2016, Vol. 38
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2. 成都理工大学沉积地质研究院, 四川 成都, 610059;
3. 页岩气评价与开采四川省重点实验室, 四川 成都 610091;
4. 四川省煤田地质局, 四川 成都 610072
2. Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059, China;
3. Sichuan Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation, Chengdu, Sichuan 610091, China;
4. Sichuan Coalfield Geology Bureau, Chengdu, Sichuan 610072, China
中国上扬子地区页岩气资源潜力巨大，初步估算页岩气资源量约62.56×1012 m3，可采资源量11.26×1012 m3（国土资源部，2012）。中国第一个页岩气田——涪陵礁石坝气田的开发运营，预示着中国页岩气勘探开发进入新的阶段，该气田目前累计探明储量已达3.80×1011 m3，工业化产能达40×108 m3；在川南发现的威远长宁龙马溪组页岩气田，累计探明储量1 635.32×108 m3，基本建成了20×108 m3产能平台。这些都预示着页岩气有着巨大的勘探潜力。
渝南—黔北地区位于四川盆地边缘，构造形态和样式与已经获得勘探发现的涪陵地区有一定的相似性，也具有较好的页岩气富集的地质条件。随着近些年的调查研究，取得了一定的认识和成果，对五峰组——龙马溪组富有机质泥岩分布规律有了初步了解[1-6]，但是对其勘探方向和目标靶区并不明确。因此有必要综合该地区页岩气的地质要素，对五峰组——龙马溪组泥岩地质特征进行深入研究。本文通过大量的野外综合地质调查，结合最新的钻井资料，深入分析了该地区五峰组——龙马溪组泥岩的地质特征，圈定有效的勘探靶区，为后续的页岩气勘探提供地质依据和借鉴。
1 地质背景渝南黔北地区位于上扬子地台区，该地区的构造演化与扬子地台的区域构造演化具有一致性。通常所说的扬子地台是红河断裂（哀牢山—红河构造带）、龙门山断裂西缘以东，嘉山—响水断裂和勉略—大别山南缘断裂以南，师宗—弥勒断裂、垭都紫云断裂、漵浦四堡断裂以北的地区[1-5, 7]（图 1）。
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| 图1 渝南——黔北地区构造样式图 Fig. 1 Regional tectonic settings of the southern Chongqing-northern Guizhou area |
黔北地区主要经历了地壳由活动陆缘—稳定地台（中元古代晚期——志留纪）、拉张沉陷盆地阶段（泥盆纪——晚三叠世）和断陷盆地（中生代——新生代）几个演化阶段[3-6]。
研究区褶皱、断裂构造非常发育（图 1）。褶皱整体上以北东向或北北东向展布为主，南北向、东西向和北西向褶皱、断裂也有发育。褶皱类型以隔槽式褶皱为主，向斜狭窄紧闭呈紧密槽状，背斜宽阔舒缓呈箱状。在黔北地区的西部和西南部，单个褶皱常呈“ S”形或反“ S”形，从整个研究区构造变形特征来看，该区以挤压变形为主，兼有走滑的性质。由于受不同时期构造的长期相互干扰和叠加，形成目前区内所见褶皱、断层发育、组合形态复杂的构造景观（图 1）。
研究区五峰组——龙马溪组总体为含笔石相碳质泥岩。其中五峰组地层厚度比较薄，厚5.0~15.0 m，岩性主要为黑色碳质泥岩，发育笔石；而靠近黔中古隆起区域，岩性则为灰色粉砂岩夹黑色薄层状硅质岩。观音桥组作为五峰期黑色笔石相泥岩结束后的特殊岩性组，在整个研究区主要以含生物碎屑灰岩广泛分布，厚度0.3~4.0 m。龙马溪组岩性为灰黑、黑色薄中层夹厚层状碳质泥岩、粉砂岩夹条带状、透镜状泥质泥晶灰岩，其下部为一套厚几十米至一百米的黑色碳质泥岩，发育丰富的笔石化石，有机质丰富。
总体来看，向上砂质含量增多，自下而上构成向上变粗的沉积序列。
2 富有机质泥岩空间展布特征 2.1 岩相古地理特征晚奥陶世——早志留世龙马溪期，是中上扬子地区盆山格局发生重大转变的时期，该时期陆块边缘处于挤压、褶皱造山过程，为形成古隆起的高峰阶段。扬子南缘的黔中隆起、武陵隆起、雪峰隆起和苗岭隆起基本相连形成了滇黔桂大的隆起带[3-6]。研究区由克拉通盆地转为由古隆起带包围的一个局限浅海深水盆地，主要发育陆棚相沉积（图 2），地层厚度也由南往北逐渐增厚，这一时期以向上变浅的沉积序列为特征。
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| 图2 渝南——黔北地区五峰期——龙马溪期岩相古地理及等厚图 Fig. 2 Paleogeographical and isopach maps of Wufeng-Longmaxi periods in the southern Chongqing-northern Guizhou area |
从横向上看，在局限浅海环境发育有浅水陆棚亚相泥质粉砂棚微相、浅水陆棚亚相钙质粉砂质泥棚微相、深水陆棚亚相粉砂质碳质泥棚微相、深水陆棚亚相碳质泥棚微相等4个微相带。
（1）浅水陆棚亚相泥质粉砂棚微相
位于遵义板桥绥阳湄潭煎茶一线以南区域内。岩性主要为深灰色薄至中层状泥质粉砂岩夹粉砂质伊利石页岩、粉砂质碳质伊利石页岩，粉砂质碳质伊利石页岩主要位于底部，厚数米至数十米。
（2）浅水陆棚亚相钙质粉砂质泥棚微相
位于遵义板桥绥阳湄潭煎茶一线以北，桐梓楚米正安安场务川涪洋德江一线以南区域内。岩性主要为灰黑色薄至中层状钙质粉砂质伊利石页岩与含钙粉砂质伊利石页岩韵律互层，夹有粉砂质碳质伊利石页岩，钙质含量自南向北逐渐增加。
（3）深水陆棚亚相粉砂质碳质泥棚微相
主要有两个区域，第一个位于绥阳枧坝—温泉一线周边；第二个位于桐梓楚米—正安安场—务川涪洋—江一线以北，重庆南川—道真巴渔—彭水一线以南区域内。水体逐渐变深，陆源碎屑逐渐减少，岩石颜色也逐渐加深，岩性主要为黑色中层夹薄层状含钙粉砂质碳质伊利石页岩，钙质与粉砂质含量自南向北，随着远离物源而逐渐减少，为研究区内富有机质页岩发育相对较好的沉积微相带。
（4）深水陆棚亚相碳质泥棚微相
位于重庆南川—道真巴渔—彭水一线以北区域内。为一套深色细碎屑岩系，岩性主要为黑色中层夹厚层状含粉砂质碳质伊利石页岩，上部夹有灰色薄至中层状伊利石页岩，为研究区内富有机质页岩最为发育的沉积微相带。
2.2 富有机质泥岩平面分布特征渝南黔北地区上奥陶统——下志留统五峰组——龙马溪组富有机质页岩代表了局限浅海沉积。纵向上，富有机质页岩主要分布于下部；区域上，遵义—石阡一线以南属黔中古隆起区，无龙马溪组沉积。正安—务川地区整体属于浅海陆棚相，富有机质页岩主要由五峰组与龙马溪组下部构成，其中只有枧坝镇剖面五峰组——龙马溪组厚度为23.0 m（明显加厚），其余区域五峰组富有机质页岩岩性、厚度总体变化不大，为2.0~6.0 m；而龙马溪组富有机质页岩则呈现由南至北逐渐增厚的特征，远离古隆起区，向盆地方向地层厚度与富有机质页岩厚度均逐渐增大，尤以重庆南川—贵州道真地区富有机质页岩厚度较大，可达60.0~100.0 m（图 2）。
3 富有机质泥岩有机地化特征 3.1 有机碳含量对泥岩层系而言，有机碳含量是一项重要指标，它决定了该套地层的生气能力及吸附气体的能力。纵向上，研究区五峰组和龙马溪组下部有机碳含量明显较上部高，向上有机碳含量逐渐减小，主要与岩性的变化有关（图 3）。
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| 图3 金浅1井五峰组——龙马溪组地层柱状图 Fig. 3 Stratigraphic column of Wufeng-Longmaxi Formations in Well Jinqian 1 |
渝南—黔北地区龙马溪组下部页岩较纯，有机碳含量2.0%~6.0%，平均约为3.5%；上部砂质含量增多，碳质含量下降，有机碳含量0.4%~1.3%，普遍小于1.0%；而位于沉积中心处的龙马溪组下段泥岩有机碳含量都较高。
平面上，南川、道真地区五峰组——龙马溪组泥岩有机碳含量较高，道真忠信剖面和南川黄角塘剖面，有机碳含量大于5.0%，生烃潜力较好。道真至正安地区有机碳含量由3.0%下降至1.0%。总体上往南至黔中隆起有机碳含量明显降低，正安—德江—印江一线以南泥岩有机碳含量普遍小于1.0%（图 4）。
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| 图4 五峰组——龙马溪组有机碳含量分布图 Fig. 4 Distribution pattern of organic carbon content in Wufeng-Longmaxi Formations |
渝南—黔北地区有机碳含量在平面上非均质性分布，主要受龙马溪期隆凹相间构造古地理格局的控制。
3.2 有机质类型有机质类型对页岩气的吸附率和扩散率均有影响，不同性质干酪根的生油、生气潜力不同。研究区五峰组——龙马溪组干酪根显微组分中以腐泥组和壳质组相对含量较高，其中，腐泥组中腐泥无定形体相对含量约为39.00%~67.00%，壳质组中腐殖无定型体相对含量约33.00~59.00%；沥青组相对含量较高，平均含量可达21.52%，仅次于腐泥组+藻类组，多充填于泥岩裂缝、孔隙中；而微粒体组分相对较低（图 5）。干酪根类型指数为67~81，干酪根类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主。
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| 图5 五峰——龙马溪组富有机质泥岩沥青组份荧光显微图 Fig. 5 Diagram of bitumen component in organic-rich mudstones of Wufeng-Longmaxi Formations |
渝南黔北地区上奥陶统——下志留统五峰组——龙马溪组泥岩热演化程度与泥岩的沉积中心对应，Ro在1.0%~3.7%（图 6）。靠近黔中隆起带，五峰组——龙马溪组沉积较薄，泥岩的成熟度较低，Ro普遍低于1.5%；远离隆起带的南川—道真地区龙五峰组马溪组沉积较厚，为五峰期——龙马溪期黔北地区的一个沉积沉降中心，泥岩的成熟度较高，Ro普遍大于2.5%，南川的黄角塘和武隆的龚滩Ro可达3.3%以上，处于过成熟晚期。
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| 图6 渝南——黔北地区上奥陶统——下志留统五峰组——龙马溪组有机质成熟度等值线图 Fig. 6 Thermal maturity distribution pattern of organic matters in Wufeng-Longmaxi Formations in the southern Chongqing-northern Guizhou area |
虽然现今渝南黔北地区上奥陶下志留统五峰组——龙马溪组页岩埋深不大，可Ro却很高，表明了五峰组——龙马溪组在后期经历了多期的构造抬升和沉降。渝南黔北地区五峰组——龙马溪组泥岩热演化程度的差异与黔中隆起有关，虽然演化程度较高，仍具有较好的生气能力。
4 储集物性特征 4.1 脆性矿物指数特征脆性矿物指数的计算方法主要有矿物岩石学法和岩石物理法，其中，岩石物理法是岩石整体力学的反映，一般在现场使用中更能反映岩石的脆性[8]；矿物岩石学法用于页岩气储层的定量评价，根据北美页岩气水平井的压裂经验，相对较高的硅质或者碳酸盐矿物（大于40%）有利于形成天然裂缝和人工诱导缝[9, 26]，可有效改善储层物性及提高压裂成功率，提高天然气渗流通道产气能力。本文采取矿物岩石学法来计算脆性矿物指数特征。其中脆性矿物主要包括：碎屑矿物（石英、长石、黄铁矿等）和自生脆性矿物（方解石、白云石等）；黏土矿物主要包括：伊利石、绿泥石、蒙脱石、高岭石等。采用脆性矿物指数=脆性矿物（脆性矿物/ +黏土矿物）计算脆性矿物指数。
上奥陶统下志留统五峰组——龙马溪组矿物组成以碎屑矿物为主，次为黏土矿物及自生脆性矿物。纵向上，碎屑矿物富集于目的层段的下部，而目的层段上部碎屑矿物含量降低的同时，自生脆性矿物、黏土矿物含量略有增加。结合所测试的有机碳（ITOC）数据，随着沉积水体变浅，有机质丰度降低的同时，脆性矿物由相对单一的碎屑矿物为主过渡为碎屑矿物+自生脆性矿物的组合，陆源碎屑补给减弱，沉积环境趋于稳定。
道页1井富有机质页岩段（ITOC > 1.5%）碎屑矿物含量平均76.25%，自生脆性矿物、黏土矿物含量平均分别为15.00%、13.75%。当有机碳含量小于1.5%时，碎屑矿物降低至60.00%，自生脆性矿物、黏土矿物分别增加至19.00%、31.50%。黏土矿物中，富有机质段（ITOC > 1.5%）黏土矿物以伊利石为主，由下而上高岭石、绿泥石略呈增高的趋势（表 1，表 2）。
| 表1 道页1井富有机质页岩段全岩矿物组成 Table 1 Mineral composition of organic-rich shales in Well Daoye 1 |
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| 表2 道页1井富有机质页岩段黏土矿物组成 Table 2 Clay mineral composition of organic-rich shales in Well Daoye 1 |
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通过对剖面富有机质页岩段的连续采样分析，五峰组和龙马溪组下部脆性矿物含量较高，其碎屑矿物含量可达64%~79%，同时缺乏自生脆性矿物。上部碎屑矿物含量降低至30%~55%，但自生脆性矿物开始出现，最高可达36%。
岩石矿物学特征研究表明，渝南—黔北地区上奥陶统——下志留统五峰组——龙马溪组富有机质页岩段脆性矿物以石英、长石等碎屑矿物为主，方解石、白云石、黄铁矿等自生脆性矿物含量总体较低。黏土矿物总含量及各组分含量稳定，其中以伊利石、伊蒙混层为主，次为绿泥石，高岭石微量。
分析表明，龙马溪组富有机质页岩段下部石英、长石等碎屑矿物含量较高。总体上，脆性矿物总含量均大于64.00%，具较好的破裂潜力[9, 11-16, 26]（图 7）。
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| 图7 渝南——黔北地区上奥陶统——下志留统五峰组——龙马溪组X衍射矿物组成汇总 Fig. 7 Data compilation of X diffraction mineral composition in Wufeng-Longmaxi formations in the southern Chongqing-northern Guizhou area |
通过对渝南黔北地区上奥陶统——下志留统五峰组——龙马溪组富有机质页岩地表样品与钻井岩芯储层物性进行研究，总体上孔隙度、渗透率较差，体现出具有低孔—超低渗的特征，且具有孔隙度比较分散、渗透率分布集中的特点（图 8）。五峰组——龙马溪组富有机质页岩孔隙度分布在0.77%~11.9%，平均6.99%；渗透率0.001 4~0.520 0 mD。从分布频率看，孔隙度分布峰值区间为3.00%~5.00%，渗透率峰值区间为0~0.100 0 mD。
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| 图8 五峰组——龙马溪组泥岩孔隙度和渗透率分布图 Fig. 8 Porosity and permeability distribution map in Wufeng-Longmaxi Formations |
通过对渝南—黔北地区五峰组——龙马溪组剖面地表露头样品的BET分析，富有机质页岩BET比表面积在2.38~28.13 m2/g，平均为9.12 m2/g；龙马溪组道页1井测试BET比表面积在7.49~25.12 m2/g，平均14.27 m2/g；涪陵焦石坝区块五峰组——龙马溪组富有机质页岩样品BET比面积为8.40~33.3 m2/g，平均为18.90 m2/g。表明研究区富有机质泥岩比表面积条件较好，能为页岩吸附提供非常有利的条件[11-16]。
4.4 微观孔隙结构利用氩离子抛光扫描电子显微镜技术对渝南黔北地区上奥陶统——下志留统五峰组——龙马溪组富有机质页岩的微孔隙进行研究，根据成因类型可识别出矿物颗粒间（晶间）微孔缝、基质溶蚀孔隙（骨架颗粒间原生微孔、黏土伊利石化层间微缝）、自生矿物晶间微孔、有机质生烃形成的微孔隙和矿物颗粒溶蚀微孔隙等（图 9），其中粒间（晶间）微孔、黏土矿物层间微孔缝较为发育。
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| 图9 渝南——黔北地区五峰组——龙马溪组富有机质页岩微观孔隙类型 Fig. 9 Microstructure types of pores in organic-rich shales in Wufeng-Longmaxi Formations in the southern Chongqing-northern Guizhou area |
五峰组——龙马溪组富有机质页岩微细孔隙以黏土矿物层间微孔缝为主，粒间（晶间）微孔为次，不同宽度裂缝较发育。主缝、微缝、黏土矿物层间孔缝形成错综复杂的孔—缝网络，构建了理想的天然气解析—渗流通道。微裂缝中，主缝近顺层方向，延伸较长，常成组出现，宽度最大可达10.0~20.0 µm。缝内充填沥青质，但沥青质与基质之间存在残留空间（图 9e，图 9f）。脆性矿物与黏土矿物间同样可见丰富的微裂缝，缝面绕脆性矿物而弯曲，无充填，宽度一般0.5~5.0 µm（图 9g）。黏土矿物以伊利石为主，片状结构，发育层间微孔缝，孔径通常小于1.0 µm（图 9h）。
结合电镜扫描及岩芯观察，渝南—黔北地区五峰组——龙马溪组富有机质页岩储集空间具有类型多样、孔缝直径较小且连通性较差的特点，与北美页岩气产层储集空间类型基本一致[16-20]。
4.5 含气性特征页岩含气量是指每吨页岩所含的天然气总量。含气量可分解为吸附、游离及较小的溶解含气量，其大小直接影响着页岩气藏的经济可采价值。根据道页1井现场解吸获得的实验数据，对五峰组——龙马溪组含气页岩段595.8~553.6 m岩芯段进行现场解析，结果表明，总含气量（解析气量+损失气量）最高可达2.69 m3/t，平均为2.17 m3/t，解析气占99.8%~97.6%。现场实钻共见4次气测异常，证实了研究区内五峰组——龙马溪组具有较好的含气性。
5 页岩气形成条件及有利勘探区优选结合国内外石油公司和学者的研究成果，针对页岩气勘探和开发的实际[8-9, 21-27]，结合多方面因素进行考虑，研究区的后期构造改造作用特别明显，在评价时，需与其他地质要素共同分析（表 3）。
| 表3 渝南——黔北地区页岩气勘探区块优选参考指标 Table 3 Parameters forfavorable shale gas zone selection in the southern Chongqing-northern Guizhou area |
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在安场—道真向斜区，受深水陆棚沉积相控制，富有机质泥岩厚度为30.0~60.0 m，平均有机碳含量为2.5%~4.0%；最新钻井资料显示，含气量达到2.69 m3/t；该区多为二叠系——三叠系覆盖，向斜区内地势平坦，埋深达1 500~2 500 m，有效面积大于180 km2，未见断裂发育，形成了较好的保存条件。在五峰——龙马溪期黔北构造隆升背景下，该地区陆源碎屑供给较丰富，使得安场道真向斜区脆性矿物指数达到了70%，有利于后期开发时压裂造缝。因此，该地区可作为有利的勘探靶区（图 10）。
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| 图10 渝南——黔北地区五峰组——龙马溪组页岩气地质条件综合评价图 Fig. 10 Shale gas evaluation map of the Wufeng-Longmaxi formations in the southern Chongqing-northern Guizhou |
（1）五峰期——龙马溪期的陆棚环境是富有机质泥岩发育的基础，浅水陆棚和深水陆棚亚相的沉积格局，决定了泥岩南薄北厚（10~80 m）的分布特征。在陆棚体系中进一步划分了浅水陆棚亚相泥质粉砂棚微相、浅水陆棚亚相钙质粉砂质泥棚微相、深水陆棚亚相粉砂质碳质泥棚微相、深水陆棚亚相碳质泥棚相等4个相带。
（2）研究区五峰组——龙马溪组具有良好的页岩气有机地化条件和物性特征，具备页岩气藏形成的地质条件。深水环境中泥岩平均有机碳含量大于2.0%，为腐泥型Ⅰ型干酪根；隆（黔中隆起）凹相间构造古地理格形成了明显的有机质富集中心，现今演化程度高（Ro为0.82%~3.04%），具有较好的生气能力。储集层具较高的脆性矿物含量（ > 64%），发育多种类型的微孔隙，为页岩气提供了很好的赋存空间。
（3）安场道真向斜区泥岩厚度为30~60 m，有机质丰度为2.5%~4.0%，脆性矿物含量 > 70%，埋藏1 500~2 000 m，封盖条件好，有效面积大于180 km2，具备页岩气形成地质条件，实钻结果也证实有较好的含气性（2.69 m3/t），具有良好的页岩气勘探前景。
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