渝东南地区五峰–龙马溪组层序地层特征及地质意义_梁迈.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY 2. The Key Laboratory of Unconventional Petroleum Geology, China Geological Survey, Beijing 100029, China; 3. Zhanjiang Branch of China France Bohai Geoservices Co., Ltd, Guangzhou 524000, China; 4. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China; 5. Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 400042, China Abstract Based on the measurement and field observation of outcrop, the sedimentary and sequence characteristics of Wufeng-Longmaxi ation in the southeastern part of Chongqing were studied deeply by combining drilling, well logging and measured data with the theories and s of sedimentology and sequence stratigraphy, the geological significance for oil and gas was explored. The Wufeng-Longmaxi shale has obvious sedimentary features in the field, high degree of recognition, thickness from 60-130 m, siliceous shale in the lower part, gradually increasing sandy content and lithologic transition to muddy siltstone. Through logging curve characteristics, lithology, sedimentary response and sea level rise and fall, Wufeng-Longmaxi ation ChaoXing 第 6 期梁迈等 渝东南地区五峰–龙马溪组层序地层特征及地质意义41 can be divided into four third–order sequences. The transgressive system tract and the high stand system tract are developed symmetrically, with good continuity in the horizontal direction and obvious features in the vertical direction. The Sq1 transgressive system tract developed extensively in the study area, depositing a set of siliceous shale. The upper Sq2 began to develop high-level system tract deposition, corresponding to the deposition of argillaceous siltstone. In the lower part of Sq3, the mudstones of the transgressive system tract were developed, and Sq4 at high level system tract dominated the development of clay shale facies carbonaceous shale deposition. Wufeng-Longmaxi ation was controlled by tectonic movement and sea level rise and fall during the whole sequence filling. The source of Wufeng-Longmaxi ation mainly came from Xuefeng paleo–uplift on the southern and eastern fronts. The early volcanic thermal events provided siliceous rocks for a wide range of silicification in shale. At the same time, it provided the living conditions for plankton in this period and promoted the development of organic matter in the shale of Wufeng-Longmaxi ation, which provided sufficient gas source for enrichment of shale gas. Keywords shale; shale gas; sequence stratigraphy; Wufeng–Longmaxi ation; southeastern Chongqing area 随着近几年在全国范围内掀起页岩气勘探开发 研究的热潮，四川威远及焦石坝等地区相继在下古 生界页岩气勘探开发过程中取得突破[1–4]。 新的页岩 气勘探开发理论和方法均在不断地创新和深入，而 渝东南地区所在的四川盆地经历多期构造运动，其 早志留世层序充填动力学机制等因素是制约五峰– 龙马溪组页岩储层物性及含油气性的关键[5–11]。国 外学者对页岩地层层序研究起步较早，技术手段相 对成熟。近年来，渝东南地区五峰–龙马溪组的层序 地层划分研究也引发了众多国内学者的重视。在层 序界面识别方面，主要以岩性、岩相组合标志、沉 积趋势转换面、矿物成分及 TOC、古气候与古生物 特征、测井识别标志、地球化学特征为依据进行识 别[12]，也有学者利用笔石带分布[13]和地震资料层位 追踪进行识别[14]， 在五峰–龙马溪组页岩地层中识别 了 4 个三级层序界面。在层序划分方面，渝东南地 区整个志留系地层划分为 8 个三级层序，其中龙马 溪组下部地层、上部地层和顶部地层的层序分别为 ssq1、ssq2、ssq3 [15]，五峰–龙马溪组层序划分存在 一定的争议， 有学者将五峰–龙马溪组黑色页岩层段 划分为 2 个三级层序[16-18]；郭旭升[19]也将上扬子地 区五峰–龙马溪组地层划分了 3 个三级层序，Sq1、 Sq2、Sq3 分别为五峰组、龙马溪组一段、龙马溪组 二段及三段；王玉满等[13]将龙马溪组单独划分为 2 个三级层序。 可见学者们在对渝东南地区五峰–龙马 溪组层序地层划分方案仍有分歧，并且针对五峰– 龙马溪组整套地层的层序划分系统研究较少。 因此， 对渝东南地区五峰–龙马溪组整套地层进行层序地 层研究及层序划分具有重要意义。笔者拟在野外剖 面精细分析基础之上，结合岩石地层、生物地层及 海平面变化曲线特征，采用露头–钻井–地震资料相 结合的方式建立渝东南地区五峰–龙马溪组页岩层 序地层格架， 并揭示其对优质页岩储层的响应关系， 探讨其地质意义。 1地质概况 1.1区域地质背景 渝东南地区位于四川盆地东南部，在大地构造 上属于扬子准地台上扬子台内坳陷构造单元；在区 域上包括了南川区、黔江区、秀山县、酉阳县、彭 水县和武隆县。研究区在漫长构造演化过程中，经 历了晋宁、澄江、加里东、华力西、印支、燕山、 喜马拉雅等构造运动， 现今地貌呈 NNE 向山脉及小 型山间盆地相间的特征， 地表构造主要呈 NNENE 向展布[20]图 1。 1.2地层特征 研究区志留系普遍缺失中志留统及其以上地层， 上部直接与泥盆纪或二叠纪等不同时代地层呈假整 合接触。 下志留统发育较完整， 龙马溪组普遍与下伏 上奥陶统五峰组呈整合接触， 横向上具有较好的可比 性。通过野外剖面实测和踏勘，发现五峰–龙马溪组 根据岩性自下而上可以分为 3 段 第一段为五峰组及 龙马溪组底部，以黑色硅质页岩为主图 2a，富含四 川叉笔石图 2b，厚度较薄313 m，由 SW 向 NE 方向递增，以深水陆棚相沉积为主，可见黄铁矿图 2c，上部沉积岩性主要为观音桥段泥质灰岩图 2c； 第二段为龙马溪组中部，由于水体变浅， 发育岩性主 要为泥质粉砂岩图 2d图 2f。 第三段为龙马溪组上 部，泥质含量增加，主要以粉砂质泥岩为主。五峰– 龙马溪组为我国川渝地区海相页岩气勘探开发主力 层位，同时具有较为相似的“有机碳含量高、热演化 程度高、埋藏深”等特征，国内学者在对其进行研究 时常常纳入一个整体地层进行研究[1,5–8]。 2层序地层特征 笔者主要通过对渝东南地区五峰–龙马溪组测 井曲线特征、岩电特征、沉积构造响应及海平进行 深入研究，将五峰–龙马溪组地层自下而上划分为 4 ChaoXing 42煤田地质与勘探第 46 卷 图 1区域构造与地层特征[21] Fig.1Regional structural and stratigraphic features 图 2渝东南地区五峰–龙马溪组页岩沉积特征图版 Fig.2Sedimentary characteristics of Wufeng-Longmaxi shale in southeastern Chongqing area 个三级层序Sq1、Sq2、Sq3、Sq4，分别对应五峰 组、龙马溪组底部、龙马溪组中部、龙马溪组上部 地层，并且每个层序海侵体系域 TST 和高位体系域 HST 均有发育。 2.1层序界面识别 2.1.1野外和钻井剖面识别特征 整体上，渝东南地区五峰–龙马溪组地层特征较 为明显，五峰组与下覆中奥陶统宝塔组灰岩层序界面 明显，宝塔组以瘤状灰岩而易于识别图 3a。五峰组 以硅质页岩为主，顶部偶见观音桥段灰岩，在綦江地 区较为发育，Sq1 对应为五峰组沉积，沉积厚度不大， 上部与龙马溪组界面表现为页岩中泥质成分增加，硅 化程度减弱。Sq2 表现为龙马溪组下部黑色页岩段沉 积，以海侵体系域沉积为主，SB3 界线清晰，Sq2 层 序顶部钙质结核发育，大小 210 cm，在石柱、彭水 剖面较为明显，以高位体系域沉积为主图 3b；Sq3 ChaoXing 第 6 期梁迈等 渝东南地区五峰–龙马溪组层序地层特征及地质意义43 层序内整体上表现为浅水砂质陆棚相沉积，岩性以泥 质粉砂岩为主， 海侵体系域不发育， 厚度较大， 与 Sq4 底部界线明显图 3c；Sq4 为浅水泥质陆棚相沉积， 与上覆石牛栏组界面 SB5 以岩性突变为标志图 3d。 图 3层序界面野外剖面识别标志示意图 Fig.3Schematic identification marks of geological section of sequence interface 2.1.2岩电识别特征 五峰–龙马溪组岩性主要以砂泥岩为主， SB1 表 现为 GR 值突然增大，从 50 API 增加到 200 API 左 右，伴随着 TOC 值急剧增加图 4a；相对比，SB2 则表现为 GR 值降低，从 300 API 左右降低到 100 API图 4b；GR 曲线在 SB3、SB4 界面上波动较大， 需要和岩性柱状图的变化一同参考划分图 4c， SB3 表现为 GR 变大，而 SB4 表现为降低趋势。 2.2层序单元划分 根据野外露头及室内岩心观察，结合单井测井 曲线旋回组合特征，将五峰–龙马溪组地层划分为 4 个三级层序。以渝参 4 井为例图 5，五峰组划分为 1个三级层序Sq1， 龙马溪组地层划分3个三级层序， 由下往上分别为 Sq2、Sq3、Sq4。 图 4层序界面岩电识别标志示意图 Fig.4Schematic electrical identification marks of sequence interface ChaoXing 44煤田地质与勘探第 46 卷 图 5渝参 4 井五峰–龙马溪组层序地层划分 Fig.5Sequence stratigraphic division of Wufeng-Longmaxi ation in well Yucan 4 2.3层序格架建立 川渝地区下古生界黑色页岩作为我国页岩气勘 探开发先导区，在境内布置页岩气勘探井及开采井 较多，区内五峰–龙马溪组页岩剖面出露频繁，通过 对研究区进行地质调查，本次研究结合渝参 4 井的 层序分析， 选取渝东南地区五峰–龙马溪组的 3 条实 测野外剖面石柱漆辽剖面、彭水鹿角剖面及秀山溶 溪剖面及 5 口页岩气钻井黔页 1 井、黔浅 1 井、 彭页 1 井、渝参 6 井、酉地 2 井进行剖面和单井层 序地层对比来建立研究区层序格架，并从两个方向 NW–SE 向剖面 1和 NE–SW 向剖面 2进行了单 井及剖面联合地层层序对比图 1， 最终建立渝东南 五峰–龙马溪组层序格架。 2.3.1NW–SE 向层序地层对比剖面 1 层序地层对比 剖面 1 主要包含研究区东缘钻井及五峰–龙马 溪组实测剖面，平面上跨度较远，由 NW 至 SE 向 依次为石柱漆辽剖面、黔浅 1 井、渝参 6 井、酉地 2 井、秀山溶溪剖面 5 个点位，剖面方向与渝东南 地区构造走向近似垂直图 6。 层序 Sq1 与龙马溪组下部地层呈假整合接触， 海侵体系域 TST 由一套黑色、灰色炭质硅质泥岩组 成，反映了水深相对较深、沉积物源不足的深水陆 棚沉积环境，且地层厚度在北西黔江、石柱一带较 厚；高位体系域 HST 仅在渝参 6 井有所出露，由一 套泥质灰岩组成，为五峰组上段观音桥段沉积。垂 向上，五峰组顶部岩性发生变换，代表着沉积环境 发生突变。 层序 Sq2 底部与五峰组地层假整合接触，层序 界面为海侵上超面，海侵体系域 TST 和高位体系域 HST 在各个剖面单井均有发育，海侵体系域地层 ChaoXing 第 6 期梁迈等 渝东南地区五峰–龙马溪组层序地层特征及地质意义45 图 6渝东南地区五峰–龙马溪组剖面 1 层序地层对比 Fig.6Sequence stratigraphy correlation of Wufeng-Longmaxi ation section 1 in southeastern Chongqing 岩性由层序 Sq1 的泥质灰岩突变为黑色炭质页岩、 灰黑色页岩，显示了相对水深的沉积环境，沉积中 心位于北东漆辽剖面。之后，海平面下降，沉积相 为浅水泥质陆棚，沉积岩性转变为浅黄色粉砂岩、 黑灰色粉砂质页岩、黑色含炭粉砂质页岩，同时岩 性从 SE 往 NW 由粗变细，反应了物源来自南东方 向，海水向北西逐渐消退的沉积特征。 层序 Sq3 从 NW 到 SE 方向逐渐减薄，沉积中 心位于北西方向，物源来自东南方向。海侵体系域 岩性主要为黑色炭质页岩，代表了浅水混合陆棚沉 积。高位体系域岩性主要是黑色含炭泥质粉砂岩、 灰黑色页岩、灰黑色含炭粉砂质页岩，为浅水砂质 陆棚沉积。岩性在秀山剖面最粗，同样印证物源来 自南东方向；另外渝参 6 井可能在层序 Sq3 时期存 在局部水下隆起高地， 导致其海侵体系域厚度较薄。 层序 Sq4 海侵体系域地层厚度较为稳定，秀山 海侵体系域较为发育，且砂质含量较邻区要高，推 测由物源来自东南缘雪峰隆起所致，岩性主要为黑 色炭质页岩。高位体系域沉积时期，海平面下降速 率较快，反映了海水快速向北东方向退却的沉积特 征，因此在秀山剖面未见高位体系域发育；而东北 缘高位体系域HST主要为泥质粉砂岩的浅水砂质陆 棚沉积。 2.3.2SW–NE 向层序地层对比剖面 2 层序地层对比 剖面 2 西起彭水鹿角剖面，向东经过彭水彭页 1 井、黔江黔浅 1 井，最后止于黔江黔页 1 井，剖 面走向为 SWW–NEE图 7。 层序 Sq1 仅发育海侵体系域 TST 沉积，岩性主 要是黑色炭质泥页岩， 代表了水深较深的沉积环境； 地层厚度变化不大图 7。 层序 Sq2 地层厚度具有西部厚、 东部薄的特点， 反应了东西部沉降速率的差异性， 西部为沉积中心。 海侵体系域岩性主要是黑色、灰黑色炭质泥岩/灰色 粉砂质泥岩等，代表了深水陆棚沉积；高位体系域 ChaoXing 46煤田地质与勘探第 46 卷 地层主要是深灰色泥质粉砂岩、 黑灰色粉砂质页岩、 灰黑色含炭泥岩等，显示浅水泥质陆棚沉积相。且 由地层厚度变化可知，Sq2 高位体系域沉积时期， 海水逐渐由东向西退却。 层序 Sq3 地层厚度由东向西逐渐减薄。海侵体 系域地层岩性主要为深灰色粉砂质泥岩、黑色炭质 页岩，代表了浅水混合陆棚沉积环境；高位体系域 地层厚度在黔页 1 井最厚，黔浅 1 井次之，往西逐 渐减薄，在彭水剖面高位体系域直接歼灭不发育， 反映当时水体由西向东逐渐退却，高位体系域仅在 东部发育，主要为深灰色粉砂质泥岩、灰色线理含 粉砂炭质泥岩、灰黑色页岩的浅水砂质陆棚沉积。 图 7渝东南地区五峰–龙马溪组剖面 2 层序地层对比 Fig.7Sequence stratigraphy correlation of Wufeng-Longmaxi ation section 2 in southeastern Chongqing 层序 Sq4 地层厚度由东向西逐渐减薄。剖面西 部海侵体系域地层厚度最大，说明沉积中心靠近西 部，海侵体系域主要为黑色炭质泥页岩的浅水泥质 陆棚沉积。 海侵体系域地层厚度自西向东逐渐增厚， 彭水剖面和彭页 1 井直接不发育 Sq4 高位体系域沉 积，岩性从西往东由灰黑色含粉砂条带炭质泥岩变 为深灰色泥岩，说明 Sq4 沉积早期以西部彭水地区 为沉积中心，后期海水由西向东退却。 由两个剖面可以看出， 研究区五峰–龙马溪组地 层海侵体系域比高位体系域更为发育， 五峰–龙马溪 组沉积物源方向来自东南方向，沉积中心位于研究 区西北部。 2.4层序–岩相古地理充填过程 构造作用直接影响盆地充填，盆地沉积物的充 填厚度、地层的旋回性、沉积体系类型和层序内部 沉积构成都受到构造作用的控制[22]。在层序划分的 基础上，通过统计研究区内 5 口井和 3 条露头剖面 的各个体系域的砂岩厚度、地层厚度、黑色泥岩厚 ChaoXing 第 6 期梁迈等 渝东南地区五峰–龙马溪组层序地层特征及地质意义47 度、灰色泥岩厚度，结合单井相、露头岩心相、剖 面相及统计分析结果，分析了沉积相在平面上的展 布特征。对研究区目的层三级层序的 2 个体系域的 沉积相展布特征进行详细分析 图 8。 海侵体系域水体相对较深，通过观察研究岩 心相和露头剖面特征， 根据单剖面沉积相划分结果， 完成了连井沉积体系划分对比，由于海侵体系域主 要发育黑色泥岩和少量粉砂岩，其沉积相类型主要 为深水陆棚沉积和浅水泥质沉积，岩石类型主要为 黑色泥岩和灰色泥岩，研究区东部和南部发育少量 薄层砂体，为浅水砂质陆棚沉积。 高位体系域水体深度逐渐减少，同样通过观 察研究岩心相和露头剖面特征，根据单剖面沉积相 划分结果，将连井沉积体系进行了划分对比，并绘 制了高位体系域的沉积相图。对比海侵体系域，高 水位体系域的深水盆地相面积向北西方向逐渐减 小，而浅水砂质陆棚相由南东逐渐向北西扩大，表 现为雪峰隆起对整个陆缘碎屑物质的控制。 图 8渝东南地区五峰–龙马溪组沉积相演化图 Fig.8Evolution of Sedimentary facies of Wufeng-Longmaxi ationin in southeastern Chongqing Sq1 的 TST 时期最显著的特征是广泛发育深 水陆棚相图 8，HST 高位体系域不发育；Sq2 的 TST 时期最显著特征是广泛发育深水陆棚相，沉积 厚度西北厚，东南薄，以酉地 2 井，渝参 8 井，大 溪剖面一带为界东南部发育浅水混合陆棚相图 8； Sq2 的 HST 时期沉积相由西北向东南方向依次为浅 水混合陆棚相、 浅水砂质陆棚相和浅水混合陆棚相， Sq2 的 HST 时期最显著的特征是广泛发育浅水砂质 陆棚相，沉积厚度具有中部厚，两边薄的特点，黔 页 1 井，黔浅 1 井一带为界西北部发育浅水混合陆 棚相，以秀页 3 井，秀山溶溪剖面一带为界东南部 发育浅水混合陆棚相图 8； Sq3 的 TST 时期沉积相 由西北向东南方向依次为浅水混合陆棚相、浅水砂 质陆棚相和浅水混合陆棚相，但其整体水深较 Sq2 浅，Sq3 的 HST 时期最显著的特征是广泛发育浅水 砂质陆棚相，局部发育浅水混合陆棚相，西北端主 要发育浅水混合陆棚相，南东缘主要以浅水砂质陆 棚相为主，在渝参 4 井和黔浅 1 井地区主要发育浅 水砂质陆棚相，整体 TST 沉积岩性为泥质粉砂岩或 粉砂岩图 8； Sq4 的 TST 时期沉积以浅水砂质陆棚 相为主图 8， 在南东地区秀山一带以浅水泥质陆棚 相为主，HST 沉积不发育。整体上，渝东南五峰– 龙马溪组以陆棚相沉积为主，由下向上海水深度逐 渐降低，粉砂质含量增加，页岩成分减少，与加里 ChaoXing 48煤田地质与勘探第 46 卷 东运动对研究区构造背景改造有关。 2.5层序充填动力学特征 渝东南地区在晚奥陶世–早志留世时期， 受到加 里东运动的长期影响，雪峰隆起及研究区部分地区 受到强烈陆内挤压，这种复杂的构造运动过程严格 控制了晚奥陶世–早志留世五峰–龙马溪组的沉积充 填作用，在不同时期，不同沉积区层序充填特征表 现出一定的差异[9,23]。 通过开展NW–SE向和SW–NE向两个方向实测 剖面–单井联合层序地层对比， 总结出平面上层序展 布特征，结合区域构造运动史特征及镜下沉积过程 的反演，从而恢复研究区五峰–龙马溪组层序–岩相 古地理充填过程图 9。 整个层序充填阶段受晚奥陶 世和早志留世加里东运动第二幕都匀运动影响明 显，区域内古隆起不断扩大，海域面积逐渐缩小， 沉积水体深度变化频繁[9]。认为沉积物源主要来自 南东方向雪峰古隆起，沉积相展布受到区域古隆起 升降影响明显， 横向上沉积相类型存在一定差异[24]。 早期伴随着多期的火山构造作用，为渝东南地区五 峰组及龙马溪组下部硅质岩沉积提供了充足的硅质 来源，同时早期的多期火山硅质的出现为放射虫等 浮游生物提供了良好的生存条件，岩石中随处可见 的笔石及镜下的放射虫化石为其提供了有力证据； 后期随着海平面的下降，沉积相主要以浅水砂质陆 棚相为主，陆源输入的砂质含量急剧增加，岩性由 黑色硅质页岩逐渐过渡为泥质粉砂岩，在渝东南地 区整个区域响应较为明显。整体来讲，早期构造及 火山事件控制着早期五峰组的层序充填及岩性特 征，后期海平面及物源成为控制龙马溪组中上部岩 性充填的主体。 图 9渝东南地区五峰–龙马溪组北西–南东向充填特征 Fig.9Northwest-southeast filling characteristics of Wufeng-Longmaxi ation in southeastern Chongqing 3油气地质意义 渝东南地区五峰–龙马溪组页岩是我国南方重 点页岩气勘探主力层位， 开展五峰–龙马溪组页岩层 序充填特征研究有助于对页岩宏观展布研究的同 时，为页岩成岩系统演化中硅质成因及生物热演化 事件等关键问题研究提供有力证据。 综合分析两条主干剖面岩性分布特征，泥页岩主 要分布五峰组、龙马溪组下段及龙马溪组上段的海侵 体系域，这段时期的沉积物表现为海退的沉积特征， 是海平面上升，盆地不断扩大，沉积物不足造成。通 过对研究区五峰–龙马溪组系统采样分析及层序充填 研究发现，海侵体系域的存在促进了页岩的发育，同 时该阶段页岩整体表现为厚度大，TOC 值高，为页岩 中有机质的富集提供了良好的条件；研究区五峰–龙马 溪组受到物源的影响，在东南缘陆源输入普遍较高， 有机地球化学参数较西北缘差图 10；彭水以西地带， 受到火山热液作用明显，浮游生物为其提供了良好的 有机质来源；在綦江、涪陵一带深水页岩相较为发育， 硅化现象明显图 10， 生物有机质含量丰富， 为页岩气 富集成藏提供了良好条件的同时，有利于后期页岩气 开发压裂；同时研究区晚奥陶世–早志留世期间隆凹相 间的古地理环境导致五峰–龙马溪组页岩横向上层序 充填的不连续，为页岩气甜点预测增加困难。 ChaoXing 第 6 期梁迈等 渝东南地区五峰–龙马溪组层序地层特征及地质意义49 图 10渝东南地区五峰–龙马溪组页岩微观物质分布图 Fig.10Distribution of microscopic substance of shale of Wufeng-Longmaxi ation in southeastern Chongqing 4结 论 a. 按照野外剖面岩性变化、古生物及测井曲线 变化等特征，将渝东南地区五峰–龙马溪组划定为 4 个三级层序，其中五峰组为 Sq1，龙马溪下部黑色 页岩段为 Sq2， 中上部泥质粉砂岩段为 Sq3， 上部浅 ChaoXing 50煤田地质与勘探第 46 卷 水泥质陆棚相沉积含粉砂页岩对应为 Sq4 沉积。 b. 五峰–龙马溪组普遍发育海侵体系域和高位 体系域沉积， 海侵体系域控制黑色页岩层段的发育， 层序对比显示纵向上层序界面识别特征明显，但受 到多期构造隆起的制约，页岩展布在横向上连续性 相对较差。 c. 层序充填动力学特征揭示了早期构造热事 件和伴生的生物爆发事件为五峰–龙马溪组下部页 岩提供了充足的有机质来源的同时，也为该页岩大 范围硅化现象提供了有力证据。物源供给和层序充 填作用决定了研究区西北缘綦江、涪陵一线页岩微 观物质基础优越，是页岩气勘探开发甜点区。 参考文献 [1] 董大忠，高世葵，黄金亮，等. 论四川盆地页岩气资源勘探开 发前景[J]. 天然气工业，2014，34121–15. 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