彭水及邻区五峰—龙马溪组成烃生物特征及意义

杨振恒 ，翟常博，邓 模 ，鲍云杰，张培先，张庆珍，谢小敏

（1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡214126；2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，江苏无锡214126；3.中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，江苏南京210011）

页岩气是指主要以吸附态、游离态赋存于富有机质页岩层中的天然气，是“自生自储”的天然气资源[1-3]。我国在四川盆地及其周缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组、页岩气勘探开发中取得突破，发现了焦石坝等页岩气田[4-5]。随着研究和勘探的深入，四川盆地外围的常压页岩气也取得了较大进展，引起大家的关注[6-8]。常压地层压力系数为0.9～1.3，产层为正常压力系统的页岩气藏，以彭水地区及邻区为代表。目前，彭水及邻区页岩气研究主要集中在五峰—龙马溪组黑色页岩形成的沉积相、地化特征、矿物储层以及富集高产规律等方面[6-10]。针对彭水及邻区五峰—龙马溪组成烃生物特征等方面还缺乏深入系统的研究。

有研究表明，成烃生物直接决定生烃潜力，而成烃生物也是储层发育的控制因素之一[11-12]。对于彭水及邻区五峰—龙马溪组优质页岩来说，由于缺乏陆生高等植物，分散有机质常以水生低等藻类生物及其腐泥化产物为主，并且经历了较强的后期热演化改造过程，导致其原始结构遭到严重破坏，高过成熟作用也使得显微组分的光性特征趋于一致，因此，对于其显微组分研究受到较大程度的限制。该区主要通过有机显微组分和扫描电镜观察，对彭水及邻区典型取心井（PY1井等）上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩成烃生物进行系统的镜下观察、分类和研究，进一步探讨不同层段的成烃生物组合特征，并探讨成烃生物对生烃和储层发育的控制作用，以期为该地区页岩气的勘探和开发提供基础性理论支撑。

1 区域地质特征

彭水区块处于川东南—湘鄂西“槽—档”过渡区，构造形态以NE向复向斜和复背斜相间分布为主[8，10]。该区域主要发育了道真向斜、武隆向斜、桑柘坪向斜（图1）。区内地层层系发育较全，基底为前震旦系板溪群浅变质岩，上覆盖层除局部缺失泥盆系、全区缺失石炭系、白垩系、第三系外，从震旦系至侏罗系其他沉积地层总厚度近万米。

图1 研究区域位置Fig.1 Location of research area

其中，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩是目前研究的主要层段。以区内典型井PY1井为例，志留系下统龙马溪组（S1l）上部为灰色泥岩夹粉砂质泥岩，中下部为深灰色泥岩及灰黑色页岩，底部为灰黑色含碳质页岩；奥陶系上统为五峰组（O3w）黑色碳质页岩。PY1井下志留统龙马溪组中下段—上奥陶统五峰组TOC值大于2.0%的层段累计厚度为26 m，是页岩气勘探和开发的主要层段，Ro主要介于2.45%～3.00%，平均为2.70%，已处于过成熟阶段（图2）。

图2 PY1井五峰—龙马溪组有机地球化学特征Fig.2 Organic geochemistry characteristics of well-PY1 in Wufeng-Longmaxi formation

2 样品、实验方法及分类

2.1 样品及实验方法

该次研究主要是通过全岩光片有机显微组分和扫描电镜观察，样品主要来自彭水及邻区典型取心井（PY1井和LY1井等）上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩。光薄片有机岩石学测试根据标准SY/T 6414—1999《全岩光片显微组分测定方法》，采用徕卡公司DM4500P高级偏光显微镜进行测试；扫面电镜成烃生物识别根据标准SY/T 5162—2014《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》，采用FEI公司QUANTA 200环境扫描电子显微镜进行研究，上述实验主体在中国石化无锡石油地质研究所实验中心完成。

2.2 有机显微组分分类

根据全岩光片有机显微组分和扫描电镜观察，结合川东南五峰—龙马溪组优质页岩热演化程度高的特征，并参考前人的研究成果，将有机显微组分划分为有形态有机质和无形态有机质[13]。其中有形态有机质划分为藻类体（结构藻、层状藻、底栖藻）、细菌（硅质细菌和钙质细菌等）和动物碎屑（笔石、几丁石、有孔虫、放射虫和海绵骨针等）3类组分；无形态有机质主要指生烃过程中产生的次生组分，包括无定形体、微粒体及沥青等组分（表1）。该次成烃生物主要研究有形态组分中的显微组分，有形态组分主要为那些经过凝胶化作用或者其他热演化作用之后还保留了生物的一些结构或者形态痕迹的显微组分。

3 结果讨论

3.1 成烃生物识别

3.1.1 藻类体

藻类体是彭水及邻区五峰—龙马溪组黑色页岩系中最主要也是最常见的一种类型。根据综合形态和来源，将藻类体进一步划分为结构藻类体、层状藻类体和宏观底栖藻类体3类。结构藻类体的母源主要为浮游藻类和疑源类，层状藻类体的母源主要为浮游藻类，宏观底栖藻类体的母源主要为底栖藻类（图3）。浮游藻和疑源类化石形态多样，有呈瘤面椭球状、光面球状等众多形态，在反射光下能见到部分内部平滑均一，边缘平整或者呈现锯齿状；偏光显微镜下，底栖宏观藻保存极差，多为碎片形态。

图3 藻类体Fig.3 Alginite

表1 川东南五峰—龙马溪组优质页岩有机显微组分分类（据参考文献[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 动物碎屑

动物碎屑有机质主要由海洋浮游动物原地沉积转化而来。彭水及邻区五峰—龙马溪组黑色页岩中存在大量笔石、有孔虫、几丁虫及放射虫等化石。笔石化石呈长条状，内部可见生烃后的微孔；有孔虫呈圆形或者椭圆形，具迷宫状构造；几丁虫呈长颈瓶状、壶状或圆筒状等；放射虫具球形、梨形或圆盘形，呈放射状。这些动物化石有些只含有碳质物质，有些则同时含有碳质和硅质（或钙质）矿物（图4）。

图4 动物碎屑Fig.4 Animal debris

3.1.3 细菌

通过扫描电镜精细观测，在彭水及其邻区五峰—龙马溪组黑色岩系中，于其底部硅质页岩中发现了细菌状化石，直径100～800 nm，形态不一，具有细菌的大小和形状，有机碳含量丰富，大部分细菌含硅，部分含灰质，认为可能是原生的、具有细菌生物结构的微生物小球体。这类细菌状化石可以赋存于石英颗粒表面、石英颗粒间，甚至嵌入石英颗粒中（图5）。

图5 细菌化石Fig.5 Bacterielles fossil

3.2 成烃生物组合特征

3.2.1 不同层段页岩成烃生物组合特征

烃源岩中成烃生物的组成特征是划分烃源岩有机相，进而准确评价烃源岩品质的重要研究内容。以PY1井为例，该井五峰—龙马溪组富有机质页岩层成烃生物类型有浮游藻类、细菌、笔石、几丁虫、有孔虫等，彭水及邻区五峰—龙马溪组页岩具有多重母质分布的特征，说明成烃生物所指示的干酪根类型为混合型。根据现代藻类热压模拟实验和含单一成烃生物的实际油页岩样品热解实验研究表明，浮游藻类相当于Ⅰ型干酪根生烃潜力，底栖藻类相当于Ⅱ型干酪根生烃潜力，其他成烃生物的生烃潜力还需要深入研究[11-12]。

通过对PY1井和LY1井页岩TOC与成烃生物的对比研究，认为区内五峰组—龙马溪组黑色页岩层有机质丰度呈两段式分布，下段TOC≥2.0%层段成烃生物主要由浮游藻类、笔石、疑源类和细菌类等组成，上段TOC≤2.0%层段则主要以笔石和底栖藻类为主，少见其他成烃生物。下段与上段相比，成烃生物更具多样性，并且具有较高的丰度和分异度。

3.2.2 区域成烃生物对比

焦石坝地区五峰—龙马溪组富有机质黑色页岩（TOC≥2.0%）成烃生物主要由浮游藻类、笔石、疑源类和细菌类等组成，TOC与笔石多样性、丰度具有良好的正相关关系[14]。另外，五峰—龙马溪组富有机质黑色页岩中还可以见到放射虫和海绵骨针等化石[15]。在该次研究中，彭水及邻区五峰—龙马溪组优质页岩（TOC≥2.0%）段主要识别出来的成烃物质类型为浮游藻、疑源类、细菌和笔石等。另外在PY1井五峰—龙马溪组优质页岩中见到了有孔虫等化石。彭水—南川与焦石坝五峰—龙马溪组富有机质页岩段主体成烃生物组合没有明显差别[13]，在焦石坝地区发现海绵骨针等化石，在彭水及邻区发现了有孔虫等，这种差别推测可能是沉积微相差别引起。

3.3 成烃生物生烃特征

研究区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色富有机质页岩层主要发育在五峰组和龙马溪组底部。页岩气的商业性富集主要取决于TOC≥2.0%层段的规模。黑色页岩层下部TOC≥2.0%成烃生物主要由笔石、浮游藻类、疑源类和细菌类等组成。笔石等成烃生物多样性、丰度与TOC和含气性具有良好的正相关关系。在五峰—龙马溪组黑色页岩中，通过扫描电镜观测到笔石局部发育纳米级孔隙，这些生烃后留下的孔隙也是生烃贡献的直接证据（图6）。天然页岩中分离出来的笔石（等效镜质体反射率为1.10%）热解参数显示有机碳含量很高，说明笔石对页岩总有机碳含量具有直接的贡献作用[13]。

图6 PY1井笔石生烃孔及LY1井有机质微孔Fig.6 Hydrocarbon-forming pore of graptolite of well-PY1 and micropores of organic matter of well-LY1

另外，该地区五峰—龙马溪组富有机质页岩层成烃生物类型多样，成烃生物具有多重母质分布的特征。根据前人研究[11-12]，成烃生物为浮游藻类的有机质生烃潜力更大，有机质类型为Ⅰ型；成烃生物为底栖藻类的有机质生烃潜力相对较小，有机质为Ⅱ型；动物形成的有机质为Ⅲ型有机质。该地区成烃生物所指示的干酪根类型为混合型，因此，需结合多方面的数据才能准确判断其生烃潜力和品质。

3.4 成烃生物对储层的控制作用

成烃生物不仅是油气来源，而且它经过复杂热演化作用后，是储集空间发育的主要载体。国内外页岩气勘探开发实践已证实，有机质孔隙是页岩气储集的重要场所，主要表现在有机孔量与TOC、含气性之间良好的正相关性[9，13，15]。有机质孔隙主要发育2种类型：一是原始有机孔，如笔石内部孔隙，藻类细胞间的孔隙等；二是次生有机孔，如固体沥青裂解生气的孔隙。在高过成熟阶段，有机孔主要发育在残留的固体沥青中。在不同有机质表面所发育的有机孔大小不等，形态各异，分布位置和密度也不同，还可以看到笔石生烃后留下的孔隙（图6）。

另外，LY1井发现富硅富有机质层段含有硅质生物，即放射虫的碎屑和残体。多项研究表明，川东南五峰—龙马溪组富硅富有机质层段硅质主要成因之一为生物质成因[16-19]。大量生物硅的存在使该段具有相对较高的脆性，为工程压裂高产提供有利条件。

4 结论

1）彭水及邻区五峰—龙马溪组页岩主要成烃生物类型有藻类体（浮游藻、疑源类、底栖藻等），动物碎屑（笔石、几丁虫和有孔虫）和细菌等，具有多重母质分布的特征。在纵向上，下段（TOC≥2.0%，富含浮游藻、疑源类、笔石和细菌等化石）与上段（TOC≤2.0%，含底栖藻和笔石等）相比，成烃生物更具多样性，并且具有较高的丰度和分异度。

2）成烃生物是油气的主要来源，其多样性、丰度与TOC和含气性具有良好的正相关关系，镜下能直接观察到成烃生物生烃后留下微孔的证据。富有机质层段发育大量有机孔，这说明成烃生物经过复杂热演化作用后，是储集空间发育的主要载体。另外，生物硅的发育提升了页岩段的脆性，为工程压裂后高产提供了可能。

3）彭水及邻区五峰—龙马溪组富有机质页岩（TOC≥2.0%）下段成烃生物主要以笔石、疑源类、浮游藻类及细菌为主，具有较高的丰度和分异度，在生烃演化过程中生气量充足，并生成大量有机孔，源储耦合较好，是最佳的“甜点”层段。

4）彭水及邻区五峰—龙马溪组成烃生物特征是基础性、探索性的研究方向。扫描电镜下观察高过成熟页岩成烃生物化石困难很大，建议持续跟踪研究，多积累经验和资料，以期这一研究方向在勘探开发中发挥更大的作用。