川东南志留系龙马溪组页岩沥青反射率和笔石反射率的应用
2016-08-08仰云峰
仰云峰
(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214126)
川东南志留系龙马溪组页岩沥青反射率和笔石反射率的应用
仰云峰
(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡214126)
摘要:川东南地区下志留统龙马溪组海相页岩中发育有较多的形态清晰的笔石碎屑和孔隙充填无定形固体沥青,准确区分两者是研究该地区热演化程度的基础。川东南地区多口钻井龙马溪组页岩反射率测试结果显示,笔石反射率比沥青反射率在区域分布上具有更好的一致性,笔石反射率均大于3.0%,略高于沥青反射率,并沿西南—东北方向热成熟度逐渐增大,对应等效镜质体反射率在2.0%以上,指示川东南龙马溪组页岩处于高—过成熟阶段。但是,笔石反射率与等效镜质体反射率换算关系仍存在不确定性,有待进一步的研究。
关键词:沥青反射率;笔石反射率;页岩;龙马溪组;川东南
页岩气作为一种资源量巨大的非常规天然气资源,继北美之后,在我国四川盆地也取得了良好的勘探开发效益。在四川盆地东缘焦石坝构造建成了我国首个页岩气示范区。近年来针对四川盆地及周缘下志留统龙马溪组海相页岩开展了大量勘探与研究工作[1-4],发现龙马溪组页岩具有构造作用改造强烈和热演化程度高的特点[5-6]。
热成熟度不仅是烃源岩评价的重要参数,而且是页岩气评价最重要的参数之一。固体沥青反射率被普遍用于评价早古生代缺乏镜质体的海相地层热成熟度,也广泛用于四川盆地龙马溪组页岩成熟度评价研究中。根据沥青反射率获得的等效镜质体反射率相当分散,分布从1.4%到5.0%,造成这一现象的原因可能为不同的研究采用不同的换算公式,另外一个原因可能是错误地将笔石有机质当作沥青有机质对待,导致原始测试数据存在不同显微组分的混淆。
其实,动物碎屑反射率也可以用于缺乏镜质体地层的热成熟度评价,如笔石反射率[7]和几丁虫反射率[7-9]。四川盆地龙马溪组页岩中普遍存在较多的笔石碎屑[10-11]。本文详细阐述了龙马溪组笔石和沥青的光学显微特征差异,分别对两者单独测定其反射率值,并初步探讨了等效镜质体反射率的换算及川东南龙马溪组页岩成熟度的平面分布特征。
1样品和方法
反射率测试的页岩样品取自川东南地区主要页岩气钻井下志留统龙马溪组底部钻井岩心。块状岩心样品经颚式破碎机轻微破碎后过筛,选取10~20目(2~0.9 mm)之间的颗粒,用环氧树脂胶合成直径约1 cm的圆柱形块样,经研磨和抛光形成一个包含有众多细小岩石颗粒的光亮表面。反射率测量在徕卡DM4500P偏光显微镜下进行,采用50倍物镜,结果为油浸条件下随机反射率值。
由于页岩中的沥青颗粒很细小,采用了测定有机质的灰度值来计算反射率的方法[12-13]。在样品测量前,先选用0.59%,0.90%,1.72%,3.17%,5.21%等5个标准物质获得标准物质反射率值与灰度值之间的线性回归方程。根据有机质颗粒大小,每一个测点包含有不同数量的像素点(64~4 096个),取所有像素点的灰度平均值计算反射率值。分别对页岩中的不同有机组分(笔石、沥青A和沥青B)进行了反射率的测定,获得反射率值分布直方图(图1),计算其反射率平均值。
2有机显微组分
龙马溪组页岩全岩光片显微镜下观察发现,笔石碎屑和固体沥青是最主要的2类有机显微组分,也是含量最多的2类有机组分,并且这2类组分的反射率值都可以用于成熟度的表征参数[7,12,14-17]。
图1 川东南龙马溪组页岩总反射率直方图与 各有机组分反射率直方图的测试范例Fig.1 Example of total reflectance histogram and individual histograms for different organic components measured in Longmaxi shales from the southeastern Sichuan Basin
2.1笔石
龙马溪组笔石常呈碎片分散于矿物基质中,颗粒尺寸较固体沥青大,大多形态保存不完好,形态较好的一般具有板条状特征(图2a,b),或是保留对称的外壳残留(图2c,d)。显微镜下,这些可观察到的笔石碎屑来源于笔石的周皮组织[18-19],无荧光,在反射光下呈现颗粒状(镶嵌)或非颗粒状(均质)2种形态,非颗粒状碎屑比颗粒状碎屑具有更高的反射率值和更明显的双反射现象[20]。非颗粒状笔石碎屑主要分布于页岩中,而颗粒状笔石碎屑更普遍存在于碳酸盐岩中。在龙马溪组页岩中,主要存在非颗粒状的笔石碎屑。
2.2沥青
形态学是显微镜下识别固体沥青最可靠的性质[14]。龙马溪组页岩中的固体沥青具有2种不同的形态,为了便于区分,我们分别命名为沥青A和沥青B。沥青A是一种近圆形或半圆形的有机质颗粒,质地均匀,轮廓光滑,大小从数个微米至二三十个微米不等(图3),个别近圆形颗粒外围有一层微晶硅质矿物包裹(图3b),可能指示了与某种生物有关。沥青A在龙马溪组页岩中分布不多,以单个分散形式存在于矿物基质中。
图2 川东南龙马溪组笔石显微照片Fig.2 Photomicrographs of graptolites in Longmaxi shales from the southeastern Sichuan Basin
图3 川东南龙马溪组沥青A显微照片Fig.3 Photomicrographs of bitumen type-A in Longmaxi shales from the southeastern Sichuan Basin
图4 川东南龙马溪组沥青B显微照片Fig.4 Photomicrographs of bitumen type-B in Longmaxi shales from the southeastern Sichuan Basin
不同于沥青A,沥青B主要是以细小的有机质颗粒大量分散于矿物基质中,孔隙充填,无特定形态(图4),一些颗粒非常细小的沥青在常规光学显微镜下已难以分辨。显微镜下,我们尽可能寻找形状较大的颗粒(>5 μm,图4c,d)进行反射率的测定。沥青B在川东南龙马溪组页岩中普遍大量存在,以无定形充填在矿物孔隙之中,是早期生成的重质油持续高温裂解产生的次生组分[14-15]。
3讨论
3.1笔石、沥青A和沥青B
四川盆地早志留世龙马溪期主要为局限的深水陆棚环境。海相低等藻类和浮游生物在深水缺氧的还原环境中,经历腐泥化作用后,形成黑灰色含大量水分的棉絮状胶体物质,后经沉积压实作用,形成富含有机质的黑色页岩层系。在这个过程中,主要以脂类为主要成分的低等藻类和浮游生物失去原始形貌,变成了无定形有机质;而当时大量存在的笔石动物周皮组织不易水解而保存下来,经历成岩作用和变质作用后,成为显微镜下能看到的笔石体。笔石动物是一类已灭绝了的生存于早古生代海洋中的浮游生物。无定形有机质在成岩作用和变质作用阶段发生生烃行为,沥青是生烃产物之一。沥青在生油窗早期,相当于镜质体反射率0.35%~0.60%,就开始形成[15],是一种次生组分[14,21-22],可分为前油沥青和后油沥青2类[23]。前油沥青是优质烃源岩早期生成的产物,可能以一种非常黏稠的流体从母质中挤压出来,就近运移至岩石的裂缝与孔隙之中,所以前油沥青形成于源岩开始生成石油之前。后油沥青是已生成的液态原油蚀变生成的产物,形成于源岩开始生成石油之后。沥青可以运移几个微米或是数千米,因此它既可能存在于生油岩中,又可能运移到贫有机质的岩石中[15]。龙马溪组页岩中存在2类形态不同的沥青组分。沥青A具有较一致的规则形态,可能形成于生油之前,来源于某些浮游动物。无形态孔隙充填的沥青B具有运移沥青的典型特征[15],生油早期它们从有机质内部就近运移到矿物基质的孔隙之中,高成熟阶段孔隙充填的有机质继续发生生烃作用,残留的固态有机质即是观察到的沥青A。
笔石体、沥青A和沥青B来源于不同化学组成的原始有机质,这些原始有机质对热效应的响应程度是不一样的。显微镜下看到的笔石体,即笔石周皮组织[18-19],与镜质体相比具有更高的芳香度[24],可能会导致笔石周皮比镜质体成熟得更快,即经历相同的热史,笔石周皮具有更高的反射率值。沥青的成熟作用一般在成熟阶段慢于镜质体,高—过成熟阶段则快于镜质体。笔石体和沥青的成熟演化过程不同,体现为其反射率的变化不协同。
表1统计了川东南页岩气钻井龙马溪组笔石和沥青的反射率均值测试结果,显示笔石、沥青A和沥青B三者具有不同的反射率值,说明它们虽然经历了相同的地质过程,但是成熟速率并不相同。对比焦石坝地区(焦页1,2,3,4井)和丁山地区(丁页1,2井)相同构造单元内的反射率数据,发现笔石反射率具有较好的收敛性,沥青A反射率次之,沥青B反射率收敛性最差。焦页1,2,3,4井龙马溪组页岩笔石反射率集中在3.70%~4.05%之间,除焦页1井数据偏大,其他钻井反射率集中在3.7%~3.9%之间。沥青A反射率集中在3.67%~3.95%之间,但是反射率数据测点少于10个的样品占67.5%。沥青B反射率分布在2.80%~4.23%之间,同一构造单元内数据离散度高。丁页1井和丁页2井4个样品笔石反射率集中在3.11%~3.27%之间,且数据测点较多。丁页2井相差12 m的2个样品沥青A反射率分别为3.31%和3.85%,说明这2个样品的沥青A可能具有不同的来源;沥青B反射率分别为2.88%和3.58%,说明沥青B可能形成于不同的演化阶段。
表1 川东南龙马溪组页岩有机显微组分反射率值Table 1 Reflectance values of organic components in Longmaxi shales from the southeastern Sichuan Basin
注:表中数据为平均值(样品数)。
另外,沥青A反射率数据与笔石反射率数据具有较好的相关性(除利页1井和丁页2井2个数据点外),接近1∶1的关系,表示两者经历的热演化过程基本相似。再者,沥青A显微形态更像是来源于某种生物,不同于充填于矿物孔隙中的无定形沥青B,说明沥青A具有与沥青B不一样的来源。这说明沥青A可能来源于或部分来源于笔石动物,或是与笔石具有相同有机结构的未知来源,与笔石具有类似的成熟行为。Petersen等[13]在研究北欧下古生界页岩中动物碎屑和固体沥青反射率时,同样指出页岩中的镜状体来源于与笔石具有相同成熟行为的未知有机来源。
所以,沥青A来源的不确定性和沥青B来源的多样性影响了它们作为成熟度参数的价值。相比而言,笔石来源明确、反射率值具有较好的收敛性,是表征川东南地区龙马溪组页岩成熟度的最佳指标。
3.2等效镜质体反射率的换算
有机质反射率是由有机质芳香结构的缩合程度决定的,所以等效镜质体反射率的换算原则上应该比较不同有机质(笔石、沥青等)与共存镜质体的芳香度。而实际情况下,不同有机质极少共存于同一岩层。笔者在总结以往经验公式的基础上,优选等效镜质体反射率换算公式,对川东南地区龙马溪组页岩成熟度进行了讨论。
自Clausen等[25]指出笔石反射率不同于等效镜质体反射率之后,20世纪80—90年代,国外学者[7,18,20,24,26-30]对笔石反射率和等效镜质体反射率之间的相互关系进行了深入的研究,但都没有获得两者的定量关系。
曹长群等[31]通过对我国塔里木盆地、鄂尔多斯盆地、江苏等地区奥陶系、志留系笔石反射率的研究,以该地区有机地球化学等综合分析指标为中介,分析了笔石反射率与等效镜质体反射率之间的对比关系,建立了笔石反射率对奥陶系、志留系烃源岩成熟度的评价标准。他们认为笔石反射率(GR)对奥陶系、志留系烃源岩成熟度有良好的指示作用,与等效镜质体反射率(EqVR)具有以下对数关系:lgEqVR=0.572lgGR+0.021。
Petersen等[13]对欧洲斯堪的纳维亚(Scandinavia)半岛南部地区中寒武统—上志留统的富含笔石泥页岩进行了笔石反射率与热解温度的研究,发现两者存在很好的线性关系,借助镜质体反射率与热解温度的相互关系,建立了笔石反射率与等效镜质体反射率的对比关系:EqVR=0.73GR+0.16。但是他们认为镜状体来源于笔石碎屑,所以以上公式中的笔石反射率包含了镜状体反射率。热解产率S2很低的样品可能得到较高的Tmax值,这些值是不可信的,所以他们在研究中删除了这些数据,使得高演化阶段的可信度降低。另外,样品数量少和相对有限的可信Tmax温度区间都限制了换算公式的使用范围。
基于以上原因,本文选择曹长群等[31]的等效镜质体反射率换算公式,对川东南龙马溪组黑色页岩笔石反射率进行等效镜质体反射率的换算,结果见表2。根据构造单元来看,利页1井龙马溪组等效镜质体反射率为2.49%,焦石坝地区龙马溪组等效镜质体反射率为2.27%,南页1井龙马溪组等效镜质体反射率为2.30%,丁山—仁怀地区龙马溪组等效镜质体反射率为2.0%。平面上,川东南地区龙马溪组黑色页岩等效镜质体反射率呈现从南向北逐渐增大的趋势(图5)。
表2 川东南龙马溪组等效镜质体反射率换算结果Table 2 Equivalent vitrinite reflectance of Longmaxi shales in the southeastern Sichuan Basin
由于沥青在岩石中广泛存在,所以沥青反射率与等效镜质体反射率的换算研究相对较多[12,14-15,17,32-34],表3列举了主要的换算公式。虽然大多数的研究工作都采用了镜质体和沥青共存的地质样品,但不同的换算公式之间仍然存在较大的差异,其中的原因尚不清楚,可能与沥青形成的时间和运移的距离有关。笔者采用较为常用的Jacob公式,对每个样品所有测点数据的平均值进行了沥青反射率与等效镜质体反射率的换算(表2),结果表明焦页1井龙马溪组等效镜质体反射率为2.74%,与文献报道结果相近[5-6]。
图5 川东南地区龙马溪组黑色页岩 等效镜质体反射率分布Fig.5 Distribution of equivalent vitrinite reflectance of Longmaxi shales in the southeastern Sichuan Basin
另外,在龙马溪组页岩反射率测试过程中准确区分笔石和沥青至关重要。如果不区分测定对象,而直接认为是固体沥青反射率,那么势必会因为不同测定对象数据的不均等而造成每次测试数据都不可重复,影响数据的准确性。事实上,这样的测试数据是无效的。
从图5中可知,根据笔石反射率换算获得的等效镜质体反射率比根据沥青反射率换算的等效值要低。原则上,两者的换算值应该是一致的,才能表明相同的地质演化阶段。虽然实际研究中可以加强对测定对象的区分,减小人为误差,但是笔石光学性质的各向异性对反射率的影响[35],笔石反射率与等效镜质体反射率的换算存在研究尚不够深入的问题。由于换算公式不准确带来的误差同样影响龙马溪组页岩热成熟度的评价,因此川东南地区龙马溪组页岩的热演化过程有待进一步的深入研究。
4结论
(1)川东南地区龙马溪组海相页岩中发育有较多的形态清晰的笔石碎屑和孔隙充填无定形固体沥青,准确区分两者是研究该地区热演化程度的基础。通常研究中忽略了笔石和沥青显微特征的差异,而简单地当作沥青,导致反射率测试结果的不准确,影响页岩成熟度的评价。
(2)笔石、沥青A和沥青B三者虽然经历了相同的地质过程,但是成熟速率并不相同,可能与它们的来源有关。沥青A可能来源于或部分来源于笔石动物,或是与笔石具有相同有机结构的未知来源,与笔石具有类似的成熟行为。沥青B可能形成于不同的演化阶段,是生烃过程中产生的次生组分。相比而言,笔石来源明确、反射率值具有较好的收敛性,是表征川东南地区龙马溪组页岩成熟度的最佳指标。
表3 沥青反射率与等效镜质体反射率关系Table 3 Relationship between equivalent vitrinite reflectance and bitumen reflectance
(3)根据笔石反射率换算的等效镜质体反射率显示,川东南地区龙马溪组页岩热成熟度介于2.0%~2.5%,属高—过成熟阶段,且沿西南—东北方向热演化程度逐渐加剧。但是笔石光学性质的各向异性对反射率的影响,笔石反射率与等效镜质体反射率的换算关系尚处于初级研究阶段,需要进一步的深入研究。
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(编辑韩彧)
文章编号:1001-6112(2016)04-0466-07
doi:10.11781/sysydz201604466
收稿日期:2016-02-05;
修订日期:2016-04-26。
作者简介:仰云峰(1982—),男,硕士,工程师,从事烃源岩有机岩石学与生烃模式研究。E-mail:yangyf.syky@sinopec.com。
基金项目:国家自然科学基金“古生界页岩含气性原生有机质控制作用研究”(U1663202)资助。
中图分类号:TE135
文献标识码:A
Application of bitumen and graptolite reflectance in the Silurian Longmaxi shale, southeastern Sichuan Basin
Yang Yunfeng
(Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, SINOPEC, Wuxi, Jiangsu 214126, China)
Abstract:Graptolites with clear morphology and pore-filling amorphous bitumen are abundant in the Lower Silurian Longmaxi shales from the southeastern Sichuan Basin. It is very necessary to distinguish them exactly for thermal maturity research in this area. Reflectance measurements of the Longmaxi shales from several boreholes have revealed that graptolite reflectance has a better consistency on regional distribution than bitumen reflectance. Graptolite reflectance is more than 3.0%, which is a little bit higher than bitumen reflectance, and gradually increases from southwest to northeast. The equivalent vitrinite reflectance based on graptolite reflectance is more than 2.0%, indicating that the Longmaxi shales from the southeastern Sichuan Basin are over-mature. However, the correlation between graptolite reflectance and equivalent vitrinite reflectance is uncertain yet, and needs further study.
Key words:bitumen reflectance; graptolite reflectance; shale; Longmaxi Formation; southeastern Sichuan Basin