川渝鄂地区龙马溪组页岩沉积环境及储集特征

邓 鑫， 康志宏,2， 陈阳阳， 彭媛媛， 肖海峰， 韩慧宇， 余旭东， 赵 晨

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083； 2. 国土资源部页岩气资源战略评价重点实验室，北京 100083； 3. 中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院,北京 100083； 4. 中国石油辽河油田公司 辽河工程技术处，辽宁 盘锦 124010 )

0 引言

2012年，在焦石坝地区钻探焦页1井，测试稳定产量为11.0×104m3/d，最高工业气流为20.3×104m3/d，发现涪陵页岩气田，使中国成为除北美以外的首个实现页岩气工业化生产的国家[1]。虽然川渝鄂地区页岩气经历多年的勘探和开发，但多期次复杂的构造运动导致沉降带和沉积中心受构造体系影响而发生剧烈迁移，泥页岩沉积体系和有利沉积相带的展布等缺少系统认识。

中国南方下古生界富有机质页岩以海相沉积为主，其中中上扬子及滇黔桂地区海相泥页岩分布面积大，厚度稳定，有机碳含量高，热演化程度高[2-4]。中国海相页岩气赋存地质条件与美国的相比既有相似性，也存在差异，不能照搬北美页岩气评价标准[5]。川渝鄂地区下志留统龙马溪组作为主要页岩气产层，根据“构造控盆、盆控相带、相控资源”的观点，对其沉积层序进行划分、对比，在野外剖面实测研究的基础上，康玉柱采用“单因素分析综合作图法”，对川渝鄂及周缘区域龙马溪期的岩相古地理进行研究[6],进一步明确龙马溪组优质页岩层段的沉积特征，厘清优质页岩展布、厚度及储层特性有助于扩大非常规天然气的勘探范围，为川渝鄂地区内“涪陵式”页岩气勘探开发提供参考。

大地构造位置控制页岩气藏，中国海相页岩发育于多期次叠合盆地。聂海宽等[7]总结海相页岩的特点，根据中国盆地特点制定页岩气藏评价指标。贾承造等[8]提出非常规油气地质学重要理论。随着南方中上扬子复杂构造地区评价井资料的获取，李博等[9]总结页岩气的核心评价指标。通过对Barnett页岩的研究，Loucks R G等[10]总结页岩气成藏的古海洋沉积环境模式图，认为页岩地层沉积在一个较封闭且水体较深的前陆盆地，底层静水有利于保存富有机质烃源岩，并伴随丰富的草莓状黄铁矿。笔者利用岩心、野外露头等资料，分析川渝鄂地区龙马溪组页岩沉积环境及储集特征，预测研究区域的勘探有利区带。

1 区域地质背景

研究区范围为四川盆地及其周缘和湘鄂西地区，其中主要行政区包括四川省、重庆市和湖北省西部，属于山地—丘陵地貌，海拔为300～2 000 m。研究区地跨三大构造单元，北以秦岭大别山断裂带为界，南至黔中隆起，西以龙门山断裂带为界，东至雪峰隆起区(见图1)。志留世是地史上加里东构造阶段地壳运动最为强烈的时期，古地理轮廓产生很大变革。志留系地层的沉积特征受构造运动影响，受控于多种类沉积环境和沉积条件，岩相古地理分布及其发育程度复杂多变[11-19]。

图1 研究区区域位置Fig.1 Regional location of study area

南方志留系地层研究较为深入，滇东北、贵州及川、湘部分地区的志留系名称较多，地层特征大体能够对比。底部的龙马溪组为跨系地层，为浅海碎屑岩相、笔石页岩相及碳酸盐岩相沉积。主要由含大量笔石的黑色页岩、硅质页岩夹不稳定灰岩透镜体组成，主要化石有Orthograptusvesiculosus,Glyptograptuspersculptus。

研究区志留系龙马溪组，与下伏上奥陶统五峰组地层呈整合或假整合接触，部分地区五峰组地层有尖灭，志留系底部页岩直接覆盖在奥陶系灰岩地层之上。龙马溪组为浅海细碎屑沉积物，富含笔石。该组页岩与砂岩混层在华蓥山一带砂泥质加重，厚度为229～299 m。綦江一带夹多层泥灰岩，厚度为161 m。长宁、兴文增厚至310 m。二郎山、雷波地区，龙马溪组为炭质页岩夹泥灰岩。二郎山西坡佛尔崖厚度为46 m，超覆于五峰组之上。二郎山东坡陈香崖厚度为148 m。马边、布拖厚度为153～157 m。雷波芭焦滩厚度为176～321 m，且逐渐过渡到整合接触。上覆石牛栏组为深灰色中厚层介屑灰岩，富含珊瑚、腕足、三叶虫及头足类化石，主要有三叶虫Songkanig、腕足类Pentamerus。

2 岩性特征

龙马溪组页岩岩性表现为以泥页岩为主、夹泥质粉砂岩、粉砂岩和碳酸盐岩。在不同层段和不同地区，各种岩石类型组合特征也存在差异，如焦石坝地区龙马溪组一段以连续发育的黑色炭质笔石页岩为主，厚度为89.5 m。龙马溪组二段为浊积砂夹粉砂质泥岩，厚度为34.0 m。龙马溪组三段含粉砂质泥岩，厚度为128.0 m[20]。龙马溪组页岩从下向上总体表现为水体逐渐变浅的沉积序列，岩性三分性特征明显。总体上，岩石类型较简单，但组合类型多样。根据各类岩石成分、结构、构造等特征，识别和分析多种岩石类型和沉积现象[21](见图2)。

(1)黑色页岩。主要为页理发育的深黑色页岩，单层厚度较薄。主要分布于鄂西—黔北一带。

(2)炭质页岩。主要为灰黑色炭质泥页岩，可见黑色炭质颗粒，粒径为2～5 mm，页理构造发育，污手。主要分布于利川—兴文一带。

(3)灰质页岩。主要为页理不发育灰黑色灰质页岩，单层厚度较薄，为2～10 cm，不易风化。在恩施长梁子剖面龙马溪组中上部可见。

(4)硅质页岩。主要为页理较发育的灰黑色硅质页岩，硅质质量分数约为35%，单层厚度薄，风化后常呈尖角状。主要分布于利川—桑植一带，在利川毛坝、桑植沙塔坪剖面龙马溪组底部可见。

图2 研究区龙马溪组页岩沉积特征Fig.2 The sedimentary characteristics of Longmaxi formation shale in study area

(5)含笔石页岩。主要为黑灰色、灰黑色薄板状页岩，生物种类单调，仅见蜉蝣类笔石化石遗迹，保存较好，质量分数约为20%。在利川彭家湾、鹤峰牛角尖剖面龙马溪组底部可见。

(6)粉砂质页岩。主要为深灰色薄层粉砂质页岩，风化覆盖较严重，粉砂质质量分数约为30%，风化后的颜色为黄灰色。主要分布于渝东南地区，在重庆石柱剖面龙马溪组中上部可见，向南延伸至贵州桐梓和习水一带。

3 沉积相类型及特征

研究区下志留统龙马溪组富有机质泥页岩出露情况较好，广泛分布于川东、鄂西及渝东地区。观察8条野外剖面(其中实测剖面5条)、焦页1井等5口井岩心，结合野外露头观察、测井响应特征和薄片鉴定，根据野外剖面沉积结构、构造、生物岩石类型分析，下志留统龙马溪组可识别深水陆棚相、浅海陆棚相和潮坪潟湖相。

(1)深水陆棚相。深水陆棚是碎屑岩陆棚靠近深海盆地一侧，主要为泥质沉积[22-25]。根据岩性岩相特征可识别泥质陆棚微相。岩性主要为黑色、黑灰色炭质、硅质泥页岩，代表水动力条件很弱的沉积环境，沉积微相是研究区主要的页岩气源岩发育相带。

(2)浅海陆棚相。浅海陆棚是碎屑岩陆棚靠近过渡带一侧，主要为砂泥质沉积，发育于水动力较弱的潮下带[22-25]。岩性主要为泥页岩和粉砂岩薄互层相间分布，发育水平纹层状，含丰富的底栖生物和遗迹化石，广泛发育生物扰动构造。

(3)潮坪潟湖相。潮坪潟湖相属于滨岸沉积体系中有障壁沉积类型，发育于平缓的海岸，呈带状分布[22-25]。碎屑岩潮坪潟湖相主要由细砂岩、粉砂岩、粉砂质页岩等组成。碳酸盐岩潮坪潟湖相岩性为膏溶角砾岩、泥灰岩及准同生白云岩等。

以湖南石门白云山奥陶系—志留系、湖北鹤峰县牛角尖奥陶系—志留系、贵州习水县骑龙村奥陶系—志留系、四川兴文县三新砖厂奥陶系—志留系、云南永善县胡家山奥陶系—志留系5条剖面为节点，建立东西向连井剖面进行志留纪区域沉积格架研究(见图3)。志留系沉积变化的控制因素主要为隆升运动引起的海退[26]。早志留世龙马溪期水体下降，中扬子地区普遍发育砂泥质潮坪相沉积，川渝鄂东部常德—鹤峰一带为浅海陆棚—潮坪潟湖相沉积，西部永善—雷波一带为浅海陆棚相，中部地区兴文—习水一带水体深度相对较大，深水陆棚相蜉蝣类生物繁盛，发育以笔石泥页岩为特征的深水陆棚相沉积。龙马溪组川渝鄂地区总体以发育黑色页岩相为特征的浅海局限盆地沉积。

4 页岩厚度分布及沉积环境

根据页岩厚度及展布范围可判断气藏边界，龙马溪组在常德、恩施、石柱、习水、兴文等地区发育，在川南—黔北、渝东—湘西地区沉积厚度较大，泥页岩厚度由南向北逐渐增大，平均厚度约为60 m，川东的厚度为40～60 m，川南的厚度为20～80 m，川西南的厚度为20～50 m，川中的厚度为25～100 m，川北的厚度为40～120 m(见图4)。

图3 研究区龙马溪组区域沉积格架Fig.3 Regional sedimentary framework of Longmaxi formation shale in study area

图4 研究区龙马溪组页岩厚度预测分布

富页岩气层段主要分布于龙马溪组下部，底部岩性为炭质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩及其互层[27]。冯增昭[28]采用单因素分析综合作图法，对川渝鄂及周缘区域龙马溪期的岩相古地理进行研究，见图5。

川渝鄂地区早志留世龙马溪组盆山格局受加里东阶段克拉通盆地构造运动控制，继晚奥陶世钱塘江期陆块挤压，褶皱造山，川中隆起、康滇古陆和黔中古陆隆升，扬子地区南缘的江南隆起、雪峰隆起相连而形成规模较大的滇黔桂隆起带。

龙马溪组进一步被古陆包围，中上扬子地区海域缩小，隆起周缘为陆架边缘海，主要滨岸—浅海陆棚相向中部过渡为深水陆棚[29]。在挤压背景和受全球缺氧事件控制下，广泛发育烃源岩。龙马溪期早期，川渝鄂区域上主要发育浅海陆棚和深水陆棚环境，小部分以浅灰色粉砂岩、砂岩沉积为主；大部分以深水陆棚深色泥页岩沉积为主。龙马溪期晚期，由于海平面继续相对下降，川东潮坪潟湖相范围扩大，川中深水陆棚相分布范围减少，整体以浅海陆棚相沉积为主，发育炭质页岩和粉砂岩。

图5 研究区龙马溪组沉积相Fig.5 Sedimentary facies map of Longmaxi formation shale in study area

5 储层特征

5.1 岩石

图6 龙马溪组粉砂质泥页岩矿物组成三角图Fig.6 Triangular diagram of mineral composition of silty shale of Longmaxi formation shale

龙马溪组岩石以石英矿物为主，其次为黏土矿物。如焦页1井志留系龙马溪组厚度为2 001～2 145 m，泥岩黏土矿物质量分数为8.83%～40.12%，石英质量分数为44.63%～77.86%，钾长石质量分数为1.28%～2.55%，斜长石质量分数为5.52%～25.45%，方解石质量分数为1.29%～3.59%，黄铁矿质量分数为0.84%～2.95%。碳酸盐岩矿物、黏土矿物，以及石英、长石、黄铁矿矿物的分布特征见图6。脆性矿物包括石英、钾长石、斜长石及碳酸盐岩矿物，质量分数为38.91%～67.70%，其中石英质量分数为50.00%左右，可压性强。页岩的主要黏土矿物为伊利石、绿泥石、蒙脱石和高岭石[30]。黏土矿物的种类及质量分数对天然气的吸附量有影响。当温度为30 ℃时，伊利石吸附CH4的能力最强，其次是蒙脱石的，伊利石和蒙脱石的吸附能力明显高于高岭石的。焦页1井龙马溪组页岩层段黏土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，质量分数为28.25%～56.80%，其次为绿泥石的，质量分数为0.78%～4.36%，伊利石质量分数普遍较高，有利于吸附气大量富集(见图7)。

5.2 孔渗

页岩气主要存在形式为吸附态和游离态，游离气含量与受岩石孔隙空间影响最大。页岩基质孔隙中赋存50%左右的页岩气[31]。孔隙性决定储存油气的能力，渗透性控制油气的产能。通过对川渝鄂地区野外露头剖面采集的75个样品试验测定，龙马溪组泥页岩孔隙度为0.47%～16.50%，平均为4.57%(见图8)；水平渗透率为(0.004～0.917)×10-3μm2(见图9)，垂直渗透率介于(0.000 2～0.024 0)×10-3μm2，平均为0.032 3×10-3μm2，垂直渗透率远低于水平渗透率。龙马溪组孔隙度和渗透率相对于下古生界其他页岩气组段的较小，主要是由黏土矿物质量分数高、脆性矿物质量分数相对较小决定的。

图7 焦页1井龙马溪组页岩层段岩矿特征柱状图

图8 龙马溪组泥页岩孔隙度分布Fig.8 Porosity distribution histogram of Longmaxi formation shale

图9 龙马溪组泥页岩渗透率分布Fig.9 Permeability distribution histogram of Longmaxi formation shale

5.3 储集空间

川渝鄂地区页岩段的储集空间类型主要包括微孔隙和微裂缝，其中孔隙包括有机质孔隙和无机质孔隙，有机质孔隙分布于成熟—高成熟有机质(见图10)。由于下志留统龙马溪组页岩有机质成熟度一般在

图10 龙马溪组黑色页岩微观孔隙结构Fig.10 Microscopic pore structure of Longmaxi formation black shale

2%～4%之间，各层位均达到过成熟干气阶段[32]。有机质孔较为发育，决定陆棚相黑色页岩含气量的高低。无机质孔隙包括黏土矿物晶间孔、粒间溶孔、粒内溶孔。裂缝主要包括成岩裂缝、构造裂缝和构造—成岩裂缝。龙马溪组经历加里东、海西、印支、燕山及喜山期等构造运动改造，储集层类型丰富，裂缝非常发育[33]。页岩中，裂缝根据成因不同可分为构造裂缝和成岩裂缝，裂缝有利于形成高孔渗有利流体疏导通道，对页岩气汇聚成藏有积极作用。

6 结论

(1)根据露头、测井等资料，分析川渝鄂地区龙马溪组页岩层段沉积相，确定研究区下志留统龙马溪组总体为古隆起围限的浅海、深水沉积的古地理格局。东西为水体较浅的潮坪潟湖相—浅海陆棚相，盆地中部为相对深水环境的陆棚相。

(2)龙马溪组页岩段黏土矿物质量分数分布在18.80%～30.19%之间，平均为26.50%。黏土矿物成分中，伊利石质量分数为20.70%～42.50%，泥页岩孔隙度为0.47%～16.50%，平均为4.57%；渗透率为(0.004～0.917)×10-3μm2。页岩储集空间主要包括微孔隙和微裂缝2种类型。有机质孔最为发育，与含气量呈正相关关系。

(3)川渝鄂地区龙马溪组黑色页岩以泥页岩为主、夹泥质粉砂岩、粉砂岩和碳酸盐岩。沉积相带控制页岩发育，龙马溪组主体发育以陆棚相沉积为主的泥页岩。优质页岩主要分布于龙马溪组底部，泥页岩平面展布由北西向南东方向逐渐增厚，以习水—桐梓和秀山—酉阳一带为沉降中心，厚度为60～120 m。该位置为研究区龙马溪组的勘探有利区带。

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