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基于米兰科维奇理论页岩岩相组合研究——以四川盆地南部龙马溪组一段为例

黄璞 熊亮 詹国卫 程洪亮 赵勇 张世华

黄璞, 熊亮, 詹国卫, 程洪亮, 赵勇, 张世华. 基于米兰科维奇理论页岩岩相组合研究——以四川盆地南部龙马溪组一段为例[J]. 沉积学报, 2025, 43(4): 1461-1474. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
引用本文: 黄璞, 熊亮, 詹国卫, 程洪亮, 赵勇, 张世华. 基于米兰科维奇理论页岩岩相组合研究——以四川盆地南部龙马溪组一段为例[J]. 沉积学报, 2025, 43(4): 1461-1474. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
HUANG Pu, XIONG Liang, ZHAN GuoWei, CHENG HongLiang, ZHAO Yong, ZHANG ShiHua. Research on Shale Facies Combination Based on Milankovitch Theory: A case study from the 1st member of Longmaxi Formation in the southern Sichuan Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2025, 43(4): 1461-1474. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
Citation: HUANG Pu, XIONG Liang, ZHAN GuoWei, CHENG HongLiang, ZHAO Yong, ZHANG ShiHua. Research on Shale Facies Combination Based on Milankovitch Theory: A case study from the 1st member of Longmaxi Formation in the southern Sichuan Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2025, 43(4): 1461-1474. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119

基于米兰科维奇理论页岩岩相组合研究——以四川盆地南部龙马溪组一段为例

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
基金项目: 

中石化科技部课题 P22041

中国石化西南油气分公司科技项目 KJ-700-2218

详细信息
    作者简介:

    黄璞,女,1992年出生,硕士研究生,工程师,非常规油气地质、测井,E-mail: 527210948@qq.com

    通讯作者:

    熊亮,男,教授级高级工程师,天然气勘探生产及相关技术管理,E-mail: xiongliang.xnyq@xinopec.com

Research on Shale Facies Combination Based on Milankovitch Theory: A case study from the 1st member of Longmaxi Formation in the southern Sichuan Basin

  • 摘要: 目的 基于米兰科维奇理论为地层科学搭建等时页岩岩相组合框架,设计一种页岩岩相精确表征方法,对评价页岩岩相组合纵、横向非均质变化、研究区域沉积模式具有重要意义。 方法 通过Lithoscanner元素扫描测井、多矿物模型准确计算出页岩矿物成分并以此划分岩相,同时采用Ipsom督导神经网络算法开展无Lithoscanner元素扫描测井资料的气井岩相识别工作;通过频谱分析、最优沉积速率估算、高斯滤波等时间序列分析方法提取地层米兰科维奇旋回。 结果 威荣地区龙马溪组一段地层包含12类岩相;以观音桥段顶面为锚点可划分出8个四级层序与24~26个五级层序。将四级层序上下边界作为岩相组合框架,分析组合内岩相占比百分数发现,龙一段中下部E1至E4岩相组合呈现出岩相类型多、主力岩相占比变化快的特点,E5至E8岩相组合纵、横向变化相对较小。 结论 基于岩相组合变化及其所对应的三类页岩沉积模式,揭示了该地区岩相组合纵横向差异主要受气候影响的海洋生产力、川中古陆陆源供给以及岩相古地理三方面影响。页岩岩相组合量化研究结果及其所反映的局部沉积模式可为区域内有利岩相位置预测、油气勘探有利区更精准预判提供新思路。
  • 图  1  研究区位置及威荣页岩气田龙马溪组底面构造图

    Figure  1.  Location of the study area and bottom structure map of the Longmaxi Formation in the Weirong shale gas field

    图  2  威荣地区五峰组—龙一段GR曲线、MTM频谱分析、长短偏心率滤波、滑动频谱分析图

    Figure  2.  Gamma ray (GR) curve, Multi⁃taper method (MTM) spectrum analysis, long short eccentricity filtering, and sliding spectrum analysis of the Wufeng Formation⁃1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

    图  3  威荣地区五峰组—龙一段COCO与eCOCO分析结果

    Figure  3.  Analysis results of COCO and eCOCO of the Wufeng Formation⁃1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

    图  4  (a)页岩三端元命名方案;(b)威荣地区五峰组到龙一段页岩岩相类型

    Figure  4.  (a) Naming scheme of three terminal elements of shale; (b) lithofacies types of the Wufeng Formation⁃1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

    图  5  A1岩性扫描测井岩相与Ipsom机器建模岩相对比图

    Figure  5.  Comparison between lithology scanning logging lithofacies and Ipsom machine modeling lithofacies

    图  6  威荣地区龙一段四级层序、五级层序与岩性连井剖面图

    Figure  6.  Fourth order sequence, fifth order sequence, and lithological well connection profile of the 1st member of Longmaxi Formation in Weirong area

    图  7  威荣地区龙马溪组一段主要岩相岩心(a1⁃f1)、电成像(a2⁃f2)、薄片图(a3⁃f3)

    Figure  7.  Core (a1⁃f1), electrical imaging (a2⁃f2), and thin section images (a3⁃f3) of the main lithofacies of the 1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

    图  8  威荣地区龙一段岩相组合连井剖面

    Figure  8.  Well connection profile of stratigraphic lithofacies combination of the 1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

    图  9  威荣地区龙马溪组一段页岩形成环境及沉积模式示意图

    Figure  9.  Schematic diagram of the shale formation environment and sedimentary mode of the 1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

    表  1  研究区测井与岩心实验分析资料收集情况表

    Table  1.   Collection of logging and core experiment analysis data in the study area

    资料分类项目井号
    A1井A2井A3井A4井
    测井资料综合测井GR、AC、CNL、DEN、双侧向电阻率
    能谱测井U、TH、KU、TH、KU、TH、K
    Lithoscanner
    电成像测井FMIXRMIXRMIXRMI
    实验分析XRD矿物衍射实验(件次)605113852
    有机碳分析(件次)137518778
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    表  2  岩相变化次数统计表

    Table  2.   Statistics for the number of changes in lithofacies

    岩相组合井号岩相种类A1井/次岩相种类/种A2井/次岩相种类/种A3井/次岩相种类/种A4井/次岩相种类/种
    E110513614586
    E28316512474
    E32216415452
    E4331144392
    E51127273112
    E642928283
    E722127362
    E801221222
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-07
  • 修回日期:  2023-11-09
  • 录用日期:  2023-12-16
  • 网络出版日期:  2023-12-16
  • 刊出日期:  2025-08-10

目录

    基于米兰科维奇理论页岩岩相组合研究——以四川盆地南部龙马溪组一段为例

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
      基金项目:

      中石化科技部课题 P22041

      中国石化西南油气分公司科技项目 KJ-700-2218

      作者简介:

      黄璞,女,1992年出生,硕士研究生,工程师,非常规油气地质、测井,E-mail: 527210948@qq.com

      通讯作者: 熊亮,男,教授级高级工程师,天然气勘探生产及相关技术管理,E-mail: xiongliang.xnyq@xinopec.com

    摘要: 目的 基于米兰科维奇理论为地层科学搭建等时页岩岩相组合框架,设计一种页岩岩相精确表征方法,对评价页岩岩相组合纵、横向非均质变化、研究区域沉积模式具有重要意义。 方法 通过Lithoscanner元素扫描测井、多矿物模型准确计算出页岩矿物成分并以此划分岩相,同时采用Ipsom督导神经网络算法开展无Lithoscanner元素扫描测井资料的气井岩相识别工作;通过频谱分析、最优沉积速率估算、高斯滤波等时间序列分析方法提取地层米兰科维奇旋回。 结果 威荣地区龙马溪组一段地层包含12类岩相;以观音桥段顶面为锚点可划分出8个四级层序与24~26个五级层序。将四级层序上下边界作为岩相组合框架,分析组合内岩相占比百分数发现,龙一段中下部E1至E4岩相组合呈现出岩相类型多、主力岩相占比变化快的特点,E5至E8岩相组合纵、横向变化相对较小。 结论 基于岩相组合变化及其所对应的三类页岩沉积模式,揭示了该地区岩相组合纵横向差异主要受气候影响的海洋生产力、川中古陆陆源供给以及岩相古地理三方面影响。页岩岩相组合量化研究结果及其所反映的局部沉积模式可为区域内有利岩相位置预测、油气勘探有利区更精准预判提供新思路。

    English Abstract

    黄璞, 熊亮, 詹国卫, 程洪亮, 赵勇, 张世华. 基于米兰科维奇理论页岩岩相组合研究——以四川盆地南部龙马溪组一段为例[J]. 沉积学报, 2025, 43(4): 1461-1474. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
    引用本文: 黄璞, 熊亮, 詹国卫, 程洪亮, 赵勇, 张世华. 基于米兰科维奇理论页岩岩相组合研究——以四川盆地南部龙马溪组一段为例[J]. 沉积学报, 2025, 43(4): 1461-1474. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
    HUANG Pu, XIONG Liang, ZHAN GuoWei, CHENG HongLiang, ZHAO Yong, ZHANG ShiHua. Research on Shale Facies Combination Based on Milankovitch Theory: A case study from the 1st member of Longmaxi Formation in the southern Sichuan Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2025, 43(4): 1461-1474. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
    Citation: HUANG Pu, XIONG Liang, ZHAN GuoWei, CHENG HongLiang, ZHAO Yong, ZHANG ShiHua. Research on Shale Facies Combination Based on Milankovitch Theory: A case study from the 1st member of Longmaxi Formation in the southern Sichuan Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2025, 43(4): 1461-1474. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.119
      • 以往学者大多采用岩心观察法和X射线衍射(XRD)实验数据分析法开展页岩岩相研究,前者因页岩高总有机碳(TOC)含量导致颜色相变特征而难以观察,后者因采样密度较低难以发现岩相在更小尺度下的频繁变化。一直以来学者均认为深水陆棚下的页岩岩相种类相对单一,纵横向变化不明显[12]。通过对四川盆地南部威荣地区龙马溪组一段开展Lithoscanner元素扫描测井研究发现其具有10余类岩相,特别在目前勘探开发主力地层即龙一段中下部岩相具有多层叠置特征,如何真实、量化表征此类复杂岩相组合成为新难点。

        岩相组合指按照一定叠置次序构成的能反映环境条件规律性演化并存在一定成因联系的岩相组合体[3]。若能建立客观岩相组合框架将地层划分为若干岩相组合,分析组合内岩相空间展布特征、量化岩相占比,可大幅增强岩相研究与油气勘探开发之间的联系。目前,尚未有学者提出客观划分页岩岩相组合界面的方法。本文以具有客观性、组合划分应一定程度体现沉积环境为基本要求,寻找全新页岩岩相组合划分方法。

        米兰科维奇理论地层信号特征被广泛地运用于陆相泥页岩分析[46],近年来不少学者开展了海相页岩米兰科维奇旋回分析[711],基于米兰科维奇理论下的时间序列分析方法可以科学提取地层中气候周期性变化信号,划分出地层高分辨层序即四级、与五级层序[1213]。同时也有部分学者将米兰科维奇旋回与地层岩性、岩相[14]、生物特征[15]、沉积速率、有机碳含量等信息开展联合分析,以上说明米兰科维奇理论与岩相、岩相组合应具有较强相关性。因此,本文尝试通过米兰科维奇理论为地层搭建页岩岩相组合框架,并结合岩相分类,识别出地层若干岩相组合,量化组合内部差异、对比井间组合差异,进而明确页岩地层非均质性特征及其变化趋势,为区域内预测有利岩相位置、精准判断油气勘探有利区提供可靠依据。

      • 威荣页岩气田地处上扬子板块四川盆地南部川西低褶构造带白马向斜内,研究区在加里东晚期、印支早期构造变化相对微弱,在印支晚期—燕山早期形成过五峰组—龙马溪组一段的大千断裂与白沙断裂,分别位于白马地区东西两侧,形成白马现今构造,在燕山晚期—喜山期—现今白马地区不再受大型断裂构造影响,白马向斜特征得以保持[16]。因此,威荣地区古构造特征与现今构造特征基本一致,总体发育向斜局部构造自西向东依次为西部次凹、中部凸起和东部次凹,呈“两凹一凸”的特征[17]图1b)。

        图  1  研究区位置及威荣页岩气田龙马溪组底面构造图

        Figure 1.  Location of the study area and bottom structure map of the Longmaxi Formation in the Weirong shale gas field

        上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩埋深大于3 000 m,地层厚度30~120 m,发育四个三级层序,分别对应五峰组、龙马溪组一段(龙一段)、龙马溪组二段(龙二段)以及龙马溪组三段(龙三段)。沉积微相以硅质深水陆棚、富灰硅质深水陆棚、富硅泥质深水陆棚等岩相为主[17],岩性上五峰组主要发育灰黑—黑色含生屑碳质页岩,可见大量笔石,观音桥段见赫兰特贝;龙一段主要发育黑色碳质笔石页岩、碳质放射虫笔石页岩。

      • 收集威荣地区A1井、A2井、A3井、A4井4口井测井资料与岩心柱样开展测井解释与测试分析(表1):(1)综合、能谱测井资料由ECLIPS-5700测井仪测定;(2)岩性扫描测井由脉冲中子发射仪器测量;(3)电成像测井由FMI微电阻率成像测井仪与XRMI成像测井仪器测量;(4)有机碳含量依据标准GB/T 19145—2003《沉积岩中有机碳的测定》并由CS-400碳硫测定仪进行测试分析;(5)矿物衍射实验根据SY/T 5163—2010《沉积岩中的黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》并由X’Pert Powder仪器测试分析。Techlog软件进行测井处理与解释。

        表 1  研究区测井与岩心实验分析资料收集情况表

        Table 1.  Collection of logging and core experiment analysis data in the study area

        资料分类项目井号
        A1井A2井A3井A4井
        测井资料综合测井GR、AC、CNL、DEN、双侧向电阻率
        能谱测井U、TH、KU、TH、KU、TH、K
        Lithoscanner
        电成像测井FMIXRMIXRMIXRMI
        实验分析XRD矿物衍射实验(件次)605113852
        有机碳分析(件次)137518778
      • 通过米兰科维奇理论中轨道要素可以为页岩建立高分辨率层序地层格架[1819],理论认为偏心率变化对地球公转轨道产生影响,影响日照量分布进而影响全球气候变化,当偏心率较大时,地球整体接受日照量多,为间冰期,气候暖湿,季节性增强,奥陶系—志留系时期理论中的长、短偏心率比值分别为405∶125∶95[2021]。地层中可能存在多个古气候记录的信号,也可能包含各种环境噪音,因此要对信号中特定波段频率进行去除,将滤波有效信号提取出来[22]

      • 频谱分析是将时间序列的信号强度按频率顺序展开为频率的函数(式1),其目的就是从众多信号与杂音中识别出代表天文规律的周期性信号[2324]

        Fw=Fft=-f(t)e-iwtdt (1)

        在划分页岩高频层序过程中,由于自然伽马(GR)测井曲线有效记录了地层沉积信息,在时间序列研究中被广泛作为分析的基础数据[8,14]。天文旋回数量受到原始GR曲线长短、形态的严格控制,因此截取五峰组—龙一段地层GR曲线开展频谱分析是保证旋回准确性的基础。对各井GRD曲线在Matlab平台中进行去趋势化处理。窗口采用大小为28~32 m用于保留天文轨道中长偏心率周期,依次采用LOWESS、rLOWESS、LOESS以及rLOWESS算法,对比去趋势化曲线形态优选rLOWESS结果进行频谱分析。频谱分析同时采用Multi-Taper Method(MTM)算法和滑动频谱分析开展运算,MTM频谱分析中设置平滑窗口0.2,提取置信度高于90%的谱峰对应的沉积厚度与谱峰进行比例分析,确定各井405 kyr长偏心率周期、125 kyr短偏心率周期以及95 kyr短偏心率周期对应的沉积厚度以及频率(图2),A1井对应的三个偏心率厚度分别为11.30 m、3.72 m、2.39 m;A2井为11.40 m、3.65 m、2.74 m;A3井为9.82 m、3.19 m、2.38 m;A4井为10.10 m、2.96 m、2.61 m。

        图  2  威荣地区五峰组—龙一段GR曲线、MTM频谱分析、长短偏心率滤波、滑动频谱分析图

        Figure 2.  Gamma ray (GR) curve, Multi⁃taper method (MTM) spectrum analysis, long short eccentricity filtering, and sliding spectrum analysis of the Wufeng Formation⁃1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

      • 利用最优沉积速率分别进行相关系数(Correlation Coefficient,COCO)以及进化相关系数(evolution Correlation Coefficiente,eCOCO)两种算法的计算,将深度序列转换为时间序列[25],进而计算COCO、eCOCO和频谱分析对应的沉积速率是否一致,从而提高旋回识别的准确性。

        COCO方法计算出地层沉积速率在2.2~3.1 cm/kyr处的H0显著水平均低于0.001(图3),且参与计算的天文轨道参数分量多于6个。eCOCO分析选取1.3~10.0 cm/kyr的沉积速率区间,滑动步长为0.1cm/kyr、蒙特卡洛模拟2 000次得到图3所示结果,其中红色对应深度最优沉积速率(图3)。根据频谱分析对不同深度段速率进行平均计算显示五峰组—龙一段平均沉积速率为2.26~2.90 cm/kyr与检验法COCO、eCOCO对最优沉积速率的评价结果基本一致,充分证明了频谱分析符合天文轨道驱动条件,研究区龙一段沉积时间长为2.874~3.717 Myr。

        图  3  威荣地区五峰组—龙一段COCO与eCOCO分析结果

        Figure 3.  Analysis results of COCO and eCOCO of the Wufeng Formation⁃1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

      • 将频谱分析所获地层信号用高斯滤波,即可获得405 kyr(长偏心率)周期、125 kyr和95 kyr短偏心率旋回曲线。五峰组—龙一段的长偏心率滤波频率为0.06~0.12 cycles/m,滤波曲线记录五峰组—龙一段的长偏心率旋回周期为9个。基于405 kyr为周期的长偏心率旋回建立固定的时间模型,将长偏心率曲线由深度域转化至时间域,同时获得沉积速率曲线,龙一段沉积速率为2~3 cm/kyr,沉积持续时间为3.3~4.0 Myr。

      • 四川盆地龙马溪组页岩沉积于奥陶纪冰期结束后的早志留世鲁丹期—埃隆期(距今约439~444 Ma),因此以龙一段底部地层年龄约440 Ma作为天文年代调谐的初始锚点,界定本次研究时间范围,建立“浮动天文年代标尺”。基于天文调谐后的时间域旋回数据开展频谱分析,可以验证滤波以及调谐数据的准确性,结果显示置信度较高的频率与天文周期对应,证明了天文调谐结果为可靠数据。

      • 以硅质、黏土质、钙质三类在页岩中最为常见的矿物分类作为页岩岩相划分标准,按照硅质含量=石英含量+钾长石含量+钠长石含量、钙质含量=白云石含量+方解石含量、黏土质含量=伊利石含量+蒙脱石含量,对多种矿物进行分类并计算黏土质、钙质和硅质矿物含量,依据页岩“三端元”岩相划分图版,确定页岩岩相类型。为实现岩相的快速准确划分,本文以“三端元”岩相划分标准,对各类岩相的三端元数值范围进行记录并编写Python程序实现岩相快速划分(图4)。

        图  4  (a)页岩三端元命名方案;(b)威荣地区五峰组到龙一段页岩岩相类型

        Figure 4.  (a) Naming scheme of three terminal elements of shale; (b) lithofacies types of the Wufeng Formation⁃1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

      • 精准度高、连续性强的矿物成分剖面是页岩岩相精细保证的重要基础。本文主要采用Lithoscanner元素扫描测井综合解释技术,该技术基于斯伦贝谢公司脉冲中子发射仪器对地层发出快中子,通过两种相互作用诱发地层释放伽马射线,分析仪依次记录每个伽马射线的脉冲幅度(与能量成正比)、对比计数和脉冲幅度的累积脉冲幅度分布直方图(能谱),通过识别中子释放能量期间以及之后的能谱分离出非弹性和俘获伽马射线。每个频谱分解成由独立元素线性组合的标准能谱。标准能谱的线性组合系数通过修正的地球化学氧化物闭合模型或一种反演方法转换成元素重量百分比[26]。上述方法可从地层中获得间隔仅为0.153 m的连续地层元素数据,其数据密度远高于岩心矿物实验密度。

        导入Lithoscanner元素扫描测井综合解释技术获得的K、Ca、Fe、Si、Al等元素曲线至Techlog测井软件,并作为联立方程组中自变量Xn,选择页岩主要矿物:伊利石、石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石、黄铁矿、干酪根作为联立方程式因变量Yn,基于Techlog软件Quanti-Elan模块优化求解联立测井响应方程组可计算出伊利石、石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石、黄铁矿、干酪根等矿物含量。

        本文同时尝试对未使用Lithoscanner元素扫描测井技术的直井开展矿物成分建模。以A1井为例,利用Lithoscanner元素扫描测井技术解释得到伊利石、石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石、黄铁矿、干酪根等矿物含量,开展“三端元”页岩岩相分类,以3 550个岩相结果作为机器学习样本,在Ipsom岩相识别模块导入常规测井曲线自然伽马(GR)、声波时差(AC)、中子(CNL)、补偿密度(DEN)、自然伽马能谱铀、钍、钾(U、Th、K)基于测井响应特征差异开展模糊聚类分析,获得若干节点集(图5a),导入学习样本进行机器督导学习,将节点集与督导岩相开展配对(图5b),以形成有序的聚类结果(图5c)。有序聚类中各岩相随测井曲线数值大小可区分为不同的类型,从而实现快速岩相识别。将机器学习成果应用于威荣地区A1井并进行建模,结果显示Ipsom岩相(图5d右1列)与基于lithoscanner元素扫描得到的岩相(图5d左2列)匹配度较高,岩相识别准确率为83%,对比XRD矿物衍射实验分类结果准确率为92%(图5d)。

        图  5  A1岩性扫描测井岩相与Ipsom机器建模岩相对比图

        Figure 5.  Comparison between lithology scanning logging lithofacies and Ipsom machine modeling lithofacies

      • 沉积层序级别一般可划分为七级,其中四至六级层序被称作高频层序,其形成与太阳对地球辐射量的周期性变化所引起的冰川消长型全球海平面变化有关[2728]。依据米兰科维奇理论可将一个405 kyr长偏心率周期沉积地层对应一个四级层序,短偏心率周期125 kyr沉积地层对应五级层序[29],相同层序具有等时特性,因此层序起点应为等时界面。五峰组观音桥段沉积时期发生过一次大规模海退事件,在上扬子渝西、川南、黔北、黔中等地均可见[3033],因此可将观音桥段顶部作为“锚点”建立等时层序界面。四级、五级层序均由五峰组观音桥段顶面为界向上划分(图6),威荣地区4口井均可划分为8个四级层序以及24~26个五级层序,四级层序对应相同沉积时间即405 kyr[34],五级层序对应125 kyr沉积时间。

        图  6  威荣地区龙一段四级层序、五级层序与岩性连井剖面图

        Figure 6.  Fourth order sequence, fifth order sequence, and lithological well connection profile of the 1st member of Longmaxi Formation in Weirong area

      • 岩相建模结果显示,威荣地区五峰组—龙马溪组一段发育12类页岩岩相,主要岩相有6种:硅质页岩(S-2)、富硅/泥混合质页岩(M-2)、混合质页岩(M-3)、富泥硅质页岩(S-3)、富硅泥质页岩(CM-1)、富灰/硅混合质页岩(M-1)(图4)。

      • (1) CM-1富硅泥质页岩:灰黑色—灰色,黏土矿物含量介于50%~75%,硅质含量介于25%~50%,TOC小于1.0%,岩心极少见生物碎屑,可见明显明暗条纹,暗色条纹多为直径小于1 mm的黑色水平状泥质纹层(图7a1);由静态电成像图像观察岩性基底相对呈暗色低电阻特征,泥质含量较高,少量发育水平状亮色高阻硅质纹层(图7a2);薄片观察页岩由纳米粒径黏土质纹层、硅质颗粒与钙质颗粒组成,其中黏土质纹层较发育(图7a3)。页岩粒径极细且纹层呈水平状,仅可在极低水动力条件下沉积,指示水体较深的强还原环境。

        图  7  威荣地区龙马溪组一段主要岩相岩心(a1⁃f1)、电成像(a2⁃f2)、薄片图(a3⁃f3)

        Figure 7.  Core (a1⁃f1), electrical imaging (a2⁃f2), and thin section images (a3⁃f3) of the main lithofacies of the 1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

        (2) M-2富硅/泥混合质页岩:灰黑色—黑色页岩,黏土矿物含量介于25%~50%,硅质矿物含量介于25%~50%,钙质含量介于0~25%,TOC介于1.0%~2.0%,岩心可见少量泥质团块(粒径小于5 cm)(图7b1);电成像图片显示基底岩性与CM-1富硅泥质页岩相似呈低阻暗色,表明泥质含量较多,可见部分边界不清晰条纹,反映纹层之间沉积环境为缓慢过渡(图7b2);薄片见较多泥质纹层(图7b3)。纳米粒径的泥质与硅质矿物主要沉积于深水环境。

        (3) M-3混合质页岩:页岩中硅质、钙质与黏土质矿物含量占比均介于25%~50%,TOC介于2.0%~2.5%。黑色页岩,由于TOC较高岩心观察条带特征不明显,仔细观察可见极细纹层,偶见泥质团块或极细浅色硅质或钙质纹层(图7c1);由于硅质与钙质等高电阻矿物成分居多,因此静态电成像图片颜色稍亮,明显可见低阻暗色泥质纹层或泥质团块(图7c2);薄片下可见纳米粒径硅质或钙质碎屑聚集成纹层状分布(图7c3)。钙质含量较多且以纳米级粒径钙质为主,钙质与硅质纹层、条带等仅在微观镜下可观察,表征沉积时水体相对较浅,未见较宽钙质条带表明该时期海平面波动幅度较小。

        (4) S-3富泥硅质页岩:硅质含量介于50%~75%,黏土矿物含量介于25%~50%,钙质含量介于0~25%,TOC大于3.5%,TOC较高页岩呈黑色、污手,可见大量极细纹层(图7d1);静态电成像显示页岩基质呈高阻亮色,其中夹大量泥质纹层或条带呈水平状与硅质条带呈互层状(图7d2);薄片下大量极细粒径硅质矿物发育且由于硅质含量变化呈现纹层状差异(图7d3)。岩相中不同类型纹层互层特征明显指示水体不稳定,此时期偏心率具有较大振幅,全球气候四季差异显著变化。在温暖时期海平面快速上升有利于生物硅生长发育和保存,为页岩提供大量有机质和硅质,因此硅质条带与纹层极为发育,页岩有机质含量高;在气候寒冷时期沉积泥质纹层,上述两种极端气候交替发育形成较多纹层结构。

        (5) M-1富灰/硅混合质页岩:黑色页岩,钙质含量介于25%~50%,硅质含量介于25%~50%,黏土矿物含量介于0~25%,TOC大于3.0%。由于TOC较高岩心纹层、条带等不易辨识(图7e1),仅可见少量黄铁矿纹层和浅色硅质或灰质纹层;静态电成像图片颜色与M-3岩相较相似,可见较多泥质纹层或泥质条带(图7e2),可观察到边界不清晰颜色稍亮硅质或钙质纹层以及少量亮色灰质纹层;在染色薄片下观察此类岩相呈暗红色,表明方解石大量发育,同时可观察到部分石英颗粒组成有序条纹结构(图7e3)。方解石大量沉积说明此时期水体较浅,有利于钙质生物生长,但由钙质仍呈纳米级粒径、钙质条带不发育可知气候波动较小,水深总体稳定。

        (6) S-2硅质页岩:硅质含量介于50%~75%,黏土矿物含量介于0~25%,钙质含量介于0~25%,TOC大于4%,黑色有机质将岩心染色,纹层、条带等特征被掩盖(图7f1),岩心中可见大量笔石化石;由于高电阻率矿物占比较高,静态电成像呈高阻浅色与低阻泥质纹层形成特征明显的明暗条纹,其中以硅质纹层和条带为主呈高阻亮白色(图7f2);薄片可见生物化石,纳米级粒径硅质碎屑含量大于75%,可见大量硅质纹层(图7f3)。该时期偏心率振幅最大,在波峰位置全球气候温暖回升最有利于生物繁殖,受海平面快速上升形成的还原环境有利于有机质保存,有机质含量达龙马溪组峰值,同时生物硅广泛生长为页岩提供大量硅质,偏心率波谷时期全球气候寒冷,沉积泥质纹层。由于沉积环境变化显著,在海平面快速上涨大背景下存在周期性水体震荡,导致页岩沉积纹层特征明显,边界清晰。

      • 建立客观、统一岩相组合划分标准才能对岩相组合差异开展量化分析,以米兰科维奇理论指导下的时间序列分析方法获得的四级层序或五级层序为绝对客观结果而非人为主观判断,可以体现岩相组合划分标准的统一性。同时四级层序具有等时性质,相同层序编号反映等时沉积特性,一般同一时间段内的岩相差异较小,也符合岩相组合最初研究需求。

        岩相组合框架过小划分出几十个岩相组合,信息量分散则不利于学者讨论组合的纵向与横向差异;而框架过大例如厚度几十米也不适宜分析其差异对页岩油气勘探开发的影响。认为与现今页岩压裂缝高10~30 m成倍数比例的岩相组合框架较适宜,根据龙一段平均沉积速率为2~3 cm/kyr推算,四级层序地层厚度8.10~12.15 m,五级层序厚度2.50~3.75 m,在页岩油气地质分析中若研究对象为四级层序仅需分析3~4个组合,五级层序应描述10个组合,因此四级层序作为页岩岩相组合更适合开展地质—工程一体化讨论。建立以四级层序为框架的岩相组合,从而将龙一段划分为E1~E8,8个岩相组合。

      • E1岩相组合包含6种岩相(图68)主要发育硅质页岩岩相(S-2)占比20%~41%、富硅/泥混合质页岩岩相(M-2)占比28%~62%,发育少量S-1富灰硅质页岩、S-3富泥硅质页岩、C-1富硅灰质页岩、C-2灰质页岩、M-1富灰/硅混合质页岩。在E1组合内岩相之间叠置发育,从表2可知A1井岩相组合发生了10次岩相变化,A2井记录相变13次,A3井14次,A4井8次,均表现出多层叠置特征。此外,E1组合中页岩油气勘探有利岩相(S-2、S-3、S-1)占比,A1、A2、A3井S-2岩相占比均高于M-2岩相,占比介于35%~41%,A4井主要岩相为M-2岩相(图7)。

        图  8  威荣地区龙一段岩相组合连井剖面

        Figure 8.  Well connection profile of stratigraphic lithofacies combination of the 1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

        表 2  岩相变化次数统计表

        Table 2.  Statistics for the number of changes in lithofacies

        岩相组合井号岩相种类A1井/次岩相种类/种A2井/次岩相种类/种A3井/次岩相种类/种A4井/次岩相种类/种
        E110513614586
        E28316512474
        E32216415452
        E4331144392
        E51127273112
        E642928283
        E722127362
        E801221222

        E2岩相组合包含5种岩相:主要为混合质页岩岩相(M-3)、富硅/泥混合质页岩岩相(M-2)和富灰/硅混合质页岩岩相(M-1)。A1~A3井均以M-3和M-2岩相为主,A4井主要岩相与其余三井不同为M-1岩相,占比42%。

        E3岩相组合包含5类岩相,主要发育混合质页岩岩相(M-3,占比介于20%~91%)、富硅/泥混合质页岩岩相(M-2,占比介于3%~76%),和富灰/硅混合质页岩岩相(M-1,占比介于0~42%)。M-3岩相在A1井占比91%,A2井占比68%,M-2岩相在A3井占比56%,A4井占比76%。

        E4岩相组合包含4类岩相,主要发育混合质页岩岩相(M-3)、富硅/泥混合质页岩岩相(M-2)。A1井M-3岩相占比54%,而A2、A3、A4井以M-2岩相为主,占比分别为52%、92%、76%。

        E5~E8岩相组合均只发育两类岩相,富硅/泥混合质页岩岩相(M-2)和富硅泥质页岩(CM-1),其中E5岩相组合主要发育M-2岩相(占比介于40%~78%),与CM-1岩相呈互层状态;由E6至E8岩相组合逐渐过渡至以CM-1岩相为主,且不与M-2岩相互层(图6)。

      • 该时期偏心率振幅较大,季节性增强[3536]夏季气候暖湿,冬季寒冷干燥(图6)。大量冰川融化导致海平面上升,四季更迭致使海平面上下波动对陆源冲刷频率增大。夏季生物繁殖生物硅贡献大量有机质与硅质矿物(图9a),海平面快速大幅上涨提供了还原环境。雨水增多和生物、物理风化频繁致使川中古陆持续贡献硅质矿物[37]。海平面快速上升在川中古陆斜坡一侧形成较大范围浅海地带发育潮坪相带,较多浅海生物有利于钙的富集沉积。此时威荣地区海洋生产力与陆源供给均较充足,因此岩相以硅质类占比最高,硅质矿物为页岩岩相主要成分,由靠近古陆至远离古陆地区,陆源供给作用逐渐减弱而生物硅供给不变。因此,A1井至A4井在该时期均可见硅质类岩相发育,但越靠近古陆斜坡一侧,S-2、S-1等硅质类岩相占比越多。

        图  9  威荣地区龙马溪组一段页岩形成环境及沉积模式示意图

        Figure 9.  Schematic diagram of the shale formation environment and sedimentary mode of the 1st member of Longmaxi Formation in the Weirong area

        从偏心率振幅可知,E1沉积时期沉积环境波动明显。在暖湿气候下深水陆棚相沉积S-2硅质页岩、M-2富硅/泥混合质页岩、S-3富泥硅质页岩等岩相;极少数情况下,冬季干冷气候导致海平面下降浅水陆棚环境下钙质沉积上升,为C-1富硅灰质页岩、M-1富灰/硅混合质页岩等富钙质岩相沉积提供了充足钙质供给。E1时期海平面总体较高,岩相组合中以深水陆棚岩相为主导,浅水陆棚相沉积时间较短,因此富钙质岩相相比于硅质岩相往往以隔夹层形式出现,厚度通常较薄。A3井位于“两凹一凸”的凸起部位相对其他井距离海平面较近,受海平面控制较多,因此岩相变化次数最多(表2)。

      • E2~E4沉积时期相比E1时期气候干冷,海平面相对下降。温度下降导致深海生物硅生产力下降(图9b),自供给硅质降低。威荣西侧川中古陆斜坡低处保持潮坪相发育,或因海平面下降潮坪带开始剥离破碎,随洋流不断向东侧威荣方向供给钙质沉积物。该时期海洋生产力稍降,陆源供给作用提升,此前E1时期浅海钙质矿物风化后流入导致E2~E4时期岩相中钙质含量明显增加,主力岩相演化为钙质较多的M-3混合质页岩岩相、M-1富灰/硅混合质页岩,受陆源供给控制靠近斜坡一侧A1井在该时期M-3、M-1等岩相明显多于东侧(图8)。

      • E5~E8沉积时期气候更加干冷,极端冰冷气候条件下冰盖生成全球海平面开始下降。川中古陆斜坡区水动力减弱、生物难以生存均导致物理、化学以及生物风化作用削弱。威荣地区沉积从川中古陆获得陆源供给机会大幅减少,依靠海底火山、地下水系统循环等提供黏土矿物。此时沉积岩相以黏土含量高达50%的CM-1岩相和M-2岩相成为岩相组合中的主力岩相类型(图9c)。

      • (1) 通过Lithoscanner元素扫描测井、Ipsom督导神经网络算法组成一套页岩精细岩相表征技术,在研究区龙一段识别出10种岩相,龙一段上部岩相稳定,龙一段中、下部呈多种岩相多层叠置特征。

        (2) 基于米兰科维奇理论时间序列分析方法建立等时岩相组合框架,确定了四川盆地威荣地区龙马溪组一段页岩可划分为8个岩相组合并计算组合内岩相占比,发现龙一段页岩呈三段式特征,其中E1组合内岩相种类较多且以硅质主导岩相为主,E2~E4组合内钙质类岩相占比较多且区域内各井之间差异较大,E5~E8组合岩相类型简单。

        (3) 横向对比发现,同一沉积时期组合内主力岩相占比横向变化趋势明显,基于米兰科维奇理论所反映的沉积环境变化信息结合威荣地区古地理与构造特征分析威荣地区龙一段沉积模式,证实岩相组合纵横向差异主要受气候影响的海洋生产力与川中古陆物源供给以及古地理特征三方面共同作用影响。

    参考文献 (37)

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