四川盆地焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩层序地层划分及含气性预测——以JY-2井为例

刘天娇，张妍煜，赵迪斐

(1. 山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3. 中国矿业大学 人工智能研究院，江苏 徐州 221116；4. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；5. 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛 266590)

0 引言

层序地层学通过建立沉积盆地的等时地层格架，预测不同类型储集体的展布及性质。但是直接对生油层系的层序划分的研究相对较少，尤其对生储盖一体的泥页岩油气藏的层序地层精细表征存在明显不足[1-6]。页岩气主要以吸附态和游离态赋存于页岩微纳米孔隙-裂隙系统中，是一种典型的自生自储型非常规天然气[7-8]。对泥页岩进行层序划分，主要目的是基于划分的层序界面对优质烃源岩段进行展布特征预测。四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组属于陆棚相沉积，主要由海相泥页岩构成，其沉积环境格局的复杂性及其对优质烃源岩类型分布、厚度和规模的控制作用研究不够，直接影响了对五峰组—龙马溪组页岩气勘探前景的客观评价。前人对四川盆地主要页岩气井的生物地层进行研究后发现，研究区目前的岩相小层划分方案存在严重的穿时问题，制约了对四川盆地页岩气富集、高产特征的研究[9-15]。因此，进行泥页岩高分辨率层序地层划分对于水平井的布置和页岩气勘探开发潜力评价具有重要现实意义。该文针对泥页岩高分辨率层序地层划分的研究现状，综合利用岩性岩相分析和测井资料进行页岩高分辨率层序地层划分，提高层序地层划分的准确性和可靠性，为下一步页岩气勘探提供理论依据。

1 区域地质概况

四川盆地位于扬子准地台四川台坳，是一个古生代-中新生代海陆相复杂叠合盆地[16]。焦石坝区块位于四川盆地东南部，属于川东高陡褶皱带内一个特殊的“洼中隆”正向构造，面积约为347 km2，其位置分布如图1a所示[17]。构造上，焦石坝区块整体呈北东向展布，东西两翼受北东向(大耳山西断层和石门断层)和近南北向(乌江断层)2组逆断层夹持围限，北侧与天台场断层相接[18-19]。焦石坝地区的构造主体为一个平缓的断背斜，边缘被多条断层夹持。该区发育的断层主要为逆断层，展布方向主要为北东向和南北向[20]。焦石坝断背斜核部变形程度整体较弱，背斜形态完整，顶部宽缓、地层倾角小(通常为5°～10°)，断层发育程度较低，翼部陡倾(可达30°以上)、断层较为发育，其井位分布和构造纲要如图1b所示。

图1 焦石坝地区在四川盆地的位置分布及研究区井位分布与构造纲要图Fig.1 The location distribution of Jiaoshiba area in Sichuan Basin and well location distribution and tectonic outline in the study area

焦石坝地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组整体处于陆棚相沉积环境，发育了一套厚度大、分布广泛的富有机质泥页岩，该套泥页岩岩性较单一，粒度细，富含生物化石[21]。根据钻井资料显示，五峰组—龙马溪组页岩横向分布稳定，厚度为80～120 m[22]。焦石坝地区下志留统龙马溪组页岩层系龙马溪组上部主要发育浅灰色、灰色泥岩，中部主要为灰色-深灰色泥质粉砂岩、灰色粉砂岩，下部发育深灰色-黑色碳质泥页岩[23]。焦石坝JY-1井等4口井的钻探表明，焦石坝地区位于陆棚的沉积中心，如图2所示[23]。焦石坝JY-2井的泥页岩厚度大于100 m，优质页岩厚度大于40 m，因此选取该井进行焦石坝地区海相泥页岩层序地层划分。

图2 四川盆地及周缘五峰组-龙马溪组优质泥页岩分布图Fig.2 Distribution map of high-quality shale in the Wufeng-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its periphery

2 基于测井资料的层序划分方法

2.1 Rsn及ΔlogR法

自然伽马(GR)测井曲线常用来进行岩性识别和层序地层划分，通过GR曲线计算出砂泥比(Rsn)，利用砂泥比曲线可以求出地层短期基准面变化曲线，根据地层的短期基准面变化曲线可以划分出不同级别的层序，为层序地层划分提供依据[24]。对于砂泥岩，泥岩的Rsn值较小，与基准面上升相对应；而砂岩的Rsn值较大，通常对应着基准面下降。Rsn曲线的具体计算公式为：

(1)

式中：Rsn为砂泥比指数；GR为自然伽马测井值；GRmax为选取层段内自然伽马最大值；GRmin为选取层段内自然伽马最小值。

ΔlogR法又叫测井曲线重叠法，是利用重叠法，把刻度合适的孔隙度曲线(文中应用的是声波时差曲线(AC))叠加在电阻率曲线(文中应用的是深侧向电阻率(RD))上，由于2条曲线都反映孔隙度的变化，对于富含有机质的细粒烃源岩来说，2条曲线存在幅度差，定义为ΔlogR，如图3所示[25]。孔隙度和电阻率2条曲线在一定深度内“一致”或者重叠时即为基线，确定基线后，通过用2条曲线之间的间隔和相对位置来划分层序。

图3 用ΔlogR评价烃源岩典型实例Fig.3 Typical example of evaluating source rock with ΔlogR

2.2 频谱分析方法

该文应用的频谱分析方法主要有最大熵频谱分析(INPEFA)和一维连续小波变换(CWT)。通过对测井曲线进行最大熵频谱分析，可以反映海平面的升降变化，而曲线拐点通常指示层序界面。一般情况下，INPEFA曲线的正趋势通常代表海平面上升，而负趋势则指示海平面下降[26]。INPEFA技术通常选用GR曲线。该研究的INPEFA分析通过Cyclolog软件完成。

一维连续小波变换可以提取测井曲线中蕴含的旋回信息，从而用于沉积地层层序格架的建立[27-28]。GR曲线与水深有密切关系，对GR数据进行一维连续小波变换，得到一系列的小波变换系数曲线和小波波谱图，展现测井数据中蕴含的地层层序信息。通过对小波系数曲线幅值变化和小波波谱图上显示的能量变化特征的分析，可以识别沉积旋回，进而为构建层序地层格架提供依据[29]。该文选取的小波基是一维连续Morlet小波，它是一个周期函数，而且它的时频两域的局部性能比较好，可以提取旋回地层的特征。该研究的小波变换分析通过Matlab R2016a软件完成。

3 结果与讨论

3.1 JY-2井五峰组—龙马溪组沉积环境分析

五峰组—龙马溪组下部的岩性以灰黑色、黑色碳质泥(页)岩为主, 水平层理发育, 厚度为35～45 m, 如图4所示。五峰组—龙马溪组下部的生物化石主要有底栖藻类、浮游笔石和硅质放射虫等，其中笔石化石含量丰富，且局部富集成层。

图4 JY-2井五峰组—龙马溪组综合录井图Fig.4 Comprehensive logging map of Wufeng-Longmaxi Formation in well JY-2

U及其Th/U指标参数可表征海平面的旋回特征, 因此, 依据Th/U比值可判别氧化还原环境。一般来说, Th/U值为0～2时指示缺氧环境, 在强氧化环境下这个比值可达8[30-31]。五峰组的Th/U值为0.477～4.251, 平均值为1.304 5, 反映了贫氧-厌氧的沉积环境。相较于龙马溪组下段(Th/U值为0.333～12.187, 均值为2.358), 龙马溪组上段表现为较高的Th/U比值(Th/U值为1.449～19.586, 均值为5.060), 因此, 龙马溪组下段的水体环境应当更深, 反映了贫氧-厌氧的沉积环境, 而龙马溪组上段可能沉积于次富氧-贫氧的环境[32]。

3.2 JY-2井五峰组—龙马溪组层序地层划分

地层沉积过程中会受到多种地质因素的影响，只依据某单一因素划分地层层序很难识别出沉积地层中所蕴含的各种隐蔽周期，很容易忽视层序地层中重要的沉积旋回特征，因此需要利用多种方法、考虑多重因素综合识别海相页岩的层序地层。对JY-2井的测井数据进行基于ΔlogR分析、Rsn砂泥比指数、频谱分析方法的层序地层划分，将JY-2井五峰组—龙马溪组划分为2个完整的三级层序和5个体系域，如图5所示。

图5 JY-2井五峰组—龙马溪组层序地层划分Fig.5 Sequence stratigraphic division of Wufeng-Longmaxi Formation in well JY-2

第1个三级层序发育在五峰组和龙马溪组下段, 从下而上依次发育海侵体系域(TST)、高位体系域(HST)。海侵体系域的岩性主要为灰黑色碳质泥岩, 高位体系域的岩性以碳质泥页岩为主。第1个三级层序的ΔlogR整体表现为较高的声波时差值和较低的电阻率值，说明该段为较好的烃源岩，烃源岩的成熟度较高。海侵体系域的砂泥比为中等值，高水位体系域的砂泥比整体为低值。最大熵频谱曲线向上趋势变大，代表水体逐渐加深的过程。海侵体系域的一维连续小波变换波谱图较高位体系域亮度值较大，相应地小波系数曲线向上幅值变小，代表海侵体系域的水体环境能量较高。

第2个三级层序发育在龙马溪组的上段, 从下而上依次发育低位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)。低位体系域的岩性为灰色粉砂岩和灰黑色碳质泥岩, 海侵体系域的岩性为深灰色泥岩夹深灰色粉砂质泥岩, 高位体系域的岩性为深灰色泥岩。低位体系域下部的粉砂岩的ΔlogR均显示出最高的声波时差值和电阻率值, 表现为低孔渗储集层特征, 上部的碳质泥岩ΔlogR表现为较高的声波时差值和较低的电阻率值。海侵体系域和高位体系域的ΔlogR显示出低电阻率值和中等声波时差值。低位体系域的下部粉砂岩的砂泥比值大, 上部碳质泥岩的砂泥比值小。海侵体系域和高水位体系域的砂泥比整体变化较小, 呈中高值。最大熵频谱曲线向上趋势变大, 水体逐渐加深达到初次洪泛面(ffs)后保持稳定趋势。低位体系域的一维连续小波变换波谱图亮度值较大、小波系数曲线幅值大, 代表水体环境能量较高, 海侵体系域和高位体系域的小波波谱图表现为蓝色低能, 小波系数曲线幅值小。

3.3 JY-2井五峰组—龙马溪组层序地层与含气性关系

地层的沉积条件会控制页岩气富集的物质及物性基础，因此，在层序格架内讨论海平面变化和层序界面对有机质富集的影响以及页岩含气性与层序地层格架的关系是有意义的。焦石坝地区JY-2井五峰组—龙马溪组第1个三级层序的海侵体系域发育泥页岩气层，高位体系域发育泥页岩含气层和泥页岩气层。泥页岩气层、含气层和泥页岩含气层都发育在第2个三级层序的低位体系域。第1个三级层序低位体系域的甲烷和全烃含量很高，高位体系域的甲烷和全烃含量有下降的趋势。第2个三级层序低位体系域的底部粉砂岩段的甲烷和全烃含量达到最低值，低位体系域的上部碳质泥岩相较于下部粉砂岩的甲烷和全烃含量明显增大。第2个三级层序的海侵体系域和高位体系域的甲烷和全烃含量为中低值，无含气性。整体来看，泥页岩气层的甲烷和全烃含量是最高的，含气性最好，其次为含气层和泥页岩含气层。JY-2井五峰组—龙马溪组层序地层与含气性关系如图6所示。

图6 JY-2井五峰组—龙马溪组层序地层与含气性关系Fig.6 The relationship between sequence stratigraphy and gas-bearing properties of Wufeng-Longmaxi Formation in well JY-2

4 结论

1)该文根据岩性相和测井参数的变化对海平面变化响应的敏锐性，通过定性和定量相结合的方法分析海平面的变化，识别了层序内部的体系界面，建立焦石坝地区JY-2井五峰组—龙马溪组海相泥页岩的层序格架。JY-2井五峰组—龙马溪组可以划分为2个完整的三级层序和5个体系域，第1个三级层序发育在五峰组和龙马溪组下段，从下而上依次发育海侵体系域(TST)、高位体系域(HST)，海侵体系域发育泥页岩气层，高位体系域发育泥页岩含气层和泥页岩气层；第2个三级层序发育在龙马溪组的上段，从下而上依次发育低位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)，泥页岩气层、含气层和泥页岩含气层都发育在第2个三级层序的低位体系域。整体来看，泥页岩气层的甲烷和全烃含量是最高的，含气性最好，其次为含气层和泥页岩含气层。

2)对四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组泥页岩进行层序地层学分析将有助于了解优质烃源岩的分布特征，对研究区的进一步勘探、富有机质页岩的对比和富集规律的认识，以及后期页岩气的合理开发利用有指导意义。同时，也能够丰富层序地层学理论，对我国其他地区海相泥页岩层序地层学研究也具有一定的借鉴意义。