四川盆地華鎣山五峰組—龍馬溪組剖面特征及其勘探意義

熊 亮，董曉霞，趙 勇，魏力民，王 同，王 巖

（中國石化西南油氣分公司，四川成都610041）

近年來，隨著頁巖氣勘探理論及技術(shù)的不斷進(jìn)步，四川盆地龍馬溪組已提交探明儲量超過2×1012m3，主要集中在中淺層（埋深小于3 500 m）和超壓區(qū)（地壓系數(shù)大于1.2）。盆緣常壓及盆內(nèi)深層頁巖氣是下一步攻關(guān)主要方向。目前的勘探實踐證實，盆內(nèi)深層頁巖氣勘探開發(fā)還存在諸多問題[1-3]。早在2017年，成都地質(zhì)調(diào)查中心在華鎣山背斜四海山構(gòu)造高點(diǎn)部署了華地1 井，首次在川東高陡構(gòu)造帶獲得了頁巖氣流，開辟了四川盆地頁巖氣勘探新領(lǐng)域，對于盆內(nèi)高陡構(gòu)造帶的勘探具有重要意義[4]。盆內(nèi)華鎣山露頭區(qū)的研究較多[5-6]，但并未系統(tǒng)開展剖面地層、地化、儲層特征研究。通過對華鎣山剖面系統(tǒng)地觀測，開展頁巖氣形成物質(zhì)基礎(chǔ)研究，理清富有機(jī)質(zhì)頁巖形成的主控因素，以期對下一步的勘探突破提供思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

華鎣山三百梯剖面位于四川省廣安市華鎣市溪口鎮(zhèn)覺庵村紅巖煤礦公路北側(cè)，距離溪口鎮(zhèn)約3 km，交通便利。屬于丘陵、中低山地貌。由于華鎣山斷裂是自寒武紀(jì)以來的繼承性活動帶[7]，華鎣山剖面構(gòu)造位于川東高陡構(gòu)造帶華鎣山復(fù)式背斜南翼，剖面出露完整，分界清晰，古生物發(fā)育，觀測方便（圖1）。

圖1 四川盆地華鎣山剖面位置Fig.1 Location of stratigraphic section in Mount Huaying,Sichuan Basin

2 剖面地層—沉積特征

該次重點(diǎn)針對五峰組、龍馬溪組巖石組合、沉積環(huán)境等進(jìn)行研究，實測了華鎣市溪口鎮(zhèn)五峰組—龍馬溪組實測地層剖面，剖面長116.60 m，出露良好，五峰組分為2段，龍馬溪組（未見頂）分為3段（圖2）。

圖2 四川盆地華鎣山五峰組—龍馬溪組實測地層剖面Fig.2 Actual stratigraphic section of Wufeng-Longmaxi Formation in Mount Huaying,Sichuan Basin

五峰組根據(jù)巖性和古生物特征可劃分為2段：

五峰組一段(層3—層6)：對應(yīng)凱迪階（447.62～445.16 Ma），黑色碳質(zhì)頁巖夾硅質(zhì)巖（圖3a—圖3c），局部見5 層斑脫巖。底界與臨湘組灰色泥質(zhì)灰?guī)r整合接觸，頂界與觀音橋段整合接觸，厚5.21 m，沉積速率2.11 m/Ma。硅質(zhì)礦物63.35 %，黏土礦物35.07%，碳酸鹽礦物0.37%。筆石動物群豐富，以叉筆石屬Dicellograptus Hopkinson為常見（圖3d）。在五峰組層2 開始可觀察到WF2-WF4 筆石帶，見裝飾叉筆 石Dicellograptus ornatus，標(biāo)準(zhǔn)棠埡筆石Tangyagraptus typicusMu，短縮直管筆石Rectograptusabbreviatus，在巖石薄片中可觀察到巖石發(fā)育大量構(gòu)造微裂縫，并被硅質(zhì)充填（圖3e）。整體表現(xiàn)為深水陸棚相黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖，頁理發(fā)育，表現(xiàn)為靜水沉積環(huán)境，有機(jī)質(zhì)富集，硅質(zhì)以生物成因的微晶石英為主。

圖3 五峰組—龍馬溪組剖面巖石及化石特征Fig.3 Features of rocks and fossil of stratigraphic section of Wufeng-Longmaxi Formation

五峰組二段（即觀音橋段，層7）：對應(yīng)赫南特階下部（445.16～444.43 Ma），灰色含介殼粉砂巖（圖3f、圖3g），頂界與龍馬溪組呈整合接觸，厚0.37 m，沉積速率0.5 m/Ma。硅質(zhì)礦物含量90.2%，黏土礦物含量8.9 %，碳酸鹽礦物含量0.4 %。見少量赫南特貝Hirnantia。整體為深水陸棚相粉砂巖，硅質(zhì)以石英粉砂為主，碳酸鹽礦物含量低，反映受全球冰川作用的影響，水體相對較淺并受底流作用影響；赫南特貝零星可見，為異地搬運(yùn)沉積特征（圖3h）。觀音橋段的巖性變化可能是微古地貌變化的沉積響應(yīng)，不同區(qū)域觀音橋段巖性及展布特征略有差異[8]，涪陵地區(qū)為灰黑色鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖、介殼硅質(zhì)頁巖，厚20～30 cm[9]，貴州地區(qū)為介殼灰?guī)r與生物碎屑灰?guī)r，厚7.4 m[10]。

龍馬溪組根據(jù)巖性和筆石特征可劃分3段：

龍一段（層8—層16）：對應(yīng)赫南特階上部—埃隆階下部（444.43～438.76±Ma），黑色碳質(zhì)頁巖夾粉砂質(zhì)頁巖，局部見2 層斑脫巖。頂界與龍二段整合接觸，厚9.23 m，沉積速率1.63 m/Ma。頁理發(fā)育（圖3i—圖3l），由下至上顏色逐漸變淺。硅質(zhì)礦物55.33%，黏土礦物41.78%，碳酸鹽礦物0.55%。筆石大量富集（圖3m），見雕刻雕筆石Persculptograptus persculptus（Elles and Wood），祖先祖筆石Avitograpusavitus（Davies），適度新雙筆石Neodiplograptusmodestus（Lapworth），曲背冠筆石Coronograptus cyphus（Lapworth），三角半耙筆石Demirastrites triangulatus（Harkness），盤旋喇叭筆石Lituigraptus convolutus（Hisinger），葉狀花瓣筆石Petalolithus folium（Hisinger），規(guī)則鋸筆石Pristiograptus regularis（Tornquist），賽式具刺單筆石Stimulograptus sedgwickii（Portlock）。層8 首現(xiàn)LM1，層11 首現(xiàn)LM5，層14 首現(xiàn)LM6，層15 首現(xiàn)LM7，可作為區(qū)域上地層等時對比的依據(jù)。整體為深水陸棚相黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖，有機(jī)質(zhì)富集，為強(qiáng)還原靜水環(huán)境，與鄰區(qū)焦石壩、永川相比，龍一段厚度明顯減薄，黏土礦物增加，硅質(zhì)礦物減少，遠(yuǎn)源陸源碎屑注入具有一定影響。

龍二段（層17—層19）：對應(yīng)埃隆階上部（438.76±～438.49 Ma）灰黑色—深灰色粉砂質(zhì)頁巖（圖3n），頁理發(fā)育，粉砂含量增加，頂界與龍二段整合接觸，厚度20.47 m，沉積速率74.81 m/Ma。硅質(zhì)礦物43.87 %，黏土礦物53.74 %，碳酸鹽礦物0.63 %。風(fēng)化嚴(yán)重，筆石偶見，見不規(guī)則假絞筆石Pseudoplegmatograptus irregularisChen（sp.nov.）。整體為半深水陸棚相粉砂質(zhì)頁巖，由龍一段強(qiáng)還原色黑色變?yōu)檠趸€原色灰色，粉砂顆粒增加，明顯受陸源碎屑注入的影響，具有深水陸棚向淺水陸棚過渡特征。

龍三段（層20—層26）：對應(yīng)特列奇階，灰色、灰綠色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖夾粉砂質(zhì)條帶（圖3o、圖3p），由于大量植被覆蓋，未見頂，厚33.2 m。由下而上，顏色由灰色漸變?yōu)榛揖G色，頁巖頁理逐漸減弱，黏土逐漸遞增。硅質(zhì)礦物40.3 %，黏土礦物57.17 %，碳酸鹽礦物0.63 %，筆石發(fā)育較少，見平坦扭口筆石Torquigraptus planus。整體為淺水陸棚相粉砂質(zhì)頁巖，氧化色灰綠色出現(xiàn)，粉砂顆粒間歇性增加，陸源碎屑注入量增加，有機(jī)質(zhì)明顯降低，表現(xiàn)為充氧淺水特征。剖面自下而上描述見表1、圖4。

圖4 四川盆地華鎣山溪口鎮(zhèn)三百梯五峰組—龍馬溪組剖面綜合柱狀Fig.4 Comprehensive column of Wufeng-Longmaxi Member of Sanbaiti section in Mount Huaying,Sichuan Basin

表1 華鎣山三百梯剖面實測記錄Table 1 Measured record of Sanbaiti section in Mount Huaying

3 剖面地化特征

根據(jù)50個剖面樣品及76個XRF（X射線熒光）點(diǎn)測數(shù)據(jù)分析有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度、氧化還原環(huán)境、陸源碎屑注入等特征。

五峰組—龍一段TOC逐漸升高，為0.40 %～11.45%，平均值3.71%。龍二段—龍三段TOC快速降低為0.11 %～1.6 %，平均值0.73 %。熱解峰溫Tmax 用于判斷成熟度，486～530 ℃，平均值520 ℃，屬于過成熟階段。

從各類地化指標(biāo)來看，Th、U 為氧化還原敏感元素，Zr/Al、Ti/Al 越高，反映陸源碎屑注入量越大。富有機(jī)質(zhì)頁巖生物成因硅造成Si/Al 較陸源成因硅偏高，Sibio（生物硅）偏高[11-12]。五峰組—龍一段總體Th/U＜2，為強(qiáng)還原環(huán)境，Ti/Al、Zr/Al 值較低，陸源注入量較少，Si/Al值相對較高，硅質(zhì)來源具有生物成因特征，有機(jī)質(zhì)較為富集。龍二段—龍三段Th/U 值介于2～7，Ti/Al、Zr/Al 值相對五峰組—龍一段逐漸增大，龍二段Si/Al值在五峰組—龍一段基值區(qū)擺動，龍三段Si/Al降至最低。由下至上反映了沉積環(huán)境由還原向氧化過渡的特征，生物硅質(zhì)環(huán)境遭受破壞，陸源碎屑注入量增加，有機(jī)質(zhì)豐度呈下降趨勢（圖5）。

圖5 地化特征統(tǒng)計參數(shù)Fig.5 Statistical parameters of geochemical features

4 剖面儲層特征

4.1 儲集空間類型

基于氬離子拋光掃描電鏡觀察，剖面富有機(jī)質(zhì)頁巖儲集空間類型與井下樣品一致，可歸納為有機(jī)孔、無機(jī)孔和微裂縫3大類。

富有機(jī)質(zhì)頁巖填隙狀有機(jī)質(zhì)較多見，其中普遍發(fā)育豐富的有機(jī)質(zhì)納米孔隙，為主要孔隙類型，其中以孔徑幾十納米以下孔隙為主（圖6a、圖6b）。長石顆粒溶蝕孔洞與粒緣孔縫、黏土礦物伊利石層間孔隙發(fā)育較好，見較顯著的綠泥石與黃鐵礦晶間孔，有一定連通性，為次要孔隙類型（圖6c—圖6f）。

圖6 四川盆地華鎣山頁巖發(fā)育的孔隙類型Fig.6 Pores with developed shale in Mount Huaying,Sichuan Basin

4.2 孔隙結(jié)構(gòu)

在低溫氮?dú)馕角€中，五峰組吸附量集中在低壓區(qū)—中壓區(qū)，當(dāng)相對壓力接近1，吸附量略有增加（圖7a）。反映中孔（0.028 08 cm3/g）及大孔（0.004 90 cm3/g）為主，少量微孔（0.001 69 cm3/g）（圖7b）。吸附回環(huán)為H2（b）與H3 型的復(fù)合特征，對應(yīng)細(xì)頸墨水瓶孔為主，少量狹縫形孔。

龍馬溪組吸附量同樣集中在低壓區(qū)—中壓區(qū)，當(dāng)相對壓力接近1，吸附量略有增加（圖7c）。反映微孔（0.001 4 cm3/g）及中孔（0.018 97 cm3/g）為主，大孔少量（0.001 93 cm3/g）（圖7d）。吸附回環(huán)為H2（b）H4型，對應(yīng)墨水瓶孔為主，少量狹縫形孔。

圖7 五峰組—龍馬溪組吸脫附曲線特征及孔徑分布Fig.7 Characteristics of adsorption-desorption curve and pore size distribution of Wufeng-Longmaxi Formation

5 討論

大量勘探開發(fā)實踐表明，五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集高產(chǎn)區(qū)通常為厚度大的深水陸棚相，裝飾叉筆石Dicellograptus ornatus帶至三角半耙筆石Demirastrites triangulatus帶（WF2-LM6 筆石帶），并且該段頁巖儲層品質(zhì)好，具有沉積速率低、有機(jī)質(zhì)類型好、TOC含量高、脆性好等特點(diǎn)[13]。因此，利用華鎣山剖面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)合區(qū)域資料對比研究，從富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度及儲層品質(zhì)兩方面探討對下一步勘探的啟示。

5.1 古地貌影響富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積厚度

以筆石帶作為地層時間刻度標(biāo)尺，WF2-LM6 筆石帶為有機(jī)質(zhì)頁巖氣富集有利層位[14-15]，可作為一套目標(biāo)層系，區(qū)域上可據(jù)此進(jìn)行儲層對比，優(yōu)選有利勘探區(qū)。

五峰組—龍馬溪組沉積期微古地貌特征是影響頁巖地化指標(biāo)和儲層各項基本參數(shù)的根本原因。通常根據(jù)觀音橋段的巖性、厚度、筆石帶等刻畫微古地貌[16]。對比華鎣山與威遠(yuǎn)、永川、焦石壩筆石帶WF2-LM6 的厚度變化及觀音橋段的巖性變化，分析華鎣山地區(qū)古地貌特征。

近期勘探成果表明，WY1 井WF3-WF4 缺失，WF2 LM1-LM6 厚度僅為12.91 m；WY11 井WF2-LM6 筆石帶發(fā)育齊全厚度為18.48 m，優(yōu)質(zhì)儲層厚度明顯增加，產(chǎn)能大于WY1 井。華鎣山剖面盡管WF2-LM9 筆石帶發(fā)育齊全，但WF2-LM6 頁巖厚度較?。?2.21 m），相比永川地區(qū)YY1 井WF2-LM6 厚44.24 m、涪陵地區(qū)JY1 井WF2-LM6 厚67.83 m，華鎣山剖面厚度明顯較薄（圖8）。

圖8 川南地區(qū)筆石帶連井對比Fig.8 Comparison of graptolite biozone cross wells in southern Sichuan

觀音橋段的巖性變化通常是微古地貌變化的沉積響應(yīng)[16]。涪陵地區(qū)觀音橋段為鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)鈣質(zhì)頁巖、永川地區(qū)、威遠(yuǎn)地區(qū)觀音橋段為介殼灰?guī)r。而華鎣山地區(qū)較為特殊，觀音橋段為含介殼粉砂巖，粉砂含量較高，Th/U 為0.84，Zr/Al為0.009，反映了強(qiáng)還原、陸源碎屑注入較少深水環(huán)境。觀音橋段上下相鄰層發(fā)現(xiàn)大量筆石定向排列反映了底流作用的影響。

因此，綜合WF2-LM6 厚度減薄及觀音橋段巖性變化的特征認(rèn)為華鎣山地區(qū)存在水下高地，受底流作用較強(qiáng)，影響了優(yōu)質(zhì)頁巖沉積厚度，物質(zhì)基礎(chǔ)略差。從該剖面的古地貌分析結(jié)果來看，盡管區(qū)域上川南地區(qū)均位于深水陸棚相帶，但局部微古地貌對于頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)具有重要的影響。因此，微古地貌刻畫為下一步龍馬溪組勘探提供思路。

5.2 火山作用、物源供給、還原環(huán)境共同控制頁巖儲層品質(zhì)

筆石帶標(biāo)定地層具有年代學(xué)意義，可以反映等時地層格架下的沉積演化。WF2-LM6 認(rèn)為是川南五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育期。因此，對比華鎣山剖面縱向上筆石帶WF2-LM6 與LM7-LM9（剖面頂）的地化、礦物、儲層參數(shù)等，發(fā)現(xiàn)WF2-LM6 對應(yīng)斑脫巖發(fā)育密集段，TOC為0.55%～11.54%，平均值3.94 %，Th/U 為0.46～3.67，平均值1.17，Zr/Al 為0.003～0.008，平均值為0.005，Si/Al 為2.48～22.47，平均值為5.5，Ti/Al 為0～0.053，平均值為0.008。LM7-LM9 未見斑脫巖，TOC為0.21%～2.99%，平均值為1.12%，Th/U 為0.46～3.67，平均值為3.48，Zr/Al為0～0.029，平均值為0.007，Si/Al 為2.51～5.83 平均值為4.11，Ti/Al 為0～0.061 8，平均值為0.032。二者比較，WF2-LM6 地化指標(biāo)Th/U 小于2，Ti/Al、Zr/Al 值較低，Babio、Sibio、Si/Al 值相對較高，反映為強(qiáng)還原環(huán)境，陸源注入量較少，硅質(zhì)礦物具有生物成因特征，有機(jī)質(zhì)較為富集（表2），儲集空間以中孔為主，大孔、微孔發(fā)育。鄰井華地1 井WF2-LM6 的Babio等參數(shù)也不斷升高，反映華鎣山地區(qū)高古生產(chǎn)力的特征。綜合分析認(rèn)為火山灰與上升流為海水提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，同時廣泛分布可對比的火山灰隔絕陽光及氧氣，形成強(qiáng)還原環(huán)境，造成大量生物死亡并落入海底增加有機(jī)質(zhì)埋藏，同時低沉積速率（1.63～2.11 m/Ma）凝縮沉積易于形成高TOC、高脆性的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層。

表2 四川盆地華鎣山剖面WF2-LM6與LM7-LM9（剖面頂）地化、儲層參數(shù)對比Table 2 Comparison of geochemical and reservoir parameters between section WF2-LM6 and section LM7-LM9（top）in Mount Huaying,Sichuan Basin

6 結(jié)論

1）華鎣山剖面出露良好，五峰組至龍馬溪組底部頁巖地層齊全，五峰組分為2 段，龍馬溪組（未見頂）分為3 段，WF2-LM9 筆石帶發(fā)育齊全，由下至上反映了沉積環(huán)境由還原向氧化過渡的特征，生物硅質(zhì)環(huán)境遭受破壞，陸源碎屑注入量增加，有機(jī)質(zhì)豐度呈下降趨勢。五峰組—龍一段有機(jī)質(zhì)較為富集，脆性礦物含量高，儲集空間以中孔為主，大孔、微孔發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)以墨水瓶孔為主，少量狹縫形孔。

2）華鎣山剖面WF2-LM6 筆石帶對應(yīng)的優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度較永川、涪陵地區(qū)明顯減薄，觀音橋段巖性與其它地區(qū)不同，為含介殼粉砂巖。綜合反映該地區(qū)沉積時位于局部微古地貌高地，受底流作用影響，粉砂質(zhì)含量較高。因此，微古地貌對于頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)具有重要的影響，可為下一步龍馬溪組選區(qū)評價提供思路。

3）華鎣山剖面五峰組—龍一段富有機(jī)質(zhì)頁巖儲層厚度主要受控于微古地貌特征，儲層品質(zhì)主要受火山作用、物源供給、沉積環(huán)境共同作用。