富有机质页岩生物成因石英的类型及其耦合成储机制——以四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组为例

管全中，董大忠，张华玲，孙莎莎，张素荣，郭雯

（1.成都理工大学能源学院，成都 610059；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；3.休斯顿大学，休斯顿 77004；4.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院，西安 710018）

0 引言

页岩气是一种自生、自储、自封的非常规油气资源，需要进行“地质甜点”和“工程甜点”相结合的综合评价方式优选效益“甜点区”[1]。中国在四川盆地及周缘的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩中已实现了页岩气大规模商业性开发，为中国天然气供给提供了有利支撑[2]。作为唯一一套工业化开发的海相页岩，前人针对五峰组—龙马溪组页岩做了大量研究，包括富有机质页岩的沉积模式[3]、储集层定性与定量表征[4]、富集高产主控因素[5-6]和资源评价[7]等方面，提出了“两类富集模式”和“四大主控因素”的认识[3]。这些研究多聚焦于 TOC值大于 2%的优质页岩层段的形成机理和富集特征，并没有深入分析优质页岩储集层内部的耦合成储机制。

页岩成分复杂，但石英是页岩中常见的矿物成分之一，也是指示页岩储集层可压裂性的重要参数[8]，对页岩成储至关重要。富有机质页岩中除包括陆源输入石英外，还包括生物成因和黏土矿物转化石英等[9]。由于泥页岩局限流动性，黏土矿物转化石英存在于黏土基质中。生物成因石英的形成与有机质富集联系紧密，贯穿整个页岩“生烃—成藏”演化过程，控制页岩气富集和高产。北美优质页岩富含生物硅质，Woodford页岩生物硅质含量为 7.7%～31.0%，占总硅质含量的30.8%～84.7%[10]；Haynesville页岩生物硅质含量约为5%～15%[11]。前人虽对页岩中的石英做了大量研究，但主要聚焦于镜下识别、半定量表征和储集改造作用等，未能深入探讨生物成因类型、机理及其作用[8-14]。本文以四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中生物成因石英为研究对象，通过大量实验分析其产状特征、形成机理等，在此基础上探讨五峰组—龙马溪组优质页岩的动态成储机制，为后期深层页岩气勘探提供借鉴。

1 研究区概况及分析方法

1.1 研究区概况

四川盆地位于中国西南部，是一个大型富气叠合盆地。中国唯一实现工业化开发的五峰组—龙马溪组页岩气层主要发育于四川盆地，目前已发现川西南中部的威远和威荣页岩气田、川南边缘的长宁和昭通页岩气田以及川东地区的涪陵页岩气田，页岩气累计产量达 791×108m3[12-13]。目前开采层段主要集中在五峰组—龙马溪组一段，产层厚度20～40 m，TOC值普遍大于2%，石英等脆性矿物含量大于40%，为深水陆棚相沉积。五峰组至龙马溪组一段沉积时期，由于华夏地块与扬子板块的挤压作用变弱，古地理格局相对稳定，形成了以川中古陆、黔中古陆和湘鄂西水下隆起三面环绕、开口向北的半封闭海湾，沉积中心主要分布在现今的泸州—自贡和焦石坝—石柱一带（见图1）。两个沉积中心由于物源和相对构造位置等不同，页岩岩性存在差异，长宁、威远、昭通页岩气田的优质页岩以含钙硅质页岩或钙质硅质混合页岩为主，涪陵页岩气田则以硅质页岩为主[1]。

图1 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩沉积特征（据文献[3]修改）

1.2 样品及分析方法

岩心样品取自长宁和威远页岩气田典型井。实验测试主要包括TOC值测定、有机质抽提、物性分析、低温氮气吸附实验、全岩X射线衍射分析（XRD）、主微量元素分析、稀土元素分析（REE）、X射线荧光光谱分析（XRF），以及普通光学显微镜观察、大薄片拼接、多种扫描电镜组合分析等。分析测试项目在国家能源页岩气研发（实验）中心、中国科学院地质与地球物理研究所、核工业北京地质研究院、南京大学等单位完成。

2 生物成因石英类型及形成机理

石英是页岩脆性矿物的主要成分之一，五峰组—龙马溪组优质页岩中石英含量超过 40%。石英包括盆外陆源供给的碎屑石英和盆内自生石英（如黏土矿物转化、生物成因和热液成因等）两大类，而富有机质页岩中碎屑石英含量低，与黏土转化的自生石英主要赋存在黏土基质中，较少直接参与优质页岩“生烃—成藏”过程。因此本文仅讨论生物成因石英。

2.1 石英类型

普通光学显微镜结合多种扫描电镜成像及能谱分析认为，四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中生物成因石英可划分为两种类型。

2.1.1 Ⅰ类石英

Ⅰ类石英主要发育在硅质页岩、钙质硅质混合页岩中，是由大量亚微米级微晶石英构成的石英集合体，主要充填在海绵骨针、有孔虫、放射虫等生物壳体及体腔边缘（见图 2a、图 3a）。这类石英在普通光学显微镜下无法观察单个晶体形态，集合体整体呈圆形或椭圆形，与充填的体腔相关，部分与黄铁矿共生（见图2b）。通过背散射和二次电子成像显示其主要由粒径小于3 µm的石英组成，石英晶体一般为半自形—自形，之间界限模糊，攒簇为一体（见图2c、图3a）。

图2 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩生物成因石英类型及特征

2.1.2 Ⅱ类石英

Ⅱ类石英主要发育在硅质页岩或钙质页岩中，在未抛光的扫描电镜下观测为“粉末状”颗粒堆积体（见图 2d、图 3d）。氩离子抛光扫描电镜和氦离子扫描电镜下都可观察到这类石英，主要由隐晶质纳米级石英组成，整体漂浮在有机质上（见图 2e、图 3d），呈椭球形或球形，相互之间呈点接触或无接触，整体粒径小于100 nm（见图2f）。

图3 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩生物成因石英能谱分析

2.2 石英成因及形成机理

前述石英类型均为自生成因，而自生石英的硅质来源较为广泛[14]，主要包括：生物硅质溶解、海底热液硅质输入、黏土矿物转化释放硅质、火山作用释放硅质、碎屑石英的压溶作用、长石的蚀变等。因此，需要综合多种手段进行分析，本文采用主微量元素、稀土元素分析并结合镜下观察综合研究。

陆源硅酸盐沉积物中微量元素 Zr稳定存在，与SiO2含量呈正相关关系，是指示陆源硅质和生物硅质来源的重要参数。在海相沉积物中，主量元素Al、Fe、Mn不受后期成岩作用和风化作用的影响，能够有效地辨别硅质生物成因和热液成因的地球化学指标[14]。通过威远气田典型井优质层段主量元素分析，结合长宁和涪陵气田的研究成果[15-17]，发现四川盆地五峰组—龙马溪组优质页岩石英总体以生物成因为主，但部分页岩层段存在差异（见图4），石英的成因也存在一定的区别，可能受到热液作用的影响，与前人对涪陵页岩的研究结果相一致[14]。

图4 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩石英成因判别图版

2.2.1 Ⅰ类石英

Ⅰ类石英为存在于生物体腔或有机质边缘的亚微米级石英，部分与黄铁矿共生，全部来源于生物硅。五峰组—龙马溪组沉积早期，火山活动频繁，火山灰所携带营养物质引起富硅的放射虫、海绵骨针和有孔虫等浮游生物勃发[18]。大量研究发现龙马溪组底部页岩（尤其是Persulptograptus persulptus至Parakidograptus acuminatus笔石带）有机质主要以浮游藻类、疑源类、细菌和固体沥青等非动物碎屑为主，占总显微组分的70%～80%，动物碎屑以笔石为主，存在部分海绵骨针、放射虫和几丁虫等[19]，表明当时沉积水体孕育了丰富的放射虫和海绵等富硅浮游生物。加之富有机质页岩沉积于深水陆棚的厌氧—贫氧环境（部分层段为硫化环境），有利于生物硅质的富集与保存。这些富硅生物的原始矿物成分一般为蛋白石-A，是一种无序的非晶质矿物，分子式为SiO2·nH2O，为不稳定矿物。在埋藏成岩过程中，由于温度和压力的作用，蛋白石-A向蛋白石-CT转化，逐渐形成高硬度结构的隐晶质和微晶石英的集合体[3,20-21]（见图5a）。五峰组—龙马溪组页岩中Ⅰ类石英粒径与前人研究的蛋白石磷球及其重结晶产物的大小一致[22]，进一步表明该类石英为生物成因硅质，主体来源于富硅生物的转化。部分页岩层段观察到Ⅰ类石英与黄铁矿共生于有机质内，主要是由于硅质转化过程刚好处在硫酸盐还原区域，转化形成的孔隙中的Fe2+与释放的S2-接触形成黄铁矿沉淀。反应方程式如（1）式和（2）式：

图5 四川盆地五峰组—龙马溪组生物成因石英背散射扫描电镜图片

黄铁矿与Ⅰ类石英共生反映了成岩过程中形成了大量的开放孔隙，生物硅质转化与黄铁矿化在富硅生物内同时进行。

2.2.2 Ⅱ类石英

主量元素Al-Fe-Mn三角图版虽揭示五峰组—龙马溪组一段石英主体为生物成因，但威远地区五峰组和龙马溪组底部部分样品出现偏移，接近热液硅质成因区域（见图4b）。前人研究揭示现代海底热液硅质沉积是由于上涌的高温热流体与上部冷海水混合冷却作用导致过饱和的无定型硅质析出[23]。这种热液成因硅与其他环境下的硅质岩在形态和结构等方面存在明显的差异，其形态主要为海绵状或蜂窝状，扫描电镜下主体为纳米级隐晶质硅质颗粒。

五峰组—龙马溪组页岩中Ⅱ类石英与前述热液成因硅质部分类似，结合镜下观测和地球化学分析认为，Ⅱ类石英是生物成因为主，热液硅质的作用受限，且该层段厚度小。威远地区 W201井五峰组—龙马溪组页岩稀土元素经北美页岩标准化分析，部分页岩层段不具有明显的低总稀土含量、负Ce异常和正Eu异常的特征（见图6），表明热水沉积作用影响小。富硅生物的溶解液可能混合海底的少量硅质热液充填于海绵骨针或放射虫等生物腔体或者赋存在有机质表面，有机质生排烃过程中释放的有机酸和富硅生物溶解等过程造成聚硅酸过饱和沉淀，经过细菌作用（如硫酸盐还原菌）形成纳米级硅质球粒，经化学吸附作用最终赋存在有机质表面[20-24]（见图5b）。因藻类外壁具有复杂的类脂成分[25]，可以有效地防止生物降解和化学溶解，最终也可形成纳米级硅质球粒赋存在藻类体腔。

图6 威远地区W201井五峰组—龙马溪组页岩稀土元素北美页岩标准化分析图

3 生物硅质石英的分布特征

优质页岩厚度大、分布连续，水平井钻遇率高，后期分段压裂改造体积大，页岩气井的初始产量和最终可采储量大[26]。生物硅质石英含量既可直接表征所在层段的可压裂性，又可间接揭示其内部有机质的富集程度，是优质页岩分布的重要参数指标之一。因此，生物硅质石英含量的定量表征十分重要，可利用平均页岩的Si与Al含量的比值3.11进行计算[27]，计算出的过量硅含量即为生物硅质石英的含量[15-17]。

通过对长宁、威远、涪陵地区典型剖面和钻井研究发现，四川盆地五峰组—龙马溪组生物硅质含量整体向上逐渐递减，分布在 30%以内，但占总硅质含量高，最高可达 91.3%（见表 1）。富硅质页岩主要集中在五峰组—龙马溪组底部10～40 m，纵向上分布相对稳定，局部地区存在差异（见图7）。涪陵地区JY1井[16]和JY2井[17]生物硅质含量为0.17%～32.6%，平均值为13.3%，较长宁[15]和威远区块（0～28.9%，平均值5.1%）高约4%～12%，分析认为是富有机质页岩沉积环境差异导致。川南地区五峰组—龙马溪组一段主体沉积在深水陆棚相，中部部分发育钙质页岩，生物沉积硅质不足。川东南地区主体沉积在深水陆棚相，火山活动导致的部分海底上升洋流引起海水富含硅质和各类营养物质，促使整个层段硅质页岩更加发育。因此，涪陵地区富生物硅质页岩厚度（30～40 m）大于长宁和威远地区（10～20 m）。测试产量大于20×104m3/d的高产层段[26]与富生物硅质页岩发育段具有良好的一致性（见图7），约占其厚度的62%～80%，追踪富生物硅质页岩的空间向展布对勘探开发具有指导意义。

表1 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩生物成因硅质参数表

图7 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩生物硅质纵向展布特征

4 生物成因石英的耦合成储机制

4.1 Ⅰ类石英对孔隙形成的作用

Ⅰ类和Ⅱ类石英形成过程中，富硅质浮游生物的胞囊优先溶解形成残余的内部腔体，这种腔体空间较大，一般几十微米至几百微米（见图2e、图3a、图5a），往往被同沉积的原地有机质充填。因此，富硅质浮游生物既是生烃母质，又为有机质的保存提供了良好的空间。页岩富集的生物硅含量与有机质含量呈正相关关系（见图8），可以间接指示有机质含量。

图8 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩生物硅质含量与有机质含量关系图

体腔内富集的大量有机质和Ⅰ类石英为后期有机质孔隙大量发育提供保障。前人认为与钙质页岩和黏土质页岩相比，硅质页岩具有高排烃效率和高固体沥青产率，主要与石英矿物对可溶有机质吸附性差、脆性高易形成微裂缝等有关[28]。有机质生排烃过程中形成大量的蜂窝状纳米级孔隙，固体沥青二次裂解不仅能发育有机质孔隙，其自身的流动网络更是良好的运移通道[29]。对威远地区 2口井五峰组—龙马溪组不同岩性的页岩进行有机质抽提，在同等条件下进行全岩和抽提有机质的低温氮气吸附对比实验，归一化结果表明，硅质页岩有机质孔隙比表面积和孔体积占比最高，分别为12.53%～43.81%和18.46%～23.32%；其次为钙质页岩，有机质表面积和孔体积贡献为 7.71%～12.85%和5.48%～7.76%，黏土质页岩有机质的占比最小（见表2）。因而，生物成因硅对孔隙的形成具有良好的促进作用。

表2 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩有机质孔隙占比统计表

4.2 Ⅰ类和Ⅱ类石英对储集空间的作用

由于两类生物硅质石英对孔隙具有良好的保存作用和优质的成缝能力，优质页岩层段具有相对较高的孔渗特征。Ⅰ类石英主要形成于成岩早期，在有机质大规模生烃之前，富硅质浮游生物壳体发生固化，形成高硬度晶态结构（见图3a）。这种刚性格架由摩氏硬度达7.0的石英矿物组成，抗压能力强。因此，生烃阶段开始时，早期赋存在腔体内的有机质形成的孔隙可得到良好的保存，滞留原油在后期二次裂解所形成大量的有机质孔隙也可受到刚性骨架的保护。生排烃释放的有机酸和细菌会使Ⅱ类自生石英大量生成，镜下观测到部分发育在蜂窝状有机质孔隙中，增强有机质孔隙的抗压实能力（见图9a）。排出的原油运移至低势区的粒间孔隙内，后期再次裂解形成“腔体-固体沥青-残余粒间孔”良好运移通道。

石英是高脆性矿物，易破裂形成裂缝[30]。裂缝形成机理主要包括生烃增压、构造活动和成岩作用等[31]。五峰组—龙马溪组页岩有机质中Ⅰ类石英形成早，经历了生烃增压和多期构造活动等作用；Ⅱ类石英形成于大规模生烃阶段，经历了多期构造活动。因此五峰组—龙马溪组页岩段构造缝发育。通过大薄片拼接技术表征整个薄片已充填微裂缝的发育特征发现，同等应力场环境下生物硅富集的页岩层段微裂缝较发育。镜下观测威远地区富生物硅质页岩微裂缝密度为 6～12条/cm，最高可达20 条/cm。运用XRF对页岩薄片的硅元素进行半定量分析，生物硅整体含量高且分布相对均匀的薄片中充填微裂缝较发育。薄片整体由底部向顶部生物硅含量与TOC值呈递减趋势。顶部生物硅含量相对较低，微裂缝发育少、以顺层缝为主。中、底部层段生物硅含量高且分布均匀，微裂缝十分发育且部分充填钙质矿物，形成了中、底部整体硅质含量相对低的“假象”。薄片中、底部整体以低角度斜交缝和顺层缝交替发育，缝宽大、贯穿多个纹层，大大增加了页岩储集层的储集空间（见图9b、图9c）。

图9 威远气田W202井五峰组—龙马溪组生物成因石英对储集空间的作用

4.3 Ⅰ类和Ⅱ类石英对储集层可压裂性的影响

与常规储集层相比，页岩储集空间以纳米级孔隙为主，储集层内部裂缝发育局限且难以大面积沟通基质孔隙，需要借助水平井分段压裂技术形成复杂裂缝系统，改善储集层渗流能力，成为经济可采的“人造气藏”[32]，因此页岩储集层的可压裂性是页岩气大规模开采的前提。

五峰组—龙马溪组页岩中Ⅰ类和Ⅱ类石英均赋存在有机质中，具有生物硅质格架孔-有机质孔-微裂缝三者共生的特点，容易形成“有机质孔-网状裂缝”渗流系统，能够有效地改善储集层的造缝能力。Ⅰ类微晶石英结合紧密，与有机质界限清晰，在外力作用下容易沿接触的薄弱面形成滑脱缝[33]，大面积沟通生物硅质格架孔和有机质孔（见图 3a、图 5a）。Ⅱ类纳米级石英较均匀地镶嵌在有机质中，石英颗粒之间呈点接触或面接触。Hertz的接触理论认为在相同载荷下，矿物颗粒粒径越小，矿物接触点应力越大[34]，因此相同外力作用下刚性颗粒间易相互错动形成裂缝（见图2f、图5b）。Ⅱ类石英自身的粒间孔十分发育，与有机质孔和人工裂缝相互耦合成更加高效地渗流通道。

5 结论

四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中生物成因石英有两种类型，Ⅰ类为直径小于3 µm的亚微米级石英，半自形—自形结构，颗粒攒簇呈石英集合体，主体分布在有机质边缘，界限清晰，是富硅浮游生物硅质溶解转化形成；Ⅱ类为直径小于100 nm的纳米级石英，球形或椭球形“漂浮”在有机质上，颗粒间呈点接触或面接触，均匀分布，界限模糊，以生物硅质成因为主，无明显热液硅质输入特征。

五峰组—龙马溪组页岩生物成因硅质纵向上分布连续，集中分布在底部20～40 m层段，生物硅质总体含量低于 30%。由于四川盆地内富有机质黑色页岩沉积环境的不同，川南和川东地区在生物硅质含量和厚度上存在差异，川东地区生物硅质含量相对较高且厚度较大。

Ⅰ类石英集合体形成早、抗压能力强，内部粒间孔和有机质孔得以保存，受外力作用与有机质之间容易形成滑脱缝。Ⅱ类石英粒间孔十分发育，自身点接触或面接触，易错动形成微裂缝。这两类石英结合在一起与有机质孔隙相互耦合形成“生物硅质格架孔-有机质孔-微裂缝”的高速运移通道，压裂过程中能更好地形成有效渗流通道，有利于页岩气井高产、稳产。

致谢：感谢中国科学院南京地质古生物研究所李保华研究员和中国石油勘探开发研究院邓胜徽教授级高工给予古生物识别方面的指导。