1. 前言
非常规油气资源勘探开发是保障国家能源安全的重要战略方向。其中，页岩气作为一种清洁低碳的天然气资源，已成为全球油气增储上产的重要领域。中国南方上扬子地区下古生界海相页岩层系分布广泛，特别是上奥陶统五峰组–下志留统龙马溪组，不仅是页岩气储集层，更是该区域古生界油气系统重要的烃源岩。渝东南地区位于四川盆地东南缘，地处利川–武隆复向斜带，是我国页岩气勘探的重点区域。该区五峰–龙马溪组页岩具有厚度大、有机质丰度高、热演化程度适中的特点，是页岩气生成的物质基础[1]。同时，该套烃源岩生成的天然气亦可能运移至常规储层中成藏，因此，深入研究其地球化学特征对页岩气及常规天然气勘探均具有重要指导意义。开展烃源岩评价，明确其生烃潜力与演化历史，是油气地质研究的核心环节，对推动渝东南地区非常规油气资源勘探开发至关重要。
前人对渝东南地区五峰–龙马溪组页岩已进行了大量研究，主要集中在页岩气储层特征、含气性分析及保存条件评价等方面[2]-[4]。区域上，该套页岩厚度一般为60~130米，下部以硅质页岩为主，向上砂质含量增加。地球化学参数显示，优质页岩段(①~⑤小层)总有机碳(TOC)含量高，介于2.05%~6.3%之间，平均值达4.0%；有机质类型以I型干酪根为主，镜质体反射率(Ro)多分布在2.0%~3.76%，指示过成熟干气阶段。在矿物组成方面，石英等脆性矿物含量高(平均59.8%)，有利于压裂改造。有机岩石学研究表明，藻类体、笔石等成烃生物是主要生烃组分，形成的有机孔为页岩气提供了储集空间。然而，以往研究多侧重于页岩气的“储集”和“开采”属性，对烃源岩的生烃潜力、有机质精细组成和演化历史缺乏系统深入的分析。具体不足体现在：首先，对烃源岩的有机质丰度虽有统计，但对其非均质性及控制因素揭示不够；其次，关于有机质类型判别多依赖宏观指标，对干酪根显微组分构成及其对生烃贡献的精细研究薄弱；再者，干酪根稳定碳同位素组成(δ13C)等判识有机质来源和演化程度的关键地球化学参数数据积累不足；此外，有机质热演化史与关键生烃期次恢复的精度也有待提高。这些不足限制了对该地区油气成藏过程的完整认识，亟需以重点探井为例进行烃源岩特征的专项精细研究。
本研究以渝东南地区渝参7井为重点研究对象，系统开展五峰–龙马溪组烃源岩的精细地球化学分析。研究将聚焦以下核心内容：首先是有机质丰度，即通过高密度取样和岩石有机碳测定，精确表征烃源岩TOC含量及其纵向变化规律，评价生烃潜力；其次是，有机质类型，拟综合采用干酪根显微组分鉴定、岩石热解参数及稳定δ13C，精确判别有机质类型，识别主要生烃母质来源；进而进行有机质成熟度分析，基于镜质体反射率(Ro)等参数，确定烃源岩热演化程度，划分生烃阶段。通过上述研究，旨在揭示渝参7井揭示的五峰–龙马溪组烃源岩的内在特征与生烃规律，为深化渝东南地区油气成藏机理认识和指导页岩气勘探提供扎实的地球化学依据。
2. 地质背景
渝参7井位于重庆市酉阳县桃花源镇小坝乡龙池村，构造位置位于秀山凸起褶皱带毛坝向斜轴部(图1)，主要勘探目的层是上奥陶统五峰组–下志留统龙马溪组，完钻井深为901.63 m，钻探目的：(1) 了解毛坝向斜及附近地区五峰组–龙马溪组地层的岩性、岩相发育情况及变化规律；(2) 获取毛坝向斜及附近地区五峰组–龙马溪组地层有关评价页岩气的各项地质参数；(3) 探索毛坝向斜及附近地区五峰组–龙马溪组黑色页岩含气性。渝参7井所在区域主要包括3个褶皱构造单元和2条断层，其中褶皱构造包括2个背斜、1个向斜，断层包括1条逆–平移断层和1条正断层(图2)：
(1) 毛坝向斜(北北东向)
位于酉阳附近扬起，向北东方向延伸，酉阳至毛坝轴向北20˚东，毛坝以北逐渐转为北35˚东。两翼岩层倾角为：东翼约50˚，西翼约35˚。向斜极为紧凑，轴部最新地层为三叠系嘉陵江组。
(2) 咸丰背斜(北北东向)
轴向可分两段，铜鼓以北为北20˚东，铜鼓以南近乎南北。北段背斜开阔，轴部岩层平缓，两翼倾角较陡(东翼约50˚，西翼约30˚)，箱状褶皱明显，核部最老地层为寒武系天河板组，往南南西倾伏，地层顺次渐新，倾没于下志留统地层中。在鱼泉至黑水一带，由于背斜急剧倾伏及西翼北北东向正断层的影响，次级褶皱及断裂甚为发育。南段在铜鼓附近，由于轴向的变化，西翼岩层产生了局部倒转，并伴随有逆掩断层产生使有由东向西推进之势。
(3) 桐麻岭背斜(北北东向)
轴线通经青华、艮岭等地，长达60公里，南北轴向约北28˚东，东段艮岭一带约北10˚东，故略呈“S”形延展。
(4) 碗尔沱逆–平移断层(北北东向)
位于桐麻岭背斜轴部，长约6公里，断层走向约北55˚西，倾向北东，倾角50˚~70˚，产状常有一定变化，该断层斜切下、中寒武统地层及该背斜的轴线，使两盘岩层产生逆向及顺时针方向扭动，地层垂直错距仅数十米，水平错动为300~400 m。
(5) 马喇湖正断层(北北东–北东向)
南段黑水至鱼泉一带走向北25˚东，鱼泉以北走向北5˚~10˚东，倾向北西，倾角50˚~70˚。断层处多呈低凹地形，局部能见断层面，较平整具角砾岩化，断层上盘发育一系列分支褶皱与断裂，而与该主断层往北斜交。下盘主要为寒武系中统高台组；上盘南段为奥陶系下统，往北依次为志留系。断距往北增大达2.2公里。
Figure 1. Geographic location map of Well Yu Can 7 [5]
图1. 渝参7井地理位置图[5]
Figure 2. Tectonic outline map of the adjacent area of Well Yu Can 7 [5]
图2. 渝参7井所在区域构造纲要图[5]
3. 结果与讨论
3.1. 有机质丰度
有机质丰度是指单位质量岩石内所含有机质的数量。在其它条件相近的前提下，岩石中原始有机质含量(丰度)越高，其生烃能力越强[6] [7]。目前，衡量岩石中有机质的丰度所用的指标主要有总有机碳(TOC)、氯仿沥青“A”、总烃和生烃潜量(S1 + S2)，但对于高–过成熟的页岩，由于受岩石生烃、排烃作用的影响，氯仿沥青“A”、总烃和生烃潜量等指标难以准确指示页岩原始生烃能力。而总有机碳含量是指岩石中有机碳占岩石质量的百分比，虽然随着有机质热成熟作用的进行，总有机碳是减少的，但研究表明岩石质量在演化过程中也是逐渐减小的，因此，总有机碳含量可以近似代表岩石原始有机质丰度，是评价烃源岩及其原始生烃能力的有效指标。
渝参7井五峰组–龙马溪组79个页岩样品分析测试结果表明，TOC含量变化范围较大，分布在0.17~4.63%，平均1.35% (图3(a))。其中，有机碳含量小于1%的样品有46个，占总数的58.23%；有机碳含量在1%~2%的样品有18个，占总数的22.78%；有机碳含量大于2%的样品有15个，占总数的18.99%。整体上，五峰组TOC平均值为2.17%，龙马溪组TOC平均值为1.25%，五峰组TOC比龙马溪组大。同附近的酉浅1井相比(图3(b)) (酉浅1井位置图见图2)，渝参7井页岩有机碳含量偏低。
Figure 3. Histogram of TOC Distribution in Black Shale of the Wufeng-Longmaxi Formation from Well Yu Can 7 and Adjacent Well You Qian 1
图3. 渝参7井及周边酉浅1井五峰组–龙马溪组黑色页岩TOC分布直方图
从纵向上看(图4)，渝参7井五峰组–龙马溪组页岩有机质分布具有较强的非均质性，富有机质页岩层段主要分布于下部，颜色以灰黑、黑色为主，页理逐渐发育，普遍含黄铁矿。自下而上，由于缺氧环境遭到破坏，伴随岩性的变化，页岩有机碳含量整体呈逐渐减小的趋势。龙马溪组页岩层有机质丰度较低，页岩总有机碳含量在0.17%~4.44%之间，平均值为1.25%，说明该页岩层段生烃潜力较差；五峰组页岩气有机质丰度高，总有机碳含量在0.17%~4.63%之间，平均值为2.17%。全部9个样品总有机碳含量大于2%的有5个，占全部样品数的55.6%，表明该页岩层段有机质含量较高，生烃潜力好。
岩石热解方面，岩石热解参数分析的功能是定量检测岩石中的含烃量[7]。其中总烃含量为S0、S1、S2的总和，S0为气态烃含量，代表了C1~C7的轻烃含量；S1为游离烃含量，代表已生成但未运移走的液态烃(C7以后)残留量；S2代表干酪根可裂解生成的烃含量；S0 + S1 + S2代表生烃潜量，可反映源岩的生烃能力。但是生烃潜量受热演化程度的影响较大，中国古生界海相烃源岩成熟度普遍很高，岩石热解获得的残余生烃潜力通常很低，不能直接反映其原始生烃潜力。目前，陈建平等(2012)认为可以通过以未成熟–低成熟阶段烃源岩有机质为基础，按有机质类型大类，建立生烃潜量与有机碳含量之间的定量关系，以此来计算高–过成熟烃源岩的原始生烃潜力[9]。
Figure 4. Variation of TOC with depth in black shale of the Wufeng-Longmaxi Formation from Well Yu Can 7
图4. 渝参7井五峰组–龙马溪组黑色页岩TOC随深度变化图
渝参7井五峰组–龙马溪组11块页岩岩心样品岩石热解实验分析测试表明，这套页岩生烃潜量一般为0.025~0.093 mg/g，平均为0.043 mg/g (图5)。表明该套页岩的残余生烃潜量均较低，最大值均未达到0.5 mg/g，这主要是由于烃源岩演化程度过高，随着生成的烃类的运移，S0 + S1 + S2含量随之降低，据此也可推断渝东南地区下古生界两套页岩现今生烃能力基本终止。
此外，通过生烃潜量与TOC的关系(图6)可知，渝参7井生烃潜量与TOC呈较好的正相关关系，随着TOC的增大，生烃潜量也增大。
陈建平等(2012)以目前可以获得的我国古生界(包括元古宇)海相低成熟烃源岩为基础[9]，按下古生界(包括元古宇)、上古生界泥岩、上古生界含煤沉积(不包括煤)三大类源岩求取有机碳含量(TOC)与原始生烃潜力(Pg)之间的回归关系方程，得出的下古生界生烃潜量计算公式：Pg = 5.63 × TOC − 2.37，按此公式推算渝参7井五峰组–龙马溪组页岩在其未成熟–低成熟演化阶段的原始生烃潜力应该在0.54~23.70 mg/g之间(TOC取烃源岩下限值0.5%和目的层最大值4.63%)，平均值5.83 mg/g (TOC取目的层平均值1.61%)，通过与中国南方地区古生界烃源岩评价等级划分标准表进行对比，表明该套页岩原始生烃潜力较大。
3.2. 有机质类型
3.2.1. 干酪根同位素组成特征
干酪根的稳定碳同位素组成(δ13C)能够表征原始生物母质的特征，次生的同位素分馏效应不会严重
Figure 5. Variation of hydrocarbon generation potential with depth in black shale of the Wufeng-Longmaxi Formation from Well Yu Can 7
图5. 渝参7井五峰组–龙马溪组黑色页岩生烃潜量随深度变化图
Figure 6. Relationship between hydrocarbon generation potential and TOC in Well Yu Can 7
图6. 渝参7井生烃潜量与TOC关系图
掩盖原始生物母质的同位素印记，普遍认为是划分高–过成熟烃源岩有机质类型的有效指标。渝参7井10块页岩岩心样品干酪跟碳同位素实验结果表明，本井五峰组–龙马溪组干酪根δ13C值在−31.3‰~−19.2‰之间，平均值−28.5‰ (图7)，综合干酪根类型与δ13C分布的关系，目的层页岩属于腐泥型干酪根。
3.2.2. 干酪根显微组分
干酪根显微组分组成中，镜质组(V)、惰性组(I)和壳质组(E)均系源于高等植物的有机质，其中镜质组(V)和惰性组(I)为典型的Ⅲ型有机质，壳质组(E)为典型的II型有机质，而低等生源的藻类体和无定形物质
Figure 7. Variation of kerogen δ13C (PDB) with depth in shale samples of the Wufeng-Longmaxi Formation from Well Yu Can 7
图7. 渝参7井五峰组–龙马溪组页岩样品干酪根δ13C(PDB)随深度变化图
为I型有机质。因此，可以根据各类组分的相对含量来划分有机质类型。据胜利油田地质院提出的干酪根类型指数(Ti)的概念，用各组分的百分含量进行加权计算：
Ti = (腐泥组 × 100 + 壳质组 × 50 − 镜质组 × 75 − 惰性组 × 100)/100
根据这个公式可以对有机质(干酪根)类型进行综合评价：当Ti ≥ 80时为I型，0 < Ti < 80为II型，Ti < 0时为Ⅲ型(表1)。
Table 1. Classification criteria for kerogen types Ti
表1. 干酪根类型Ti划分标准
干酪根类型 |
划分标准 |
I型 |
Ti ≥ 80 |
II1型 |
40 < Ti < 80 |
II2型 |
0 < Ti < 40 |
Ⅲ型 |
Ti < 0 |
渝参7井五峰组–龙马溪组页岩5块岩心样品干酪根显微组分鉴定结果表明，该套页岩样品中检测到大量的腐泥组和少量的镜质组、惰质组等三类常见的有机显微组分，Ti大于40小于80的样品有2个，Ti大于80的样品有3个，故目的层页岩有机质类型为I和II1型；其中，五峰组2个样品Ti大于80，有机质类型为I型(表2)。与邻井五峰组–龙马溪组页岩干酪根显微组分对比，渝参7井与渝参8井相类似，有机质类型均为I型或II1型。
Table 2. Distribution table of maceral content in shale samples of the Wufeng-Longmaxi Formation from Well Yu Can 7 and nearby wells (locations of other reference wells are shown in Figure 2)
表2. 渝参7井及附近单井五峰组–龙马溪组页岩样品显微组分含量分布表(其他参考井位置见图2)
井名 |
层位 |
腐泥组(%) |
壳质组(%) |
镜质组(%) |
惰性组(%) |
Ti |
有机质类型 |
渝参7井 |
O3w~S1l |
80~96 89.2 (5) |
0 |
1~10 5 (5) |
2~10 5.8 (5) |
62.5~92.5 79.7 (5) |
I型、II1型 |
渝参6井 |
O3w~S1l |
94~98 96.24 (17) |
0 |
1~3 2.0 (17) |
1~3 1.76 (17) |
88.75~96.25 92.97 (17) |
I型 |
酉地2井 |
O3w~S1l |
95~98 96.75 (7) |
0 |
1~3 1.63 (7) |
1~3 1.63 (7) |
90.50~96.25 93.91 (7) |
I型 |
渝参8井 |
O3w~S1l |
80~95 88.15 (13) |
0 |
2~8 5.0 (13) |
2~15 6.85 (13) |
61.25~90.5 77.56 (13) |
I型、II1型 |
酉浅1井 |
O3w~S1l |
95~99 96.8 (10) |
0 |
1~5 3.2 (10) |
0 |
87.75~98.25 94.4 (10) |
I型 |
综合两项有机质类型判别指标，认为研究区内五峰组–龙马溪组页岩有机质类型属于I和II1型。
3.3. 有机质成熟度
对于烃源岩热演化程度，据张义纲等“七五”研究成果，当成熟度(Ro) > 4.0%时，干酪根已全部芳构化(石墨化)，不再有天然气生成；陈正辅等“八五”期间对生油岩的高温模拟实验显示，当Ro > 3.5%时，生气量大幅度减小，而模拟温度超过600℃时，相当于Ro = 4.0%时，装样玻璃管内出现黑色焦碳类物质，反映生气作用基本终结。渝参7井5块岩心样品实测的成熟度数据表明，本井五峰组–龙马溪组黑色页岩演化程度总体较高，成熟度一般为1.97%~2.25%，平均为2.14% (图8)，表明该套页岩热演化程度基本处于过成熟演化阶段，页岩已达到生气高峰期，有利于页岩气的充分生成，但页岩现今生烃能力有限。
Figure 8. Variation of maturity with depth in shale samples of the Wufeng-Longmaxi Formation from Well Yu Can 7
图8. 渝参7井五峰组–龙马溪组页岩样品成熟度随深度变化图
渝东南地区五峰组–龙马溪组页岩成熟度总体变化不大，主要分布在1.6%~3.2%之间。与相邻地区钻井及剖面样品对比，渝参7井五峰组–龙马溪组页岩有机质成熟度与邻井五峰组–龙马溪组页岩成熟度相近，与总体变化特征相适应(图9)。
Figure 9. Histogram of maturity distribution in shale samples of the upper Ordovician-Lower Silurian from Well Yu Can 7 and adjacent wells (locations of other reference wells are shown in Figure 2)
图9. 渝参7井与邻井上奥陶统–下志留统页岩样品成熟度分布直方图(其他参考井位置见图2)
4. 结论
本研究以渝东南地区渝参7井为重点研究对象，对上奥陶统五峰组–下志留统龙马溪组烃源岩开展了一系列系统的地球化学分析，旨在精细评价其生烃潜力、明确有机质特征与热演化历史。通过高密度取样与实验测试，综合分析了有机质丰度、类型和成熟度等关键参数，主要获得以下几点结论。
研究揭示渝参7井烃源岩的有机碳含量整体变化范围较大，纵向非均质性显著。具体表现为五峰组页岩的有机质丰度明显高于上覆的龙马溪组，其平均TOC值达到2.17%，且超过半数的样品TOC含量大于2%，表明五峰组具备良好的原始生烃物质基础，生烃潜力显著优于龙马溪组。尽管岩石热解显示的现今残余生烃潜量极低，但通过理论公式推算，其原始生烃潜力较大，属于中等–好的烃源岩范畴。
多项地球化学指标一致确认该套烃源岩的有机质类型优良。干酪根稳定碳同位素组成表现出轻碳同位素特征，同时干酪根显微组分中以腐泥组占绝对优势，类型指数(Ti)计算结果明确指示有机质类型为以I型为主、II1型为辅，反映了其生烃母质主要来源于藻类体等低等水生生物，非常利于油气的生成。
再者，渝参7井五峰组–龙马溪组烃源岩已经处于高–过成熟的热演化阶段，该套页岩的生烃高峰期已过，现今的生烃能力有限，当前生成的烃类以干气为主；这一热演化程度与区域背景相符，意味着页岩气勘探需要重点关注早期生成天然气的保存条件。
通过与邻井的对比发现，渝参7井所揭示的烃源岩品质在区域上虽非最优，但其下部的五峰组依然展示了可观的生烃潜力。综合来看，渝东南地区五峰组–龙马溪组烃源岩具有“下部优质、类型优良、演化度高”的鲜明特征。因此，未来的勘探工作应优先聚焦于五峰组优质页岩段的空间展布，并深入评价其埋藏史、热史以及构造保存条件对页岩气富集与成藏的关键控制作用。
NOTES
*通讯作者。