四川盆地東部上奧陶統(tǒng)頁巖硅質成因研究

四川盆地東部上奧陶統(tǒng)頁巖硅質成因研究

隨著四川盆地油氣勘探的深入，下志龍溪群油氣已成為中國油氣勘探的中心層系?，F(xiàn)在有16口井，其中15口是天然氣開采的。該套頁巖的深入研究對資源評價和勘探部署等方面具有重要意義,近年來諸多學者針對龍馬溪組頁巖開展了大量研究工作,頁巖的孔隙度、滲透率、有機碳含量、巖石物理性質、沉積環(huán)境、巖性組合和埋藏歷史等與勘探生產(chǎn)的關系亟待解決,但研究工作須開始于頁巖的基本特征及成因。頁巖中含有大量石英等硅質成分,石英的來源包括細粒低變質巖、風化作用中粗顆粒的破碎、搬運過程中的磨蝕、黏土成巖過程以及生物成因蛋白石的重結晶。頁巖中石英來源的判別主要根據(jù)沉積巖石學和石英硅、氧同位素資料。頁巖中石英主要為碎屑來源,例如盆地中粗顆粒石英通常表示從濱岸搬運數(shù)百千米形成,主要為表面光滑的渾圓狀或不規(guī)則狀。黏土成巖作用中形成的自生石英主要是在蒙脫石層伊利石化過程中硅質析離形成,頁巖中多數(shù)石英可能是成巖作用的產(chǎn)物,但由于自形石英晶體顆粒受到層狀硅酸鹽薄層的限制,因此晶面不發(fā)育,很少在掃描電子顯微鏡中觀察到自形晶,多呈凝塊體存在,隱晶質結構,主要存在硅質巖中。硅質生物來源主要為海綿骨針、放射蟲、硅藻等,一般認為生物成因蛋白石重結晶對頁巖中硅質貢獻很小。國外學者針對海相生物成因硅進行了大量研究,如通過生物成因硅建立成巖作用和硅質溶解模式,盆地范圍的流體流動,重建頁巖層序的沉積歷史和早期成巖硅質沉積,針對不同硅質成因的頁巖進行有機地球化學及儲層物理性質研究,利用生物成因硅同位素數(shù)據(jù)(δ18O和δ30Si)恢復古生物生產(chǎn)力和海洋表面溫度,等等。研究表明,中國南方多個優(yōu)質頁巖層位(如下上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組)部分層段硅質為生物成因。目前,關于頁巖生物硅質成因重要性以及生物成因硅在頁巖中所占比重的研究比較缺乏。生物硅質成因的頁巖常富含有機質,研究表明TOC大于2%的頁巖具有經(jīng)濟開發(fā)效益。有機碳含量與頁巖吸附氣量成正相關關系,因此生物硅質成因頁巖段對頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖底部富含硅質成分,但硅質來源及意義未做深入研究。本文通過野外露頭和顯微鏡觀察以及巖石學和地球化學分析,對五峰組和龍馬溪組底部富有機質頁巖硅質的生物成因及其意義進行探討。1晚奧陶世巖相古地理四川盆地經(jīng)歷了多期構造運動,形成現(xiàn)今四面環(huán)山的構造格局,多個層系發(fā)現(xiàn)油氣聚集[18,19,20,21,22,23],包括石炭系黃龍組、上二疊統(tǒng)長興組、下三疊統(tǒng)飛仙觀組和嘉陵江組、中三疊統(tǒng)雷口坡組和上三疊統(tǒng)須家河組等,頁巖氣藏主要發(fā)現(xiàn)于寒武系筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組。晚奧陶世五峰期,黑色頁巖分布穩(wěn)定,大范圍內均可對比。早志留世龍馬溪期總體處于深水陸棚,龍馬溪組與下伏奧陶系整合接觸。受加里東運動的影響,志留紀末期發(fā)生大規(guī)模構造隆升,在中上揚子地區(qū)形成大型古隆起。沉積厚度一般為100~600m,在沉積中心可達700m,盆地南部厚50~600m,黑色頁巖厚20~260m。長寧雙河剖面位于四川盆地南部(圖1),由上奧陶統(tǒng)寶塔組、五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組組成,總厚度340m。巖性自下而上總體為泥灰?guī)r、炭質頁巖、粉砂質頁巖夾粉砂巖條帶(圖2)。對剖面樣品共進行178件有機碳含量和16件主量元素分析。2石英顆粒生物成因分析研究表明,上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖底部富有機質頁巖中部分硅質為生物成因,占總硅質的40%~60%。顯微鏡下觀察到細粒至粗粒的石英顆粒,說明部分石英并非經(jīng)歷長距離搬運而是生物成因,是由生物體的成巖SiO2沉積形成。高過量硅含量已被用來推斷白堊系、三疊系和泥盆–密西西比系富有機質頁巖/泥巖中硅質的生物成因,如西加拿大盆地中泥盆系–密西西比系的地層具有50%~70%的過量硅,TOC高達4.8%,Ti/Al比值相對不變,并發(fā)現(xiàn)放射蟲、Tasminites和海綿骨針等生物體,證明過量硅部分是生物成因。2.1顯微組織的形態(tài)結構通過長寧雙河剖面150個頁巖薄片觀察,在五峰組和龍馬溪組頁巖中發(fā)現(xiàn)大量微體生物化石(圖3),主要為海綿骨針、放射蟲、有孔蟲等,指示頁巖中硅質成分可能為生物成因。顯微鏡下,生物體多為25~1000μm,呈星點狀散布于頁巖中,含量一般為0.1%~5%。放射蟲多呈球形、橢球形或紡錘形,球狀直徑為30~150μm,個別可達300μm,顯微鏡下有些樣品可看到同心圓和放射狀結構。微化石體內多被硅質、鈣質和黃鐵礦充填(圖3),或被熔蝕呈鑄?？锥?部分保存不好,輪廓模糊,保存完整的可見放射刺(圖3(e))。硅質化石未完好保存可能是由海水SiO2不飽和或沉積物中孔隙水導致生物硅(蛋白石)的溶解所致。頁巖中部分硅質為各種浮游生物殘骸經(jīng)成巖作用演化而來。硅質生物從海水中直接分解和吸收SiO2后形成生物機體,死亡后SiO2再次進入水溶液中或直接沉淀。該套海相頁巖硅質的生物成因與一些學者的研究結果一致。美國Barnett頁巖,BesaRiver頁巖,Chattanooga,NewAlbany以及Woodford和Ohio頁巖也都發(fā)現(xiàn)放射蟲。2.2氧化物組成成分對長寧雙河剖面16個頁巖樣品進行主量元素分析(表1),SiO2含量為43.34%~73.80%,Al2O3含量為3.5%~15.7%,CaO含量為0.51%~18.01%。海相頁巖是3個氧化物端元組分的混合:SiO2(碎屑石英和/或生物成因硅)、Al2O3(黏土)和CaO(碳酸鹽)。主量元素三元圖表明,該套頁巖下部相對于Al2O3更富集SiO2(圖4)。與美國主要頁巖類似。2.2.1sio2-a長寧雙河剖面五峰組和龍馬溪組頁巖局部硅質含量明顯高,具有較高Si/Al比值。過量硅含量(excessSiO2)是指高于正常碎屑沉積環(huán)境下的SiO2含量,計算公式為(Si/Al)背景采用平均頁巖比值3.11。通過計算得出五峰組和龍馬溪組頁巖高達63%的SiO2不在鋁硅酸鹽相中(表1),主要集中于剖面下部,過量硅含量為40%~62.7%。Si與Al交匯圖(圖5)表明,五峰組和龍馬溪組頁巖與美國Barnett硅質富有機質頁巖類似,在伊利石Si/Al線上為過量硅部分,反映更多成分的生物成因硅。雖然在五峰組和龍馬溪組頁巖中不能忽視硅質的碎屑來源,但該套頁巖中約40%~60%的過量硅質部分是生物來源。2.2.2生物成因與al2o3的相關性主量元素含量對于硅質成分成因判別有重要意義。不同成因的硅質成分具有不同巖石化學特征,生物成因頁巖具有高SiO2,P2O5和Fe2O3,低Al2O3,TiO2,FeO和MgO特征。Fe和Mn元素的富集主要與熱水有關,而Al與陸源碎屑相關。長寧雙河剖面下部Al2O3與TiO2具有較高的相關性(R=0.99)(圖6(a)),但含量相對偏低(分別不高于5.52%和0.28%),而且與SiO2含量沒有任何相關性(R=-0.34,-0.25)(圖6(b)和(c)),說明陸源物質對硅質成分貢獻不大。Al/(Fe+Al+Mn)比值是判斷硅質成因的重要指標,純熱水成因比值為0.01,純生物成因比值大于0.60。Si/(Si+Al+Fe)比值也是判斷硅質成因的重要參數(shù),生物成因比值較高,一般大于0.9。長寧剖面底部富有機質頁巖4個樣品的Al/(Fe+Al+Mn)比值為0.67~0.71,在Al–Fe–Mn圖解(圖7)上落于生物成因區(qū),Si/(Si+Al+Fe)比值為0.89~0.93,平均0.90,表明頁巖硅質為生物成因。2.3上分層分布特征通過對178個頁巖樣品進行有機碳含量分析,得出五峰組有機碳含量為2%~7.55%,平均3.73%。龍馬溪組頁巖有機碳含量為0.23%~8.36%,平均1.16%,其中TOC>2%段集中在底部21m,TOC>1%總厚度為155.9m,底部136.7m連續(xù)分布,向上富有機質段呈薄層,厚度為1~6m。整體看,該套頁巖地層有機質含量從底部向頂部逐漸減少(圖2)。根據(jù)硅質含量與TOC的關系(圖8)看出,在長寧雙河剖面下段,有機碳含量總體較高,平均3.86%,有機碳含量隨著硅質成分增加而增加,TOC>2%的頁巖中SiO2含量大于60%,有機碳含量與硅質含量有較好的正相關關系,與美國FortWorth盆地的Barnett頁巖相似。剖面中部(距底44.5~153m),TOC介于0.94%~1.98%之間,硅質成分與TOC的相關性不強,在剖面上部(距底153~320m),TOC多小于1%,且與硅質成分的相關性不強。一般而言,TOC會隨著硅質含量增加而降低,但長寧雙河剖面下部富有機質頁巖的TOC與硅質含量呈現(xiàn)出較好的正相關性,說明硅質成因可能與生物有關。3巖石力學性質對儲層物性的影響硅質生物成因對于頁巖古沉積條件重建以及成巖作用研究有重要指示意義。巖石力學性質對儲層非常重要,決定頁巖是否容易形成天然裂縫和水力壓裂的效果。頁巖硅質含量越高,脆性越強,越有利于產(chǎn)生裂縫和壓裂改造,是目前頁巖氣富集高產(chǎn)的主要原因。3.1巖石學和硅質生物海相頁巖中生物硅質主要來源于硅藻、放射蟲等硅質生物,生物成因硅在古沉積環(huán)境研究中有指示意義。五峰組和龍馬溪組頁巖中放射蟲等生物體反映靜水和相對深水的陸棚沉積環(huán)境。由于硅質生物(如放射蟲等)生長發(fā)育需要大量硅,因此頁巖中大量硅質生物的存在指示沉積時的水體富含硅。同時,這種環(huán)境對生物死亡后的埋藏和保存也起積極作用,且生物生產(chǎn)率高,有利于形成富有機質頁巖,對頁巖氣有利層位選擇有重要意義。3.2裂縫發(fā)育程度頁巖天然裂縫的發(fā)育直接影響頁巖氣藏的開采效益和產(chǎn)量,硅質含量越高,頁巖脆性越大,越有利于裂縫形成。生物成因硅質重結晶可以形成石英,增加頁巖脆性。通過巖石薄片和野外露頭觀察,長寧雙河剖面頁巖裂縫發(fā)育程度與硅質含量有正相關關系。在頁巖下部,脆性礦物含量高,裂縫發(fā)育,向上裂縫發(fā)育程度變差。露頭上裂縫類型主要為層間縫、垂直層理縫和斜交縫(圖9)。顯微鏡下可見頁巖下部微裂縫十分發(fā)育(表2)。微裂縫寬度為0.015~1mm,長度為0.9~30mm,主要為平行紋層縫、斜交縫和垂直紋層縫,部分樣品顯示很好的網(wǎng)狀裂縫,互相連通(圖9)。3.3雙河剖面的巖石力學特性頁巖可壓裂性是頁巖氣井評價的關鍵參數(shù)之一,不同頁巖在水力壓裂過程中可形成不同的裂縫網(wǎng)絡。脆性是影響頁巖可壓裂性和誘導裂縫形態(tài)的重要因素,脆性越高,可壓裂性越好。富含硅質的頁巖比富含黏土質的頁巖在人工壓裂中產(chǎn)生更多的裂縫系統(tǒng)。楊氏模量反映頁巖被壓裂后保持裂縫的能力,泊松比反映頁巖在受到壓力時破裂的能力,因此這兩個力學參數(shù)可用于評價巖石對水力壓裂的反應。具有高楊氏模量和低泊松比的地層脆性更大,而具有低楊氏模量和高泊松比的地層韌性更強。對長寧雙河剖面五峰組和龍馬溪組3件頁巖樣品進行單軸和三軸力學實驗,結果表明巖石抗壓強度為38.51~111.41MPa,三軸楊氏彈性模量為10.15~35.09GPa,泊松比為0.12~0.28;單軸楊氏彈性模量為12.49~35.72GPa,泊松比為0.14~0.18(表3),具有高彈性模量、低泊松比特征,與美國主要產(chǎn)氣頁巖具有可比性(表3),有利于人工壓裂。4硅質生物成因1)四川盆地長寧雙河剖面五峰組和龍馬溪組頁巖中發(fā)現(xiàn)大量放射蟲、海綿骨針等微化石,粒徑為25~1000μm,多被硅質、鈣質和黃鐵礦充填,或被溶蝕呈鑄?？锥?說明頁巖中硅質可能為生物成因。2)五峰組和龍馬溪組頁巖富含SiO2,含量為43.34%~73.8%,具高SiO2,P2O5和Fe2O3,低Al2O3,TiO2,FeO和MgO特征。通過計算,得到剖面下部40%~62.7%的SiO2為過量硅,且Al2O3與TiO2含量具有高相關性,而與SiO2含量無相關性,說明陸源碎屑貢獻較小。