2022, Vol. 34
2. 中国石油西南油气田分公司 重庆气矿, 重庆 400000
2. Chongqing Gas Mine, PetroChina Southwest Oil & Gas FieldCompany, Chongqing 400000, China
四川盆地页岩气资源丰富，勘探开发潜力巨大，已建成涪陵、昭通、威远、长宁等千亿方级海相五峰组—龙马溪组页岩气田[1]。目前，众多学者已将关注点转向海陆过渡相—海相地层—上二叠统龙潭组[2]，估算资源量约4.88×108m3[3]，已有多口井在龙潭组（或吴家坪组）见到气测显示，明1井在龙潭组4 952~4 970 m射孔测试，获日产气（3.02~ 3.85）×104m3[4]。曹清古等[5]对四川盆地龙潭组进行岩相古地理恢复，指出沉积相具有东西向延伸、南北向展布的条带状分布特征；曹涛涛等[6]对川东地区不同沉积环境下的泥页岩矿物学与储层特征进行了分析，认为深水陆棚相高TOC含量的泥页岩具有高的孔体积，是优势储层；赵培荣等[4]对川东地区龙潭组过渡相与深水陆棚相页岩储层特征进行了对比分析，认为深水陆棚相页岩以有机质孔为主、储集性能好，硅质含量高、可压裂性好，是今后勘探开发的重点；何燚等[7]基于矿物成分和TOC含量对龙潭组过渡相与海相页岩进行岩相划分，对储层特征进行了对比分析。然而，这些工作主要是针对川东龙潭组页岩的储层特征及成藏条件等，对其岩相特征、古环境重建、有机质富集及其间的耦合关系研究甚少。
针对川东二叠系龙潭组页岩进行岩相、古环境和有机质富集的研究，重建古环境，再现有机质富集模式，并厘清三者之间的耦合关系，建立起富有机质页岩的沉积模式，从烃源岩生成、保存等多角度阐述有机质富集规律，寻找优势储集岩和生油岩岩相，以期为后期勘探开发提供指导。
1 地质背景川东地区隶属于川东高陡褶皱带，西以华蓥山断裂为界，与川中隆起相邻，东至川鄂边境的齐岳山断裂带，由—系列弧形山脉组成，是四川盆地稳定地块中的相对活动的构造区，区域构造线主体走向为NNE，向北转变为NEE向，并收敛[8]。受加里东运动的影响，川东地区缺失泥盆系，中二叠世末期—晚二叠世初期，东吴运动导致上扬子地台区域发生了大规模的张裂运动，四川盆地整体抬升剥蚀，至晚二叠世初期，发生大规模海侵，沉积了龙潭组与吴家坪组2套等时异相地层[9]。
龙潭组为—套海陆过渡相—海相地层（图 1），沉积期间经历多次海进、海退，从南西往北东依次发育河流相、滨岸沼泽相、潮坪潟湖相、浅水陆棚相、深水陆棚相，局部存在低隆，形成台缘礁滩相和台地相沉积，地层呈西厚东薄、南北向厚薄相间的特点，岩性复杂、纵横向变化迅速，烃源岩的分布与品质明显受到沉积相带的控制[10]。DT002-3井位于川东宣汉地区，龙潭组埋深4 157.0~4 282.5 m，总厚度125.5 m，底部发育铝土质泥岩，下部为页岩与灰岩的夹层，局部发育炭质页岩，向上发育大套页岩与灰岩[9]。
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下载原图 图 1 四川盆地二叠系龙潭组沉积相[10]（a）及DT002-3单井柱状图（b） Fig. 1 Sedimentary facies(a)and stratigraphic column of well DT002-3(b)of Permian Longtan Formation in Sichuan Basin |
页岩岩相包含岩性特征、矿物成分、沉积构造、生物特征等信息。已有研究显示，岩相的岩石学、矿物学、储层特征的差异性，是其在沉积时期受海平面升降、沉积物供给、古气候、古环境和水体化学等多因素综合控制的[11]。页岩气“甜点”区往往发育特定的岩相类型与组合[12-13]。
2.1 岩相划分依据川东地区DT002-3井18个全岩X射线衍射资料，采用脆性矿物-黏土矿物-碳酸盐矿物三端元划分法，页岩岩相可划分为6种（表 1），其中DT002-3井龙潭组发育硅质页岩、黏土质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩和钙质硅质混合页岩4种岩相，主要为前3种（图 2、表 2）。
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下载CSV 表 1 川东DT002-3井二叠系龙潭组页岩岩相划分[14] Table 1 Shale lithofacies division of Permian Longtan Formation of well DT002-3 in eastern Sichuan Basin |
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下载原图 图 2 川东地区DT002-3井二叠系龙潭组页岩岩相划分三元图 Ⅰ. 灰（云）岩；Ⅱ. 钙质页岩；Ⅲ. 黏土质钙质混合页岩；Ⅳ. 钙质硅质混合页岩；Ⅴ. 黏土岩；Ⅵ. 黏土质页岩；Ⅶ. 黏土质硅质混合页岩；Ⅷ. 硅质页岩；Ⅸ. 硅质岩 Fig. 2 Ternary diagram of shale lithofacies division of Permian Longtan Formation of well DT002-3 in eastern Sichuan Basin |
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下载CSV 表 2 川东地区DT002-3井二叠系龙潭组主要岩相矿物含量及有机质组分 Table 2 Mineral content and organic matter composition of main lithofacies of Permian Longtan Formation of well DT002-3 in eastern Sichuan Basin |
（1）硅质页岩：灰黑色或黑色，局部可见黄铁矿透镜体（图 3a），水平层理发育（图 3b）。脆性矿物质量分数为48.0%~67.0%，平均值为58.0%，其中石英质量分数为39.0%~62.0%，黏土矿物质量分数为22.0%~34.0%，平均值为27.7%，碳酸盐矿物质量分数为10.0%~22.0%，平均值为13.3%。层状结构明显，碎屑颗粒呈现条带状顺层分布，以石英为主，分选性和磨圆性均较差，暗色有机质与黏土矿物混合，分布较均匀，形成暗色纹层（图 3c，3d）。该类页岩主要分布于DT002-3井的中上部。
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下载原图 图 3 川东地区二叠系龙潭组不同页岩岩相的岩心及镜下特征 （a）硅质页岩，黄铁矿透镜体，WD1井，423.43 m；（b）硅质页岩，水平层理，FT1井，4 072.60 m；（c）硅质页岩，石英呈条带状顺层排列，WD1井，423.43 m；（d）硅质页岩，纹层，FT1井，4 572.60 m；（e）黏土质硅质混合页岩，可见生物化石，FT1井，4 575.49 m；（f）黏土质硅质混合页岩，陆源碎屑石英定向排列，石英充填裂缝，DT002-4井，4 117.76 m；（g）黏土质硅质混合页岩，见硅质生物化石，WD1井，421.60 m；（h）黏土质钙质混合页岩，裂缝发育，方解石充填，DT002-4井，4 127.68 m；（i）黏土质钙质混合页岩，裂缝发育，HD1井，256.20 m；（j）黏土质钙质混合页岩，方解石充填裂缝、分散状发育，DT002-4井，4 127.98 m；（k）钙质硅质混合页岩，灰黑色含钙泥岩与深灰色灰岩互层、厚薄不一，FT1井，4 557.32~4 561.02 m；（l）钙质硅质混合页岩，方解石、白云石、石英散布于有机质和黏土矿物之间，FT1井，4 558.06 m Fig. 3 Cores and microscopic characteristics of different shale lithofacies of Permian Longtan Formation in eastern Sichuan Basin |
（2）黏土质硅质混合页岩：灰—深灰色，可见生物化石（图 3e）。石英+长石质量分数为25.0%~ 42.0%，平均值为32.25%，其中石英质量分数为18.0%~38.0%，黏土矿物质量分数为29.0%~45.0%，平均值为35.5%，碳酸盐矿物质量分数为10.0%~ 25.0%，平均值为16.5%。该类页岩在DT002-3井的中部和下部均有分布，下部页岩可见陆源碎屑石英（图 3f），中部页岩可见生物石英（图 3g）。
（3）黏土质钙质混合页岩：呈灰色或深灰色，致密坚硬，裂缝较发育，由方解石充填（图 3h—3j）。主要由黏土矿物、碳酸盐矿物组成，镜下可见裂缝发育、由方解石充填，有机质不规则，呈碎块状和颗粒状，分选性和磨圆度均较好，指示经历过搬运和沉积（图 3j）。石英+长石质量分数为26.0%~27.0%，方解石+白云石质量分数为33.0%~44.0%，黏土矿物质量分数为29.0%~32.0%。主要分布于DT002-3井的下部。
（4）钙质硅质混合页岩：呈深灰色或灰黑色，裂缝发育，岩心上可见泥页岩中夹薄层深灰色泥灰岩（图 3k）。有机质呈碎块状和浸染状，泥质颗粒较细，含较多生物化石（图 3l）。石英+长石质量分数在40.0% 左右，方解石+白云石质量分数约为47.0%，黏土矿物质量分数约9.0%，几乎不发育。
3 沉积环境重建富有机质页岩的形成同时受到生烃母质生物的生存环境与有机质的保存条件的影响，因此古沉积环境的重建对研究页岩岩相发育及演化非常重要。以川东地区DT002-3井为例，其龙潭组沉积早期与晚期的页岩岩相不同，二者沉积时环境具有明显的差异性，主、微量元素含量差别较大（表 3、表 4、图 4）。
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下载CSV 表 3 川东地区DT002-3井二叠系龙潭组页岩TOC含量及主量元素质量分数 Table 3 Mass faction of TOC and major elements of shale of Permian Longtan Formation of well DT002-3 in eastern Sichuan Basin |
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下载CSV 表 4 川东地区DT002-3井二叠系龙潭组页岩微量元素质量分数 Table 4 Mass fraction of trace elements of shale of Permian Longtan Formation of well DT002-3 in eastern Sichuan Basin |
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下载原图 图 4 川东地区DT002-3井二叠系龙潭组纵向TOC含量和元素比值分布 Fig. 4 Vertical distribution of TOC content and element ratios of Permian Longtan Formation of well DT002-3 in eastern Sichuan Basin |
微量元素铀（U），钼（Mo）和钒（V）等氧化还原敏感元素被广泛用于古氧化还原条件的判识[15]。U，V和Mo均具有多种化学价态，沉积时受氧化还原状态影响显著。在沉积岩中多数为自生组分，成岩作用中几乎不发生迁移，保持了沉积时的原始记录[16-18]。马义权等[19]使用U，Mo和V的元素丰度来判别沉积环境，排除了陆源碎屑对测试结果的影响。元素丰度一般采用EFX=（X/Al）样品/（X/Al）平均页岩计算，其中X表示元素。过渡金属含量及V/（V + Ni），V/Cr，Ni/Co和U/Th等也可作为判别指标[20]。
选取V/（V + Ni），U/Th和EFMo等3个参数作为识别标志。通常V/（V + Ni）> 0.50，U + Th > 1.25指示厌氧沉积环境；0.45 < V/（V + Ni） < 0.60，0.5 < U/Th < 1.25指示贫氧沉积环境；V/（V + Ni） < 0.45，U/Th < 0.75指示富氧沉积环境。DT002-3井样品测试结果（表 4）显示：龙潭组早期页岩U/Th为0.34~ 0.54，平均值为0.42，EFMo值为5.20~8.60，平均值为6.66，V/（V+Ni）为0.68~0.86，平均值为0.77，为氧化—次氧化环境。龙潭组晚期U/Th为2.80~ 11.90，平均值为5.96，EFMo值为27.40~335.20，平均值为148.01，V/（V + Ni）为0.58~0.93，平均值为0.79，为还原环境。综合岩相特征及古氧化还原指标，硅质页岩、钙质硅质混合页岩主要发育于还原环境，黏土质钙质混合页岩主要形成于氧化—次氧化环境，黏土质硅质混合页岩在2种环境下均有发育。
3.2 陆源碎屑输入根据Dong等[21]、吴蓝宇等[22]的研究，钛（Ti）和铝（Al）主要来源于陆地，经过河流等搬运进入海洋且基本不受后期的成岩及风化作用影响，是指示陆源输入的强有力的指标，高的Ti/Al值表征高陆源输入。元素铷（Rb）和钾（K）易被黏土吸附而在水中迁移与富集，且Rb更易迁移，因此，可用Rb/K值反映水深及离岸距离的变化，值越大，水体越深，离岸越远[23]。
DT002-3井样品测试结果（表 3）显示：龙潭组早期页岩Ti/Al值为0.08~0.14，平均为0.11，Rb/K值为25.49~38.66，平均值为31.37；龙潭组晚期Ti/ Al为0.03~0.06，平均值为0.04，Rb/K值为44.20~56.58，平均值为51.00。龙潭组早期页岩沉积时离物源较近，沉积时陆源物质输入较多。龙潭组晚期页岩沉积时海平面上升，水深增大，离物源较远，沉积时陆源碎屑输入相对较少。
3.3 硅质来源海相页岩中的硅质来源主要有陆源硅、生物硅、热液硅及火山沉积硅等，不同成因来源的硅质矿物代表的地质含义也不相同[24-25]。仅来源于生物作用的Si称为过量硅，一般用Si的总含量减去陆源碎屑Si的估算含量，过量硅计算方法为Si过量= Si样品-Al 样品（Si/Al）背景，（Si/Al）背景采用平均页岩比值3.11[26]。DT002-3井样品测试结果（表 3、图 4）显示：龙潭组早期页岩样品过量硅为0，指示硅质主要来源于陆源碎屑补给，龙潭组晚期过量硅为正值，表明非陆源硅占主导。Si/（Si +Al + Fe）也可以作为判别指标，值大则与生物成因有关[27]。龙潭组早期页岩样品Si/（Si +Al + Fe）为0.50~0.68，平均值为0.57；晚期页岩样品Si/（Si +Al + Fe）为0.76~0.90，平均值为0.84，说明龙潭组早期页岩与晚期页岩所含硅质矿物的成因不同，前者与陆源输入有关，后者主要与生物成因有关。
通过陆源输入及硅质来源综合判断，龙潭组早期的黏土质硅质页岩、黏土质钙质页岩中硅质来源于陆源碎屑输入，龙潭组晚期的黏土质硅质页岩、硅质页岩中硅质来源于生物成因。
3.4 古海洋生产力古生产力与水体的营养程度有关，营养供给越充沛，生命活动越繁盛，固碳能力越强，生产力越大[27]。利用主量元素磷（P）和微量元素镍（Ni）、铜（Cu）对古生产力进行分析。
P是一种重要的营养元素，同时也是生物骨骼的组成部分，生物死亡后被埋藏在沉积物中，可以用来表征古生产力的大小[28]。由于川东地区受陆源物质输入的影响，使用P/Ti可以削弱这种影响，更准确地反映古生产力状况。
Cu，Ni能反映水体营养水平，Cu作为微营养元素在水体中被生物摄食，Ni元素含量与海洋生物兴盛与否密切相关，主要靠生物死亡后降解形成的有机质输送到沉积物中，这两者往往与有机质结合或形成有机质络合物沉淀埋藏[29-30]。采用元素Cu，Ni的丰度讨论古生产力，高EFCu，EFNi往往指示高的有机碳通量，反映高的古生产力。
综合3种主微量指标，龙潭组早期P/Ti为0.05~ 0.14，平均值为0.10；EFNi值为1.01~1.33，平均为1.14；EFCu值为1.19~3.36，平均为2.54；龙潭组晚期P/Ti为0.26~1.76，平均为0.66；EFNi值为3.11~ 6.65，平均为5.64；EFCu值为3.67~6.13，平均为4.75，表明龙潭组早期古生产力低于晚期。
3.5 岩相、沉积环境与有机质富集的耦合关系有机质富集主要受控于生产力模式与保存模式，前者指有机碳通量受古气候、古生产力和碎屑通量影响，后者强调氧化还原条件、沉积速率等影响有机质积累[31-33]。同时，沉积环境也控制着岩相的发育及特征[34]。龙潭组沉积早期页岩高Ti/Al、低P/Ti，Ti/Al与TOC含量呈正线性关系，P/Ti与TOC含量基本无相关性（图 5a）。岩相为黏土质硅质混合页岩（D17，D18号样品），有机质类型为Ⅲ型，主要显微组分为镜质组，平均体积分数为60.0%（参见表 2），说明有机质来源为陆源高等植物。由此表明，早沉积时期页岩有机质富集由古生产力与陆源输入共同控制。
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下载原图 图 5 川东地区DT002-3井二叠系龙潭组页岩Ti/Al（a），P/Ti（b）与TOC含量的关系 Fig. 5 Relationship of TOC content with Ti/Al(a)and P/Ti(b)of shale of Permian Longtan Formation of well DT002-3 in eastern Sichuan Basin |
龙潭组沉积晚期样品低Ti/Al、高P/Ti，Ti/Al与TOC含量基本无相关性，P/Ti与TOC含量呈正线性关系（图 5b）。岩相为硅质页岩（D1，D3，D6，D9样品），有机质类型为Ⅱ2型，主要显微组分为壳质组，平均体积分数为67.0%（参见表 2），说明有机质来源为海洋藻类植物。由此表明，晚沉积时期有机质富集由古生产力控制。
4 沉积演化模式在全球板块构造格局中，四川盆地二叠纪位于特提斯洋东部构造域，环绕特提斯洋东部和古太平洋[36]。中二叠世末的东吴运动是由地壳裂陷活动衍生的升降运动，使扬子主体地区上升为陆地，在上、中二叠统之间形成区域性不整合面[9]。龙门山和大巴山被严重抬升和广泛侵蚀。随后，晚二叠世峨眉山玄武岩喷发后的热冷却沉降影响了扬子主区整体沉降，海水逐渐加深[37]。
龙潭组早期（图 6a），受东吴运动的影响，华夏古陆面积扩大，进一步抬升剥蚀，川东地区海平面大幅下降，主要沉积了黏土质硅质混合页岩相和黏土质钙质混合页岩相，陆源碎屑流入较多，黏土矿物含量较高，陆源物质成为主要的硅质来源，海水为氧化环境，沉降到海底的有机质受分解者的消耗，不利于其保存和埋藏，但陆源输入大，大量高等植物碎屑等被带入，造成有机碳含量较高。
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下载原图 图 6 川东地区二叠系龙潭组富有机质页岩沉积模式 Fig. 6 Sedimentary model of organic-rich shale of Permian Longtan Formation in eastern Sichuan Basin |
龙潭组晚期（图 6b），海平面持续上升，川东地区海水加深，海相生物生存空间增大，海底硅质生物遗骸、营养物质等进入陆棚，促进了硅质生物的繁盛，陆源碎屑供给相对前期减弱，此外生物呼吸作用消耗了海水中大量的氧气，使得水体分层，上层为氧化环境，下层为缺氧环境，这种环境有利于沉积物质的保存，沉积了富有机质硅质页岩。
综上所述，龙潭组页岩沉积时环境多变，深水环境下发育硅质页岩，具有高古生产力，高脆性矿物，且利于压裂开发，是源、储条件好的有利层段，而浅水环境下发育黏土类混合页岩相，具有低古生产力、低脆性矿物，尽管有机质丰度较高，但多为陆源输入且黏土矿物含量过多，相对不利于后期开采，不作为优选层段。
5 结论（1）川东地区二叠系龙潭组发育硅质页岩、黏土质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩、钙质硅质混合页岩4种岩相，其中前3种发育广泛。
（2）川东地区二叠系龙潭组沉积时期的古环境由氧化—次氧化环境向还原环境转变。早期为氧化—次氧化环境，主要发育黏土质钙质混合页岩；晚期为还原环境，主要发育硅质页岩；黏土质硅质页岩在2种环境下均有沉积，硅质来源不同，浅水环境下主要含陆源硅、深水环境下为生物硅。
（3）川东地区二叠系龙潭组岩相、有机质富集与古环境之间存在耦合关系。早沉积时期的氧化环境及陆源输入导致其以黏土质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩为主，含陆源碎屑石英，有机质为Ⅲ型，主要来源于高等植物碎片，有机质富集受古生产力和陆源输入强度等共同控制；晚期的还原环境及低强度的陆源输入导致其以硅质页岩为主，有机质多来源于海洋藻类植物，为Ⅱ2型，主要受古生产力控制。
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