鄂尔多斯盆地延长组泥页岩硅质来源与油气富集

2019-03-05刘国恒翟刚毅邹才能黄志龙夏响华石砥石于抒放

石油实验地质 2019年1期

刘国恒，翟刚毅，邹才能，黄志龙，夏响华，石砥石，周志，陈榕，张聪,于抒放

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；2.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102200；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

页岩油气是非常规油气资源的重要组成，主要产于富含有机质的泥页岩中，自生自储，属于典型的“源岩油气”[1]。泥页岩储层的矿物组成一直是页岩油气勘探开发的基础，有些泥页岩主要是由黏土矿物组成[2-9]。但随着研究的深入，人们发现有些泥页岩储层含量最高的不是黏土矿物，而是碎屑矿物，包括石英、长石及碳酸盐矿物。特别是一些高产页岩，如Barnett页岩，主要由硅质碎屑矿物和碳酸盐矿物组成，黏土矿物平均只有27%[3,10-14]。还有些泥页岩则含有了大量的凝灰质成分[15-16]。有些泥页岩还发育纹层，这就使得矿物组成更加的复杂[15]。

石英是泥页岩储层主要组成部分，其含量直接影响到页岩的压裂效果。因此，石英也一直是评价泥页岩储层可改造性的重要指标[17]。Barnett泥页岩储层中自生石英多为生物成因，生物成因自生石英的形成经历了蛋白石-A—蛋白石-CT—自生石英的演化过程，不同演化阶段对泥页岩基质孔隙度具有不同影响[18]。也有学者认为生物成因的自生石英在泥页岩储层压裂改造中比碎屑石英更加有效[19]。此外，对于海相页岩储层来说，石英含量还可以作为有利层段的重要标志，其含量越高，TOC含量越高，含气量也越高[20-21]。

自生石英的形成需要充足的硅质。我国南方海相页岩，如五峰—龙马溪组，其硅质主要是生物来源，如放射虫、海绵骨针、有孔虫等[22-24]。对于海相页岩来讲，硅质页岩段恰恰是优质页岩段，有机质丰度高，孔隙度大，含气量高[22,25]。但是，陆相泥页岩中硅质含量对有机质富集的影响研究甚少。

鄂尔多斯盆地延长组泥页岩中硅质主要来源于陆源碎屑供给，其内部的非晶态二氧化硅主要是黏土矿物成岩转化和碎屑石英颗粒溶蚀释放的[26]。但是，该研究主要是依据扫描电镜观察，通过自生石英与自生绿泥石等矿物的接触关系、碎屑石英颗粒锯齿状溶蚀边缘等现象以及非晶态二氧化硅与碎屑石英颗粒色差来推断。实际上，扫描电镜观察很大程度上受到了样品的数量和大小以及观察视域数量的限制。扫描电镜观察只能使用非常小的样品，观察视域也很有限。通过观察到的现象进行推断研究，这样的研究思路并不严谨。这使得以前的研究比较片面，无法反映整个延长组泥页岩段硅质的真实来源。此外，陆相页岩中的硅质是否也像海相页岩一样会影响到储层有机质丰度和含气性也很少有人研究。本文通过元素分析来确定延长组泥页岩的硅质来源，明确陆相页岩中硅质对储层油气富集的影响，并对延长组泥页岩油气潜力进行评价。

1 研究区概况

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，其构造简单，属于大型的多旋回克拉通盆地。盆地古生代沉降稳定，沉积中心在中生代发生迁移[27]。盆地现今构造形态简单，为一简单向斜，东翼宽而缓，西翼陡且窄，可分为6个构造单元：北部伊盟隆起、南部渭北隆起、西部西缘逆冲带、东部晋西褶皱带以及中部的天环坳陷和伊陕斜坡(图1a)。研究区位于伊陕斜坡东南部，区域构造为一平缓的西倾单斜，地层倾角小于1°，平均坡降7～8 m/km，内部构造简单[28](图1b)。

鄂尔多斯盆地延长组沉积期湖盆发育达到鼎盛，水生生物和浮游生物繁盛，有机质丰富，发育厚层深灰色泥岩、黑色泥岩、页岩和油页岩，并夹有薄层粉砂质泥岩，其富有机质泥页岩分布稳定、厚度大。延长组自上而下共分为10段，其中泥页岩主要发育于长7段和长9段，岩性以厚层黑色泥岩、油页岩和深灰色泥岩为主，并夹有薄层粉砂质泥岩。在长7段沉积期，湖盆发育达到鼎盛，水生生物和浮游生物大量发育，有机质丰富，其富有机质泥页岩分布稳定、厚度大。该套泥页岩发育于淡水—微咸水、半深湖—深湖相沉积环境，富含有机质纹层、草莓状黄铁矿、磷灰石及超微化石[29]。

2 实验方法

针对鄂尔多斯盆地西南部上三叠统延长组沉积分布特点，重点采集了研究区延长组长7段和长9段泥页岩段样品(图1b)，对133个样品进行了主微量元素、总有机碳、岩石热解和X衍射分析测试。为了尽可能地减少样品表面风化和污染对实验造成的影响，在实验之前，样品表面均被打磨，将表面的泥浆颗粒等去除，只取新鲜无污染的样品内部进行实验测试。

所有样品主微量元素地球化学测试在核工业北京地质研究院国家重点实验室用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测试完成，仪器精密度优于5%，标样结果与推荐值相对误差小于10%；分别采用岩石评价仪(ROCK-EVAL.II)和碳硫分析仪(CS-230HC)进行岩石热解分析和总有机碳(TOC)分析；X衍射分析测试实验采用仪器为日本理学D/max-A系列，在北达燕园微结构分析测试中心完成。

图1 鄂尔多斯盆地延长组研究区位置和取样井位置

3 实验结果

3.1 主微量元素实验结果

样品的主量元素中Si含量最高，其次是Al和Fe。Si元素含量，长72亚段为44.86%～60.12%，平均51.28%；长73亚段为27.69%～60.93%，平均51.34%；长9段为35.05%～64.53%，平均54.34%。Al元素含量，长72为15.07%～22.27%，平均18.45%；长73为11.64%～19.33%，平均17.24%；长9段为11.41%～18.9%，平均16.22%。Fe元素含量，长72为5.04%～14.05%，平均7.33%；长73为3.41%～30.35%，平均7.65%；长9段为3.57%～9.95%，平均6.33%。

微量元素中大离子亲石元素Ba含量最高，为494～1 379 μg/g，平均896.27 μg/g，其中，长72最高，平均为939.11 μg/g，长73和长9段平均分别为813 μg/g和832.53 μg/g。与上地壳元素丰度相比[30]，Li、Sc、Cr、Cu、Mo、Cd、Sb、Cs、W、Bi、U元素明显富集，Re元素则明显亏损(图2)。稀土元素总量较高，长72为133.33～285.21 μ g/g，平均198.31 μg/g；长73为122.294～236.837 μg/g，平均176.76 μg/g；长9段为131.2～302.13 μg/g，平均187.59 μg/g。这3段泥页岩样品稀土元素总量均高于北美页岩(平均为163.93 μg/g)[31-33]。与北美页岩相比，延长组泥页岩均富集轻稀土元素(La—Nd)。重稀土元素(Er—Lu)中，Er元素均表现出亏损，而且Tm—Lu元素只有长9段页岩富集(图2)。中稀土元素(Sm—Ho)中，长73亚段页岩全面亏损；长72亚段Sm、Eu和Tb等3种元素富集，其余元素亏损；长9段页岩只有Tb元素富集，其余元素亏损(图2)。

3.2 有机碳分析和岩石热解结果

长72亚段页岩S1最小值为1.35 mg/g，最大值为6.49 mg/g，平均3.6 mg/g，大部分样品的S1为2～4 mg/g；长73亚段页岩S1最小值为3.04 mg/g，最大值为10.54mg/g，平均6.65mg/g，S1值分布较平均，有相当一部分样品S1值大于6 mg/g；长9段页岩S1最小值为1.38 mg/g，最大值为5.7 mg/g，平均3.58 mg/g，大部分样品的S1分布于2～6 mg/g范围内(图3a)。对于S2来讲，长72和长9段样品区别不大，长73却展现出明显的不同，大部分的长73样品S2值大于10 mg/g(图3b)。长7段和长9段样品整体有机质含量较高，TOC最小为1.52%，最大为11.44%，平均高达5.15%，明显高于松辽盆地青一段烃源岩(TOC平均2.13%)和东濮凹陷沙河街组烃源岩(TOC平均为1.54%)[34-35]。从频率分布直方图(图3c)可以看出，甚至有相当一部分长73样品TOC大于8%。通过氢指数(ⅠH)和Tmax交会图可以判断干酪根类型，长7段与长9段泥页岩储层有机质以Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根为主。但仔细分辨仍有细微的差别，长72亚段以Ⅱ2型干酪根为主，长73亚段样品有部分以Ⅱ1型干酪根为主，而长9段样品有部分以Ⅲ型干酪根为主(图3d)。从有机地化数据来看，长72亚段和长9段泥页岩有许多相似之处，与长73亚段不同。

图2 鄂尔多斯盆地延长组泥页岩样品微量元素和稀土元素分布模式

3.3 矿物组成

延长组泥页岩黏土矿物含量很高，平均在50%左右，其次是石英(图4)。黏土矿物含量，长72亚段样品为31%～65%，平均50.18%；长73亚段最小值为39%，最大值为56%，平均只有47.16%；长9段最低为31%，最大可达65%，平均为47.4%。石英含量，长72为20%～41%，平均30.17%；长73最小值为13%，最大值38%，平均只有26.1%；长9段最低为20%，最大可达43%，平均33.4%。黏土矿物主要是伊蒙混层为主，其次是伊利石；碎屑矿物中，除石英外，斜长石含量较高；白云石和方解石含量都很低(图4)。总体来讲，延长组泥页岩黏土矿物含量很高，碳酸盐矿物含量很低，这一点与海相页岩非常不同。海相页岩往往含有很高的脆性矿物(包括石英、长石和碳酸盐矿物)，有些层段石英与长石含量高达82%[36]。在黏土矿物中，长73亚段伊蒙混层含量较高，但绿泥石含量比较低。在碎屑矿物中，长73亚段石英含量较低，斜长石和菱铁矿含量相对较高。从矿物组成看，长72亚段和长9段页岩样品有更多的相似之处(图4)。

图3 鄂尔多斯盆地延长组泥页岩样品S1、S2和TOC频率分布直方图及IH-Tmax交会图

图4 鄂尔多斯盆地延长组泥页岩矿物组成

4 问题与讨论

4.1 延长组页岩沉积环境变化

湖相沉积物的元素组成与水体的化学性质密切相关，因此可以利用湖泊泥页岩中的微量元素组成对沉积环境的敏感性来探究湖相页岩古盐度、水体深度、气候等沉积环境。一般来说，淡水沉积物中Sr/Ba值小于1，而咸水沉积物中Sr/Ba值大于1。然而标准并不唯一，有些学者是以0.5和0.8作为标准，小于0.5为淡水沉积，0.5～0.8为半咸水沉积，大于0.8为咸水沉积。通常，Sr/Cu比值介于1～10之间指示潮湿气候，而大于10指示干热气候[3739]。Rb、Zr在表生地球化学环境中存在显著的地球化学行为差异。在搬运迁移过程中，Rb、Zr常常发生分馏，Rb相对富集于黏土等细颗粒物质中，Zr则相对富集于较粗颗粒物质中。因此，Zr/Rb比值反映了湖泊沉积物中粗颗粒矿物与细颗粒(黏土级)矿物的相对含量，那么在一定程度上也可以反映水体的深度[40]。Cr一般与沉积物中陆源碎屑相结合，可以替换黏土矿物中的Al。相反，V和Cu一般与有机质结合，并聚集在还原条件下的沉积物中。因此，Cr/Cu、Cr/V比值常用来作为古氧化还原参数，比值越小，说明水体环境处于还原条件下[41-42]。因此，Zr/Rb、Cr/Cu、Cr/V这3个参数一起可以反映水体深度。为此，构造出参数“L”，表达式为:

L值越小，表明还原性越强，反之，则还原性越弱。延长组绝大部分样品Sr/Ba值小于1，Sr/Cu值小于10，说明延长组泥页岩形成于温暖潮湿的淡水环境(图5a)。从L和Zr/Rb交会图(图5b)上可以看出，长73亚段L值最小， Zr/Rb值最小，说明其整体粒度更细，长73亚段沉积期水体最深，水体呈还原环境；而长9段和长72亚段沉积期水体深度相差不大。

4.2 延长组页岩硅质来源

判断泥页岩储层硅质来源的指标和图版有很多，但是各个指标和图版之间有时会出现各种矛盾，或者是有些指标并不适用所有泥页岩储层。在研究过程中应该用多种图版、多指标进行对比，才能够得出可信的结论。

Al/(Fe+Al+Mn)比值和Si/(Si+Al+Fe)比值是判断硅质成因的重要指标。正常海洋环境的沉积物Al/(Fe+Al+Mn)比值接近固定值，如现代远洋黏土为0.59左右，页岩的平均值为0.63，典型生物成因硅质为0.60，纯生物成因的大于0.60；与喷流作用有关的沉积物该比值很低，如洋中脊热水沉积物为0.01，北太平洋海底喷流成因的燧石为0.03～0.40，Galapagos裂谷硅质喷口附近SiO2堆积物比值接近0[22,24]。生物成因Si/(Si+Al+Fe)比值较高，一般大于0.9[43-45]。例如，长宁剖面底部富有机质页岩Al/(Fe+Al+Mn)比值为0.67～0.71；Si/(Si+Al+Fe)比值为0.89～0.93，平均0.90，表明页岩硅质为生物成因[22]。在U—Th关系方面，U/Th比值也可以用来判别硅质来源，正常沉积岩U/Th<1,热水沉积岩U/Th>1[46]。

图5 鄂尔多斯盆地延长组泥页岩Sr/Ba—Sr/Cu和距离L—Zr/Rb交会图

延长组泥页岩Al/(Fe+Al+Mn)比值主要分布于0.5～0.7范围内，长72亚段和长9段绝大部分样品都高于0.5；长73亚段部分样品高于0.5，也有部分样品该比值比较低(图6a)。长72亚段和长73亚段泥页岩样品Si/(Si+Al+Fe)比值主要分布于0.6～0.7范围内，部分长73样品该比值比较低；长9段有部分样品为0.7～0.8(图6b)。按照前人的研究给出的标准来看，延长组泥页岩中只有长73亚段部分样品是热水成因，可能在沉积时受到了热液喷流作用的影响。从U/Th比值可以看出，长7段和长9段大部分样品小于0.4，而有部分长73亚段样品U/Th比值大于1(图6c)，这也说明长73亚段页岩沉积时期受到了热液喷流作用的影响。

此外，还可以通过各种图版来进行硅质来源的判定，如Al—Fe—Mn三角图版和Fe/Ti—Al(Al+Fe+Mn)交会图版[47-49]。从Al—Fe—Mn三角图版来看，延长组大部分样品均落在Ⅰ区，只有长73亚段部分样品落在Ⅱ区(图7a)。在不同学者的研究成果中，Ⅰ区的含义并不相同。有些学者将Ⅰ区定义为生物成因硅岩区，而有些学者则认为是非热水成因硅岩区[22,44,48,50]。本文并不进行具体讨论哪种针对Ⅰ区的表达更准确，但是对于Ⅱ区，众多学者均认为是热水成因硅质岩区，即从该图版(图7a)可以确定，长73亚段泥页岩储层受到了热水作用的影响。从Fe/Ti—Al(Al+Fe+Mn)交会图版可以看出，长72亚段和长9段样品绝大部分落在图版上陆源物质端元沉积物(TM)附近，而长73亚段部分样品在此端元附近，但也有部分样品落在图版上的深海热水沉积物附近(图7b)。这表明长73亚段有部分样品为热水成因，长73亚段泥页岩储层在一定程度上受到了热水作用的影响。

Zn—Ni—Co三角图版和(Co+Ni+Cu)×10—Fe—Mn三角图版也可以用来研究沉积物的形成环境[51-53]。但是这2个图版显示长7段和长9段页岩全部都是热水成因，这就与其他的参数标准和图版产生了明显的矛盾(图8)。

此外，对长73亚段页岩进行更细致的扫描电镜观察发现：长73中发育晶体形态完整的重晶石(图9a-c)和白铁矿—黄铁矿—硬石膏共生体系(图9d-f)。重晶石颗粒呈现自形板片状晶型，粒度2 μm左右，它们有时生长于开阔孔洞，构成扇状自形晶集合体[54]，或者玫瑰花状结构[55]。这种晶体形态重晶石与周锡强等[56]描述的热液型重晶石晶体形态特征形似。这也间接表明长73亚段泥页岩储层沉积时受到了热液作用的影响。通常，白铁矿被看作低温热水和酸性介质的指示矿物，因此该共生体系可作为热液活动的证据[57]。

图6 鄂尔多斯盆地延长组泥页岩样品Al/(Fe+Al+Mn)、Si/(Si+Al+Fe)和U/Th频率分布

图7 鄂尔多斯盆地延长组泥页岩Al—Fe—Mn三角图版及Fe/Ti—Al(Al+Fe+Mn)交会图版

图8 鄂尔多斯盆地延长组泥页岩Zn—Ni—Co和(Co+Ni+Cu)×10—Fe—Mn三角图版

图9 鄂尔多斯盆地延长组页岩氩离子抛光后扫描电镜观察

a-b.重晶石颗粒；c.图b加号位置能谱分析图与数据；d-f.白铁矿—黄铁矿—硬石膏共生体系(硬石膏、黄铁矿和白铁矿晶体形态差异明显，易区分)；g.生物骨骼碎片；h.图g加号位置能谱分析图与数据

Fig.9 SEM images of Yanchang Formation shale, Ordos Basin

硬石膏多呈针状(图9d-e)，白铁矿多呈束状(图9f)。白铁矿—黄铁矿—硬石膏共生体系的检出也佐证了湖底热水活动的存在。此外，与生物相关的沉积物多是钙质。我们也发现一些生物骨骼碎片(图9g-h)，能谱显示这些碎片为钙质。这一点说明延长组泥页岩中的硅质也不可能是生物成因。

综上所述，通过多参数、多图版对比以及特殊矿物指示作用，表明长7段和长9段泥页岩中的硅质主要来源于陆源碎屑物质，只有长73亚段泥页岩中部分硅质来源于湖底热液喷流作用。

4.3 延长组页岩油气富集

延长组泥页岩有机质含量(TOC)与S2呈现出更好的相关性，这一点与延长组相对低的成熟度(Ro=0.5%～1.2%)有关[58]。目前，国内外学者针对不同地区页岩油气富集特征给出了不同的TOC评价标准，多数是以2.0%或者2.5%～3%为边界条件，TOC大于该值被认为是具有开发潜力[11,59]。若以TOC大于2%作为评价标准，延长组泥页岩均为优质烃源岩。ZHANG 等[57]提出了更细致的划分方法(图10)，根据这一划分标准，长73亚段烃源岩要好于长72亚段和长9段烃源岩。

JARVIE[60]提出了油饱和度指数[OSI=S1/w(TOC)×100]这一参数来表征油页岩的生烃潜力，而且以100 mg/g为划分标准，大于该值则说明烃类已经超过了页岩储层的吸附界限，可以进行有效的开采。长72亚段泥页岩样品OSI介于26.27～199.55 mg/g范围内，平均83.8 mg/g，长9段OSI最小为27.43 mg/g，最大为121.82 mg/g，平均64.07mg/g，而长73亚段OSI最低为32.08 mg/g，最高为215.13 mg/g，平均值高达124.71 mg/g。从图10可以看出，大部分长73样品位于直线OSI=100 mg/g的上方，这也表明长73亚段泥页岩油饱和度高，有更高的开采价值。因此，在开发时应将长73亚段与长72亚段区别对待。

整体来看延长组泥页岩储层有机质与石英含量和黏土矿物含量并没有相关性(图11)。但可以看到长73亚段泥页岩样品似乎可以分成2组，其中一组TOC与石英含量无明显相关性或是呈现微弱的负相关性，这一点与涪陵焦石坝地区龙马溪组非常相似；龙马溪组龙五段及以上，随着陆源碎屑物质来源的增多，石英含量越高，TOC越低[24]。另一组与石英含量呈现一定程度的正相关性(图11a)，这一点与三塘湖盆地芦草沟组和涪陵焦石坝地区五峰—龙马溪组的五峰一段到龙四段有些相似[17,23]，而五峰—龙马溪组的五峰一段到龙四段泥页岩硅质为生物成因，芦草沟组硅质则源自于火山喷发释放的凝灰质[23]。可以判断，长73亚段泥页岩沉积时期受湖底热液喷流作用的影响，湖底热液带来的营养物质在一定程度上促进了有机质的富集。