四川盆地及周缘龙马溪组热页岩特征及高U值成因

四川盆地及周缘龙马溪组热页岩特征及高U值成因
魏祥峰
【摘要】与北非地区下志留统热页岩相对应,在四川盆地及周缘龙马溪组底部同样发育了一套大面积分布、高伽马值、高放射性的热页岩,综合利用钻井、测录井以及地化等资料,在建立该套热页岩的识别标准的基础上,开展了热页岩发育特征、高U值成因的研究,并探讨了该套热页岩在页岩气勘探中的意义.结论认为:第一,区别于北非地区利用GR值划分热页岩,四川盆地及周缘利用页岩的密度和铀值能更好的将龙马溪组热页岩(TOC≥2%)识别出来,通常热页岩的密度小于2.62 g/cm3,铀值大于8.5×10-6;第二,发现四川盆地及周缘龙马溪组热页岩总体发育,在远离物源的深水陆棚区厚度一般大于20 m,但在湘鄂西来凤—宣恩—恩施地区发生异常,明显变薄,一般在1.5~10 m,分析宜昌上升是造成该地区热页岩不发育的主要原因;第三,热页岩中碳酸盐矿物含量在平面分布上有所差异,在川南—川西南地区含量普遍大于10%,为含钙质硅质热页岩,而在川东北—湘鄂西—川东南则普遍小于10%,主要为硅质热页岩;碳酸盐矿物含量的差异会影响热页岩的可压性并造成压裂液配方不同;第四,在龙马溪组热页岩底部发现了一套"异常高铀、异常高伽马"的层段,整套热页岩不仅对页岩气富集、高产起到积极的作用,同时其还可作为水平井钻进的标志层,对水平井在优质热页岩高中靶具有良好的指示作用.
【期刊名称】《油气藏评价与开发》
【年(卷),期】2017(007)003
【总页数】8页(P59-66)
【关键词】页岩气;热页岩;高铀值成因;龙马溪组;四川盆地及周缘
【作者】魏祥峰
【作者单位】中国石化勘探分公司,四川成都 610041
【正文语种】中文
【中图分类】TE122
四川盆地是世界级的富油气盆地之一，已发现了普光、元坝、安岳等多个千亿方级常规气田；2015年底，国内首个大型商业性页岩气田——涪陵页岩气田50亿方产能建设的顺利完成[1]，证实了四川盆地在非常规页岩气领域也具有巨大的勘探潜力。

勘探实践表明，四川盆地及周缘志留系龙马溪组（S1l1）下部发育了一套暗色泥页岩，具有大面积分布、高伽马值、高放射性的特点，是一套典型的热页岩（Hot Shale），与北非及中阿拉伯诸盆地古生界下志留统底部典型的热页岩相对应，作为页岩气目前勘探的主力层系，得到了国内外学者的广泛关注[2-11]，多篇论文分别从该套页岩的沉积背景、成烃和孔隙演化、页岩气富集主控因素等方面进行了探讨，但对该套热页岩的划分标准、最底部的特高伽马和U值层段的特征、高铀值成因以及其对页岩气勘探的作用研究较少，因此，针对这些问题，笔者在对典型井龙马溪组热页岩识别的基础上，对该套页岩的发育特征及高铀值成因进行了探讨，并总结了其对页岩气勘探的意义，期望研究成果对四川盆地及周缘页岩气勘探开发具有一定的借鉴作用。

1.1 热页岩形成背景
Cole等对北非地区热页岩形成的主控因素进行的总结[12]，认为：①稳定的被动大陆边缘构造环境；②幅员辽阔平坦的陆表海大陆架；③冰川消融导致海平面快速上升；④北冈瓦纳大陆架上升流形成高原始有机质生产率；⑤古隆起导致内陆架盆地富营养水体产生分层；⑥陆源粗碎屑输入较少；⑦缺氧环境等条件，有利于热页
岩的发育。

四川盆地及周缘龙马溪组热页岩的形成条件除在①、④与北非地区有所不同外，其他条件则非常相似；其中古构造环境并不是像北非地区的被动大陆边缘，而为“多隆夹一坳”的欠补偿闭塞性盆地，在这种古构造环境背景下，周边的多个古隆起不仅对盆地内海水的循环起到了一定的阻隔作用[13]，而且会造成通常在大陆斜坡部位形成的上升流很难影响到欠补偿闭塞性盆地内部的大部分地区。

另外中上扬子地区大面积分布的龙马溪组暗色泥页岩有机质组分以菌藻类为主[14]，这暗示了营光合作用的海洋微生物是有机质的主要来源，浅海透光带富氧的表层水有利于生烃母质生物的繁衍，造就了龙马溪组底部具有较高的古生产力，加之冰川消融导致海平面快速上升、陆源粗碎屑输入较少以及缺氧环境等条件相互良好匹配的作用，造就了四川盆地及周缘龙马溪组底部热页岩的广泛分布。

1.2 热页岩划分标准
在北非地区，下志留统页岩的自然伽马（GR）和有机碳含量（TOC）通常具有非常一致的变化关系，因此，根据GR值可将下志留统页岩划分为热页岩、温页岩和冷页岩，热页岩由于形成于缺氧还原环境，通常具有高的伽马射线值（GR≥150 API），为优质烃源岩（TOC≥2%）[15-17]。

在四川盆地及周缘龙马溪组底部的热页岩，同样具有颜色较暗、粉砂质含量少，黄铁矿、笔石发育以及高TOC的特征（图1），但是与北非地区明显不同的是：龙马溪组富有机质页岩TOC虽然与GR值呈正相关关系，但二者之间的相关性并不太好，页岩的GR值多集中分布于150～220 API，其并不能很好的将TOC≥2%和TOC＜2%的样品区分开（图
2a）。

本文以涪陵页岩气田重点探井为例，利用岩心TOC分析数据同10条常规测井曲线进行相关性分析，发现TOC与密度曲线值相关性最好（图2b），其次为铀曲线值（图2c），因此，可以根据密度或铀值基本上可以将富有机质的热页岩（TOC≥2%）与贫有机质页岩清晰的区分开，一般热页岩的密度小于2.62
g/cm3，铀值大于8.5×10-6（图1）。

1.3 热页岩发育特征
1.3.1 热页岩平面分布
根据上述热页岩的判识标准，对四川盆地及周缘典型页岩气井龙马溪组热页岩进行了识别，认为四川盆地及周缘龙马溪组热页岩普遍发育，纵向上全部位于龙马溪组底部（图3），具有低密度、高铀值特征，纵向上连续，且从上至下具有密度变小、铀值和TOC值增大的趋势。

平面上热页岩则在远离物源的盆地中心深水陆棚沉积区厚度较大，普遍在20 m以上（图4），尤其在四川盆地长宁—威远、焦石坝以及巫溪地区普遍较厚，达到30～40 m。

但在远离物源的局部地区热页岩也有不发育的特殊情况，如湘鄂西的来凤—宣恩—恩施地区，在此钻探的多口页岩气井已证实该地区热页岩明显变薄，其中HY1、LY1、YZ1井龙马溪组热页岩仅分别厚3.6 m、1.2 m、10.9 m，陈旭院士认为，宜昌上升是影响该地区热页岩不发育的主要原因，宜昌上升造成了湘鄂西恩施等地区龙马溪组底部发生沉积间断，其中湖北恩施太阳河剖面龙马溪组底部仅见到Coronograptus cyphus带以上的地层，而缺失了赫南特亚阶至兰多维列
世鲁丹阶Cystograptus vesiculosus带的全部地层[18]。

由于该地区热页岩厚度
较薄，因此，形成页岩气的物质基础条件相对略差。

1.3.2 热页岩矿物成分差异性
页岩气商业开发一般需要对储层进行大型水力压裂改造，产生微裂缝使天然气顺利排出，因此，必须要求页岩具有一定的脆性。

对于龙马溪组热页岩其脆性矿物成分主要由硅质矿物和碳酸盐矿物组成，但研究发现，在四川盆地及周缘龙马溪组热页岩的碳酸盐矿物含量在平面上总体具有从川东北、湘鄂西、川东南地区到川南、川西南地区碳酸盐矿物矿量有逐渐增大的趋势，在川西南、川南威远—长宁—仁怀—林滩场—丁山一带，龙马溪组热页岩碳酸盐含量普遍大于10%，最高可达到20%
左右（表1），因此，本文将该地区热页岩命名为含钙质硅质热页岩，而丁山地区以北和川东北地区碳酸盐含量普遍小于10%，钙质含量不参与定名，主要为硅质
热页岩。

分析川南和川西南地区碳酸盐岩含量较高的原因可能一方面这些地区处于相对更为闭塞的环境，另一方面其物源也与川东南和湘鄂西地区明显不同，其主要来自于黔中隆起。

因此，根据以上碳酸盐岩含量的分区，本文也将龙马溪组底部深（浅）水陆棚沉积亚相划分为含钙质硅质深（浅）水陆棚和硅质深（浅）水陆棚两个微相，长宁—威远地区主要为含钙质硅质深水陆棚（图5）。

虽然碳酸盐矿物的含量在不同地区发生一定的变化，但通过代表井龙马溪组热页岩的碳酸盐岩含量与TOC相关性分析可知，碳酸盐岩含量对页岩TOC影响不大
（图6）。

但在其他情况相同的情况下，钙质含量越高，硅质含量会有一定的降低，页岩的杨氏模量会降低，泊松比会增加[19]（图7），这会对页岩可压裂性从内在因素就造成了一定的影响，另外由于碳酸盐矿物含量的增加，也会对水平井压裂方案尤其在压裂液的配方方面造成一定的影响。

2.1 异常高GR、U值热页岩层段的识别
前文已论述龙马溪组底部热页岩的特征，并确定了该套热页岩通常具有TOC≥2%，在测井曲线上表现为密度小于2.62 g/cm3、铀值大于8.5×10-6的特征，但在该
套热页岩的底部还发育一套极为“特别”的热页岩层段，其与热页岩的中上部在岩性上没有较大的差异，同为灰黑色碳质笔石页岩，但其最为特殊的为具有“异常高铀、异常高伽马”的特征，在JY1井中对应2 409.53～2 411.00 m（图1），另
外同样也体现出低密度、高声波时差的特征。

该热页岩层段一般厚0.5～3.5 m；
铀值一般大于20×10-6，平均最高值可达到33×10-6；伽马值一般大于250 API，平均最高值可达到350 API（表2）；其在川东南、川南地区钻井均可识别，可作为龙马溪组底部的区域标志层。

2.2 高U值成因
关于对黑色页岩中铀的成因，多位国内外专家进行了相关的研究，刘继顺[20]、Anderson等[21]和Barnes等[22]认为有机质在铀的富集过程中起着很重要的作用；秦燕等[23]总结了U一般会通过以下4种方式运移到沉积物中：①生物萃取铀，这些生物体中的有机碳被保存下来形成富含有机质的沉积物；②在还原条件下，有机质吸附或者与U6+络合沉积，形成U—有机质络合物；③在还原水体中，
U6+向U4+转化，U随着沉积作用保存下来；④溶解的U6+通过沉积物/水界面
扩散，被还原为 U4+沉淀。

Koehenov[24]、Fisher[25]和张文正等[26]发现磷灰
石在铀富集过程中也具有重要作用。

目前，关于黑色岩系中的铀含量报道较多，但对龙马溪组这套“异常高铀、异常高伽马”热页岩层段高U值成因鲜有探讨，因
此本文综合运用岩石地球化学、电子探针等方法，对其铀富集的控制因素进行了研究。

通过研究，龙马溪组沉积初期具有丰富的铀源、缺氧的沉积环境、高含量的有机质及磷酸钙的富集共同促进了热页岩底部层段富铀的特征。

四川盆地五峰组—龙马
溪组底部发育了多套斑脱岩，在奥陶系和志留系界线附近尤其发育，其中五峰组中发育了多达26层的钾质斑脱岩，多呈薄层状，单层厚2～30 mm不等（图8），反映了同期火山喷发作用十分频繁，虽然这些薄层的凝灰岩已遭受了蚀变作用，但其放射性元素含量仍较高，铀含量仍主要分布在（5～15）×10-6，这在一定程度上反映其在蚀变前U值更高，因此其可能为龙马溪组热页岩高U值含量的重要铀源。

晚奥陶世—早志留世远源的火山灰进人滞留洋盆水体，火山灰被氧化性水体溶解
或溶蚀，析出富U6+水体；在缺氧、还原环境的沉积成岩作用过程中，洋盆底层
水与洋盆底裂隙水发生交换作用，使铀从水体中向龙马溪组黑色页岩中扩散、迁移，一部分铀被龙马溪组底部富集的有机质吸附沉淀；另外本文利用电子探针，在龙马溪组底部发现了较为富集的磷酸钙矿物（图9），这些磷酸钙矿物具一方面有较强
的吸附铀的能力。

同时，由于U4+与Ca2+的半径相近，电负性相似，铀也能以
类质同像的形式置换磷灰石中的钙，共同沉淀下来，从而早成铀元素富集于暗色泥岩中，形成放射性异常。

北非及中阿拉伯诸盆地在对热页岩研究过程中，主要从烃源岩和盖层的角度，描述了其对整个含油气系统的贡献作用，而本文将结合近期四川盆地及周缘海相页岩气的勘探，从页岩气的角度对热页岩的贡献进行分析。

1）热页岩发育是页岩气藏富集、高产的物质基础。

由于页岩气来源于自身层系烃源岩，因此龙马溪组热页岩的发育贯穿了页岩气富集的整个过程。

以JY1井龙马溪组热页岩为例，其厚度为33.5 m，有机碳的平均值达到3.65%，远大于上部温、冷页岩TOC的平均值（1.65%），其在地质历史过程中，生烃强度达到34.82×108m3/km2左右，占到整个页岩气层的58%左右，为页岩气层提供了充足的气源。

热页岩作为页岩气的储集体，其由于高TOC，加
之有机质类型好、热演化程度适中，具备亲油性的纳米级有机孔隙相对温、冷页岩更为发育，更有利于页岩气的吸附和储集，因此热页岩也表现出含气量更高的特征；在可压性方面，由于龙马溪组页岩脆性指数与TOC呈现良好的正相关关系，反映了龙马溪组底部高TOC的热页岩可压裂性相对更好。

以上的特征反映了该套热页岩的发育程度，直接决定了页岩气的富集程度以及后期可压性。

2）异常高GR、U值热页岩层段可作为水平井中靶的标志层。

目前四川盆地及周缘所有页岩气井均选择龙马溪组底部的热页岩作为水平井靶窗进行钻进，但由于地震资料的分辨率、成像以及地下地质条件的复杂性等问题的存在，造成水平井的轨迹往往偏离优质热页岩。

在水平井钻井过程中，虽然在现场录井时，对岩屑的TOC进行了随钻测定，但由于水平井目前多采用油基泥浆，这对TOC
的测井结果有很大的影响，因此，仅根据TOC相对值的变化判别井轨迹穿越在哪个层位，可靠性变低；而在随钻测井方面，相关单位也利用密度、电阻率等测井曲
线进行了尝试，但从页岩气层底部到顶部，由于粉砂质含量、碳质含量等是逐渐变化的，岩性基本相似，在以上曲线上并没有突变的标志层，因此利用密度、电阻率测井曲线确保井轨迹在最好的热页岩中穿越，可靠性同样较低。

而龙马溪组底部“异常高铀、异常高伽马”热页岩的存在，其具有明显的高GR值（比上、下热页岩高了近100 API），因此在利用随钻GR曲线时，可作为水平井中靶的标志层，此方法已在焦石坝、丁山地区等到良好的应用，较好的解决了水平井在高TOC热页岩的高中靶率。

1）区别于北非地区利用GR值划分热页岩，本文利用页岩密度和铀值建立了适合
四川盆地及周缘龙马溪组热页岩的划分标准，即龙马溪组热页岩（TOC≥2%）通
常密度小于2.62 g/cm3，铀值大于8.5 ×10-6。

2）明确了四川盆地及周缘龙马溪组热页岩的展布特征，发现在远离物源的深水陆棚区厚度一般大于20 m，但在同样远离物源的湘鄂西来凤—宣恩—恩施地区发生异常，明显变薄，一般在1.5～10 m，页岩气形成物质基础变差，分析宜昌上升
是造成该地区热页岩不发育的主要原因。

3）四川盆地及周缘龙马溪组热页岩由于物源和闭塞环境差异性造成了碳酸盐矿物含量平面分布有所变化，其中在川南—川西南地区含量普遍大于10%，为含钙质
硅质热页岩，而在川东北—湘鄂西—川东南则普遍小于10%，主要为硅质热页岩；碳酸盐矿物含量的增加会降低热页岩杨氏模量、增加泊松比，影响了热页岩的可压性并造成压裂液配方在两个大区会有所不同。

4）龙马溪组整套热页岩对页岩其勘探具有重要的作用，其是页岩气藏富集、高产的物质基础；另外在该套热页岩底部还发现了一套“异常高铀、异常高伽马”的层段，可作为水平井钻进的标志层，对水平井在优质热页岩高中靶具有良好的指示作用，而龙马溪组沉积初期具有丰富的铀源、缺氧的沉积环境、高含量的有机质及磷
酸钙的富集是其富铀的主要原因。

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