焦石坝页岩气田龙马溪组—五峰组沉积相特征

林　婉，肖传桃，石文睿，梁文君，李　昂，任　元

焦石坝页岩气田龙马溪组
—五峰组沉积相特征

林婉1，肖传桃1，石文睿2，梁文君1，李昂1，任元3

（1. 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，武汉 430100；2.长江大学地球物理与石油资源学院，武汉 430100；3.中石化江汉石油工程有限公司测录井公司，湖北 潜江 433123）

依据岩心观察、实验分析、录井和测井资料，研究了四川焦石坝页岩气田志留系龙马溪组下部—奥陶系五峰组海相页岩基本特征、沉积环境。龙马溪组下部—五峰组主要为黑色、灰黑色炭质页岩，形成于弱氧化—强还原环境，由含碳低硅，高碳低硅，中碳中硅、低硅，高碳高硅、中硅，富碳高硅7种岩石相构成；沉积微相可划分为深水砂泥质陆棚、深水混积陆棚、深水硅泥质陆棚、深水泥质陆棚4种；页岩沉积经历了一个较为完整的“海进—海退”三级海平面升降旋回，沉积亚相为深水陆棚沉积。研究成果为今后在四川盆地海相页岩地层寻找优质储层、深化认识焦石坝海相页岩储层特征提供了有益的借鉴。

页岩气；岩心；沉积相；焦石坝

中国南方中古生界海相领域勘探已有五十多年历史，在四川盆地找到了丰富的油气储量。由于其良好的原始油气地质条件，比照北美地区页岩气田形成条件、勘探方法与储层评价标准，形成了具有中国特色的页岩气战略选区、钻完井施工、测录井储层评价等页岩气勘探开发关键技术，近三年中石油和中石化相继在川南威远地区和川东南涪陵焦石坝地区发现了威远页岩气田和焦石坝页岩气田，取得了中国页岩气勘探的新突破［1-5］。

1　区域地质概况

焦石坝页岩气田隶属于川东褶皱带，位于万县复向斜的南部与方斗山背斜带西侧的交汇区域。气田主要构造位于包鸾—焦石坝背斜带，边缘被大耳山西、石门、吊水岩等断层夹持，远离“通天”断层，页岩气保存条件良好；背斜形态清楚，地层平缓，倾角0.5°～10°。气田地表出露地层为下三叠统嘉陵江组，工区地层自上而下为三叠系、二叠系与石炭系黄龙组、志留系韩家店组、小河坝组、龙马溪组及奥陶系五峰组、涧草沟组等，与中上扬子地区地层层序一致（表1）［6-9］。

中上扬子地区龙马溪组—五峰组地层主要为深水陆棚相沉积，且沉积水体从下到上逐渐变浅，有利于富含有机质的页岩层生长发育，页岩具有较好的储集性能。

表1　中上扬子地区志留系至奥陶系地层及岩性简表

2　沉积相特征研究

“相”最早由丹麦地质学家Steno（斯丹诺，1669）引入地质文献，而后瑞士地质学家Gressly（格列斯利，1838）认为：“相是沉积物变化的总和。”自此以后，相的概念逐渐为地质界所接受和引用，并用来研究地层沉积环境［10］。沉积相定义为沉积环境及在该环境中形成的沉积岩的综合特征，包括岩石相、相标志及相模式等，以焦页1井的岩心、录井、测井资料，从四个方面对其进行分析。

2.1岩石相综合特征

在前人研究的基础上，利用测井U和Th/U、录井岩石矿物组分和碳硅含量三方面的变化来剖析龙马溪组下部—五峰组地层岩石相特征［11-14］。

2.1.1测井U和Th/U特征

利用U元素对海平面变化引起氧化还原环境的变化较为敏感，但Th元素相对不敏感（Adams and Weaver，1958；Jacobi et al.，2008）的特性，认为U浓度和Th/U值的波动对应于海平面的升降，在海进时期盆地处于缺氧环境，沉积硅质，有机质丰富的泥岩沉积物来自深海环境，盆地条件变化的标志是U急剧增加，Th/U值降低到2以下；相反地，海退形成浅水的、氧化作用较强的水体环境，在这种环境中形成较少的有机质，但是碎屑岩、粉砂质泥岩和碳酸质泥岩较容易形成，反映出过渡海相环境部分受陆源沉积物供给的影响，U急剧降低，Th/U值升高到2以上。

2.1.2岩石矿物组分特征

焦页1井样品分析结果表明焦石坝地区龙溪组下部—五峰组含气页岩矿物成分以石英和粘土矿物为主，含斜长石、钾长石、方解石、白云石和黄铁矿等。根据焦页1井龙马溪组—五峰组含气页岩段取样分析及测井解释岩石矿物组分剖面可以看出，粘土矿物含量为16.0%～63.0%，平均含量40.0%，长英质含量为23.0%～74.0%，平均含量46.5%，碳酸盐岩含量较少，为0%～34.0%，平均含量10.0%，其它平均2.5%。

2.1.3碳硅含量特征

表2　页岩岩石相硅碳划分标准表（石元会等，2012）

通常，页岩TOC＞4%为富有机质含量、简称“富碳”；页岩硅含量＞40%为高硅含量、简称“高硅”（表2）。焦页1井龙溪组下部—五峰组含气页岩段，有机碳含量为0.5%～6.0%，平均为2.5%，具有自上而下有机碳含量逐渐增加的趋势。富有机质泥岩相对高值区分布于五峰组—龙马溪组底部2 377.5～2 415.5m井段。根据以上三方面特征的差异性（表2），将焦石坝地区龙马溪组—五峰组含气页岩段划分出7个不同的岩石相类型，自上而下分别：⑦2 326.5～2 338.5m：含碳低硅页岩相，⑥2 338.5～2 353.5m：高碳低硅页岩相，⑤2 353.5～2 368.5m：中碳中硅页岩相，④2 368.5～2 377.5m：中碳低硅页岩相，③2 377.5～387.5m:高碳高硅页岩相，②2 387.5～2 395.5m：高碳中硅页岩相，①2 395.5～2 415.5m：富碳高硅页岩相。

图1　焦页1至4井连井沉积相对比图

从焦页1、2、3、4井横向对比情况来看，7个岩相横向厚度稳定（图1）。

2.2沉积相标志

相标志是反映沉积相的一些标志，它是相分析及古地理研究的基础。一般可归纳为岩石相、沉积构造、古生物、层序特征、地球化学和电性相标志类型［10］。岩石相前文已详述，不再赘述。

2.2.1沉积构造

从岩心观察来看，目的层大量发育层理构造，主要表现为水平层理以及块状、中层状层理。从焦页1井岩心可观察到灰黑色含炭质粉砂质泥岩与泥质粉砂岩呈条带状或条纹状频繁韵律互层（图2A），岩石中常含顺层分布的笔石化石，代表其属深水陆棚环境条件下季节性低密度浊流形成的产物（图2B）。其中，龙马溪组下部井深2347.2m薄片观察显示水平纹层发育，富炭质纹层与富粉砂纹层间互成层（图2C），井深2 368.6m处也发育水平纹层，由富泥炭质纹层（厚度为0.32mm～6.4mm）与贫炭质富粉砂质纹层（厚度0.16mm～0.96mm）形成明暗相间纹层构造（图2D）。五峰组井深2 413.0～2 415.0mFMI静态图像为亮黄色—白色，动态图像可见大多发育块状、中层状层理（图2E）。

图2　焦石坝地区龙马溪组下部主要岩性特征

2.2.2古生物

焦页1井龙马溪组下部-五峰组89m段普见笔石类生物化石（图3），化石较为单一，化石含量相对丰富，代表了典型的深水陆棚沉积环境（包括深水砂泥质陆棚微相、深水混积陆棚微相），除了富含笔石化石外，另外可见较为丰富的海绵、放射虫和骨针等硅质类骨骼生物化石，代表水体更深的深水陆棚沉积环境（包括深水硅泥质陆棚微相和深水泥质陆棚微相）。从生物化石纵向发育组合特征来看，龙马溪组下部-五峰组整体上下部水体要明显深于中部和上部。

图3　焦页1井龙马溪组-五峰岩心笔石化石照片

2.2.3沉积层序

三级层序与盆地规模的中期基准面旋回相对应，其本质上是在外部由不整合面及与之可对比的整合面所围限（因在三级旋回中一般没有发生明显的构造变动，而主要由基准面的升降而形成，所以一般是超覆不整合或下切不整合），在内部由初始水进面和最大水进面分隔成的一个完整的沉积体系域旋回组成。在三级层序内部一般不可能出现明显的不整合面，也不可能出现多个完整的沉积旋回［15］。研究区龙马溪组下部—五峰组暗色富有机质泥页岩发育时期共可划分出两个三级层序。

通过研究区焦页1、2、3、4井的连井对比情况来看（图1），89m段三级层序具备较好的可对比性，从横向对比情况来看，焦石坝地区龙马溪组—五峰浊积砂段以下暗色富有机质泥页岩发育段均可划分出一个完整的三级层序，主体均为深水陆棚沉积环境，自下而上依次发育了深水硅泥质陆棚、深水泥质陆棚、深水砂泥质陆棚和深水混积陆棚纵向沉积相演化序列（图4）。

图4　焦页1井龙马溪组下部—五峰组沉积相特征

2.2.4地球化学标志

焦页1井龙马溪组下部-五峰组含气页岩段，173个岩心样品分析显示，有机碳TOC含量为0.5%～6.0%，平均为2.5%，具有自上而下有机碳含量逐渐增加趋势。富有机质泥岩相对高值区分布于龙马溪组底部—五峰组2 377.5～2 415.5m井段，83块样品分析，有机碳含量最小为1.0%，最大5.89%，平均3.50%。

2.2.5电性特征

1段（2 377.5～2 415.5m，厚38.0m）：下部6m五峰组岩性以黑色硅质、炭质页岩为主，顶部为几十厘米至一米厚的凝灰岩与龙马溪组作为分界，测井显示五峰组具有三个峰值，向上伽马增大，最大值可达307.4API；龙马溪组以灰黑色粉砂质、炭质泥页岩夹放射虫粉砂质、炭质泥页岩为主，测井显示具有高伽马、高含U，低电阻、低密度及低Th/U的特征，其中伽马平均值为181.6API，U平均值为12.8API，密度平均值为2.53g/cm3，Th/U值＜2.0，平均值仅1.3，笔石和放射虫含量高，脆性矿物含量在60%以上。

2段（2 353.5～2 377.5m，厚24.0m）：岩性较为单一，以灰黑色-黑色泥质粉砂岩及粉砂质泥岩为主，夹薄层炭质页岩，砂质含量明显增多。测井显示具有相对较低的伽马、低含U，高电阻、高密度及高Th/U的特征，自然伽马、电阻率及三孔隙均呈箱状中值，其中伽马平均值为151.2API，U平均值为7.2API，密度平均值为2.63g/cm3，Th/U＞2.0，平均值为2.4，本段砂质含量较重，脆性矿物含量分布于50%～60%。

3段（2 326.5～2 353.5m，厚27.0m）：下部为灰色-深灰色炭质泥岩与粉砂质泥岩互层，偶夹薄层的灰质泥岩，自然伽马和电阻率曲线上齿化似峰状，脆性矿物含量也在40%～50%左右。上部主要为一套灰黑色～黑色含炭质粉砂质泥岩，自然伽马似箱状高值，对应的电阻率为低值，其脆性矿物的含量在40%左右。整段测井显示具有较高伽马、高密度，较低电阻、低U含量、低声波、中子的特征，伽马平均值为170.2API，U平均值为8.2API，密度平均值为2.66g/cm3，Th/U＞2.0，平均值2.5。

2.3沉积模式

综合焦页1、2、3、4井的连井沉积相对比可以看出，焦石坝地区五峰-龙马溪组浊积砂段下部暗色富有机质泥页岩段沉积时期海平面经历了一个完整的三级升降旋回，其中存在两期次一级的升降旋回，沉积环境纵向上先后经历了深水硅泥质陆棚、深水泥质陆棚、深水砂泥质陆棚、深水混积陆棚、深水砂泥质陆棚这样一个自下而上水体整体逐渐变浅的纵向演化序列（图5）。至层序二时期，转变为浅水陆棚沉积环境，底部沉积了一套浊流成因的浊积砂，向上逐渐转变为浅水泥质陆棚的沉积环境。

总体上志留系时期中扬子地区为一挤压背景下的前陆盆地，研究区位于前陆隆起隆后盆地部位，龙马溪组下部—五峰组暗色泥页岩沉积时期主体为深水陆棚沉积环境，向东逐渐过渡为浅水陆棚、滨岸相沉积环境直至当时的川中古隆起，向东至湘鄂西地区逐渐转变为浅水陆棚沉积环境，当时的沉积中心位于彭水地区。

图5　焦石坝地区龙马溪组—五峰沉积模式图

3　结论

1）焦石坝页岩气田龙马溪组下部—五峰组以深水陆棚沉积体系为主，页岩颜色主要为黑色、灰黑色，反映其处于弱氧化—强还原环境。

2）依据页岩颜色、有机碳含量及硅质含量变化，将焦石坝页岩气田龙马溪组下部—五峰组页岩层划分为含碳低硅、高碳低硅、中碳中硅、中碳低硅、高碳高硅、高碳中硅、富碳高硅7种岩石相；依据页岩岩石相（岩石组合类型）、古生物化石及电性特征，将焦石坝页岩气田龙马溪组下部—五峰组页岩层划分为深水砂泥质陆棚微相、深水混积陆棚微相、深水硅泥质陆棚微相、深水泥质陆棚等4种沉积环境。

3）焦石坝页岩气田龙马溪组下部—五峰组暗色富有机质页岩沉积时期，海水自下而上经历了一个较为完整的“海进—海退”三级海平面升降旋回，在大的海平面升降旋回过程中，仍存在两个次一级的海平面升降旋回。

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Sedimentary Facies of the Longmaxi Formation-Wufeng Formations in the Jiaoshiba Shale Gas Field

LIN Wan1XIAO Chuan-tao1SHI Wen-rui2LIANG Wen-jun1LI Ang1REN Yuan3
（1-Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources， MLR， Yangtze University，Wuhan 430100； 2-College of Geophysics and Oil Resources， Yangtze University， Wuhan 30100； 3- Jianghan Well Logging & Testing Engineering Company， SINOPEC， Qianjiang， Hubei 433123）

This paper deals with lithologic characteristics and sedimentary environment of marine shale of the Lower Silurian Longmaxi-Ordovician Wufeng Formations in the Jiaoshiba shale gas field， Sichuan basin，based on core observation， experimental analysis， logging and logging data. The marine shale is characterized by low silicon， high carbon and low silicon， medium carbon and medium silicon， medium carbon and low silicon，high carbon and high silicon， high carbon and medium silicon， rich carbon and high silicon and formed in weakly oxidized-strong reducing environment. The sedimentary microfac ies may be divided into 4 types such asdeepwater sand shale shelf， deepwater mixing product shelf， deepwater silicon argillaceous shelf and deepwater shale shelf.

shale gas； Longmaxi-Wufeng Formations； sedimentary facies； Jiaoshiba； Sichuan

P618.13

A

1006-0995（2015）03-0517-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.009

2014-10-20

中石化石油工程技术服务有限公司科技攻关项目“涪陵地区页岩气示范区石油工程集成技术”（SG1305）

林婉（1989-），女，长江大学地质工程专业在读硕士研究生，主要研究方向是储层地质学

肖传桃（1965-），男，硕士生导师，研究方向：古生态学与古环境、油气勘探地层学、岩性油气藏预测等