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.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，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)歷了較強的后期熱演化改造過程，導(dǎo)致其原始結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，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行系統(tǒng)的鏡下觀察、分類和研究，進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—龍馬溪組有機地球化學(xué)特征Fig.2 Organic geochemistry characteristics of well-PY1 in Wufeng-Longmaxi formation

2 樣品、實驗方法及分類

2.1 樣品及實驗方法

該次研究主要是通過全巖光片有機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行研究，上述實驗主體在中國石化無錫石油地質(zhì)研究所實驗中心完成。

2.2 有機顯微組分分類

根據(jù)全巖光片有機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，將有機顯微組分劃分為有形態(tài)有機質(zhì)和無形態(tài)有機質(zhì)[13]。其中有形態(tài)有機質(zhì)劃分為藻類體（結(jié)構(gòu)藻、層狀藻、底棲藻）、細菌（硅質(zhì)細菌和鈣質(zhì)細菌等）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)頁巖有機顯微組分分類（據(jù)參考文獻[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 細菌

通過掃描電鏡精細觀測，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)了細菌狀化石，直徑100～800 nm，形態(tài)不一，具有細菌的大小和形狀，有機碳含量豐富，大部分細菌含硅，部分含灰質(zhì)，認為可能是原生的、具有細菌生物結(jié)構(gòu)的微生物小球體。這類細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相，進而準(zhǔn)確評價烴源巖品質(zhì)的重要研究內(nèi)容。以PY1井為例，該井五峰—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖層成烴生物類型有浮游藻類、細菌、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)代藻類熱壓模擬實驗和含單一成烴生物的實際油頁巖樣品熱解實驗研究表明，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，認為區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖層有機質(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)顯示有機碳含量很高，說明筆石對頁巖總有機碳含量具有直接的貢獻作用[13]。

圖6 PY1井筆石生烴孔及LY1井有機質(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質(zhì)生烴潛力更大，有機質(zhì)類型為Ⅰ型；成烴生物為底棲藻類的有機質(zhì)生烴潛力相對較小，有機質(zhì)為Ⅱ型；動物形成的有機質(zhì)為Ⅲ型有機質(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)實踐已證實，有機質(zhì)孔隙是頁巖氣儲集的重要場所，主要表現(xiàn)在有機孔量與TOC、含氣性之間良好的正相關(guān)性[9，13，15]。有機質(zhì)孔隙主要發(fā)育2種類型：一是原始有機孔，如筆石內(nèi)部孔隙，藻類細胞間的孔隙等；二是次生有機孔，如固體瀝青裂解生氣的孔隙。在高過成熟階段，有機孔主要發(fā)育在殘留的固體瀝青中。在不同有機質(zhì)表面所發(fā)育的有機孔大小不等，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)富硅富有機質(zhì)層段含有硅質(zhì)生物，即放射蟲的碎屑和殘體。多項研究表明，川東南五峰—龍馬溪組富硅富有機質(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)。富有機質(zhì)層段發(fā)育大量有機孔，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，并生成大量有機孔，源儲耦合較好，是最佳的“甜點”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。