四川盆地五峰组-龙马溪组有机质类型与有机孔配置的放射虫硅质页岩岩石学证据

2022-11-15周晓峰李熙喆张晓伟梁萍萍于均民

中国石油大学学报（自然科学版） 2022年5期

周晓峰，郭伟，李熙喆，张晓伟，梁萍萍，于均民

(1.中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249；2.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

四川盆地及邻区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组是中国页岩气的主产层系、稳产压舱石和上产策源地[1]，优质页岩(总有机碳含量w(TOC)>2%)厚度为20～80 m[2]，生烃母质为油倾干酪根(Ⅰ型干酪根为主，兼有Ⅱ型干酪根[3])，有机质过成熟(焦沥青和笔石随机反射率大于2.5%[4])，有机孔是页岩储层的主要储集空间和重要渗流通道[5]。关于页岩储层有机孔与有机质类型的配置关系有两种截然不同的观点：原地有机质(干酪根热降解的固体残余)富孔隙而迁移有机质(石油热裂解的固体残余)贫孔隙[6]；迁移有机质富孔隙而原地有机质贫孔隙[7]。缺乏典型岩石学证据是造成页岩储层有机质类型与有机孔配置关系莫衷一是的根源。放射虫硅质页岩以生物硅质、碳酸盐、黄铁矿等刚性颗粒为主要组分[2,8]，岩石抵抗压实作用的能力强，有效地保护粒间孔隙内沉积有机质和黏土矿物凝絮体(有机黏粒复合体)的原始面貌，而有机黏粒复合体是深水沉积有机质的主要赋存方式之一[9-10]，可以作为深水沉积有机质的典型代表，这些特征决定放射虫硅质页岩岩石学特征是研究页岩储层有机质类型与有机孔配置关系的突破口。借助氩离子抛光技术结合扫描电镜，开展四川盆地五峰组-龙马溪组放射虫硅质页岩有机质类型与有机孔配置关系研究。

1 地质背景

四川盆地是扬子板块最富油气的多旋回叠合沉积盆地之一。晚奥陶世，广西运动导致盆地周缘的古陆和隆起抬升，形成“三隆夹一凹”的深水陆棚沉积体系，产生大面积低能、欠补偿及缺氧的沉积环境，沉积五峰组上部—龙马溪组下部约80 m富含放射虫的黑色页岩，石英和有机碳含量高(图1(a)～(c))，具备形成页岩气的基本地质条件[11]。

四川盆地五峰组-龙马溪组的最大埋藏深度曾经超过6 500 m，有机质达到过成熟阶段，晚白垩世以来的多阶段隆升过程普遍具有1 000～4 000 m地表剥蚀厚度，目前五峰组-龙马溪组页岩气埋深一般在3 000～5 500 m[12]。

2 放射虫硅质页岩岩石学特征

选取的4块放射虫硅质页岩样品来自四川盆地西南部的Z205井和L205井，其中Z205井的2块样品取自五峰组顶部，L205井的2块样品取自龙马溪组底部(图1(a)～(c))。氩离子抛光的放射虫硅质页岩样品垂直层理面，镜下观察时，以层理面或笔石条带在视域中显示水平状态作为基本条件，以此判断压实作用的微观信息。

放射虫硅质页岩图像(图2(a))及其矿物分析图像(图2(b))二者结合可以看出，放射虫硅质与碳酸盐矿物一起构成岩石骨架，有机质分散在骨架颗粒之间的粒间孔和完整放射虫硅质壳的腔体，有机质(包括有机孔)和矿物质分别占岩石体积的14.24%和85.76%。矿物质中，以硅质(54.92%)、方解石(14.36%)、白云石(8.71%)、黏土(5.35%)、长石(1.46%)为主。刚性颗粒占岩石体积的80%以上，承载绝大部分上覆地层压力，原生粒间孔隙保留下来。粒间孔隙中的有机质和有机孔遭受压实作用的影响小，清晰地记录有机质和有机孔的演化历程。以放射虫硅质页岩粒间孔隙中有机质为研究对象，以岩石学特征为研究主线，详细地观察有机质和有机孔的赋存状态及与其他矿物颗粒、尤其是硅质矿物颗粒的相互关系，进而剖析有机质和有机孔的配置关系及形成机制。

2.1 有机质的岩石学特征

根据有机质与黏土矿物及有机孔的相互关系，可以把有机质划分为3类：Ⅰ类为富孔隙的有机黏粒复合体、Ⅱ类为富孔隙的有机质、Ⅲ类为无孔隙的有机质。Ⅰ～Ⅲ类有机质可以共生在一个粒间孔隙中(图3)。

图1 研究区位置和采样点信息Fig.1 Study area location and sampling information

图2 放射虫硅质页岩典型微观图像和矿物分析(Z205-27)Fig.2 Typical microphotograph of radiolarian siliceous shale and its mineral analysis(Z205-27)

图3为放射虫硅质壳碎屑作骨架形成的一个粒间孔隙，宽度约为6.8 μm，高度约为8.7 μm，被大小悬殊的矿物质微粒和有机质充填。根据充填特征差异，孔隙可以划分为左半部分和右半部分(图3，以兰色虚线为分界线)，左半部分黏土矿物丰富，而右半部分缺乏黏土矿物。图3中(1)、(2)和(3)红色方框为图4(a)、(b)和(c)的位置，其中图4(a)和(b)是图3粒间孔隙的左半部分局部放大，图4(c)是图3粒间孔隙的右半部分放大。

图3 放射虫硅质页岩粒间孔隙充填特征典型微观图像(Z205-27)Fig.3 Typical microphotograph of filling characteristics in intergranular pore of radiolarian siliceous shale(Z205-27)

由图4(a)和(b)可以看到，在Ⅰ类有机质之间或边缘杂乱无章地分布着Ⅱ类有机质(红色箭头所指)和Ⅲ类有机质(兰色箭头所指)。Ⅰ和Ⅱ类有机质内部都发育孔隙，导致边界模糊不清。Ⅲ类有机质无孔隙，与其他两类有机质有着清晰的边界。从有机质的类型看，左半部分孔隙以Ⅰ类有机质占主导，Ⅱ类有机质为辅，Ⅲ类有机质少量。

孔隙的右半部分全充填Ⅱ和Ⅲ类有机质，二者有明显的边界，大体上可以分出2个Ⅱ类有机质微区和①～⑤共5个Ⅲ类有机质微区(图4(c)，红色虚线圈定范围)。Ⅱ类有机质微区中，有机孔数量多，以介孔为主。Ⅲ类有机质分布在Ⅱ类有机质之中或边缘，缺乏孔隙。总体上，右半部分孔隙中Ⅱ类有机质的分布面积大于Ⅲ类有机质的分布面积。

大量粒间孔中有机质的岩石学特征观察显示，Ⅰ～Ⅲ类有机质的分布有一定的规律可循。凡是出现Ⅰ类有机质的孔隙，必定伴生Ⅱ类和/或Ⅲ类有机质(图5(a))；而Ⅱ类和/或Ⅲ类有机质发育的孔隙，并不一定有Ⅰ类有机质(图5(b)～(d))。

2.2 硅质矿物的岩石学特征

硅质作为放射虫硅质页岩中含量最高的造岩矿物，是岩石骨架的主要组成部分。镜下观察发现，硅质矿物的产出方式有3类:A类为完整的放射虫硅质壳及其内部镶嵌状结构的微纳米硅质微粒聚合体;B类为破碎的放射虫硅质壳屑;C类为自生石英颗粒(图6)。无论是完整的还是破碎的放射虫硅质壳，都具有三明治式的夹层结构：次生石英加大—多孔硅质—次生石英加大，多孔硅质是放射虫骨骼，次生石英加大是成岩矿物(图6(b))。这种夹层结构增强多孔硅质的抗压强度，有利于硅质壳化石的保存。

A类硅质矿物中，放射虫硅质壳普遍大于60 μm，是页岩中粒径最大的造岩矿物之一。B类硅质矿物中，壳屑的大小悬殊，粒径大者可以比肩完整硅质壳(图3)，粒径小者几十或几百纳米，与其他矿物质和有机质混合堆积在粒间孔隙中(图3～6)。C类硅质矿物的粒径一般不超过5 μm，晶形较差，多出现在粒间孔隙中。同时出现在粒间孔隙且粒径相似的B类和C类硅质矿物的结构明显不同，B类硅质矿物内部通常有孔隙，而C类硅质矿物内部无孔隙。

图4 图3中有机质赋存特征典型微观图像Fig.4 Typical microphotograph of occurrence characteristics of organic matter in Fig.3

2.3 有机质与硅质矿物的赋存特征

A和B类硅质矿物作骨架形成非常丰富的粒间孔隙，孔隙内全充填矿物质和有机质。由于粒间孔隙的壁面都是次生石英加大，孔隙内充填的矿物质和有机质被硅质胶结物所包围(图3～6)。由图3可知，充填Ⅰ类有机质的左半部分孔隙的壁面次生石英加大偏窄，厚度小于1 μm；而充填Ⅱ和Ⅲ类有机质的右半部分孔隙的壁面次生石英加大明显变宽，厚度普遍大于1 μm。

粒间孔隙中，Ⅰ类有机质与B和C类硅质及少量方解石微粒共生，而Ⅱ和Ⅲ类有机质内部仅有少量C类硅质(图3～6)。Ⅰ类有机质中的C类硅质矿物与Ⅱ和Ⅲ类有机质中的C类硅质矿物对比发现，前者粒径小、晶形差，而后者粒径较粗、晶形较好、晶棱平直(图 3～6)。

图3中，在Ⅰ类有机质与Ⅱ和Ⅲ类有机质的分界位置，可以看到B类硅质单体的一部分在Ⅰ类有机质中，而另一部分在Ⅱ和Ⅲ类有机质中。在Ⅰ类有机质中的B类硅质部分，多孔硅质壳屑含量高，次生石英加大的厚度薄，表现为多个粒径较小的硅质壳屑通过次生石英加大融合的形式胶结在一起；在Ⅱ和Ⅲ类有机质中的B类硅质部分，没有多孔的硅质壳屑，次生石英加大厚度明显增加，向着Ⅱ和Ⅲ类有机质的方向，次生石英加大由围绕硅质壳屑表面生长转化为垂直生长，晶棱平直，晶面光滑。

3 有机质类型和有机孔配置关系

页岩中不同类型的过成熟有机质都是干酪根降解和裂解过程中的产物，因此在研究不同有机质类型和有机孔的相互关系之前，有必要先了解干酪根形成各类有机质的过程。沉积盆地中，年轻的细粒沉积物进入埋藏成岩阶段，随着埋深和温度增加，原始沉积有机质发生缩聚反应形成分子量更大、化学性质更加稳定的干酪根，沉积物转化为页岩(烃源岩)[13]。根据干酪根镜质体反射率(Ro)将烃源岩有机质热演化过程划分为5个阶段，即Ro<0.5%、0.5%～0.7%、0.7%～1.3%、1.3%～2.0%、Ro>2.0%依次显示烃源岩处于岩化阶段、低熟阶段、成熟阶段、高成熟阶段和过成熟阶段。Lewan[14]通过模拟实验结果描述烃源岩有机质随热演化程度升高生成烃类的所有反应路径，并总结这些反应路径的基本要点，指出过成熟阶段固体有机质转化为石墨(图7)。

图5 放射虫硅质页岩粒间孔隙充填特征典型微观图像Fig.5 Typical microphotograph of filling characteristics in intergranular pore of radiolarian siliceous shale

图6 放射虫硅质页岩硅质赋存特征典型微观图像(Z205-26)Fig.6 Typical microphotograph of occurrence characteristics of siliceous matter in radiolarian siliceous shale(Z205-26)

图7 干酪根热演化生烃路线图(据文献[14])Fig.7 Overall reactions involved with generation of petroleum with increasing thermal maturity (After citation[14])

然而中国南方龙马溪组页岩Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根石墨化的热成熟度Ro>3.5%，远高于经典生烃模式的过成熟阶段[15]。对于浮游藻类和无定形组分等形成的油倾干酪根，低熟阶段发生降解，生成大量油前沥青(重质油)[16]，Ro为0.8%时无定形有机质全部转化为油前沥青，Ro为0.89%时浮游藻类的显微组分特征消失而转化为油前沥青[17]。四川盆地五峰组-龙马溪组页岩有机质成熟度普遍在2%～3.5%，处于过成熟阶段，固体有机质已经转化为焦沥青[15]。文献调研结果显示，尽管有机黏粒复合体在页岩(烃源岩)中普遍存在，其是自然界有机质赋存的一种重要方式[9-10]，然而相关页岩气的研究成果中鲜见提及有机黏粒复合体，通常把有机质和黏土矿物分别开展研究。为了适用于过成熟有机质与有机孔配置关系的研究，强调四川盆地五峰组-龙马溪组页岩中广泛发育有机黏粒复合体，并将图7中的重点反应途径、反应产物及相关术语重新进行梳理(图8)。图8中原始沉积有机黏粒复合体随有机质成熟度增加经历Type A～Type F等6个阶段，不同阶段有机质类型的命名考虑其母质来源，以便能够追溯有机质的演化过程，如有机黏粒复合体→干酪根黏粒复合体→油前沥青黏粒复合体→固体沥青黏粒复合体→焦沥青黏粒复合体。不同类型有机质形成的湿气和干气的碳同位素组成可能存在差异[18-19]，但气态烃不是研究重点，故图8中未作区分。

通过剖析过成熟有机质的演化路径和放射虫硅质页岩的岩石学特征，指出四川盆地五峰组-龙马溪组Ⅰ类—富孔隙的有机黏粒复合体为Type F-1，Ⅱ类—富孔隙的有机质为Type F-2，Ⅲ类—无孔隙的有机质为Type F-3，并以图3的岩石学特征为蓝本建立沉积有机黏粒复合体经历岩化阶段、低熟阶段、成熟阶段、高—过成熟阶段转化为Type F-1、Type F-2、Type F-3的正演模式(图9)。该模式合理地解释镜下观察到的所有微观现象，旨在查明有机质类型与有机孔的配置关系。

图8 四川盆地五峰组-龙马溪组页岩有机黏粒复合体演化路径Fig.8 Evolution path of original sedimentary organic matter-clay complexes in shale of Wufeng-Longmaxi Formation in Sichuan Basin

岩化阶段，放射虫硅质软泥转化为粒间孔隙发育的硅质页岩，粒间孔隙中Type A转化为Type B(图9(a))。粒间孔的壁面为次生石英加大，Type B依附在次生石英加大的表面，指示次生石英加大的形成时间早于Type A的降落时间。Type B内部有着丰富的B和C类硅质矿物微粒，预示着这些微粒为Type A的组成部分，因此有机黏粒复合体应为沉积有机质和矿物质复合体。

五峰组-龙马溪组的干酪根由藻类等易生成石油的浮游生物转化而来，属于油倾干酪根。低熟阶段，干酪根全部转化为油前沥青，其中滞留原地的部分形成Type C-1，而迁移出去的部分形成Type C-2，占据部分粒间孔隙(图9(b))。此阶段内未覆盖有机质的孔隙壁面次生石英加大仍在继续生长和加厚，孔隙水中的硅质微粒也在继续生长，但那些被有机质覆盖或包围的硅质矿物则失去物质来源而停止生长。这就是Ⅰ类有机质中C类硅质矿物粒径小于Ⅱ和Ⅲ类有机质中C类硅质矿物粒径的原因。次生硅质加大和硅质微粒的物质来源于放射虫硅质骨骼的溶解再沉淀过程。矿物学上将放射虫、硅藻、海绵骨针等微生物的硅质骨骼称为蛋白石A，由胶态SiO2、硅石和少量水组成[20]，其在海洋水体中沉降和埋藏成岩早期发生的最显著变化是溶解再沉淀过程[6,21]，蛋白石A转化为石英，同时形成放射虫硅质骨骼内微孔，溶解的SiO2是硅质胶结的物质基础。

成熟阶段伊始，Type C-1和Type C-2进入生油高峰，生成的石油除充填剩余粒间孔隙外，大部分运移出页岩(烃源岩)。至成熟阶段末期，Type C-1转化为Type D-1，Type C-2转化为Type D-2，Type D-1和Type D-2内部发育丰富的有机孔(图8、图9(c))。粒间孔隙被有机质和矿物质充填，硅质矿物失去适宜的生长空间和物质来源而停止生长。

高—过成熟阶段，Type D-1～Type D-3热裂解生成湿气—干气，Type D-1经Type E-1转化为Type F-1(Ⅰ类有机质)，Type D-2经Type E-2转化为Type F-2(Ⅱ类有机质)，Type D-3经Type E-3转化为Type F-3(Ⅲ类有机质)(图8、图9(d))。

由图8和9沉积有机黏粒复合体热演化的路径及模式可知，油前沥青焦沥青化微粒孔隙发育，而石油焦沥青化微粒缺乏孔隙。

综上所述发现，四川盆地五峰组-龙马溪组放射虫硅质页岩有机质类型与有机孔配置关系与前人研究成果[2,6-7]不一致。早志留世尚未出现陆地植物，沉积有机质由海洋浮游藻类为主组成；埋藏成岩过程中，沉积有机质转化为油倾干酪根，在热成熟度达到0.89%时，干酪根全部转化为油前沥青[16-17]，Type B转化为Type C-1，因此五峰组-龙马溪组过成熟页岩气的储层中已不存在干酪根，Type B已被Type F所取代。放射虫硅质页岩中，粒间孔内的原地有机质均被硅质胶结物所包围，并不是Loucks等[22]认为的胶结物包裹的有机质为迁移有机质。一个保存较好且富有机质的粒间孔隙中，有机黏粒复合体发育微区的孔隙壁面上次生石英加大的厚度偏小，而焦沥青化油前沥青和焦沥青化石油微区的孔隙壁面上次生石英加大的厚度较大，这从一个侧面说明孔隙不发育的有机质微区(石油焦沥青化微粒)不是干酪根，若是干酪根则次生石英加大的厚度应该偏小。放射虫硅质页岩的岩石学特征分析是打开页岩储层有机质类型与有机孔配置关系的金钥匙。

对于其他页岩，尤其是黏土矿物含量高的页岩，在压实作用的影响下，有机黏粒复合体及其转化形成的有机质中孔隙发育程度复杂化，但可以确定有机黏粒复合体为沉积有机质，富孔隙的有机黏粒复合体是压实作用强度偏弱的产物，贫孔隙的有机黏粒复合体是压实作用强度高的结果；富孔隙的纯净有机质为压实作用强度偏弱的焦沥青化油前沥青，而贫孔隙的纯净有机质可能为压实作用强度高的焦沥青化油前沥青，也可能是焦沥青化石油。

图9 放射虫硅质页岩粒间孔隙中原始沉积有机黏粒复合体成岩演化过程Fig.9 Diagenetic evolution process of original sedimentary organic matter-clay complexes in intergranular pore of radiolarian siliceous shale