四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖層序地層劃分及含氣性預測
——以JY-2井為例

劉天嬌，張妍煜，趙迪斐

(1. 山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2. 中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3. 中國礦業(yè)大學 人工智能研究院，江蘇 徐州 221116；4. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；5. 山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島 266590)

0 引言

層序地層學通過建立沉積盆地的等時地層格架，預測不同類型儲集體的展布及性質(zhì)。但是直接對生油層系的層序劃分的研究相對較少，尤其對生儲蓋一體的泥頁巖油氣藏的層序地層精細表征存在明顯不足[1-6]。頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于頁巖微納米孔隙-裂隙系統(tǒng)中，是一種典型的自生自儲型非常規(guī)天然氣[7-8]。對泥頁巖進行層序劃分，主要目的是基于劃分的層序界面對優(yōu)質(zhì)烴源巖段進行展布特征預測。四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組屬于陸棚相沉積，主要由海相泥頁巖構(gòu)成，其沉積環(huán)境格局的復雜性及其對優(yōu)質(zhì)烴源巖類型分布、厚度和規(guī)模的控制作用研究不夠，直接影響了對五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探前景的客觀評價。前人對四川盆地主要頁巖氣井的生物地層進行研究后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)目前的巖相小層劃分方案存在嚴重的穿時問題，制約了對四川盆地頁巖氣富集、高產(chǎn)特征的研究[9-15]。因此，進行泥頁巖高分辨率層序地層劃分對于水平井的布置和頁巖氣勘探開發(fā)潛力評價具有重要現(xiàn)實意義。該文針對泥頁巖高分辨率層序地層劃分的研究現(xiàn)狀，綜合利用巖性巖相分析和測井資料進行頁巖高分辨率層序地層劃分，提高層序地層劃分的準確性和可靠性，為下一步頁巖氣勘探提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地位于揚子準地臺四川臺坳，是一個古生代-中新生代海陸相復雜疊合盆地[16]。焦石壩區(qū)塊位于四川盆地東南部，屬于川東高陡褶皺帶內(nèi)一個特殊的“洼中隆”正向構(gòu)造，面積約為347 km2，其位置分布如圖1a所示[17]。構(gòu)造上，焦石壩區(qū)塊整體呈北東向展布，東西兩翼受北東向(大耳山西斷層和石門斷層)和近南北向(烏江斷層)2組逆斷層夾持圍限，北側(cè)與天臺場斷層相接[18-19]。焦石壩地區(qū)的構(gòu)造主體為一個平緩的斷背斜，邊緣被多條斷層夾持。該區(qū)發(fā)育的斷層主要為逆斷層，展布方向主要為北東向和南北向[20]。焦石壩斷背斜核部變形程度整體較弱，背斜形態(tài)完整，頂部寬緩、地層傾角小(通常為5°～10°)，斷層發(fā)育程度較低，翼部陡傾(可達30°以上)、斷層較為發(fā)育，其井位分布和構(gòu)造綱要如圖1b所示。

圖1 焦石壩地區(qū)在四川盆地的位置分布及研究區(qū)井位分布與構(gòu)造綱要圖Fig.1 The location distribution of Jiaoshiba area in Sichuan Basin and well location distribution and tectonic outline in the study area

焦石壩地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組整體處于陸棚相沉積環(huán)境，發(fā)育了一套厚度大、分布廣泛的富有機質(zhì)泥頁巖，該套泥頁巖巖性較單一，粒度細，富含生物化石[21]。根據(jù)鉆井資料顯示，五峰組—龍馬溪組頁巖橫向分布穩(wěn)定，厚度為80～120 m[22]。焦石壩地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖層系龍馬溪組上部主要發(fā)育淺灰色、灰色泥巖，中部主要為灰色-深灰色泥質(zhì)粉砂巖、灰色粉砂巖，下部發(fā)育深灰色-黑色碳質(zhì)泥頁巖[23]。焦石壩JY-1井等4口井的鉆探表明，焦石壩地區(qū)位于陸棚的沉積中心，如圖2所示[23]。焦石壩JY-2井的泥頁巖厚度大于100 m，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大于40 m，因此選取該井進行焦石壩地區(qū)海相泥頁巖層序地層劃分。

圖2 四川盆地及周緣五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)泥頁巖分布圖Fig.2 Distribution map of high-quality shale in the Wufeng-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its periphery

2 基于測井資料的層序劃分方法

2.1 Rsn及ΔlogR法

自然伽馬(GR)測井曲線常用來進行巖性識別和層序地層劃分，通過GR曲線計算出砂泥比(Rsn)，利用砂泥比曲線可以求出地層短期基準面變化曲線，根據(jù)地層的短期基準面變化曲線可以劃分出不同級別的層序，為層序地層劃分提供依據(jù)[24]。對于砂泥巖，泥巖的Rsn值較小，與基準面上升相對應；而砂巖的Rsn值較大，通常對應著基準面下降。Rsn曲線的具體計算公式為：

(1)

式中：Rsn為砂泥比指數(shù)；GR為自然伽馬測井值；GRmax為選取層段內(nèi)自然伽馬最大值；GRmin為選取層段內(nèi)自然伽馬最小值。

ΔlogR法又叫測井曲線重疊法，是利用重疊法，把刻度合適的孔隙度曲線(文中應用的是聲波時差曲線(AC))疊加在電阻率曲線(文中應用的是深側(cè)向電阻率(RD))上，由于2條曲線都反映孔隙度的變化，對于富含有機質(zhì)的細粒烴源巖來說，2條曲線存在幅度差，定義為ΔlogR，如圖3所示[25]。孔隙度和電阻率2條曲線在一定深度內(nèi)“一致”或者重疊時即為基線，確定基線后，通過用2條曲線之間的間隔和相對位置來劃分層序。

圖3 用ΔlogR評價烴源巖典型實例Fig.3 Typical example of evaluating source rock with ΔlogR

2.2 頻譜分析方法

該文應用的頻譜分析方法主要有最大熵頻譜分析(INPEFA)和一維連續(xù)小波變換(CWT)。通過對測井曲線進行最大熵頻譜分析，可以反映海平面的升降變化，而曲線拐點通常指示層序界面。一般情況下，INPEFA曲線的正趨勢通常代表海平面上升，而負趨勢則指示海平面下降[26]。INPEFA技術通常選用GR曲線。該研究的INPEFA分析通過Cyclolog軟件完成。

一維連續(xù)小波變換可以提取測井曲線中蘊含的旋回信息，從而用于沉積地層層序格架的建立[27-28]。GR曲線與水深有密切關系，對GR數(shù)據(jù)進行一維連續(xù)小波變換，得到一系列的小波變換系數(shù)曲線和小波波譜圖，展現(xiàn)測井數(shù)據(jù)中蘊含的地層層序信息。通過對小波系數(shù)曲線幅值變化和小波波譜圖上顯示的能量變化特征的分析，可以識別沉積旋回，進而為構(gòu)建層序地層格架提供依據(jù)[29]。該文選取的小波基是一維連續(xù)Morlet小波，它是一個周期函數(shù)，而且它的時頻兩域的局部性能比較好，可以提取旋回地層的特征。該研究的小波變換分析通過Matlab R2016a軟件完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 JY-2井五峰組—龍馬溪組沉積環(huán)境分析

五峰組—龍馬溪組下部的巖性以灰黑色、黑色碳質(zhì)泥(頁)巖為主, 水平層理發(fā)育, 厚度為35～45 m, 如圖4所示。五峰組—龍馬溪組下部的生物化石主要有底棲藻類、浮游筆石和硅質(zhì)放射蟲等，其中筆石化石含量豐富，且局部富集成層。

圖4 JY-2井五峰組—龍馬溪組綜合錄井圖Fig.4 Comprehensive logging map of Wufeng-Longmaxi Formation in well JY-2

U及其Th/U指標參數(shù)可表征海平面的旋回特征, 因此, 依據(jù)Th/U比值可判別氧化還原環(huán)境。一般來說, Th/U值為0～2時指示缺氧環(huán)境, 在強氧化環(huán)境下這個比值可達8[30-31]。五峰組的Th/U值為0.477～4.251, 平均值為1.304 5, 反映了貧氧-厭氧的沉積環(huán)境。相較于龍馬溪組下段(Th/U值為0.333～12.187, 均值為2.358), 龍馬溪組上段表現(xiàn)為較高的Th/U比值(Th/U值為1.449～19.586, 均值為5.060), 因此, 龍馬溪組下段的水體環(huán)境應當更深, 反映了貧氧-厭氧的沉積環(huán)境, 而龍馬溪組上段可能沉積于次富氧-貧氧的環(huán)境[32]。

3.2 JY-2井五峰組—龍馬溪組層序地層劃分

地層沉積過程中會受到多種地質(zhì)因素的影響，只依據(jù)某單一因素劃分地層層序很難識別出沉積地層中所蘊含的各種隱蔽周期，很容易忽視層序地層中重要的沉積旋回特征，因此需要利用多種方法、考慮多重因素綜合識別海相頁巖的層序地層。對JY-2井的測井數(shù)據(jù)進行基于ΔlogR分析、Rsn砂泥比指數(shù)、頻譜分析方法的層序地層劃分，將JY-2井五峰組—龍馬溪組劃分為2個完整的三級層序和5個體系域，如圖5所示。

圖5 JY-2井五峰組—龍馬溪組層序地層劃分Fig.5 Sequence stratigraphic division of Wufeng-Longmaxi Formation in well JY-2

第1個三級層序發(fā)育在五峰組和龍馬溪組下段, 從下而上依次發(fā)育海侵體系域(TST)、高位體系域(HST)。海侵體系域的巖性主要為灰黑色碳質(zhì)泥巖, 高位體系域的巖性以碳質(zhì)泥頁巖為主。第1個三級層序的ΔlogR整體表現(xiàn)為較高的聲波時差值和較低的電阻率值，說明該段為較好的烴源巖，烴源巖的成熟度較高。海侵體系域的砂泥比為中等值，高水位體系域的砂泥比整體為低值。最大熵頻譜曲線向上趨勢變大，代表水體逐漸加深的過程。海侵體系域的一維連續(xù)小波變換波譜圖較高位體系域亮度值較大，相應地小波系數(shù)曲線向上幅值變小，代表海侵體系域的水體環(huán)境能量較高。

第2個三級層序發(fā)育在龍馬溪組的上段, 從下而上依次發(fā)育低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)。低位體系域的巖性為灰色粉砂巖和灰黑色碳質(zhì)泥巖, 海侵體系域的巖性為深灰色泥巖夾深灰色粉砂質(zhì)泥巖, 高位體系域的巖性為深灰色泥巖。低位體系域下部的粉砂巖的ΔlogR均顯示出最高的聲波時差值和電阻率值, 表現(xiàn)為低孔滲儲集層特征, 上部的碳質(zhì)泥巖ΔlogR表現(xiàn)為較高的聲波時差值和較低的電阻率值。海侵體系域和高位體系域的ΔlogR顯示出低電阻率值和中等聲波時差值。低位體系域的下部粉砂巖的砂泥比值大, 上部碳質(zhì)泥巖的砂泥比值小。海侵體系域和高水位體系域的砂泥比整體變化較小, 呈中高值。最大熵頻譜曲線向上趨勢變大, 水體逐漸加深達到初次洪泛面(ffs)后保持穩(wěn)定趨勢。低位體系域的一維連續(xù)小波變換波譜圖亮度值較大、小波系數(shù)曲線幅值大, 代表水體環(huán)境能量較高, 海侵體系域和高位體系域的小波波譜圖表現(xiàn)為藍色低能, 小波系數(shù)曲線幅值小。

3.3 JY-2井五峰組—龍馬溪組層序地層與含氣性關系

地層的沉積條件會控制頁巖氣富集的物質(zhì)及物性基礎，因此，在層序格架內(nèi)討論海平面變化和層序界面對有機質(zhì)富集的影響以及頁巖含氣性與層序地層格架的關系是有意義的。焦石壩地區(qū)JY-2井五峰組—龍馬溪組第1個三級層序的海侵體系域發(fā)育泥頁巖氣層，高位體系域發(fā)育泥頁巖含氣層和泥頁巖氣層。泥頁巖氣層、含氣層和泥頁巖含氣層都發(fā)育在第2個三級層序的低位體系域。第1個三級層序低位體系域的甲烷和全烴含量很高，高位體系域的甲烷和全烴含量有下降的趨勢。第2個三級層序低位體系域的底部粉砂巖段的甲烷和全烴含量達到最低值，低位體系域的上部碳質(zhì)泥巖相較于下部粉砂巖的甲烷和全烴含量明顯增大。第2個三級層序的海侵體系域和高位體系域的甲烷和全烴含量為中低值，無含氣性。整體來看，泥頁巖氣層的甲烷和全烴含量是最高的，含氣性最好，其次為含氣層和泥頁巖含氣層。JY-2井五峰組—龍馬溪組層序地層與含氣性關系如圖6所示。

圖6 JY-2井五峰組—龍馬溪組層序地層與含氣性關系Fig.6 The relationship between sequence stratigraphy and gas-bearing properties of Wufeng-Longmaxi Formation in well JY-2

4 結(jié)論

1)該文根據(jù)巖性相和測井參數(shù)的變化對海平面變化響應的敏銳性，通過定性和定量相結(jié)合的方法分析海平面的變化，識別了層序內(nèi)部的體系界面，建立焦石壩地區(qū)JY-2井五峰組—龍馬溪組海相泥頁巖的層序格架。JY-2井五峰組—龍馬溪組可以劃分為2個完整的三級層序和5個體系域，第1個三級層序發(fā)育在五峰組和龍馬溪組下段，從下而上依次發(fā)育海侵體系域(TST)、高位體系域(HST)，海侵體系域發(fā)育泥頁巖氣層，高位體系域發(fā)育泥頁巖含氣層和泥頁巖氣層；第2個三級層序發(fā)育在龍馬溪組的上段，從下而上依次發(fā)育低位體系域(LST)、海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)，泥頁巖氣層、含氣層和泥頁巖含氣層都發(fā)育在第2個三級層序的低位體系域。整體來看，泥頁巖氣層的甲烷和全烴含量是最高的，含氣性最好，其次為含氣層和泥頁巖含氣層。

2)對四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組泥頁巖進行層序地層學分析將有助于了解優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布特征，對研究區(qū)的進一步勘探、富有機質(zhì)頁巖的對比和富集規(guī)律的認識，以及后期頁巖氣的合理開發(fā)利用有指導意義。同時，也能夠豐富層序地層學理論，對我國其他地區(qū)海相泥頁巖層序地層學研究也具有一定的借鑒意義。