彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組成烴生物特征及意義

楊振恒 ，翟常博，鄧 模 ，鮑云杰，張培先，張慶珍，謝小敏

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫214126；2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214126；3.中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210011）

頁巖氣是指主要以吸附態(tài)、游離態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖層中的天然氣，是“自生自儲”的天然氣資源[1-3]。我國在四川盆地及其周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組、頁巖氣勘探開發(fā)中取得突破，發(fā)現(xiàn)了焦石壩等頁巖氣田[4-5]。隨著研究和勘探的深入，四川盆地外圍的常壓頁巖氣也取得了較大進(jìn)展，引起大家的關(guān)注[6-8]。常壓地層壓力系數(shù)為0.9～1.3，產(chǎn)層為正常壓力系統(tǒng)的頁巖氣藏，以彭水地區(qū)及鄰區(qū)為代表。目前，彭水及鄰區(qū)頁巖氣研究主要集中在五峰—龍馬溪組黑色頁巖形成的沉積相、地化特征、礦物儲層以及富集高產(chǎn)規(guī)律等方面[6-10]。針對彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組成烴生物特征等方面還缺乏深入系統(tǒng)的研究。

有研究表明，成烴生物直接決定生烴潛力，而成烴生物也是儲層發(fā)育的控制因素之一[11-12]。對于彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖來說，由于缺乏陸生高等植物，分散有機(jī)質(zhì)常以水生低等藻類生物及其腐泥化產(chǎn)物為主，并且經(jīng)歷了較強(qiáng)的后期熱演化改造過程，導(dǎo)致其原始結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，高過成熟作用也使得顯微組分的光性特征趨于一致，因此，對于其顯微組分研究受到較大程度的限制。該區(qū)主要通過有機(jī)顯微組分和掃描電鏡觀察，對彭水及鄰區(qū)典型取心井（PY1井等）上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖成烴生物進(jìn)行系統(tǒng)的鏡下觀察、分類和研究，進(jìn)一步探討不同層段的成烴生物組合特征，并探討成烴生物對生烴和儲層發(fā)育的控制作用，以期為該地區(qū)頁巖氣的勘探和開發(fā)提供基礎(chǔ)性理論支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

彭水區(qū)塊處于川東南—湘鄂西“槽—檔”過渡區(qū)，構(gòu)造形態(tài)以NE向復(fù)向斜和復(fù)背斜相間分布為主[8，10]。該區(qū)域主要發(fā)育了道真向斜、武隆向斜、桑柘坪向斜（圖1）。區(qū)內(nèi)地層層系發(fā)育較全，基底為前震旦系板溪群淺變質(zhì)巖，上覆蓋層除局部缺失泥盆系、全區(qū)缺失石炭系、白堊系、第三系外，從震旦系至侏羅系其他沉積地層總厚度近萬米。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of research area

其中，上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖是目前研究的主要層段。以區(qū)內(nèi)典型井PY1井為例，志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1l）上部為灰色泥巖夾粉砂質(zhì)泥巖，中下部為深灰色泥巖及灰黑色頁巖，底部為灰黑色含碳質(zhì)頁巖；奧陶系上統(tǒng)為五峰組（O3w）黑色碳質(zhì)頁巖。PY1井下志留統(tǒng)龍馬溪組中下段—上奧陶統(tǒng)五峰組TOC值大于2.0%的層段累計(jì)厚度為26 m，是頁巖氣勘探和開發(fā)的主要層段，Ro主要介于2.45%～3.00%，平均為2.70%，已處于過成熟階段（圖2）。

圖2 PY1井五峰—龍馬溪組有機(jī)地球化學(xué)特征Fig.2 Organic geochemistry characteristics of well-PY1 in Wufeng-Longmaxi formation

2 樣品、實(shí)驗(yàn)方法及分類

2.1 樣品及實(shí)驗(yàn)方法

該次研究主要是通過全巖光片有機(jī)顯微組分和掃描電鏡觀察，樣品主要來自彭水及鄰區(qū)典型取心井（PY1井和LY1井等）上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖。光薄片有機(jī)巖石學(xué)測試根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6414—1999《全巖光片顯微組分測定方法》，采用徠卡公司DM4500P高級偏光顯微鏡進(jìn)行測試；掃面電鏡成烴生物識別根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5162—2014《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》，采用FEI公司QUANTA 200環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行研究，上述實(shí)驗(yàn)主體在中國石化無錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)中心完成。

2.2 有機(jī)顯微組分分類

根據(jù)全巖光片有機(jī)顯微組分和掃描電鏡觀察，結(jié)合川東南五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖熱演化程度高的特征，并參考前人的研究成果，將有機(jī)顯微組分劃分為有形態(tài)有機(jī)質(zhì)和無形態(tài)有機(jī)質(zhì)[13]。其中有形態(tài)有機(jī)質(zhì)劃分為藻類體（結(jié)構(gòu)藻、層狀藻、底棲藻）、細(xì)菌（硅質(zhì)細(xì)菌和鈣質(zhì)細(xì)菌等）和動物碎屑（筆石、幾丁石、有孔蟲、放射蟲和海綿骨針等）3類組分；無形態(tài)有機(jī)質(zhì)主要指生烴過程中產(chǎn)生的次生組分，包括無定形體、微粒體及瀝青等組分（表1）。該次成烴生物主要研究有形態(tài)組分中的顯微組分，有形態(tài)組分主要為那些經(jīng)過凝膠化作用或者其他熱演化作用之后還保留了生物的一些結(jié)構(gòu)或者形態(tài)痕跡的顯微組分。

3 結(jié)果討論

3.1 成烴生物識別

3.1.1 藻類體

藻類體是彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組黑色頁巖系中最主要也是最常見的一種類型。根據(jù)綜合形態(tài)和來源，將藻類體進(jìn)一步劃分為結(jié)構(gòu)藻類體、層狀藻類體和宏觀底棲藻類體3類。結(jié)構(gòu)藻類體的母源主要為浮游藻類和疑源類，層狀藻類體的母源主要為浮游藻類，宏觀底棲藻類體的母源主要為底棲藻類（圖3）。浮游藻和疑源類化石形態(tài)多樣，有呈瘤面橢球狀、光面球狀等眾多形態(tài)，在反射光下能見到部分內(nèi)部平滑均一，邊緣平整或者呈現(xiàn)鋸齒狀；偏光顯微鏡下，底棲宏觀藻保存極差，多為碎片形態(tài)。

圖3 藻類體Fig.3 Alginite

表1 川東南五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖有機(jī)顯微組分分類（據(jù)參考文獻(xiàn)[13]修改）Table1 Classification of organic maceral of high quality shale of Wufeng-Longmaxi formation in southeast Sichuan（modified by reference[13]）

3.1.2 動物碎屑

動物碎屑有機(jī)質(zhì)主要由海洋浮游動物原地沉積轉(zhuǎn)化而來。彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組黑色頁巖中存在大量筆石、有孔蟲、幾丁蟲及放射蟲等化石。筆石化石呈長條狀，內(nèi)部可見生烴后的微孔；有孔蟲呈圓形或者橢圓形，具迷宮狀構(gòu)造；幾丁蟲呈長頸瓶狀、壺狀或圓筒狀等；放射蟲具球形、梨形或圓盤形，呈放射狀。這些動物化石有些只含有碳質(zhì)物質(zhì)，有些則同時含有碳質(zhì)和硅質(zhì)（或鈣質(zhì)）礦物（圖4）。

圖4 動物碎屑Fig.4 Animal debris

3.1.3 細(xì)菌

通過掃描電鏡精細(xì)觀測，在彭水及其鄰區(qū)五峰—龍馬溪組黑色巖系中，于其底部硅質(zhì)頁巖中發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌狀化石，直徑100～800 nm，形態(tài)不一，具有細(xì)菌的大小和形狀，有機(jī)碳含量豐富，大部分細(xì)菌含硅，部分含灰質(zhì)，認(rèn)為可能是原生的、具有細(xì)菌生物結(jié)構(gòu)的微生物小球體。這類細(xì)菌狀化石可以賦存于石英顆粒表面、石英顆粒間，甚至嵌入石英顆粒中（圖5）。

圖5 細(xì)菌化石Fig.5 Bacterielles fossil

3.2 成烴生物組合特征

3.2.1 不同層段頁巖成烴生物組合特征

烴源巖中成烴生物的組成特征是劃分烴源巖有機(jī)相，進(jìn)而準(zhǔn)確評價(jià)烴源巖品質(zhì)的重要研究內(nèi)容。以PY1井為例，該井五峰—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖層成烴生物類型有浮游藻類、細(xì)菌、筆石、幾丁蟲、有孔蟲等，彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖具有多重母質(zhì)分布的特征，說明成烴生物所指示的干酪根類型為混合型。根據(jù)現(xiàn)代藻類熱壓模擬實(shí)驗(yàn)和含單一成烴生物的實(shí)際油頁巖樣品熱解實(shí)驗(yàn)研究表明，浮游藻類相當(dāng)于Ⅰ型干酪根生烴潛力，底棲藻類相當(dāng)于Ⅱ型干酪根生烴潛力，其他成烴生物的生烴潛力還需要深入研究[11-12]。

通過對PY1井和LY1井頁巖TOC與成烴生物的對比研究，認(rèn)為區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖層有機(jī)質(zhì)豐度呈兩段式分布，下段TOC≥2.0%層段成烴生物主要由浮游藻類、筆石、疑源類和細(xì)菌類等組成，上段TOC≤2.0%層段則主要以筆石和底棲藻類為主，少見其他成烴生物。下段與上段相比，成烴生物更具多樣性，并且具有較高的豐度和分異度。

3.2.2 區(qū)域成烴生物對比

焦石壩地區(qū)五峰—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖（TOC≥2.0%）成烴生物主要由浮游藻類、筆石、疑源類和細(xì)菌類等組成，TOC與筆石多樣性、豐度具有良好的正相關(guān)關(guān)系[14]。另外，五峰—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖中還可以見到放射蟲和海綿骨針等化石[15]。在該次研究中，彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖（TOC≥2.0%）段主要識別出來的成烴物質(zhì)類型為浮游藻、疑源類、細(xì)菌和筆石等。另外在PY1井五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖中見到了有孔蟲等化石。彭水—南川與焦石壩五峰—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖段主體成烴生物組合沒有明顯差別[13]，在焦石壩地區(qū)發(fā)現(xiàn)海綿骨針等化石，在彭水及鄰區(qū)發(fā)現(xiàn)了有孔蟲等，這種差別推測可能是沉積微相差別引起。

3.3 成烴生物生烴特征

研究區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖層主要發(fā)育在五峰組和龍馬溪組底部。頁巖氣的商業(yè)性富集主要取決于TOC≥2.0%層段的規(guī)模。黑色頁巖層下部TOC≥2.0%成烴生物主要由筆石、浮游藻類、疑源類和細(xì)菌類等組成。筆石等成烴生物多樣性、豐度與TOC和含氣性具有良好的正相關(guān)關(guān)系。在五峰—龍馬溪組黑色頁巖中，通過掃描電鏡觀測到筆石局部發(fā)育納米級孔隙，這些生烴后留下的孔隙也是生烴貢獻(xiàn)的直接證據(jù)（圖6）。天然頁巖中分離出來的筆石（等效鏡質(zhì)體反射率為1.10%）熱解參數(shù)顯示有機(jī)碳含量很高，說明筆石對頁巖總有機(jī)碳含量具有直接的貢獻(xiàn)作用[13]。

圖6 PY1井筆石生烴孔及LY1井有機(jī)質(zhì)微孔Fig.6 Hydrocarbon-forming pore of graptolite of well-PY1 and micropores of organic matter of well-LY1

另外，該地區(qū)五峰—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖層成烴生物類型多樣，成烴生物具有多重母質(zhì)分布的特征。根據(jù)前人研究[11-12]，成烴生物為浮游藻類的有機(jī)質(zhì)生烴潛力更大，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型；成烴生物為底棲藻類的有機(jī)質(zhì)生烴潛力相對較小，有機(jī)質(zhì)為Ⅱ型；動物形成的有機(jī)質(zhì)為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。該地區(qū)成烴生物所指示的干酪根類型為混合型，因此，需結(jié)合多方面的數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確判斷其生烴潛力和品質(zhì)。

3.4 成烴生物對儲層的控制作用

成烴生物不僅是油氣來源，而且它經(jīng)過復(fù)雜熱演化作用后，是儲集空間發(fā)育的主要載體。國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐已證實(shí)，有機(jī)質(zhì)孔隙是頁巖氣儲集的重要場所，主要表現(xiàn)在有機(jī)孔量與TOC、含氣性之間良好的正相關(guān)性[9，13，15]。有機(jī)質(zhì)孔隙主要發(fā)育2種類型：一是原始有機(jī)孔，如筆石內(nèi)部孔隙，藻類細(xì)胞間的孔隙等；二是次生有機(jī)孔，如固體瀝青裂解生氣的孔隙。在高過成熟階段，有機(jī)孔主要發(fā)育在殘留的固體瀝青中。在不同有機(jī)質(zhì)表面所發(fā)育的有機(jī)孔大小不等，形態(tài)各異，分布位置和密度也不同，還可以看到筆石生烴后留下的孔隙（圖6）。

另外，LY1井發(fā)現(xiàn)富硅富有機(jī)質(zhì)層段含有硅質(zhì)生物，即放射蟲的碎屑和殘?bào)w。多項(xiàng)研究表明，川東南五峰—龍馬溪組富硅富有機(jī)質(zhì)層段硅質(zhì)主要成因之一為生物質(zhì)成因[16-19]。大量生物硅的存在使該段具有相對較高的脆性，為工程壓裂高產(chǎn)提供有利條件。

4 結(jié)論

1）彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖主要成烴生物類型有藻類體（浮游藻、疑源類、底棲藻等），動物碎屑（筆石、幾丁蟲和有孔蟲）和細(xì)菌等，具有多重母質(zhì)分布的特征。在縱向上，下段（TOC≥2.0%，富含浮游藻、疑源類、筆石和細(xì)菌等化石）與上段（TOC≤2.0%，含底棲藻和筆石等）相比，成烴生物更具多樣性，并且具有較高的豐度和分異度。

2）成烴生物是油氣的主要來源，其多樣性、豐度與TOC和含氣性具有良好的正相關(guān)關(guān)系，鏡下能直接觀察到成烴生物生烴后留下微孔的證據(jù)。富有機(jī)質(zhì)層段發(fā)育大量有機(jī)孔，這說明成烴生物經(jīng)過復(fù)雜熱演化作用后，是儲集空間發(fā)育的主要載體。另外，生物硅的發(fā)育提升了頁巖段的脆性，為工程壓裂后高產(chǎn)提供了可能。

3）彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖（TOC≥2.0%）下段成烴生物主要以筆石、疑源類、浮游藻類及細(xì)菌為主，具有較高的豐度和分異度，在生烴演化過程中生氣量充足，并生成大量有機(jī)孔，源儲耦合較好，是最佳的“甜點(diǎn)”層段。

4）彭水及鄰區(qū)五峰—龍馬溪組成烴生物特征是基礎(chǔ)性、探索性的研究方向。掃描電鏡下觀察高過成熟頁巖成烴生物化石困難很大，建議持續(xù)跟蹤研究，多積累經(jīng)驗(yàn)和資料，以期這一研究方向在勘探開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。