玛湖凹陷玛页1井风城组富硅页岩成因及其油气意义

雷海艳，齐婧，周妮，陈俊，孟颖，张锡新，陈锐兵

（1.新疆页岩油勘探开发重点实验室，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油 新疆油田分公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000）

硅质页岩是海相页岩油气的优质岩相类型之一[1]，其硅质以生物和热液成因为主[2-3]。硅质的来源、富集及成岩作用对海相页岩有机质富集机理和储集层性质评价具有重要的指示意义[4-6]。陆相页岩中的硅质一般以陆源碎屑为主，自生成因的硅质较少。近年来，在准噶尔盆地二叠系风城组[7-9]、三塘湖盆地二叠系芦草沟组[10]、鄂尔多斯盆地三叠系延长组和松辽盆地白垩系青山组[11]页岩中陆续发现燧石和自生硅质，陆相页岩中的自生硅质逐渐引起关注。2019 年，在准噶尔盆地玛北斜坡区部署的玛页1 井，开辟了准噶尔盆地碱湖页岩油勘探的全新领域，形成了该盆地继吉木萨尔凹陷中二叠统咸化湖盆十亿吨级页岩油发现后，又一个页岩油大规模储量区[12-13]。玛页1井风城组的硅质含量普遍为25%～60%，属于富硅页岩，比中国陆相泥页岩的硅质含量高，且其中发现大量硅质条带和团块，说明风城组泥页岩中大部分硅质为自生硅质。

原始沉积环境中硅质的沉降对有机质的保存极为有利，且在化石中常发现完整的微生物化石，对风城组页岩自生硅质的研究有利于揭示风城组生烃母质类型。众多学者对玛北斜坡区风城组烃源岩发育特征及生烃特征展开了分析，认为风城组碱湖烃源岩主要为富有机质泥岩和藻白云岩，生烃母质以菌类和藻类为主，生烃特征体现在转化率高、连续生烃、多期高峰、生油窗长，不同于传统的湖相烃源岩[14-16]。风城组原油生物标志化合物特征指示生烃母质主要是杜氏藻[17]，但是仅在干酪根中见杜氏藻残片，并未找到杜氏藻大量发育的直接证据。对硅质页岩中生物类型的研究，有望揭示风城组主力生烃母质类型。

陆相地层中的自生硅质具有多种成因，根据形成时间和成岩环境可分为准同生成因、次生交代成因和表生成因[18]，根据物质来源可分为生物成因、热液成因和陆源碎屑成因。风城组碱湖页岩中的硅质，主要有蒸发[7]、生物[8]和次生交代成因[9]。以往研究陆相自生硅质的样品零星分散，较难分析硅质含量对油气生成和储集性能的影响。利用玛页1 井风城组全井段近450 m岩心，通过岩心描述、岩石薄片鉴定、古生物分析、扫描电镜观测、X射线衍射全岩矿物分析、地球化学分析等手段，对玛北斜坡区风城组页岩岩石组合特征进行了剖析。

1 区域地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北部（图1），是盆地最重要的生烃凹陷之一，发育下二叠统风城组碱湖沉积。玛北斜坡区位于玛湖凹陷东北部，处于玛湖凹陷生烃中心和东北斜坡区，位于百口泉冲积扇和夏子街冲积扇的扇间湖泊地带。玛湖凹陷二叠系自下而上发育佳木河组、风城组、夏子街组、下乌尔禾组和上乌尔禾组。早二叠世，准噶尔盆地西北缘处于伸展状态，沉积受控于正断层，发育半地堑结构[19]。

图1 玛湖凹陷构造位置Fig.1.Structural location of Mahu sag

玛北斜坡区风城组发育一套咸化湖盆（半封闭环境）含盐页岩、白云质岩与碎屑岩过渡的混合沉积[20-22]。沉积环境偏碱性，碱性矿物发育，其成因主要是深部热液涌入[23-26]。盆地西北缘乌夏断裂带下盘掩伏带具较好的成藏条件，是油气聚集的有利场所[27-28]。玛北斜坡区风城组不仅是盆地的主力烃源层，也是玛湖凹陷页岩油勘探的主要层位[12-13]。玛页1 井位于原碱湖边缘区，风城组连续取心包含了风一段、风二段和风三段下部，其中，风一段上部、风二段和风三段发育泥页岩，以块状和纹层状为主。

2 富硅页岩分布特征

玛页1 井风城组页岩矿物以长石、石英和碳酸盐为主（图2a），且以长石和石英占绝对优势。其中，石英含量主要为10%～60%，长石含量主要为0～50%（图2b），以斜长石为主。一般湖相泥页岩中，石英和长石代表碎屑矿物组分，受碎屑物质供应强度的影响，变化趋势较为一致，且含量大体相当。如柴达木盆地下干柴沟组上段泥页岩中石英、斜长石和黏土矿物纵向上协同变化，与碳酸盐矿物含量呈反比，90%以上样品石英与斜长石含量之比为0.5～2.0[29]。玛页1井风城组泥页岩石英与长石含量呈负相关关系（图2b），70%以上样品的石英含量大于长石含量，且42%样品的石英与斜长石含量之比超过2.0，甚至有个别样品大于10.0，说明玛页1井除了发育碎屑石英外，还发育自生石英，且其含量与长石含量呈反比。

图2 玛页1井风城组页岩矿物组成特征Fig.2.Mineral compositions of Fengcheng formation shale in Well Maye-1

将X 射线衍射全岩矿物分析结果（图3a）与岩石薄片鉴定结果相结合，发现当石英与长石含量之比大于2.0时，石英含量一般大于30%，长石含量低于20%，样品中发育有丰富的硅质团块、纹层或条带，指示样品富集自生硅质，可划分为富硅页岩（图3b、图3c）。当样品的石英与长石含量之比为0.5～2.0，且含量均为20%～40%时，样品中发育较少硅质团块、纹层或条带，石英以碎屑石英为主，与长石大小相当，岩性主要为粉砂岩或细砂岩（图3d、图3e）。当石英与长石含量之比小于0.5时，一般为火山碎屑岩（图3f）。

图3 玛页1井石英和长石含量与岩性对应关系Fig.3.Correspondence between quartz/feldspar content and lithology in Well Maye-1

通过厘米级岩心描述发现，玛页1 井风城组页岩段岩心共280 m，其中，富硅页岩94 m。选取的239块岩石薄片样品中，硅质含量较高的有77 块，玛页1 井风城组富硅页岩约占泥页岩的1/3。纵向上，富硅页岩主要分布在风三段、风二段中—下部和风一段上部。其中，风三段采样密集，鉴定结果显示富硅页岩与粉砂岩互层，富硅页岩段整体厚度不大。

3 富硅页岩成因

选取25 块自生硅质较为富集的样品做主微量元素分析。SiO2含量为58.35%～91.90%，平均为74.56%，Al2O3、TiO2、CaO 和MgO 的平均含量分别为3.00%、0.15%、5.09%和3.47%（表1）。通过Si过量=Si样品-[（Si/Al）背景×Al样品]以及（Si/Al）背景采用页岩平均比值3.11[30]，计算得出SiO2过量含量亦较高，分布在45.72%～88.57%，平均含量为65.23%，说明上述样品以自生硅质占主导。CaO 和MgO 含量高的主要原因是岩石中白云石和方解石发育。Al2O3含量与TiO2含量呈正相关，SiO2/Al2O3与Al2O3含量呈负相关（图4），说明研究区风城组具有持续的陆源碎屑物质输入，与前人研究结论一致[31]。

图4 玛页1井风城组主量元素氧化物关系Fig.4.Correlation of main elements in Fengcheng formation of Well Maye-1

纯海洋生物成因的硅质岩Si/（Si+Al+Fe）一般大于0.90，且Al/（Al+Fe+Mn）较高，受热液影响时一般小于0.30[32-33]。研究区风城组硅质页岩的Si/（Si+Al+Fe）为0.90～0.98，平均为0.94，Al/（Al+Fe+Mn）为0.54～0.70，平均为0.61（表1），指示研究区硅质页岩受生物作用影响显著。目前广泛使用Al-Fe-Mn三角图来判别硅质页岩的成因，研究区仅1个数据未落到富Al段（图5），表明研究区硅质页岩均为生物成因，个别有热液作用影响。同时，微量元素Mo 为生物活动性元素，在一定程度上反映了地质时期生产有机质的能力[7]。研究区Mo元素富集，说明该区风城组中硅质页岩成因可能与生物活动相关。

图5 玛北斜坡区风城组硅质页岩成因判别图版（图版引自文献［30］）Fig.5.Genetic discrimination chart for the silica-rich shale in Fengcheng formation in Mabei slope(modified from Reference[30])

表1 玛页1井风城组主微量元素氧化物含量及相关参数Table 1 .Contents and related parameters of major trace elements in Fengcheng formation of Well Maye-1

综合研究发现，玛北斜坡区风城组硅质页岩物质来源主要为持续输入的陆源沉积物，后期受生物作用的影响。在风城组典型的碱性沉积环境下，湖盆中石英颗粒不稳定性增强，多被溶解成胶状。在生物生烃降解之后，随着有机酸的排出，湖盆中水体的pH值降低，被溶解的SiO2重新结晶，导致风城组页岩段岩石中没有石英碎屑发育，SiO2均以硅质条带的形态产出，从而形成现今的富硅页岩。

4 富硅页岩的油气意义

4.1 富硅页岩生烃母质

玛页1 井风城组富硅页岩中发育大量藻类生物化石（图6a—图6d），该类化石在夏40 井风城组岩石中也有发育（图6e）。

前人研究发现，风城组的生物化石主要为花粉、褶皱藻和底栖红藻，这些生物生烃潜力低，并不能支撑风城组的原油储量。本次研究在富硅页岩中发现了大量的球形藻类，扫描电镜下观察该藻类已完全硅化（图6f）。在常规古生物分离中会使用氢氟酸，该酸会溶解掉SiO2，因此该藻类在之前的研究中并没有被发现。球形藻类在显微镜下观察，与现代盐藻休眠孢子结构一致，发育粗糙的细胞壁，具刺突和收缩的原生质团（图6g）。古盐藻营养体不具有细胞壁，很难保存，但休眠孢子具有双层加厚的细胞壁，最终保存为化石。岩石薄片和荧光薄片显示，休眠孢子内部和周围充填沥青质，荧光明显，说明该休眠孢子具有较强的生烃能力（图6h、图6i）。

图6 玛北斜坡区风城组古盐藻休眠孢子微观特征Fig.6.Microscopic characteristics of dormant spores of paleosalina from Fengcheng formation in Mabei slope

在高盐环境下培育盐藻，分离出β-胡萝卜素，其在有足够氢原子的情况下可转化为β-胡萝卜烷。对比富硅页岩和贫硅页岩溶解有机质正构烷烃组成发现，富硅页岩具有较高的β-胡萝卜烷含量（图7a），而贫硅页岩中亦具有明显的β-胡萝卜烷峰（图7b），但富集程度比富硅页岩低。纵向上，玛页1井风城组β-胡萝卜烷较为富集的层段，与富硅页岩层段对应性较好，且在岩石薄片中发现有球形藻类的样品，主要对应于富硅页岩段（图8）。由此进一步说明，自生硅质的形成有利于球形藻类的保存，该藻类是页岩中生烃有机质的主要母质。

图7 玛页1井风城组富硅页岩和贫硅页岩溶解有机质的饱和烃气相色谱对比Fig.7.Comparison of saturated hydrocarbon gas chromatography of dissolved organic matter in silica-rich shale and silicon-lean shale of Fengcheng formation in Well Maye-1

图8 玛页1井风城组β-胡萝卜烷发育特征Fig.8.Developmental characteristics of β-carotane of Fengcheng formation in Well Maye-1

4.2 富硅页岩储集性能

风城组富硅页岩的硅质多呈隐晶结构，在常规的铸体薄片里几乎没有可视孔隙。利用场发射扫描电镜分析技术，通过对硅质页岩中孔隙的提取和计算，发现硅质页岩中纳米级—微米级孔隙非常发育，孔隙直径为1～5 μm（图9a、图9b）。扫描电镜下硅质溶孔和晶间孔中见充填状和薄膜状原油（图9c、图9d），且玛页1井约30%的原油产自风城组的富硅页岩段，富硅页岩是玛北斜坡区风城组页岩段非常重要的储集层。

图9 玛页1井风城组富硅页岩中的孔隙Fig.9.Pores in the silica-rich shale of Fengcheng formation in Well Maye-1

玛页1井风城组页岩长石和石英含量与渗透率相关性较高，相对高渗透段对应于富硅页岩段（图10）。富硅页岩发育段孔隙度为0.10%～6.10%，渗透率为0.005～0.123 mD。硅质页岩晶间孔是玛北斜坡区风城组致密储集层中非常重要的孔隙类型，对改善风城组储集层物性起到了至关重要的作用。同时，玛北斜坡区风城组脆性指数较高，风城组平均脆性指数为248，与富硅页岩段较对应，且有利于后期储集层压裂改造。玛页1 井风城组裂缝非常发育，是页岩油非常重要的储集空间。主要原因是玛北斜坡区风城组在干、热、咸的沉积环境下，白云石和硅质非常发育，岩石脆性较好，易产生天然裂缝。裂缝主要分布于风二段—风三段，低角度裂缝数量远大于高角度裂缝；泥质岩类裂缝发育，凝灰质砂砾岩和熔结凝灰岩裂缝不发育。

图10 玛页1井风城组长石、石英含量与物性、脆性和裂缝相关性图版Fig.10.Correlation chart of feldspar/quartz content with physical properties,brittleness,and fractures of Fengcheng formation in Well Maye-1

4.3 富硅页岩生储特征

玛湖凹陷风城组沉积环境复杂，来自地球深部的热液发育，火山喷发频繁，同时整个湖泊呈现出碱性环境，使得风城组岩石中石英碎屑多被溶蚀。由深部热液和火山喷发带来的大量营养物质促进了风城组嗜碱藻类的勃发，为后期生烃打下了基础。藻类在生物降解之后，促使整个环境pH 值降低。湖盆中溶解的硅质胶体随着环境中pH 值降低而重新结晶，形成硅质页岩。同时，藻类的捕获作用也会促进硅质的沉淀，主要表现在藻类可通过光合作用分泌一种黏液物质，捕获和粘结水体中的SiO2胶体质点，使之沉淀[34]。环境变化后，出于生物的自我保护和繁衍生息，古盐藻形成了大量的休眠孢子，以待环境适宜的条件下重新生长。研究发现，古盐藻休眠孢子也是一种非常有效的生烃母质。同时，硅质页岩中硅质晶间孔是油气的主要储集空间，从而形成了硅质页岩的成储效应。

5 结论

（1）玛页1 井风城组富硅页岩发育，厚度约占总页岩段的1/3，主要发育于风三段、风二段中—下部和风一段上部。

（2）玛页1 井风城组富硅页岩的发育主要与风城组为碱湖沉积有关。火山物质和陆源黏土矿物、石英等在高pH 值的碱湖中不稳定，易溶解为SiO2胶体。后期受生物作用影响，pH值降低，SiO2重新结晶；同时藻类释放的黏液物质捕获和粘结水体中的SiO2胶体质点，使之沉淀，从而形成风城组现今的富硅页岩。

（2）硅质页岩中发育古盐藻休眠孢子，反映了风城组中古盐藻曾大量发育。该休眠孢子发育处β-胡萝卜烷含量明显升高，而β-胡萝卜烷富集是风城组原油的典型特征，表明古盐藻是玛北斜坡区风城组主要的生烃母质。

（3）玛北斜坡区风城组原油具备典型的自生自储特征。硅质页岩中硅质晶间孔发育，硅质页岩内部古盐藻持续生烃，油气在硅质晶间孔中原位储集。