四川盆地及周边上奥陶统五峰组观音桥段岩相特征及对页岩气选区意义

王玉满，董大忠，黄金亮，李新景，王淑芳（中国石油勘探开发研究院）

四川盆地及周边上奥陶统五峰组观音桥段岩相特征及对页岩气选区意义

王玉满，董大忠，黄金亮，李新景，王淑芳
（中国石油勘探开发研究院）

摘要：以钻井和露头资料为基础，依据岩石矿物、地球化学和测井数据，对四川盆地及周边上奥陶统五峰组观音桥段地层分布和岩相特征开展研究。观音桥段地层分布总体受海平面变化控制，与上下围岩接触关系区域变化大，在盆地内呈整合接触，在盆地外存在整合接触区和缺失区；在盆地内一般为深水硅质页岩相和钙质硅质页岩相，岩性与上下围岩基本相似，在盆地外主体为浅水泥灰岩相或缺失区，且在盆地外泥灰岩相整合接触区，岩性与围岩差异大。研究证实：观音桥段岩相是判断五峰组—龙马溪组页岩气储集层质量优劣的重要标志，对页岩气选区具有重要地质意义；川南—川东—川东北坳陷区为优质储集层发育区和页岩气勘探开发的有利区，观音桥段缺失区为“甜点”层缺失和页岩气勘探风险区，观音桥段泥灰岩相区的储集层质量和勘探前景则界于前两者之间。图5表2参24

关键词：四川盆地；页岩储集层；上奥陶统五峰组；地层分布；岩相特征；沉积环境；页岩气勘探选区

0　引言

四川盆地及周边上奥陶统五峰组（O3w）、下志留统龙马溪组（S1l）页岩已成为中国页岩气勘探开发主力层系[1-3]，两层之间为五峰组观音桥段（O3g），产丰富的Hirnantia sagittifera，Eostropheodonta parvicostellata Rong等赫南特期腕足类化石，是赫南特期冰期形成的一套区域分布的介壳层，反映海平面在奥陶纪与志留纪之交出现显著下降[4-17]。开展观音桥段地层分布和岩相组合研究，是判断五峰组与龙马溪组之间是否为连续深水沉积（其是形成规模分布、均质性良好储集层的地质基础）、确定优质储集层分布、优选页岩气核心区的有效手段。

关于观音桥段地层分布和岩相特征，前人已做过大量研究[4-20]，但研究区域主要局限于滇东、黔北、渝东南、鄂西等地层出露区，针对四川盆地的研究工作十分薄弱，对页岩气勘探有指导意义的成果鲜见报道。本文立足中上扬子地区五峰组分布区，以四川盆地为重点，依据钻井和露头资料，结合岩石矿物、有机地球化学等分析测试资料，由点到面分析四川盆地及周边观音桥段岩相及其横向变化特征，探索其岩相与五峰组—龙马溪组优质储集层的相关性，为中上扬子地区页岩气核心区优选提供地质依据。

1　观音桥段地层特征

1.1岩性地层特征

中上扬子地区五峰组总体较薄，厚度一般为2～10 m（见图1）。观音桥段位于五峰组顶部，厚度一般不超过1.5 m，仅在黔北局部地区达2.0 m以上[11-20]。根据华蓥、威远、长宁、綦江、黔江和宜昌等地区的钻井和露头资料（见图1、图2），观音桥段在四川盆地内一般为硅质页岩和钙质硅质页岩，厚0.09～1.80 m，在盆地外主体为泥灰岩或出现缺失。

在华蓥、威远等川中地区，观音桥段主体为薄层黑色硅质页岩和钙质硅质页岩，局部为泥灰岩和钙质页岩，与上覆龙马溪组整合接触，见较多个体较小的赫南特期腕足类化石（见图2a、图2b）。华蓥地区观音桥段厚0.09 m，岩性与上下岩层相同，硅质含量（石英+长石，下同）达63.3%，黏土含量35.4%，TOC值达11%（见图2a、图3）。威远地区观音桥段厚度变化大，一般为0.20～1.80 m，主体为浅灰色泥灰岩，底部为深灰色钙质页岩，顶部为黑色页岩薄层，TOC值一般在1%以下。

图1　中上扬子地区上奥陶统五峰组地层分布图[10]

在川南长宁双河地区，观音桥段出露完整，厚约1.0 m，自下而上可划分为3小层：下部为厚约0.4 m的灰黑色钙质硅质页岩，偶见腕足类化石和Normalograptus extraordinarius笔石；中部为厚约0.4 m深灰色钙质页岩，见大量腕足类化石；上部为厚约0.2 m黑色笔石页岩，见Normalograptus persculptus笔石，与龙马溪组底部相似。从岩性特征和古生物群落看，观音桥段与上覆龙马溪组和下伏五峰组笔石页岩段呈整合接触，揭示了古水深在五峰组沉积早期→观音桥段沉积期→龙马溪组沉积早期经历了由深→浅→深的旋回变化，但岩相与顶底岩层接近，总体为钙质硅质混合页岩，其中钙质含量（方解石+白云石，下同）为31%～39%，硅质含量为46%～50%，黏土含量为12%～15%，TOC值达7.6%（见图2c、图3）。

在渝东南綦江观音桥地区，观音桥段厚0.7 m，岩性主体为深灰色泥晶生屑灰岩，其次为钙质页岩，自下而上大致可划分为3小层，笔石组合与长宁地区相似。下部小层为深灰色钙质页岩，厚0.15 m，见腕足类和笔石化石；中部小层为深灰色泥晶生屑灰岩，厚0.40 m；上部小层为灰黑色页岩，厚0.15 m，笔石较多，与龙马溪组整合接触。岩相与五峰组和龙马溪组黑色页岩反差较大，钙质含量达52.8%，硅质含量30.1%，黏土含量16.3%，TOC降至0.99%（见图2d，图3）。

图2　四川盆地及周边观音桥段露头和岩心照片

图3　四川盆地及周边观音桥段矿物组成

在黔江沙坝和宜昌分乡地区，观音桥段分别为深灰色泥灰岩和灰白色泥晶灰岩，厚度分别为0.80 m和0.20 m，与上下围岩（黑色页岩）整合接触，但岩相相差较大，钙质含量分别为62.8%和82.0%（见图2e、图2f、图3）。在鄂西恩施—湘西地区，观音桥段和鲁丹阶均出现缺失，且鲁丹阶缺失底部至中上部[5,9,20]。

1.2电性特征

钻探证实，观音桥段在四川盆地川南—川东坳陷区显示出极高自然伽马和中高电阻率测井响应特征，自然伽马值一般为180～365 API，电阻率值一般为6～100 Ω·m，但在盆地外泥灰岩相区则显示出中低自然伽马和高电阻率响应特征，自然伽马值一般低于90 API，电阻率值一般30 Ω·m以上（见表1）。可见，依据自然伽马、电阻率等测井响应特征即可有效识别观音桥段并划分其岩相组合。

表1　四川盆地及周边典型钻井观音桥段测井参数表

图4　长宁N211井五峰组—鲁丹阶综合柱状图

以川南坳陷长宁构造N211井为例，观音桥段主体为钙质硅质页岩，厚1.0 m，见赫南特期腕足类化石，TOC值达7.4%～7.6%的高峰值（见表1、图4）。受有机质丰度影响，自然伽马在观音桥段出现具有异常高幅度值的尖峰响应特征（峰值达365 API），远高于五峰组上部（150～220 API）和龙马溪组底部（150～240 API）（见图4）。与N211井相似，位于川东坳陷区的C7井和JY1HF井观音桥段同样显示出自然伽马尖峰响应特征，峰值分别为290 API和300 API，岩相主体为硅质页岩（见表1）。

与盆地内部硅质页岩和钙质硅质页岩分布区相反，盆地外泥灰岩分布区则呈中低伽马响应特征。例如，在当阳复向斜区，观音桥段为泥灰岩，厚度仅0.2 m，自然伽马值仅为85 API（见表1），与上下围岩的高自然伽马响应特征（150～240 API）反差较大。

根据地层岩性和电性特征判断，观音桥段在四川盆地内坳陷区总体为深水沉积的高TOC值页岩，在盆地外随着水体变浅逐渐相变为泥灰岩（或泥晶灰岩）夹层，区域变化受奥陶纪与志留纪之交海平面和古地貌控制。

2　五峰组—龙马溪组沉积早期海平面变化

根据文献资料[10,14]，受奥陶纪与志留纪之交全球冰盖形成与消融事件的影响，全球海平面发生剧烈升降变化，在中国扬子地区形成了有利于黑色页岩发育的深海环境，碳同位素的垂向变化可以清楚反映五峰组—龙马溪组沉积早期海平面和沉积环境的演化规律。

笔者对川南长宁地区N211井五峰组—埃隆阶底部近60 m岩心开展了干酪根碳同位素和TOC值密集采样分析，五峰组下部采样间距为0.5～2.0 m、观音桥段采样间距为0.7 m、龙马溪组采样间距为2～5 m。测试结果显示（见图4）：在五峰组中下部，δ13C值为-30.2‰～-29.9‰，TOC值为4.0%～4.6%；在五峰组中上部，δ13C值开始发生正漂移，在观音桥段中部（即奥陶纪末全球最大冰期）达-29.0‰（对应的TOC值为7.4%～7.6%），进入鲁丹阶2 332～2 345 m深度段（即Normalograptus persculptus及以上3个笔石带）δ13C值降为-29.7‰～-29.5‰（对应的TOC值为3.3%～6.5%）；在2 330 m深度点，同位素曲线处于小幅震荡状态，2 330 m以浅δ13C值呈现向上正漂移趋势，TOC值相应从3.3%降至1.0%～1.5%（见图4）。

根据N211井有机碳同位素变化趋势，川南地区赫南特阶可清楚地识别出正漂移，高峰出现在观音桥段，且TOC值出现高峰值；负漂移出现在五峰组中下部以及鲁丹阶底部。这与宜昌王家湾剖面碳同位素漂移特征基本一致[10]，即：δ13C的正漂移均发生在赫南特期，在鲁丹早期结束并出现负漂移[10]（见图4）。所不同的是，观音桥段有机碳同位素在川南地区偏轻（-29.0‰），在宜昌王家湾偏重（-27.6‰）[10]，对应的TOC值在前者达到峰值，在后者则出现低值（小于1%）。

以上研究表明，在奥陶纪与志留纪之交，全球冰盖大规模推进和快速消融导致四川盆地及周边海平面发生剧烈升降，进而对优质页岩的形成与分布具有明显控制作用，即：五峰组沉积早期（晚奥陶世间冰期）时，气候温暖，海平面处于高位，δ13C较轻并发生负漂移，在整个研究区形成了有利于表层浮游生物高生产和底层有机质有效保存的深水陆棚环境；在五峰组沉积中晚期（即赫南特早中期），受全球冰盖大规模推进的影响，海平面大幅度下降，海水温度降低，导致δ13C发生正漂移，海水中营养物质浓度剧增，同时以浮游生物为食物的笔石大量灭绝，在盆地内部坳陷区（如川南和川东坳陷），海水仍然较深，形成了表层浮游生物爆发、底层有机质高埋藏率的滞留深水区，但在盆外斜坡区（如黔北、鄂西等），海水总体较浅，不利于有机质的保存；在赫南特晚期—鲁丹期，随着气候变暖和全球冰盖的快速消融，四川盆地及周边则出现海平面快速上升，并基本接近五峰组沉积早期的高水位，研究区内再次出现大面积深水陆棚环境，δ13C显著变轻并发生负漂移，藻类、放射虫、笔石等浮游生物又开始大量繁殖；在进入埃隆期以后，海平面开始持续下降，水体逐渐由五峰组沉积早期—鲁丹期的缺氧还原环境变为弱还原—氧化环境，有机质聚集和保存条件逐渐变差，海水中碳同位素分馏不明显，δ13C逐渐增加并发生正漂移。可见，间冰期和冰期交替导致奥陶纪与志留纪之交海平面出现由深→浅→深→浅的旋回变化，但在盆地内部（如川南坳陷区）持续保持了有利于浮游生物繁殖的深水陆棚环境，受此控制，五峰组沉积期—鲁丹期为富有机质黑色页岩发育的鼎盛期（见图4）。

3　观音桥段岩相区域分布特征

观音桥段形成于赫南特期全球海平面低位期，受海平面变化和古地理环境控制，在四川盆地及周边呈现大面积沉积但岩相横向变化大的显著特征。笔者依据华蓥、N211井、长宁双河、綦江观音桥、黔江沙坝和宜昌分乡等78个资料点（钻井28口、剖面50条），并结合前人研究成果[4-23]，编制了四川盆地及周边五峰组观音桥段岩相分布图（见图5），以此揭示五峰组—龙马溪组主力产层的储集层非均质性。

图5　四川盆地及周边五峰组观音桥段岩相分布图

在赫南特中晚期，四川盆地及周边继承了五峰组沉积初期的古地理格局，即：黔中隆起已上升为古陆，江南（雪峰）隆起已具雏形[22-23]，川中—汉南隆起持续抬升但尚未出露水面[13]，湘鄂西一带隆升为水下高地[5]，川南—川东北主体为地势平坦的深坳陷区，滇东、黔北、渝东南和鄂西则基本处于坳陷边缘斜坡区（见图5）。随着海平面大幅度（约50～100 m）下降[8,24]，坳陷斜坡带快速转变为大面积浅水区和局部出露区，显著变化表现为：湘鄂西水下隆起范围进一步扩大，紧邻黔中古陆东北缘的印江—思南和沿河等局部地区出露水面并形成少量岛屿（见图5）。

深水岩相分布于川东北—川东—川南深坳陷区，该区域主体为半封闭深水海湾，开口向北与秦岭洋相通，水深可能仍超过100 m且处于欠补偿状态，洋流不活跃，沉积速率低，沉积了厚0.09～1.20 m、面积超过15´104km2的黑色硅质页岩和钙质硅质页岩（见图5）。受古地理和物源控制，深水岩相大致沿W201井—Zh101井—L7井—南川一线呈现南北分区。南区受黔中碳酸盐岩古陆控制，主体为钙质硅质页岩相区，面积4.8´104km2，黏土矿物含量14.3%～20.6%，钙质含量为39%（长宁地区），电阻率一般为10～35 Ω·m， TOC最大值超过7%，沉积中心为泸州—长宁一带。北区则受康滇古陆和江南雪峰古陆控制，主体为硅质页岩相区，面积超过11´104km2，黏土矿物含量35%，钙质含量一般低于10%，电阻率为10～30 Ω·m，TOC最大值为11%（华蓥地区），沉积中心位于涪陵—石柱—万州（见图5），地层厚度向川中隆起变薄。

浅水岩相区和缺失区主体分布于坳陷斜坡区中上部和顶部。滇东—黔北—渝东南、中扬子西部和威远地区发育浅水泥灰岩相，其中黔北—渝东南和威远地层厚度差异大，反映了斜坡背景上凸凹不平的古地貌特征；湘鄂西水下隆起总体位于斜坡区顶部，推测该区古水体很浅，难以形成沉积物有效保存，导致该区观音桥—鲁丹阶中下段出现大面积沉积缺失现象[5]；在印江—思南、沿河等岛屿分布区，五峰组已出露地表，分别出现整段和顶部剥蚀现象[8]；在川中水下隆起区，五峰组—龙马溪组在加里东期已剥蚀殆尽，鉴于资料匮乏，目前难以恢复观音桥段岩相古地貌，仅以古地理表示之（见图5）。

4　对页岩气选区的地质意义

观音桥段为赫南特期冰期形成的、呈大面积分布的标志层，记录了中上扬子区五峰组—鲁丹阶在沉积厚度、有机质丰度和岩相等方面的变化信息，因此对确定优质页岩储集层分布和开展页岩气选区具有重要意义。下面探讨观音桥段岩相与五峰组—鲁丹阶页岩气储集层质量的相关性，以确定五峰组—龙马溪组页岩气有利区分布。

在川南—川东—川东北等深坳陷区，观音桥段总体为深水沉积的硅质页岩和钙质硅质页岩，反映该相区在五峰组—龙马溪组沉积早期为持续的深水沉积中心，五峰组—龙马溪组黑色页岩具有连续沉积且大面积稳定分布、厚度大、有机质丰度高、脆性矿物含量高等优质储集层特点。以川南坳陷为例，五峰组—鲁丹阶页岩段为连续沉积的深水陆棚相富有机质页岩（见图4），厚度一般为50 m（长宁地区）～100 m（泸州地区），尽管在赫南特期冰期出现了海平面大幅度下降，但并未出现岩相和有机质丰度等关键指标变差的现象，相反在观音桥段及其界面上下出现了有机质丰度和硅质、钙质含量最高、黏土矿物最少、物性好的“甜点”层，即：TOC达到峰值7.4%～7.6%，自然伽马达到峰值334～365 API，石英含量高达49.5%～52.6%，方解石+白云石增至28.6%～31.3%，黏土矿物含量降至14.3%～15.1%，孔隙度与鲁丹阶页岩相当，脆性矿物含量和TOC值明显高于五峰组中下段和鲁丹阶页岩段（见图4、表2）。这表明，在观音桥段的硅质页岩和钙质硅质页岩分布区，五峰组—鲁丹阶页岩为一套连续沉积、大面积分布、富硅质和富有机质的优质储集层，观音桥段及其界面上下是优质储集层的“甜点”。

表2　川南N211井观音桥段及其上下围岩储集层参数表

在滇东—黔北—渝东南、中扬子西部和威远等泥灰岩相区，观音桥段成为五峰组与龙马溪组整合接触和连续沉积的标志层，也是上下两套黑色页岩间的封隔层，反映该区在五峰组沉积期—鲁丹期总体处于坳陷斜坡中上部，经历了由深水陆棚→浅水相→深水陆棚的沉积旋回。与盆地内坳陷区相比，五峰组—鲁丹阶黑色页岩表现为间断沉积、厚度相对较小等特点。例如，在滇东—黔北—渝东南地区，五峰组—鲁丹阶黑色页岩厚度一般为10～40 m，其中观音桥段介壳灰岩（钙质含量大于50%，TOC值小于1%）厚度一般为0.8～2.5 m，如果以龙马溪组底部为目的层进行开发，则体积压裂很难逾越观音桥段，即五峰组难以发挥产层的作用，勘探效果不佳；在中扬子西部，观音桥段介壳灰岩厚度一般为0.2 m，预计体积压裂可以穿越该层段，但对五峰组的改造作用可能不及四川盆地内。可见，在观音桥段泥灰岩相区，五峰组—鲁丹阶页岩储集层总体具有岩性非均质性强、“甜点”层变薄等基本特征。

在湘鄂西以及印江—思南、沿河等观音桥段缺失区（见图5），五峰组与龙马溪组主体为假整合接触，并表现出不同演化特征，即：在五峰组—龙马溪组沉积早期，湘鄂西观音桥段缺失区历经了深水陆棚→缺失（水下隆起）→深水陆棚的沉积旋回，而印江—思南和沿河观音桥段缺失区则经历了由缺失（出露）→深水陆棚的演化过程。湘鄂西地区出现了鲁丹阶中下部甚至整段缺失，富有机质页岩厚度一般小于20 m，TOC值一般为1.0%～2.7%。印江—思南地区出现了五峰组缺失，则优质页岩厚度和有机质丰度更小。这表明，在观音桥段缺失区，五峰组—龙马溪组黑色页岩总体为“甜点”缺失、有效厚度薄、有机质丰度低的低效储集层。

可见，观音桥段的区域分布与岩相特征是评价五峰组—龙马溪组优质储集层的关键指标，也是开展页岩气核心区优选必须考虑的重要地质要素[3]。据此判断，川南—川东—川东北等深坳陷区为厚度大且分布稳定的优质页岩气储集层发育区，也是页岩气勘探开发的最有利区；观音桥段缺失区为“甜点”层缺失的低效储集层分布区，即页岩气勘探风险区；观音桥段泥灰岩相区为“甜点”层相对较薄的复杂岩相分布区，储集层质量界于前两者之间。

5　结论

四川盆地及周边五峰组观音桥段具有如下特征和地质意义：观音桥段为赫南特期冰期形成的介壳层，地层分布总体受海平面变化和古地貌控制，与上下围岩接触关系区域变化大，在盆地内呈整合接触，在盆地外存在整合接触区和缺失区；观音桥段在盆地内坳陷区一般为深水硅质页岩相和钙质硅质页岩相，岩性与上下围岩基本相似，在盆地外主体为浅水泥灰岩相或缺失区，且在盆地外泥灰岩相区，岩性与围岩差异大；观音桥段岩相是判断五峰组—龙马溪组有效储集层质量优劣的重要标志，在硅质页岩和钙质硅质页岩分布区，观音桥段一般为富有机质页岩段的“甜点”，对形成优质储集层具有重要贡献，在泥灰岩相区，观音桥段是上下两套黑色页岩间的封隔层，也是有效储集层岩性复杂、厚度变薄的重要标志，在观音桥段缺失区，页岩储集层一般具有“甜点”缺失、有效厚度薄、有机质丰度低等特征，勘探风险较大；根据观音桥段的区域分布与岩相特征判断，川南—川东—川东北深坳陷区为优质页岩气储集层发育区，也是页岩气勘探开发最有利区，观音桥段缺失区因缺失优质储集层，为页岩气勘探风险区，观音桥段泥灰岩相区为优质储集层相对较薄的复杂岩相分布区，勘探前景界于前两者之间。

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（编辑黄昌武）

Guanyinqiao Member lithofacies of the Upper Ordovician Wufeng Formation around the Sichuan Basin and the significance to shale gas plays, SW China

WANG Yuman, DONG Dazhong, HUANG Jinliang, LI Xinjing, WANG Shufang
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

Abstract:The stratigraphic distribution and lithofacies features of the Guanyinqiao Member of the Upper Ordovician Wufeng Formation around the Sichuan Basin were studied based on the data of drilling, outcrops, rock minerals, geochemistry and logging. The stratigraphic distribution of the Guanyinqiao Member is generally dominated by sea-level variation. This formation is in conformable contact with the overlying and underlying formations inside and locally outside the basin and is locally lost outside the basin. The Guanyinqiao Member is usually composed of deep-water siliceous shale and calcareous and siliceous shale facies, similar to those overlying and underlying lithologies inside the basin; and composed of shallow marl facies or lost, greatly different from the surrounding lithologies in the conformable area outside the basin. The study confirmed that the lithofacies of the Guanyinqiao Member is of great significance to the identification of the reservoir properties of the Wufeng and Longmaxi formations shale gas and to the selection of shale gas. The exploration and development of shale gas is promising in the depressions in the south, east and northeast of the Sichuan Basin, where good reservoirs are developed. The zone where the Guanyinqiao Member is lost has no “sweet spot” formation and is risky in exploring shale gas. The reservoir quality and exploration prospect of the Guanyinqiao Member marl zones are between the two zones mentioned above.

Key words:Sichuan Basin; shale reservoir; Upper Ordovician Wufeng Formation; stratigraphic distribution; lithofacies feature; sedimentary environment; shale gas prospect area

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2013CB228001）；国家页岩气重大专项（2011ZX05018-001）

中图分类号：TE122.1

文献标识码：A

文章编号：1000-0747(2016)01-0042-09

DOI:10.11698/PED.2016.01.05

第一作者简介：王玉满(1968-)，男，湖北荆门人，博士，中国石油勘探开发研究院高级工程师，主要从事沉积储集层与非常规油气地质研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心，邮政编码：100083。E-mail：wangyuman@petrochina.com.cn

收稿日期：2014-12-15修回日期：2015-04-17