四川盆地焦石坝地区五峰—龙马溪组页岩元素地球化学特征及对页岩气开发的意义

甘玉青，王 超，方栋梁，杨兰芳，周新科，张 萍

(中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，武汉 430223)

页岩气是一种典型的非常规天然气藏，作为一种新型的绿色能源已引起国内外的广泛关注。近年来，随着我国页岩气勘探开发的异军突起，特别是四川盆地涪陵页岩气田的商业开发，越来越多的学者将元素地球化学应用到页岩的沉积环境判别、物源分析及页岩气富集机制探讨上。元素地球化学不仅可以有效用来解释黑色页岩沉积时期的氧化还原环境，表征古生产力状况，分析有机质的富集机制，而且可以为页岩气勘探开发提供重要的参考和有效的指导[1-2]。本文通过系统的主、微量元素地球化学分析，结合 TOC 含量的变化特征，对焦石坝地区五峰组—龙马溪组下部页岩形成时的氧化还原条件和古生产力进行了阐述，并在此基础上，探讨了焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩有机质富集的主控因素。另外，鉴于国外生物成因硅质页岩重要的油气地质意义，此次还开展了含气页岩的硅质成因分析及地球化学元素在可压性、含气性方面的指示性研究，以期为类似区域内页岩有机质的富集和页岩气开发甜点区的预测与评价提供有利依据。

1 区域地质背景

焦石坝地区构造上隶属于川东高陡褶皱带，西侧以华蓥山深大断裂为界，东侧以齐西深大断裂为界，北侧与秦岭褶皱带相接[3]。焦石坝构造主体表现为受大耳山断裂控制的宽缓断背斜构造，呈北东向展布。在上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组沉积期，研究区沉积了大套的深灰色、灰黑色泥岩、碳质泥岩夹薄层的泥质粉砂岩，属于深海陆棚相。该套含气页岩在区域上分布较稳定，厚度一般在60～100 m，为涪陵页岩气田开发的主要目的层段，自下而上可划分为9个小层，岩性上具有明显的三分性。依据页岩岩相、总有机碳含量和含气性等纵向变化，将五峰组—龙马溪组下部含气页岩自下而上划分为两段：优质气层段(①～⑤小层)和含气页岩段(⑥～⑨小层)。其中，下部优质气层段厚度一般为40 m左右，岩性以高/中碳黏土质粉砂/硅质页岩为主，笔石、放射虫和藻类发育，TOC含量一般大于2.5%；上部含气页岩段为厚45～60 m的中/低碳黏土质粉砂页岩/粉砂质黏土页岩相，TOC含量一般小于2%。

2 样品采集与分析方法

本次主要对焦石坝地区JYA、JYD两口取心井85块页岩样品的主、微量元素进行测定分析，研究其元素含量和比值变化特征。主、微量元素的测试主要在核工业北京地质研究院实验室完成。其中，主量元素采用AL104、PW2404X射线荧光光谱仪测试，实验温度为20 ℃，相对湿度为29%。测试流程参见GB/T 14506.14-2010和GB/T14506.28-2010。微量元素采用PerkinElmer和Elan DCR Ge型等离子体质谱分析仪测定，测试方法和依据参见GB/T14506.30-2010，实验温度为20 ℃，相对湿度为30%。有机碳含量(TOC) 分析由江汉油田勘探开发研究院采用CS844碳硫测定仪完成，测试依据参见GB/T 19145-2003。

3 元素地球化学特征

3.1 主量元素

对页岩样品进行主量元素分析，部分元素的测试结果见表1。焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩的主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，3种成分总含量介于73.41%～86.05%之间，平均为80.89%。其中，SiO2的 含 量 最 高(54.67%～77.25%),其次为 Al2O3(6.02%～18.89%)，Fe2O3的含量介于2.60%～8.18%之间；K2O、FeO、MgO、CaO和 Na2O的含量分别为1.58%～5.19%，1.04%～4.91%，0.97%～3.77%，0.22%～7.72%，0.58%～1.86%；TiO2、P2O5和MnO的含量都在1%以下。和世界页岩平均值(WEDEPOHL[4]，下同)相比，优质气层段表现为明显的SiO2和CaO富集，Al2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、FeO和TiO2相对亏损，P2O5含量相当。

从主量元素纵向分布特征来看(图1)，五峰组主量元素变化较大，龙马溪组Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O 和TiO2含量自下而上整体上呈缓慢增加趋势，P2O5分布较稳定。主量元素含量在下部优质气层段、上部含气页岩段存在较大差异。优质气层段的SiO2和CaO的含量高于含气页岩段，而Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、K2O 和TiO2的含量却低于含气页岩段，P2O5在优质气层段和含气页岩段差异不大，基本保持稳定。

3.2 微量元素

沉积物中的微量元素仅有自生来源部分才能准确判定古沉积环境特征，为了扣除陆源成分对自生微量元素的影响，常用的方法是利用来源于陆源且在成岩过程中稳定的Al元素标准化样品中微量元素的含量[5]。焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩样品部分微量元素分析及计算结果见表2。图2为利用世界页岩平均值对微量元素进行标准化后的曲线。和世界页岩平均值相比，研究区五峰组—龙马溪组页岩Mo、Ba、Cr、V、Ni、Th和U在整个剖面总体上表现出明显的富集，含量分别为3.62～130/24.08，1 101～3 062/2 010.64，56～193/120.66，65.3～645/200.62，52.1～197/97.09，8.73～30.4/19.07，3.91～54.2/10.36 μg/g(最小值～最大值/平均值)。Sr整体上表现为亏损，含量为56.2～254/126.98 μg/g。在优质气层段，Mo、V、Ni和U的富集程度较高，远远高于世界页岩平均值，尤其是在底部。而在含气页岩段，Rb、Ba和Th的富集程度较高，和下部优质气层段相比，含量明显增加。

表1 四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩主量元素分析及计算结果

图1 四川盆地焦石坝地区JYA井五峰组—龙马溪组页岩主量元素纵向变化特征

井名样品号层位w(TOC)/%测试结果/(μg·g-1)MoVCrCoNiScThUBa计算结果V/CrNi/CoV/ScU/ThV/(V+Ni)Ba(xs)/(μg·g-1)JYAJYDJYA-4-11⑨0．668．41193118．022．377．124．3025．106．5626371．643．467．940．260．712118．90JYA-4-49⑧1．7020．50392140．014．493．316．3021．506．7225902．806．4824．050．310．812130．16JYA-4-102⑦1．6710．70158102．020．768．214．2017．906．9722311．553．2911．130．390．701669．34JYA-4-126⑥1．579．03111109．019．859．816．4022．106．7321451．023．026．770．300．651586．65JYA-4-158⑤2．8017．3020395．220．485．113．9017．508．8623012．134．1714．600．510．701764．74JYA-4-196④2．5629．60271145．014．8112．010．6016．009．5917841．877．5725．570．600．711103．48JYA-4-219③3．8556．60180135．016．5128．08．9613．5017．9016901．337．7620．091．330．58972．96JYA-4-238②5．65123．0041079．512．6173．08．6812．9054．2016435．1613．7347．244．200．701064．91JYA-4-247①3．8565．30250137．012．9151．06．738．7319．4011011．8211．7137．152．220．62416．06JYD-5-68⑨0．636．32175119．019．368．118．3021．406．1319221．473．539．560．290．721249．68JYD-5-181⑧2．3220．70124117．019．6102．014．9020．909．9016941．065．208．320．470．551029．22JYD-5-247⑦1．3611．00103102．019．577．711．8016．005．9115011．013．988．730．370．57792．00JYD-5-277⑥1．4116．10104169．017．596．212．9017．806．0815550．625．508．060．340．52479．44JYD-5-323⑤2．2720．80176153．021．3100．014．6018．807．8616931．154．6912．050．420．64611．31JYD-5-379④2．8128．50285134．022．2125．015．2020．8011．5017742．135．6318．750．550．70688．60JYD-5-463③3．9055．00261131．016．7144．010．4013．8016．4014441．998．6225．101．190．64684．48JYD-5-494②4．35130．0064579．612．7184．010．6014．7037．9014498．1014．4960．852．580．78884．33JYD-5-529①3．0614．90131128．018．174．212．1020．204．7015911．024．1010．830．230．64974．20

图2 四川盆地焦石坝地区JYA井五峰组—龙马溪组页岩微量元素Al标准化值

从微量元素Al标准化曲线和TOC曲线纵向分布特征来看(图2)，Mo/Al、U/Al、V/Al和Ni/Al的比值与TOC的变化趋势相一致，都表现为自上而下增大的特点，说明以上微量元素的富集和有机质的富集存在一致性。但是，Ba/Al、Th/Al和Rb/Al的比值与TOC存在相反的对应关系。

4 元素地球化学对页岩气开发的意义

4.1 有机质富集

4.1.1 氧化还原条件

氧化还原敏感元素如U、V、Mo、Ni、U、Th及其比值可作为判断古海洋水体氧化还原环境的良好指标[6]。WINGNALL[7]利用V/(V+Ni)比值反映沉积环境的氧化—还原性，比值小于0.46为氧化环境，0.46～0.57为弱氧化环境，0.57～0.83为缺氧环境，0.83～1为静海环境。焦石坝地区五峰组页岩样品V/(V+Ni)值为0.62～0.75，平均为0.69，指示缺氧环境；龙马溪组页岩样品V/(V+Ni)值为0.52～0.81，平均为0.66，整体指示弱氧化—缺氧环境。JONES等[8]提出Ni/Co值大于7.00时指示还原环境，5.00～7.00时指示缺氧环境，小于5.00时指示氧化环境。研究区五峰组页岩Ni/Co值为4.10～12.47，平均为8.34，指示还原环境；龙马溪组页岩Ni/Co平均值为5.27，指示以缺氧环境为主；下部②～⑤小层的氧化程度(Ni/Co平均值为6.92)明显强于上部含气页岩段((Ni/Co平均值为4.29)。一般V/Cr<2指示含氧环境，2～4.25指示贫氧环境，大于4.25指示次氧至缺氧环境[8]。焦石坝地区五峰组页岩样品V/Cr变化范围较大，介于1.02～4.30之间，平均值为2.48，表明氧化还原环境变化较大；龙马溪组下部②～⑤小层V/Cr平均值为2.07，表现为贫氧环境；含气页岩段V/Cr值在0.49～3.18，指示往上过渡为含氧环境。KIMURA等[9]发现海洋的缺氧可造成V/Sc值增大，可以反映氧化还原条件。V/Sc<9.1为含氧环境，V/Sc>9.1为缺氧—贫氧环境。研究区五峰组页岩V/Sc值在10.83～63.99之间，平均值为33.57，表现为明显的缺氧—贫氧环境；龙马溪组下部②～⑤小层V/Sc值介于10.83～60.85之间，平均值为21.02，指示缺氧—贫氧环境，上部含气页岩段V/Sc值在5.06～24.05之间，指示含氧量增加。U/Th值也可作为氧化还原指标，当U/Th>1.25时表示缺氧环境，U/Th<0.75时表示含氧环境，在0.75～1.25之间时表示贫氧环境[8]。焦石坝地区五峰组页岩的U/Th值也变化较大，范围在0.23～2.22，最大值位于五峰组顶部，指示五峰组底部往上还原性逐渐增强，至五峰组顶部还原性最强。龙马溪组页岩的U/Th值整体表现为自下而上逐渐减小的趋势，底部②、③小层U/Th值均大于0.75，范围在0.85～4.20，显示贫氧、缺氧的沉积环境，④小层往上U/Th值均小于0.75，指示含氧环境。Mo可作为确定缺氧环境的重要指标[10]，Mo含量高指示持续缺氧环境。研究区五峰组—龙马溪组Mo元素富集，五峰组页岩样品Mo/Al值变化范围大，介于1.17～20.77之间，平均值8.17。龙马溪组页岩样品Mo/Al平均值在3.45，自下而上呈明显的递增趋势，指示底部为缺氧环境，往上含氧量增加。

综上所述，焦石坝地区五峰组沉积时期，以缺氧—贫氧环境为主，但各氧化还原指标变化较大，说明该时期氧化还原条件发生较大变化。龙马溪组沉积时期底部还原性最强，下部TOC大于2.5%的优质气层段的②～⑤小层形成于缺氧环境，上部TOC小于2%的含气页岩段主要形成于含氧环境。微量元素中的V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co等指标相互吻合，对五峰组—龙马溪组的氧化/还原环境有较好的指示作用(图3)。但V/(V+Ni)变化趋势不明显，龙马溪组所有样品都指示弱氧化—缺氧环境。说明在判定氧化还原环境的时候，由于各个氧化还原敏感元素指标的可靠性不同，建议结合地质背景采用一套微量元素指标进行综合分析，探讨氧化还原指标与沉积环境的关系。

4.1.2 古生产力

古生产力是指地质历史时期古海洋生物单位面积、单位时间内所产生的有机物的量[11]，是沉积有机质形成的物质来源。表层水初始生产力的变化被认为是影响有机质富集的关键因素[12]。

图3 四川盆地焦石坝地区JYA井五峰组—龙马溪组页岩地球化学指标纵向变化特征分布

Ba(钡)元素主要是以稳定的 BaSO4(重晶石)形式存在，而BaSO4的沉积速率与表层水的初始生产力密切相关，因此被广泛用来反映古生产力状况[12]。利用Ba元素来表征古生产力必须扣除陆源成分，本文采用测定的Ba总量与估算的陆源碎屑Ba的差值来计算生物成因Ba总量[14]。公式如下：

w(Ba(xs))=w(Ba样品)-w(Ti样品)×
[w(Ba(PAAS))/w(Ti(PAAS))]

式中：w(Ba(xs))代表生物成因钡的含量；w(Ba(PAAS))/w(Ti(PAAS))=0.11，w(Ti样品)×[w(Ba(PAAS))/w(Ti(PAAS))] 代表陆源碎屑Ba的含量。

通常认为，Ba(xs)含量介于1 000～5 000 μg/g时，沉积环境具有高等生产力；介于200～1 000 μg/g时，沉积环境具有中等古生产力[15]。焦石坝地区五峰组和龙马溪组页岩的Ba(xs)含量变化较大。五峰组的 Ba(xs)含量在416.06～1 969.23 μg/g，平均值为1 119.83 μg/g。龙马溪组的 Ba(xs)含量在459.03～2 552.53 μg/g，平均值为1 361.86 μg/g。五峰组—龙马溪组下部优质气层段和上部含气页岩段Ba(xs)含量平均值分别为981.76 μg/g和1 571.21 μg/g。从Ba(xs)含量的纵向分布特征来看(图3)，上部含气页岩段的生产力水平明显高于下部优质气层段，推测在贫氧—厌氧环境下，下部优质气层段曾发生BaSO4的溶解，导致生物钡的部分损失。因此，只有形成于正常含氧环境的上部含气页岩段的Ba(xs)才能准确地反映古生产力状况。根据含气页岩段1 571.21 μg/g的Ba(xs)均值判定，五峰—龙马溪组下部沉积期整体处于高生产力。

除Ba元素以外，P元素也是重要的浮游生物营养元素之一，可作为指示古海洋生产力的良好指标[16]。用P元素评价古生产力状况时，会受到海水氧化还原条件以及Fe化合物对其吸附性能的影响[17]。氧化条件有利于P元素在沉积物中保留下来，还原环境和水体中较低的Fe浓度则不利于P元素的沉淀和在沉积物中的保存，造成在高生产力背景下水体还原性较强的地区，沉积物中的P元素不一定表现为高值[15,18]。焦石坝地区五峰组页岩的P元素含量在353.47～427.65 μg/g，平均值为 392.74μg/g；龙马溪组页岩样品的P元素含量普遍高于五峰组，介于397.11～720.03 μg/g之间，平均为529.91 μg/g。下部优质气层段P元素平均值为518.27 μg/g，略低于上部含气页岩段(平均值为526.91 μg/g)，反映出五峰组和龙马溪组底部沉积时期，水体的强还原性在一定程度上促进了P元素在下部优质气层段的释放。

由图4可以看出，五峰组—龙马溪组下部优质气层段TOC含量(平均值3.07%)普遍高于上部含气页岩段(平均值1.29%)，古生产力指标Ba(xs)表现为与 TOC 含量随深度的变化相反的趋势，上部含气页岩段的Ba(xs)含量反而高于下部优质气层段。而另一个古生产力指标P元素与有机碳含量之间的关系不密切，在上部含气页岩段和下部优质气层段变化不大。

4.1.3 有机碳、氧化还原条件与古生产力

TOC、古生产力和氧化还原条件的关系图(图4)表明，焦石坝地区五峰组—龙马溪组含气页岩段TOC和Mo/Al、U/Th值之间相关性好，优质气层段TOC和Mo/Al、U/Th、Ni/Co、V/Sc呈正相关，研究区页岩有机质富集的主控因素是古氧化还原条件。分析认为，含气页岩段和优质气层段虽然都形成于高等古生产力背景下，但与有机质富集没有明显的正相关关系，在水体还原性较强的下部优质气层段，沉积物中的Ba(xs)和P元素并没有表现为明显的高值，推测可能是由于优质气层段发生过营养元素的溶解作用造成的。

总体来看，五峰组沉积时期，发育广泛的海侵，海平面不断上升，水体较深，沉积物主体为灰黑色碳质硅质页岩，研究区及周缘表现为深水陆棚沉积环境。V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co比值迅速增加，至五峰组顶部达到最大，表现为滞流强还原环境，有机碳含量高。龙马溪组沉积时期，V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co值均表现为自下而上逐渐减小的趋势，指示研究区龙马溪组页岩底部还原性最强，且整体表现为自下而上还原性逐渐减弱的特点：②～⑤小层是整个龙马溪组沉积水体最深的时期，②～③小层沉积时期海平面不断上升，海洋环境持续缺氧，陆源输入影响极少，发育大量笔石，放射虫繁盛等生物沉积作用，共同导致了该时期形成大套富含有机质的碳质页岩和硅质页岩，同时该时期区域火山活动依然频繁，导致火山灰加入该时期的沉积，从而使得该时期沉积物种夹杂有凝灰岩层；④～⑧小层沉积时期，海平面开始下降，较弱还原环境及底流作用共同导致该时期页岩中陆源碎屑物质增多，岩性上表现为页岩、粉砂岩韵律互层沉积为主，页岩中有机碳、硅质含量开始降低；⑥～⑦小层相对②～⑤小层沉积早期，沉积水体略浅，沉积物中含氧量增加，有机碳含量降低；⑧小层的有机碳相对⑥～⑦小层呈增加的趋势，指示沉积环境由之前较强的缺氧环境转变为弱氧化—还原环境；⑨小层沉积时期，海平面进一步下降，陆源碎屑物质输入充足，造成对有机质的破坏，沉积了一套低有机碳、低硅质的粉砂质黏土页岩，V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co值表现为明显的往上减小趋势，指示底层沉积环境演变为氧化—弱还原，页岩中有机碳含量最低，水体还原性差，有机质难以保存。

4.2 可压性指示

图4 四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组TOC、古生产力和氧化还原条件的关系

一般认为，石英或硅质含量越高, 页岩脆性越大，越有利于天然裂缝形成和后期压裂改造，是国外一些页岩气田高产的关键原因[19-20]。美国密歇根盆地Antrim页岩两套主力产层(Norwood段和Lachine段)为海相生物成因硅质页岩，发育大量高角度裂缝，储层脆性好。BOWKER[21]分析认为，美国Barnett页岩岩性主要为黑色硅质页岩、灰岩及少量白云岩，岩石中的硅质来源于以隐晶质SiO2形式存在的放射虫介壳的溶解和沉淀。O’BRIEN和SLATT研究认为，美国俄克拉荷马州Woodford页岩石英含量高达63%，硅质成因的富含放射虫的燧石层广泛发育，有利于形成天然裂缝，易于压裂改造。以上研究表明，生物成因的硅质页岩一般富含有机质，有机质孔隙和天然裂缝发育，对后期人工压裂具有重要意义。刘江涛等[22]分析认为焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩硅质成分属于生物成因。

4.2.1 页岩生物成因证据

TAYLOR等[23]对陆壳中Si和Al元素的研究发现，以陆源为主的SiO2/Al2O3值约为3.6，当SiO2/Al2O3值超过3.6且值较高时，表明主要受到热水或生物活动影响。焦石坝地区五峰组—龙马溪组含气页岩的该项比值在2.71～12.83，平均为4.72，指示页岩为热水或生物成因。

海相沉积物中Al/(Al+Fe+Mn)值是判断硅质成因的重要指标，纯生物成因的比值约为0.6，而纯热水成因的比值接近0.01，受热水作用影响后其值则小于0.35[24-25]。研究区五峰组—龙马溪组页岩样品Al/(Al+Fe+Mn)值在0.37～0.65之间，平均为0.55，与纯生物成因硅的比值较接近。在Al-Fe-Mn三角图上，绝大部分样品位于非热水成因区(图5),指示研究区含气页岩中的硅质成分主要为生物成因。

图5 四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩Al-Fe-Mn三端元图

YAMAMOTO[25]分析认为热水活动会导致Fe、Mn元素富集；ADACHI[26]指出Fe2O3富集是热水成因硅质岩的重要特征。而焦石坝地区五峰组—龙马溪组黑色页岩中的Fe2O3含量不高，介于2.6%～8.18%之间，平均值为5.19%，MnO含量低，平均值仅为 0.03%，不具备典型的热水成因特点。

Mo和V元素是生物活动性元素，其高度富集说明页岩中硅质的形成与生物活动有关[27]。研究区五峰组—龙马溪组页岩样品显示Mo含量平均值为24.08 μg/g，普遍高于世界页岩平均值2.6 μg/g，是世界页岩丰度的9.26倍。V含量也表现出普遍高于世界页岩平均值130 μg/g，是世界页岩丰度的1.54倍，平均值为200.62 μg/g。表明五峰组—龙马溪组含气页岩的形成经历过很强的生物作用，并且在五峰组—龙马溪组底部表现为Mo、V异常高值，龙马溪组自下而上Mo、V丰度逐渐变小，指示生物活动性逐渐减弱。

海相页岩中生物来源的硅质通常与TOC含量呈较好的正相关。图6显示焦石坝地区优质气层段有机碳含量与SiO2呈正相关，这表明焦石坝地区页岩样品中的硅质至少部分为生物来源。结合岩心上优质气层段有机碳含量高，以笔石、放射虫为代表的生物化石数量较多，认为优质气层段的高硅质含量与生物活动有关，笔石、放射虫等生物活动比较强烈导致生物硅含量增加。

4.2.2 有利于裂缝形成和后期压裂改造

WRIGHT等[28]指出，在页岩气藏中，主量元素含量与页岩中的矿物组分密切相关，可以作为矿物学研究的重要参考，其中，SiO2、Al2O3和CaO+MgO等氧化物的含量基本可以与硅质(或石英)、黏土矿物和碳酸盐三种矿物组分相对应。主量元素分析结果表明，焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩化学成分以SiO2为主，含量在54.67%～77.25%之间；优质气层段的SiO2含量介于57.56%～77.25%之间，平均为64.74%，高于世界页岩平均值(58.9%)，和北美页岩相当(64.8%)。含气页岩段的SiO2含量介于54.67%～65.82%之间，平均为59.54%，也高于世界页岩平均值。

图6 四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组TOC与SiO2的关系

可压性评价是页岩气开发中关键的评价参数，国外学者通常利用页岩的脆性矿物含量或岩石力学参数(杨氏模量、泊松比参数)来表征可压性[29]。全岩和黏土X衍射实验结果显示，焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩中脆性矿物主要以石英为主，脆性矿物含量高，平均值为62.34%，且自下而上呈现逐渐减小趋势。优质气层段实测脆性矿物含量48.70%～84.40%，平均值为63.91%，页岩具备良好的可压性。脆性指数也常被用来是考量地层的可压性，研究区五峰组—龙马溪组页岩储层脆性指数自下而上逐渐减小，具有明显的三分性特征，优质气层段脆性指数平均值均在60%以上，为有利的可压层段。

从图7来看，焦石坝地区五峰组—龙马溪组下部优质气层段有机质和硅质含量高，脆性指数较高，杨氏模量较高，泊松比较低，储层可压性较好。五峰组—龙马溪组沉积早期，研究区主体为深水陆棚沉积环境，火山活动导致的海底上升洋流使得海水富含硅质和各类营养物质，对硅质、有机质的富集十分有利，造成了优质气层段高有机质丰度、高硅质含量的典型特征。高有机质丰度为优质气层段页岩气的富集高产奠定了坚实的物质基础；高硅质含量则指示脆性大，容易形成天然裂缝，并有利于后期页岩储层压裂改造，两者正相关的耦合关系有效保障了页岩气井的高产、稳产。

图7 四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩可压性特征(以JYA井为例)

4.3 含气性分析

页岩的含气性受到多种因素的影响，其中有机碳含量、储集条件及保存条件是焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩气富集的主控因素。本次研究通过对比分析焦石坝地区不同页岩层段在含气量和含气饱和度方面的变化特征，结合地化元素比值，初步探讨了地球化学元素比值与页岩气含气性之间的关系。

从目前焦石坝地区已钻的几口导眼井气测异常显示情况来看，目的层均钻遇较好的气测异常显示，优质气层段气测异常显示活跃，具备整体含气的特征，自上而下气测值逐渐增加。岩心现场解析法含气量测试、含气量测井解释和含气饱和度测试结果显示(表3)，JYA、JYD井五峰组—龙马溪组页岩自上而下含气性逐渐变好，纵向上可划分为三段：①～⑤小层实测总含气量平均值为3.60 m3/t和3.34 m3/t(测井解释含气量5.58 m3/t和5.03 m3/t)，实测含气饱和度平均值为65.39%和68.18%，为高含气层段；⑥～⑧小层实测总含气量平均值为2.00 m3/t和1.81 m3/t(测井解释含气量3.96 m3/t和3.42 m3/t)，实测含气饱和度平均值为45.61%和56.91%，为中等含气层段；⑨小层实测含气量平均值为1.07 m3/t和0.66 m3/t(测井解释含气量2.95 m3/t和2.33 m3/t)，实测含气饱和度平均值为33.37%和50.49%，为低含气层段。含气页岩段的实测、测井解释总含气量和实测含气饱和度低于优质气层段，且自上而下气测值、含气量和含气饱和度值逐渐增加。

通过纵向上对比各小层含气量以及地球化学元素比值数据可以看出(表3)，五峰组—龙马溪组页岩样品的元素地球化学比值在优质气层段与含气页岩段差异明显，优质气层段的元素比值明显高于含气页岩段。另外，分析认为V/Cr、Ni/Co、V/Sc和U/Th等元素比值与含气量具备不典型的三分性特征：①～⑤小层高含气段元素比值普遍较高，但五峰组上、下段存在较大差异；⑥～⑧小层中含气段元素比值较低；⑨小层低含气段元素比值相对最低，局部存在高值。综上分析认为，五峰组—龙马溪组页岩地球化学元素比值与含气性之间存在一定的相关性。

5 结论

(1)焦石坝地区五峰组—龙马溪组优质气层段的SiO2和CaO含量较高，而Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、K2O 和TiO2含量相对较低；微量元素Mo、Ba、Cr、V、Ni、Th和U在优质气层段表现出明显的富集，TOC与Mo/Al、U/Al、V/Al和Ni/Al的比值在剖面上都表现为自上而下增大的趋势，说明以上氧化还原敏感微量元素的富集和有机质的富集存在一致性；另外，由于优质气层段存在营养元素的溶解，Ba/Al在剖面上表现为与TOC相反的趋势，P与TOC在剖面上不存在对应关系。

(2)根据V/Cr、V/Sc、U/Th和Ni/Co等微量元素氧化还原指标判别，焦石坝地区五峰组(①小层)主要形成于缺氧—贫氧环境，氧化还原条件变化较大。龙马溪组沉积时期底部还原性最强，下部优质气层段的②～⑤小层以缺氧环境为主，上部含气页岩段则以含氧环境为主。

表3 四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组各小层页岩含气量、含气饱和度与元素地球化学统计

(3)生物成因钡[Ba(xs)]含量指示研究区五峰组—龙马溪组页岩沉积时期具有高等生产力背景。TOC在优质气层段与Mo/Al、U/Th、Ni/Co、V/Sc值呈正相关，在含气页岩段与Mo/Al、U/Th值相关性好；但TOC与古生产力指标Ba(xs)、P相关性不好，显示研究区五峰组—龙马溪组页岩中有机质的富集主要受控于水体的氧化还原条件。

(4)焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩的沉积环境为深水陆棚相，优质气层段页岩中的有机碳与硅质含量呈正相关，高含量的硅质成分有利于页岩中天然裂缝的形成和后期人工压裂改造，是目前涪陵页岩气田开发的主力层系，可为国内类似区块高成熟海相页岩气的开发提供借鉴和指导，其分布层段可成为页岩气开发的优选目标层位。

(5)五峰组—龙马溪组页岩含气性具有典型的三段性特征，且自上至下含气性呈增加趋势。五峰组—龙马溪组页岩含气性与地化元素比值之间具有一定的相关性，优质气层段的地化元素比值明显高于含气页岩段，可以为页岩气“甜点区”的预测与评价提供地球化学方面的依据。

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