川南地区龙马溪组中深层与深层页岩孔隙结构对比研究.pdf

收稿日期:改回日期:基金项目:中国石油前瞻性基础性项目“松辽盆地深部含油气系统研究”()作者简介:姚天星()女 年毕业于西安石油大学地质工程专业现为西北大学三矿专业在读硕士研究生主要从事储层沉积学方面的研究工作:/川南自贡地区海相页岩沉积环境及有机质富集主控因素研究姚天星李忠诚郭世超宋 鹏王海龙唐晓丹(西北大学陕西 西安 西北大学大陆动力学国家重点实验室陕西 西安 中国石油吉林油田分公司吉林 松原 中国石油大学(北京)北京)摘要:为深化对川南自贡地区五峰组龙马溪组海相页岩沉积环境特征及有机质富集机理认识通过开展有机地球化学和元素地球化学等实验对 井沉积环境特征进行综合研究结果表明:研究区海相页岩有机质丰度高 平均为 矿物组成以石英和黏土矿物为主氧化还原环境是自贡地区有机质富集的主控因素五峰组和下龙马溪组沉积时期有机质富集条件相比中龙马溪组和上龙马溪组沉积时期更加优越形成了一套富含有机质且脆性矿物含量高的优质页岩是研究区页岩气勘探开发的首选目标关键词:页岩气五峰组龙马溪组沉积环境有机质富集机理自贡地区四川盆地中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.().():.:.:引 言晚奥陶世早志留纪时期由于古气候和相对海平面发生变化以及强烈的火山活动在全球范围内广泛沉积了一套富有机质页岩 近年来随着水平井大规模体积压裂技术的逐渐成熟以五 特 种 油 气 藏第 卷峰组龙马溪组海相页岩为勘探开发目标四川盆地海相页岩气商业开发取得巨大成功现已建成威远自贡、富顺永川、长宁、涪陵和北昭通 个国家页岩气开发示范区 复杂多变的构造环境造成页岩有机质含量、矿物组成、沉积环境和微观孔隙结构等具有极强的非均质性这对进一步认识有机质富集机理造成很大困难影响页岩“甜点”优选 前人针对四川盆地五峰组龙马溪组富有机质海相页岩气资源潜力、沉积环境、岩性及岩相、烃源岩品质及储层微观孔隙结构等作了大量研究但多集中在川东南焦石坝、川南井研、川中安岳等地对川南自贡地区研究较少 大量研究表明沉积环境特征对富有机质页岩的形成至关重要 总结前人关于有机质富集主控因素研究成果认为古生产力、古气候条件和热液/火山活动影响沉积有机质的来源氧化还原环境、古盐度和陆源碎屑输入决定沉积有机质能否得到有效保存 因此提出了生产力模型和保存模型 种有机质富集模型 生产力模型指出高生物生产力条件下有机质分解会消耗大量氧气形成适宜有机质保存的沉积环境而保存模型强调咸水还原环境对沉积有机质的保存作用 但具体哪种沉积环境因素对有机质富集占主导地位还存在争议以往的研究多集中于海相页岩资源潜力和沉积环境特征有关有机质富集机理研究尚显不足 为此以自贡地区五峰组龙马溪组海相页岩为研究对象开展有机地球化学和元素地球化学分析实验用以确定页岩 和沉积环境特征通过 与沉积环境因素的相关分析确定页岩有机质富集机理 区域地质概况四川盆地位于扬子准地台西北部晚奥陶世早志留纪时期华夏板块向扬子板块挤压形成 四川盆地构造由川东南坳褶带、川中隆起带和川西北坳陷带 三部分组成 早志留系五峰组和晚奥陶系龙马溪组沉积时期在闭塞和缺氧的深水陆棚环境下发育了一套广泛沉积的黑色页岩是中国南方重要的海相烃源岩之一同时也是页岩气勘探开发的有利层段 取样井 井位于四川盆地蜀南自贡地区川中隆起带自流井凹陷中部北接威远龙女寺隆起南邻川东南坳褶带岩性以黑、灰黑色页岩为主此外还有部分深灰色页岩(图)?Z303?DGRRTOCa?b Z303?/m?/APIt/(m)/%?413041404150416041704180419042004210422042300102200005004123图 井构造位置图和综合柱状图 第 期姚天星等:川南自贡地区海相页岩沉积环境及有机质富集主控因素研究 有机质含量、矿物组成和层段划分有机质含量是页岩气富集成藏的主控因素决定了页岩生烃能力和含气性高含量有机质是形成大型页岩气藏的物质基础 研究区 井龙马溪 组 页 岩 为 平 均 为 不同阶段页岩 存在较大差异 井页岩样品 和主要矿物含量如图 所示根据其变化特征将剖面分为 部分自上而下为上龙马溪组、中龙马溪组、下龙马溪组和五峰组(图)上龙马溪组 平均为 中龙马溪组 平均为 下龙马溪组 平均为 五峰组 平均为 通过对能反映页岩沉积环境的特征参数进行统计分析全面表征页岩沉积时古气候、化学风化强度、古盐度、氧化还原环境、古生产力和陆源碎屑输入等特征研究沉积环境对有机质富集的控制作用明确有机质富集机理研究区页岩矿物组成以石英和黏土为主(表)石英含量为 平均为 黏土矿物含量为 平均为 其他矿物平均含量均小于 白云石含量为、长石含量为 、方解石含量为 、黄铁矿含量为 黏土矿物以伊/蒙混层为主平均含量为 其次为伊利石和绿泥石平均含量分别为 和 此外还有少量绿/蒙混层平均含量为 图 井 及矿物含量分布特征 表 井主要矿物种类及含量 矿物种类石英白云石长石方解石黄铁矿伊/蒙混层伊利石绿泥石绿/蒙混层含量范围/含量平均值/沉积环境特征 古气候及化学风化强度古气候条件的变化影响古海洋水体分层特征、母岩的风化作用、沉积物的侵蚀等 温暖湿润的古气候条件有助于母岩化学风化作用造成古海洋沉积水体中营养物质富集促进生物繁盛同时造成沉积水体分层形成水体底层缺氧的还原环境有利于有机质富集和保存 沉积岩元素组成受地质历史时期的古气候条件影响反过来可以通过其特定元素含量及多种元素的比值表征沉积物形成时的古气候特征 某些特定的微量元素对古气候条件很敏感常用于判断页岩沉积时的古气候特征 通常、元素在相对湿润的气候下富集而、元素在相对干燥的气候下富集 为、元素之和与、元素之和的比值被广泛应用于揭示页岩沉积时的古气候特征其值越小表示古气候条件越干燥越大则指示温暖湿润的古气候条件 统计结果显示:研究区页岩样品 值为 平均为 表明研究区五峰组龙马溪组页岩主要形成于干燥、半干燥的古气候条件 五峰组、下龙马溪组、中龙马溪组和上 特 种 油 气 藏第 卷龙马溪组页岩 逐渐增大(图)平均值分别为 和 表明由五峰组至上龙马溪组古气候由干燥向湿润逐渐转变化学风化指数()是一种常用的表征化学风化强度的参数 研究区页岩样品 值为 平均为 表明化学风化强度为弱中等 值在纵向上呈逐渐递增的趋势(图)个单元的 平均值分别为 、和 表明自五峰组至上龙马溪组化学风化强度逐渐增强图 井沉积参数变化 古盐度古盐度是影响沉积有机质保存条件的关键参数 元素在水中的溶解度明显高于 元素的溶解度当水体盐度增加 元素首先达到饱和状态然后沉淀析出而 元素由于溶解度高可以继续保存在水中直至水体盐度值升高到一定数值因此可以用/来反映古盐度大小/随着古盐度增加而增大 研究区/为 平均为 指示页岩形成于淡水沉积环境中/在纵向上呈逐渐递减的趋势(图)个单元的/平均值分别为 、和 表明自五峰组至上龙马溪组古盐度逐渐减小 古生产力水平营养元素与古生产力具有密切相关关系常用于海洋古生产力重建 充足的营养物质供给能保障生物体繁盛增强沉积有机质来源进而为生成油气提供重要的物质基础 多种指标被用于评估古生产力例如主量元素 是一种重要的营养元素来源于生物代谢过程中的产物和生物骨骼常用于表征古生产力 因此采用/代表古生产力大小 研究区/为 平均为 高于上地壳平均值()这表明研究区页岩 元素含量相对富集/在纵向上呈现递减的趋势(图)五峰组最高平均为 下龙马溪组次之平均为 中龙马溪组和上龙马溪组平均值分别为 和 表明自五峰组至上龙马溪组沉积时期古生产力水平逐渐减弱 陆源碎屑输入古气候条件影响了化学风化作用的强度温暖湿润的古气候条件指示强烈的化学风化作用导致沉积有机质遭受强烈化学风化作用伴随有大量陆源碎屑物质的输入 含量是一种判断陆源碎屑输入水平的关键指标 研究区 含量在纵向上表现为逐渐增加的变化过程(图)自下而上 个单元的 平均含量分别为、和 表明自五峰组至上龙马溪组沉积时期陆源碎屑输入水平水平逐渐增强 古氧化还原环境某些特定的微量元素例如 和 元素对氧化还原条件十分敏感常用于表征页岩沉积时的古氧化还原环境 在缺氧的还原条件下 元素和 元素相对富集 分别用 和 来表示 元 第 期姚天星等:川南自贡地区海相页岩沉积环境及有机质富集主控因素研究 素和 元素相对富集程度 由图(图中箭头代表大环境的变化过程)可以看出研究区页岩形成于缺氧和硫化的还原环境中 值为 平均为 值为 平均为 值和 值在纵向上均呈逐渐递减的趋势 元素相比 元素更富集一些 协变图斜率用 表示当 时即 反映正常海水值 当 时即 表示海水中还原环境逐渐增强 个单元的平均值分别为 、和 个单元的 平均值分别为 、和 表明由五峰组至上龙马溪组沉积时期古氧化还原环境逐渐减弱图 井 协变图 有机质富集主控因素以上研究显示川南自贡地区五峰组龙马溪组沉积时期整体处于温暖湿润的古气候条件生物生产力较高陆源碎屑输入水平较低咸水的还原环境有利于有机质保存 富有机质页岩的形成是个复杂的过程古气候条件、化学风化强度、氧化还原环境、古生产力水平、陆源碎屑输入、火山活动和构造运动等多种机制均影响富有机质页岩的形成 罗锦昌的研究显示古生产力水平是吉木萨尔凹陷吉页 井区芦草沟组二段有机质富集主控因素 张钰莹的研究则表明上扬子地区下寒武统牛蹄塘组有机质富集主控因素为缺氧还原环境 和 等对川东南地区 井和 井五峰组龙马溪组沉积环境进行了研究同时明确氧化还原环境、古生产力和陆源碎屑输入共同控制该地区有机质富集 总结前人的研究成果可以明确有机质富集主要受 种因素控制:高古生产力水平提供丰富的沉积有机质供给缺氧还原环境有利于沉积有机质保存有机质来源和保存条件共同控制有机质富集该文开展了多种沉积环境参数与 的相关分析由图、可知:古生产力参数/、/与 具有一定的正相关关系这表明高古生产力水平为有机质形成提供了物质基础但/、/与 的相关系数 仅为 和 这说明高古生产力水平对研究区富有机质页岩的形成具有一定的促进作用但并非主控因素由图 可知:古盐度参数/与 具有明显的正相关关系相关系数 为 氧化还原参数和 与 具有极强的正相关关系相关系数 分别高达 和 这说明咸水还原环境为有机质富集提供了优越的保存条件是研究区有机质富集的主控因素 此外由图 可知:古气候参数、化学风化指数、陆源碎屑输入参数 含量与 具有明显的负相关关系相关系数 分别为、和 表明古气候条件、化学风化强度和陆源碎屑输入水平同样影响研究区富有机质页岩的形成 五峰组和下龙马溪组沉积时期古气候温暖湿润较强的化学风化作用为有机质富集提供丰富物质基础造成高古生产力水平有机质在封闭的咸水缺氧环境中得到有效保存陆源碎屑输入水平较低在多种有利条件共同作用下沉积了一套富含有机质、高脆性矿物的优质页岩可作为勘探开发的首选目标 结 论()研究区中龙马溪组和上龙马溪组页岩 值 平 均 为 、脆 性 矿 物 平 均 含 量 为、黏土矿物平均含量为 岩相以富硅泥质页岩相和混合页岩相为主五峰组和下龙马溪组页岩 平均值为 、脆性矿物平均含量为 、黏土矿物平均含量为 岩相以硅质页岩相和混合页岩相为主()古气候、化学风化强度、古盐度、古氧化还原环境、古生产力指标、陆源碎屑稀释等多种沉积环境因素共同影响有机质富集其中氧化还原环境是有机质富集的主控因素 特 种 油 气 藏第 卷图 井多种沉积环境参数与 相关分析 第 期姚天星等:川南自贡地区海相页岩沉积环境及有机质富集主控因素研究 ()五峰组和下龙马溪组沉积时期适宜的古气候条件、咸水缺氧还原环境、高古生产力水平以及低陆源碎屑输入共同作用沉积了一套优质页岩兼具有机质含量高和脆性矿物含量高的特点具备地质“甜点”和工程“甜点”特征是页岩气勘探开发有利目标参考文献:郭伟 冯庆来 等 重庆焦页 井五峰组龙马溪组黑色页岩有机质富集机理 地球科学():.():武瑾 李玮 刘鑫等 四川盆地海相页岩气碳同位素特征及指示意义 特种油气藏 ():():周安富 谢伟 邱峋晰等 泸州区块龙一 小层页岩气勘探开发潜力 特种油气藏 ():():张梦琪 邹才能 关平等 四川盆地深层页岩储层孔喉特征 以自贡地区自 井龙马溪组为例 天然气地球科学 ():():拜文华 王强 孙莎莎等 五峰组龙马溪组页岩地化特征及沉积环境 以四川盆地西南缘为例 中国矿业大学学报 ():():曹涛涛 曹清古 刘虎等 川东地区海陆过渡相泥页岩地球化学特征及吸附性能 煤炭学报 ():():曾维特 丁文龙 张金川等 渝东南黔北地区牛蹄塘组页岩微纳米级孔隙发育特征及主控因素分析 地学前缘 ():/():甘玉青 王超 方栋梁等 四川盆地焦石坝地区五峰组龙马溪组页岩元素地球化学特征及对页岩气开发的意义.石油实验地质 ():():霍建峰 高健 郭小文等 川东地区龙马溪组页岩不同岩相孔隙结构特征及其主控因素 石油与天然气地质():():唐书恒 郗兆栋 朱卫平等 上扬子地台上奥陶统五峰组页岩有机质聚集主控因素 煤炭学报 ():():吴蓝宇 胡东风 陆永潮等 四川盆地涪陵气田五峰组龙马溪组页岩优势岩相 石油勘探与开发 ():():杨光 田伟志 吕江等 威远构造 区块龙马溪组龙亚段页岩气储集层岩石学特征 特种油气藏 ():():():段玮曾翔蔡进功等 渤海湾盆地东营凹陷沉积环境和古生产力对优质烃源岩形成的控制 以牛庄洼陷沙河街组为例 天然气地球科学():特 种 油 气 藏第 卷 :.():黄兴杨海风王飞龙等 渤海湾盆地渤中凹陷西南部沙三段富有机质泥岩沉积环境及形成机理 天然气地球科学():():赵少泽李勇程乐利等 渤海湾盆地沧东凹陷沙河街组烃源岩特征及沉积环境 断块油气田():():/:():丁江辉 张金川 石刚等 皖南地区上二叠统大隆组页岩沉积环境与有机质富集机理 石油与天然气地质():():罗锦昌 田继军 马静辉等 吉木萨尔凹陷吉页 井区二叠系芦草沟组沉积环境及有机质富集机理 岩性油气藏():.():印森林李弘林许长福等 吉木萨尔凹陷芦草沟组混积岩元素特征及水平井导向控制技术 长江大学学报(自然科学版)():()():宋到福王铁冠张迈等 冀北坳陷双洞背斜铁岭组沥青的有机地球化学特征及其地质意义 长江大学学报(自然科学版)():()():张钰莹 何治亮 高波等 上扬子区下寒武统富有机质页岩沉积环境及其对有机质含量的影响 石油实验地质():():赵一波李胜利周练武等 近源河流相辫状河曲流河微相转换沉积特征及控制因素 以刘官庄油田馆陶组三段为例 东北石油大学学报():():蔡媛 孔祥鑫 姜在兴等 潜江凹陷古近系盐间地层沉积环境与有机质富集 以潜江组三段下亚段 号韵律为例 石油学报 ():():编辑 朱雅楠