四川盆地侏罗系陆相页岩成熟度与显微组分孔隙发育特征

周圆圆,芮晓庆,鲍 芳,俞凌杰,张庆珍,席斌斌

(1.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;2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,江苏 无锡 214126)

引 言

近年来,我国页岩气行业发展迅速,在南方下古生界广泛发育的两套富有机质海相页岩勘探取得重大突破[1]。而陆相页岩油则是四川盆地页岩油气勘探开发的另一个重要的新领域[2]。

成熟度是页岩油气有效勘探评价的重要依据[3]。镜质体反射率是最有效的有机质成熟度指标[4],陆相湖盆泥页岩有机质碎片小,过渡组分(半镜质体、半丝质体)含量高,镜下鉴定难度大。鉴于此,本文通过镜质体反射率、拉曼光谱、岩石热解多手段联合确定研究区页岩成熟度。

有机质作为页岩油气的主要载体,其中发育的纳米级孔隙是有机质向烃类转化的产物[5],是页岩储集空间的重要组成部分[6]。大量勘探研究表明,四川盆地海相页岩具有生烃潜力大、有机质孔隙发育等特点[7]。与海相页岩层系相比,四川盆地陆相侏罗系页岩有机质孔隙的研究相对较少,对有机质孔隙的区分也仅限于原生有机质孔隙和次生有机质孔隙[8]。有研究表明,有机质孔隙的非均质性与显微组分有一定的相关性[9],扫描电镜手段无法准确识别镜质体、惰质组等显微组分[5,10]。为了更加客观准确地识别不同显微组分孔隙发育特征,笔者以复兴地区侏罗系页岩为研究对象,采用光学显微镜和聚焦离子束扫描电镜相结合的方法,原位观察不同显微组分孔隙发育特征,为后期四川盆地侏罗系陆相页岩气的有效勘探开发提供理论依据。

1 研究区地质概况

复兴地区位于四川盆地东部,主体处于重庆梁平、垫江和丰都境内,在构造上隶属四川盆地川东高陡断褶带万县复向斜(图1),区域内发育5个向斜和3个背斜。背斜高陡核部主要出露二叠系和三叠系地层,向斜宽缓主要出露侏罗系地层[2]。侏罗系自下而上发育自流井组、千佛崖组(凉高山组)、沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组。其中,自流井组自下而上发育珍珠冲段、东岳庙段、马鞍山段及大安寨段4个岩性段。本次研究的重点层位是东岳庙段和凉高山组中的凉二段,复兴地区在东岳庙段沉积时期经历了一次规模较大的湖侵,两套页岩均以滨浅湖-半深湖相沉积为主。

图1 川东复兴地区构造位置[4]Fig.1 Structural location of Fuxing area in eastern Sichuan Basin[4]

2 样品和实验方法

本次研究采集了复兴地区XY1井和XY2井2套侏罗系地层(凉二段和东岳庙段),共计22个页岩样品。其中,东岳庙段17个样品,凉二段5个样品。

(1)光学显微镜观察

在Leica DM4500P偏光显微镜反射光50倍油浸物镜观察的基础上搭载J&M型MPS200光度计,测试波长为546 nm,镜质体随机反射率则根据标准SY/T5124-2012。根据样品的反射率实际情况,测试前进行双标样校正,标准物质分别为钇铝石榴石(Ro=0.90%)、钆镓石榴石(Ro=1.72%)。除极少数样品测点较少,大部分样品测点数均大于20个。显微组分鉴定及统计方法根据标准SY/T6414-2014,统计方法采用点计法,各显微组分的百分含量以统计点数占总有效点数的百分数表示。干酪根类型的划分根据标准SY/T 5125-2014,对样品中干酪根显微组分进行鉴定并对各显微组分百分含量进行定量统计。

(2)聚焦离子束扫描电镜

根据光学显微镜初步观察结果,优选TOC含量高且显微组分特征明显的4个典型样品(东岳庙段3个,凉二段1个)进行氩离子抛光前处理,对可识别的有机显微组分进行拍照并标记位置。根据光学显微镜采集的图像,在氩离子Helios 650型号聚焦离子束扫描电镜下观察,先在低放大倍数下识别出光学显微镜下观察的同一有机质,再根据实际需求对有机质放大,观察不同类型显微组分的微观孔隙特征,实现了特定显微组分从宏观结构特征到微观孔隙发育特征的原位精准观察。

(3)激光拉曼光谱

激光拉曼实验使用仪器为HR Evolution,激发波长为532 nm。

(4)TOC-热解

总有机碳测试利用LECO CS-230碳硫分析仪,参照标准GB/T 19145-2003。岩石热解利用Rock-EVAL6热解仪进行测试,参照标准GB/T 18602-2012。以上分析测试在中石化石勘院无锡石油地质研究所完成。

3 有机质成熟度

3.1 镜质体反射率

泥页岩有机质成熟度是评价烃源岩有机质热演化程度的重要指标,最常用的是镜质体反射率Ro。本次研究选取了XY1井凉二段和东岳庙段10块泥页岩样品,分别测试全岩反射率和干酪根富集后的镜质体反射率。为保证测试数据的可靠性,对同一测试对象进行了实验间比对(表1),比对结果满足标准要求(SY/T5124-2012)。全岩反射率指直接将岩心粉碎至30～40目后制成光片,镜下观察识别并测试镜质体反射率。镜下观察发现：XY1井侏罗系页岩样品镜质体丰度整体较低,且镜质体以无结构镜质体和镜屑体为主,一般呈破碎颗粒状或条带状顺层展布,仅极少量镜质体可以达到标准中的测试要求,而干酪根富集可以将沉积岩中不溶于非氧化性的酸、碱和非极性有机溶剂的有机质富集[11],提高单位体积的镜质体数量,有效增加测点数量,提高数据的客观性和可靠性。

表1 XY1井侏罗系页岩不同方法测定的反射率Tab.1 Vitrinite reflectance of Jurassic shale in well XY1 measured by different methods

3.2 最大热解峰温Tmax

最大热解峰温Tmax可以作为快速评价有机质成熟作用的指标[3,12],Jarvie[12]在研究中发现Ro与Tmax具有线性关系

Ro=0.018Tmax-7.16。

(1)

式中：Ro为镜质体反射率,%;Tmax代表最大热解峰温,℃。

凉二段页岩样品Tmax值在468～478 ℃,平均472 ℃,通过Tmax值计算得到的Ro在1.264%～1.444%,平均1.340%,与实测反射率结果一致(表1)。东岳庙段页岩样品Tmax值在464～495 ℃。其中,深度为2 837.69 m的东岳庙段样品Tmax值为464 ℃,换算Ro值为1.19%。根据实际地质情况,东岳庙段页岩已处于高成熟热裂解生湿气阶段(1.2%

3.3 激光拉曼光谱

拉曼光谱可以反映有机质芳香碳环结构中原子和分子振动的信息,即有机质的拉曼光谱谱峰参数与有机质在热演化过程中化学结构的变化有良好的响应关系,进而表征成熟度。G和D峰的峰间距已被证实为最可靠的成熟度指标[13],G峰(1 580～1 600 cm-1)和D峰(1 350～1 380 cm-1)分别对应石墨芳香层E2g伸缩振动模式与芳香晶格的缺陷[15]。本次研究采用公式

RoRmc=0.0537d(G-D)-11.21[13]。

(2)

式中：RoRmc代表计算镜质体反射率,%;G代表G峰的位置,cm-1;D代表D峰的位置,cm-1;d代表G峰和D峰的间隔,cm-1。

本次研究共测试了XY1井东岳庙段页岩样品3个,拉曼光谱图如图2所示,拉曼光谱峰间距数据与用公式计算的反射率见表2。通过峰间距换算的反射率值在1.82%～2.13%,平均1.96%,再次印证了东岳庙段页岩处于高成熟热裂解生湿气阶段。但计算反射率值整体较实测镜质体反射率值偏高,王民等[16]在对澳大利亚西部泥岩样品进行研究时也发现大多数样品经拉曼参数计算的等效反射率值略微高于实测值。这可能与激光拉曼光谱测试过程中,镜质组、惰质组及壳质组组分在镜下难以准确分辨有一定关系,特别是对于分散沉积有机质(泥岩、页岩等),镜质体碎片细小且湖相沉积环境中半镜质体和半丝质体这类过渡组分含量相对较高,增加了对各显微组分准确区分的难度。有研究表明[13],热演化程度较低时,由于镜质体、半镜质体、半丝质体和惰质组中碳化物质的芳香环缩聚程度不同,拉曼光谱参数计算的反射率值差异比较明显,过渡组分和惰质组拉曼光谱计算反射值高于镜质体。综上,本次研究中显微组分的识别问题可能是导致拉曼参数计算反射率值高于实测镜质体反射率值的主要原因。

表2 东岳庙段页岩拉曼光谱分析参数与镜质体反射率Tab.2 Raman spectroscopic parameters of Dongyuemiao member shale and comparison of its calculated reflectance and vitrinite reflectance

图2 XY1井东岳庙段页岩样品拉曼光谱Fig.2 Raman spectrograms of Dongyuemiao member shale in well XY1

综合实测全岩反射率、干酪根富集后的镜质体反射率、激光拉曼光谱峰间距和Tmax等实验分析结果(图3),综合认为,凉二段和东岳庙段页岩均处于高成熟热裂解生湿气阶段(1.2%

图3 XY1井侏罗系页岩样品不同方法测试的反射率值与深度的关系Fig.3 Relationships between reflectance of Jurassic shale samples in well XY1 measured by different methods and depth

对于陆相页岩,镜质体反射率仍然是被广泛认可的有机质成熟度标尺性指标。因湖相盆地有机质细碎且过渡组分含量较高,对镜质体组分的准确区分十分困难,故优先选择干酪根富集后再测试镜质体反射率的实验方法,增加测点数量,使结果更为客观准确。同时,Tmax参数计算的等效镜质体反射率也可以较准确地表征成熟度,测试过程简单高效,在无镜质体反射率数据时,可选择该参数进行成熟度表征;拉曼光谱参数换算的反射率略高于实测反射率值,后期可以在偏光显微镜下识别出镜质体组分后进行原位拉曼光谱测试,以减小显微组分识别对测试结果影响。

4 有机显微组分类型及孔隙发育特征

4.1 干酪根类型

根据干酪根类型指数值,一般将干酪根划分为三类四型,即为Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型、Ⅲ型。Ⅰ型和Ⅱ型比Ⅲ型干酪根更富含氢和脂质组分,具有更好的生烃潜力,因此,发育有机质孔隙的潜力高于Ⅲ型[9]。干酪根镜检结果表明(图4),研究区侏罗系泥页岩干酪根类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主,与Ⅰ型干酪根相比,富含氢的显微组分相对较少,有机质孔隙的发育则较差。与复兴地区侏罗系湖相页岩相比,四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩干酪根类型以Ⅰ型为主,海相页岩中的有机质孔隙比陆相页岩中更发育,有机质中既发育均匀分布的大孔,又发育细小而密集的小孔,连通性好[7]。

图4 复兴地区侏罗系页岩干酪根显微组分Fig.4 Kerogen macerals of Jurassic shale in Fuxing area

4.2 有机显微组分类型及特征

本次研究选取了4个样品开展有机岩石学分析,有机显微组分由镜质体、丝质体、固体沥青组成(图5),各显微组分的百分含量以统计点数占总有效点数的百分数表示。其中,镜质体含量最高,占总有机质的76%～83.5%,平均80.25%。其次为惰质组,主要为丝质体和惰屑体,含量为15.3%～20%,平均17.38%。部分样品可见少量固体沥青,含量4.0%～5.5%。

研究区泥岩中的镜质组包括少量结构镜质体、无结构镜质体和镜屑体(图5),反射光下多呈灰色—灰白色,蓝紫光下未显示荧光。结构镜质体残存植物细胞空腔结构,在沉积过程中,可受到外力作用,未被充填的细胞空腔由于挤压变形,形成新月状或三角状等不规则孔隙[10]。无结构镜质体未见植物细胞结构,部分可呈条带状分布。镜屑体是粒径小于10 μm的镜质组分碎屑(图5(c)),多呈粒状或不规则形状。样品中也含少量半镜质体,是镜质组与惰质组之间的过渡,反射率介于镜质体和丝质体之间,且多与正常镜质体共生,在湖相碳酸盐岩烃源岩中较为常见[17]。

惰质组是由织物木质纤维组织经丝碳化作用形成或由木质组织经凝胶化作用后再受强烈氧化作用形成或菌类组织形成的显微组分。研究区侏罗系泥页岩常见的惰质组分有丝质体、半丝质体和惰屑体(图5(c),图5(i))。少量丝质体可保存完好的植物细胞结构,反射率光下呈白色,多数因搬运或外力作用细胞结构保存较差,仅可识别出细胞器残片,另可见较多“弧状”或“星状”结构,部分硬度较低的丝质体受外力作用挤压呈细长的条带状集合。研究区半丝质体较为常见(图5(h)),其形态与丝质体相近,但反射色则较丝质体低。前人研究表明,惰质组的含量与沉积相带相关,靠近陆源区一般具有较高的惰质组含量,而远离陆源区则含量相对较低,惰质组因稳定性好且易于搬运,在深水区通常发育颗粒更为细小的惰质组[17]。研究区东岳庙段和凉二段富有机质泥页岩沉积环境为浅湖—半深湖[2],镜下观察结果显示有惰质组较为细小且含量较高,可能是惰质组在搬运过程中因外力作用变形破碎。

图5 复兴地区侏罗系页岩有机显微组分特征Fig.5 Characteristics of organic macerals of Jurassic shale in Fuxing area

4.3 有机质孔隙发育特征

显微组分是页岩中有机质的基本物质组成,基于偏光显微镜和聚焦离子束扫描电镜原位联用分析,可以对不同类型的有机显微组分孔隙开展精细表征和深入研究。结果表明,东岳庙段和凉二段页岩中主要发育4种类型的有机孔,即固体沥青孔隙、镜质体孔、惰质组孔和生物碎屑孔,以固体沥青孔为主,镜质体和惰质组内部多均质致密,极少发育孔隙,但有一定数量的原生有机质保存了原始高等植物的木质纤维结构,发育细胞腔,部分胞腔被固体沥青、黏土矿物或者黄铁矿充填,内部形成少量孔隙。

固体沥青属于有机显微组分中的次生组分,无固定形态,主要充填在矿物颗粒缝隙中,受原始孔隙载体(周围无机矿物)的控制[8],在氩离子抛光-扫描电镜下,固体沥青多呈条带状分布(图6(b),图6(e)),表现出运移特征,内部发育细小而密集的孔隙,多呈蜂窝状、椭圆状、串珠状(图6(f))及不规则形状,孔径大小不一,几十纳米到几百纳米范围内均有发育,局部可见纳米级孔隙与微米级孔隙共生。

图6 复兴地区侏罗系页岩固体沥青的孔隙发育特征Fig.6 Development characteristics of pores in solid bitumen of Jurassic shale in Fuxing area

显微镜下观察到少量镜质体保存较好的细胞腔(图7(d),图7(g)),多数镜质体受外力搬运作用,机械磨损而破碎,呈分散状的颗粒状镜屑体(图7(a),图7(j))。在氩离子抛光-扫描电镜同一视域下对比观察发现,镜质体内部多均质致密,不发育孔隙(图7(c))或极少发育孔隙,大小不一,几十纳米到几百纳米孔径均有发育(图7(f),图7(i))。图7(d)和图7(g)为结构镜质体,可见细胞壁受外力作用变形甚至断裂,细胞腔内充填有无机矿物,在有机质边缘发育少量有孔隙;图7(l)的碎屑状镜质体,镜质体边缘发育有黄铁矿,镜质体与黄铁矿的接触面分布着密度较大、形状较为规则的条带状孔隙;图7(m)中镜质体的细胞壁因受压实作用而发生弯曲甚至破碎,细胞腔被黄铁矿不完全充填,内部可见少量孔隙(图7(o))。

研究区侏罗系泥岩样品中的惰质组以丝质体为主。总体上,惰质组不发育孔隙。但有一定数量的原生有机质保存了原始高等植物的木质纤维结构,可见细胞腔,部分胞腔被固体沥青、黏土矿物或者黄铁矿充填,内部形成少量孔隙。图8(a)、图8(d)和图8(g)中的丝质体保留了原始高等植物细胞结构,部分腔体呈现出一定程度的挤压变形甚至破裂。图8(h)丝质体细胞腔内被矿物充填,未见有机孔,另可见少量细胞腔充填沥青和黏土(图8(b),图8(e)),这类细胞腔内发育有较密集且大小相近的有机孔。图8(g)中的丝质体分支细而长,受垂向压实和侧向积压,胞腔原始结构遭到破坏,部分细胞壁彼此接触,部分发生断裂,在分支连接处可见少量有机质孔隙,大小不一,形态各异。图8(l)为受外力挤压破碎的丝质体,内部均质无孔隙,在边缘可见两个大小相近的椭圆形孔隙。

此外,在样品FL8-4和R2-1中观察到长条状、颗粒表面粗糙的显微组分。在聚焦离子电镜下可观察到这类显微组分表面存在密集分布的微晶磷灰石颗粒(图9(c),图9(f)),有机质内部发育大量孔径在10～20 nm的微孔。图9(h)则显示大量有机质与书页状、蠕虫状高岭石及矿物(主要为石英)共生,在矿物边缘发育晶缘缝及大量絮状有机质孔隙。已有研究表明,磷灰石的形成与藻类微生物、有机质具有密切的关系[18],也是脊椎动物硬组织(骨骼、牙齿和角等)的主要矿物成分[19],因此,在富有机质泥岩中存在的这类富含大量磷灰石颗粒的有机质可能与生物有关。图8(g)疑似死亡动物经埋藏保存下来的硬组织,以磷灰石为主要组成,而部分空腔则被高岭石和矿物充填。

研究区东岳庙段和凉二段页岩中四种不同类型显微组分的孔隙发育程度存在差异,表现为：①固体沥青孔隙最为发育;②碎屑状镜质体较为均质,基本不发育孔隙或仅发育极少量孔隙,通常分布在有机质边缘或与黄铁矿的接触面;结构镜质体含量低,偶见胞腔内充填沥青和黏土,发育有机质孔;③丝质体中的孔隙主要发育在被沥青和黏土充填的胞腔内;④有机质泥岩中存在发育大量磷灰石微晶生物碎屑的有机质,内部可见大量微孔,矿物边缘发育絮状有机质孔。

有机显微组分因生烃潜力的差异会导致其发育孔隙的能力不同,腐泥组和壳质组作为主要的生烃母质,生烃潜力最大,有机质孔隙更易发育[9,20],镜质组主要生气[21],固体沥青属于次生组分,具有比镜质组和惰质组更好的裂解生成轻质油和天然气的潜力[22]。有机岩石学分析结果表明：复兴地区凉二段和东岳庙段有机显微组分以镜质体和丝质体为主,东岳庙段固体沥青较凉二段更为发育。结合扫描电镜观察结果,东岳庙段和凉二段均不同程度地发育有机质孔隙,且不同组分中的孔隙发育程度差异较大。固体沥青内普遍发育有机质孔,镜质体和丝质体本身孔隙并不发育,但其保留原始细胞结构的胞腔内常充填沥青和黏土矿物,内部孔隙较为发育。不同成熟度样品中同一显微组分内部孔隙发育差异不大,表明热演化程度对有机质孔隙发育影响并不明显;同一样品中有孔固体沥青与无孔镜质体共存,证实了有机显微组分类型及含量是该地区有机质孔隙发育的关键。

图7 复兴地区侏罗系页岩镜质体的孔隙发育特征Fig.7 Development characteristics of pores in vitrinite of Jurassic shale in Fuxing area

4.4 海相和陆相页岩孔隙差异对比

有机质类型对于孔隙结构的影响十分明显,而各显微组分在不同演化阶段对页岩储集空间也具不同程度的贡献[23]。高—过成熟海相页岩有机质以次生组分及腐泥组为主,生烃潜力大,发育大量有机质孔隙;陆相页岩以镜质体、惰质体等腐殖组为主,热演化程度低于海相页岩,有机质孔隙发育程度较差,孔隙类型主要以无机孔为主,黏土矿物晶间孔和微裂缝发育。因此,海相页岩TOC含量与孔隙度呈正相关,有机质孔隙是孔隙的主要构成,而陆相页岩不同于海相页岩,其孔隙度与TOC相关性不明显,有机质孔隙不发育,孔隙度与黏土含量成正比,黏土矿物能提供大量的层间孔隙及晶间孔隙,黏土矿物含量越高,孔隙越发育。

图8 复兴地区侏罗系页岩惰质组的孔隙发育特征Fig.8 Development characteristics of pores in inertinite of Jurassic shale in Fuxing area

图9 复兴地区侏罗系页岩生物碎屑的孔隙发育特征Fig.9 Development characteristics of pores in suspected bioclastic of Jurassic shale in Fuxing area

5 结 论

(1)四川盆地复兴地区侏罗系陆相页岩均处于高成熟热裂解生湿气阶段(1.2%

(2)复兴地区侏罗系页岩干酪根类型主要为Ⅱ2型和Ⅲ型,显微组分以镜质体为主,其次为惰性组和固体沥青。研究区主要发育4种类型的有机质孔,以固体沥青孔为主。镜质体和惰质组分内部均质致密,极少发育孔隙,部分保存原始高等植物木质纤维结构组分中的细胞腔体被固体沥青、黏土矿物或者黄铁矿充填,形成少量有机质孔隙。生物碎屑有机质含有大量磷灰石微晶,有机质表面发育微孔。

(3)热演化程度对复兴地区侏罗系页岩有机质孔隙发育影响并不明显,有机显微组分类型及含量是控制该有机质孔隙发育的关键。海相页岩TOC含量与孔隙度呈正相关,有机质孔隙是孔隙的主要构成,而陆相页岩不同于海相页岩,其孔隙度与黏土含量成正相关,黏土矿物能提供大量的层间孔隙以及晶间孔隙,黏土矿物含量越高,孔隙越发育。