滇黔北麟凤地区Y井五峰组-龙马溪组页岩矿物、地球化学特征及意义

程青松，章超，周博宇，梅珏，邹辰，蒋立伟

1.中国石油浙江油田分公司勘探开发一体化中心，浙江 杭州 310023

2.中国石油浙江油田分公司天然气勘探开发事业部，四川 叙永 646400

3.中国石油浙江油田分公司重庆天然气勘探开发项目部，重庆 404100

滇黔北地区下古生界五峰组-龙马溪组海相黑色页岩广泛分布，具有形成页岩气藏的地质条件。目前，滇黔北地区龙马溪组页岩气勘探在黄金坝、紫金坝和太阳-大寨地区实现了突破并达到了每年10×108m3以上的产量[1]。昭通页岩气示范区位于滇黔北坳陷威信凹陷的中西部区域，具有“强改造、过成熟、高演化、杂应力、保存差”的地质特点与工程条件。前人从沉积、有机地球化学、储层特征与含气性以及页岩气保存条件等角度对滇黔北地区龙马溪组页岩进行了研究[2-6]，并取得了一些重要认识。

随着滇黔北地区页岩气勘探开发工作的不断推进，勘探对象逐渐从北部罗场复向斜向中部及东部转移。Y井为昭通页岩气示范区麟凤向斜2020年底新钻的一口参数井，具有重要的地质和油气勘探意义。虽然滇黔北地区整体为页岩气勘探开发有利区，但是不同区域沉积环境的差异，导致不同区域的优质含气层段存在差异。因此，笔者旨在通过对Y井岩石矿物、元素地球化学及含气性的分析，对麟凤向斜区沉积环境与有机质保存和页岩气有利富集层段进行探讨。

1 地质背景

滇黔北昭通国家级页岩气示范区是2014年国家国土资源部在中国境内命名的第一批页岩气示范区。跨越云贵川三省交界地带，包括四川与云南省间的筠连-威信地区天然气(页岩气)勘查区和云南与贵州省间的镇雄-毕节地区天然气(页岩气)勘查区。研究区主体位于上扬子构造区西南缘的滇黔北坳陷威信凹陷，北邻四川盆地川南低陡褶皱带，南与滇东-黔中隆起相接(见图1)。下寒武统筇竹寺组、下志留统龙马溪组、上奥陶统五峰组和中志留统罗惹坪组等海相黑色页岩是探区内主要气源岩，其中下志留统龙马溪组(S1l)-上奥陶五峰组(O3w)厚度大、有机碳丰度高、保存较好，为昭通页岩气开发的重点目标层系。

图1 研究区构造区划及井位图Fig.1 Structural division and well location of the study area

Y井位于滇黔北坳陷威信凹陷麟凤向斜南东翼。受多期构造运动影响，麟凤向斜呈狭长的“S”形展布，向斜主体较宽，约20km，为北东-南西走向，两端变窄，为近东西走向。向斜北侧发育平行轴线方向的走滑逆冲断层，规模较大，延伸长度大于6km，其他部位多见短轴方向断层，规模较小；核部出露地层较新为白垩系、侏罗系，向翼部地层逐渐变老，多由志留系、奥陶系地层组成。

2 样品与分析

元素分析中样品的主、微量元素分析由X 射线荧光光谱(XRF)分析所得。XRF是目前化学元素分析方法中发展最快、应用领域最广、最常用的分析方法之一[7,8]。

现场解析气采用CQJC QT 2型页岩气煤层气含气量现场测试系统，解析气测量精度为0.1mL，温度测量误差为0.1℃，气压测量精度为0.01MPa。设备可现场读取和换算解析气量、损失气量，不具备残余气量测试条件；现场解析气的数据采集及数据整理参考GB/T 0254—2014《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》进行。

岩石薄片鉴定利用OLYMPUS/BH-2偏光显微镜进行检测，检测和分析依据SY/T 5368—2016《岩石薄片鉴定技术规范》进行。有机碳含量采用 OGM-Ⅱ型仪器测得。

3 结果

3.1 有机质丰度与矿物组成特征

表1 样品TOC测试结果

表2 Y井各层段全岩显微组分

3.2 岩石薄片特征

岩石薄片镜下显示，五峰组页岩炭质和泥质均匀混杂，泥质结构不清。方解石细粉晶结构为主，少量粗粉晶结构，常顺层分布。陆源碎屑主要为石英、长石；黄铁矿呈凝块状；见亮晶方解石脉(见图2(a))。

注：(a)Y井五峰组，3188.63～3188.75m，炭质和泥质混杂，凝块状黄铁矿，泥晶方解石顺层分布，见亮晶方解石脉；(b)Y井S1，3184.29～3184.38m，炭质和泥质混杂，凝块状黄铁矿，细粉晶方解石顺层分布；(c)Y井S1，3184.29～3184.38m，方解石脉；(d)Y井S1，3182.37～3182.47m，炭质和泥质混杂，凝块状黄铁矿，细粉晶方解石顺层分布；(e)Y井S1，3168.90～3169.02m，炭质和泥质混杂，散点状黄铁矿，细粉晶方解石顺层分布；(f)Y井S1，3151.72～3151.85m，泥质鳞片结构，细粉晶方解石为主，散点状黄铁矿，偶见介形虫碎片；(g)Y井S1，3165.41～3165.54m，炭质和泥质混杂，细粉晶方解石顺层分布；(h)Y井S1，3076.13～3076.32m，泥质鳞片与方解石互层，透镜状泥晶方解石，炭屑顺层分布；(i)Y井S1，3094.90～3094.99m，泥质鳞片与方解石混杂分布，炭屑顺层分布。

避雨栽培最早是由日本西部的“康拜尔早生”等短梢修剪拱棚式发展而来[6]，20世纪90 年代开始在我国南方由栽培试验向推广应用方向发展，并逐渐向我国北方地区推移[7]。在北方如山东、河南等地，年降水量主要集中在 7、8、9 月，此时正值果实发育时期，雨热同期的环境条件会导致叶片病害严重、果实病害加重和品质下降，严重减少葡萄产值[8]。避雨栽培作为设施栽培的一种集约化的栽培方式，具有提高果实坐果率，降低病虫害发病率，提高果实品质，减少喷药次数，有利于优质无公害葡萄生产[9]等优点。

3.3 元素特征

对Y井五峰组-龙马溪组208个含气页岩样品进行了主、微量元素分析，部分主量元素的测试结果见表3。不同取心筒次的主量元素Al、Si、Ca总含量介于38.040%～41.911%之间，均值为39.580%。其中，Si元素含量最高，均值为23.837%，其次为Ca元素，含量均值为9.144%，再次是Al元素，含量均值为6.599%。K、Fe、Na、Mg、P、S、Ti元素的含量均值分别为3.003%、3.398%、1.438%、2.661%、0.040%、0.516%和0.495%。与世界页岩平均值相比[9]，优质气层段表现明显的Ca、Na、P、S富集和Al、K、Mg、Fe亏损，Ti元素含量基本与标准页岩相当。

表3 Y井主量元素分析测试结果

4 讨论

4.1 沉积环境特征

有机质沉积环境和保存条件决定了页岩的TOC高低。元素示踪是追溯岩相与古环境的有利手段，其中微量元素指标，如Mo元素对氧化还原敏感，V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th可以判别沉积古环境[10,11]。表4中，V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th分别代表相应各元素含量的比值。

表4 沉积环境的元素判别指标

图3 Y井V/(V+Ni) 、V/Cr、Ni/Co和U/Th古海水氧化还原环境划分图Fig.3 Division diagram of redox environment of ancient seawater of V/(V+Ni), V/Cr, Ni/Co and U/Th in Well Y

在古环境恢复的研究中，沉积期水体深度的分析具有重要意义。Mn/Fe、Sr/Ba是元素地球化学分析古水深及其变化的常用参数，表示相应各元素含量比值。Mn能在离子溶液中比较稳定的存在，而铁极易受氧化而成Fe3+，在pH大于3时Fe3+形成Fe(OH)3的沉淀。所以铁的化合物易在浅水环境聚集，随着沉积期水深增大，Fe元素含量普遍降低，Mn/Fe增大[12]。大量Sr2+常以生物堆积作用的方式，在水体较浅、能量较高的浅海区沉淀，形成较高的Sr/Ba。在水较深、水动力较弱的半深海-深海或滞留海域沉积物中，黏土及细碎屑物质增加，对Ba2+的吸附能力增强，Sr/Ba逐渐降低[13]。

图4 Y井古水深参数Fig.4 Parameters of ancient water depth in Well Y

Y井V/(V+Ni) 、V/Cr和U/Th均判别古海水在龙马溪和五峰组整体处于富氧状态，Ni/Co判别其处于富氧-贫氧-缺氧的动态变化状态。V，Cr，U，Ni的富集除与水体氧化还原有关之外，还与陆源碎屑的输入有关。V/(V+Ni)从第6筒到第21筒(3060.92～3176.32m)一直在降低，如果按氧化还原的角度思考则说明随水体加深，水体更加富氧。如果按陆源输入思考，则是随水体加深，陆源输入减少。Ni/Co在第17筒(3156.51m)开始随着水体加深，变为贫氧环境，在水体最深的第21筒(3176.32m)为最大缺氧状态。随着水体变浅，其水体开始逐渐富氧，因此其水体的含氧状态在Y井应该用参数Ni/Co去判别。

4.2 古生产力特征

根据Barnett黏土质页岩Si、Al含量拟合得出的伊利石Si/Al线上方区域为过量硅部分，代表生物成因的硅质。生物成因硅质页岩具有高SiO2、P2O5和 Fe2O3，低Al2O3、TiO2、FeO和MgO特征。Al的富集与陆源输入相关，而Fe和Mn则主要与热水沉积相关，因而Al/(Fe+Al+Mn)(各相应元素含量或含量之和的比值)是判断硅质成因的重要参数。Al/(Fe+Al+Mn)≤0.01为纯热水成因，纯生物成因比值则大于0.6[14,15]。Y井主量元素分析表明， Al/(Fe+Al+Mn)介于0.581～0.715之间，可见硅质成因与生物沉积过程有关。值得注意的是，Y井整个五峰组样品的硅质为陆源输入(见图5)。

图5 Y井生物成因硅分析Fig.5 Analysis of biogenic silica in Well Y

来源于生物作用的钡被称为生物钡(过量钡，w(Baxs)，用样品总的Ba元素含量w(Ba)s减去陆源Ba含量得到，而陆源Ba含量可以利用样品中的Al元素含量换算得到[9,16]。其计算公式为：

当w(Baxs)>0.1时，可认为其沉积时期具有较高的古生产力[17,18]。从生物钡的分布特征可见，龙马溪组上部地层的生物钡含量高，到龙马溪组下部及五峰组明显降低(见图6)。这里龙马溪组下部及五峰组生物钡含量的降低可能与还原环境生物钡的溶解作用有关[19,20]。上部还原作用较弱的层段，有机质输入量大，生物钡保存较好，因此生物钡含量高，而龙马溪底部还原性强，虽然有机质输入量大，但是生物钡溶解造成生物钡含量低。

图6 Y井五峰组-龙马溪组各取心段的生物成因钡分布特征 Fig.6 Distribution characteristics of biogenic barium in each coring section of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Y

4.3 页岩含气性与笔石发育特征

Y井第1筒到第11筒岩心现场解析得到的含气量在0.035～0.167m3/t之间，实验室测定总含气量在0.090～0.331m3/t之间；第12筒到第21筒岩心现场解析得到的含气量在0.414～0.789m3/t之间，实验室测定总含气量在0.662～2.187m3/t之间；第22筒到第24筒岩心现场解析得到含气量在0.531～0.715m3/t之间，实验室测定总含气量在1.781～1.921m3/t之间(见表5)。

表5 Y井五峰组-龙马溪组现场解析气与实验室测定总含气量分析数据表

第1筒到第11筒岩心：岩性以大段的灰黑色页岩为主，夹灰质条带，与页岩交界处岩性常为突变，随深度增大页岩颜色由浅变深又稍有变浅；前4筒岩心笔石发育较少，至第5筒岩心笔石突变增多，呈堆叠放射状，第6筒岩心后笔石急剧减少，至第11筒岩心逐渐增多。

第12筒到第21筒岩心：岩性主要为大段黑色页岩，颜色整体变深，灰质条带也较少出现，笔石逐渐增多，至第17筒岩心达到最大，可占节理面40%～80%，第18筒岩心后笔石又减少，约占节理面5%～10%。

第22筒到第24筒岩心：第21筒心底部和第22筒心顶部见观音桥段介壳灰岩，从第22筒至第24筒岩心五峰组随深度加深岩心灰质含量增多，颜色逐渐变浅，第24筒岩心底部见宝塔组瘤状灰岩；笔石部分节理面可见，多为零星分布(见图7)。

图7 Y井岩性柱状图Fig.7 Lithology histogram of Well Y

图8 Y井五峰组-龙马溪组伽马分布Fig.8 Gamma distribution of Wufeng-Longmaxi Formation in Well Y

在奥陶系-志留系交替时期，扬子地块位于冈瓦拉大陆西缘的热带或亚热带区域[26]，全球环境发生了巨大变化[27]。南非、北非、西亚、南欧和中欧以及南美均发育晚奥陶世的大陆冰川或海相冰川沉积[28]。虽然我国没有相应的冰川活动沉积，但观音桥段沉积发育冰期Hirnantia动物群。有研究认为，当时全球大气和海水的温度急剧下降(幅度达 8～10℃)。因此，高纬区的冷水向赤道运移，形成富富营养的冷水流，造成大洋翻转；此外，冰期海平面下降，海岸线向海推进。因此，一方面富富营养的冷水流给赤道海区表层带来丰富的营养物质，另一方面陆源营养物质大量进入海洋，海洋初级生产力在多重因素作用下大增。龙马溪组下部出现高生产力，可能与当时研究区气候不稳定，即气温短暂下降有关[29]。

5 结论