涪陵焦石坝地区五峰组－龙马溪组含气页岩岩相划分——以JY11－4井为例

刘 超，陆亚秋，梁 榜，张梦吟

（中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北 武汉430223）

随着近年来世界能源需求的不断攀升，页岩气作为主要的非常规天然气的勘探开发越来越受到重视。四川盆地南部上奥陶统五峰组－下志留统龙马溪组是中国页岩气近期研究的热点。四川盆地涪陵焦石坝地区上奥陶统五峰组－下志留统龙马溪组页岩为页岩气勘探开发的有利层系，其沉积背景及岩性岩相特征与北美Fort Worth盆地Barnett页岩具有很好的对比性。

2014年7月，中国石化提交的涪陵焦石坝区块五峰组－龙马溪组页岩气探明地质储量1 067.5亿方，通过国土资源部组织的油气储量专家组评审，并认定涪陵页岩气田是典型的优质海相页岩气，标志着我国第一个大型页岩气田的诞生。

1 研究区概况

1.1 区域构造特征

涪陵焦石坝构造位于四川盆地川东褶皱带的东南部，万县复向斜的南扬起端，该区北部为万县复向斜的主体。震旦纪以来，四川盆地经历了多期构造运动，形成了现今的盆地格局。焦石坝构造夹持于大耳山西、天台场－吊水岩、悦来场断层之间，总体表现为北东走向的低缓南北倾伏、向北东方向抬升被断层封堵的断鼻构造，高部位位于大耳山西断层下盘，其西部边界天台场断层呈NE走向（图1）。

1.2 五峰组－龙马溪组页岩

研究区晚奥陶世，雪峰隆起、川中隆起和黔中隆起出露海平面之上，使早中奥陶世具有广海特征的海域转变为被隆起所围限的局限海域，形成大面积低能、欠补偿、缺氧的沉积环境。受构造运动及海侵影响，晚奥陶世五峰组沉积时期沉积了一套深水沉积岩，主要为硅质页岩、硅质岩、碳酸盐岩；早志留世龙马溪组沉积时期形成了一套黑色碳质页岩。

研究区JY11－4井上奥陶统五峰组－下志留统龙马溪组上部主要为粉砂质页岩，夹薄层泥质粉砂岩，中下部页岩发育良好，页岩厚度大，主要为黑色碳质页岩，富含黄铁矿和笔石，且富含有机质，为一套重要的烃源岩，是该区页岩气勘探的主要目标。

图1 涪陵焦石坝地区志留系底反射层构造图

2 岩相划分及特征

2.1 岩相划分依据

本文从JY11－4井取心分析测试及测井资料出发，并结合前人资料对区内五峰组－龙马溪组页岩的研究成果，主要从测井 U、Th／U变化特征、岩石矿物组分和有机质丰度差异三方面对JY11－4井89m含气页岩段岩相划分依据进行详细研究。

2.1.1 U、Th／U变化特征

利用U元素对海平面变化引起氧化还原环境的变化较为敏感，但Th元素相对不敏感（Jacobi等，2008）的特性，认为U浓度和Th／U值的波动对应于海平面的升降，在海进时期盆地处于缺氧环境，沉积硅质，有机质丰富的泥岩沉积物来自深海环境，盆地条件变化的标志是U急剧增加，Th／U值降低到2以下；相反地，海退形成浅水的、氧化作用较强的水体环境，在这种环境中形成较少的有机质，但是碎屑岩、粉砂质泥岩和碳酸质泥岩较容易形成，反映出过渡海相环境部分受陆源沉积物供给的影响，U急剧降低，Th／U值升高到2以上。结合JY11－4井U、Th的测井资料，综合评价认为Th／U＜2为有利层段，反之Th／U＞2为非有利层段。

2.1.2 岩石矿物组分特征

JY11－4井样品分析结果表明，焦石坝地区五峰组－龙马溪组下部含气页岩矿物成分以石英和粘土矿物为主，含斜长石、钾长石、方解石、白云石和黄铁矿等。JY11－4井五峰组－龙马溪组主要含气页岩取心段分析X射线全岩样品共87块，粘土矿物含量为16.6%～62.8%，平均含量40.89%；长英质含量为23.4%～74.1%，平均含量46.62%；碳酸盐岩含量较少，为0～34.5%，平均含量9.91%；其它平均2.58%。自上而下具有长英质的脆性矿物含量增高特点 （图2）。

图2 JY11－4井含气页岩矿物含量分布图

本区五峰组－龙马溪组下部硅质页岩与粉砂质页岩的区别为：①硅质来源不同。硅质页岩的硅质为自生SiO2，一般为生物、化学及机械成因；粉砂质页岩中的硅质主要来源于外源碎屑石英。②硅质结构不同。硅质页岩中硅质为非晶质结构和隐晶、微晶结构；粉砂质页岩中硅质一般为石英颗粒，呈单晶结构。对比北美页岩气研究成果，结合本区页岩气实际勘探开发评价结果，综合研究认为硅质矿物含量 ＞40% 为富硅质页岩，硅质矿物含量＜40%为贫硅质页岩。

JY11－4井五峰组－龙马溪组含气页岩段粘土矿物以伊利石和伊蒙混层为主，次为绿泥石，含少量的高岭石，不含蒙脱石。取心段伊利石相对含量为21%～68%，高岭石相对含量为5%～13%，绿泥石相对含量为2%～20%，其中下部2 377.5～2 415.5m（38m）井段伊利石含量低，伊蒙间层含量高，相对百分含量伊利石平均为31.36%，伊蒙混层平均63.55%，绿泥石平均4.79%。碳酸盐矿物主要以裂缝充填物和胶结物形式存在，含气页岩段主要形成于深水还原环境，富含黄铁矿和笔石，JY11－4井岩心中可见碳质页岩夹黄铁矿条带（图3a），在岩心断面处可见到大量笔石化石（图4b、4c、4d）。此外，在岩心中还可见少量的硅化生物屑，主要为海绵骨针，约占3%。

图3 JY11－4井五峰组－龙马溪组含气页岩特征

2.1.3 有机质丰度

四川盆地周缘上奥陶统五峰组－下志留统龙马溪组是四川盆地主力烃源岩之一，富有机质页岩主要发育于地层下部，向上随着砂质含量增加，页岩颜色变浅，TOC含量降低。据周边露头及井下岩样有机碳含量分析结果，研究区龙马溪组TOC含量0.35%～18.40%，平均2.52%；其中井下样品TOC含量 ＞2% 占45%，TOC含量＞2%的高有机碳页岩主要分布于龙马溪组下部。区内JY11－4井五峰－龙马溪组2 330.0～2 415.5m层段，173个岩心样品有机碳TOC含量为0.55%～5.89%，平均为2.54%，具有自上而下有机碳含量逐渐增加趋势。富有机质泥岩相对高值区分布于五峰组－龙马溪组底部2 377.5～2 415.5m井段，有机碳分析样品83块，有机碳含量最小为1.04%，最大5.89%，平均3.50%（表1）。研究评价可将有机质丰度＜2% 为低有机质含量，有机质丰度2%～4%为中等有机质含量，有机质丰度＞4%为富有机质含量。

表1 JY11－4井岩心有机碳含量分析统计表

2.2 岩相划分方案

区内无法较好识别传统概念的泥岩、页岩，因此将该区泥页岩统称为页岩。通过JY11－4井测井资料Th／U变化、岩心观察及显微镜下分析，根据含气页岩段矿物组分及有机质丰度（TOC含量）的差异，将五峰组－龙马溪组含气页岩自上至下划分出5种岩相：低有机质贫硅页岩相、中等有机质贫硅页岩相、低有机质富硅页岩相、中等有机质富硅页岩相、富有机质富硅页岩相（表2、图4）。

图4 JY11－4井五峰组－龙马溪组含气页岩段岩相划分图

表2 JY11－4井五峰组－龙马溪组下部含气页岩岩相划分参数表

2.3 岩相类型及特征

2.3.1 低有机质贫硅页岩相

含气页岩上部（井段：2 326.5～2 340.5m ），岩性为深灰色含砂质泥岩、泥岩，见泥质粉砂岩斑块或条带，性较硬，岩屑呈块状。显微镜下观察发现纹层构造，细鳞片状结构，碎屑颗粒主要为石英、岩屑、针状云母类，不均匀呈星散分布，硅质含量＜40%。有机质呈隙状、细条状顺层分布，局部呈细隙状集合体富集，少许黄铁矿晶斑零星分布（图5a），有机质丰度（TOC）＜2%，测井解释Th／U＞2。

2.3.2 中等有机质贫硅页岩相

发育含气页岩段中上部（井段：2 340.5～2 353.0m），岩心观察为灰、深灰色页岩夹薄层状灰质泥岩，岩屑呈块状。显微镜下观察见泥质结构、晶粒结构、粉砂结构，碎屑颗粒为石英、岩屑、细条状白云母，石英颗粒可见波状消光，岩片主要由粘土矿物、碎屑颗粒组成，其次黄铁矿、有机质、碳酸盐矿物等，硅质含量＜40%。灰质页岩中碳酸钙含量为25%～50%，岩心中可见灰质断口，镜下碳酸盐矿物包括白云石、方解石均有分布，半自形－他形，泥晶状为主，较均匀分布。有机质呈斑状、团块状分布或浸染，有机质以浸染为主，亦可见黑色不透明矿物颗粒与有机质相混，可见黄铁矿微粒与有机质相混伴生（图5b），有机质丰度（TOC）为2%～4%，测井解释Th／U＜2。

2.3.3 低有机质富硅页岩相

分布在含气页岩段中部（井段：2 353.0～2 377.5m），岩性为深灰色、灰黑色泥质粉砂岩，砂质泥岩。镜下观察砂质含量30%，多为石英粉砂，有少量极细粒，偶见云母细片；水平纹层发育，纹层厚0.1～5.2mm，纹层为炭质粘土质粉砂岩与粉砂质炭质粘土岩不等厚互层，泥晶方解石呈星点状较为均匀分布，粉末状黄铁矿亦较为均匀分布，硅质含量 ＞40%。有机质呈团絮状、粒状密集分布或呈浸染状，黄铁矿呈不规则状聚集晶斑（图5c），有机质丰度（TOC）＜2%，测井解释Th／U＞2。

2.3.4 中等有机质富硅页岩相

分布在含气页岩段中下部（井段：2 377.5～2 390.0m），岩心观察岩性为灰黑色、深灰色粉砂质泥岩，碳质页岩，发育水平层理、块状层理。显微镜下观察发现碎屑颗粒含量20% ～40%，以石英为主，呈漂浮状产出，分选较差，磨圆中等，次棱角－次圆状。粘土矿物多呈鳞片状或无定形，见少量长石及云母，硅质含量 ＞40%。黑色物主要为富含有机质的粘土矿物，有机质与粘土矿物混杂，呈不规则的细粒状（图5d），有机质丰度（TOC）为2% ～4%，测井解释Th／U＜2。

2.3.5 富有机质富硅页岩相

主要集中分布在含气页岩段下部（井段：2 390.0～2 415.5m），岩性为灰黑色、黑色碳质页岩，硅质页岩。碳质页岩显微镜下观察见放射虫分布较为均匀，多吸附碳质粘土，少量仍为硅质放射虫；偶见单轴双射硅质骨针，石英粉砂分布较为均匀，粉末状黄铁矿分布不均，少数放射虫内被较多黄铁矿充填（图5e）。硅质页岩中硅质含量＞40%，几乎不含碳酸盐矿物，硅质常呈隐晶质结构，显微镜下观察见大量放射虫，壳壁为硅质，部分壳壁内被黄铁矿充填，少量岩屑有粉砂岩岩屑、粘土岩岩屑。镜下可见明显的亮暗同心圆，硅质外壳内部一般被有机质充填，部分有机质溶蚀后被硅质充填，这为硅质来源与生物有关提供了证据，有机质丰度（TOC）＞4%，测井解释Th／U＜2。

图5 JY11－4井五峰组－龙马溪组含气页岩显微镜下特征

2.4 岩相类型与含气性关系

依据上述岩相划分方案，对工区内JY2、JY3和JY4井五峰组－龙马溪组含气页岩段岩石相进行划分对比表明，涪陵焦石坝地区五峰组－龙马溪组含气页岩段岩相类型横向可对比，并且分布较稳定（图6）。

图6 涪陵焦石坝地区五峰组－龙马溪组含气页岩段岩相对比图

结合测井解释含气量分析，富有机质富硅页岩相含气量最高，中等有机质富硅页岩相次之，低有机质贫硅页岩相最低，其中富有机质富硅页岩相测井解释含气量平均值达到8.08m3／t，中等有机质富硅页岩相测井解释含气量平均值为6.04m3／t。对涪陵焦石坝地区已完钻水平井的无阻流量影响因素分析表明，水平段富有机质富硅页岩相穿行比例与无阻流量相关性非常好（图7），富有机质富硅页岩相穿行比例越高，该井无阻流量越大。

图7 无阻流量与富有机质富硅页岩相穿行比例关系图

3 结论

四川盆地涪陵焦石坝地区上奥陶统五峰组－下志留统龙马溪组含气页岩厚度较大，矿物成分以石英和粘土矿物为主，含斜长石、钾长石、方解石、白云石和黄铁矿，部分页岩中的硅质来源于硅质生物，有利于有机质富集。根据区内Th／U变化特征、岩石矿物组分及有机质丰度富集程度，可将JY11－4井五峰组－龙马溪组页岩划分为低有机质贫硅页岩相、中等有机质贫硅页岩相、低有机质富硅页岩相、中等有机质富硅页岩相和富有机质富硅页岩相五种类型页岩相，其中富有机质富硅页岩相含气性最好。实钻资料证实，水平井穿行富有机质富硅页岩相比例越高无阻流量越大，富有机质富硅质页岩相为区内页岩气勘探开发的最有利页岩相。

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