0 前言
2025年中国页岩气产量超过250×108 m3，主要来自四川盆地五峰组—龙马溪组涪陵、长宁、威远等主力页岩气田的下部气层。然而，随着开发的不断深入，这些区块普遍面临单井产量递减率超过20%的严峻挑战，稳产压力持续增大[1-2]。前人研究表明，有机碳含量和富有机质页岩厚度是控制页岩气富集与高产的关键因素[3-5]，且五峰组—龙马溪组WF2—LM4笔石带为富集高产层段[6-9]，并预测了该层段在四川盆地的展布特征[10]。此外，当前普遍认为龙马溪组上部⑥‒⑨小层存在高有机碳含量和高孔隙度发育带，与下部气层具有不同的特征：沉积水体逐渐变浅，岩相由硅质页岩变为黏土质页岩；孔隙度整体较高，但有机质孔占比明显减少；黏土矿物含量增大，岩石力学脆性略有降低，但由于高角度裂缝较为发育，有助于压裂改造[11-12]。目前，焦石坝地区获得高产页岩气流[13]，正逐步开展包括中部和上部气层在内的立体开发模式的探索[14-15]。
焦石坝背斜上部气层的成功开发得益于独特的地质条件组合：⑦小层上至⑧小层下段具有相对高孔隙度、高含气性、中低硅质含量的特征；高孔高渗与纹层的发育共同造就了较高的水平渗透率，促使气体易于沿上倾方向发生初次运移；宽缓背斜高部位提供了优越的储集与保存条件[14-16]。但是，江东、威远等地区的上部气层勘探效果较差、产能偏低，尚未实现商业开发[17-18]。四川盆地及其周缘龙马溪组下部气层小层的地层时代难以区分，因此笔石的存在为生物地层的精细划分和对比提供了重要依据[19-20]。陈旭等[21]将五峰组—龙马溪组页岩划分为13个笔石带，代码自下而上分别为WF1、WF2、WF3、WF4、LM1、LM2、LM3、LM4、LM5、LM6、LM7、LM8和LM9，分别对应五峰组Dicellograptus complanatus带、Dicellograptus complexus带、Paraorthograptus pacificus带、Metabolograptus extraordinarius带，龙马溪组Metabolograptus persculptus带、Akidograptus ascensus带、Parakidograptus acuminatus带、Cystograptus vesiculosus带、Coronograptus cyphus带、Demirastrites triangulatus带、Lituigraptus convolutus带、Stimulograptus sedgwickii带和Spirograptus guerichi带。目前焦石坝地区已开发的上部气层归属于埃隆阶LM7—LM8笔石带，具备高TOC等特征，在沉积时发生了显著海侵[22]。笔石带展布的差异性可能是造成⑦小层勘探效果迥异的重要原因之一。焦石坝的成功实例证明了上部气层开发的可行性，但在四川盆地其他地区是否适用仍需进一步探索。当前制约上部气层富集与开发的地质因素尚未厘清，亟需加强相关研究。
本文围绕“为何仅焦石坝区块龙马溪组上部气层实现了商业开发”这一问题，从笔石带分布（生物地层与富有机质页岩发育）、沉积环境、构造特征（气体保存与逸散条件）等关键控制因素切入，以“LM6至LM8笔石带的分布与演化”为主线，对四川盆地龙马溪组上部气层进行统一划分与对比，并通过对比涪陵、南川、长宁等地区典型钻井的地质特征，查明控制上部气层差异富集的主控因素。研究成果可为四川盆地上部气层有利区优选提供地质依据，推动该层系从局部突破向区域拓展。
1 区域地质概况
四川盆地作为典型的叠合盆地，其构造格架奠基于上扬子克拉通之上，被龙门山（西）、米仓山—大巴山（北）、湘黔鄂（东）及峨眉山—凉山（南）等主要造山带/冲断带所围限（图1）。奥陶纪是盆地构造-沉积体制发生重大转折的关键时期，构造属性由被动大陆边缘向前陆盆地演化。此背景下，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质黑色页岩的沉积显著受川中、黔中及江南—雪峰等古隆起的控制与限制，其优质烃源岩主要发育于五峰组—龙马溪组下部的含笔石页岩带内。龙马溪组沉积中—晚期海平面下降，发育高位体系域，形成了以厚层泥质页岩、灰质页岩、灰质泥岩及粉砂质页岩为主的岩性组合。以涪陵页岩气田焦石坝区块为例，五峰组—龙马溪组一段（龙一段）是核心的含气段。依据岩性与电性特征，该层段自下而上可细分为①—⑤小层（五峰组—龙一段一亚段）、⑥—⑦小层（二亚段）、⑧—⑨小层（三亚段），其中①—⑤小层为下部气层，⑥—⑨小层为上部气层。本次研究主要围绕上部气层（⑥—⑨小层）的富集特征展开（图2）。
图1 四川盆地及周缘主要页岩气井分布图Fig. 1 Distribution of major shale gas wells in the Sichuan Basin and its surrounding areas |
2 生物地层与富有机质页岩
2.1 五峰组—龙马溪组页岩主要笔石类型及生物地层发育特征
晚奥陶世晚期—志留纪兰多维列世早—中期，扬子海盆笔石的生存演化受到了古温度与古水深等环境条件的控制，这种控制作用在五峰组—龙马溪组黑色岩系中笔石的赋存状态上有明显响应，古海洋环境变化显著控制了笔石种属和数量。整体来看，华南晚奥陶世凯迪晚期至志留纪兰多维列世埃隆期，笔石动物群繁盛[23-24]，多样性高，部分层位化石丰度大。笔石带作为奥陶系—志留系地层划分的关键生物标志，对富有机质页岩的发育层位具有重要指示作用。五峰组笔石动物群以Anticostia、Paraorthograptus、Rectograptus、Climacograptus、Appendispinograptus、Styracograptus、Dicellograptus等全球广布属种为主，同时还发育有Phormograptus、Paraplegmatograptus、Yinograptus等表皮细网化和Pleurograptus、Tangyagraptus等具有次生枝的地区性特化属种[25]，代表了高多样性、高分异度的双笔石类动物群的大量繁盛[26]，对应发育深水陆棚相的WF2—WF3富有机质黑色页岩。凯迪末期至赫南特早中期，受奥陶纪末生物大灭绝的影响，华南笔石多样性和丰度均快速下降[23]，特别是在赫南特中期观音桥段沉积时期，海洋底域富氧，以腕足类为主的底栖壳相动物群落繁盛，对笔石化石的保存产生了不利影响。赫南特晚期至鲁丹早中期，以Normalograptus、Neodiplograptus、Korenograptus、Metabolograptus等广布型属种为主的新笔石类动物群快速复苏、辐射，在龙马溪组底部密集发育，对应形成了LM1—LM4的富有机质页岩（图3）。埃隆期，除了由鲁丹期上延而来的笔石属种外，以Patalolithnae亚科和Monograptidae科为代表的新属种出现，形成了新的笔石多样性高峰[26]，这一高峰持续整个埃隆期，在华南对应于LM6—LM8带富有机质页岩（图4）。需强调的是，笔石丰度与分异度的变化不仅体现于地层的垂向演化上，还表现为同期不同古地理单元的差异响应。埃隆期笔石带在华南的表现不如凯迪期与鲁丹期稳定，可能是由于在该时期华南龙马溪组的沉积速率开始加快，海洋水动力条件增强，部分地区甚至出现相变，影响了笔石的生存和化石保存。
图3 四川盆地五峰组—龙马溪组下部气层WF2—LM5笔石带典型笔石Fig. 3 Typical graptolites from the WF2-LM5 graptolite biozones of the lower Wufeng-Longmaxi gas layer in the Sichuan Basin |
2.2 埃隆阶LM7—LM8笔石带富有机质页岩发育特征
焦石坝背斜焦页1井自下而上发育五峰组WF1笔石带至龙马溪组LM8笔石带，生物地层连续，是盆地内笔石带保存最完整的钻井之一。该井位于鄂西—渝东深水陆棚中心，远离古隆起，连续沉积未受广西运动的抬升影响。其中，WF2—LM4笔石带厚约25 m，主要岩性为黑色富有机质硅质页岩，是下部气层页岩气主力产层；而LM5—LM8笔石带厚度减薄，岩性以粘土质页岩、灰质页岩为主（图5），在LM6顶部至LM8底部发育高有机碳含量、高孔隙度段，也是目前上部气层的主力产层。
长宁地区宁211井与焦页1井类似，五峰组—龙马溪组笔石带完整，自WF1笔石带至LM8笔石带均有发育。其中，下部优质层段WF2―LM4笔石带厚度为30 m；LM6―LM8笔石带以粉砂岩为主，厚约110 m。上部气层（⑥—⑨小层）对应LM6—LM8笔石带（图5）。
永川地区永页1井五峰组—龙马溪组发育WF2至LM8笔石带，生物地层序列连续。其中，下部优质层段WF2―LM4笔石带厚19 m，岩性为黑色富有机质硅质页岩，是页岩气主力产层；LM5—LM8笔石带厚度较大，介于50~60 m，岩性以灰色黏土质页岩与粉砂质页岩互层为主（图5），有机碳含量较低。
威远地区威202井五峰组—龙马溪组同样完整发育WF2至LM8笔石带，但下部优质层段极薄，仅厚约9 m，为黑色灰质页岩与硅质页岩互层。LM5—LM8笔石带也较薄，厚度为30~35 m，主要为灰质页岩。威远地区由于靠近古隆起，受陆源影响大，因此LM6—LM8笔石带整体有机碳含量低、黑色页岩发育较差（图5）。
尽管这4口井均发育完整的LM6—LM8笔石带，但仅焦页1井发育优质富有机质页岩（TOC平均值>1.6%），而宁211井、威202井与永页1井分别发育粉砂岩、灰质页岩与黏土质页岩，有机碳含量较低（TOC平均值<1.5%）。此外，丁山地区丁页1井的黑色页岩主要发育在LM2至LM6笔石带[29]，仁怀地区仁页1井的黑色页岩主要发育在LM2至LM6笔石带[30]，南川地区南页1井的黑色页岩主要发育在LM2至LM7笔石带[31]，这些地区LM7—LM8笔石带所对应的地层多为粉砂岩、石灰岩等其他岩相，富有机质页岩基本不发育，主要是由于这些井靠近古隆起，水体较鄂西渝东和川南浅，且陆缘碎屑物质供应充足。结合焦石坝与平桥等地的上部气层勘探实践，认为LM7—LM8笔石带富有机质页岩的发育是上部气层富集的物质基础，在这套富有机质页岩层段不发育的地区，上部气层勘探效果不佳。
3 埃隆阶沉积环境与富有机质页岩分布
龙马溪组沉积晚期，受广西运动影响，中上扬子地区沉积中心持续由东南向西北方向迁移，越靠近南部古隆起，LM7—LM8笔石带及富有机质页岩发育越差。在鄂西渝东深水陆棚相区，焦页1井、焦页8井和隆页1井等井均发育完整的LM7—LM8笔石带，且富有机质页岩发育良好，其中焦石坝和平桥背斜上部气层勘探获得突破（表1）。宁211井所在的川南浅水陆棚区LM7—LM8笔石带地层主要为粉砂岩和粉砂质页岩，为靠近黔中古隆起、物源供给充足所致（图6）。靠近川中古隆起的威202井、威页23-1井主要发育灰质页岩（碳酸盐矿物含量>30%），距古隆起稍远的永川地区（永页1井）以黏土质页岩为主。在更靠近黔中古隆起的綦江观音桥剖面周缘，LM7—LM8笔石带所对应地层多为其他岩相，不具备成为上部气层的条件；向西的丁山地区LM7—LM8笔石带富有机质页岩发育，但储层品质差。黔渝地区龙马溪组黑色笔石页岩具有阶段性渐进展布的特征[35]：从LM1到LM5为海侵渐进阶段，LM5之后为均衡扩展阶段。在海侵渐进阶段，从黔中隆起向四川盆地方向，LM1—LM4笔石带页岩逐渐增厚，各笔石带厚度中心从东南向西北方向迁移[10,35]；从桐梓红花园—戴家沟向北，LM6—LM9笔石带黑色页岩的顶部不断被混合相的细粒碎屑岩和碳酸盐岩所代替，这是黔中古陆持续隆升、陆源碎屑供给不断加大的结果[35]。这也是宁211井在LM7—LM8发育一套粉砂质页岩的原因。在鄂西一带，龙马溪组黑色笔石页岩具有圈层展布的特征[36]，龙马溪组底部页岩在不同程度上有所缺失（未沉积或沉积后遭受剥蚀），LM7—LM8笔石带黑色页岩发育差。而在渝东北巫溪一带，龙马溪组黑色页岩可发育至LM9带[37]。
表1 四川盆地及周缘龙马溪组上部气层富有机质页岩发育特征Table 1 Organic-rich shale development characteristics of the upper Longmaxi gas layer in the Sichuan Basin and its periphery |
| 地区 | 代表井 | 沉积环境 | 岩性 | 有机碳含量/% | 孔隙度/% | 含气量/(m3·t-1) | 数据来源 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 焦石坝、平桥 | 焦页1、焦页8 | 深水陆棚 | 富有机质页岩 | 1.25~3.26 | 1.17~7.22 | 1.50~4.12 | |
| 武隆 | 隆页1 | 深水陆棚 | 黏土质页岩 | 0.50~2.10 | 2.00~4.10 | 1.10~2.10 | |
| 丁山 | 丁页1 | 半深水陆棚 | 富有机质页岩 | 0.53~1.45 | 0.20~0.80 | 0.48~0.89 | |
| 东溪 | 东页1SHF | 深水陆棚 | 黏土质页岩 | 1.14 | 4.85 | 1.48 | |
| 长宁 | 宁211 | 半深水陆棚 | 含钙粉砂质泥岩、细砂岩 | 0.68 | 0.73 | 文献[28, 32] | |
| 威远 | 威202、威页23-1 | 浅水陆棚 | 灰质页岩 | 1.47~2.30 | 4.40~7.40 | ||
| 永川 | 永页1 | 深水陆棚 | 黏土质页岩 | 0.12~1.85 | 5.30~6.10 | 0.80~2.20 | |
| 泸州 | 泸203 | 深水陆棚 | 黏土质页岩 | 0.86~3.52 | 4.00 | 文献[33, 34] |
4 上部气层页岩气差异富集主控因素
4.1 LM7—LM8笔石带富有机质页岩的发育是上部气层富集的前提
龙马溪组上部气层页岩气差异富集的首要控制因素为LM7—LM8笔石带富有机质页岩是否发育，这套特定的等时地层单元是决定上部气层含气性的主要物质基础。焦石坝地区焦页1、焦页8等井发育完整的LM7—LM8笔石带页岩，硅质含量相比下部气层较低，主要以黏土质页岩为主，但其有机碳含量、孔隙度及含气量均显著高于上覆地层。勘探实践证实，高有机质丰度是高生烃量的物质基础、高孔隙度为游离气提供足够的赋存空间，二者综合形成相对优质的甜点层段。如焦页1井水平井日产气20.3×104 m3，其穿行层段中的1—3水平压裂段处于上部气层（⑥—⑨小层）内，该段提供了近万方的日产量[39]，说明上部气层潜力巨大。后续在焦石坝部署的5口上部气层评价井中，测试日产气量为(15.0~24.8)×104 m3，平均日产气量可达19.9×104 m3，页岩含气量和EUR（最终可采储量）为下部气层的1/3到1/2[13,15]。井口测试压力平均13.4 MPa，虽然压力下降快于下部气层生产井，但仍具备一定的商业开发价值。这套页岩的发育，得益于焦石坝地区位于鄂西—渝东深水陆棚沉积中心，在埃隆期保持了有利于有机质保存的缺氧环境（图6），从而为页岩气的生成与储集提供了物质保障。
区域对比揭示LM7—LM8笔石带富有机质页岩在四川盆地内的发育具有显著差异性，这导致了上部气层勘探效果的差异。在这套页岩缺失或发育差的地区（如武隆、丁山、威远、长宁和永川等地区），生烃和储集条件差，页岩气富集程度低。因此，LM7—LM8笔石带富有机质页岩的发育是上部气层得以富集的先决条件与物质基础。其在平面上的展布受控于埃隆期的古地理格局，仅在远离古隆起、持续处于深水陆棚环境的区域（如焦石坝及渝东北巫溪一带）才能有效发育。
4.2 构造形态和保存条件对上部气层富集具有明显控制作用
上部气层的富集部位与构造控制的页岩气运移过程密切相关。页岩层里的天然气在压力驱动和构造抬升的双重动力作用下沿层理与天然裂缝向构造高部位运移（图7a），LM7—LM8笔石带黏土质富有机质页岩中天然气在宽缓背斜高部位富集[16]，在背斜翼部、向斜等部位含气性显著降低，如东溪向斜以及威远单斜的上部气层天然气富集程度低，勘探潜力有限。勘探部署建议优先选择背斜高部位实施参数井，在获取关键工程与地质参数后再逐步向翼部推进。此外，构造样式对上部气层的富集具有显著控制作用。窄而陡峭的背斜（如平桥背斜）通常伴随核部断裂发育，导致压力释放与气体逸散；邻近大型断裂带的背斜或斜坡高部位（如丁山断鼻）往往高角度裂缝较为发育，封闭能力差，易受外界流体干扰破坏。这些断裂、裂缝发育的上部气层即使位于高部位，其产量也普遍低于焦石坝背斜，因为这类构造的封闭性较差，不利于气体保存，影响了页岩气的有效聚集。
上部气层富集的另一个重要因素是异常高压。异常高压存在的前提是流体封存箱的发育，指示油气的保存条件良好。焦石坝背斜高部位为超压环境，异常高压有效抑制了黏土质页岩的压实作用，有利于页岩物性的保持，使得黏土质页岩也能形成良好的有效储层（图2）。相反，在武隆向斜等常压区域，上部黏土质页岩由于缺少硅质格架和异常孔隙压力的支撑，压实作用强烈，孔隙度普遍介于2%~4%，物性较差，因此多作为直接盖层，与下部气层的硅质页岩形成“上低下高”的物性分布特征（图8），此类向斜构造上部气层富集程度普遍较低（图7b）。在渝东北的巫溪一带，构造较为复杂，虽然发育LM7—LM8笔石带富有机质页岩，但后期构造运动强烈、断裂发育，不发育异常高压，页岩气储集、保存条件较差。在这些区域，建议优先开展构造稳定性与保存条件评价，优选构造相对稳定、保存条件较好的区块，并以下部气层为首要勘探目标，兼探上部气层的潜力。
5 结论
本文基于生物地层学方法，通过笔石带页岩精细对比，结合典型井钻探效果综合分析，明确了四川盆地龙马溪组上部气层差异富集主控因素及有利区分布规律。
（1）龙马溪组上部气层的甜点受控于特定等时地层单元——埃隆阶LM7—LM8笔石带富有机质页岩的发育，其在区域上的差异分布是导致上部气层差异富集的重要地质原因。
（2）龙马溪组上部气层的差异富集受富有机质页岩发育情况与构造保存条件共同控制。即使发育LM7—LM8笔石带富有机质页岩，其最终产能还受到后期构造类型及构造演化的控制。宽缓背斜的高部位因其优越的构造位置和封闭性，能有效阻止页岩气逸散，使得页岩气富集成藏，是勘探开发的首选目标。
（3）建议将“生物地层格架下的笔石带识别”作为构建区域等时对比格架的基础，以此约束和指导勘探——首先圈定LM7—LM8优质页岩平面展布，再结合“构造保存条件”进行精细评价与靶区优选。该评价思路可为四川盆地龙马溪组上部气层的勘探开发提供更为可靠的地质依据。
