晁海德，陳建洲，王 瑾，李吉慶，王國倉，趙洪岳，蔡廷俊，劉立波，李生福,任文愷,邱 亮

(1.青海省第四地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810029;2.青海省頁巖氣資源重點實驗室，青海 西寧 810029；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；4. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

我國作為北美之外最大的頁巖氣生產(chǎn)國，四川盆地及其鄰區(qū)的海相頁巖氣是目前主要產(chǎn)氣區(qū)域，近年來鄂爾多斯盆地頁巖氣勘探評價也有一定進(jìn)展[1]，但作為我國重要產(chǎn)油、氣盆地的柴達(dá)木盆地及其周邊未有突破。自2016年開展的東昆侖地區(qū)八寶山盆地海陸過渡相頁巖氣勘探評價，因其處于青藏高原腹地的獨特地質(zhì)環(huán)境，是我國高原頁巖氣成藏特征探索的典型區(qū)域之一，但對該區(qū)頁巖儲層的研究較弱，僅見有對頁巖氣成藏條件的概述[2]。而對于頁巖氣的勘探、利用，成巖作用及其對儲層的影響具意義重大[3-5]。于炳松等研究認(rèn)為[6-8]，頁巖的諸多物理、化學(xué)性質(zhì)除受礦物組成及沉積顆粒粒度的影響外，還廣泛受到成巖作用的影響。以往，在研究儲層物性影響因素的時候更多地關(guān)注砂巖的成巖作用而忽略了泥巖成巖作用[9]。因此，開展東昆侖地區(qū)八寶山盆地三疊系八寶山組頁巖儲層成巖作用及其對儲層的影響研究是十分重要的，既能加深對研究區(qū)富有機質(zhì)頁巖儲層認(rèn)識，也可以在分析目的層富有機質(zhì)頁巖段成巖作用類型的基礎(chǔ)上劃分出成巖作用階段，并就各成巖作用對儲層的影響進(jìn)行深入研究，進(jìn)而為頁巖生氣、儲氣能力的研究提供支持。

本次研究重點以八寶山盆地的八頁2井229件薄片樣品、174件鑄體薄片、54件X射線衍射樣品、40件掃描電鏡等樣品測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，并結(jié)合了八頁1井、八頁3井樣品及巖心數(shù)據(jù)開展頁巖成巖作用研究，以探究研究區(qū)三疊系頁巖成巖作用及其對儲層的影響。

1 地質(zhì)背景

東昆侖地區(qū)八寶山盆地位于青藏高原北部昆侖山脈東段，位于昆中、昆南兩大斷裂帶之間。斷裂主要形成于加里東中期和華力西期，呈近東西向、北西西向展布(圖1)。這些斷裂將該區(qū)由南至北劃分為東昆北構(gòu)造帶、東昆侖造山帶、布青山阿尼瑪卿造山帶、巴顏喀拉造山帶。東昆侖地區(qū)八寶山盆地發(fā)育了石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、新近系、第四系等地層，地層保存完好。三疊系主要為海相沉積的中下三疊統(tǒng)鬧倉堅溝組及海陸過渡相沉積的上三疊統(tǒng)八寶山組，侏羅系主要為陸相沉積的羊曲組。本次研究的目標(biāo)地層為八寶山組，按其巖性組合特征分上段(T3bb3)、中段(T3bb2)、下段(T3bb1)。其中上段(T3bb3)巖性以泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，夾薄層細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖。中段(T3bb2)巖性為安山巖。下段(T3bb1)巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖的互層為主。整體看，下段泥巖賦存減少，且泥巖中云母含量呈增多趨勢(圖2)。

2 巖石學(xué)特征

對八頁1井、八頁2井、八頁3井巖性及227件薄片鑒定和分析，八寶山組頁巖粒度較細(xì)，巖石學(xué)類型以含炭泥巖、含云含粉砂泥巖、含泥粉砂巖、含粉砂泥巖、含細(xì)砂粉砂巖為主?？傮w分粉砂巖、泥巖兩大類。

粉砂巖結(jié)構(gòu)成熟度較高，碎屑成分以石英為主，分選性好，風(fēng)化程度中等，磨圓度為次圓—次棱角狀，碎屑顆粒接觸關(guān)系為點式、游離式接觸，膠結(jié)類型以孔隙型為主，其次為基底型，支撐類型以顆粒為主，次為雜基型。填隙物組分平均占24.1%，其中膠結(jié)物(主要為碳酸鹽膠結(jié)物，少量鐵質(zhì)膠結(jié))占3%，雜基(主要為泥質(zhì)雜基)占21.1%，膠結(jié)物和雜基主體分布于粒間孔、孔隙喉道中(圖3)。

泥巖主要由泥質(zhì)組成，其次為少量的鐵質(zhì)、云母、炭質(zhì)等，偶見石英顆粒。其中泥質(zhì)主要包括黏土礦物和細(xì)碎屑。黏土礦物呈泥狀集合體產(chǎn)出，礦物粒徑極小，多小于0.004 mm，為伊利石、高嶺石、蒙脫石等黏土礦物微晶-隱晶質(zhì)集合體，較均勻分布；<0.004 mm的長英質(zhì)細(xì)碎屑不均勻分布，整體具定向性。微裂縫較發(fā)育，縫寬為0.01～0.50 mm，炭質(zhì)或鐵質(zhì)充填(圖4)。

八寶山組上段頁巖礦物組分以石英、黏土礦物為主，斜長石次之，方解石、白云石較少，另見有少量菱鐵礦、菱鎂礦、普通輝石、黃鐵礦、赤鐵礦、石鹽。其中脆性礦物總量介于40.2%～72.90%，平均53.82%，石英占比最高，含量介于28.50%～53.60%(表1、圖5(a))。下段頁巖礦物組分以石英、黏土礦物為主，菱鐵礦、斜長石、白云石次之，方解石較少，另見有少量銳鈦礦、普通輝石、碳鈉鋁石、硬石膏。其中脆性礦物總量介于43.00%～76.1%之間，平均61.71%，石英占比最高，含量介于24.70%～51.20%之間(表1、圖5(b))?？傮w上，八寶山組上段頁巖中礦物組分相對于下段：脆性礦物更少、黏土礦物更多，菱鐵礦含量明顯少于下段。

表1 八寶山組頁巖礦物組成含量表(%)

3 成巖作用類型

碎屑巖的成巖作用是指碎屑物沉積、成巖、直至變質(zhì)等以前發(fā)生的一切變化及結(jié)果,隨著壓力、溫度、化學(xué)成分的變化，成巖作用是動態(tài)進(jìn)行的[10]。頁巖氣作為自生自儲的非常規(guī)氣藏，其成巖作用復(fù)雜[11-12]。在薄片、鑄體薄片、掃描電鏡等試驗基礎(chǔ)上，結(jié)合樣品宏觀觀察，識別出三疊系八寶山組頁巖6種成巖作用：壓實作用、膠結(jié)作用、黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用、溶蝕作用、交代作用以及有機質(zhì)熱成熟作用等。

3.1 壓實作用

如圖3和圖4所示，八寶山盆地頁巖主要以黏土巖及粉砂巖為主，整體富含黏土礦物(上段平均含量46.06%，下段平均含量38.29%)，且碎屑粒度較小，多小于0.004 mm，以細(xì)粉砂為主，少量粗粉砂，抗壓實能力弱。在原巖沉積后，隨著壓實作用的進(jìn)行，原始碎屑物顆粒伴隨著發(fā)生滑動、轉(zhuǎn)動、位移、變形、破裂，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒的重新排列和某些結(jié)構(gòu)構(gòu)造的改變。八寶山組頁巖常見的壓實作用識別標(biāo)志有：片狀礦物的順層定向分布以及剛性顆粒的彎曲、破裂(圖6)，上段、下段均有體現(xiàn)。

3.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用也是八寶山組頁巖重要的成巖作用之一，是造就八寶山組頁巖低孔、低滲的原因之一。八寶山組頁巖常見的膠結(jié)物為泥質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)，偶見有鐵質(zhì)膠結(jié)。泥質(zhì)膠結(jié)物見有伊蒙混層、伊利石和高嶺石，其在起膠結(jié)作用的同時，進(jìn)一步縮小泥頁巖孔隙空間，同時降低滲透率。碳酸鹽膠結(jié)以白云石膠結(jié)為主、方解石膠結(jié)少量，白云石膠結(jié)物自形-半自形產(chǎn)出，交代早期黏土礦物、早期方解石膠結(jié)物，或以裂縫充填物的形式出現(xiàn)。方解石膠結(jié)物填充孔隙、裂縫，或交代長石顆粒，先期形成。鐵質(zhì)膠結(jié)以黃鐵礦膠結(jié)為主，多以粒狀、紋層狀產(chǎn)出，隨深度增加其自形程度變差(圖7)。

3.3 黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用

黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用是頁巖中重要的成巖作用類型之一，是本身性質(zhì)及成巖環(huán)境共同作用的結(jié)果[13]。本區(qū)八寶山組上段、下段頁巖黏土礦物均以伊蒙混層為主，伊利石、綠泥石次之，高嶺石最少，不含蒙脫石。伊蒙混層上段含量介于52.00%～77.00%之間，下段含量介于35.00%～80.00%之間(表2)。以2井為例，不同深度、不同黏土礦物呈現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)化規(guī)律：(a)伊蒙混層在1 000 m以下，逐漸減小，但趨勢不明顯(圖8(d))，表明1 000 m之后伊蒙混層不是向單一的黏土礦物轉(zhuǎn)化；(b)伊利石在1 000 m以下呈明顯增大趨勢(圖8(c))，表明在埋藏成巖過程中伊利石是由其它黏土礦物轉(zhuǎn)化而來；(c)綠泥石在1 000 m以下呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(圖8(b))，表明綠泥石轉(zhuǎn)化為其它黏土礦物；(d)高嶺石沿深度的加深呈現(xiàn)明顯的兩個階段，1 370 m以上呈減小趨勢，1 370 m以下則快速增加(圖8(a))。表明1 370 m以上高嶺石不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化為其它黏土礦物，1 370 m以下地球化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，其它黏土礦物轉(zhuǎn)而生成高嶺石；(e)在此深度內(nèi)，綠蒙混層呈明顯減小趨勢(圖8(e))，表明在1 370 m之后綠蒙混層向高嶺石轉(zhuǎn)化明顯。

從黏土礦物的轉(zhuǎn)化不難發(fā)現(xiàn)，八寶山組上段(1 000 m以上)地球化學(xué)環(huán)境相對穩(wěn)定，黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用不明顯。八寶山下段(1 000 m以下)，隨埋藏深度、壓力增大，地溫升高，層間水的釋放及層間陽離子的交換，從而使得黏土礦物轉(zhuǎn)化作用明顯增強。高嶺石含量變化趨勢說明，1 370 m以上性質(zhì)相對活潑，沉積環(huán)境偏堿性，1 370 m以下性質(zhì)相對穩(wěn)定、更易生成，沉積環(huán)境偏中酸性。這與八寶山組上段含更多方解石、白云石，下段含更多菱鐵礦特征相一致(表1、圖8(f))。在富含K+的介質(zhì)中高嶺石易伊利石化，而在富含Ca2+、Na2+或Mg2+的介質(zhì)中高嶺石更易綠泥石化[14-15]，酸性介質(zhì)中綠泥石、綠蒙混層更易轉(zhuǎn)化為高嶺石，這是本區(qū)八寶山組上段、下段頁巖中黏土礦物含量差異性的主要原因之一。

表2 八寶山組頁巖黏土礦物組成含量表(%)

3.4 溶蝕作用

溶蝕作用也是頁巖中重要的成巖作用類型之一。泥頁巖的溶蝕作用與有機質(zhì)生烴排出的酸關(guān)系密切，酸性流體與易溶的黏土礦物、長石、碳酸鹽等發(fā)生溶解現(xiàn)象，有的礦物部分溶蝕，形成粒內(nèi)溶蝕孔或顆粒邊緣的粒間孔，部分礦物被完全溶蝕形成鑄?？譡16-18]。本區(qū)八寶山組頁巖溶蝕作用主要表現(xiàn)在黏土礦物及長石等碎屑顆粒的粒內(nèi)溶蝕及粒間溶蝕，次為白云石、方解石顆粒的粒內(nèi)溶蝕，石英顆粒粒內(nèi)溶蝕以及有機質(zhì)鑄模孔發(fā)育最少(圖9)。

3.5 交代作用

交代作用是舊礦物的消失伴隨新礦物的生成的一種體現(xiàn)，是在固體狀態(tài)下發(fā)生的成巖作用。八寶山組中頁巖的交代作用整體較弱，主要表現(xiàn)為白云石交代斜長石、高嶺土及黏土交代鉀長石(圖10)。

3.6 有機質(zhì)熱成熟作用

烴源巖有機質(zhì)成熟度是評價烴源巖生烴能力的關(guān)鍵指標(biāo)[19]，有機質(zhì)熱演化程度對頁巖氣存、儲有著關(guān)鍵性的作用[20]，鏡質(zhì)體反射率(Ro)、熱解最高峰溫(Tmax)是反映有機質(zhì)成熟度的關(guān)鍵指標(biāo)。八寶山組上段Ro平均含量為2.82%，Tmax平均為556 ℃。下段Ro平均含量為2.98%，Tmax平均為553 ℃(表3)。表明八寶山組上段、下段頁巖均已進(jìn)入高成熟-過成熟階段，處于熱裂解干氣生成時期。有機質(zhì)在成熟過程中，逐步進(jìn)入排烴門限，頁巖在排出含烴流體的同時也伴有大量有機酸的排出[21-23]，從而促進(jìn)溶蝕作用的進(jìn)行，同時有機質(zhì)成熟過程伴隨著大量有機質(zhì)孔的生成(圖11)，為頁巖氣儲存提供空間[24]。

表3 八寶山盆地八寶山組頁巖部分有機地化特征

4 成巖階段劃分

八寶山組Ro含量介于2.37%～3.34%之間，處于晚成巖階段；Tmax雖介于382～559 ℃之間，但平均Tmax大于553 ℃，總體處于晚成熟階段；伊蒙混層比中蒙皂石占比在5%～13%之間，處于中成巖B期；黏土礦物以伊蒙混層為主，伊利石、綠泥石次之，高嶺石最少，不含蒙脫石，通常對應(yīng)中成巖B期-晚成巖階段；八寶山組頁巖孔隙類型以礦物溶蝕孔隙為主，礦物粒間孔隙次之，少量有機質(zhì)孔隙，另外巖層中微裂縫發(fā)育，通常處于中成巖A期-晚成巖階段。

依據(jù)鏡質(zhì)體反射率、黏土礦物的伊蒙混層比、黏土礦物組合、自生礦物特征、巖層孔隙類型等指標(biāo)，結(jié)合八寶山盆地?zé)N源巖埋藏史[25-27]，綜合認(rèn)為八寶山盆地頁巖儲層成巖作用處于中成巖B期-晚成巖階段(圖12)。

5 成巖作用對儲層的影響

成巖作用伴隨儲層發(fā)育的每一個階段，是影響儲層儲集性能的關(guān)鍵因素，其對儲層的控制主要表現(xiàn)在對孔隙發(fā)育、演化的控制[28]。

5.1 壓實作用

Sombra C L等[29]研究指出，沉積物埋深越大，壓實作用越強,因此研究區(qū)以深度與孔隙度的關(guān)系來說明壓實作用對儲層的影響。八頁2井57件孔隙度測試結(jié)果顯示，八寶山盆地頁巖孔隙度隨深度的加深呈現(xiàn)降低趨勢(圖13)，表明東昆侖地區(qū)頁巖的壓實作用對儲層的作用機理與大多數(shù)區(qū)域沉積物壓實作用一致，即隨深度的加深，壓實作用隨之增強，儲層孔隙度也隨之降低。在壓實作用下，黏土礦物開始發(fā)生脫水，孔隙水、過量的層間水大量排出，使得孔隙度可有原始的70%～80%迅速降低到40%，伴隨深度的繼續(xù)加深孔隙度最終降低至僅百分之幾[30-31]，這是造成頁巖儲層低孔隙度、低滲透率的主要原因之一。

5.2 膠結(jié)作用

東昆侖地區(qū)八寶山組頁巖以泥質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)為主，而泥質(zhì)是頁巖最普遍的膠結(jié)物，其研究意義不足，因此，本次工作以碳酸鹽膠結(jié)來開展膠結(jié)作用對儲層影響的研究。如圖14(a)、(b)所示，八頁2井、八頁3井的碳酸鹽含量與孔隙度均呈弱負(fù)相關(guān)。表明膠結(jié)作用形成的碳酸鹽膠結(jié)物等填充、堵塞孔隙、喉道，隨著膠結(jié)作用的增強，儲層孔隙呈降低趨勢。而后期隨著溶蝕作用的進(jìn)行，酸性流體對碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕形成次生孔隙，孔隙度增大，是造就相關(guān)性不突出的原因之一。

5.3 黏土礦物轉(zhuǎn)化作用及交代作用

黏土礦物的轉(zhuǎn)換對儲層孔隙的影響主要取決于轉(zhuǎn)換生成的黏土礦物的形態(tài)是發(fā)絲狀或片層狀[32]。本區(qū)黏土礦物形態(tài)基本呈片狀、玫瑰花狀(圖7和圖9)，很難直接界定其利弊。如圖15(a)、 (b)、 (e)、 (f))所示，八頁2井、八頁3井頁巖孔隙度與綠泥石、高嶺石含量呈負(fù)相關(guān)，與伊蒙混層呈正相關(guān)(圖15(d)、 (h))，而與伊利石關(guān)系不明顯(圖15(c)、 (g))。結(jié)合本區(qū)黏土礦物轉(zhuǎn)化作用，認(rèn)為伊蒙混層、高嶺石的轉(zhuǎn)化更會損害儲層性能，綠泥石的轉(zhuǎn)化而會改善儲層性能，考慮八寶山組頁巖黏土礦物以伊蒙混層為主的特征，作者認(rèn)為東昆侖地區(qū)黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用更會減少次生孔隙、降低孔隙度，是破壞性成巖作用之一。

交代作用是一種礦物的生成伴隨另一種礦物的消失，對儲層性能影響甚微。

5.4 溶蝕作用

溶蝕孔隙是溶蝕作用的直觀表現(xiàn)，統(tǒng)計41件掃描電鏡樣品，結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)各類孔隙中溶蝕孔隙占比36.6%(表4)。溶蝕孔隙以黏土礦物、長石以及碳酸鹽礦物的粒間、粒內(nèi)溶蝕為主，因此以黏土礦物、長石以及碳酸鹽礦物總含量與頁巖孔隙度關(guān)系來表明溶蝕作用對儲層的影響。研究得出，八頁2井(圖16(a))、八頁3井(圖16(b)中二者均呈正相關(guān)關(guān)系，表明溶蝕作用對于儲層孔隙的發(fā)育有積極作用，是重要的儲層孔隙建設(shè)作用。

表4 東昆侖地區(qū)三疊系頁巖孔隙類型特征表

5.5 有機質(zhì)熱成熟作用

有機質(zhì)熱成熟作用主要體現(xiàn)在鏡質(zhì)體反射率(Ro)上，研究八頁1井、八頁2井、八頁3井相關(guān)參數(shù)不難發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)體反射率(Ro)與孔隙度均呈正相關(guān)關(guān)系(圖17(a)、 (b)、 (c))，表明：有機質(zhì)熱成熟作用有助于頁巖孔隙的發(fā)育，與Jarvie等人[33]的研究結(jié)果一致。其原因有二：其一，有機質(zhì)熱成熟演化過程中分解大量的有機酸，有助于溶蝕作用發(fā)生，有利于溶蝕孔隙的形成；其二，有機質(zhì)演化過程中自身形成納米級有機孔保存較好，有利于有機質(zhì)演化釋放氣體的儲存。

綜上，研究區(qū)八寶山組在漫長地質(zhì)歷史時期，經(jīng)歷多種成巖作用的疊加及改造，其中壓實作用、膠結(jié)作用、黏土礦物轉(zhuǎn)化作用是破壞性成巖作用，造就儲層致密化，孔隙度降低。溶蝕作用、有機質(zhì)熱成熟作用是建設(shè)性成巖作用，有利于儲層孔隙度的增大。而交代作用對儲層孔隙度影響小(表5)。

表5 東昆侖地區(qū)三疊系頁巖儲層常見成巖作用類型

6 結(jié)論與討論

(1)八寶山組頁巖脆性礦物以石英為主，黏土礦物以伊蒙混層為主，伊利石、綠泥石次之。在八寶山組頁巖中共識別出壓實、膠結(jié)、黏土礦物轉(zhuǎn)化、交代、溶蝕、有機質(zhì)熱成熟等6類成巖作用。

(2)八寶山組頁巖層Ro含量介于2.37%～3.34%之間。Tmax平均大于553 ℃。伊蒙混層比中蒙皂石占比在5%～13%之間。黏土礦物以伊蒙混層為主，伊利石、綠泥石次之?？紫额愋鸵缘V物溶蝕孔隙為主，礦物粒間孔隙次之，少量有機質(zhì)孔隙。綜合多因素判斷，東昆侖地區(qū)三疊系頁巖儲層成巖作用處于中成巖B期-晚成巖階段。

(3)八寶山組上段地球化學(xué)環(huán)境相對穩(wěn)定，黏土礦物轉(zhuǎn)化作用不明顯。八寶山組下段黏土礦物轉(zhuǎn)化作用明顯增強，且不同深度呈不同的轉(zhuǎn)換規(guī)律：1 000～1 370 m處于偏堿性環(huán)境，高嶺石性質(zhì)活潑，結(jié)合K+發(fā)生伊利石化，伊蒙混層向多種黏土礦物轉(zhuǎn)化；1 370 m以下處于相對活潑的偏中酸性環(huán)境，綠泥石、綠蒙混層向高嶺石轉(zhuǎn)化。

(4)各成巖作用對東昆侖地區(qū)三疊系頁巖儲層影響程度具有差別，其中壓實作用、膠結(jié)作用、黏土礦物轉(zhuǎn)化作用是破壞性成巖作用，造就孔隙度降低；溶蝕作用、有機質(zhì)熱成熟作用是建設(shè)性成巖作用，有利于儲層孔隙度的增大；交代作用對儲層儲集性能影響小。