陆相湖盆页岩自生硅质特征及其油气意义

白斌，戴朝成，侯秀林，刘显阳，王瑞，杨亮，李士祥，贺君玲，董若婧

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.东华理工大学地球科学学院，南昌 330000；3.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院，西安 710018；4.中国石油大庆油田，黑龙江大庆 163453；5.中国石油吉林油田公司勘探开发研究院，吉林松原 138099）

0 引言

随着页岩油气的勘探开发，富有机质页岩日趋成为研究热点[1-5]。富有机质页岩的矿物成分以黏土矿物、长石、石英、方解石为主，其中石英是页岩储集层中主要脆性富硅矿物，其含量被认为是页岩脆性和裂缝密度变化的主要原因，直接影响到页岩的储集性能和压裂效果[6-8]。因此，石英含量也一直是评价页岩储集层有效性的重要指标[9]。页岩中石英分为碎屑石英和自生硅质（本文自生硅质包括隐晶、微晶和晶粒状自生石英）两大类，碎屑石英来自于盆外物源区，而自生硅质则多形成于成岩阶段，其来源主要有3种类型：①陆源硅，多赋存于陆源风化产物硅酸盐或铝硅酸盐等矿物，通常经过长英质溶蚀和黏土矿物转化等地球化学反应释放形成[10-13]；②生物硅，主要为一些富硅生物（如硅质放射虫、硅质海绵骨针等）死亡后的遗骸堆积而成[14-17]；③热液硅，与火山活动或热液流体活动有关[18-19]。不同成因的硅质成分，其元素地球化学特征也有所不同。陆源输入的硅质成分表现为同时高SiO2、Al2O3、TiO2、K2O、Na2O特征。一般生物成因的硅质成分表现为高 SiO2、P2O5、Fe2O3特征，典型的热液硅质成分则表现为低 P2O5、高 TiO2、FeO 特征[20-23]。

前人对海相页岩进行了大量研究，生物硅、热液硅和陆源硅在成岩过程对自生石英形成有不同程度的贡献[24-25]，特别是生物硅与有机质富集联系紧密，贯穿整个页岩“生烃—成藏”演化过程，是控制页岩气富集和高产的重要因素[26-28]。与海相页岩相比，由于陆相页岩赋存的湖盆受构造变化影响大，沉积环境复杂，岩石类型变化快，陆相页岩中生物硅相对缺乏，黏土矿物转化和长石溶解释放陆源硅是硅质的重要来源[9,29-31]，陆相页岩不同成因自生硅质赋存状态及其对储集性能、渗流能力与可压性的影响还不太明确。因此本文选取松辽盆地白垩系青山口组一段和鄂尔多斯盆地三叠系延长组 7段页岩为研究对象，通过系统元素分析、X-射线衍射、普通薄片、扫描电镜、阴极发光、电子探针及有机质等测试分析，从矿物分析入手，明确页岩自生硅质来源和主要影响因素，开展自生硅质对陆相页岩储集性能与储集层压裂改造效果评价，以期为陆相页岩油最佳靶体优选提供依据。

1 研究区概况及分析方法

1.1 研究区概况

鄂尔多斯盆地是中国中部大型叠合盆地，由晋西挠褶带、西缘逆冲带、渭北隆起、北部伊盟隆起以及天环坳陷和伊陕斜坡 6个构造单元组成。晚三叠世延长组沉积期，受印支运动的影响，盆地形成面积大、水域宽的大型内陆坳陷淡水湖盆（见图1a），期间沉积了 1套以河流—湖泊相为主的陆源碎屑岩地层，自下而上可划分为10段，其中长7段沉积时期为最大湖泛期，湖盆发育达到鼎盛，水生生物和浮游生物繁盛，有机质丰富，发育深灰色泥岩、黑色泥岩和页岩（见图1b），其富有机质页岩分布稳定，富含草莓状黄铁矿及超微化石[32-33]。

松辽盆地是中国东北部的一个大型中—新生代沉积盆地（见图1c），白垩纪是盆地的主要发育阶段，沉积了1套陆相火山岩、火山碎屑岩、河流相、湖泊相和沼泽相碎屑沉积岩，地层剖面完整，化石丰富[34]（见图1d）。青山口组是中—高成熟页岩油发育的有利层位。

图1 鄂尔多斯盆地三叠系延长组和松辽盆地白垩系青山口组沉积特征及地层柱状图（图1a据文献[34]修改）

1.2 样品及分析方法

研究样品来自鄂尔多斯盆地半深湖—深湖相X井和Y井长7段、松辽盆地深湖相Z井和K井青山口组岩心样品共计492块，光学显微镜、X射线衍射矿物分析、场发射扫描电镜、阴极发光和电子探针均在东华理工大学核资源和环境国家重点实验室完成。其中，光学显微镜使用仪器为德国Zeiss偏光显微镜；X射线衍射使用德国布鲁克公司（D8advance）X射线衍射仪对0.075 mm（200目）粉末样品进行分析，其测试条件为Cu靶，电压35 kV，电流15 mA；扫描电镜使用仪器为Apreo的高分辨率场发射扫描电镜，在5 kV的工作电压以及7.0 mm的工作距离下进行观察；阴极发光使用仪器为Axio Scope.A1/CL8200 MK5；电子探针使用JEOLJXA-8800M 型电子探针仪器，测试标样为美国国家标准局的矿物标样，工作条件为加速电压 15 kV，探针电流10 mA，束斑直径小于1 μm。TOC和有机质热解在中国石油天然气集团有限公司油气地球化学重点实验室完成，测定TOC使用的仪器为CS-i碳硫分析仪，使用0.075 mm（200目）的粉末样品在常温常压条件下完成；Rock-Eval热解使用的仪器为法国Vinci Technologies。主微量元素在核工业地质研究院完成，主量元素分析采用X射线荧光光谱仪，微量元素与稀土元素分析采用高分辨等离子体质谱仪。气体吸附在北京理化分析测试中心完成，测试仪器为比表面与孔隙度分析仪ASAP2460。

2 页岩矿物组成和自生硅质赋存状态

2.1 页岩矿物组成

页岩矿物成分以黏土矿物、钾长石、斜长石、碎屑石英和方解石为主，矿物组成的变化是影响页岩孔隙结构及其烃类赋存的因素之一。对鄂尔多斯盆地三叠系延长组长73亚段页岩322块岩心样品进行X衍射测试，结果表明该段页岩矿物组成以富黏土质和长英质为主要特征（见图2）。黏土矿物以伊利石为主，另含少量蒙脱石和高岭石；碎屑矿物为长石和石英；另外见有少量方解石、白云石、黄铁矿、胶磷矿和磷灰石等。黏土矿物含量 11%～91%，变化较大，平均值为 65%。通过薄片和扫描电镜观察，黏土矿物中伊利石呈棉絮状、毛发状或长薄板状，与细小的石英、蒙脱石共生（见图3a）；蒙脱石呈分散土状、球状、蠕虫状或透镜状，受压实作用影响呈弱的定向性。碎屑矿物主要为石英，其次为斜长石，并含有少量钾长石，其中石英含量为1%～57%，平均值为15%，石英颗粒表面较为光洁，呈颗粒状、斑点状产出（见图3b）；斜长石含量为 1%～18%，平均值约 5%，呈薄板状、颗粒状、棱角状产出（见图3c）；钾长石含量为1%～20%，平均值约6%，颗粒产出。长7段页岩除上述矿物外，还发育有大量自生硅质，呈斑点状和脉状分布（见图3d）。

图2 松辽盆地青山口组和鄂尔多斯盆地延长组页岩矿物组成

对松辽盆地白垩系青山口组页岩 170块岩心样品进行X衍射测试，与鄂尔多斯盆地长7段页岩相比，青山口组页岩中黏土矿物和方解石为主要矿物（见图2），碎屑矿物包括长石和石英，另外见有少量黄铁矿、胶磷矿等。黏土矿物以伊利石为主（见图3e），黏土矿物含量为2%～88%，平均值为63%。方解石主要为介壳类生物（见图3f），含量差异较大，局部为介壳灰岩夹层（见图3g）。石英含量为1%～40%，平均值为10%。斜长石含量为1%～8%，平均值约3%；钾长石含量1%～9%，平均约 4%。自生硅质在页岩和介壳灰岩中存在较大差别，页岩中石英呈斑点状和脉状分布（见图3h），介壳灰岩中自生石英呈粒状和交代方解石产出（见图3i）。

图3 松辽盆地青山口组和鄂尔多斯盆地延长组页岩矿物显微照片

2.2 页岩自生硅质成因类型及其特征

陆源硅酸盐沉积物中微量元素锆（Zr）稳定存在，与SiO2含量呈正相关关系，是指示硅质来源的重要参数[23,35]。研究区页岩样品中Zr含量和SiO2含量成正相关关系（见图4a），表明陆源物质是自生硅质的重要来源；Al-Fe-Mn图解一般用于表征燧石的形成环境[10,36]，大部分样品都落在了非热液成因的范围内（见图4b），少量样品落在热液成因区，表明还有少量热液硅质输入。在元素判别的基础上，通过普通薄片、阴极发光和扫描电镜观察分析自生伊利石特征、蒙脱石向伊利石转化、碎屑石英压溶、长石溶蚀以及生物壳体被交代、溶蚀等现象，识别出 4种主要的自生硅质类型，包括长英质溶解、凝灰质脱玻化、黏土矿物转化和硅质交代的自生石英。利用阴极发光照片对自生硅质含量进行统计，由于碎屑沉积物中石英的阴极发光类型与母岩类型有关，成岩作用过程中自生硅质形成温度一般小于300 ℃，阴极发光实验中不发光[37-38]，通过自编软件“成分及裂缝分析软件”拾取自生硅质色谱（见图5），经图像处理后自动计算百分含量，扣除X衍射结果中黏土矿物百分含量即为自生硅质百分含量。并对同一阴极发光照片经“成分及裂缝分析软件”和商业图像识别软件ImageJ处理结果相对比，两者计算百分含量相差在2%以内。

图4 松辽盆地青山口组和鄂尔多斯盆地延长组页岩石英成因判别图版

图5 “成分及裂缝分析软件”自动识别自生硅质百分含量

2.2.1 长英质溶解过程中形成的自生硅质

长石在埋藏成岩过程中的酸性条件下可发生溶解，最常见的是形成高岭石，但如果地层中有富钾流体存在，则长石溶解会沉淀出伊利石。其过程是通过如下6个反应进行[34]：

鄂尔多斯盆地长 7段页岩长石溶解形成自生硅质现象较为常见，以钠长石溶解为主，颗粒内部孔被有机质和硅质充填。偏光显微镜下硅质呈斑点状和硅质脉分布（见图6a、图6b），扫描电镜下硅质呈斑点状，结晶程度较低，为含水蛋白石类矿物，部分硅质交代胶磷矿（见图 6c、图 6d）。由长石溶蚀形成的硅质为鄂尔多斯盆地长 7段页岩含量最高自生硅质类型，在薄片中含量可达 25%。通过硅质斑点探针分析，SiO2含量为53.7%～93.1%，平均值为67.2%，表明硅质斑点中除自生硅质外还含少量黏土矿物伊利石。松辽盆地青山口组页岩也发育此类自生硅质（见图6e、图6f），可见碎屑长石溶蚀形成自生硅质，同时残留未蚀变长石（见图6g、图6h），但含量相对较低。

2.2.2 凝灰质脱玻化形成的自生硅质

鄂尔多斯盆地长 7段页岩中常见凝灰质夹层，凝灰质层厚度5～30 mm，单偏光下为浅褐色，以火山凝灰物质为主（见图6i），近水平层状分布，含断续状有机质条带和分散状有机质碎片，尖棱角状火山玻屑和晶屑分布于纹层中。在成岩过程中，由凝灰质脱玻化作用形成的二氧化硅主要是以两种形态赋存，一种是非晶态二氧化硅[39]，呈不规则球粒状，无棱角，颗粒间发育粒间孔隙[9]。另一种是自生石英，晶体形态特征较好（见图6j），通过长7段剖面纵向观察，在靠近凝灰质层附近自生石英含量明显升高。

2.2.3 黏土矿物转化过程中形成的自生硅质

页岩中黏土矿物的转化可伴生二氧化硅沉淀[40]。在温度大于70 ℃时，蒙脱石矿物向伊利石转化，蒙脱石溶解使孔隙水中硅的浓度超过石英的饱和度，从而在黏土矿物周围形成微米级的石英晶体。Metwally[41]通过研究皮埃尔页岩，认为黏土矿物的转化过程中形成的自生硅质，呈微米级板片状或小晶片状的形态嵌在黏土矿物中。利用扫描电镜观察延长组和青山口组页岩，黏土矿物中存在呈短链状、板片状的石英，颗粒直径较小，大小介于2～8 μm，自形形态较好（见图6k、图6l），此类自生硅质总体含量较低，约占全岩的1%～3%。

2.2.4 硅质交代形成的自生石英

松辽盆地青山口组页岩中发育大量平行排列的瓣鳃类生物介壳化石夹层。生物介壳含量较高层位为介壳灰岩，介壳个体完整；生物介壳含量较低层位则形成介壳页岩，介壳个体普遍受压实作用影响呈扁平状。介壳页岩（灰岩）中的生物介壳边缘和体腔内常常镶嵌着大小不一的石英矿物，由介壳边缘向内逐渐增大（见图3f、图3i），此类石英在阴极发光下不发光，自生石英晶形较好，呈棱角状，直径为10～100 μm，能谱分析可见自生石英环带。电子探针数据显示，黏土矿物转化析出的硅质与长石溶解形成的硅质不仅能在矿物孔隙中生成石英，也能在生物介壳边缘交代方解石，形成自形程度较好的石英。由介壳边缘向内，交代程度增加，SiO2含量由91.05%增加到96.03%，自生石英形态逐渐增大。同时硅质除交代方解石外，在鄂尔多斯盆地长7段页岩中亦可交代胶磷矿等其他矿物（见图6d）。

图6 松辽盆地青山口组和鄂尔多斯盆地延长组页岩自生硅质显微照片

3 自生硅质的垂向分布和影响因素

3.1 自生硅质垂向分布

通过鄂尔多斯盆地X井和Y井长7段、松辽盆地Z井和K井青山口组自生硅质纵向分析，X井自生硅质含量为0.3%～13.2%，平均值为4%，页岩纹层发育段与纹层不发育段相对比，纹层发育段自生硅质含量较高，其原因可能为纹层发育段有利于富硅质流体运移和结晶；Y井自生硅质含量为 2.3%～13.6%，平均值为5.7%，纵向上夹凝灰质层段，自生石英含量相对较高，TOC值与自生硅质含量具有较好相关性（见图7），含量较高层位为1 853.1～1 822.15 m井段；Z井自生硅质含量为0.2%～11.0%，平均值为3.8%，与鄂尔多斯盆地延长组页岩相比，松辽盆地青山口组自生硅质含量明显降低，粉砂岩夹层和页岩中自生硅质含量相对泥岩含量较高，自生硅质含量与TOC值也呈明显正相关（见图 8）；K 井自生硅质含量为 0.2%～6.8%，平均值为3%，介壳灰岩和介壳页岩中自生硅质含量较高，泥岩中自生硅质含量相对较低，与TOC值呈弱正相关。

图7 鄂尔多斯盆地Y井长7段页岩自生硅质纵向变化柱状图

图8 松辽盆地Z井青山口组页岩自生硅质纵向变化柱状图

3.2 自生硅质发育的影响因素

通过对 492个样品进行自生硅质和碎屑石英、钾长石、斜长石、黏土矿物、TOC、热解数据相关性分析（见表1），研究表明：①自生硅质含量与碎屑石英含量呈正相关，鄂尔多斯盆地页岩相关性相对于松辽盆地页岩斜率更大，在有机酸的作用下，碎屑石英压溶作用对形成自生石英所需硅质来源的贡献较大，如四川盆地须家河组砂岩中石英颗粒含量较高时通常为硅质胶结，而长石和岩屑含量较高时普遍为钙质胶结[13]。②自生硅质和斜长石也具有明显的正相关关系，鄂尔多斯盆地延长组页岩中斜长石溶蚀明显，析出硅质形成斑点状结晶程度较低的蛋白石，松辽盆地青山口组页岩长石溶蚀相对较弱，因此长石溶蚀形成自生硅质含量较低。③黏土矿物含量与自生硅质含量呈负相关，黏土矿物含量越高，自生硅质含量越低，这并不是否认页岩中黏土矿物的转化可伴生二氧化硅沉淀，而是当黏土矿物含量较高时，页岩中对应的碎屑石英含量降低，碎屑石英压溶作用形成硅质是页岩形成自生硅质主要来源，与碎屑石英压溶作用形成自生硅质相比，黏土矿物转化形成自生硅质含量相对较低。④有机质含量高低可以改变成岩过程中酸性强弱，鄂尔多斯盆地长 7段页岩TOC值为 0.46%～27.3%，平均值为6.6%，松辽盆地青山口组页岩TOC值为0.2%～4.4%，平均值为1.8%，与长7段页岩TOC值相比，平均值降低了4.8%，长7段页岩自生硅质平均含量为5.0%，青山口组页岩自生硅质平均含量为3.5%，造成青山口组页岩自生硅质相对于长 7段含量低的可能原因是青山口组TOC值低，成岩过程中酸性相对较弱，溶蚀碎屑石英和长石能力较低，以至于析出硅质较少，进而形成自生硅质含量相对于长 7段低，因此有机质对自生硅质形成具有一定促进作用[42]。

表1 自生硅质和碎屑石英、斜长石、黏土矿物、TOC值统计数据表

4 陆相页岩中自生硅质的油气意义

4.1 自生硅质与页岩储集性能评价

页岩孔隙结构的形成与演化既与页岩的原始物质组成有关，也受成岩作用的影响，其中自生石英胶结作用对页岩孔隙结构具有双重影响作用，既可以堵塞孔隙，也可以固化岩石骨架，保护原始孔隙，间接增加页岩的孔隙度[43-46]。

鄂尔多斯盆地X井长7段和松辽盆地K井青山口组页岩压汞和气体吸附测试表明，鄂尔多斯盆地长7段页岩自生硅质平均百分含量为4.2%，页岩储集空间平均孔径为22.48 nm，松辽盆地青山口组页岩自生硅质平均百分含量为3.4%，平均孔隙直径为15.45 nm，长7段和青山口组页岩总体表现出自生硅质含量越高，平均孔径越大的正相关关系。中国南方海相页岩成岩作用早期形成的生物石英会形成大量的粒间孔，同时可以构成坚硬的格架，避免了原生孔隙的进一步压实，为生油窗油气的注入提供了空间[23]，对页岩储集层中的有机质孔起到了保护作用。陆相淡水湖盆页岩与海相页岩相比，其硅质来源存在差异；鄂尔多斯盆地延长组页岩硅质主要为陆源，松辽盆地青山口组页岩硅质除陆源外，还有部分来源于生物硅。陆相页岩自生硅质同样对孔隙具有良好的保护作用，自生硅质附近原生孔常被保留下来（见图 9a、图 9b），为油气的注入提供了空间（见图9c），长石溶蚀形成自生硅质过程中发育大量10～20 nm级次生孔隙。因此，自生硅质形成既可以保护陆相页岩原始孔隙，同时增加 10～20 nm级次生孔隙，对页岩孔隙的局部连通也具有一定的促进作用。

图9 松辽盆地青山口组页岩中自生硅质与孔隙结构

4.2 自生硅质与页岩储集层改造效果

通常来说，石英是碎屑岩中重要的脆性矿物，石英含量越高，脆性指数越高，越容易形成裂缝，同时表现为高杨氏模量和低泊松比，利于压裂改造。但对于陆相页岩而言，不同成因的自生硅质颗粒大小和赋存状态均存在差异，对储集层压裂改造效果存在明显影响。其中，陆相富有机质高黏土页岩中自生硅质颗粒偏小且多呈漂浮状分散于黏土矿物内部（见图9b），对页岩的可改造性较为有限，需要较高的压裂才能实现有效改造；同时由于自生硅质分散于黏土矿物中，而黏土矿物形成孔缝具有自愈合特征，易造成缝网重新闭合，降低缝网有效连通；而富有机质长英页岩中陆源石英呈层状，颗粒之间为线接触，能够有效提升人工裂缝的复杂程度，改善可改造性；压裂后较为紧密接触的刚性陆源石英颗粒也可有效支撑缝网，保持有效渗流通道。

因此，简单依靠利用X衍射全岩分析获取石英含量，按照矿物含量计算页岩油储集层脆性指数，并不能真实反映页岩油储集层压裂改造效果。

5 结论

通过鄂尔多斯盆地延长组和松辽盆地青山口组页岩自生硅质分析，识别出长英质溶解、凝灰质脱玻化、黏土矿物转化和硅质交代 4种成岩过程形成的自生硅质类型。长7段页岩自生硅质平均含量5.0%，青山口组页岩自生硅质平均含量3.5%。长7段页岩自生硅质主要以长石、石英溶解和凝灰质脱玻化提供硅质，而青山口组页岩主要以长英质溶解、黏土矿物转化和硅质交代形成自生硅质。

不同成因自生硅质在矿物学和成分上存在较大差异，长石溶解形成自生硅质常呈斑点状和硅质脉分布，结晶程度较低，为含水蛋白石类矿物，探针分析 SiO2含量为53.7%～93.1%，平均值为67.2%；由凝灰质脱玻化作用形成二氧化硅主要是以非晶态二氧化硅和晶体形态较好自生硅质两种形态赋存；黏土矿物的转化过程中形成的自生硅质呈微米级板片状或小晶片状的形态嵌在黏土矿物中；硅质交代形成的自生石英晶形较好，呈棱角状，探针分析SiO2平均含量为87%。

自生硅质含量与碎屑石英和长石含量呈正相关，长英质压溶作用对形成自生石英所需硅质来源的贡献最大，其次为黏土矿物转化析出硅质，有机质对自生硅质形成具有一定促进作用，有机质含量越高，越有利于自生硅质形成。

陆相湖盆页岩与海相页岩相比，虽然硅质来源存在差异，陆相页岩自生硅质对总孔隙具有促进作用，但由于特殊赋存状态与特征不同，自生石英分散于黏土矿物之中，黏土矿物具有自愈合特征，会降低裂缝连通性和有效性。因此，按照矿物含量计算页岩储集层脆性指数，并不能真实反映页岩油储集层压裂改造效果。