瑪湖凹陷瑪頁(yè)1井風(fēng)城組富硅頁(yè)巖成因及其油氣意義

雷海艷，齊婧，周妮，陳俊，孟穎，張錫新，陳銳兵

（1.新疆頁(yè)巖油勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油 新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

硅質(zhì)頁(yè)巖是海相頁(yè)巖油氣的優(yōu)質(zhì)巖相類型之一[1]，其硅質(zhì)以生物和熱液成因?yàn)橹鱗2-3]。硅質(zhì)的來(lái)源、富集及成巖作用對(duì)海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理和儲(chǔ)集層性質(zhì)評(píng)價(jià)具有重要的指示意義[4-6]。陸相頁(yè)巖中的硅質(zhì)一般以陸源碎屑為主，自生成因的硅質(zhì)較少。近年來(lái)，在準(zhǔn)噶爾盆地二疊系風(fēng)城組[7-9]、三塘湖盆地二疊系蘆草溝組[10]、鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組和松遼盆地白堊系青山組[11]頁(yè)巖中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)燧石和自生硅質(zhì)，陸相頁(yè)巖中的自生硅質(zhì)逐漸引起關(guān)注。2019 年，在準(zhǔn)噶爾盆地瑪北斜坡區(qū)部署的瑪頁(yè)1 井，開辟了準(zhǔn)噶爾盆地堿湖頁(yè)巖油勘探的全新領(lǐng)域，形成了該盆地繼吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)咸化湖盆十億噸級(jí)頁(yè)巖油發(fā)現(xiàn)后，又一個(gè)頁(yè)巖油大規(guī)模儲(chǔ)量區(qū)[12-13]?，旐?yè)1井風(fēng)城組的硅質(zhì)含量普遍為25%～60%，屬于富硅頁(yè)巖，比中國(guó)陸相泥頁(yè)巖的硅質(zhì)含量高，且其中發(fā)現(xiàn)大量硅質(zhì)條帶和團(tuán)塊，說(shuō)明風(fēng)城組泥頁(yè)巖中大部分硅質(zhì)為自生硅質(zhì)。

原始沉積環(huán)境中硅質(zhì)的沉降對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存極為有利，且在化石中常發(fā)現(xiàn)完整的微生物化石，對(duì)風(fēng)城組頁(yè)巖自生硅質(zhì)的研究有利于揭示風(fēng)城組生烴母質(zhì)類型。眾多學(xué)者對(duì)瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組烴源巖發(fā)育特征及生烴特征展開了分析，認(rèn)為風(fēng)城組堿湖烴源巖主要為富有機(jī)質(zhì)泥巖和藻白云巖，生烴母質(zhì)以菌類和藻類為主，生烴特征體現(xiàn)在轉(zhuǎn)化率高、連續(xù)生烴、多期高峰、生油窗長(zhǎng)，不同于傳統(tǒng)的湖相烴源巖[14-16]。風(fēng)城組原油生物標(biāo)志化合物特征指示生烴母質(zhì)主要是杜氏藻[17]，但是僅在干酪根中見(jiàn)杜氏藻殘片，并未找到杜氏藻大量發(fā)育的直接證據(jù)。對(duì)硅質(zhì)頁(yè)巖中生物類型的研究，有望揭示風(fēng)城組主力生烴母質(zhì)類型。

陸相地層中的自生硅質(zhì)具有多種成因，根據(jù)形成時(shí)間和成巖環(huán)境可分為準(zhǔn)同生成因、次生交代成因和表生成因[18]，根據(jù)物質(zhì)來(lái)源可分為生物成因、熱液成因和陸源碎屑成因。風(fēng)城組堿湖頁(yè)巖中的硅質(zhì)，主要有蒸發(fā)[7]、生物[8]和次生交代成因[9]。以往研究陸相自生硅質(zhì)的樣品零星分散，較難分析硅質(zhì)含量對(duì)油氣生成和儲(chǔ)集性能的影響。利用瑪頁(yè)1 井風(fēng)城組全井段近450 m巖心，通過(guò)巖心描述、巖石薄片鑒定、古生物分析、掃描電鏡觀測(cè)、X射線衍射全巖礦物分析、地球化學(xué)分析等手段，對(duì)瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組頁(yè)巖巖石組合特征進(jìn)行了剖析。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部（圖1），是盆地最重要的生烴凹陷之一，發(fā)育下二疊統(tǒng)風(fēng)城組堿湖沉積?，敱毙逼聟^(qū)位于瑪湖凹陷東北部，處于瑪湖凹陷生烴中心和東北斜坡區(qū)，位于百口泉沖積扇和夏子街沖積扇的扇間湖泊地帶?，敽枷荻B系自下而上發(fā)育佳木河組、風(fēng)城組、夏子街組、下烏爾禾組和上烏爾禾組。早二疊世，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣處于伸展?fàn)顟B(tài)，沉積受控于正斷層，發(fā)育半地塹結(jié)構(gòu)[19]。

圖1 瑪湖凹陷構(gòu)造位置Fig.1.Structural location of Mahu sag

瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組發(fā)育一套咸化湖盆（半封閉環(huán)境）含鹽頁(yè)巖、白云質(zhì)巖與碎屑巖過(guò)渡的混合沉積[20-22]。沉積環(huán)境偏堿性，堿性礦物發(fā)育，其成因主要是深部熱液涌入[23-26]。盆地西北緣烏夏斷裂帶下盤掩伏帶具較好的成藏條件，是油氣聚集的有利場(chǎng)所[27-28]?，敱毙逼聟^(qū)風(fēng)城組不僅是盆地的主力烴源層，也是瑪湖凹陷頁(yè)巖油勘探的主要層位[12-13]?，旐?yè)1 井位于原堿湖邊緣區(qū)，風(fēng)城組連續(xù)取心包含了風(fēng)一段、風(fēng)二段和風(fēng)三段下部，其中，風(fēng)一段上部、風(fēng)二段和風(fēng)三段發(fā)育泥頁(yè)巖，以塊狀和紋層狀為主。

2 富硅頁(yè)巖分布特征

瑪頁(yè)1 井風(fēng)城組頁(yè)巖礦物以長(zhǎng)石、石英和碳酸鹽為主（圖2a），且以長(zhǎng)石和石英占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。其中，石英含量主要為10%～60%，長(zhǎng)石含量主要為0～50%（圖2b），以斜長(zhǎng)石為主。一般湖相泥頁(yè)巖中，石英和長(zhǎng)石代表碎屑礦物組分，受碎屑物質(zhì)供應(yīng)強(qiáng)度的影響，變化趨勢(shì)較為一致，且含量大體相當(dāng)。如柴達(dá)木盆地下干柴溝組上段泥頁(yè)巖中石英、斜長(zhǎng)石和黏土礦物縱向上協(xié)同變化，與碳酸鹽礦物含量呈反比，90%以上樣品石英與斜長(zhǎng)石含量之比為0.5～2.0[29]?，旐?yè)1井風(fēng)城組泥頁(yè)巖石英與長(zhǎng)石含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2b），70%以上樣品的石英含量大于長(zhǎng)石含量，且42%樣品的石英與斜長(zhǎng)石含量之比超過(guò)2.0，甚至有個(gè)別樣品大于10.0，說(shuō)明瑪頁(yè)1井除了發(fā)育碎屑石英外，還發(fā)育自生石英，且其含量與長(zhǎng)石含量呈反比。

圖2 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組頁(yè)巖礦物組成特征Fig.2.Mineral compositions of Fengcheng formation shale in Well Maye-1

將X 射線衍射全巖礦物分析結(jié)果（圖3a）與巖石薄片鑒定結(jié)果相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石英與長(zhǎng)石含量之比大于2.0時(shí)，石英含量一般大于30%，長(zhǎng)石含量低于20%，樣品中發(fā)育有豐富的硅質(zhì)團(tuán)塊、紋層或條帶，指示樣品富集自生硅質(zhì)，可劃分為富硅頁(yè)巖（圖3b、圖3c）。當(dāng)樣品的石英與長(zhǎng)石含量之比為0.5～2.0，且含量均為20%～40%時(shí)，樣品中發(fā)育較少硅質(zhì)團(tuán)塊、紋層或條帶，石英以碎屑石英為主，與長(zhǎng)石大小相當(dāng)，巖性主要為粉砂巖或細(xì)砂巖（圖3d、圖3e）。當(dāng)石英與長(zhǎng)石含量之比小于0.5時(shí)，一般為火山碎屑巖（圖3f）。

圖3 瑪頁(yè)1井石英和長(zhǎng)石含量與巖性對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3.Correspondence between quartz/feldspar content and lithology in Well Maye-1

通過(guò)厘米級(jí)巖心描述發(fā)現(xiàn)，瑪頁(yè)1 井風(fēng)城組頁(yè)巖段巖心共280 m，其中，富硅頁(yè)巖94 m。選取的239塊巖石薄片樣品中，硅質(zhì)含量較高的有77 塊，瑪頁(yè)1 井風(fēng)城組富硅頁(yè)巖約占泥頁(yè)巖的1/3?？v向上，富硅頁(yè)巖主要分布在風(fēng)三段、風(fēng)二段中—下部和風(fēng)一段上部。其中，風(fēng)三段采樣密集，鑒定結(jié)果顯示富硅頁(yè)巖與粉砂巖互層，富硅頁(yè)巖段整體厚度不大。

3 富硅頁(yè)巖成因

選取25 塊自生硅質(zhì)較為富集的樣品做主微量元素分析。SiO2含量為58.35%～91.90%，平均為74.56%，Al2O3、TiO2、CaO 和MgO 的平均含量分別為3.00%、0.15%、5.09%和3.47%（表1）。通過(guò)Si過(guò)量=Si樣品-[（Si/Al）背景×Al樣品]以及（Si/Al）背景采用頁(yè)巖平均比值3.11[30]，計(jì)算得出SiO2過(guò)量含量亦較高，分布在45.72%～88.57%，平均含量為65.23%，說(shuō)明上述樣品以自生硅質(zhì)占主導(dǎo)。CaO 和MgO 含量高的主要原因是巖石中白云石和方解石發(fā)育。Al2O3含量與TiO2含量呈正相關(guān)，SiO2/Al2O3與Al2O3含量呈負(fù)相關(guān)（圖4），說(shuō)明研究區(qū)風(fēng)城組具有持續(xù)的陸源碎屑物質(zhì)輸入，與前人研究結(jié)論一致[31]。

圖4 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組主量元素氧化物關(guān)系Fig.4.Correlation of main elements in Fengcheng formation of Well Maye-1

純海洋生物成因的硅質(zhì)巖Si/（Si+Al+Fe）一般大于0.90，且Al/（Al+Fe+Mn）較高，受熱液影響時(shí)一般小于0.30[32-33]。研究區(qū)風(fēng)城組硅質(zhì)頁(yè)巖的Si/（Si+Al+Fe）為0.90～0.98，平均為0.94，Al/（Al+Fe+Mn）為0.54～0.70，平均為0.61（表1），指示研究區(qū)硅質(zhì)頁(yè)巖受生物作用影響顯著。目前廣泛使用Al-Fe-Mn三角圖來(lái)判別硅質(zhì)頁(yè)巖的成因，研究區(qū)僅1個(gè)數(shù)據(jù)未落到富Al段（圖5），表明研究區(qū)硅質(zhì)頁(yè)巖均為生物成因，個(gè)別有熱液作用影響。同時(shí)，微量元素Mo 為生物活動(dòng)性元素，在一定程度上反映了地質(zhì)時(shí)期生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的能力[7]。研究區(qū)Mo元素富集，說(shuō)明該區(qū)風(fēng)城組中硅質(zhì)頁(yè)巖成因可能與生物活動(dòng)相關(guān)。

圖5 瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組硅質(zhì)頁(yè)巖成因判別圖版（圖版引自文獻(xiàn)［30］）Fig.5.Genetic discrimination chart for the silica-rich shale in Fengcheng formation in Mabei slope(modified from Reference[30])

表1 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組主微量元素氧化物含量及相關(guān)參數(shù)Table 1 .Contents and related parameters of major trace elements in Fengcheng formation of Well Maye-1

綜合研究發(fā)現(xiàn)，瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組硅質(zhì)頁(yè)巖物質(zhì)來(lái)源主要為持續(xù)輸入的陸源沉積物，后期受生物作用的影響。在風(fēng)城組典型的堿性沉積環(huán)境下，湖盆中石英顆粒不穩(wěn)定性增強(qiáng)，多被溶解成膠狀。在生物生烴降解之后，隨著有機(jī)酸的排出，湖盆中水體的pH值降低，被溶解的SiO2重新結(jié)晶，導(dǎo)致風(fēng)城組頁(yè)巖段巖石中沒(méi)有石英碎屑發(fā)育，SiO2均以硅質(zhì)條帶的形態(tài)產(chǎn)出，從而形成現(xiàn)今的富硅頁(yè)巖。

4 富硅頁(yè)巖的油氣意義

4.1 富硅頁(yè)巖生烴母質(zhì)

瑪頁(yè)1 井風(fēng)城組富硅頁(yè)巖中發(fā)育大量藻類生物化石（圖6a—圖6d），該類化石在夏40 井風(fēng)城組巖石中也有發(fā)育（圖6e）。

前人研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)城組的生物化石主要為花粉、褶皺藻和底棲紅藻，這些生物生烴潛力低，并不能支撐風(fēng)城組的原油儲(chǔ)量。本次研究在富硅頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)了大量的球形藻類，掃描電鏡下觀察該藻類已完全硅化（圖6f）。在常規(guī)古生物分離中會(huì)使用氫氟酸，該酸會(huì)溶解掉SiO2，因此該藻類在之前的研究中并沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。球形藻類在顯微鏡下觀察，與現(xiàn)代鹽藻休眠孢子結(jié)構(gòu)一致，發(fā)育粗糙的細(xì)胞壁，具刺突和收縮的原生質(zhì)團(tuán)（圖6g）。古鹽藻營(yíng)養(yǎng)體不具有細(xì)胞壁，很難保存，但休眠孢子具有雙層加厚的細(xì)胞壁，最終保存為化石。巖石薄片和熒光薄片顯示，休眠孢子內(nèi)部和周圍充填瀝青質(zhì)，熒光明顯，說(shuō)明該休眠孢子具有較強(qiáng)的生烴能力（圖6h、圖6i）。

圖6 瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組古鹽藻休眠孢子微觀特征Fig.6.Microscopic characteristics of dormant spores of paleosalina from Fengcheng formation in Mabei slope

在高鹽環(huán)境下培育鹽藻，分離出β-胡蘿卜素，其在有足夠氫原子的情況下可轉(zhuǎn)化為β-胡蘿卜烷。對(duì)比富硅頁(yè)巖和貧硅頁(yè)巖溶解有機(jī)質(zhì)正構(gòu)烷烴組成發(fā)現(xiàn)，富硅頁(yè)巖具有較高的β-胡蘿卜烷含量（圖7a），而貧硅頁(yè)巖中亦具有明顯的β-胡蘿卜烷峰（圖7b），但富集程度比富硅頁(yè)巖低?？v向上，瑪頁(yè)1井風(fēng)城組β-胡蘿卜烷較為富集的層段，與富硅頁(yè)巖層段對(duì)應(yīng)性較好，且在巖石薄片中發(fā)現(xiàn)有球形藻類的樣品，主要對(duì)應(yīng)于富硅頁(yè)巖段（圖8）。由此進(jìn)一步說(shuō)明，自生硅質(zhì)的形成有利于球形藻類的保存，該藻類是頁(yè)巖中生烴有機(jī)質(zhì)的主要母質(zhì)。

圖7 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組富硅頁(yè)巖和貧硅頁(yè)巖溶解有機(jī)質(zhì)的飽和烴氣相色譜對(duì)比Fig.7.Comparison of saturated hydrocarbon gas chromatography of dissolved organic matter in silica-rich shale and silicon-lean shale of Fengcheng formation in Well Maye-1

圖8 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組β-胡蘿卜烷發(fā)育特征Fig.8.Developmental characteristics of β-carotane of Fengcheng formation in Well Maye-1

4.2 富硅頁(yè)巖儲(chǔ)集性能

風(fēng)城組富硅頁(yè)巖的硅質(zhì)多呈隱晶結(jié)構(gòu)，在常規(guī)的鑄體薄片里幾乎沒(méi)有可視孔隙。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析技術(shù)，通過(guò)對(duì)硅質(zhì)頁(yè)巖中孔隙的提取和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)頁(yè)巖中納米級(jí)—微米級(jí)孔隙非常發(fā)育，孔隙直徑為1～5 μm（圖9a、圖9b）。掃描電鏡下硅質(zhì)溶孔和晶間孔中見(jiàn)充填狀和薄膜狀原油（圖9c、圖9d），且瑪頁(yè)1井約30%的原油產(chǎn)自風(fēng)城組的富硅頁(yè)巖段，富硅頁(yè)巖是瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組頁(yè)巖段非常重要的儲(chǔ)集層。

圖9 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組富硅頁(yè)巖中的孔隙Fig.9.Pores in the silica-rich shale of Fengcheng formation in Well Maye-1

瑪頁(yè)1井風(fēng)城組頁(yè)巖長(zhǎng)石和石英含量與滲透率相關(guān)性較高，相對(duì)高滲透段對(duì)應(yīng)于富硅頁(yè)巖段（圖10）。富硅頁(yè)巖發(fā)育段孔隙度為0.10%～6.10%，滲透率為0.005～0.123 mD。硅質(zhì)頁(yè)巖晶間孔是瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組致密儲(chǔ)集層中非常重要的孔隙類型，對(duì)改善風(fēng)城組儲(chǔ)集層物性起到了至關(guān)重要的作用。同時(shí)，瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組脆性指數(shù)較高，風(fēng)城組平均脆性指數(shù)為248，與富硅頁(yè)巖段較對(duì)應(yīng)，且有利于后期儲(chǔ)集層壓裂改造?，旐?yè)1 井風(fēng)城組裂縫非常發(fā)育，是頁(yè)巖油非常重要的儲(chǔ)集空間。主要原因是瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組在干、熱、咸的沉積環(huán)境下，白云石和硅質(zhì)非常發(fā)育，巖石脆性較好，易產(chǎn)生天然裂縫。裂縫主要分布于風(fēng)二段—風(fēng)三段，低角度裂縫數(shù)量遠(yuǎn)大于高角度裂縫；泥質(zhì)巖類裂縫發(fā)育，凝灰質(zhì)砂礫巖和熔結(jié)凝灰?guī)r裂縫不發(fā)育。

圖10 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組長(zhǎng)石、石英含量與物性、脆性和裂縫相關(guān)性圖版Fig.10.Correlation chart of feldspar/quartz content with physical properties,brittleness,and fractures of Fengcheng formation in Well Maye-1

4.3 富硅頁(yè)巖生儲(chǔ)特征

瑪湖凹陷風(fēng)城組沉積環(huán)境復(fù)雜，來(lái)自地球深部的熱液發(fā)育，火山噴發(fā)頻繁，同時(shí)整個(gè)湖泊呈現(xiàn)出堿性環(huán)境，使得風(fēng)城組巖石中石英碎屑多被溶蝕。由深部熱液和火山噴發(fā)帶來(lái)的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)了風(fēng)城組嗜堿藻類的勃發(fā)，為后期生烴打下了基礎(chǔ)。藻類在生物降解之后，促使整個(gè)環(huán)境pH 值降低。湖盆中溶解的硅質(zhì)膠體隨著環(huán)境中pH 值降低而重新結(jié)晶，形成硅質(zhì)頁(yè)巖。同時(shí)，藻類的捕獲作用也會(huì)促進(jìn)硅質(zhì)的沉淀，主要表現(xiàn)在藻類可通過(guò)光合作用分泌一種黏液物質(zhì)，捕獲和粘結(jié)水體中的SiO2膠體質(zhì)點(diǎn)，使之沉淀[34]。環(huán)境變化后，出于生物的自我保護(hù)和繁衍生息，古鹽藻形成了大量的休眠孢子，以待環(huán)境適宜的條件下重新生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，古鹽藻休眠孢子也是一種非常有效的生烴母質(zhì)。同時(shí)，硅質(zhì)頁(yè)巖中硅質(zhì)晶間孔是油氣的主要儲(chǔ)集空間，從而形成了硅質(zhì)頁(yè)巖的成儲(chǔ)效應(yīng)。

5 結(jié)論

（1）瑪頁(yè)1 井風(fēng)城組富硅頁(yè)巖發(fā)育，厚度約占總頁(yè)巖段的1/3，主要發(fā)育于風(fēng)三段、風(fēng)二段中—下部和風(fēng)一段上部。

（2）瑪頁(yè)1 井風(fēng)城組富硅頁(yè)巖的發(fā)育主要與風(fēng)城組為堿湖沉積有關(guān)?；鹕轿镔|(zhì)和陸源黏土礦物、石英等在高pH 值的堿湖中不穩(wěn)定，易溶解為SiO2膠體。后期受生物作用影響，pH值降低，SiO2重新結(jié)晶；同時(shí)藻類釋放的黏液物質(zhì)捕獲和粘結(jié)水體中的SiO2膠體質(zhì)點(diǎn)，使之沉淀，從而形成風(fēng)城組現(xiàn)今的富硅頁(yè)巖。

（2）硅質(zhì)頁(yè)巖中發(fā)育古鹽藻休眠孢子，反映了風(fēng)城組中古鹽藻曾大量發(fā)育。該休眠孢子發(fā)育處β-胡蘿卜烷含量明顯升高，而β-胡蘿卜烷富集是風(fēng)城組原油的典型特征，表明古鹽藻是瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組主要的生烴母質(zhì)。

（3）瑪北斜坡區(qū)風(fēng)城組原油具備典型的自生自儲(chǔ)特征。硅質(zhì)頁(yè)巖中硅質(zhì)晶間孔發(fā)育，硅質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)部古鹽藻持續(xù)生烴，油氣在硅質(zhì)晶間孔中原位儲(chǔ)集。