川南地區(qū)二疊系龍?zhí)督M巖石特征及與油氣的關(guān)系

王玨博，高 天，段國強(qiáng)，胡鐇分，李 浩，穆柏雨

西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都

1. 引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油天然氣作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，在國家戰(zhàn)略中的地位顯得更加關(guān)鍵。尤其是近二十年來，隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，美國憑借頁巖油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了能源獨(dú)立的夢想，成為了國際能源杠桿中的重要力量。近年來，我國油氣儲(chǔ)量雖有較大的增長，但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國家“碳中和”的需要，我國油氣資源對外依存度還在不斷增加，能源保障形勢依然嚴(yán)峻。在此背景下，除了加強(qiáng)常規(guī)油氣勘探開發(fā)，也應(yīng)該積極增加非常規(guī)油氣(尤其是頁巖油氣)的勘探和開發(fā)力度，而四川盆地作為天然氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)，發(fā)展頁巖氣勘探開發(fā)勢在必行[1] [2][3]。近年來盆地內(nèi)頁巖氣的勘探開發(fā)工作已在海相頁巖地層取得了諸多重大突破[4] [5] [6]。

二疊系龍?zhí)督M地層在盆地內(nèi)分布廣泛，過去的勘探開發(fā)實(shí)踐中，將整套地層作為一套烴源巖或煤層研究[7] [8] [9]，鮮少針對其地質(zhì)特征展開詳細(xì)研究。前人研究表明，四川盆地南部地區(qū)二疊系龍?zhí)督M為一套陸相河泛平原沉積物，其發(fā)育情況受到構(gòu)造、沉積相的控制，具有非均質(zhì)性較強(qiáng)、地層厚度變化大的特征[10] [11] [12] [13]。但這些研究對川南地區(qū)龍?zhí)督M地層中發(fā)育的巖石類型研究較為粗略，一般注重研究其中煤層的特征，而將其他巖性籠統(tǒng)劃分為泥巖和砂巖兩類，認(rèn)為地層主要是由煤、泥頁巖、砂巖構(gòu)成，三種巖性交互出現(xiàn)，具有多旋回性，即“多源、多儲(chǔ)、多蓋”的特點(diǎn)[11] [14]。但對地層內(nèi)巖石(特別是泥頁巖和粉砂巖類)的特征、分布規(guī)律目前僅停留在概念認(rèn)識(shí)上，缺乏系統(tǒng)性深入研究。隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)工作在四川盆地的穩(wěn)步推進(jìn)，對龍?zhí)督M巖石特征的研究將有助于更準(zhǔn)確地把握盆地內(nèi)頁巖氣富集規(guī)律。

2. 地質(zhì)概況

“龍?zhí)督M”組名由劉季辰、趙如鈞1924 年命名于江蘇省江寧縣的龍?zhí)舵?zhèn)，原稱“龍?zhí)睹合怠?。該組廣泛分布于四川盆地中–南部，層位穩(wěn)定，多屬于一套海陸過渡相含煤層系。主要由深灰–灰黑色的泥頁巖、粉砂巖夾煤層組成，中含黃鐵礦、菱鐵礦。龍?zhí)督M與吳家坪組以及宣威組下部互為同期異相。宣威組為龍?zhí)督M在川南地區(qū)的同期異相，毗鄰峨眉山玄武巖，與下伏茅口組呈不整合接觸，與上覆長興組之間呈整合接觸。吳家坪組為龍?zhí)督M在川北地區(qū)的同期異相(表1)。

Table 1. Summary table of Permian stratigraphic division in the Sichuan Basin表1. 四川盆地二疊系地層劃分簡表

3. 巖石微觀特征

四川盆地南部地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M巖石類型復(fù)雜，主要涉及泥頁巖、砂巖(粉砂巖)、煤層和灰?guī)r等類型。由于灰?guī)r主要集中分布在川北地區(qū)，不屬于本項(xiàng)目的主要研究區(qū)，因此，這里重點(diǎn)描述川南地區(qū)上二疊系龍?zhí)督M的煤層、泥頁巖及砂巖(粉砂巖)三大類儲(chǔ)集巖及菱鐵巖。依據(jù)其顏色、粒徑大小、成分和古生物特征等將川南地區(qū)龍?zhí)督M主要巖石類型劃分為表2 中的5 大類、9 種巖性(表2)。

Table 2. Summary of the types and distribution of main reservoir rocks of the Longtan Formation in the southern Sichuan Basin表2. 川南地區(qū)龍?zhí)督M主要儲(chǔ)集巖類型及分布簡表

3.1. 泥巖類

一般認(rèn)為泥巖是指粘土礦物含量 > 90%的、其他礦物成分復(fù)雜、已固結(jié)成巖的、局部失去可塑性、遇水不立即膨脹的一類沉積巖。其中，頁理發(fā)育的為稱之為頁巖，呈塊狀的為泥巖。暗色泥頁巖廣泛分布于區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M地層中，屬于相對低能還原沉積環(huán)境下的產(chǎn)物，顏色表現(xiàn)為灰黑色到黑色。根據(jù)巖心和巖屑的觀察，按泥巖中各組分含量的高低可進(jìn)一步劃分出三種巖性：炭質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。

3.1.1. 炭質(zhì)泥巖

炭質(zhì)泥巖顏色主要為灰黑色到黑色，野外剖面風(fēng)化后顏色呈褐色。剖面上炭質(zhì)泥巖常與泥質(zhì)粉砂巖互層，含量較高、分布較廣。兩者關(guān)系密切，常互相過渡，相互共生，呈互層狀。巖心上可見炭化的植物碎片。這些植物碎片則顯示為純黑色，有點(diǎn)還保留有原組織的部分外形，如圖1(a)。

鏡下顯泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石主要由炭泥質(zhì)(一般>70%)、炭屑(約10%)、硅質(zhì)組成。粘土礦物呈隱晶質(zhì)泥狀混雜非晶質(zhì)粉末狀炭質(zhì)分布，炭屑為炭質(zhì)植物殘片，呈條片狀為主，雜亂分布于泥基質(zhì)之間，部分炭質(zhì)植物殘片可見植物結(jié)構(gòu)，如圖1(b)。硅質(zhì)為細(xì)小陸源碎屑石英，粒徑0.02 mm～0.1 mm，主要分布于粘土礦物間，局部炭質(zhì)植物殘片內(nèi)部空間少量自生石英，如圖1(a)。見發(fā)絲狀、纏繞狀富有機(jī)質(zhì)泥紋。電鏡下可見大量有機(jī)質(zhì)充填于黏土礦物間，呈橢圓狀、分散狀如圖1(c)。原生黃鐵礦較發(fā)育，呈草莓狀集合體，如圖1(d)。炭質(zhì)泥巖在掃描電鏡下可見較多的粘土礦物晶間孔、粒間微孔，面孔率可達(dá)2%～5%，但孔隙較小，連通性較差。

3.1.2. 鋁土質(zhì)泥巖

鋁土質(zhì)泥巖顏色主要為灰色到灰白色，剖面上常分布于龍?zhí)督M的底部和厚層煤層的底部如圖1(e)，為一套灰白色鋁土質(zhì)黏土巖、泥巖，多屬于風(fēng)化殘積物。鏡下呈顯微鱗片狀結(jié)構(gòu)，巖石主要由粘土礦物(主要是高嶺石)與黃鐵礦組成。川南地區(qū)鋁土質(zhì)泥巖中粘土礦物(一般>90%)主要為高嶺石、綠泥石等構(gòu)成巖石主體，如圖1(f)。巖心上可見大量黃鐵礦分布，呈分散狀、團(tuán)塊狀，電鏡下可見大量次生黃鐵礦(一般<10%)呈自形–半自形粒狀，粒徑0.01 mm～2 mm 以上不等，呈星點(diǎn)狀或聚集成條帶狀分布，可見結(jié)晶細(xì)小鱗片狀綠泥石垂直黃鐵礦表面生長。見壓實(shí)作用產(chǎn)生的泥紋彎曲等現(xiàn)象。

3.1.3. 粉砂質(zhì)泥巖

粉砂質(zhì)泥巖顏色呈灰色到灰黑色，野外巖石風(fēng)化后呈黃褐色，可見菱鐵礦結(jié)核順層發(fā)育，如圖1(g)。粉砂質(zhì)泥巖常與粉砂巖伴生，兩者關(guān)系密切，?；ハ噙^渡，相互共生，呈互層狀、透鏡狀。巖心為灰色到灰黑色泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂巖，粒徑0.01 mm～0.5 mm，可見透鏡狀層理。

然而目前職業(yè)學(xué)校，很多家長的文化程度本身較低，對孩子的教育重視程度不夠。而且很多家長忙于生計(jì)，工作時(shí)間較長，經(jīng)常會(huì)說“我不會(huì)教育”，“我管不了孩子”，“我沒時(shí)間”。對于這樣的家長，我覺得必須幫助他們認(rèn)識(shí)到一個(gè)問題，那就是任何事業(yè)的成功，都不能彌補(bǔ)孩子教育的失敗。忙，不是借口；不會(huì)，不是理由?！盎畹嚼希瑢W(xué)到老”，父母也應(yīng)該學(xué)習(xí)在當(dāng)今時(shí)代如何與孩子溝通，如何陪伴孩子的成長。

鏡下呈顯微鱗片狀結(jié)構(gòu)，巖石主要由粘土礦物與陸源粉砂(15%～20%)組成?？梢娚倭奎S鐵礦，呈細(xì)小黑色粒狀零散分布在巖石中。少量有機(jī)質(zhì)(約3%)，多呈黑色粒狀、團(tuán)塊狀混在泥質(zhì)中。此外還可見到炭屑(一般<10%)為炭化植物殘片，電鏡下呈不規(guī)則狀，可見植物殘余結(jié)構(gòu)，多順層分布，如圖1(i)。

Figure 1. The characteristics of mudstone-like rocks in the Longtan Formation in southern Sichuan圖1. 川南地區(qū)龍?zhí)督M泥巖類巖石特征

3.2. 砂巖類

砂巖是指主要出含量大于50%、粒徑0.1 mm～2 mm 的陸源碎屑顆粒組成的碎屑巖。根據(jù)前人的研究，龍?zhí)督M砂巖類主要發(fā)育在川東南地區(qū)的河流相中，厚度介于0 m～30 m [10]。鏡下鑒定可以看出，研究區(qū)龍?zhí)督M的砂巖主要為細(xì)砂巖(局部地區(qū)見中砂巖)，顏色主要為灰色到黑色，如圖2(a)，暗色砂巖一般含有一些炭化的植物碎片，粒徑0.1 mm～0.5 mm?？梢娦⌒蜎_刷構(gòu)造。

鏡下呈典型碎屑結(jié)構(gòu)，分選磨圓較差，顆粒以巖屑、石英為主，長石少見。巖屑主要為凝灰質(zhì)巖漿巖巖屑及部分泥巖巖屑，多發(fā)生蝕變；石英，半自形–他形粒狀；偶見少量長石，因發(fā)生蝕變而顯渾濁。巖石壓實(shí)作用較強(qiáng)，碎屑組分之間多呈線–凹凸接觸，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)。顆粒間膠結(jié)物多為菱鐵礦，有時(shí)還可見方解石、白云石膠結(jié)。有機(jī)質(zhì)少見，一般呈孤立漂浮狀或分散狀。少量黃鐵礦，呈黑色粒狀零散分布在巖石中，如圖2(b)和圖2(c)。

Figure 2. Characteristics of sandstone-like rocks of the Longtan Formation in southern Sichuan圖2. 川南地區(qū)龍?zhí)督M砂巖類巖石特征

3.3. 粉砂巖類

粉砂巖主要由含量大于50%、粒級(jí)為0.005 mm～0.1 mm 的碎屑組成的細(xì)粒碎屑組成的細(xì)粒碎屑巖。研究結(jié)果表明，川南地區(qū)龍?zhí)督M的粉砂巖主要有兩類，一種是碎屑組分含量大于90%的粉砂巖，另一種是泥質(zhì)含量在15%～25%的泥質(zhì)粉砂巖。

3.3.1. 粉砂巖

粉砂巖顏色主要為灰白色到深灰色，野外常觀察到粉砂巖與黑色的泥巖、炭質(zhì)泥巖互層。野外灰白色粉砂巖風(fēng)化后呈淺褐紅色，如圖3(a)。巖心顏色為灰色，常見裂縫被方解石充填并可見透鏡狀層理、小型揉皺構(gòu)造，如圖3(b)。

鏡下鑒定為典型粉砂結(jié)構(gòu)，巖石由碎屑顆粒及填隙物組成，其中碎屑組分粒徑主要在0.25 mm～0.72 mm 之間，最大可達(dá)0.1 mm，雜基支撐，含量一般大于90%。顆粒主要由石英、巖屑及少量長石構(gòu)成，如圖3(c)。石英，半自形–他形粒狀；巖屑主要是凝灰質(zhì)、隱晶質(zhì)巖漿巖巖屑；少量石英；長石蝕變而顯渾濁。填隙物主要是泥質(zhì)雜基，充填在碎屑組分之間。有機(jī)質(zhì)偶見，多呈黑色團(tuán)塊狀充填在粒間。

泥質(zhì)粉砂巖顏色主要為灰色到灰黑色，野外泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化后呈淺褐色?？梢娏忤F礦結(jié)核順層發(fā)育，成薄層狀、透鏡狀，如圖3(d)。巖心上觀察到泥質(zhì)粉砂巖常由于含有機(jī)質(zhì)泥及炭化的植物碎片而呈灰黑色到黑色，可見一些小型的交錯(cuò)層理，如圖3(e)。

鏡下呈典型泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，巖石主要由碎屑顆粒、泥質(zhì)和炭屑組成。碎屑顆粒一般大于70%，呈極細(xì)砂和粉砂均勻分布泥質(zhì)內(nèi)，成分主要為石英、少量長石顆粒，多呈棱角狀–次圓狀充填于泥質(zhì)中，粒徑在0.03 mm～0.05 mm 左右；泥質(zhì)約占25%，不均勻分布，可見泥質(zhì)向絹云母轉(zhuǎn)化現(xiàn)象；炭屑占10%左右，呈條帶狀、凝塊狀不均勻分布，如圖3(f)。

Figure 3. Characteristics of siltstone-like rocks of Longtan Formation in southern Sichuan圖3. 川南地區(qū)龍?zhí)督M粉砂巖類巖石特征

3.4. 菱鐵巖類

菱鐵礦是煤系地層中比較常見的自生碳酸鹽礦物。一般研究認(rèn)為，菱鐵礦的成因與成巖期的弱堿性–堿性、還原環(huán)境有關(guān)[15]。菱鐵礦在煤系地層中一般有三種產(chǎn)出形式：膠結(jié)物、晶粒狀、結(jié)核狀。龍?zhí)督M地層中存在相當(dāng)量的菱鐵礦，除了以膠結(jié)物形式出現(xiàn)在砂巖中外，還可經(jīng)由強(qiáng)烈的重結(jié)晶作用形成菱鐵巖。呈薄層狀富集于煤系地層中。

這一類巖石鏡下主要由菱鐵礦組成(含量一般>60%)，整體呈黃褐色，多呈粒狀，粒徑在0.05 mm～0.15 mm 之間，普遍具有波狀消光特征，少量菱鐵礦呈放射“花朵狀”，部分礦物中見有黃褐色鐵質(zhì)氧化物析出環(huán)繞顆粒形成“鐵環(huán)”，如圖4(a)和圖4(b)。此外還可見到少量顆粒碎屑(一般少于15%)，顆粒主要是石英，且以燧石為主，少量單晶石英碎屑，粒徑主要在0.1 mm～0.25 mm 之間；還有少量泥質(zhì)巖屑、凝灰質(zhì)等零散分布于巖石中。見少量自生的硅質(zhì)，主要是微晶粒狀石英，分布在菱鐵礦之間，礦物最大可達(dá)0.1 mm。少量黃鐵礦，呈細(xì)小黑色粒狀、集合體狀。有機(jī)質(zhì)偶見，多呈團(tuán)塊狀分散分布。

Figure 4. Microscopic characteristics of siderite-like rocks of Longtan Formation in southern Sichuan圖4. 川南地區(qū)龍?zhí)督M菱鐵巖類巖石微觀特征

3.5. 煤巖類

根據(jù)煤的形成作用、形成環(huán)境，可將煤分成腐殖煤類和腐泥煤類。前人研究認(rèn)為，四川盆地海陸過渡相龍?zhí)督M煤系地層頁巖母質(zhì)來源為陸源輸入，鏡質(zhì)體含量較高，有機(jī)質(zhì)類型屬腐殖型，為腐殖煤類[14]。

野外剖面上，龍?zhí)督M煤巖顏色多為純黑色，似金屬－金剛光澤，宏觀煤巖類型總體上均是以半暗煤和半亮型為主，暗淡煤、光亮型煤次之；黑色中到厚層狀，巖性疏松，常呈條帶狀及線理狀結(jié)構(gòu)，層狀和塊狀構(gòu)造，具參差狀或階梯狀斷口，如圖5(a)。巖心質(zhì)輕，疏松多孔，可見裂縫一般被粘土礦物或石英充填，如圖5(b)。

煤在鏡下呈均一結(jié)構(gòu)，主要由炭質(zhì)(約95%)和少量粘土礦物(一般<3%)、石英顆粒(一般<3%)組成，局部可見大量植物碎片。炭質(zhì)為非晶質(zhì)黑色，呈片狀為主。粘土礦物呈隱晶質(zhì)/顯微纖維狀，多分布于炭質(zhì)邊緣。石英顆粒多充填粘土礦物和炭質(zhì)之間。星點(diǎn)狀或草莓狀黃鐵礦較為常見，分布不均，粒徑0.01 mm～0.2 mm。巖石中可見大量顯微裂隙，寬為0.01 mm～4 mm，被方解石、硅質(zhì)和粘土等礦物半充填，如圖5(b)。

Figure 5. The characteristics of coal rocks in the Longtan Formation in southern Sichuan圖5. 川南地區(qū)龍?zhí)督M煤巖類巖石特征

4. 巖性與油氣富集的關(guān)系

油氣的富集離不開沉積環(huán)境的控制，而對沉積環(huán)境最直觀的反應(yīng)就是巖石類型。四川盆地南部地區(qū)龍?zhí)镀跒橐惶钻懴嗪臃浩皆练e，總體為一套泥巖夾煤巖的煤系地層[14]。通過干酪根顯微組分研究得出：川南地區(qū)龍?zhí)督M粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)顯微組分中殼質(zhì)組含量最高，主要為腐殖無定形體；其次為鏡質(zhì)組，主要為正常鏡質(zhì)體；惰質(zhì)組含量最少，主要為絲質(zhì)體；未檢測出腐泥組。通過類型指數(shù)(TI值)綜合判斷其有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2～Ⅲ型，幾種巖性的干酪根顯微組分差異較小，表明其干酪根主要來源都是高等植物的殼質(zhì)組分，都具有一定的生油氣潛力，因此其中有機(jī)質(zhì)的富集程度就決定了優(yōu)勢巖性的種類。

總有機(jī)碳(TOC)的值反映了巖石中有機(jī)質(zhì)的富集程度。通過對研究區(qū)兩口勘探井的取芯樣品的有機(jī)碳含量進(jìn)行測試，并按照巖石類型進(jìn)行分類分析，可以得出：川南地區(qū)龍?zhí)督M烴源巖TOC 含量介于0.20%～81.38%，平均值為12.12%。其中，粉砂質(zhì)泥巖TOC 含量介于0.47%～3.59%，平均值為1.90%；泥巖TOC 含量介于0.20%～27.54%，平均值為3.89%；炭質(zhì)泥巖TOC 含量介于3.46%～34.16%，平均值為12.71%；龍?zhí)督M煤巖TOC 含量介于10.57%～81.38%，平均值為48.31% (圖6)。

總的來看，川南地區(qū)龍?zhí)督M烴源巖主要來自于高等植物，煤層的TOC 含量最高，主要分布于40%～80%，其中蘊(yùn)含大量的煤層氣已被證實(shí)有一定的商業(yè)開發(fā)價(jià)值；炭質(zhì)泥巖次之，其TOC 主要分布于10%～30%之間，應(yīng)該作為川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣勘探開發(fā)的主要巖類。

Figure 6. The TOC content distribution map of different rock types in the Longtan Formation in the southern Sichuan Basin圖6. 川南地區(qū)龍?zhí)督M不同巖石類型TOC 含量分布圖

5. 結(jié)論

1) 川南地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M巖石類型復(fù)雜，主要涉及泥頁巖、砂巖(粉砂巖)、煤層等類型。依據(jù)其顏色、粒徑大小、成分和古生物特征等可進(jìn)一步細(xì)分為9 種巖性。

2) 研究區(qū)內(nèi)暗色泥頁巖可劃分出三種巖性：炭質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。其中，鋁土質(zhì)泥巖分布于龍?zhí)督M底部與茅口組分界線處；炭質(zhì)泥巖廣泛分布于龍?zhí)督M中下部，且常與粉砂質(zhì)泥巖或煤巖互層。

3) 川南地區(qū)龍?zhí)督M的砂巖類型以細(xì)砂巖為主，粉砂巖次之。碎屑成分中含有大量的火山凝灰物質(zhì)。菱鐵礦膠結(jié)普遍發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)使得原巖結(jié)構(gòu)完全消失而成菱鐵巖。

4) 通過分析對比不同巖石類型的TOC 含量，得出川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣最有利巖石類型為炭質(zhì)泥巖。