页岩地球化学特征分析

1)有机质丰度

有机质丰度是指单位质量岩石内所含有机质的数量。 在其他条件相近的前提下,岩石中原始有机质含量(丰度)越高,其生烃能力越强。 目前,衡量岩石中有机质的丰度所用的指标主要有总有机碳(TOC)、氯仿沥青“A”、总烃和生烃潜量(S1+S2),但对于高-过成熟的页岩,由于受岩石生烃、排烃作用的影响,氯仿沥青“A”、总烃和生烃潜量等指标难以准确指示页岩原始生烃能力。 而总有机碳含量是指岩石中有机碳占岩石质量的百分比,虽然随着有机质热成熟作用的进行,总有机碳是减少的,但研究表明岩石质量在演化过程中也是逐渐减小的,因此,总有机碳含量可以近似代表岩石原始有机质丰度,是评价烃源岩及其原始生烃能力的有效指标。

(1)有机碳含量

根据渝东南地区7 口井336 块岩心样品实测的有机碳含量数值可以得出,研究区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩有机碳含量变化范围较大,分布在0.218% ~8.49%,平均为1.61%。 其中,有机碳含量大于1%的样品有195 个,占总数的58.04%;有机碳大于2%的样品有94 个,占总数的27.98%;有机碳大于3%的样品有55 个,占总数的16.37%(图6.29),表明研究区该套页岩有机碳含量总体一般。

图6.29　渝东南地区五峰组—龙马溪组页岩有机碳含量(左)和累计分布(右)

按照中国南方地区古生界烃源岩评价等级划分标准(据梁狄刚等,2008,详见表6.8),结合前述提出的有机碳评价标准,烃源岩等级为差的样品有141 个,占总数的46.96%;评价为中的样品有101 个,占总数的30.06%;评价为好的样品有39 个,占总数的11.61%;评价为很好的样品有50 个,占总数的14.31%;评价为极好的样品有5 个,占总数的1.49%。

表6.8　中国南方地区古生界烃源岩评价等级划分标准(据梁狄刚等,2008)

(2)生烃潜量

岩石热解参数分析的功能是定量检测岩石中的含烃量。 其中,总烃含量为S1、S2、S3 的总和,S0 为气态烃含量,代表了C1-C7 的轻烃含量;S1 为游离烃含量,代表已生成但未运移走的液态烃(C7 以后)残留量;S2 代表干酪根可裂解生成的烃含量;S0+S1+S2 代表生烃潜量,可反映源岩的生烃能力。 但是生烃潜量受热演化程度的影响较大,中国古生界海相烃源岩成熟度普遍很高,岩石热解获得的残余生烃潜力通常很低,不能直接反映其原始生烃潜力。 目前,陈建平等(2012)认为可以通过以未成熟-低成熟阶段烃源岩有机质为基础,按有机质类型大类,建立生烃潜量与有机碳含量之间的定量关系,以此来计算高-过成熟烃源岩的原始生烃潜力。

研究区内上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组5 口井264 块页岩岩心样品岩石热解实验分析测试表明,这套页岩生烃潜量一般为0. 03 ~ 0. 23 mg/g,平均为0. 08 mg/g(图6.30)。 表明该套页岩的残余生烃潜量均较低,最大值都达不到0.5 mg/g,这主要是由于烃源岩演化程度过高,随着生成的烃类的运移,S0+S1+S2 含量随之降低。 若参考中国南方地区未成熟古生界烃源岩评价等级划分标准(表6.9),也可推断该区下古生界两套页岩现今生烃能力基本终止。

图6.30　渝东南地区五峰组—龙马溪组页岩不同井生烃潜量分布图

表6.9　干酪根类型与δ13C 分布的关系

陈建平等(2012)以目前可以获得的我国古生界(包括元古宇)海相低成熟烃源岩为基础,按下古生界(包括元古宇)、上古生界泥岩、上古生界含煤沉积(不包括煤)三大类源岩求取有机碳含量(TOC)与原始生烃潜力(Pg)之间的回归关系方程,得出的下古生界生烃潜量计算公式:Pg=5.63×TOC-2.37,按此公式推算研究区在其未成熟-低成熟演化阶段的原始生烃潜力应该为0.45 ~45.43 mg/g(TOC 取烃源岩下限值0.5%和目的层最大值8.49%),平均值为6.69 mg/g(TOC 取目的层平均值1.61%),通过与中国南方地区古生界烃源岩评价等级划分标准表进行对比,表明该套页岩原始生烃潜力较大。

2)有机质类型

由于不同来源、不同环境下发育的有机质生烃潜力和产物性质有很大差别,因此,要客观认识烃源岩的性质和生烃条件就必须对有机质类型进行评价。 有机质的类型既可以由不溶有机质(干酪根)的元素组成特征来反映,也可以由其产物(氯仿沥青“A”)的族组成特征来反映。 但氯仿沥青“A”的族组成不仅受母质类型影响,还受母质的成熟度及运移、次生改造过程的影响;通过干酪根的H/C、O/C 原子比分类的界限是对未成熟的有机质而言,随着成熟度的升高,所有有机质的H/C、O/C 原子比均降低,这时需结合其他指标来鉴别,如干酪根的稳定碳同位素组成(δ13C)和干酪根显微组分。

(1)干酪根碳同位素组成特征

干酪根的稳定碳同位素组成(δ13C)能够表征原始生物母质的特征,次生的同位素分馏效应不会严重掩盖原始生物母质的同位素印记,普遍认为是划分高-过成熟烃源岩有机质类型的有效指标。

不同类型的干酪根,其微观组分也不同,微观组分也是控制页岩生烃能力的主要因素。Schoell(1984)研究了中欧地区数个盆地干酪根碳同位素特征,发现Ⅰ型干酪根δ13C＜-28‰,过渡型干酪根δ13C 为-28‰~-25‰,Ⅲ干酪根δ13C＞-25‰。 黄籍中等(1988)提出了一个更详细的标准(表6.9),并在我国下古生界烃源岩评价中取得了较好的应用效果。

研究区两口井13 块页岩岩心样品干酪跟碳同位素实验结果显示该区五峰组—龙马溪组干酪根δ13C 值为-30.9‰ ~ -28.8‰,平均值为-29.6‰(图6.31),属于腐泥型干酪根(Ⅰ型)。

图6.31　研究区五峰组—龙马溪组主要样品点干酪根δ13C(PDB)分布直方图

(2)干酪根显微组分

干酪根显微组分组成中,镜质组(V)、惰性组(I)和壳质组(E)均系源于高等植物的有机质,其中镜质组(V)和惰性组(I)为典型的Ⅲ型有机质,壳质组(E)为典型的Ⅱ型有机质,而低等生源的藻类体和无定形物质为Ⅰ型有机质。 因此,可以根据各类组分的相对含量来划分有机质类型。 据胜利油田地质院提出的干酪根类型指数(Ti)的概念,用各组分的百分含量进行加权计算:

Ti=(腐泥组×100+壳质组×50-镜质组×75-惰性组×100)/100(www.xing528.com)

根据这个公式可以对有机质(干酪根)类型进行综合评价:当Ti＞80 时为Ⅰ型,0＜Ti＜80为型,Ti＜0 时为Ⅲ型(表6.10)。

表6.10　干酪根类型Ti 划分标准

区内酉地2 井、酉浅1 井、渝参6 井三口井五峰组—龙马溪组页岩35 块岩心样品干酪根显微组分鉴定结果表明,该套页岩样品中检测到大量的腐泥组和少量的镜质组、惰质组等三类常见的有机显微组分,Ti 均大于80,故目的层页岩有机质类型为Ⅰ型(表6.11)。

表6.11　研究区不同地区五峰组—龙马溪组页岩样品显微组分含量分布表

综合两项有机质类型判别指标,认为研究区内五峰组—龙马溪组页岩有机质类型属于Ⅰ型。

3)有机质成熟度

研究区下古生界页岩在沉积后经历了多期次的构造运动,热演化史复杂,页岩热演化程度普遍偏高。 对于烃源岩热演化程度,据张义纲等“七五”研究成果,当成熟度(Ro)＞4.0%时,干酪根已全部芳构化(石墨化),不再有天然气生成;陈正辅等“八五”期间对生油岩的高温模拟实验显示,当Ro＞3.5%时,生气量大幅度减小,而模拟温度超过600 ℃时,相当于Ro=4.0%时,装样玻璃管内出现黑色焦炭类物质,反映生气作用基本终结。 因此,采用生烃基本终止线Ro=4.0%,黑色页岩热成熟阶段划分标准见表6.12。

表6.12　中国南方黑色页岩成熟阶段划分标准(据中石化研究院,2005)

镜质体反射率(Ro)是国际上公认的标定有机质成熟度的一项独立指标,但不适用于下古生界烃源岩(腾格尔等,2007),下古生界页岩缺乏来源于高等植物的标准镜质组,因此无法直接获得镜质体反射率。 国内外学者提出了诸如沥青反射率(Rob)、海相镜状体反射率、牙形刺相对荧光强度等成熟度的判识指标(涂建琪等,1999),其中沥青反射率已成为表征那些缺乏镜质体而含有沥青的海相烃源岩有机质成熟度的一个重要指标(涂建琪等,1999)。 据干酪根镜鉴和有机显微组分鉴定,本次采集的上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩样品富含沥青质,故用换算过的沥青等效镜质体反射率来评价页岩成熟度。

研究区6 口参数井63 块岩心样品实测的成熟度数据表明,该区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩演化程度总体较高,成熟度一般为1.8% ~3.38%,平均为2.56%(图6.32),表明该套页岩热演化程度基本处于高成熟-过成熟演化阶段,页岩已达到生气高峰期,有利于页岩气的充分生成,但页岩在该阶段生烃能力有限。

图6.32　研究区上奥陶统—下志留统各参数井页岩样品成熟度分布直方图

4)页岩地球化学分布特征

纵向上,从渝参4 井和渝参6 井地化剖面图上可以看出该区五峰组—龙马溪组黑色页岩可以分为三段,剖面底部为第一段,其特征是页岩颜色以灰黑、黑色为主,富含有机质,为海进体系域深水陆棚沉积环境,TOC 和生烃潜量最高,是目的层中最好的部分;中部为第二段,为高位体系域浅水陆棚沉积环境,由于沉积环境的变化,页岩有机碳含量明显下降,TOC和生烃潜量最小,为目的层中最差部分;上部为第三段,为又一沉积旋回海进体系域泥质深水陆棚沉积,其特征是TOC 和生烃潜量居中,较第二段好,但比第一段差,是目的层中较好部分(图6.33,图6.34)。 图中五峰组—龙马溪组黑色页岩成熟度纵向上变化不大,其中渝参6 井处于高成熟期,渝参4 井处于过成熟早期。

图6.33　渝参4 井上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩地化剖面图

图6.34　渝参6 井上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩地化剖面图

总体上看,五峰组—龙马溪组黑色页岩有机质丰度在垂向上非均质性较强,变化较大,且底部有机碳含量最高;成熟度在垂向上非均质性较弱,变化不大,主要在高成熟期到过成熟早期。 该套目的层具有一定的页岩气勘探潜力,尤其是底部目的层。

图6.35　研究区五峰组—龙马溪组黑色页岩有机碳平面分布图

从渝东南地区五峰组—龙马溪组泥页岩热演化程度平面图上看,整体变化也不大,主要分布在1.9% ~3.2%,处于高成熟到过成熟期。 页岩热演化程度高值区与泥页岩的沉积中心相对应,高值区分布在庙溪到石家河一带,往东南和西北两方逐渐减小至2.0%左右(图6.36)。

图6.36　研究区五峰组—龙马溪组黑色页岩成熟度等值线图