙和天然裂縫可為頁巖氣的聚集提供良好的儲集空間，加之頁巖具有低孔低滲的儲集物性，因此，頁巖氣具有典型的自生自儲聚集特征[28-31]。根據(jù)巖性組合、沉積相和含氣量特征，結(jié)合保存條件，建立了西昌盆地東南部地區(qū)富有機質(zhì)頁巖最為發(fā)育地帶的五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖（①—⑤小層）頁巖氣聚集模式（圖7）。

圖7 西昌盆地五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖頁巖氣聚集模式圖Fig.7 Shale gas accumulation pattern of high-quality shale in Wufeng-Longmaxi Formation in Xichang Basin

古生代，西昌盆地東部地區(qū)長期處于沉降—沉積中心，五峰組—龍馬溪組屬于缺氧、還原環(huán)境下的深水陸棚沉積，其優(yōu)質(zhì)頁巖巖性主要為硅質(zhì)頁巖和鈣質(zhì)頁巖，厚度為30～50m，含氣量大于1.5m3/t。頁巖地層埋藏適中，孔隙度介于1.12%～7.68%，平均為3.13%；滲透率介于0.002～0.097mD，平均為0.013mD，表現(xiàn)為低孔隙度、低滲透率的儲層特征，因此，西昌盆地五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層基質(zhì)具有很好的封閉性。頁巖氣直接從基質(zhì)內(nèi)孔隙向外運移較為困難，此時，斷層和微裂縫（順層縫和高角度縫）就成為頁巖氣運移的主要通道。順層縫主要呈橫向延伸，與頁巖儲層距離一般較遠；高角度縫主要呈縱向延伸，但與頁巖儲層距離較近。頁巖氣的聚集程度受順層縫封閉性好壞、高角度縫發(fā)育程度和頁巖氣到斷層的運移路徑長短三方面因素共同決定[32-33]。普雄—四開斷裂（F6）南段（龍恩河斷層）和甘洛—昭覺—布拖斷裂（F7）南段（于孟斷層）兩條逆沖斷層、優(yōu)質(zhì)頁巖的埋藏深度和優(yōu)質(zhì)頁巖距離逆沖斷層的遠近，對順層縫封閉性、高角度縫發(fā)育程度及頁巖氣向斷層方向的運移路徑有直接影響，因此斷層對西昌盆地五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段的頁巖氣聚集至關(guān)重要。

凹陷邊緣的龍恩河斷層和于孟斷層為控制性斷層，主要經(jīng)歷燕山期和喜馬拉雅期兩期次的斷裂活動，受兩條斷層影響，其周緣區(qū)域頁巖中的衍生斷層及微裂縫較為發(fā)育，頁巖氣難以有效聚集，為逸散區(qū)。隨著地層由逸散區(qū)向東西方向呈階梯式抬升，頁巖儲層埋深減小到2000m以淺，根據(jù)巖心觀察和野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)頁巖順層縫呈開啟狀態(tài)，高角度縫較為發(fā)育，頁巖氣主要以滲流方式沿垂向和橫向向外雙向聯(lián)合運移，由于距離龍恩河斷層和于孟斷層兩條逆沖斷層較遠，運移強度較小，加之頁巖氣由基質(zhì)孔隙向高角度縫擴散運移速率低，頁巖儲層的含氣量小于1.0m3/t，僅部分頁巖氣發(fā)生逸散，為較富集區(qū)。凹陷內(nèi)頁巖儲層埋深為2000～3000m，根據(jù)巖心觀察和野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)頁巖順層縫基本閉合，高角度縫欠發(fā)育，垂向和橫向雙向聯(lián)合滲流運移方式受阻，基本上順層以擴散方式運移，加之優(yōu)質(zhì)頁巖距離龍恩河斷層和于孟斷層兩條逆沖斷層較遠，導(dǎo)致頁巖氣運移強度極低，頁巖儲層的含氣量較高（大于1.5m3/t），頁巖氣聚集，為富集區(qū)。

6 結(jié)論

（1）五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段具有頂、底界區(qū)域穿時性，依據(jù)巖性、生物化石和測井曲線特征可劃分為SQ1和SQ2兩個三級層序。

（2）SQ1層序中可識別出潮坪相沉積中的生屑灘微相及深水陸棚相中的硅質(zhì)泥棚微相兩種微相；SQ2層序中可識別出深水陸棚沉積中的灰質(zhì)泥棚和含灰粉砂質(zhì)泥棚兩種微相。優(yōu)質(zhì)頁巖厚度較大、有機碳含量較高、含氣量較高，是西昌盆地頁巖氣的主力產(chǎn)層之一。

（3）西昌盆地五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段頁巖氣聚集具有典型的自生自儲特征。頁巖氣的聚集程度受順層縫封閉性好壞、高角度縫發(fā)育程度和頁巖氣到斷層的運移路徑長短三方面因素共同決定?？傮w來講，凹陷中心為頁巖氣富集區(qū)，控制性斷層及周緣為頁巖氣逸散區(qū)。