四川盆地東部上奧陶統(tǒng)頁(yè)巖硅質(zhì)成因研究

四川盆地東部上奧陶統(tǒng)頁(yè)巖硅質(zhì)成因研究

隨著四川盆地油氣勘探的深入，下志龍溪群油氣已成為中國(guó)油氣勘探的中心層系。現(xiàn)在有16口井，其中15口是天然氣開(kāi)采的。該套頁(yè)巖的深入研究對(duì)資源評(píng)價(jià)和勘探部署等方面具有重要意義,近年來(lái)諸多學(xué)者針對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖開(kāi)展了大量研究工作,頁(yè)巖的孔隙度、滲透率、有機(jī)碳含量、巖石物理性質(zhì)、沉積環(huán)境、巖性組合和埋藏歷史等與勘探生產(chǎn)的關(guān)系亟待解決,但研究工作須開(kāi)始于頁(yè)巖的基本特征及成因。頁(yè)巖中含有大量石英等硅質(zhì)成分,石英的來(lái)源包括細(xì)粒低變質(zhì)巖、風(fēng)化作用中粗顆粒的破碎、搬運(yùn)過(guò)程中的磨蝕、黏土成巖過(guò)程以及生物成因蛋白石的重結(jié)晶。頁(yè)巖中石英來(lái)源的判別主要根據(jù)沉積巖石學(xué)和石英硅、氧同位素資料。頁(yè)巖中石英主要為碎屑來(lái)源,例如盆地中粗顆粒石英通常表示從濱岸搬運(yùn)數(shù)百千米形成,主要為表面光滑的渾圓狀或不規(guī)則狀。黏土成巖作用中形成的自生石英主要是在蒙脫石層伊利石化過(guò)程中硅質(zhì)析離形成,頁(yè)巖中多數(shù)石英可能是成巖作用的產(chǎn)物,但由于自形石英晶體顆粒受到層狀硅酸鹽薄層的限制,因此晶面不發(fā)育,很少在掃描電子顯微鏡中觀察到自形晶,多呈凝塊體存在,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),主要存在硅質(zhì)巖中。硅質(zhì)生物來(lái)源主要為海綿骨針、放射蟲(chóng)、硅藻等,一般認(rèn)為生物成因蛋白石重結(jié)晶對(duì)頁(yè)巖中硅質(zhì)貢獻(xiàn)很小。國(guó)外學(xué)者針對(duì)海相生物成因硅進(jìn)行了大量研究,如通過(guò)生物成因硅建立成巖作用和硅質(zhì)溶解模式,盆地范圍的流體流動(dòng),重建頁(yè)巖層序的沉積歷史和早期成巖硅質(zhì)沉積,針對(duì)不同硅質(zhì)成因的頁(yè)巖進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)及儲(chǔ)層物理性質(zhì)研究,利用生物成因硅同位素?cái)?shù)據(jù)(δ18O和δ30Si)恢復(fù)古生物生產(chǎn)力和海洋表面溫度,等等。研究表明,中國(guó)南方多個(gè)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層位(如下上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組)部分層段硅質(zhì)為生物成因。目前,關(guān)于頁(yè)巖生物硅質(zhì)成因重要性以及生物成因硅在頁(yè)巖中所占比重的研究比較缺乏。生物硅質(zhì)成因的頁(yè)巖常富含有機(jī)質(zhì),研究表明TOC大于2%的頁(yè)巖具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)效益。有機(jī)碳含量與頁(yè)巖吸附氣量成正相關(guān)關(guān)系,因此生物硅質(zhì)成因頁(yè)巖段對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖底部富含硅質(zhì)成分,但硅質(zhì)來(lái)源及意義未做深入研究。本文通過(guò)野外露頭和顯微鏡觀察以及巖石學(xué)和地球化學(xué)分析,對(duì)五峰組和龍馬溪組底部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖硅質(zhì)的生物成因及其意義進(jìn)行探討。1晚奧陶世巖相古地理四川盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成現(xiàn)今四面環(huán)山的構(gòu)造格局,多個(gè)層系發(fā)現(xiàn)油氣聚集[18,19,20,21,22,23],包括石炭系黃龍組、上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組、下三疊統(tǒng)飛仙觀組和嘉陵江組、中三疊統(tǒng)雷口坡組和上三疊統(tǒng)須家河組等,頁(yè)巖氣藏主要發(fā)現(xiàn)于寒武系筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組。晚奧陶世五峰期,黑色頁(yè)巖分布穩(wěn)定,大范圍內(nèi)均可對(duì)比。早志留世龍馬溪期總體處于深水陸棚,龍馬溪組與下伏奧陶系整合接觸。受加里東運(yùn)動(dòng)的影響,志留紀(jì)末期發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造隆升,在中上揚(yáng)子地區(qū)形成大型古隆起。沉積厚度一般為100~600m,在沉積中心可達(dá)700m,盆地南部厚50~600m,黑色頁(yè)巖厚20~260m。長(zhǎng)寧雙河剖面位于四川盆地南部(圖1),由上奧陶統(tǒng)寶塔組、五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組組成,總厚度340m。巖性自下而上總體為泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾粉砂巖條帶(圖2)。對(duì)剖面樣品共進(jìn)行178件有機(jī)碳含量和16件主量元素分析。2石英顆粒生物成因分析研究表明,上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖底部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中部分硅質(zhì)為生物成因,占總硅質(zhì)的40%~60%。顯微鏡下觀察到細(xì)粒至粗粒的石英顆粒,說(shuō)明部分石英并非經(jīng)歷長(zhǎng)距離搬運(yùn)而是生物成因,是由生物體的成巖SiO2沉積形成。高過(guò)量硅含量已被用來(lái)推斷白堊系、三疊系和泥盆–密西西比系富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖/泥巖中硅質(zhì)的生物成因,如西加拿大盆地中泥盆系–密西西比系的地層具有50%~70%的過(guò)量硅,TOC高達(dá)4.8%,Ti/Al比值相對(duì)不變,并發(fā)現(xiàn)放射蟲(chóng)、Tasminites和海綿骨針等生物體,證明過(guò)量硅部分是生物成因。2.1顯微組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)通過(guò)長(zhǎng)寧雙河剖面150個(gè)頁(yè)巖薄片觀察,在五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)大量微體生物化石(圖3),主要為海綿骨針、放射蟲(chóng)、有孔蟲(chóng)等,指示頁(yè)巖中硅質(zhì)成分可能為生物成因。顯微鏡下,生物體多為25~1000μm,呈星點(diǎn)狀散布于頁(yè)巖中,含量一般為0.1%~5%。放射蟲(chóng)多呈球形、橢球形或紡錘形,球狀直徑為30~150μm,個(gè)別可達(dá)300μm,顯微鏡下有些樣品可看到同心圓和放射狀結(jié)構(gòu)。微化石體內(nèi)多被硅質(zhì)、鈣質(zhì)和黃鐵礦充填(圖3),或被熔蝕呈鑄?？锥?部分保存不好,輪廓模糊,保存完整的可見(jiàn)放射刺(圖3(e))。硅質(zhì)化石未完好保存可能是由海水SiO2不飽和或沉積物中孔隙水導(dǎo)致生物硅(蛋白石)的溶解所致。頁(yè)巖中部分硅質(zhì)為各種浮游生物殘骸經(jīng)成巖作用演化而來(lái)。硅質(zhì)生物從海水中直接分解和吸收SiO2后形成生物機(jī)體,死亡后SiO2再次進(jìn)入水溶液中或直接沉淀。該套海相頁(yè)巖硅質(zhì)的生物成因與一些學(xué)者的研究結(jié)果一致。美國(guó)Barnett頁(yè)巖,BesaRiver頁(yè)巖,Chattanooga,NewAlbany以及Woodford和Ohio頁(yè)巖也都發(fā)現(xiàn)放射蟲(chóng)。2.2氧化物組成成分對(duì)長(zhǎng)寧雙河剖面16個(gè)頁(yè)巖樣品進(jìn)行主量元素分析(表1),SiO2含量為43.34%~73.80%,Al2O3含量為3.5%~15.7%,CaO含量為0.51%~18.01%。海相頁(yè)巖是3個(gè)氧化物端元組分的混合:SiO2(碎屑石英和/或生物成因硅)、Al2O3(黏土)和CaO(碳酸鹽)。主量元素三元圖表明,該套頁(yè)巖下部相對(duì)于Al2O3更富集SiO2(圖4)。與美國(guó)主要頁(yè)巖類似。2.2.1sio2-a長(zhǎng)寧雙河剖面五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖局部硅質(zhì)含量明顯高,具有較高Si/Al比值。過(guò)量硅含量(excessSiO2)是指高于正常碎屑沉積環(huán)境下的SiO2含量,計(jì)算公式為(Si/Al)背景采用平均頁(yè)巖比值3.11。通過(guò)計(jì)算得出五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖高達(dá)63%的SiO2不在鋁硅酸鹽相中(表1),主要集中于剖面下部,過(guò)量硅含量為40%~62.7%。Si與Al交匯圖(圖5)表明,五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖與美國(guó)Barnett硅質(zhì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖類似,在伊利石Si/Al線上為過(guò)量硅部分,反映更多成分的生物成因硅。雖然在五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖中不能忽視硅質(zhì)的碎屑來(lái)源,但該套頁(yè)巖中約40%~60%的過(guò)量硅質(zhì)部分是生物來(lái)源。2.2.2生物成因與al2o3的相關(guān)性主量元素含量對(duì)于硅質(zhì)成分成因判別有重要意義。不同成因的硅質(zhì)成分具有不同巖石化學(xué)特征,生物成因頁(yè)巖具有高SiO2,P2O5和Fe2O3,低Al2O3,TiO2,FeO和MgO特征。Fe和Mn元素的富集主要與熱水有關(guān),而Al與陸源碎屑相關(guān)。長(zhǎng)寧雙河剖面下部Al2O3與TiO2具有較高的相關(guān)性(R=0.99)(圖6(a)),但含量相對(duì)偏低(分別不高于5.52%和0.28%),而且與SiO2含量沒(méi)有任何相關(guān)性(R=-0.34,-0.25)(圖6(b)和(c)),說(shuō)明陸源物質(zhì)對(duì)硅質(zhì)成分貢獻(xiàn)不大。Al/(Fe+Al+Mn)比值是判斷硅質(zhì)成因的重要指標(biāo),純熱水成因比值為0.01,純生物成因比值大于0.60。Si/(Si+Al+Fe)比值也是判斷硅質(zhì)成因的重要參數(shù),生物成因比值較高,一般大于0.9。長(zhǎng)寧剖面底部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖4個(gè)樣品的Al/(Fe+Al+Mn)比值為0.67~0.71,在Al–Fe–Mn圖解(圖7)上落于生物成因區(qū),Si/(Si+Al+Fe)比值為0.89~0.93,平均0.90,表明頁(yè)巖硅質(zhì)為生物成因。2.3上分層分布特征通過(guò)對(duì)178個(gè)頁(yè)巖樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量分析,得出五峰組有機(jī)碳含量為2%~7.55%,平均3.73%。龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)碳含量為0.23%~8.36%,平均1.16%,其中TOC>2%段集中在底部21m,TOC>1%總厚度為155.9m,底部136.7m連續(xù)分布,向上富有機(jī)質(zhì)段呈薄層,厚度為1~6m。整體看,該套頁(yè)巖地層有機(jī)質(zhì)含量從底部向頂部逐漸減少(圖2)。根據(jù)硅質(zhì)含量與TOC的關(guān)系(圖8)看出,在長(zhǎng)寧雙河剖面下段,有機(jī)碳含量總體較高,平均3.86%,有機(jī)碳含量隨著硅質(zhì)成分增加而增加,TOC>2%的頁(yè)巖中SiO2含量大于60%,有機(jī)碳含量與硅質(zhì)含量有較好的正相關(guān)關(guān)系,與美國(guó)FortWorth盆地的Barnett頁(yè)巖相似。剖面中部(距底44.5~153m),TOC介于0.94%~1.98%之間,硅質(zhì)成分與TOC的相關(guān)性不強(qiáng),在剖面上部(距底153~320m),TOC多小于1%,且與硅質(zhì)成分的相關(guān)性不強(qiáng)。一般而言,TOC會(huì)隨著硅質(zhì)含量增加而降低,但長(zhǎng)寧雙河剖面下部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的TOC與硅質(zhì)含量呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)性,說(shuō)明硅質(zhì)成因可能與生物有關(guān)。3巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層物性的影響硅質(zhì)生物成因?qū)τ陧?yè)巖古沉積條件重建以及成巖作用研究有重要指示意義。巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層非常重要,決定頁(yè)巖是否容易形成天然裂縫和水力壓裂的效果。頁(yè)巖硅質(zhì)含量越高,脆性越強(qiáng),越有利于產(chǎn)生裂縫和壓裂改造,是目前頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)的主要原因。3.1巖石學(xué)和硅質(zhì)生物海相頁(yè)巖中生物硅質(zhì)主要來(lái)源于硅藻、放射蟲(chóng)等硅質(zhì)生物,生物成因硅在古沉積環(huán)境研究中有指示意義。五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖中放射蟲(chóng)等生物體反映靜水和相對(duì)深水的陸棚沉積環(huán)境。由于硅質(zhì)生物(如放射蟲(chóng)等)生長(zhǎng)發(fā)育需要大量硅,因此頁(yè)巖中大量硅質(zhì)生物的存在指示沉積時(shí)的水體富含硅。同時(shí),這種環(huán)境對(duì)生物死亡后的埋藏和保存也起積極作用,且生物生產(chǎn)率高,有利于形成富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖,對(duì)頁(yè)巖氣有利層位選擇有重要意義。3.2裂縫發(fā)育程度頁(yè)巖天然裂縫的發(fā)育直接影響頁(yè)巖氣藏的開(kāi)采效益和產(chǎn)量,硅質(zhì)含量越高,頁(yè)巖脆性越大,越有利于裂縫形成。生物成因硅質(zhì)重結(jié)晶可以形成石英,增加頁(yè)巖脆性。通過(guò)巖石薄片和野外露頭觀察,長(zhǎng)寧雙河剖面頁(yè)巖裂縫發(fā)育程度與硅質(zhì)含量有正相關(guān)關(guān)系。在頁(yè)巖下部,脆性礦物含量高,裂縫發(fā)育,向上裂縫發(fā)育程度變差。露頭上裂縫類型主要為層間縫、垂直層理縫和斜交縫(圖9)。顯微鏡下可見(jiàn)頁(yè)巖下部微裂縫十分發(fā)育(表2)。微裂縫寬度為0.015~1mm,長(zhǎng)度為0.9~30mm,主要為平行紋層縫、斜交縫和垂直紋層縫,部分樣品顯示很好的網(wǎng)狀裂縫,互相連通(圖9)。3.3雙河剖面的巖石力學(xué)特性頁(yè)巖可壓裂性是頁(yè)巖氣井評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)之一,不同頁(yè)巖在水力壓裂過(guò)程中可形成不同的裂縫網(wǎng)絡(luò)。脆性是影響頁(yè)巖可壓裂性和誘導(dǎo)裂縫形態(tài)的重要因素,脆性越高,可壓裂性越好。富含硅質(zhì)的頁(yè)巖比富含黏土質(zhì)的頁(yè)巖在人工壓裂中產(chǎn)生更多的裂縫系統(tǒng)。楊氏模量反映頁(yè)巖被壓裂后保持裂縫的能力,泊松比反映頁(yè)巖在受到壓力時(shí)破裂的能力,因此這兩個(gè)力學(xué)參數(shù)可用于評(píng)價(jià)巖石對(duì)水力壓裂的反應(yīng)。具有高楊氏模量和低泊松比的地層脆性更大,而具有低楊氏模量和高泊松比的地層韌性更強(qiáng)。對(duì)長(zhǎng)寧雙河剖面五峰組和龍馬溪組3件頁(yè)巖樣品進(jìn)行單軸和三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明巖石抗壓強(qiáng)度為38.51~111.41MPa,三軸楊氏彈性模量為10.15~35.09GPa,泊松比為0.12~0.28;單軸楊氏彈性模量為12.49~35.72GPa,泊松比為0.14~0.18(表3),具有高彈性模量、低泊松比特征,與美國(guó)主要產(chǎn)氣頁(yè)巖具有可比性(表3),有利于人工壓裂。4硅質(zhì)生物成因1)四川盆地長(zhǎng)寧雙河剖面五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)大量放射蟲(chóng)、海綿骨針等微化石,粒徑為25~1000μm,多被硅質(zhì)、鈣質(zhì)和黃鐵礦充填,或被溶蝕呈鑄?？锥?說(shuō)明頁(yè)巖中硅質(zhì)可能為生物成因。2)五峰組和龍馬溪組頁(yè)巖富含SiO2,含量為43.34%~73.8%,具高SiO2,P2O5和Fe2O3,低Al2O3,TiO2,FeO和MgO特征。通過(guò)計(jì)算,得到剖面下部40%~62.7%的SiO2為過(guò)量硅,且Al2O3與TiO2含量具有高相關(guān)性,而與SiO2含量無(wú)相關(guān)性,說(shuō)明陸源碎屑貢獻(xiàn)較小。