有机质类型分异规律及其主控机制<br/>——以威远志留系龙马溪组页岩储层为例

有机质类型分异规律及其主控机制
——以威远志留系龙马溪组页岩储层为例

2021-04-29贾云倩刘子平任晓海周一博郑爱玲张娟韩登林

沉积学报 2021年2期

关键词：显微组分干酪根页岩

贾云倩，刘子平，任晓海，周一博，郑爱玲，张娟，韩登林

1.长江大学地球科学学院，武汉 430100

2.储层微观结构演化及数字表征实验室，武汉 430100

3.中国石油川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部，成都 610000

4.长江大学石油工程学院，武汉 430100

0 引言

近年来，页岩油气资源引起全世界的高度重视[1-2]。对于能够自生自储自封闭油气的页岩储层而言，其内部的有机质类型是页岩生烃能力的绝对因素[3]，也是影响页岩气富集的重要因素[4]。

页岩储层有机质孔的广泛发育，其所宿主的有机质类型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型干酪根）被认为是有机质孔形成演化的关键控制因素之一[5]。因此，关于页岩储层内的有机质类型特征及其分布成为众多学者关注的热点问题。前人研究表明，Ⅰ、Ⅱ型干酪根比Ⅲ型干酪根更容易裂解生烃和产生有机质孔[6]，但有关有机质类型的识别及含量分析多采用宏观的有损测定[7-8]，因此有关有机质类型的微观识别及成孔效率的原位表征鲜有报道。

本次研究通过二维大区域多尺度组合电镜成像（MAPS）方法获取页岩储层微观结构图像，通过微观形貌学识别有机质显微组分类型，并采用等间距的显微数点统计方法（Point Counting），对显微图像中有机质组分进行定量统计，运用显微组分分析法计算得到样品中有机质类型及其含量。继而构建有机质类型在垂向上的层间分布模式，并在此基础上，解析其上述分布模式的控制因素。本次研究采用有机岩石学的分类体系，借鉴数字岩芯平台技术，将有机质形貌显微观察与无损定量统计有机地结合在一起，不仅构建了有机质富集机理的宏微观协同分析，为下一步有机岩石学和孔喉结构表征的结合分析奠定了工作基础，也为非常规油气沉积学中有机质富集与优质储层发育的耦合机制提供了技术支撑。

1 地质背景

中上扬子地区是我国南方重要的海相盆地，其上发育稳定克拉通盆地，以四川盆地最为典型。从早寒武世开始，盆地总体处于浅海环境，由于上升洋流的影响，使该区形成了有利于页岩和磷质物质沉积的古地理环境[9]。晚奥陶世—早志留世，四川盆地受到川中隆起、雪峰隆起、黔中隆起的包围[10-11]，东西南三面包围，形成了一个有利烃源岩的局限滞留海盆环境，造成了“三隆夹一坳”的地势[12-14]（图1）。奥陶纪末和志留纪初，发生了两次全球性海侵[15-17]和多期大规模火山活动[18]，而以威远为代表的沉积区域，形成了五峰组—龙马溪组页岩。自龙马溪组地层开始沉积初期，威远地区整体位于深水陆棚沉积环境中[19]，处于滞留安静的缺氧深水环境[20]，其北部靠近川中隆起，水体相对较浅，其余大部分地区水体较深[21]。

图1 四川盆地区域地质图含龙马溪组页岩厚度（据郭英海等[13]和王曦蒙等[14]修改）Fig.1 Geological map of Sichuan Basin showing shale thicknesses in Longmaxi Formation(modified from Guo et al.[13],Wang et al.[14])

2 实验方法

本次研究选取了17块代表性测试样品，来自威远地区X1、X2、X3三口井志留系龙一1亚段，样品测井深度为2 640～2 950 m。

鉴于页岩极细粒的沉积组构特征且极强的非均质特征，本次研究采用高精度且视域较大（样品物理尺寸为厘米级）的MAPS（Modular Automated Processing System）扫描技术，该扫描技术是将样品表面区域划分为一系列规整网格，然后对每一网格进行扫描成像，获得一系列二维高精度背散射电子（BSE）扫描图像，之后将所有图像进行拼接，就可以得到一幅完整的二维高精度大视域扫描图像[22]。该技术解决了传统SEM测试视域小、代表性差的缺陷，同时，针对岩芯的无损MAPS扫描图像分析，可以精确反映岩芯内部的微观结构及组分特征。

整个测试分析均在长江大学储层微观结构演化及数字表征实验室完成，所采用的扫描设备为HELIOS NanoLab 660，电压为5～35 kV、电流为0.01～0.4 nA，识别图像像素大小为0.5～500 nm，扫描样品大小为25 mm×2 mm，相邻拼接小图像间重叠率为6%～8%。

3 有机质显微组分的识别

本次研究通过扫描电镜获取的显微组分形貌学特征来判别有机质的显微组分类型[23]。

3.1 腐泥组

作为海相页岩储层的主要有机成分[24]，藻类等生物遗体在还原环境下经过一系列化学作用降解形成了腐泥组沥青质体，其自身没有固定形态，也没有清晰的轮廓，外形多呈棉絮状或云雾状，属于无定形体[25]。在研究层段内腐泥组沥青质体含量较高，常充填于自生矿物孔隙空间或与自生矿物相接触，呈不规则形态（图2）。

图2 腐泥组MAPS扫描图像（250 nm分辨率）X3井（龙一2 665.9 m）腐泥组沥青质体迁移有机质，可形成有机质网络Fig.2 MAPS scanning image of sapropelinite(resolution 250 nm)Migration of organic matter by bituminite in sapropelinite,well X3(Long12 665.9 m)forming a network of organic matter

识别及统计数据表明，研究层段内有机质显微组分以腐泥组为主，平均含量为80.04%。

3.2 壳质组

壳质组主要来源于植物繁殖器官、表皮组织、分泌物等，因此特有的生物形态可以作为壳质组的主要识别依据。壳质组可大致分为三类，分别为孢子体、角质体以及树脂体。其中孢子体主要由植物的孢子形成，多呈圆形、椭圆形、扁环状等生物形貌（图3a），受压后成蠕虫状或线条状（图3b），有时会聚集在一起形成小孢子堆；角质体由植物的初生表皮组织形成[23]，具有较强的韧性，常呈弯曲状或条带状（图4a）；树脂体被认为是成烃良好的母源物质，主要由植物的树脂、树胶、蜡质和脂肪分泌物等形成[26]，形态多呈圆形、椭圆形，轮廓清晰平滑，表面平坦，内部一般无特殊结构（图4b）。

图3 壳质组MAPS扫描图像（250 nm分辨率）（a）X2井（龙一2 923.2 m）壳质组孢子体，呈椭圆形；（b）X2井（龙一2 923.2 m）壳质组孢子体，呈受压后的蠕虫状或线条状Fig.3 MAPS scanning image of exinite(resolution 250 nm)(a)oval sporinite in well X2(Long12 923.2 m);(b)vermicular or linear sporinite after compression in well X2(Long12 923.2 m)

图4 壳质组MAPS扫描图像（250 nm分辨率）（a）X2井（龙一2 923.2 m）壳质组角质体，呈弯曲状或条带状；（b）X3井（龙一2 651.5 m）壳质组树脂体，呈椭圆形，表面平坦Fig.4 MAPS scanning image of exinite(resolution 250 nm)(a)curved or banded cutinite in well X2(Long12 923.2 m);(b)oval resinite with flat surface in well X3(Long12 651.5 m)

研究层段内不同井不同样品中壳质组含量差异较大，主要集中在X2井小层。

3.3 镜质组

镜质组主要由植物的茎、叶和木质纤维组织经凝胶化作用形成，海相镜质组主要由海洋低等植物经腐殖化作用降解而成[27]。扫描电镜下，镜质组颜色较深、轮廓清晰，呈致密、均匀、平坦，宽窄不等的条带状或块状[28]。无结构镜质体中最常见的是均质镜质体，质地均匀、致密，提高放大倍数也没有更细微的结构（图5）。

图5 镜质组MAPS扫描图像（250 nm分辨率）X1井（龙一2 742 m）镜质组无结构镜质体，呈均匀致密条带状Fig.5 MAPS scanning image of vitrinite(resolution 250 nm):Euvitrinite in well X1(Long12 742 m)appears in uniform dense bands

研究层段内镜质组无结构镜质体零星发育，且未见结构镜质体以及碎屑镜质体发育。

3.4 惰质组

惰质组主要由植物木质纤维素经丝炭化作用转化形成的显微组分，稳定、不活泼，为干酪根中的惰性分子。惰质组中最常见的显微组分为丝质体，是植物细胞保存最好的显微组分，扫描电镜下，图像亮度较高，丝质体的纵断面呈纤维状，常顺层排列[23]（图6）。

图6 惰质组MAPS扫描图像（250 nm分辨率）X3井（龙一2 653.4 m）惰质组丝质体，呈顺层排列纤维状Fig.6 MAPS scanning image of inertinite(resolution 250 nm):fibrous layer of fusinite in well X3(Long12 653.4 m)

3.5 有机质类型的划分

在明确有机质不同显微组分含量的基础上，据T指数法公式计算得到干酪根类型（表1）：

表1 烃源岩有机质类型划分标准Table 1 Criteria for classifiying organic matter types in source rocks

式中：A、B、C、D分别为腐泥组、壳质组、镜质组和惰质组的含量。

其中，Ⅰ型干酪根主要来自藻类，生烃潜力巨大；Ⅱ型干酪根主要来自海相浮游生物或陆源孢子、花粉、树脂等；Ⅲ型主要来自陆源木质纤维植物碎屑等，其生烃潜力较差[30]。

4 有机质类型在单井垂向上的分布规律

MAPS图像具有高精度大视域的特点，如X1-18样品大小为直径25 mm、厚2 mm，250 nm像素大小的拼接图像有1 188张MAPS小图像（分辨率：250 nm）。由于样品尺度小、相邻图像成分相似、总图像数量过大，因此将拼接的1 188张MAPS小图像进行等距取点统计，来统计选取点处的显微组分（图7）。

图7 X1-18样品MAPS扫描图像等距取点统计示意图及其干酪根类型判定图（部分）Fig.7 MAPS scanning image isometric point statistics diagram of X1-18 sample and its kerogen type determination diagram(part)

将选取点得到的132个MAPS小图像进行有机质显微组分识别，根据计算结果得到该样品Ⅰ型干酪根占28.79%，Ⅱ1型干酪根占57.58%，Ⅱ2型干酪根占9.09%，Ⅲ型干酪根占4.55%，即X1-18样品主要是以Ⅱ1型干酪根为主。基于此，得到了X1、X2两口井13个样品的不同有机质类型的含量统计数据（表2）。

表2 X1、X2井各样品不同类型干酪根含量占比Table 2 Different types of kerogen content proportion in each sample from wells X1 and X2

在此基础上，借鉴中国石油川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部提供的样品总有机碳测定数据，得到了不同类型干酪根的全岩含量，研究层段各有机质类型中，以Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根为主，为研究区最主要两种有机质类型，Ⅱ2型干酪根含量较少，至于Ⅲ型干酪根仅在X1井中部分样品中零星可见，这一认识与前人在周缘地区相同层段通过干酪根镜检实验等研究结果也相吻合[31-32]。

图8 威远地区X1井不同层位与有机质类型相对含量及含量关系图Fig.8 Relative content and content relation diagrams of different sublayers and organic matter types in well X1,Weiyuan area

图9 威远地区X2井不同层位与有机质类型相对含量及含量关系图Fig.9 Relative content and content relation diagrams of different sublayers and organic matter types in well X2,Weiyuan area

在单井垂向分布上，Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根相对含量和绝对含量大致都呈现小层更高，而小层较低的规律（图10，11）。

图10 威远地区X1井不同层位与Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根相对含量及含量关系图Fig.10 Relative content and content relation diagrams of different sublayers and types I and II1kerogen,well X1,Weiyuan area

图11 威远地区X2井不同层位与Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根相对含量及含量关系图Fig.11 Relative content and content relation diagrams of different sublayers and types I and II1kerogen,well X2,Weiyuan area

5 有机质类型与沉积环境之间的关系

作为干酪根形成演化的重要物质基础，沉积有机质大致可以区分为腐泥型和腐殖型两大类。海洋环境中的浮游生物及孢子等在缺氧条件下能够形成腐泥型有机质，演化成Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根；而腐殖型有机质主要由陆源植物在有氧条件下形成，之后演化形成Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根[29]。威远地区志留系龙一1亚段存在大量指示藻类等水生生物的腐泥组，而相对指示陆源生物的壳质组、镜质组、惰质组含量极少[33]。

晚奥陶世五峰组—早志留世龙马溪组时期，研究区处于“三隆夹一坳”的闭塞环境，水动力弱、还原性强、具有陆源营养输入，且存在两次全球性海平面上升以及多期火山活动[34]。作为扬子地块与华夏地块碰撞形成的重要一期火山活动，志留纪龙马溪组一段沉积早期经历火山灰入水后，可迅速释放铁盐等营养物质，形成富营养海盆，促进藻类生物繁殖，同时，火山作用带来了大量的还原性气体，产生极度缺氧的环境提高了有机质的埋藏量和保存率[35-36]。龙一1亚段各小层间还原性的变化与黄冬[31]通过U/Th参数测定所显示的规律相符（表3）。

表3 龙一1亚段各小层平均U/Th值[31]Table 3 Average U/Th value for each sublayer of Long11sub-segment[31]

图12 威远地区龙一1亚段沉积发育模式图（据叶子亿[37]修改）Fig.12 Sedimentary development pattern of the first subsection of the Longmaxi Formation in the Weiyuan area(modified from Ye[37])

综上，区域构造稳定、环境闭塞且海平面上升等造成的水动力弱、极度缺氧，使得有机质保存条件良好；洋流、火山活动等形成的富营养环境促进藻类等浮游生物大量繁殖，使得龙一1亚段Ⅰ型干酪根相对含量高，尤其是小层；海平面下降、水体变浅，使得陆源物质增加且有机质保存较差，小层Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根含量较低。即良好的保存条件至关重要，水动力弱的深水缺氧环境是其主控因素，有机成分的存在是其必要条件，洋流、火山活动、陆源营养物质供给等因素是利于有机质富集的辅助条件。