陳澤明, 雍自權(quán), 朱杰平, 葉新民, 王 浩, 趙 爽

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國石油化工股份有限公司 華東分公司，南京 210011)

四川盆地東南部南川地區(qū)五峰組--龍馬溪組頁巖特征

陳澤明1, 雍自權(quán)1, 朱杰平2, 葉新民2, 王 浩1, 趙 爽1

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國石油化工股份有限公司 華東分公司，南京 210011)

通過野外地質(zhì)調(diào)查及樣品的實驗分析，研究了四川盆地東南部南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖沉積相特征、有機地球化學(xué)特征、儲層特征等。五峰組下段至上段由深水陸棚相過渡到淺水陸棚相，龍馬溪組下段與上段同樣表現(xiàn)為由深水陸棚相過渡到淺水陸棚相。頁巖有機質(zhì)類型主要為Ⅱ1型和Ⅱ2型，總有機碳含量(質(zhì)量分數(shù))介于0.22%～4.59%，熱演化程度已達過成熟-高成熟階段，Ro介于1.99%～2.74%。頁巖中礦物組成主要以脆性礦物石英為主，黏土礦物次之。掃描電鏡結(jié)果顯示南川地區(qū)頁巖發(fā)育了大量微孔隙，其中以溶蝕孔與有機質(zhì)微孔居多，為頁巖氣的儲集提供了空間。

南川地區(qū)；沉積相；有機地球化學(xué)；微孔隙；頁巖；頁巖氣

南川地區(qū)屬于黔北上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)的重要區(qū)域，但各單位僅對區(qū)域及周邊地區(qū)頁巖氣資源及開發(fā)前景進行了初步的評價。本文通過對南川地區(qū)三泉和白龍湖等五峰組-龍溪組露頭剖面頁巖的沉積環(huán)境、巖石學(xué)、地球化學(xué)、孔隙微觀結(jié)構(gòu)特征等的研究，結(jié)合前人對頁巖氣的研究成果，總結(jié)了南川地區(qū)頁巖特征，為頁巖氣的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南川地區(qū)位于隔擋式-隔槽式構(gòu)造過渡帶，區(qū)內(nèi)斷層較少，但褶皺細密，垂直高差較大，地貌多樣，可謂峰叢溝谷交錯(圖1)。南川三泉及鄰區(qū)自西北向東南褶皺表現(xiàn)為由背斜狹窄緊閉、向斜寬緩的隔擋式褶皺為主向背斜寬闊箱狀、向斜狹窄緊閉的隔槽式褶皺為主過渡。南川地區(qū)及鄰區(qū)單個褶皺常呈弧形。南川區(qū)域及鄰區(qū)的斷裂是多個走向的斷裂相互切割、聯(lián)合和干擾下形成的，以北東向-北北東向及南北向斷裂為主。北東向-北北東向及南北向斷裂多發(fā)育于背斜，多為高角度上沖斷層，斷層延伸方向大體與背斜軸向一致。南川地區(qū)及鄰區(qū)以擠壓變形為主，兼有走滑的性質(zhì)[1]。

南川地區(qū)地層跨越2個界6個系，其中志留系與三疊系分布最廣，占全區(qū)總面積的50%以上，其次是奧陶系。按照巖性以及生物化石的不同，上奧陶統(tǒng)五峰組可分為下段的黑色碳質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖，厚度約為3～7 m；上段為鈣質(zhì)云巖或粉砂質(zhì)頁巖，曾名“觀音橋段”。下志留統(tǒng)龍馬溪組主要為一套筆石相地層，巖性變化較大，厚度約為238～407 m。龍馬溪組下部黑色頁巖為區(qū)域烴源巖，也是該區(qū)域頁巖氣勘探目的層。

2 沉積相類型與特征

三泉剖面與白龍湖剖面是南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組較典型的剖面，前者位于該區(qū)的東北部，后者位于該區(qū)的西南部(圖1)。

白龍湖剖面出露完整。五峰組下段厚10.2 m，主要為黑色薄層碳質(zhì)頁巖，可見大量的筆石化石，風化表面有鐵銹膜，鏡下可見較多的放射蟲(圖2-A)，其沉積環(huán)境為安靜、深水、缺氧的環(huán)境，屬于深水陸棚相沉積；五峰組上段(觀音橋段)厚3 m，主要為黑色粉砂質(zhì)頁巖，屬于淺水陸棚相沉積。龍馬溪組厚度共計324.4 m，據(jù)巖性的明顯不同，可以將龍馬溪組劃分為下段和上段，下段厚103.9 m，主要為黑色頁巖或黑色碳質(zhì)頁巖，夾有少許的粉砂，筆石化石豐富(圖2-B)，沉積環(huán)境為還原環(huán)境，屬于深水陸棚相沉積；上段則是以灰色、深灰色、黃灰色薄層鈣質(zhì)頁巖為主(圖2-C)，厚度為220.5 m。由下至上鈣質(zhì)逐漸增多，上部可見灰質(zhì)結(jié)核(圖2-D)，屬于淺水陸棚相沉積。

圖1 重慶南川地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖

圖2 南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組野外露頭及鏡下特征

三泉剖面是南川地區(qū)北東方向五峰組-龍馬溪組具有代表性的剖面。五峰組下段厚9.9 m，主體為黑色薄層碳質(zhì)頁巖，鏡下可見放射蟲，屬于深水陸棚相沉積；五峰組上段厚2.8 m，粉砂含量較之下段多，野外可見少許的灰褐色含灰質(zhì)砂巖(圖2-E)，未見深水沉積物，屬于淺水陸棚相沉積。由于此剖面未見頂，不能很好地劃分龍馬溪組上下段，因此三泉剖面龍馬溪組主體是黑色碳質(zhì)頁巖和黑色薄層頁巖，可見黃鐵礦與水平層理(圖2-F)，其沉積環(huán)境為安靜、深水、缺氧的環(huán)境，屬于深水陸棚相沉積。

綜上所述，南川地區(qū)晚奧陶世-早志留世時期臨湘組-五峰組-龍馬溪組沉積環(huán)境可劃分為以下幾種主要的沉積亞相：(1)臨湘組是灰質(zhì)淺水陸棚相沉積；(2)五峰組下部黑色頁巖段為泥質(zhì)深水陸棚相沉積；(3)五峰組上部泥質(zhì)粉砂巖段沉積環(huán)境是淺水陸棚相；(4)龍馬溪組下段為泥質(zhì)深水陸棚沉積；(5)龍馬溪組上段為灰泥質(zhì)淺水陸棚沉積(喻磊等，2013)。沉積環(huán)境是深水—淺水這樣一個漸變的過程，說明該地區(qū)在晚奧陶世-早志留世時期未經(jīng)歷強烈的構(gòu)造作用(圖3)。

圖3 白龍湖與三泉剖面五峰組-龍馬溪組沉積相柱狀對比圖

3 巖石學(xué)與地球化學(xué)特征

沉積物的巖石學(xué)、地球化學(xué)特征是頁巖氣富集的主要控制因素[2-4]，筆者主要論述該地區(qū)有機質(zhì)類型、有機碳含量及其變化、有機質(zhì)成熟度與巖石礦物組成等特點。

3.1 有機質(zhì)類型

晚奧陶世-早志留世，川東鄂西地區(qū)主要處于淺海陸棚沉積環(huán)境，陸源植物還未大量出現(xiàn)，生物以水生生物為主，具有大量的浮游生物和菌藻類，尤以筆石占絕對優(yōu)勢，局部有放射蟲和硅質(zhì)海綿骨針，所以有機質(zhì)類型應(yīng)當以腐泥型干酪根為主[5]。

對實測剖面五峰組-龍馬溪組的樣品進行干酪根顯微組分特征分析研究表明(表1)，奧陶系-志留系頁巖干酪根類型是以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主要特征。顯微組分中主要為殼質(zhì)組，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組和腐泥組含量較低。

表1 南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組巖石顯微組分特征

圖4 南川地區(qū)三泉剖面與白龍湖剖面五峰組-龍馬溪組TOC含量直方圖

3.2 有機碳含量及其變化

就儲集空間而言，頁巖氣是在泥頁巖的巖石顆粒、黏土礦物、有機質(zhì)表面與微孔隙中儲集，所以有機質(zhì)含量不僅是影響頁巖生烴量的主要因素，也是影響其吸附氣量的重要因素[6]。

對三泉剖面五峰組-龍馬溪組的18個樣品進行分析(圖4)，樣品的有機碳質(zhì)量分數(shù)(wTOC)值介于0.51%～4.55%，平均為1.71%；但五峰組與龍馬溪組下段的黑色頁巖段共8個樣品的wTOC值為0.51%～4.55%，平均為2.58%。同樣，對白龍湖剖面五峰組-龍馬溪組的24個樣品進行分析可知(圖4)，樣品wTOC值介于0.22%～4.59%，平均為1.45%；此剖面五峰組和龍馬溪組下段黑色頁巖段的6個樣品wTOC值為2.96%～4.59%，平均為3.89%。五峰組下段、龍馬溪組下段黑色頁巖wTOC值普遍較高。

3.3 有機質(zhì)成熟度

無論是Ⅰ型、Ⅱ型干酪根還是Ⅲ型干酪根，在熱演化程度較高時，都可以生成大量天然氣，只是不同類型干酪根的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征不同，因而不同階段產(chǎn)氣率會有較大變化[7]。

三泉剖面與白龍湖剖面黑色頁巖樣品的Ro值約為1.99%～2.74%,tmax一般都在500℃，S1+S2都很低，有機質(zhì)生烴都趨于結(jié)束，熱演化程度高，應(yīng)該在過成熟-高成熟階段(表2)。威201井龍馬溪組黑色頁巖的鏡質(zhì)體反射率約為2.7%，屬于過成熟頁巖氣；Barnett黑色頁巖的鏡質(zhì)體反射率約為2%，屬于高成熟頁巖氣；Antrim頁巖的鏡質(zhì)體反射率為0.1%～0.6%，屬于低成熟頁巖氣[8]。南川地區(qū)熱演化程度高，應(yīng)形成熱成因頁巖氣藏。

表2 南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組巖樣熱解參數(shù)

3.4 巖石礦物組成

經(jīng)過對南川地區(qū)三泉剖面與白龍湖剖面五峰組-龍馬溪組黑色頁巖段6個樣品進行X射線衍射分析，將分析結(jié)果與Barnett深水泥巖相對比(圖5)，可知該地區(qū)黑色頁巖樣品的脆性礦物組成與Barnett深水泥頁巖相吻合性好，表現(xiàn)為石英長石礦物含量高、黏土含量較低，幾乎沒有碳酸鹽礦物。脆性礦物含量高，有利于誘導(dǎo)裂縫與天然裂縫的產(chǎn)生，增加了頁巖氣的運輸通道；少量的黏土礦物可以增加頁巖氣的吸附量，但含量過多的黏土礦物又會極大地降低巖層的脆性，給頁巖氣后期開發(fā)增加了難度。

圖6 南川地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖的微孔隙

圖5 南川地區(qū)三泉剖面與白龍湖剖面黑色頁巖礦物組成三元圖解

3.5 頁巖微觀孔隙

北美頁巖發(fā)育粒間孔、粒內(nèi)孔與有機質(zhì)孔3種孔隙[9]。南川地區(qū)三泉剖面與白龍湖剖面樣品經(jīng)掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，五峰組-龍馬溪組黑色頁巖中發(fā)育大量的微孔縫，主要為溶蝕(微)孔、粒間微孔、粒內(nèi)微孔、有機質(zhì)孔及微裂縫等(圖6)。溶蝕孔分為碳酸鹽溶蝕孔與長石溶蝕孔，粒內(nèi)微孔較小，孔徑介于34.34～175.1 nm，粒間微孔直徑介于258.6～385.2 nm；有機質(zhì)孔大小介于415.9～1 384 nm，多數(shù)為幾百納米。

頁巖的有機碳含量、有機質(zhì)成熟度和礦物組成是頁巖儲層發(fā)育的三個最重要因素[8]。就有機碳含量而言，南川地區(qū)五峰組下段到上段的有機碳含量是變小的過程，龍馬溪組下段至上段也同樣是由大變小的過程。五峰組下段與龍馬溪組下段沉積環(huán)境皆為深水陸棚，屬于缺氧、還原環(huán)境，有機質(zhì)富集，含量較高。頁巖的礦物組成以石英居多，黏土含量次之，偶見方解石與黃鐵礦等。鏡質(zhì)體反射率Ro>2%，意味著該地區(qū)有機質(zhì)演化已經(jīng)達到了高-過成熟的階段(圖7)。高成熟的頁巖生成了較多的天然氣，當天然氣的量大于儲集空間時，過大的壓力可能會破壞頁巖氣的保存環(huán)境[10]。

圖7 南川地區(qū)頁巖參數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)南川地區(qū)地層出露、構(gòu)造特征以及上述分析的黑色頁巖厚度分布、地球化學(xué)特征和頁巖的微觀孔隙等參數(shù)，可對該地區(qū)進行有利勘探區(qū)域的優(yōu)選，研究區(qū)西北部是頁巖氣勘探的有利區(qū)域(圖1)。有利區(qū)域內(nèi)的有效黑色頁巖(wTOC>2%)厚度>40 m；脆性礦物石英含量較高，其質(zhì)量分數(shù)通常大于40%；地表出露的地層為三疊系及以上地層；區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，斷層極少，地貌高差小。

4 結(jié) 論

a.南川地區(qū)晚奧陶世-早志留世五峰組-龍馬溪組同樣遵循了揚子地區(qū)五峰組-龍馬溪組海進到海退旋回的沉積環(huán)境，沉積相上表現(xiàn)為五峰組下段的深水陸棚相→五峰組上段的淺水陸棚相→龍馬溪組下段的深水陸棚相→龍馬溪組上段的淺水陸棚相。

b.南川地區(qū)五峰組、龍馬溪組有機質(zhì)類型主要是Ⅱ1型和Ⅱ2型。有機碳含量較低，三泉剖面樣品wTOC值平均為1.71%，五峰組與龍馬溪組下段黑色頁巖wTOC相對較高，平均為2.58%；白龍湖剖面樣品wTOC值平均為1.45%，五峰組與龍馬溪組下段黑色頁巖wTOC相對較高，平均為3.89%。黑色頁巖段的有機質(zhì)成熟度高，Ro值為1.99%～2.74%；三泉剖面與白龍湖剖面五峰組下段、龍馬溪組下段黑色頁巖脆性礦物組成的石英與長石含量高，黏土礦物少，幾乎不含碳酸鹽礦物；南川地區(qū)五峰組下段、龍馬溪組下段黑色頁巖發(fā)育了大量的微孔隙，其中溶蝕孔較常見，有利于頁巖氣的儲集。

c.綜合構(gòu)造特征、沉積相、有機質(zhì)類型、有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、礦物組成、孔隙結(jié)構(gòu)以及地層出露等指標，優(yōu)選出南川地區(qū)研究工區(qū)的西北部為頁巖氣的有利勘探區(qū)域。

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FeaturesofWufengFormationandLongmaxiFormationshaleinNanchuan,southeastofSichuan,China

CHEN Ze-ming1, YONG Zi-quan1, ZHU Jie-ping2, YE Xin-min2, WANG Hao1, ZHAO Shuang1

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.EastChinaBranchofSINOPEC,Nanjing210011,China

Based on the geological survey in the field and the experimental analysis, this paper discusses the sedimentary characteristics, the organic geochemistry characteristics and the reservoir characteristics of the Wufeng Formation and Longmaxi Formation shale in Nanchuan area, Sichuan, China. The sedimentary facies from the lower segment to the upper segment of Wufeng Formation in Nanchuan area is the transition from the deep-water shelf to the shallow shelf, which is similar to Lower Silurian Longmaxi Formation. The organic matter in this area is dominated by Ⅱ1and Ⅱ2-kerogen. The total organic carbon content (TOC) range is 0.22%～4.59%, the thermal evolution degree is high-mature and even over-mature andRois 1.99%～2.74%. The mineral composition of the shale is mainly brittle minerals quartz, then followed by clay minerals. The results coming from scanning electron microscopy show that there develop a large number of micropores in the shale of Nanchuan and most of them are dissolution pores and organic microporous, provide favorable spaces for storing shale gas.

Nanchuan area; Wufeng Formation and Longmaxi Formation; sedimentary facies; organic geochemistry; micropore; shale gas

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.06.09

1671-9727(2013)06-0696-07

P588.22

A

2013-06-03

陳澤明(1989-),男,碩士研究生,研究方向：石油地質(zhì)學(xué), E-mail:370702847@qq.com。