2. 中石化石油工程技术研究院, 北京 100101
2. SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China
四川盆地涪陵焦石坝地区的页岩气田引起广泛关注[1-9]。页岩气藏表现为“原地”成藏模式, 具有自生、自储的特点[10-13]。与北美地区的页岩相比, 焦石坝五峰组—龙马溪组页岩储层具有明显的差异性, 其中硅质含量高是其最显著特征之一[3-4]。研究[14]表明, 我国南方多个优质页岩层(如上二叠统龙潭组和下寒武统牛蹄塘组)具有较高的生物成因硅质含量。王淑芳等[15]研究了四川盆地南部长宁—双河剖面五峰组—龙马溪组页岩露头样品的硅质生物成因, 指出硅质生物成因是四川盆地富有机质页岩形成的关键因素之一, 对于页岩气勘探开发具有重要意义; 郭旭升等[5]指出, 焦石坝地区优质页岩气层段黑色页岩中的石英主要来源可能是由各种浮游生物、底栖生物或细菌等成烃生物的遗骸和残片经各种成岩作用的演化产物。笔者以焦石坝页岩地层钻井岩屑、页岩露头和岩心资料为依据, 通过元素地球化学特征分析, 研究页岩的硅质成分含量特征及成因, 揭示其与页岩储层含气性的关系, 并探讨其对页岩气勘探开发的地质意义。
1 区域地质背景涪陵焦石坝地区的区域构造隶属于川东褶皱带, 位于万县复向斜的南部与方斗山背斜带西侧的交汇区域。焦石坝构造为主体平缓、边缘被大耳山西、石门、吊水岩、天台场等断层夹持的断背斜构造, 总体为北东向走向[3, 5-6](图 1)。研究区自下而上发育了奥陶系至三叠系嘉陵江组。奥陶纪末-志留纪初, 在全球性海侵背景下, 焦石坝地区总体处于深水陆棚沉积环境, 形成了稳定的以黑色页岩为主的细粒碎屑岩沉积。侏罗纪末期, 在太平洋板块向扬子板块俯冲产生的南东-北西向挤压应力作用下, 焦石坝主体构造形成。
页岩中常含有大量的硅质成分(主要为石英), 如美国的Barnett页岩, Besa River页岩及woodford页岩等[15]。硅质成分来源归纳起来主要有3种:①生物或生物化学沉积成因[16]; ②化学成因, 包括火山喷发成因、超碱性条件下沉积及热水沉积成因[17-18]; ③交代(硅化)成因[19]。由于物质来源、沉积环境及物理化学条件等方面的显著差异, 不同成因的硅质成分元素地球化学特征也有所不同。一般生物成因的硅质成分表现为高SiO2、P2O5、FeO3和低Al2O3、TiO2、FeO、MgO、K2O、Na2O特征; 典型的海相火山沉积和海相热水沉积的硅质成分则表现为低P高Ti特征[16]。这是利用元素地球化学方法研究硅质岩成因的理论基础。另外, 在富含生物成因硅质的页岩岩心截面常常可见丰富的微体生物化石。
2.1 生物化石由于川东南地区五峰组—龙马溪组页岩地层普遍含笔石, 故亦称之为笔石页岩段[20]。通过对焦石坝页岩岩心和薄片观察, 发现在五峰组—龙马溪组页岩中存在大量的古生物化石, 主要为各类型笔石、角石、珊瑚, 其中笔石种类繁多, 包括双笔石、雕笔石和栅笔石等, 薄片观察可见放射虫较发育, 统计五峰组—龙马溪组页岩下段地层笔石和放射虫含量明显高于龙马溪组页岩上段, 放射虫数量100~1 000个/g样品, 笔石数量25~200条/m2, 表明五峰组—龙马溪组页岩下段地层可能存在较多的生物成因硅质成分。
2.2 元素组成在重庆涪陵焦石镇采集了89个五峰组—龙马溪组页岩露头样品和48个焦页1井的钻井岩屑样品, 并利用荷兰帕纳科公司生产的Zetium型多核X射线荧光光谱仪进行了元素含量测量, 部分测量结果见表 1。元素测量结果表明, 焦石坝五峰组—龙马溪组页岩SiO2含量一般介于40%~80%, 平均为63%, 其中五峰组页岩露头样品SiO2含量平均高达74%, 明显高于其他样品, 露头样品CaO含量远远低于同地层岩屑样品, 这可能与露头样品长期风化导致碳酸盐岩矿物组分流失有关, 龙马溪组上段页岩露头样品和龙马溪组页岩上段岩屑样品Al2O3含量高于下段岩屑样品, 表明其泥质含量高于后者。
海相页岩是SiO2(碎屑石英和/或生物成因硅)、Al2O3(黏土)和CaO(碳酸盐)三种氧化物组分的混合[15], SiO2-Al2O3-CaO三角图(图 2)表明, 五峰组页岩露头样品SiO2含量高于龙马溪组页岩岩屑和露头样品, 也高于美国FortSimpson页岩及Muskwa页岩(数据来源于文献[21])。
Al、Fe、Mn等元素含量对于判断物质来源有重要意义, 其中Al的富集主要与陆源物质的介入有关, 而Fe、Mn的富集主要与热液的参与有关[22-24]。Adachi等研究指出纯生物成因的硅质成分Al/(Al+Fe+Mn)的比值接近0.6, 而纯热水成因的硅质成分Al/(Al+Fe+Mn)的比值接近0.01, 受热水作用影响后其比值则小于0.35, 并建立了Al-Fe-Mn三角图来判断硅质成因[23]。从焦石坝地区页岩样品元素测量结果来看(表 1), 其Al/(Al+Fe+Mn)值介于0.62~0.87, 各类样品平均值均在0.67以上, 与纯生物成因的硅质成分Al/(Al+Fe+Mn)值比较接近, 并且在Al-Fe-Mn三角图上(图 3, 底图据文献[23]), 焦石坝页岩样品测量值绝大部分落在了生物成因区, 这表明这些页岩样品中的含有较高比例的生物成因硅质成分。
焦石坝地区五峰组和龙马溪组页岩硅质含量明显高于页岩平均含量和美国Fort simpson和Muskwa页岩的硅质含量。过量硅含量是指高于正常碎屑沉积环境下的SiO2含量[15], 其计算公式为:Si过量=Si样品-[(Si/Al)背景×Al样品], (Si/Al)背景采用平均页岩比值3.11[23]。利用元素测量结果, 计算焦石坝页岩样品的过量硅含量:龙马溪组页岩露头样品过量硅含量介于2.6%~28.4%, 平均为14.31%;五峰组页岩露头样品过量硅含量介于30.04%~55.31%, 平均为41.3%;龙马溪组页岩上段岩屑样品过量硅含量介于4.09%~18.58%, 平均为6.88%;龙马溪组页岩下段岩屑样品过量硅含量介于19.79%~32.16%, 平均为25.5%。五峰组露头样品和龙马溪组页岩下段岩屑样品过量硅含量明显高于龙马溪组页岩上段露头样品和龙马溪组页岩上段岩屑样品, 结合五峰组和龙马溪组页岩下段生物化石数量明显多于龙马溪组页岩上段的特点, 认为五峰组和龙马溪组页岩下段的高硅质含量与生物活动有关, 表明了这两段页岩地层含有比例较高的生物成因硅。
3 地质意义 3.1 有利于形成富有机质泥页岩地层沉积物中的生物成因硅与有机质存在密切的关系[25], 海相页岩中生物成因硅质主要来源于硅藻、放射虫、笔石等各类硅质生物, 而这些生物体的存在又反映了贫氧或厌氧环境下的静水或深水陆棚沉积环境[21], 其对于生物遗体的保存十分有利, 易形成富有机质泥页岩沉积。从图 4看出, 龙马溪组页岩上段岩屑样品和龙马溪组页岩露头样品过量硅含量较低, 且大部分样品总有机碳(TOC)小于2%, 过量硅含量与TOC之间相关性较差(图 4(a)); 而五峰组露头样品和龙马溪组页岩下段岩屑样品过量硅含量高, 页岩样品TOC一般大于3%, 过量硅含量与TOC之间存在较明显的正相关关系(图 4(b)、(c))。
有机质对生物成因硅具有保护作用, 可以减缓沉积物中生物成因硅的溶解速率, 是控制生物硅在沉积物中富集的重要因素[26], 因此, 页岩中高生物成因硅质含量指示了有机质的富集。同时, 由于有机质的富集, 易形成丰富的纳米级有机质孔隙, 这些有机质孔隙具有复杂的内部结构, 孔隙表面粗糙, 内部形态多样(图 5, 据文献[13], 有修改), 大大增加了比表面积和孔隙体积[13], 并具有明显的亲油性, 改善了泥页岩存储游离气和吸附气的能力, 有利于页岩气的大量聚集。从焦页1井五峰组—龙马溪组岩心的现场解析法含气量测试结果来看, 五峰组页岩总含气量介于0.72~3.29 m3/t, 平均为1.89 m3/t, 龙马溪组页岩下段总含气量介于0.74~5.11 m3/t, 平均为2.2 m3/t, 而龙马溪组页岩上段总含气量介于0.44~1.08 m3/t, 平均为0.73 m3/t, 这也表明了高含量生物成因硅对于形成富有机质、高含气量页岩具有十分重要的意义。
泥页岩中发育的天然裂缝对页岩气开发的成败起到关键性的作用, 不仅有利于游离气的富集, 同时还是页岩气渗流运移的主要通道[5]。焦石坝地区五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩沉积后经历了深埋藏-抬升变浅的构造演化过程, 在构造应力及内部地层压力释放等作用下产生了大量的微裂缝(图 6, 据文献[13], 有修改)。元素测量结果表明, 焦石坝五峰组页岩和龙马溪组页岩下段SiO2含量平均高达74.01%和59.9%;X衍射实验分析表明, 研究区脆性矿物以石英为主, 五峰组—龙马溪组页岩脆性矿物含量为40%~60%[27], 这都说明该区五峰组—龙马溪组泥页岩脆性好。泥页岩类应力-应变关系实验证实[28], 脆性矿物含量低的塑性泥岩在构造应力或异常高孔隙压力作用下, 常常产生晶格错位, 发生塑性变形而不形成裂缝, 即使形成裂缝, 由于泥质含量高, 也常常由于泥质涂抹和充填而使裂缝闭合, 形成无效裂缝。因此, 焦石坝五峰组—龙马溪组生物成因硅质的大量富集, 可能是构造应力和异常高压作用下目的层泥页岩天然裂缝发育的关键因素。
脆性是影响页岩可压裂性和诱导裂缝形态的重要因素, 脆性越高, 可压裂性越好[15], 页岩脆性特征已成为页岩气水平井目的层优选、压裂施工的关键参数之一。五峰组—龙马溪组页岩脆性矿物平均含量超过50%, 高于美国Barnett页岩, 且天然裂缝发育, 储层可压性好, 具有形成复杂缝网的有利条件, 有利于后期人工压裂。
4 结论(1) 焦石坝五峰组—龙马溪组页岩中存在大量的笔石、焦石、珊瑚等古生物化石, 薄片观察可见放射虫较发育; 五峰组—龙马溪组页岩下段地层笔石和放射虫含量明显高于龙马溪组页岩上段, 表明五峰—龙马溪组一段下部页岩中可能含有较多的生物成因硅质成分。
(2) 五峰组—龙马溪组页岩SiO2含量介于40%~80%, 平均达63%, 高于页岩平均含量; 过量硅含量为2.6%~55.31%, 其中五峰组和龙马溪组页岩下段过量硅含量较高, 平均分别为41.3%和25.5%;Al/(Al+Fe+Mn)值介于0.62~0.87, 各类样品平均值均在0.67以上, 与纯生物成因的硅质成分比值接近, Al-Fe-Mn三角图上, 焦石坝页岩样品测量值绝大部分落在了生物成因区, 表明了页岩硅质的生物成因。
(3) 页岩硅质生物成因指示了深水陆棚贫氧、缺氧沉积环境, 该环境有利于页岩有机质的富集和有机孔隙的发育, 为优质页岩气藏的形成提供了物质基础和储集空间; 同时, 高含量的硅质成分对于页岩天然裂缝的形成和后期页岩开发过程中的人工压裂都具有十分重要的意义。
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