南方海相优质页岩的成烃生物研究

秦建中,陶国亮,腾格尔,边立曾,谢小敏,付小东

(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡,214151)

南方海相优质页岩的成烃生物研究

秦建中,陶国亮,腾格尔,边立曾,谢小敏,付小东

(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡,214151)

在以往海相优质烃源岩研究的基础上,利用扫描电镜结合能谱元素分析方法对优质页岩进行成分、成烃生物、形成环境和生烃潜力等综合研究,认为海相优质页岩成烃生物主要有3种类型:1)浮游藻类,包括硅质鱼鳞藻、疑源类(硅质光面球藻、原始硅藻及有机小刺藻等)、蓝藻类(钙质色球藻等)及钙质塔斯马尼亚藻等;2)底栖生物,包括硅质(或钡质或铁质等)藻席、硅质藻孢子囊、硅质藻丝体残片、硅质海绵及原始线叶植物(含粘土)等;3)菌类,包括钙质真菌菌丝(含有机质)、硅质细菌(含有机质)、硫细菌(可不含有机质)、铁细菌(含有机质)及纳米钙质细菌等。通过对不同层位成烃生物组合特征结合能谱元素数据,初步分析了优质页岩形成时的水体环境。现代藻类热压模拟实验和含单一成烃生物的实际油页岩样品热解实验研究表明,浮游藻类相当于Ⅰ型干酪根生烃潜力,底栖藻类相当于Ⅱ型干酪根生烃潜力。

浮游藻类;底栖生物;菌类;成烃生物;生烃潜力;海相优质页岩;中国南方

烃源岩中成烃生物的组成特征(生物相)是划分烃源岩有机相,进而准确评价烃源岩品质的重要研究内容[1-6]。我国南方海相烃源岩层普遍具有高—过成熟的特点,常规地球化学参数难以准确评价烃源岩品质。本文利用扫描电子显微镜(SEM)结合能谱元素分析方法观测了南方海相各层系优质页岩中的成烃生物组合,并测定其元素含量,初步分析了成烃生物与沉积环境的关系,利用热压模拟实验和热解实验分析了成烃生物中浮游藻类和底栖藻类的生烃潜力,为评价烃源岩生烃潜力提供重要的依据。

1 样品与实验

1.1 样品概况

中国南方海相区震旦纪以来经历了兴凯—加里东,海西—印支、燕山—喜山3大旋回,发育了下寒武统牛蹄塘组下部(-C1n)、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组(O3w—S1l)和上二叠统龙潭组及大隆组(P2l—P2d)3套区域性优质页岩层,以及泥盆系、震旦系等层位的局部发育的烃源岩[7-10]。笔者在过去几年南方海相烃源岩研究的基础上,选择了11块代表性泥页岩样品(表1)进行了扫描电子显微镜(SEM)结合能谱元素分析,观测成烃生物组成并测定其元素组成。所选样品基本包含了上述主要烃源岩层位,且平面上也基本覆盖了南方海相主要烃源岩发育区(图1)。

为了研究不同成烃生物的生烃行为和潜力,选择现代藻类中典型的浮游藻和底栖藻进行热压模拟实验。同时,选择吉林省桦甸2种颜色的油页岩共22块样品进行热解实验。扫描电镜观测表明该地区黄色油页岩基本以单一的浮游藻类为主,黑色油页岩基本以单一的底栖藻类为主,而黄黑色过渡的油页岩特征介于黄色和黑色油页岩之间。通过热解分析可以了解含单一成烃生物的实际地质样品的生烃潜力。

表1 南方海相优质页岩典型样品概况Table 1 An overview of typical samples for excellent marine source rocks,South China

图1 南方海相优质页岩典型样品采样位置及剖面Fig.1 The sampling locations and stratigraphic columns for typical samples of excellent marine source rocks,South China

1.2 测试方法

使用扫描电子显微镜(SEM)观测南方海相优质页岩中成烃生物。扫描电镜是用聚焦得很细的电子束照射被检测的试样表面,产生二次电子或背散射电子进行形貌观察。

能谱仪(EDS)是接收X射线并检测X射线能量强度的仪器,它是用聚焦得很细的电子束照射被检测的试样表面,用X射线能谱仪测量电子与试样相互作用所产生的特征X射线的强度、波长与能量,从而对微区所含元素进行定性或定量分析。

SEM结合EDS具有成分分析功能,它们组合后,不但可以进行微观结构分析和准确的成分分析,而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。

热压模拟实验在中国石化无锡石油地质研究所实验中心进行,具体方法和流程参照文献[11,12]进行。热解实验使用岩石热解仪进行。

2 扫描电镜与能谱分析结果

烃源岩中成烃生物并不等同于地层中的古生物群,它只是生物群中为生烃作贡献的那部分生物[13-14],主要包括细菌、浮游藻类、底栖宏观藻类、动物有机质、高等植物等,对于海相烃源岩而言,高等植物一般不能作为主要的成烃生物类型[3]。本次研究表明,南方海相优质页岩往往具有“多重母质”组合的特点。

2.1 浮游成烃生物

扫描电镜下发现的浮游生物主要包括鱼鳞藻、硅藻、光面球藻、小刺球藻、蓝藻、色球藻、塔斯马尼亚藻等,镜下照片、成烃生物鉴定结果见图2。

图2 南方海相优质页岩中典型浮游成烃生物a-n为扫描电镜微观结构照片;o-p为显微荧光照片。a.通江,-C1n,TJ-07-64,硅质鱼鳞藻片;b.通江,-C1n,TJ-07-64,硅质鱼鳞藻片;c.通江,S1l,TJ-07-115,硅质鱼鳞藻片;d.华蓥山,O3w,LF-10,硅质鱼鳞藻片,经酸液处理;e.贵州遵义,-C1n,SL-12,硅质光面球藻(具瘤面的疑源类);f-g.通江,-C1n,TJ-07-64,硅(氮)质光面球藻(疑源类的一种);h.云南禄劝,D2,LQ-1,钙质蓝藻门(蓝细菌)-色球藻科;i.贵州遵义,C-1n,SL-9,原始硅质硅藻(?);j.河坝1井,P2d,HB1-7-4,硅质藻类皮壳,硅质藻类核部;k.河坝1井,P2d,HB1-7-4,可能为硅钙质蓝藻光合片层;l.云南禄劝,D2,LQ-1,黄铁矿质虫管,磷钙质虫管竹节石,硅质含粘土生物腱鞘;m-n.贵州遵义,-C1n,SL-12,小刺藻;o-p.广元上寺,P2d,GY-07-14,全岩反射显微荧光照片,塔斯马尼亚藻。Fig.2 Photographs of typical hydrocarbon-forming pelagic algae in excellent marine source rocks,South China

金藻门硅质鱼鳞藻,主要见于下寒武统牛蹄塘组、下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组样品(图2a,b,c,d)。扫描电镜下观察到鱼鳞藻的鳞片大小不一,具有大网眼的鳞片直径为20μm左右,具有小网眼的鳞片直径为3～9μm左右(所谓大网眼是指直径为3～5μm的网眼,小网眼指直径为0.4～0.5μm的网眼)。在一个鱼鳞藻的鳞片上,可以只发育一种类型的网眼,也可以在一个鳞片的不同部位发育大小不一的网眼。鱼鳞藻鳞片的保存常见的是单一鳞片的保存,也可以看到若干个鳞片相互叠合保存在一起,鱼鳞藻的鳞片往往以斑块状成层性的分布。

疑源类(硅质光面球藻、原始硅藻及有机小刺藻)成烃生物主要发育在下寒武统牛蹄塘组页岩中(图2e,f,g,i,j,m,n)。

蓝藻门钙质或硅钙色球藻等主要发育在中泥盆统和上二叠统(图2h,k,l)。

钙质塔斯马尼亚藻主要发育在上二叠统(图2o,p)。

2.2 底栖生物

扫描电镜下发现的底栖生物主要包括底栖藻席、藻孢子囊、藻丝体残片、海绵、原始线叶植物等,镜下照片、成烃生物鉴定结果见图3。

底栖藻类中的硅质(或钡质或铁质等)藻席主要见于贵州遵义下寒武统牛蹄塘组页岩中(图3a,b,c,d)。

硅质(或多元素或黄铁矿化)藻孢子囊以贵州遵义下寒武统牛蹄塘组和河坝1井上二叠统为主(图3a,b,g,h,o)。

宏观硅质(或钙质或铁磷钙质或粘土或多元素)藻丝体残片以下寒武统牛蹄塘组和上二叠统为主(图3f,h,i,j,k,l,m,n)。

硅质海绵主要发育在下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组(图3a,b,e)。

原始线叶植物主要发育在下寒武统牛蹄塘组(图3p)。

图3 南方海相优质页岩典型底栖成烃生物a.贵州遵义,C-1n,SL-9,硅质藻席和孢子囊,硅质海绵;b.贵州遵义,C-1n,SL-9,硅质藻席及硅质孢子囊,硅质海绵;c.贵州遵义,C-1n,SL-9,富钡藻席,示网眼和丝;d.贵州遵义,C-1n,SL-9,富铁藻席;e.通江,S1l,TJ-07-115,硅质海绵;f.贵州遵义,C-1n,SL-12,宏观藻类茎杆,铁磷钙质生物体髓,铁磷钙质生物体腔壁,生物腔内硅铁磷质充填物;g.贵州遵义,-C1n,SL-8,藻孢子和硅质岩;h.贵州遵义,C-1n,SL-9,硅质等藻孢子囊,宏观底栖硅质藻;i.河坝1井,P2d,HB1-7-4,藻丝体残片(宏观底栖藻);j.重庆南川,P2l,QJ-6,底栖红藻,见纹孔;k.贵州遵义,C-1n,SL-8,底栖藻硅质根状物;l.贵州遵义,C-1n,SL-9,具中肋底栖藻硅质残片;m.通江,S1l,TJ-07-115,藻丝体细胞壁,藻丝体中间充填硅质粘土有机质;n.河坝1井,P2d,HB1-7-4,藻丝体细胞壁,藻丝体中间硅化;o.河坝1井,P2d,HB1-7-4,黄铁矿化孢子囊;p.贵州遵义,C-1n,SL-8,原始线叶植物。Fig.3 Photographs of typical hydrocarbon-forming benthic organisms in excellent marine source rocks,South China

2.3 菌类

扫描电镜下发现的菌类主要包括硅质细菌、硫(或铁硫)细菌、铁细菌、纳米细菌、真菌等,镜下照片、成烃生物鉴定结果见图4。

硅质细菌(含有机质)主要见于贵州遵义下寒武统牛蹄塘组和河坝1井上二叠统(图4a,b,c,d,e)。

粘土质硫(或铁硫)细菌(图4e,f,g,h,i,j),部分可不含有机质,主要见于重庆南川和河坝1井上二叠统页岩。

铁细菌,含有机质,主要见于通江志留系页岩中(图4l)。

纳米钙质细菌,出现于云南禄劝D2页岩(图4k)。

钙质真菌菌丝,含有机质,主要在广元上寺P2d页岩中见到(图4m,n,o,p),真菌一般生活在富有机质的基底上,其本身是腐生生物,是消耗有机质的。

图4 南方海相优质页岩典型菌类成烃生物a -b.贵州遵义,C-1n,SL-8,硅质细菌(细菌对藻席的改造);c-d.河坝1井,P2d,HB1-7-4,硅质岩晶面上的微生物(硅质细菌);e.河坝1井,P2d,HB1-7-4,硅质铁硫细菌,不含有机质硅质铁硫细菌;f.重庆南川,P2l,QJ-6,粘土质硫细菌,不含有机质粘土质硫细菌;g.重庆南川,P2l,QJ-6,杆状硫细菌;h.重庆南川,P2l,QJ-6,不含有机质粘土质硫细菌,不含有机质黄铁矿化硫细菌;i.重庆南川,P2l,QJ-6,硫细菌;j.重庆南川,P2l,QJ-6,粘土质硫细菌;k.云南禄劝,D2,LQ-1,纳米钙质细菌;l.通江,S1l,TJ-07-115,铁细菌(弯曲状,中空);m-n.广元上寺,P2d,GY-07-11,钙硅粘土质真菌菌丝;o.广元上寺,P2d,GY-07-11,钙质真菌菌丝;p.广元上寺,P2d,GY-07-11,钙质真菌菌丝,硅质黄铁矿印痕或硅质鱼鳞藻(?)。Fig.4 Photographs of typical hydrocarbon-forming fungi in excellent marine source rocks,South China

2.4 “多重母质”分布特征

将在扫描电镜中鉴定出的成烃生物按层位和样号统计,不同层位、不同烃源岩样品的成烃生物组合如表2所示。可见南方海相优质页岩层往往具有“多重母质”分布的特点,即各层位烃源岩往往都同时具有浮游生物、底栖生物和菌类中一类以上的多重母质分布。

3 讨论

3.1 成烃生物组合特征与沉积环境的初步分析

3.1.1 川东北上二叠统

从表2中成烃生物组合特征可以看出,大隆组具有浮游藻类、底栖生物和菌类“三重母质”组合,而龙潭组以底栖藻和菌类为主,这反应了这2套地层沉积时水体环境的差异。大隆组浮游藻类和底栖藻都发育,说明沉积时水体较深,一般在60～200 m之间、多分层,水体上部发育的浮游藻类死亡后以“海雪(Marine Snow)”[15-17]方式沉积到水体下部或底部的强还原(Eh<-0.2)或H2S环境中保存下来,菌类的存在表明水体底部环境比较稳定,利于有机质保存。

表2 扫描电镜中鉴定出的部分成烃生物统计Table 2 Statistics of hydrocarbon-forming organisms identified through SEM

重庆南川龙潭组仅发育底栖藻类和菌类,未发现浮游藻类,说明其水体较浅,硫细菌的存在表明底层为强还原环境,利于有机质保存[18-19]。

成烃生物组合反映的沉积环境特征与样品能谱元素分析结果一致:首先能谱元素分析结果中,上二叠统样品C含量都很高,表明有机质得到了很好保存;其次,上二叠统样品菌类成烃生物S含量也较高,与样品中含大量硫细菌一致,表明水体底部为强还原环境;最后,大隆组样品Al元素含量很低,有些样品甚至未检出,表明其粘土含量很低,离物源(或沼泽)区较远,水体较深,而龙潭组样品Al元素含量较高,表明其粘土含量较高,近物源,水体较浅。

3.1.2 遵义松林剖面下寒武统

本次研究选取了遵义松林剖面下寒武统3块样品,从SL-8到SL-9再到SL-12样品层位逐渐变新。从由老到新3块样品的成烃生物组合情况来看,SL-8含底栖藻和菌类,表明其沉积时水体浅,而SL-9和SL-12含浮游藻和底栖藻,表明其沉积时水体变深。另外,SL-8号样含原始线叶植物,可能属于外源搬运形成,这表明其离物源近,水体较浅;SL-9号样含底栖硅质藻席与海绵残屑,表明其水体虽深于SL-8,但仍不算太深;而SL-12号样见浮游光面球藻,有机物微含S元素,表明沉积水体趋于分层,下部为强还原有利于浮游生物的保存,可能沉积水体相对更深一些,即从SL-8到SL-12层位逐渐变新的同时,沉积水体也相对逐渐变深。

3.2 浮游藻类和底栖藻类生烃潜力分析

3.2.1 海相浮游藻与底栖藻热压模拟实验

秦建中等(2007)进行了浮游藻和底栖藻的热压模拟实验(图5),表明海相浮游藻类总生油量远大于底栖藻,最高生油量约相当于底栖藻的2～3倍;浮游藻生油高峰较提前,约为模拟温度275℃,相当于Ro为0.70%左右,相对底栖藻模拟温度要提前75℃左右,Ro要低0.40%左右[20]。

浮游藻的热压模拟实验结果表明,浮游藻具有极强的生成重质油能力,大部分成烃物质可能无需生成干酪根,在较低温度下(相当于Ro为0.66%左右)就可以直接热降解生成大量重质油,有机碳转化率可达90%以上。随着热演化的进一步加剧,重质油一部分热裂解生成大量烃气(有机碳最高转化率约在35%～43%之间)和小分子的无机气体(CO2,H2,N2,H2S等),另外一部分稠环芳烃杂原子基团进一步缩聚成更复杂、更稳定的含杂原子化合物即“固体沥青”(有机碳最高转化率约在38%～47%之间)。而海相底栖藻也可以生成原油、烃气和固体沥青,只是其数量要比浮游藻低,油相对要“轻”,生油高峰也相对靠后,这与它们的有机质类型、结构有关,前者多为长链烃基团,后者多为中短链烃基团,断裂所需活化能要求更高一些。

图5 海相浮游藻和底栖藻油产率随模拟温度的变化Fig.5 Changes of oil yields of the marinepelagic algae and benthic algae in response to different temperatures in thermal compression simulation

3.2.2 含浮游藻和底栖藻的优质页岩生烃潜力的对比

吉林省桦甸油页岩有2种颜色,即黄色和黑色,扫描电镜观测表明该地区黑色油页岩基本以单一的底栖藻类为主(图6a),而黄色油页岩基本以单一的浮游藻类为主(图6b)。采用实际的地质样品进行热解分析可以了解实际烃源岩样品中不同成烃生物的生烃潜力。

从黄色、黑色和黄黑过渡3种共22块油页岩样品热解数据来看,黄色油页岩具有很高的氢指数和很低的氧指数,黑色油页岩与之相反,具有较低的氢指数和较高的氧指数,黄黑过渡色油页岩特征介于两者之间(图6c,d)。

将22块油页岩氢指数和氧指数数据投到氢指数、氧指数判识有机质类型图版上(图6e),可以发现黄色油页岩中有机质为Ⅰ型,黑色油页岩中有机质为Ⅱ型。

通过对富含单一成烃生物的实际地质样品的分析可以确定,成烃生物为浮游藻类的有机质生烃潜力更大,有机质类型为Ⅰ型,而成烃生物为底栖藻类的有机质生烃潜力相对较小,有机质为Ⅱ型。

图6 桦甸黄色和黑色油页岩扫描电镜照片、氢指数/氧指数分布及有机质类型判断Fig.6 SEM photos,distributions of HI and OI,and types of organic matters of yellow and dark oil shale from Huadian area

5 结语

1)本文在海相优质烃源岩研究的基础上,利用扫描电子显微镜方法系统观测了南方海相优质页岩中成烃生物组成,认为海相优质页岩成烃生物主要有3种类型,包括浮游藻类、底栖藻类和菌类,且同一烃源岩层位、甚至同一样品中往往含有“多重母质”分布。

2)成烃生物特定的组合反应沉积时的环境特征,与能谱元素分析结论一致。川东北大隆组沉积时水体较深,而重庆南川龙潭组沉积时水体较浅;遵义松林剖面8-12号样随着地层逐渐变新,沉积时水体也逐渐变深。

3)藻类热压模拟实验和含单一成烃生物油页岩热解实验研究表明,浮游藻类相当于Ⅰ型干酪根生烃潜力,底栖藻相当于Ⅱ型干酪根生烃潜力。

4)南方海相优质页岩具有多重母质分布,说明成烃生物所指示的干酪根类型为混合型,因此需结合多方面的数据才能准确判断其生烃潜力和品质。

5)目前对菌类生烃行为及生烃潜力的研究甚少,下一步需开展菌类的研究。

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(编辑叶德燎)

HYDROCARBON-FORMINGORGANISMS IN EXCELLENT MARINE SOURCE ROCKS IN SOUTH CHINA

Qin Jianzhong,Tao Guoliang,Tenger,Bian Lizeng,Xie Xiaomin,Fu Xiaodong
(Wuxi Research Institute ofPetroleum Geology;S INOPEC,Wuxi,J iangsu214151,China)

Based on previous studies,excellent marine source rocks in South China were collected and studied by Scanning Electron Microscope and Energy Dispersive Spectrometer.Compositions,hydrocarbon-forming organisms,sedimentary environments and hydrocarbon potential of the excellent marine source rocks were discussed.There are three types of hydrocarbon-forming organisms in the excellent marine source rocks:1)Pelagic algae,including siliceous Mallomonas,Acritarchs(siliceous Leiosphaeridia,Diatom,Micrhystridium and so on),Cyanophyta(calcareous Chroococcus and so on),and calcareous Tasmanaceae.2)Benthic organisms,including siliceous or baritic or ferruginous algal mats,siliceous sporangium,siliceous filaments relic,siliceous sponge,and original Nematothallus(containing clay).3)Fungi,including calcareous fungi hypha(containing organic matter),calcareous bacteria(containing organic matter),sulfur bacteria(not always containing organic matter),iron bacteria(containing organic matter),calcareous nanobacteria,and so on.Palaeoenvironment was analyzed according the elements and hydrocarbon-forming organisms compositions.Modern algae hydrous pyrolysis in closed system and pyrogenation of oil shales which contain single hydrocarbon-forming organism were carried out.Hydrocarbon potential of pelagic algae was equivalent to typeⅠkerogen,and the benthic algae was equivalent to typeⅡkerogen.

pelagic algae;benthic organisms;fungi;hydrocarbon-forming organisms;hydrocarbon potential;excellent marine source rocks;South China

TE122.1

A

1001-6112(2010)03-0262-08

2009-12-24;

2010-05-05。

秦建中(1957—),男,教授级高级工程师,主要从事石油地质勘探与油气地球化学研究。E-mail:qjz@mail.wuxisuo.com。

国家重点基础研究发展计划(973计划)“中国海相碳酸盐岩层系生烃条件与生烃史分析”(2005CB422102)资助。