何希鵬，高玉巧，馬 軍，張培先，何貴松，周頔娜，劉娜娜，孫 斌

（中國石化華東油氣分公司,江蘇南京210019）

四川盆地內(nèi)的涪陵、威遠(yuǎn)、長寧、昭通、威榮、永川等地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖因其靜態(tài)指標(biāo)優(yōu)越、埋藏深度適中、富集條件有利和大型水力壓裂等工程工藝技術(shù)適應(yīng)性好，實現(xiàn)了我國南方海相頁巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)，促進(jìn)了我國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，有力支撐了我國天然氣供給和綠色低碳能源轉(zhuǎn)型[1-9]。四川盆地外的武隆地區(qū)由于受多期復(fù)雜的構(gòu)造活動影響，頁巖氣資源稟賦較差，單井產(chǎn)能較低[10-15]，尚處于勘探評價階段，目前實施的少量頁巖氣探井難以揭示該區(qū)頁巖氣成藏特征及富集高產(chǎn)規(guī)律，補充一批典型的露頭剖面，對控制頁巖的沉積演化、儲層特征及靜態(tài)參數(shù)展布規(guī)律具有重要意義。

基于重慶市武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)剖面觀察和實測，對黃鶯鄉(xiāng)剖面五峰組—龍馬溪組底部巖性、地層、古生物、沉積等特征進(jìn)行研究，劃分黃鶯鄉(xiāng)剖面地層序列和沉積環(huán)境。通過剖面連續(xù)取樣，開展薄片、地化、物性、礦物組成、孔隙微觀結(jié)構(gòu)、微量元素等測試分析，研究頁巖靜態(tài)指標(biāo)與沉積環(huán)境的關(guān)系，建立沉積環(huán)境演化模式，明確沉積環(huán)境對頁巖品質(zhì)的控制作用，以期為四川盆地外殘留向斜五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

黃鶯鄉(xiāng)剖面位于重慶市武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)雙河村（建設(shè)西路S203 道旁），構(gòu)造位置處于利川—武隆復(fù)向斜武隆向斜團(tuán)堡次凹南翼。武隆向斜位于四川盆地與雪峰隆起西緣之間的“槽—檔”過渡帶，核部平緩而開闊，兩翼地層傾角變陡，約為25°～35°，北翼傾角陡于南翼，呈不對稱向斜，軸面傾向北西，走向呈近東西向（圖1），面積約為1 200 km2。向斜核部出露地層以侏羅系—三疊系為主，由南向北依次出露二疊系、志留系、奧陶系、寒武系。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組為該區(qū)頁巖氣勘探主要目的層，五峰組厚度介于5～9 m，巖性以黑色頁巖為主；龍馬溪組厚度介于400～450 m，上部為黃灰色、深灰色、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、頁巖，中部為深灰色、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖，下部為灰黑色、黑色頁巖。

圖1 渝東南地區(qū)構(gòu)造分布Fig.1 Tectonic distribution in southeastern Chongqing

2 地層發(fā)育特征

黃鶯鄉(xiāng)剖面出露地層從底到頂依次為上奧陶統(tǒng)臨湘組（未見底）、五峰組、下志留統(tǒng)龍馬溪組一段（未見頂）地層。重點研究層位地層出露完好，臨湘組與五峰組、觀音橋段與龍馬溪組界線可清晰識別。地層產(chǎn)狀340°至350°∠27～30°，測量厚度為60 m，真厚度為32.7 m（圖2）。整體構(gòu)造簡單，層理、節(jié)理、高角度裂縫發(fā)育，五峰組—龍馬溪組發(fā)育典型的黑色筆石頁巖和深灰色介殼泥質(zhì)灰?guī)r，頁巖段筆石豐富，介殼泥質(zhì)灰?guī)r段見典型的赫南特貝，并可觀察到灰色—灰白色斑脫巖，與黑色頁巖互層（圖3）。

圖2 重慶市武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)五峰組—龍馬溪組剖面Fig.2 Outcrop of Wufeng-Longmaxi Formation in Huangying Town

2.1 地層界線

剖面底部為上奧陶統(tǒng)臨湘組灰色瘤狀灰?guī)r，與五峰組呈整合接觸，接觸面發(fā)育1 cm 厚的灰白色斑脫巖（圖3a）。五峰組與上覆下志留統(tǒng)龍馬溪組為連續(xù)沉積，整合接觸，兩者以五峰組頂部沉積的一套厚度為0.32 m 的觀音橋段深灰色介殼泥質(zhì)灰?guī)r為界線（圖3b），其上為龍馬溪組，其下為五峰組。這一界線在四川盆地及周緣地區(qū)的鉆井巖心上也能觀察到。

圖3 重慶市武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)剖面地層界線Fig.3 Stratigraphic boundary of Huangying section,Wulong,Chongqing

2.2 地層特征

在黃鶯鄉(xiāng)剖面巖性、層理構(gòu)造、裂縫、生物化石等特征詳細(xì)描述的基礎(chǔ)上，利用手持伽馬儀開展了伽馬數(shù)據(jù)采集，對剖面密集采樣，開展系統(tǒng)分析測試工作，依據(jù)獲取的地層描述、自然伽馬、分析測試等資料，開展了黃鶯鄉(xiāng)剖面精細(xì)地層劃分（圖4），自上而下描述如下。

圖4 重慶市武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)剖面五峰組—龍馬溪組實測綜合柱狀圖Fig.4 Comprehensive histogram of Wufeng-Longmaxi Formation in Huangying section,Wulong,Chongqing

龍馬溪組一段（未見頂）

12 層：黑色硅質(zhì)頁巖，風(fēng)化后呈黃綠色，頁巖污手，頁理發(fā)育；含個體較大正常筆石（Normalograptus angustus）等筆石化石，筆石帶為LM5，化石含量普遍介于10%～25%；見星散狀黃鐵礦。

厚6 m

11層：黑色含粉砂頁巖，頁巖污手，頁理較發(fā)育；含柵筆石（Clinoclimacograptus）等筆石化石，筆石帶為LM5，筆石個體較大，化石含量介于10%～30%；硅質(zhì)含量相對較低，頂部見一層鈣質(zhì)頁巖；系魯?shù)るA海侵晚期沉積物，海平面開始下降，水體逐漸變淺，但總體仍處于深水陸棚亞相沉積環(huán)境。

厚2.9 m

10 層：黑色硅質(zhì)頁巖，頁理非常發(fā)育；筆石較發(fā)育，可見正常筆石（Normalograptus angustus）、柵筆石（Clinoclimacograptus）等化石，個體較大，筆石帶為LM5；見廣泛分布的星散狀黃鐵礦，層內(nèi)節(jié)理不發(fā)育。為魯?shù)るA海侵中期沉積物，處于深水陸棚亞相。

厚8.7 m

9 層：黑色中厚層狀硅質(zhì)頁巖，頁理、節(jié)理較發(fā)育；化石含量介于5 %～15 %，見雕刻筆石（Persculptograptus persculptus），筆石帶為LM3—LM5；黃鐵礦呈透鏡狀、星點狀、紋層狀分布，見薄層灰褐色斑脫巖。

厚4.6 m

8層：黑色中層狀硅質(zhì)頁巖，見多層滑脫，頁理、節(jié)理發(fā)育，中部見1 條微斷層，斷距小于1 m，可見三組高角度裂縫，方解石、黃鐵礦半充填—全充填；筆石含量一般介于10 %～40 %，見尖筆石（Akidograptus ascensus），筆石帶為LM3—LM5；黃鐵礦呈透鏡狀、星點狀、紋層狀分布，見薄層灰褐色斑脫巖；為冰川期后魯?shù)るA海侵早期沉積物，處于深水陸棚亞相。

厚9.2 m

7層：黑色中薄層硅質(zhì)頁巖，頁理發(fā)育，發(fā)育兩組裂縫；見雕刻筆石（Persculptograptus persculptus），筆石帶為LM1—LM2，筆石含量極為豐富，達(dá)到25%～75%，表明經(jīng)歷奧陶紀(jì)末赫南特期短暫冰川作用后，筆石開始爆發(fā)式復(fù)蘇并加速演變；局部見硅質(zhì)結(jié)核，黃鐵礦呈星散狀分布。

厚1.4 m

——整合——

五峰組

6 層：觀音橋段深灰色介殼泥質(zhì)灰?guī)r，滴稀鹽酸起泡明顯，見赫南特貝化石（Hirnantia）。

厚0.32 m

5 層：黑色中薄層狀硅質(zhì)頁巖，單層厚度為10～30 cm，頁理發(fā)育；黃鐵礦呈星散狀分布，高角度裂縫發(fā)育，發(fā)育3組方向，未見鉆井巖心的典型揉皺現(xiàn)象；筆石含量較高，介于25 %～40 %，見扁平叉筆石（Dicellograptus complanatusLapworth），該層筆石帶為WF2—WF3；夾10層厚度為1～3 cm的斑脫巖。

厚3.88 m

4層：黑色硅質(zhì)頁巖，發(fā)育順層滑動構(gòu)造，裂縫發(fā)育，以低角度縫為主，方解石充填。

厚0.44 m

3層：黑色中薄層硅質(zhì)頁巖，頁理發(fā)育；筆石含量較高，介于10%～25%，見扁平叉筆石（Dicellograptus complanatusLapworth），筆石帶為WF2—WF3；層間夾4層厚度為1～3 cm的斑脫巖。

厚1.31 m

2層：黑色薄層硅質(zhì)頁巖，頁理發(fā)育；筆石含量較高，介于5%～15%，筆石帶為WF2—WF3；層間夾2層厚度為1～3 cm的斑脫巖。

厚0.92 m

——整合——

臨湘組

1層：灰色中厚層狀微晶灰?guī)r，夾瘤狀灰?guī)r，地表溶蝕作用較強，呈小溝槽狀，未見底。

黃鶯鄉(xiāng)剖面五峰組主體處于凱迪階深水陸棚亞相，發(fā)育扁平叉筆石（Dicellograptus complanatusLapworth），筆石含量介于15 %～40 %，筆石帶為WF2—WF3。龍馬溪組一段出露地層處于魯?shù)るA深水陸棚亞相，巖性為灰黑色硅質(zhì)頁巖，筆石含量極為豐富，見直管筆石（Rectograptus）、矛狀柵筆石（Climacograptus hastatus）、雕刻筆石（Persculptograptus persculptus）、尖筆石（Akidograptus ascensus）等典型筆石，筆石帶為LM1—LM5。

黃鶯鄉(xiāng)剖面五峰組—龍馬溪組一段出露地層的巖性、電性特征與武隆向斜LY1、LY2 井的①—⑤小層基本一致，厚度有一定差異（圖5）。五峰組主體為黑色頁巖，頂部發(fā)育0.2～0.32 m 厚觀音橋段灰質(zhì)泥巖—泥質(zhì)灰?guī)r；龍馬溪組一段②—⑤小層巖性以硅質(zhì)頁巖為主，整體伽馬值較高，其中②小層和④小層發(fā)育兩個異常高伽馬尖峰。厚度上表現(xiàn)出①—⑤小層由南向北有變厚趨勢，說明北部更靠近深水陸棚沉積中心，厚度更大。

圖5 重慶市武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)剖面五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖元素地球化學(xué)剖面Fig.5 Geochemical profile of high-quality shale elements of Wufeng-Longmaxi Formation of Huangying section,Wulong,Chongqing

3 沉積環(huán)境及演化

渝東南地區(qū)五峰—龍馬溪組沉積環(huán)境處于水體呈弱分層的缺氧環(huán)境，隨深度變淺，沉積環(huán)境由還原向次還原、次氧化過渡，筆石存在深度分帶現(xiàn)象[16-22]。根據(jù)黃鶯鄉(xiāng)剖面巖性組合、筆石發(fā)育特征、元素地球化學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)等資料，討論沉積環(huán)境變化規(guī)律。

3.1 凱迪期

凱迪期，受川中古隆起、黔中古隆起和江南雪峰隆起的影響，四川盆地及周緣大部分地區(qū)形成局限的深水缺氧沉積環(huán)境，沉積了五峰組中—薄層黑色硅質(zhì)頁巖，局部見黃鐵礦。黃鶯鄉(xiāng)剖面凱迪階黑色頁巖厚度為6.5 m，筆石化石保存較為完整，呈無序狀態(tài)分布于頁巖中，表明為靜水環(huán)境。凱迪階黑色硅質(zhì)頁巖的V/(V+Ni)比值為0.88～0.97，平均為0.92，整體大于0.46（表1、圖6），說明WF2—WF3 筆石帶所處為厭氧的還原靜水深水陸棚環(huán)境，有利于沉積有機(jī)質(zhì)的保存。Al/Ti比值高，說明表層水體富營養(yǎng)，利于藻類、放射蟲、筆石等古生物繁殖[23]，古生產(chǎn)力高。剖面樣品Al/(Al+Fe+Mn)比值為0.54～1.00，平均為0.87，表明主要為生物成因硅。在硅質(zhì)頁巖中間夾16 層0.2～3 cm 薄層斑脫巖，表明構(gòu)造活動劇烈，火山運動頻繁[24-26]，火山灰?guī)淼臓I養(yǎng)成分可提高古海洋生產(chǎn)力。上述因素的共同作用，導(dǎo)致凱迪階黑色頁巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，TOC（總有機(jī)碳含量）為3.82%～7.38%，平均為4.88%。

表1 重慶市武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)剖面五峰—龍馬溪組元素分析及沉積環(huán)境統(tǒng)計Table 1 Elemental analysis and sedimentary environment statistics of Wufeng-Longmaxi Formation in Huangying section,Wulong,Chongqing

3.2 赫南特期

赫南特期，受全球冰期和廣西運動的影響，海平面大幅降低，在四川盆地及周緣沉積了觀音橋段介殼泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖(鈣質(zhì)含量大于20 %，TOC小于1%)，平面上分布不連續(xù)[20]，黃鶯鄉(xiāng)剖面觀音橋段厚度約為0.32 m，武隆向斜鉆井揭示厚度為0.37～0.60 m。海平面下降導(dǎo)致沉積環(huán)境由深水陸棚亞相轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水陸棚亞相，筆石發(fā)生生物大滅絕，冷水型赫南特動物群開始繁盛。

3.3 魯?shù)て?/h3>

魯?shù)て?，氣溫回暖，海水快速上升，形成與凱迪期范圍大致相同的深水陸棚亞相沉積環(huán)境[23]，沉積了一套厚層黑色富有機(jī)質(zhì)富筆石頁巖，V/(V+Ni)比值為0.71～0.97，平均為0.90（見表1、圖6），表明處于強還原沉積環(huán)境，利于筆石和藻類等古生物保存。但各小層特征存在一定差異，反應(yīng)沉積微相存在一定差異。②—⑤小層巖性由黑色硅質(zhì)頁巖逐漸變?yōu)榛液谏搸r，筆石帶由LM2 持續(xù)演化到LM5，含量逐漸減少，TOC含量由5.43%逐漸減小至3.58%，說明海平面逐漸下降，水體逐漸變淺。

圖6 渝東南地區(qū)凱迪階—魯?shù)るA沉積演化模式（據(jù)本文參考文獻(xiàn)[15]，有修改）Fig.6 Sedimentary evolution mode of Kaidian-Rudan in southeastern Chongqing(modified by references[15])

渝東南地區(qū)凱迪階至魯?shù)るA水體深度逐漸變淺，不同地區(qū)沉積環(huán)境和沉積演化有一定的差異，造成地層的巖性、厚度、元素組成有較大差異[15]。凱迪期，武隆地區(qū)處于深水陸棚沉積環(huán)境，沉積速率較慢，為2.64 m/Ma，黑色頁巖厚度介于5～7 m。赫南特期，受海平面下降及局部隆升影響，沉積環(huán)境發(fā)生較大變化，武隆地區(qū)發(fā)育水下低?。▓D7），沉積了0.2～0.4 m 厚淺水陸棚觀音橋段介殼泥質(zhì)灰?guī)r。魯?shù)て冢俅魏Ｇ中纬缮钏懪锍练e環(huán)境，筆石種類發(fā)生較大變化，沉積速率加快，為6.5～7.0 m/Ma，形成的黑色頁巖厚度為28～30 m。

從沉積建造來看，由西北的焦石壩向東南的南川、武隆、彭水地區(qū)，雖然同處于深水陸棚亞相，但受水體深度和沉積古地形的影響，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度逐漸減薄[12-14,27]。焦石壩地區(qū)處于深水陸棚沉積中心（圖7），優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于35～45 m[28]；南川地區(qū)處于深水陸棚中心外側(cè)，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于31～35 m；武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于32～35 m，厚度較焦石壩地區(qū)減薄，但有機(jī)質(zhì)豐度、石英含量更高，為生烴中心。

圖7 重慶市武隆地區(qū)五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖靜態(tài)指標(biāo)對比剖面Fig.7 Comparative outcrop section of static indicators of high-quality shale in Wufeng-Longmaxi Formation in Wulong,Chongqing

4 地質(zhì)意義

黃鶯鄉(xiāng)剖面揭示武隆地區(qū)五峰—龍馬溪組沉積時期處于深水陸棚生烴中心，古生物繁盛，古生產(chǎn)力高，水體相對安靜、強還原環(huán)境，有利于頁巖緩慢堆積及有機(jī)質(zhì)的富集和保存，從而沉積了一套厚度為31～35 m、TOC為3.5%～4.5%的富有機(jī)質(zhì)頁巖。在深水陸棚環(huán)境下形成的這套富有機(jī)質(zhì)頁巖同時具備生烴能力強、儲層物性好、含氣量高等特性，控制了頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1）頁巖氣靜態(tài)指標(biāo)

為了精細(xì)反映五峰組—龍馬溪組頁巖氣靜態(tài)指標(biāo)隨沉積環(huán)境變化的規(guī)律，對黃鶯鄉(xiāng)剖面進(jìn)行連續(xù)取樣，取樣間隔為0.5 m，共采集樣品29 件。除風(fēng)化嚴(yán)重或被覆蓋層段，所有樣品均為通過剝離地表風(fēng)化層后采集的新鮮巖石。

測試結(jié)果揭示，黃鶯鄉(xiāng)剖面五峰組—龍馬溪組TOC為1.74 %～7.38 %,平均為3.95 %；孔隙度為4.41%～7.49%，平均為5.95%；石英含量為6.10%～82.00 %，平均為61.02 %，黏土含量為8.20 %～45.90 %，平均為28.70 %；Ro（有機(jī)質(zhì)成熟度）為2.37%～3.06%，平均為2.60%（表2）。

表2 重慶市武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)剖面各小層頁巖氣地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Geological parameters of shale gas in Huangying section,Wulong,Chongqing

2）平面分布特征

整體來看，武隆地區(qū)處于深水陸棚相生烴中心，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大（31～35 m），地化指標(biāo)優(yōu)越（TOC介于3.56%～4.55%），頁巖生烴強度大，具備良好的頁巖氣富集物質(zhì)基礎(chǔ)；儲層物性好，孔隙度為3.25 %～5.59%；頁巖脆性礦物含量高，可壓性好，石英含量為54.01%～62.56%（表3）。從平面分布特征上看，武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖靜態(tài)指標(biāo)介于南川和焦石壩之間，武隆向斜西部的團(tuán)堡次凹優(yōu)于東部的火爐次凹（圖8）。

表3 重慶市武隆向斜優(yōu)質(zhì)頁巖段評價參數(shù)對比Table 3 Comparison of evaluation parameters of highquality shale section in Wulong Syncline,Chongqing

圖8 重慶市武隆地區(qū)五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖靜態(tài)指標(biāo)分布Fig.8 Static index distribution of high-quality shale in Wufeng-Longmaxi Formation in Wulong,Chongqing

3）頁巖氣勘探潛力

總體來看，武隆向斜處于深水陸棚相沉積中心，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大（31～35 m），靜態(tài)指標(biāo)優(yōu)越（TOC介于3.56%～4.55%，孔隙度介于3.25%～5.59%），頁巖生烴強度大，具備良好的頁巖氣富集物質(zhì)基礎(chǔ)。武隆地區(qū)①—④小層為深水陸棚亞相細(xì)粒沉積，水體較深，上層海水營養(yǎng)豐富，筆石、放射蟲、浮游藻類等生物化石含量多，古生產(chǎn)力高，沉積有機(jī)質(zhì)豐富，為成烴中心，TOC大于4.0%；礦物組成以硅質(zhì)為主，生物成因硅質(zhì)含量高，黏土含量適中，儲層可改造性較好，因此，①—④小層是頁巖氣勘探開發(fā)甜點段。該向斜已完鉆的3 口探井，測試日產(chǎn)氣量達(dá)到（4.6～9.2）×104m3，實現(xiàn)了盆外殘留向斜區(qū)常壓頁巖氣的勘探突破，證實該區(qū)具有較好的勘探開發(fā)潛力，目前正在開展降本增效攻關(guān)試驗，力爭實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。

5 結(jié)論

1）重慶武隆區(qū)黃鶯鄉(xiāng)剖面出露五峰—龍馬溪組下部地層識別出3 個階8 個筆石帶（WF2—LM5 筆石帶），筆石種類、含量、保存特征等與沉積環(huán)境密切相關(guān)。凱迪階、魯?shù)るA總體為強還原的深水陸棚沉積環(huán)境，形成了厚層黑色硅質(zhì)頁巖，筆石豐富，有機(jī)質(zhì)豐度高；兩者之間的赫南特階形成了富含赫南特貝的觀音橋段深灰色介殼泥質(zhì)灰?guī)r，指示武隆地區(qū)發(fā)育水下低隆，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水陸棚。

2）黃鶯鄉(xiāng)剖面揭示武隆地區(qū)五峰組—龍馬溪組①—④小層的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)和富集條件較好，是頁巖氣勘探開發(fā)甜點段。

3）武隆向斜處于深水陸棚相成烴中心，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大，靜態(tài)指標(biāo)優(yōu)越，頁巖生烴強度大，具備較好的頁巖氣富集物質(zhì)基礎(chǔ)，進(jìn)一步開展降本增效攻關(guān)試驗，將能實現(xiàn)盆外常壓頁巖氣商業(yè)開發(fā)。