四川盆地及周缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩岩相划分

袁 桃，魏祥峰，张汉荣，李春燕，魏富彬，卢龙飞，王 强

(1.中国石化 勘探分公司，成都 610041；2.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

页岩岩相与有机质富集、形成环境密切相关[1-2]，对探索储集空间特征[3-5]、寻找有利目标具有十分重要的意义。随着页岩气的勘探开发逐步走向深层，页岩岩相的研究在页岩可压性评价和水平井压裂方案的优化中占有举足轻重的地位。但目前关于页岩岩相划分的标准并不统一，国内外专家及学者主要以沉积构造、岩石矿物组成、有机质特征、古生物特征为标准来进行页岩岩相划分[2,6-17]，也有学者利用地球物理测井响应特征进行岩相划分的尝试[18]。那么针对不同页岩储层存在较大差异这一特点，在统一的岩相划分标准中，选择哪个或哪几个特征参数作为划分标准，特征参数分界点取值多少作为划分判别依据，成为了岩相划分讨论和研究的关键内容之一。

本文从页岩品质和可压性的角度出发，通过总结对比前人各类岩相划分方案，结合五峰组—龙马溪组硅质与页岩品质在成因机制上的紧密关联性，以及硅质矿物和碳酸盐矿物对可压性的重要影响，开展四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组页岩硅质成因分析和岩相划分特征参数分界点取值研究，形成五峰组—龙马溪组页岩岩相综合划分方案，进而为探讨四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组页岩的优势岩相奠定基础，为寻找页岩气勘探“甜点”提供理论指导。

1 地质背景

五峰组—龙马溪组沉积早期，受多期构造作用影响，四川盆地形成了“三隆夹一坳”的古地理格局，晚奥陶世形成的广海海域转变为受古隆起围限的局限海，使得该时期广泛形成了缺氧、安静、欠补偿的深水陆棚相沉积环境(图1)，这为五峰组—龙马溪组富有机质页岩的形成奠定了有利的物质基础。该时期沉积的这套暗色富有机质泥页岩，具有高有机质丰度、高硅质矿物含量的特征，含有丰富的黄铁矿及笔石、放射虫等生物化石，页理较发育，笔石生物群常呈层状分布，是四川盆地及周缘页岩气勘探最重要层段之一。

2 页岩岩相划分方案对比

四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组的暗色富有机质泥页岩在宏观尺度上可以统称为页岩，但其岩相类型多样，TOC、矿物成分在纵、横向上存在一定的差异性。为进一步明确有利岩相类型，相关专家和学者对该套层系的岩相划分进行了诸多尝试，大多以岩石矿物组分为基础，按矿物组分三端元划分岩相，实现岩相的半定量化划分；然后根据不同研究需要，结合其他参考分类，进行两步法岩相综合划分，主要包括矿物组分+沉积构造岩相划分法、矿物组分+岩性分级岩相划分法和矿物组分+有机碳含量岩相划分法3大类划分方案。

2.1 矿物组分+有机碳含量岩相划分法

结合矿物组分和有机质含量来划分岩相类型，可以清晰地表现页岩品质的优劣，适用于非常规油气勘探工作，也是近年来在科学研究和实际应用中比较推崇的两步法岩相划分方案。该类划分法可以归纳为以下2种情况。

(1)有机碳含量+三端元结合划分法。吴明昊等[19]以有机碳含量2%和4%为标准，划分成低(≤2%)、中(2%～4%)、高(≥4%)3个级别；按石英、碳酸盐和黏土矿物三端元50%，划分出硅质页岩、泥质页岩、钙质页岩和混合型页岩4类；而混合型页岩按照突出优势矿物为原则，以含量30%进一步划分出高有机质硅质页岩、高有机质硅泥质混合型页岩、低有机质硅泥质混合型页岩等8种岩相。李卓等[20]根据有机质丰度，将页岩划分为富有机质页岩(≥2%)、含有机质页岩(1%～2%)和贫有机质页岩(≤1%)；根据矿物组成含量，将五峰组—龙马溪组页岩划分为黏土质页岩(黏土>40%)、钙质页岩(黏土≤40%，Ca/Si≥2)、混合质页岩(黏土<40%，0.5

图1 四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组沉积相

(2)有机碳含量+单端元结合划分法。马乔[22]以有机碳含量划分为4类：富碳(≥4%)、高碳(2%～4%)、中碳(1%～2%)和低碳(≤1%)；以硅质含量划分为3类：高硅(≥40%)、中硅(30%～40%)、低硅(≤30%)，共划分出12类岩相类型。

2.2 矿物组分+沉积构造岩相划分法

以矿物组分+沉积构造特征划分岩相，属于定性描述分类，相对较简单，适用于野外岩石、钻井岩心观察描述的岩相划分，对页岩形成的沉积构造环境研究也具有十分重要的意义。

冉波等[9]根据黏土和细粒碎屑物含量，将五峰组—龙马溪组划分为硅质岩、砂岩、碳酸盐岩、斑脱岩和页岩，并在总结了国内外页岩岩相划分方案的基础上，选择矿物成分及含量(石英含量)和沉积构造(纹层的发育情况)2个参数，对页岩岩相进行划分：(1)按石英含量分为4类：小于等于40%为贫硅，40%～60%为中硅，60%～80%为富硅，大于等于80%则归入硅质岩类；(2)按纹层发育情况，分为平行、不平行和不明显3类，将页岩岩相细分为9类：贫硅、中硅、富硅平行纹层页岩，贫硅、中硅、富硅不平行纹层页岩，贫硅、中硅、富硅不明显纹层页岩。

2.3 矿物组分+岩性分级岩相划分法

以矿物组分+岩性分级划分岩相，页岩以矿物组分10%、25%、50%、75%为分界的岩性分级划分岩相，从沉积学理论的角度分析研究，划分依据充分、系统化、精细化，比较适用于科学研究、寻找规律。

梁超等[6]根据五峰组—龙马溪组页岩矿物组分含量及特征，划分出5种岩石相：硅质页岩、钙质页岩、碳质页岩、粉砂质页岩和普通页岩，进而开展岩相特征的研究。王超等[23]运用岩矿三端元法和页岩岩性分级命名方法，将四川盆地涪陵地区五峰组—龙马溪组页岩按三端元划分出硅质类页岩、钙质类页岩、黏土类页岩和混合类页岩4大类，并以矿物组分含量10%、25%、50%、75%为界，划分为31种亚相。

2.4 本文五峰组—龙马溪组页岩岩相综合划分方案

四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组页岩的研究程度相对较高，该套层系页岩岩相的划分，既要考虑页岩品质的优劣，也要考虑工程可压裂性的评价；既要方便适用，又不能过于简单粗糙。用沉积构造来定性划分岩相，虽然能够揭示页岩内部结构特征，但不便于形成统一的划分标准；以矿物组分10%、25%、50%、75%为分界的岩性分级划分岩相，相对系统精细，但目前对于划分出的各类岩相之间的区别和实际意义并不清楚，不便于推广应用。总的来说，以有机质含量和矿物组分的二步法岩相划分是目前科学研究和实际应用行之有效的划分方案。在前人的岩相划分研究中，并未将五峰组—龙马溪组硅质成因与页岩品质的成因机制考虑在内，使得无法将高石英含量的粉砂质页岩(陆源硅质成因)和生物成因/生物化学成因的硅质页岩区分开，从而影响页岩本身品质优劣的评价。本文以JY1井为例，分析研究了硅质成因的判别和分类，以及纵向上的分布规律，为页岩岩相的综合划分奠定了基础。

2.4.1 硅质成因分析

通过岩心观察、光学显微—电子显微和氩离子抛光扫描电镜分析等表明，JY1井五峰组—龙马溪组上部页岩层段薄片中硅质呈碎屑状、杂乱分散分布(图2a)，主要为陆源碎屑成因；而底部优质页岩层段硅质含量普遍较高，大多数样品的石英含量高达50%以上，主要集中在50%～80%之间；黏土矿物和碳酸盐矿物含量明显较低，分别在20%和10%以下。页岩中含有大量的硅质生物碎屑，特别是笔石、放射虫和海绵骨针极为丰富(图2b-d)，其中放射虫呈明显的具有生物结构的微米级矿物团粒，紧密堆积排布或呈分散状，形成几十甚至上百微米的石英集合体；海绵骨针则呈杂乱式密集分布，主要以十字骨针和三轴六射骨针为主，以薄层的韵律形式反复出现。由此可见，底部优质页岩层段硅质主要以生物成因为主，元素地球化学判别指标也证实了该认识(图2e,f)。根据上述认识，本次岩相划分中，将硅质以陆源碎屑成因为主的页岩，统一命名为粉砂质页岩类；硅质以生物成因为主的页岩，按硅质页岩类岩相进行划分。

图2 四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组页岩储层特征

a.低碳低硅页岩，JY1井，龙马溪组，2 338.20 m，陆源硅质碎屑，杂乱分布，正交偏光；b.笔石页岩，JY1井，龙马溪组，2 395.00 m；c.硅质放射虫，JY1井，龙马溪组，2 411.00 m；d.硅质海绵骨针，十字型，龙马溪组，渝东南地区野外剖面

Fig.2 Shale reservoir characteristics of Wufeng-Longmaxi formations in Sichuan Basin and its periphery

2.4.2 五峰组—龙马溪组页岩岩相综合划分

基于实际应用的考虑，首先根据沉积学岩石大类划分和硅质岩类的定义[24]，分别以钙质含量大于50%、硅质含量大于75%(硅质岩定义为硅质含量一般大于70%，基于页岩岩相统一划分和实际应用的考虑，将以硅质含量75%为界来划分硅质岩类)、黏土含量大于50%为界，划分出泥灰岩、硅质岩、黏土岩3大类岩相(图3)和页岩混合岩相区(图3①～⑤)；其次，从页岩品质的角度，结合前人研究成果[19, 21-22]和五峰组—龙马溪组页岩气勘探实际研究需要，将混合岩相区以页岩气储量申报标准(DZ-T0254—2014)有机碳含量1%、2%、4%为界，形成低碳、中碳、高碳、富碳页岩等4种页岩岩相(图4)；再者，从页岩脆性的角度，结合五峰组—龙马溪组页岩硅质、钙质矿物组分含量特征，按沉积学分类，以矿物组分含量25%、50%为界，形成低硅中钙页岩、中硅中钙页岩、中硅低钙页岩、高硅中钙页岩和高硅低钙页岩5种页岩岩相(图3)。

图3 四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组页岩岩相无机分类划分方案

3 实例应用分析

根据上述综合划分方案，以JY1井为例，基于不同层段硅质成因分析，开展了岩相综合划分研究。

JY1井五峰组—龙马溪组①～⑨小层纵向上钙质含量较低，平均含量为9.9%，整体表现为低钙特征，基于此，以有机碳—矿物组分为基础，结合硅质成因分析，可以识别出富碳高硅页岩、高碳高硅页岩、高碳中硅页岩、中碳中硅粉砂质页岩、高碳低硅页岩、低碳低硅粉砂质页岩共6种岩相类型(图5，6)。

页岩品质纵向上总体表现出由好逐渐变差、变好、再变差的特征，其中页岩品质较好的高碳类页岩主要集中分布在①～⑤小层(优质页岩层段)，⑥～⑦小层为页岩品质中等的中碳类页岩，⑧小层为深水陆棚相高碳类页岩，⑨小层为浅水陆棚相低碳类页岩(图6)。硅质含量纵向上表现出由高到低的变化趋势，其中①～⑤和⑧小层页岩硅质主要以生物成因为主，⑥～⑦和⑨小层页岩硅质主要以陆源碎屑成因为主。

图4 四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组页岩岩相有机分类划分方案

图5 四川盆地及周缘JY1井五峰组—龙马溪组①～⑨小层页岩岩相特征

图6 四川盆地JY1井页岩岩相划分综合柱状图

4 结论

(1)形成了四川盆地及周缘五峰组—龙马溪组页岩以有机碳—矿物组分为基础、结合硅质成因分析的岩相综合划分方案。按沉积学和硅质岩类的定义，划分出泥灰岩、硅质岩、黏土岩3大类岩相和页岩混合岩相区；从页岩品质的角度，将页岩混合岩相区以有机碳含量1%、2%、4%为界，形成了低碳、中碳、高碳、富碳页岩等4种页岩岩相；从页岩脆性的角度，以矿物组分含量25%、50%为界，形成了低硅中钙页岩、中硅中钙页岩、中硅低钙页岩、高硅中钙页岩和高硅低钙页岩5种页岩岩相。

(2)JY1井五峰组—龙马溪组①～⑨小层识别出富碳高硅页岩、高碳高硅页岩、高碳中硅页岩、中碳中硅粉砂质页岩、高碳低硅页岩和低碳低硅粉砂质页岩共6种岩相类型。

(3)JY1井五峰组—龙马溪组页岩品质从底到顶纵向上总体表现出由好逐渐变差、变好、再变差的特征，其中页岩品质较好的高碳类页岩主要集中分布在①～⑤小层(优质页岩层段)；硅质含量纵向上表现出由高到低的变化趋势，其中①～⑤和⑧小层页岩硅质主要以生物成因为主，⑥～⑦和⑨小层页岩硅质主要以陆源碎屑成因为主。