四川盆地及周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖巖相劃分

袁 桃，魏祥峰，張漢榮，李春燕，魏富彬，盧龍飛，王 強(qiáng)

(1.中國(guó)石化 勘探分公司，成都 610041；2.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126)

頁(yè)巖巖相與有機(jī)質(zhì)富集、形成環(huán)境密切相關(guān)[1-2]，對(duì)探索儲(chǔ)集空間特征[3-5]、尋找有利目標(biāo)具有十分重要的意義。隨著頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)逐步走向深層，頁(yè)巖巖相的研究在頁(yè)巖可壓性評(píng)價(jià)和水平井壓裂方案的優(yōu)化中占有舉足輕重的地位。但目前關(guān)于頁(yè)巖巖相劃分的標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，國(guó)內(nèi)外專家及學(xué)者主要以沉積構(gòu)造、巖石礦物組成、有機(jī)質(zhì)特征、古生物特征為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行頁(yè)巖巖相劃分[2,6-17]，也有學(xué)者利用地球物理測(cè)井響應(yīng)特征進(jìn)行巖相劃分的嘗試[18]。那么針對(duì)不同頁(yè)巖儲(chǔ)層存在較大差異這一特點(diǎn)，在統(tǒng)一的巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)中，選擇哪個(gè)或哪幾個(gè)特征參數(shù)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，特征參數(shù)分界點(diǎn)取值多少作為劃分判別依據(jù)，成為了巖相劃分討論和研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

本文從頁(yè)巖品質(zhì)和可壓性的角度出發(fā)，通過(guò)總結(jié)對(duì)比前人各類巖相劃分方案，結(jié)合五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)與頁(yè)巖品質(zhì)在成因機(jī)制上的緊密關(guān)聯(lián)性，以及硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物對(duì)可壓性的重要影響，開(kāi)展四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖硅質(zhì)成因分析和巖相劃分特征參數(shù)分界點(diǎn)取值研究，形成五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖相綜合劃分方案，進(jìn)而為探討四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的優(yōu)勢(shì)巖相奠定基礎(chǔ)，為尋找頁(yè)巖氣勘探“甜點(diǎn)”提供理論指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

五峰組—龍馬溪組沉積早期，受多期構(gòu)造作用影響，四川盆地形成了“三隆夾一坳”的古地理格局，晚奧陶世形成的廣海海域轉(zhuǎn)變?yōu)槭芄怕∑饑薜木窒藓＃沟迷摃r(shí)期廣泛形成了缺氧、安靜、欠補(bǔ)償?shù)纳钏懪锵喑练e環(huán)境(圖1)，這為五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成奠定了有利的物質(zhì)基礎(chǔ)。該時(shí)期沉積的這套暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，具有高有機(jī)質(zhì)豐度、高硅質(zhì)礦物含量的特征，含有豐富的黃鐵礦及筆石、放射蟲(chóng)等生物化石，頁(yè)理較發(fā)育，筆石生物群常呈層狀分布，是四川盆地及周緣頁(yè)巖氣勘探最重要層段之一。

2 頁(yè)巖巖相劃分方案對(duì)比

四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組的暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖在宏觀尺度上可以統(tǒng)稱為頁(yè)巖，但其巖相類型多樣，TOC、礦物成分在縱、橫向上存在一定的差異性。為進(jìn)一步明確有利巖相類型，相關(guān)專家和學(xué)者對(duì)該套層系的巖相劃分進(jìn)行了諸多嘗試，大多以巖石礦物組分為基礎(chǔ)，按礦物組分三端元?jiǎng)澐謳r相，實(shí)現(xiàn)巖相的半定量化劃分；然后根據(jù)不同研究需要，結(jié)合其他參考分類，進(jìn)行兩步法巖相綜合劃分，主要包括礦物組分+沉積構(gòu)造巖相劃分法、礦物組分+巖性分級(jí)巖相劃分法和礦物組分+有機(jī)碳含量巖相劃分法3大類劃分方案。

2.1 礦物組分+有機(jī)碳含量巖相劃分法

結(jié)合礦物組分和有機(jī)質(zhì)含量來(lái)劃分巖相類型，可以清晰地表現(xiàn)頁(yè)巖品質(zhì)的優(yōu)劣，適用于非常規(guī)油氣勘探工作，也是近年來(lái)在科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中比較推崇的兩步法巖相劃分方案。該類劃分法可以歸納為以下2種情況。

(1)有機(jī)碳含量+三端元結(jié)合劃分法。吳明昊等[19]以有機(jī)碳含量2%和4%為標(biāo)準(zhǔn)，劃分成低(≤2%)、中(2%～4%)、高(≥4%)3個(gè)級(jí)別；按石英、碳酸鹽和黏土礦物三端元50%，劃分出硅質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖和混合型頁(yè)巖4類；而混合型頁(yè)巖按照突出優(yōu)勢(shì)礦物為原則，以含量30%進(jìn)一步劃分出高有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、高有機(jī)質(zhì)硅泥質(zhì)混合型頁(yè)巖、低有機(jī)質(zhì)硅泥質(zhì)混合型頁(yè)巖等8種巖相。李卓等[20]根據(jù)有機(jī)質(zhì)豐度，將頁(yè)巖劃分為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖(≥2%)、含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖(1%～2%)和貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖(≤1%)；根據(jù)礦物組成含量，將五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖劃分為黏土質(zhì)頁(yè)巖(黏土>40%)、鈣質(zhì)頁(yè)巖(黏土≤40%，Ca/Si≥2)、混合質(zhì)頁(yè)巖(黏土<40%，0.5

圖1 四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組沉積相

(2)有機(jī)碳含量+單端元結(jié)合劃分法。馬喬[22]以有機(jī)碳含量劃分為4類：富碳(≥4%)、高碳(2%～4%)、中碳(1%～2%)和低碳(≤1%)；以硅質(zhì)含量劃分為3類：高硅(≥40%)、中硅(30%～40%)、低硅(≤30%)，共劃分出12類巖相類型。

2.2 礦物組分+沉積構(gòu)造巖相劃分法

以礦物組分+沉積構(gòu)造特征劃分巖相，屬于定性描述分類，相對(duì)較簡(jiǎn)單，適用于野外巖石、鉆井巖心觀察描述的巖相劃分，對(duì)頁(yè)巖形成的沉積構(gòu)造環(huán)境研究也具有十分重要的意義。

冉波等[9]根據(jù)黏土和細(xì)粒碎屑物含量，將五峰組—龍馬溪組劃分為硅質(zhì)巖、砂巖、碳酸鹽巖、斑脫巖和頁(yè)巖，并在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖巖相劃分方案的基礎(chǔ)上，選擇礦物成分及含量(石英含量)和沉積構(gòu)造(紋層的發(fā)育情況)2個(gè)參數(shù)，對(duì)頁(yè)巖巖相進(jìn)行劃分：(1)按石英含量分為4類：小于等于40%為貧硅，40%～60%為中硅，60%～80%為富硅，大于等于80%則歸入硅質(zhì)巖類；(2)按紋層發(fā)育情況，分為平行、不平行和不明顯3類，將頁(yè)巖巖相細(xì)分為9類：貧硅、中硅、富硅平行紋層頁(yè)巖，貧硅、中硅、富硅不平行紋層頁(yè)巖，貧硅、中硅、富硅不明顯紋層頁(yè)巖。

2.3 礦物組分+巖性分級(jí)巖相劃分法

以礦物組分+巖性分級(jí)劃分巖相，頁(yè)巖以礦物組分10%、25%、50%、75%為分界的巖性分級(jí)劃分巖相，從沉積學(xué)理論的角度分析研究，劃分依據(jù)充分、系統(tǒng)化、精細(xì)化，比較適用于科學(xué)研究、尋找規(guī)律。

梁超等[6]根據(jù)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物組分含量及特征，劃分出5種巖石相：硅質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖和普通頁(yè)巖，進(jìn)而開(kāi)展巖相特征的研究。王超等[23]運(yùn)用巖礦三端元法和頁(yè)巖巖性分級(jí)命名方法，將四川盆地涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖按三端元?jiǎng)澐殖龉栀|(zhì)類頁(yè)巖、鈣質(zhì)類頁(yè)巖、黏土類頁(yè)巖和混合類頁(yè)巖4大類，并以礦物組分含量10%、25%、50%、75%為界，劃分為31種亞相。

2.4 本文五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖相綜合劃分方案

四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的研究程度相對(duì)較高，該套層系頁(yè)巖巖相的劃分，既要考慮頁(yè)巖品質(zhì)的優(yōu)劣，也要考慮工程可壓裂性的評(píng)價(jià)；既要方便適用，又不能過(guò)于簡(jiǎn)單粗糙。用沉積構(gòu)造來(lái)定性劃分巖相，雖然能夠揭示頁(yè)巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，但不便于形成統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)；以礦物組分10%、25%、50%、75%為分界的巖性分級(jí)劃分巖相，相對(duì)系統(tǒng)精細(xì)，但目前對(duì)于劃分出的各類巖相之間的區(qū)別和實(shí)際意義并不清楚，不便于推廣應(yīng)用?？偟膩?lái)說(shuō)，以有機(jī)質(zhì)含量和礦物組分的二步法巖相劃分是目前科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用行之有效的劃分方案。在前人的巖相劃分研究中，并未將五峰組—龍馬溪組硅質(zhì)成因與頁(yè)巖品質(zhì)的成因機(jī)制考慮在內(nèi)，使得無(wú)法將高石英含量的粉砂質(zhì)頁(yè)巖(陸源硅質(zhì)成因)和生物成因/生物化學(xué)成因的硅質(zhì)頁(yè)巖區(qū)分開(kāi)，從而影響頁(yè)巖本身品質(zhì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)。本文以JY1井為例，分析研究了硅質(zhì)成因的判別和分類，以及縱向上的分布規(guī)律，為頁(yè)巖巖相的綜合劃分奠定了基礎(chǔ)。

2.4.1 硅質(zhì)成因分析

通過(guò)巖心觀察、光學(xué)顯微—電子顯微和氬離子拋光掃描電鏡分析等表明，JY1井五峰組—龍馬溪組上部頁(yè)巖層段薄片中硅質(zhì)呈碎屑狀、雜亂分散分布(圖2a)，主要為陸源碎屑成因；而底部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段硅質(zhì)含量普遍較高，大多數(shù)樣品的石英含量高達(dá)50%以上，主要集中在50%～80%之間；黏土礦物和碳酸鹽礦物含量明顯較低，分別在20%和10%以下。頁(yè)巖中含有大量的硅質(zhì)生物碎屑，特別是筆石、放射蟲(chóng)和海綿骨針極為豐富(圖2b-d)，其中放射蟲(chóng)呈明顯的具有生物結(jié)構(gòu)的微米級(jí)礦物團(tuán)粒，緊密堆積排布或呈分散狀，形成幾十甚至上百微米的石英集合體；海綿骨針則呈雜亂式密集分布，主要以十字骨針和三軸六射骨針為主，以薄層的韻律形式反復(fù)出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，底部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段硅質(zhì)主要以生物成因?yàn)橹?，元素地球化學(xué)判別指標(biāo)也證實(shí)了該認(rèn)識(shí)(圖2e,f)。根據(jù)上述認(rèn)識(shí)，本次巖相劃分中，將硅質(zhì)以陸源碎屑成因?yàn)橹鞯捻?yè)巖，統(tǒng)一命名為粉砂質(zhì)頁(yè)巖類；硅質(zhì)以生物成因?yàn)橹鞯捻?yè)巖，按硅質(zhì)頁(yè)巖類巖相進(jìn)行劃分。

圖2 四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

a.低碳低硅頁(yè)巖，JY1井，龍馬溪組，2 338.20 m，陸源硅質(zhì)碎屑，雜亂分布，正交偏光；b.筆石頁(yè)巖，JY1井，龍馬溪組，2 395.00 m；c.硅質(zhì)放射蟲(chóng)，JY1井，龍馬溪組，2 411.00 m；d.硅質(zhì)海綿骨針，十字型，龍馬溪組，渝東南地區(qū)野外剖面

Fig.2 Shale reservoir characteristics of Wufeng-Longmaxi formations in Sichuan Basin and its periphery

2.4.2 五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖相綜合劃分

基于實(shí)際應(yīng)用的考慮，首先根據(jù)沉積學(xué)巖石大類劃分和硅質(zhì)巖類的定義[24]，分別以鈣質(zhì)含量大于50%、硅質(zhì)含量大于75%(硅質(zhì)巖定義為硅質(zhì)含量一般大于70%，基于頁(yè)巖巖相統(tǒng)一劃分和實(shí)際應(yīng)用的考慮，將以硅質(zhì)含量75%為界來(lái)劃分硅質(zhì)巖類)、黏土含量大于50%為界，劃分出泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖、黏土巖3大類巖相(圖3)和頁(yè)巖混合巖相區(qū)(圖3①～⑤)；其次，從頁(yè)巖品質(zhì)的角度，結(jié)合前人研究成果[19, 21-22]和五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探實(shí)際研究需要，將混合巖相區(qū)以頁(yè)巖氣儲(chǔ)量申報(bào)標(biāo)準(zhǔn)(DZ-T0254—2014)有機(jī)碳含量1%、2%、4%為界，形成低碳、中碳、高碳、富碳頁(yè)巖等4種頁(yè)巖巖相(圖4)；再者，從頁(yè)巖脆性的角度，結(jié)合五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物組分含量特征，按沉積學(xué)分類，以礦物組分含量25%、50%為界，形成低硅中鈣頁(yè)巖、中硅中鈣頁(yè)巖、中硅低鈣頁(yè)巖、高硅中鈣頁(yè)巖和高硅低鈣頁(yè)巖5種頁(yè)巖巖相(圖3)。

圖3 四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖相無(wú)機(jī)分類劃分方案

3 實(shí)例應(yīng)用分析

根據(jù)上述綜合劃分方案，以JY1井為例，基于不同層段硅質(zhì)成因分析，開(kāi)展了巖相綜合劃分研究。

JY1井五峰組—龍馬溪組①～⑨小層縱向上鈣質(zhì)含量較低，平均含量為9.9%，整體表現(xiàn)為低鈣特征，基于此，以有機(jī)碳—礦物組分為基礎(chǔ)，結(jié)合硅質(zhì)成因分析，可以識(shí)別出富碳高硅頁(yè)巖、高碳高硅頁(yè)巖、高碳中硅頁(yè)巖、中碳中硅粉砂質(zhì)頁(yè)巖、高碳低硅頁(yè)巖、低碳低硅粉砂質(zhì)頁(yè)巖共6種巖相類型(圖5，6)。

頁(yè)巖品質(zhì)縱向上總體表現(xiàn)出由好逐漸變差、變好、再變差的特征，其中頁(yè)巖品質(zhì)較好的高碳類頁(yè)巖主要集中分布在①～⑤小層(優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段)，⑥～⑦小層為頁(yè)巖品質(zhì)中等的中碳類頁(yè)巖，⑧小層為深水陸棚相高碳類頁(yè)巖，⑨小層為淺水陸棚相低碳類頁(yè)巖(圖6)。硅質(zhì)含量縱向上表現(xiàn)出由高到低的變化趨勢(shì)，其中①～⑤和⑧小層頁(yè)巖硅質(zhì)主要以生物成因?yàn)橹鳎蕖吆廷嵝禹?yè)巖硅質(zhì)主要以陸源碎屑成因?yàn)橹鳌?/p>

圖4 四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖相有機(jī)分類劃分方案

圖5 四川盆地及周緣JY1井五峰組—龍馬溪組①～⑨小層頁(yè)巖巖相特征

圖6 四川盆地JY1井頁(yè)巖巖相劃分綜合柱狀圖

4 結(jié)論

(1)形成了四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖以有機(jī)碳—礦物組分為基礎(chǔ)、結(jié)合硅質(zhì)成因分析的巖相綜合劃分方案。按沉積學(xué)和硅質(zhì)巖類的定義，劃分出泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖、黏土巖3大類巖相和頁(yè)巖混合巖相區(qū)；從頁(yè)巖品質(zhì)的角度，將頁(yè)巖混合巖相區(qū)以有機(jī)碳含量1%、2%、4%為界，形成了低碳、中碳、高碳、富碳頁(yè)巖等4種頁(yè)巖巖相；從頁(yè)巖脆性的角度，以礦物組分含量25%、50%為界，形成了低硅中鈣頁(yè)巖、中硅中鈣頁(yè)巖、中硅低鈣頁(yè)巖、高硅中鈣頁(yè)巖和高硅低鈣頁(yè)巖5種頁(yè)巖巖相。

(2)JY1井五峰組—龍馬溪組①～⑨小層識(shí)別出富碳高硅頁(yè)巖、高碳高硅頁(yè)巖、高碳中硅頁(yè)巖、中碳中硅粉砂質(zhì)頁(yè)巖、高碳低硅頁(yè)巖和低碳低硅粉砂質(zhì)頁(yè)巖共6種巖相類型。

(3)JY1井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖品質(zhì)從底到頂縱向上總體表現(xiàn)出由好逐漸變差、變好、再變差的特征，其中頁(yè)巖品質(zhì)較好的高碳類頁(yè)巖主要集中分布在①～⑤小層(優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段)；硅質(zhì)含量縱向上表現(xiàn)出由高到低的變化趨勢(shì)，其中①～⑤和⑧小層頁(yè)巖硅質(zhì)主要以生物成因?yàn)橹?，⑥～⑦和⑨小層?yè)巖硅質(zhì)主要以陸源碎屑成因?yàn)橹鳌?/p>