四川盆地及周緣上奧陶統(tǒng)五峰組巖相特征

杜 偉，胡宗全，劉光祥，朱 彤，聶海寬，顏彩娜，王冠平

(1. 中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

頁巖氣是指主要以吸附態(tài)、游離態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖層中的具有“自生自儲”特點(diǎn)的天然氣資源[1-3]。我國四川盆地及其周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)已取得一系列突破，發(fā)現(xiàn)了涪陵、長寧、威遠(yuǎn)、昭通和富順—永川等頁巖氣田[4]。近幾年來，針對這套頁巖的巖性組合、儲層特征、富集主控因素和保存條件等方面開展了深入研究，在頁巖氣田產(chǎn)能建設(shè)過程中，頁巖儲層“甜點(diǎn)”評價是水平井靶窗優(yōu)選的核心要素[5-6]。目前川東南地區(qū)涪陵頁巖氣田水平井靶窗范圍主要集中在龍馬溪組底部，同時一期產(chǎn)建區(qū)一些鉆井水平段在五峰組頁巖段中穿行，也獲得了較高的產(chǎn)量，但是川南地區(qū)的威榮和永川頁巖氣田則存在差異(圖1)[7-8]。五峰組巖性巖相分布特征已經(jīng)是制約四川盆地及周緣頁巖氣田產(chǎn)能建設(shè)的重要科學(xué)問題。

圖1 四川盆地及周緣區(qū)域構(gòu)造及井位

選取四川盆地及周緣不同地區(qū)典型頁巖氣井巖心樣品，進(jìn)行系統(tǒng)觀察描述，結(jié)合X-衍射、有機(jī)地球化學(xué)等實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，對五峰組巖相類型進(jìn)行分類，研究五峰組頁巖段和觀音橋段分布特征及其縱向演化規(guī)律，以期為該地區(qū)頁巖氣勘探和開發(fā)過程中儲層評價以及水平井靶窗優(yōu)選提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

前人多將五峰組—龍馬溪組頁巖作為一個統(tǒng)一的整體進(jìn)行評價研究，提出了相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)和評價體系[9-15]。早奧陶世晚期—志留紀(jì)，華夏板塊與揚(yáng)子板塊的會聚使得四川盆地處于擠壓應(yīng)力環(huán)境，盆地性質(zhì)為克拉通背景下的繼承性擠壓拗陷盆地，克拉通邊緣持續(xù)擠壓隆升，形成“三隆夾一坳”(川中古隆起、黔中古隆起和雪峰古隆起夾持的陸內(nèi)坳陷)的沉積格局[16-18]，發(fā)育低能、欠補(bǔ)償、缺氧的深水陸棚沉積，為有機(jī)質(zhì)的生成和保存提供了有利的沉積環(huán)境[19-24]。

隨著五峰組—龍馬溪組頁巖基礎(chǔ)地質(zhì)特征研究的逐漸深入，借鑒古生物學(xué)家對奧陶系—志留系深水筆石帶和淺水殼相的研究成果，多數(shù)學(xué)者認(rèn)識到奧陶系—志留系之間沉積環(huán)境的變遷[25-26]。上奧陶統(tǒng)和下志留統(tǒng)之間存在沉積間斷，影響了該時期筆石的發(fā)育特征[9,24]。通過對生物地層的對比分析，提出奧陶紀(jì)—志留紀(jì)的交替期與湘鄂西的宜昌上升運(yùn)動有緊密聯(lián)系[25]。筆石種屬在奧陶紀(jì)—志留紀(jì)交替過程中發(fā)生劇變，五峰組發(fā)育高分異度筆石動物群，其年代跨度為447.62～443.83 Ma[9，27-28]。四川盆地及周緣五峰組頁巖段與下伏澗草溝組瘤狀灰?guī)r為整合接觸關(guān)系，頂部發(fā)育觀音橋段，與上覆龍馬溪組整合接觸。多數(shù)學(xué)者將五峰組和龍馬溪組進(jìn)行層序地層劃分和對比，提出上奧陶統(tǒng)五峰組可以作為一個三級層序單元，將其頁巖段作為海侵體系域，將觀音橋段作為高位體系域。

2 巖相劃分及類型

以硅質(zhì)礦物(石英)、黏土礦物和碳酸鹽礦物為三端元，進(jìn)行巖相礦物組分劃分。將五峰組頁巖段劃分為4種巖相類型：硅質(zhì)頁巖、含灰黏土質(zhì)頁巖、含黏土硅質(zhì)頁巖和含灰硅質(zhì)頁巖；五峰組觀音橋段發(fā)育含介殼泥質(zhì)灰?guī)r。五峰組頁巖段4種巖相頁巖品質(zhì)差異較大，硅質(zhì)頁巖有機(jī)碳含量和含氣量最高，含灰黏土質(zhì)頁巖有機(jī)碳含量、脆性礦物含量以及含氣量均較差(表1)。

2.1 硅質(zhì)頁巖

硅質(zhì)頁巖是五峰組頁巖段的主要巖相類型，石英含量較高，一般大于50%；黏土礦物含量小于30%(圖2a-d)。硅質(zhì)常常呈隱晶質(zhì)、不定形結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出似球粒結(jié)構(gòu)；可見海綿骨針、放射蟲、硅藻等骨架物質(zhì)殘片，局部富集成層(圖2b，c)。陸源碎屑石英和長石粉砂在硅質(zhì)頁巖中含量相對較少，與粉砂質(zhì)頁巖具有明顯區(qū)別。硅質(zhì)頁巖中微晶石英主要為生物成因，在陰極光照射下表現(xiàn)為藍(lán)紫光，與碎屑石英易于區(qū)分(圖2e，f)。硅質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)含量較高，一般介于2%～4%。

表1 四川盆地及周緣五峰組頁巖巖相參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：數(shù)據(jù)來自焦頁1、永頁1、威頁23-1、丁頁2、彭頁1井等。

圖2 四川盆地五峰組硅質(zhì)頁巖特征

2.2 含黏土硅質(zhì)頁巖

含黏土硅質(zhì)頁巖中石英含量介于40%～50%，硅質(zhì)以自生石英、生物石英為主，發(fā)育少量陸源石英。黏土礦物含量大于30%，碳酸鹽含量較少，不超過10%(圖3a，b)。其與硅質(zhì)頁巖的主要區(qū)別在于石英(尤其是生物石英)與有機(jī)質(zhì)含量略有降低，在薄片和巖心中較少見到硅質(zhì)生物順層分布(圖3c，d)。

圖3 四川盆地五峰組含黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖特征

2.3 含灰硅質(zhì)頁巖

含灰硅質(zhì)頁巖石英含量介于40%～50%，硅質(zhì)以自生石英、生物石英為主，發(fā)育少量陸源石英。黏土礦物含量介于25%～40%。碳酸鹽含量有所增加，介于10%～25%(圖4a，b)。其與硅質(zhì)頁巖的主要區(qū)別在于石英與黏土礦物含量略有降低，碳酸鹽礦物含量相對增加，在薄片中見明顯的灰色碳酸鹽礦物紋層，厚度約1 mm，紋層平直，層間界線較為清晰且連續(xù)(圖4c，d)。陰極發(fā)光照射下，可見亮黃色碳酸鹽巖礦物順層分布(圖4e，f)。

2.4 含灰黏土質(zhì)頁巖

含灰黏土質(zhì)頁巖主要分布在五峰組底部與臨湘組灰?guī)r接觸的區(qū)域，其黏土礦物含量40%～50%，碳酸鹽礦物含量10%～20%，石英含量約30%～40%(圖5a-c)。該巖相塊狀構(gòu)造，頁理不發(fā)育，斷面粗糙不平整，可見角石等生物碎屑(圖5b)。

2.5 含介殼泥質(zhì)灰?guī)r

含介殼泥質(zhì)灰?guī)r/灰質(zhì)泥巖主要分布在五峰組頂部觀音橋段，厚度一般介于20～40 cm，主要以介殼類生物化石為主，包括腕足類、瓣鰓類、棘皮動物。部分介殼保存相對完好，破碎的介殼多平行層面排列，多數(shù)凹面向上，少數(shù)凹面向上。巖心上含介殼泥質(zhì)灰?guī)r頂?shù)淄ǔ橥蛔兘佑|關(guān)系，介殼碎片與泥巖裂屑共生(圖6a-d)。巖性為深灰色含介殼泥灰?guī)r，生物碎屑較為破碎，可見少量殼類生物碎屑(圖6e，f)。

圖4 四川盆地五峰組含灰硅質(zhì)頁巖特征

圖5 四川盆地五峰組含灰黏土質(zhì)頁巖特征

3 巖相組合特征

3.1 川東南地區(qū)

川東南焦石壩地區(qū)焦頁1井五峰組發(fā)育深度為2 409.7～2 415.4 m(圖7)。五峰組底部含灰黏土質(zhì)頁巖(30 cm)與下伏澗草溝組瘤狀灰?guī)r整合接觸，向上快速過渡為灰黑色硅質(zhì)頁巖。五峰組頂部觀音橋段發(fā)育一套厚20 cm的含介殼泥質(zhì)灰?guī)r，與底部硅質(zhì)頁巖突變接觸，介殼破碎，表現(xiàn)為再搬運(yùn)特征，為深水濁流成因(圖7a-e)。焦石壩地區(qū)觀音橋段發(fā)育不穩(wěn)定，在最南部焦頁8井不發(fā)育，其他井段發(fā)育厚度20～35 cm不等。

圖6 四川盆地五峰組觀音橋段含介殼泥質(zhì)灰?guī)r特征

川東南其他地區(qū)(彭水、武隆、南川、丁山以及鹽井地區(qū))五峰組巖性組合特征與焦石壩地區(qū)具有較強(qiáng)的一致性，自下而上3種巖性分別為薄層含灰黏土質(zhì)頁巖、厚層硅質(zhì)頁巖以及含介殼泥質(zhì)灰?guī)r。

3.2 川南永川地區(qū)

川南永川地區(qū)永頁1井五峰組發(fā)育深度為3 865.2～3 872.7 m，底部發(fā)育厚層含灰黏土質(zhì)頁巖，與下伏澗草溝組瘤狀灰?guī)r整合接觸，向上過渡為含黏土硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖(圖8)。其中，含黏土硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖層理發(fā)育，斷面平整可見筆石生物碎屑。五峰組底部的厚層含灰黏土質(zhì)頁巖塊狀構(gòu)造，斷面粗糙不平整，可見角石等生物碎屑(圖5b)，反映相對淺水的沉積環(huán)境。五峰組頂部發(fā)育20 cm厚的觀音橋段含介殼泥質(zhì)灰?guī)r，斷面可見赫南特貝。觀音橋段上覆為龍馬溪組硅質(zhì)頁巖。

圖7 四川盆地焦頁1井五峰組及其上、下地層巖性組合特征

3.3 川南威遠(yuǎn)地區(qū)

川南威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組發(fā)育深度為3 849～3 852.4 m，底部發(fā)育厚層含灰黏土質(zhì)頁巖與下伏澗草溝組瘤狀灰?guī)r整合接觸，向上快速過渡為含灰硅質(zhì)頁巖，頂部發(fā)育觀音橋段含介殼泥質(zhì)灰?guī)r，與上覆龍馬溪組硅質(zhì)頁巖突變接觸(圖8)。

4 五峰組分布特征

4.1 區(qū)域?qū)Ρ忍卣?/h3>

通過四川盆地及周緣多口頁巖氣鉆井巖心觀察，五峰組巖性組合特征在區(qū)域內(nèi)差異較大。整體而言，五峰組與下伏澗草溝組瘤狀灰?guī)r整合接觸。這套含灰黏土質(zhì)頁巖在四川盆地不同區(qū)域內(nèi)發(fā)育厚度不同，川東南仁懷、南川、焦石壩和川東北鹽井地區(qū)厚度20～30 cm不等，永川地區(qū)厚度較大。

伴隨著海平面的快速上升，五峰組底部淺水沉積物快速過渡為硅質(zhì)和含硅頁巖。在靠近川中古陸的威遠(yuǎn)地區(qū)只發(fā)育含灰硅質(zhì)頁巖，永川地區(qū)發(fā)育含黏土硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖。

五峰組沉積時期水體環(huán)境的差異也控制了頂部觀音橋段的發(fā)育特征。在相對淺水的仁懷和昭通地區(qū)，觀音橋段表現(xiàn)為原地沉積的含介殼灰?guī)r特征。仁頁1井觀音橋段厚度1.2 m，底部與含硅頁巖漸變接觸，巖心截面可見完整的介殼生物化石。在丁山、南川、焦石壩和彭水地區(qū)觀音橋段發(fā)育厚度較小，均小于50 cm，與下伏硅質(zhì)頁巖突變接觸，局部可見沖刷面，表現(xiàn)為再搬運(yùn)特征，為深水濁流成因。

4.2 平面分布特征

五峰組硅質(zhì)頁巖代表深水的沉積，沉積中心的硅質(zhì)頁巖厚度可達(dá)7 m以上，位于川東建始由北向南呈帶狀分布，大部分在現(xiàn)今的四川盆地邊界以東，在焦石壩—宜賓有一厚度大于5 m的分支沉積中心，指示川中隆起與黔北隆起所夾持的川南地區(qū)存在一個次級坳陷(圖9)。受控于古地貌以及沉積環(huán)境，五峰組硅質(zhì)頁巖具有明顯的分區(qū)性特征。川東南焦石壩、武隆、丁山、南川以及川南部分地區(qū)發(fā)育厚度大于4 m的硅質(zhì)頁巖，與上覆龍馬溪組硅質(zhì)頁巖具有一致的頁巖品質(zhì)，有機(jī)碳含量、含氣量以及脆性礦物含量較高，可作為水平井靶窗。川南永川地區(qū)五峰組頁巖品質(zhì)較差，不建議作為水平井靶窗；川南威遠(yuǎn)地區(qū)五峰組厚度較小，也不建議作為水平井靶窗。

五峰組上部的觀音橋段泥質(zhì)灰?guī)r代表淺水的沉積[9]。在靠近川中隆起、黔北隆起的地區(qū)，觀音橋段含介殼灰?guī)r厚度較大，灰?guī)r質(zhì)地較純，表現(xiàn)為原地沉積特征，而在川東南地區(qū)向東、向北的地區(qū)，觀音橋段表現(xiàn)為異地再搬運(yùn)特征，巖性為灰黑色含介殼泥質(zhì)灰?guī)r。觀音橋灰?guī)r段厚度較大的地區(qū)形成一個三面合圍、向北散開的格局，向北的開口在重慶—宣漢一線，指示水深加大的方向，表明由川西南向川東北方向水深加大(圖10)。

圖9 四川盆地及周緣五峰組硅質(zhì)頁巖厚度等值線

圖8 四川盆地五峰組地層對比剖面

圖10 四川盆地及周緣觀音橋段厚度等值線

5 結(jié)論

通過對四川盆地及周緣上奧陶統(tǒng)五峰組進(jìn)行巖相劃分和區(qū)域?qū)Ρ?，得到以下結(jié)論：

(1)五峰組分為頁巖段和觀音橋段，其中頁巖段可劃分為4種巖相類型：硅質(zhì)頁巖、含黏土硅質(zhì)頁巖、含灰硅質(zhì)頁巖以及含灰黏土質(zhì)頁巖，觀音橋段發(fā)育含介殼泥質(zhì)灰?guī)r。

(2)觀音橋段厚度變化較大，相對淺水且靠近古陸的仁懷地區(qū)和威遠(yuǎn)地區(qū)厚度較大，表現(xiàn)為原地沉積特征，其他地區(qū)為異地搬運(yùn)沉積特征，厚度較小。

(3)四川盆地及周緣五峰組頁巖段厚度受控于沉積環(huán)境，川南永川地區(qū)等相對淺水的區(qū)域厚度較大，但是頁巖品質(zhì)較差，有機(jī)碳含量、含氣量相對較低，不建議作為水平井靶窗；川南威遠(yuǎn)地區(qū)受到古陸和古地形影響，頁巖厚度較小，不建議作為水平井靶窗；川東南焦石壩、武隆、丁山和南川地區(qū)頁巖厚度相對較大，頁巖品質(zhì)最好，可作為水平井靶窗。

致謝：本次研究使用了中國石化西南油氣分公司、江漢油田分公司以及勘探分公司的相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，在此致以衷心感謝！