自2014年以来，中国地质调查局发挥基础地质调查优势，以科技创新为引领，瞄准长江经济带复杂地质构造区，精细部署油气调查工作，开拓新区、拓展新层位、发现新类型，在长江经济带上、中、下油页岩气调查中取得全面突破，突破了我国页岩气勘查开发集中在长江上游龙马溪组一个层系的现状，大大拓展了勘查开发领域[1]。鄂西神农架背斜周缘属于油气调查空白区，在下古生界发育多套富有机质页岩。目前，该区内已实施了多口页岩气地质调查井，钻遇了厚度较大的黑色笔石页岩。其中，鄂红地1井在上奥陶五峰组—下志留统龙马溪组获得良好页岩气显示，含气量局部层段达到3.57 m3/t，在该区具有很好的代表性，鄂红地1井是中国地质调查局油气资源调查中心为扩大鄂西页岩气勘查战果的一次大胆尝试，具有十分重要的战略意义[2]。
鄂西地区显示了较好的页岩气勘探开发前景，其五峰组—龙马溪组页岩的研究也受到诸多关注，研究内容涵盖了烃源岩特征、构造运动特征、裂缝发育特征[3-6]、孔隙、裂缝发育特征[7-8]、资源潜力特征[9]和沉积相特征[10]，而关于该区的岩石相划分和岩石相与页岩气富集关系的研究还未系统开展。
笔者选取鄂西地区地质调查井(鄂红地1井)龙一段进行系统取芯、岩芯观察、笔石生物地层划分等(图1)，结合TOC含量、主微量元素、矿物成分和含气量的系统测试和分析，旨在揭示不同时期五峰组—龙马溪组岩石相特征，从而为优质页岩分布预测提供借鉴。
1 岩石相划分
鄂红地1井钻探过程中获得良好气显示，气测值在龙马溪组中上部开始抬升伴随有钻时加快现象，揭示神农架背斜北翼在上奥陶统-下志留统发育富有机质页岩，其中，富有机质泥页岩段主要位于龙一段，岩性以黑色炭质页岩和硅质/含硅质页岩为主，富含黄铁矿和笔石、放射虫化石(图1)。
1.1 岩石相划分标准
目前，部分学者利用石英含量、石英成因及纹层类型3个参数作为判别依据对页岩岩石相进行了划分[11]，其中纹层在页岩中不能有效的进行定量识别，导致岩石相的划分不是十分准确。
鄂红地1井龙一段脆性矿物主要为石英，含量在26%～53%，有利于后期的储层压裂改造。黏土矿物主要表现为“伊/蒙混层+绿泥石+伊利石”的组合类型，含量在13%～55%，伊利石和绿泥石分别代表了富含K+,Mg2+,Fe2+离子的古水质，反映了在成岩过程中碱性水介质起到了重要的控制作用，这种贫氧的相对还原沉积环境有利于有机质的保存与富集。
为了更加准确有效的对岩石相进行划分和判定，笔者利用TOC含量、石英、黏土矿物和笔石[12-13]4个参数对鄂红地1井龙一段的岩性进行定量分级，再结合测井曲线等手段更有利于准确的对优质页岩层段进行划分和识别(表1)。
图1 鄂红地1井构造位置及目的层岩性柱状图
Fig.1 Column map of structure location and target stratum lithology of Erhongdi 1 well
表1 岩石相划分标准
Table 1 Lithofacies classification standard
TOC含量/%石英含量/%黏土矿物含量/%每45 cm岩芯横断面笔石数量/个>3(富碳)>50(富硅)>50(富黏土)>25(富含笔石)2～3(高碳)40～50(高硅)40～50(高黏土)15～25(高含笔石)1～2(中碳)30～40(中硅)30～40(中黏土)5～15(中含笔石)0～1(低碳)20～30(低硅)20～30(低黏土)0～5(低含笔石)
注:考虑到本井目的层段岩芯直径为45 cm，因此选取岩芯横断面内的笔石进行统计。
1.2 岩石相划分
鄂红地1井龙一段4小层顶部GR曲线由199.8 API增大至314.7 API，发生突变;岩性由灰黑色含粉砂泥质页岩变为深灰色含粉砂质页岩。首先，结合测井曲线和岩性组合特征，将1～4小层划分为深水陆棚亚相，将5～9小层划分为浅水陆棚亚相。
其次，根据岩石相划分标准将龙一段浅水陆棚亚相划分为低碳低硅中含笔石页岩相、低碳中硅中含笔石页岩相、中碳中硅中含笔石页岩相和中碳中硅高含笔石页岩相4类岩石相;将龙一段深水陆棚亚相划分为高碳高硅富含笔石页岩相、富碳富硅富含笔石硅质页岩相、富碳富硅富含笔石高伽马页岩相和富碳富硅富含笔石页岩相4类岩石相(表2、图2)。最后，结合伽马元素扫描和气测录井资料表明深水陆棚亚相岩石相明显优于浅水陆棚亚相，为页岩气勘探开发的最有利层段。
1.3 岩石相特征
(1)低碳低硅中含笔石页岩相。岩性以灰色泥岩为主(图3(a));有机碳含量较低，在0.10%～0.89%，平均含量为0.31%;石英含量约为32%；黏土矿物含量约为58%;岩芯横断面笔石数量极少，笔石类型以直笔石为主，属浅水陆棚向滨岸过渡的沉积产物。
(2)低碳中硅中含笔石页岩相。岩性以灰色含云泥页岩为主(图3(b),(c));有机碳含量较低在0.15%～0.50%，平均含量为0.29%;石英含量约为31%；黏土矿物含量在44%～58%;岩芯横断面笔石数量适中，笔石类型以直笔石为主，属浅水陆棚相的沉积产物。
(3)中碳中硅中含笔石页岩相。岩性以灰色泥岩为主(图3(d));有机碳含量适中，在0.21%～0.50%，平均含量为0.34%;石英含量约为32%，黏土矿物含量约为61%;岩芯横断面笔石数量适中，笔石类型以直笔石为主，属浅水陆棚相的沉积产物。
表2 鄂红地1井龙一段岩石相划分
Table 2 Lithofacies classification of the first member of longmaxi formation in well Erhongdi 1
小层伽马/API石英含量/%黏土矿物含量/%TOC含量/%U/TH笔石数量/个岩石相亚相982.85～178.62141.0326650.10～0.890.310.68～1.811.1558113.01～184.60149.7330440.15～0.410.250.91～1.561.3097113.22～202.30157.0532580.21～0.500.340.87～2.791.42126132.21～220.50174.2332610.23～1.981.020.89～1.971.39135149.12～313.85204.6932641.45～2.951.940.81～1.831.3818低碳低硅中含笔石页岩相低碳中硅中含笔石页岩相低碳中硅中含笔石页岩相中碳中硅中含笔石页岩相中碳中硅高含笔石页岩相浅水陆棚4142.72～314.30195.7445291.95～3.782.771.14～4.531.8835高碳高硅富含笔石页岩相3137.36～270.22185.4056263.2～3.703.441.50～3.062.2230富碳富硅富含笔石硅质页岩相2285.47～312.47301.9767233.01～3.653.333.03～3.193.1128富碳富硅富含笔石高伽马页岩相1105.32～308.01188.0153193.65～5.334.390.99～3.272.2232富碳富硅富含笔石页岩相深水陆棚
注:数据格式为
图2 鄂红地1井龙一段沉积相
Fig.2 Sedimentary facies of the first member of longmaxi formation in well Erhongdi 1
(a)灰色泥岩;主要是微晶/隐晶的黏土矿物集合体;偶见少量炭质组分(约1%)和黄铁矿(约1%)发育，炭质组分主要呈炭粒状零散分布 在泥质中，黄铁矿主要呈草莓状集合体分布;(b)灰色含云泥页岩;主要由泥质(约78%)和部分碳酸盐组分(约10%)组成，其中泥质组 分主要是微晶/隐晶的黏土矿物集合体;碎屑组分主要为石英、长石颗粒;(c)灰色含云泥页岩;主要由泥质(约78%)和部分碳酸盐组分 (约10%)组成，其中泥质组分主要是微晶/隐晶的黏土矿物集合体;碎屑组分主要为石英、长石颗粒;(d)灰色泥岩;几乎全部由泥质 (约93%)组成，主要是微晶/隐晶的黏土矿物集合体;少量碎屑组分(约3%)，主要为细小的石英、长石等碎屑颗粒，偶见少量黄铁矿(含 量不足1%);(e)深灰色含粉砂质页岩;主要由泥质(约81%)和部分碎屑组分(约10%)组成，其中泥质组分主要是微晶/隐晶的黏土矿物集 合体;碎屑组分主要为石英、长石颗粒;(f)灰黑色含粉砂泥质页岩;主要由泥质(约82%)和碎屑组分(约10%)组成，其中泥质组分主要是 微晶/隐晶的黏土矿物集合体;碎屑组分主要为细小的石英、长石颗粒;(g)黑色含炭泥岩;主要由泥质(约84%)和部分炭质组分(约5%)组 成，其中泥质组分主要是微晶/隐晶的黏土矿物集合体;炭质组分主要呈黑色与泥质混染分布;见部分碎屑组分零散分布，主要为细小的 石英、长石等碎屑颗粒;(h)黑色炭质泥岩;主要由泥质(约77%)、碎屑组分(约5%)和部分炭质组分(约15%)组成，其中泥质组分主要是 微晶/隐晶的黏土矿物集合体;碎屑组分主要为细小的石英、长石等碎屑颗粒;有机质发育，呈黑色分布在泥质中;(i)黑色含放射虫泥岩; 主要由泥质(约73%)生物碎屑(约15%)和部分硅质组分(约8%)组成，其中泥质组分主要是微晶/隐晶的黏土矿物集合体;生物碎屑为放射 虫，主要充填硅质组分;有机质主要呈黑色分布在泥质中 图3 鄂红地1井龙一段页岩阴极发光鉴定特征
Fig.3 Shale characteristics from cathodoluminescence microscopic identification of the first member of Longmaxi Formation in well Erhongdi 1
(4)中碳中硅高含笔石页岩相。岩性以深灰色含粉砂质页岩为主(图3(e));有机碳含量适中，在1.45%～2.95%，平均含量为1.94%;石英含量约为32%，黏土矿物含量约为64%;岩芯横断面笔石数量较多，笔石类型以三角半耙笔石为主，属深水陆棚向浅水陆棚过渡的沉积产物。
(5)高碳高硅富含笔石页岩相。岩性以灰黑色含粉砂泥质页岩为主(图3(f));有机碳含量较高，在1.95%～3.78%，平均含量为2.77%;石英含量约为45%，黏土矿物含量约为29%;岩芯横断面笔石数量较多，笔石类型以曲背冠笔石、花瓣笔石和尖笔石为主，属深水陆棚的沉积产物。
(6)富碳富硅富含笔石硅质页岩相。岩性以黑色含炭泥岩为主(图3(g));有机碳含量较高，在3.2%～3.7%，平均含量为3.44%;石英含量约为56%，黏土矿物含量约为26%;岩芯横断面笔石数量较多，笔石类型以胖笔石为主，属深水陆棚的沉积产物。
(7)富碳富硅富含笔石高伽马页岩相。岩性以黑色炭质泥岩为主(图3(h));有机碳含量较高，在3.01%～3.65%，平均含量为3.33%;石英含量约为67%，黏土矿物含量约为23%;岩芯横断面笔石数量较多，笔石类型以胖笔石为主，属深水陆棚的沉积产物。
(8)富碳富硅富含笔石页岩相。岩性以黑色含放射虫泥岩为主(图3(i));有机碳含量较高，在3.65%～5.33%，平均含量为4.39%;石英含量约为53%，黏土矿物含量约为19%;岩芯横断面笔石数量较多，笔石类型以叉笔石为主，属深水陆棚的沉积产物。
2 岩石相与页岩气富集关系
2.1 岩石相与微量元素的关系
缺氧是形成高有机碳含量的关键因素之一，氧含量高则有机质遭受氧化分解，有机质保存含量少，生烃潜力差。过渡元素如V,Ni,U,Th以及Cr对氧化还原条件变化敏感，是目前公认的氧化还原指标。
V/(V+Ni)比值是反映氧化还原条件的有效指标[14]，比值小于0.46为氧化环境，0.46～0.57为弱氧化环境，0.57～0.83为缺氧环境，0.83～1.00为静海环境。鄂红地1井龙一段V/(V+Ni)在0.54～0.69，均值为0.61，均大于0.46，指示缺氧环境。当V/Cr比值小于2时代表氧化环境，大于2代表缺氧环境[15-16]。鄂红地1井龙一段6～9小层V/Cr比值在0.53～1.58，指示氧化环境。龙一段1～5小层V/Cr比值在2.05～7.62，指示缺氧环境。应用U和Th的关 系式δU=2U(U+Th/3)，当δU大于1代表缺氧环境，小于1代表正常海水沉积[17-18]。鄂红地1井龙一段δU在1.16～2.00，平均值为1.59，指示缺氧环境。鄂红地1井龙一段δU,V/Cr与V/(V+Ni)有很好的对应关系(图4)，综合反映深水陆棚处于缺氧环境，深水陆棚沉积的富碳富硅富含笔石硅质页岩相、富碳富硅富含笔石高伽马页岩相、富碳富硅富含笔石页岩相3类岩石相中能够形成高有机碳含量。
图4 鄂红地1井龙一段地球化学指标纵向变化特征
Fig.4 Vertical distribution of geochemical indicators of the first member of Longmaxi Formation in well Erhongdi 1
2.2 岩石相与储集空间的关系
页岩中大量微孔隙和微裂缝的存在，为页岩气提供了良好的储集空间。这些微孔隙对揭示页岩气富集机理和赋存状态、孔渗性都提供了可视化途径，具有重要的意义[19]。通过对鄂红地1井龙一段泥页岩的样品扫描电镜分析发现泥页岩中微孔隙十分发育。龙马溪组泥页岩样品的扫描电镜显示，泥页岩中普遍可见大量粒间孔缝及溶蚀孔隙，其他微孔隙还包括有机质孔、粒内孔隙及粒缘缝。较大比例尺下连片的有机质孔隙较常见，微孔隙(粒间孔缝、溶蚀孔、晶间孔、粒内孔居多)、微裂缝发育(较大型微裂缝缝宽3.86 μm)。这些微孔隙和微裂缝均是页岩气良好的储集空间，可以为页岩气的富集提供场所(图5)。其中，低碳低硅中含笔石页岩相、低碳中硅中含笔石页岩相、中碳中硅中含笔石相有机质含量减少，孔径较小，数量少，孔隙呈长条状，连通性较差，孔隙度较小，渗透率较低(图5(a)～(c));中碳中硅高含笔石页岩相有机质含量减少，孔径较小，数量少，孔隙呈长条状和椭圆状，连通性较差，孔隙度中等，渗透率较低(图5(d));高碳高硅富含笔石页岩相有机质含量高，孔径较大，数量多，有机质孔隙呈片状，连通性较好，孔隙度中等，渗透率较好(图5(e));富碳富硅富含笔石硅质页岩相有机质含量高，孔隙细密，数量多，有机质孔隙呈洞穴状，连通性好，孔隙度大，渗透率高(图5(g));富碳富硅富含笔石高伽马页岩相、富碳富硅富含笔石页岩相有机质含量高，孔径大，数量多，有机质孔隙呈管柱状，连通性较好，孔隙度大，渗透率高(图5(h),5(i))。
图5 鄂红地1井龙一段储集空间分布
Fig.5 Reservoir spatial distribution of the first member of longmaxi formation in well Erhongdi 1
泥页岩的显微孔隙结构是影响页岩气赋存状态和储气性能的关键因素。页岩吸附能力大小主要受页岩孔隙体积控制。根据国际理论和应用化学协会(IUPAC)的孔隙分类，页岩孔隙直径<2 nm时为微孔(micropores);当页岩孔隙直径为2～50 nm时，为中孔(mesopores);当页岩孔隙直径>50 nm时，为宏孔(macropores)[20-22]。
鄂红地1井龙一段低碳低硅中含笔石页岩相、低碳中硅中含笔石页岩相和中碳中硅高含笔石页岩相泥页岩孔隙以微孔和中孔为主，占到了总体积的79.5%～88%，宏孔所占总体积仅为11.9%～20.5%，表明泥页岩吸附能力中等。
鄂红地1井龙一段高碳高硅富含笔石页岩相、富碳富硅富含笔石硅质页岩相、富碳富硅富含笔石高伽马页岩相、富碳富硅富含笔石页岩相泥页岩孔隙以中孔和宏孔为主，占到了总体积的39.5%～78.3%，微孔所占总体积仅为21.7%～26.5%，表明泥页岩具有较强的吸附能力(图6)。从孔隙结构反映出深水陆棚沉积环境岩石相的储集条件明显优于浅水陆棚相。
图6 鄂红地1井龙一段岩石相孔径分布
Fig.6 Lithofacies pore diameter distribution of the first member of longmaxi formation in well Erhongdi 1
2.3 岩石相与含气量的关系
有机碳含量是页岩气聚集最重要的控制因素之一，有机碳含量和吸附气量有很好的正相关关系，有机碳含量越高，吸附气量也越高[23-30]。
通过对鄂红地1井龙一段岩芯样品进行现场解析实验获得解吸气含量，通过解吸气量采用线性回推获得损失气量，通过实验室测定获得残余气量，3者之和为总含气量，实验结果显示鄂红地1井龙一段泥页岩总含气量介于0.41～3.57 m3/t。
鄂红地1井龙一段岩石相与含气量呈很好的正相关关系，富碳富硅富含笔石硅质页岩相、富碳富硅富含笔石高伽马页岩相、富碳富硅富含笔石页岩相含气量最好，平均在2.85～3.57 m3/t，表明龙一段1小层到4小层为页岩气勘探开发最有利层段(图7)。岩石相通过有机质丰度和矿物组分控制了页岩气富集，其中，富碳富硅富笔石硅质页岩和富碳富硅富笔石放射虫硅质页岩相对页岩气藏现今含气量影响最大。
图7 鄂红地1井龙一段岩石相与含气量关系
Fig.7 Relationship between rock phase and gas content of the first member of Longmaxi Formation in well Erhongdi 1
3 结 论
(1)根据岩石相划分标准，鄂红地1井龙一段可划分为8类岩石相。再结合伽马元素扫描、石英含量、黏土矿物含量、TOC含量,U/Th含量比、笔石数量等参数判定出浅水陆棚亚相主要发育低碳低硅中含笔石页岩相、低碳中硅中含笔石页岩相和中碳中硅中含笔石页岩相。深水陆棚亚相主要发育高碳高硅富含笔石页岩相、富碳富硅富含笔石硅质页岩相、富碳富硅富含笔石高伽马页岩相和富碳富硅富含笔石页岩相。深水陆棚亚相岩石相明显优于浅水陆棚亚相，为页岩气勘探开发的最有利层段。
(2)鄂红地1井龙一段δU,V/Cr与V/(V+Ni)有很好的对应关系，综合反映深水陆棚处于缺氧环境，深水陆棚沉积的富碳富硅富含笔石硅质页岩相、富碳富硅富含笔石高伽马页岩相、富碳富硅富含笔石页岩相3类岩石相中能够形成高有机碳含量。
(3)鄂红地1井龙一段有机孔隙空间上呈片状、洞穴状、管柱状等复杂内部结构。浅水陆棚中的岩石相以微孔和中孔为主，深水陆棚中的岩石相以中孔和宏孔为主。由上而下，优质页岩段孔径逐渐变大，连通性变好，储集性能变好。
(4)鄂红地1井龙一段1～4小层为页岩气勘探开发最有利层段，岩石相通过有机质丰度和矿物组分控制了页岩气富集，其中，富碳富硅富笔石硅质页岩和富碳富硅富笔石放射虫硅质页岩相对页岩气藏含气量影响最大。
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