渝東北地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖儲(chǔ)層特征

郭秀梅，王 劍，楊宇寧，周業(yè)鑫，牛丙超

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059;2.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081)

頁巖氣是一種資源量非常巨大的非常規(guī)氣藏。我國頁巖氣勘探正處在快速起步階段。南方上揚(yáng)子地區(qū)廣泛分布的下古生界海相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系厚度大、有機(jī)質(zhì)類型好、豐度高、熱成熟度高、脆性礦物含量高、裂縫發(fā)育，是我國海相頁巖氣勘探的有利地區(qū)［1-10］。其中，位于上揚(yáng)子板塊上的渝東北地區(qū)是我國頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)區(qū)之一。區(qū)內(nèi)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖層是頁巖氣勘探的重要目的層系之一。其勘探和研究程度均很低，屬于露頭區(qū)頁巖氣資源調(diào)查與評(píng)價(jià)新領(lǐng)域。本文通過對(duì)渝東北地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組的野外露頭進(jìn)行分析，采用常規(guī)薄片、X線衍射全巖分析、電子掃描顯微鏡、地球化學(xué)參數(shù)測試等方法，主要從巖石學(xué)特征、礦物組成、地球化學(xué)特征，以及物性特征等方面探討龍馬溪組頁巖的微觀儲(chǔ)層特征，希望為該地區(qū)頁巖氣的勘探、開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于上揚(yáng)子板塊沙市隱伏斷裂以北、城房斷裂以南的大巴山?jīng)_斷帶內(nèi)，其北側(cè)分別是南秦嶺褶皺帶、北大巴山推覆褶皺帶、南大巴山推覆帶，西北與米倉山褶皺帶相連，西南為川中古陸，東南與川東高陡褶皺帶毗鄰(圖1)。早志留世龍馬溪期，上揚(yáng)子板塊處于擠壓、褶皺造山過程中，川西-滇中古陸、漢南古陸擴(kuò)大，川中隆起范圍不斷擴(kuò)大，而揚(yáng)子南緣的黔中隆起、雪峰隆起、苗嶺隆起基本相連，形成了滇黔桂隆起帶，使得中上揚(yáng)子地區(qū)成為分布范圍較大的局限-滯留淺海，沉積了五峰組-龍馬溪組黑色頁巖［11-12］。區(qū)域構(gòu)造主要以高幅抬升及強(qiáng)烈擠壓為特點(diǎn)，五峰組-龍馬溪組埋藏淺、變形嚴(yán)重、破壞強(qiáng)烈 ，現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為高陡狀褶皺［13］。

2 巖相特征

圖1 研究剖面大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic setting of the Miaoba，Tianba and Bailu sections in northeastern Chongqing

表1 渝東北五峰組-龍馬溪組巖相種類及其特征Table 1 Summary of the lithologic types in the Wufeng and Longmaxi Formations in northeastern Chongqing

研究區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖廣泛發(fā)育。通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)的巫溪田壩西陽村、巫溪白鹿楊柳樹村、城口廟壩周家河壩3條典型剖面的詳細(xì)描述與常規(guī)薄片鑒定，以及對(duì)其它9條輔助剖面的觀察研究，認(rèn)為渝東北五峰組-龍馬溪組地層為一套整合于中奧陶統(tǒng)臨湘組介殼灰?guī)r之上、下伏于下志留統(tǒng)新灘組碎屑巖之下的黑色細(xì)碎屑-泥質(zhì)沉積巖系。其中，五峰組主要由下部的黑色薄層狀碳質(zhì)泥(頁)巖、硅質(zhì)泥(頁)巖和上部的觀音橋段生物灰?guī)r構(gòu)成。龍馬溪組主要為深黑色-灰黑色薄-厚層狀的碳質(zhì)泥(頁)巖、硅質(zhì)泥(頁)巖、含粉砂質(zhì)泥巖，整合于上奧陶統(tǒng)五峰組之上，頂部的灰黑色(含)粉砂質(zhì)泥巖與以灰綠色厚層粉砂質(zhì)泥巖為主的下志留統(tǒng)新灘組呈漸變過渡的整合接觸關(guān)系。主要有黑色炭質(zhì)頁巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、硅質(zhì)巖、生物灰?guī)r以及少量斑脫巖等6種巖相(表1)，其中筆石化石廣泛發(fā)育。

3 地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

研究區(qū)西部巫溪田壩剖面中五峰組-龍馬溪組底部有機(jī)碳含量最大為7.56%，向上減小至1.55%(圖2)，整個(gè)剖面的有機(jī)碳含量平均為3.77%。在白鹿五峰組-龍馬溪組黑色頁巖剖面中，自下而上有機(jī)碳含量的變化趨勢一致。底部TOC最大為5.75%，向上減小至 0.75%，平均 TOC值為3.22%。城口廟壩五峰組-龍馬溪組黑色頁巖剖面的有機(jī)碳含量為0.48%～5.25%，平均為2.97%。垂向上，五峰組至龍馬溪組底部，TOC呈逐漸升高的態(tài)勢，至龍馬溪組再往上，TOC轉(zhuǎn)為降低。

3.2 有機(jī)質(zhì)類型與成熟度

根據(jù)干酪根中δ13C測試值，將有機(jī)質(zhì)分為4種類型，劃分標(biāo)準(zhǔn)主要參考前人在四川盆地及周邊獲得的研究成果(表 2)［7，14-16］。渝東北地區(qū)田壩、廟壩、白鹿剖面中的27件樣品的δ13C測試數(shù)據(jù)都非常穩(wěn)定(圖3)，最大值為-29.7‰，最小值為-31.1‰，平均值為-30.49‰。因此，樣品有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥型(Ⅰ型)。

圖2 渝東北龍馬溪組泥(頁)巖有機(jī)碳含量(TOC)縱向分布圖Fig.2 Vertical distribution of total organic carbon contents(TOC)in the mudstones(shales)from the Longmaxi Formation in northeastern Chongqing

表2 烴源巖干酪根碳同位素(δ13C)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification of the kerogens according to δ13C values for the samples from northeastern Chongqing

渝東北五峰組-龍馬溪組黑色頁巖的熱演化程度總體較高，平面與稍有變化，但垂向上變化相對(duì)穩(wěn)定。如研究區(qū)東部巫溪白鹿剖面，Ro介于1.65%～2.03%，平均為1.92%，垂向上Ro較為穩(wěn)定，處于高-過成熟階段。中部巫溪田壩地區(qū)，富有機(jī)質(zhì)頁巖成熟度為2.03%～2.33%，平均為2.20%，整體處于過成熟階段早期。而位于研究區(qū)西部的城口廟壩剖面，其富有機(jī)質(zhì)頁巖成熟度為1.08%～1.32%，Ro平均為1.22%，整體處于成熟階段，該現(xiàn)象在研究區(qū)較為罕見［17］。

4 礦物組成特征

圖3 渝東北地區(qū)五峰組-龍馬溪組干酪根碳同位素分布Fig.3 δ13C vs.TOC diagram for the shales from the Wufeng and Longmaxi Formations in northeastern Chongqing

圖4 渝東北地區(qū)五峰組-龍馬溪組礦物含量分布圖Fig.4 Triangular diagram of the mineral compositions in the shales from the Wufeng and Longmaxi Formations in northeastern Chongqing

巖石的礦物組成、有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)成熟度是頁巖儲(chǔ)層發(fā)育的3個(gè)重要因素。對(duì)渝東北地區(qū)五峰組-龍馬溪組剖面45件樣品的全巖X射線衍射分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明(圖4)，廟壩、田壩、白鹿地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖黏土含量平均值分別為18.5%(10.5%～30.3%)、26.7%(10.8%～40%)、20.6%(6.2%～38.3%);石英含量平均值分別為68.4%(51%～85.4%)、61.6%(42.6%～88.2%)、62.4%(43.6%～79.4%);長石含量平均值分別為5.9%(0～12.8%)、8.3%(0～17.2%)、8.1%(3.9%～14%)。碳酸鹽類礦物含量極少，僅有兩件樣品中碳酸鹽礦物含量達(dá)到了1.2%，表明五峰組-龍馬溪組為淺海陸棚沉積環(huán)境。這種還原環(huán)境對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存和富集有利，為頁巖氣的形成提供了良好條件［7］。

黑色頁巖的黏土礦物主要以伊利石和伊利石-蒙脫石間層為主，含有少量的綠泥石和綠泥石-蒙脫石間層，伊利石-蒙脫石間層型黏土礦物含量占黏土礦物總量的33% ～88%之間，平均值為68%;伊利石含量占黏土礦物總量的12%～67%之間，平均值為30.4%;綠泥石占黏土礦物總量的0.7%，而綠泥石-蒙脫石間層型黏土礦物在黏土礦物總量中的比重不足0.5%(圖5)。

圖5 渝東北地區(qū)五峰組-龍馬溪組黏土礦物相對(duì)含量分布圖Fig.5 Triangular diagram of the clay mineral contents in the shales from the Wufeng and Longmaxi Formation in northeastern Chongqing

5 孔隙特征

泥巖中的孔隙和微裂縫使之成為天然氣的儲(chǔ)層。根據(jù)孔隙大小可將泥(頁)巖中的孔隙分為兩種類型:微孔隙(d＞0.75μm)和納米級(jí)孔隙(d＜0.75μm)［18］。通過掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，五峰組-龍馬溪組泥頁巖中納米級(jí)孔隙、微孔隙和微裂縫十分發(fā)育(圖6)。常見以下孔隙類型:有機(jī)質(zhì)內(nèi)溶孔和有機(jī)質(zhì)與礦物間微孔(圖6a);石英晶間微孔隙，孔隙直徑多半＜2μm(圖6b);黏土礦物如伊利石和伊蒙混層間絮凝引起的微孔隙，孔隙直徑寬＜1μm(圖6c);石英、長石晶內(nèi)的溶孔，孔隙直徑0.01～2μm(圖6d);硅藻體腔孔(圖6e);莓狀黃鐵礦顆粒內(nèi)部晶體之間的孔隙(圖6f)，在這些孔隙及顆粒邊緣存在殘余的有機(jī)物質(zhì);龍馬溪組頁巖中微裂縫發(fā)育，發(fā)育在伊利石礦物層間(圖6g)、黏土礦物與脆性礦物之間(圖6h)，以及構(gòu)造作用形成的擠壓裂縫(圖6i)。

圖6 渝東北五峰組-龍馬溪組頁巖微孔隙和微裂縫特征Fig.6 Micropores and microfissures in the shales from the Wufeng and Longmaxi Formations in northeastern Chongqing

白鹿剖面五峰組-龍馬溪組泥(頁)巖7個(gè)樣品有效孔隙度為0.08%～3.42%，平均為0.69%，滲透率為(0.001～0.054)×10-3μm2;廟壩剖面龍馬溪組頂部黑色含炭泥頁巖5個(gè)樣品有效孔隙度為0.14%～3.96%，平均為1.08%，滲透率為(0.0001～0.0004)×10-3μm2，平均為0.0002 ×10-3μm2;田壩剖面龍馬溪組炭質(zhì)泥巖7個(gè)樣品有效孔隙度為0.33%～9.11%，平均為4.75%，滲透率為(0.001～0.008)×10-3μm2，平均為0.003 ×10-3μm2。

6 結(jié)論

(1)五峰組-龍馬溪組主要有黑色炭質(zhì)頁巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、硅質(zhì)巖、生物灰?guī)r以及斑脫巖6種巖相。有機(jī)碳含量較高，TOC一般為 1.33%～5.35%，最大達(dá)7.56%，平均為3.09%，縱向上由底至頂，TOC逐漸降低。有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥型(Ⅰ型)。大部分地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖成熟度(Ro)大于 2%，一般為 1.17%～3.54%，平均為2.07%，基本上處于高成熟-過成熟演化階段。礦物組成以石英、長石、黏土礦物為主，碳酸鹽礦物極少。黏土礦物主要為伊利石和伊蒙間層。

(2)渝東北地區(qū)五峰組-龍馬溪組泥(頁)巖平均有效孔隙度為0.69%～4.75%，平均滲透率為0.0002～0.009×10-3μm2。微孔隙發(fā)育，主要為有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔、粒內(nèi)孔、粒間孔。微裂隙廣泛發(fā)育，包括顆粒邊緣微裂縫、黏土礦物晶間微裂縫和構(gòu)造微裂縫。

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