川中侏罗系致密页岩油储层方解石沉淀模式及油气关系

2022-10-27冯明友岳怀海刘小洪张芮王兴志祝海华王委委李沛珈

中南大学学报（自然科学版） 2022年9期

冯明友，岳怀海，刘小洪，张芮，王兴志，祝海华，王委委，李沛珈

(1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都，610500；2.西南石油大学天然气地质四川省重点实验室，四川成都，610500；3.中石油西南油气田分公司勘探开发研究院，四川成都，610400)

侏罗系自流井组大安寨段是四川盆地原油勘探开发的重要层位，目前已发现多个油气藏和含油气构造，油气呈大面积连续富集特征，其分布与产出不仅受构造圈闭约束，而且可能受成岩圈闭控制明显，属于典型陆相致密油范畴[1-4]。受盆地构造及湖盆发育范围影响，川中地区成为该类型油气勘探重点区域。鉴于页岩油与页岩气在生—储耦合研究及孔隙演化等方面存在较大差异，国内学者对川中地区大安寨段沉积相、储层特征、含油气性、源-储配置与油气富集的关系等进行了大量研究[5-8]，并就岩性组合(页岩与介屑灰岩不等厚互层)、成熟度和压力等因素对油气富集—高产的控制进行了探讨[9-11]。勘探结果表明，裂缝是侏罗系大安寨段致密灰岩获得工业油气的必要条件，川中大安寨段储层在低孔、低渗背景上仍发育有一定的裂缝(但多为发育程度较低的低角度微裂缝，局部见高角度裂缝，且大部分裂缝被方解石充填或半充填)[12-13]。前人研究多从裂缝与介壳灰岩储层形成的关系或裂缝对油气运移富集/逸散的成藏角度出发，研究纯介壳灰岩中的高角度/斜交裂缝发育情况及方解石充填情况，而富有机质泥页岩中发育的大量水平状微裂缝及方解石脉，则多认为与储层无关而被忽略[14-15]。随着非常规油气勘探研究的深入，对页岩油气富集的研究既考虑页岩孔隙演化、生-储耦合演化、近源运移机制等深层机理，又重点研究与工程参数相关的脆性评价、甜点预测等[16-18]。对于大安寨段页岩与介壳灰岩不等厚互层，裂缝发育程度与页岩油运移及规模化富集关系密切，对其展开深入研究尤为必要。

川中地区大安寨段富有机质泥/页岩为页岩油生成及富集的重点层段，该层段水平层状方解石脉体广泛发育。泥/页岩中方解石脉的形成多与富有机质页岩生排烃关系密切，其发育程度往往与总有机碳(TOC)之间具有良好的正相关性[19-21]。研究发现，大安寨段页岩中方解石脉在岩心上纵向变化快，即使在毫米—厘米级的微观尺度上的结构及成分变化也较大，对其结构及主/微量元素变化规律的研究能够揭示层系中压力的变化、流体性质演变以及方解石的沉淀机理，有助于恢复致密页岩油储层的致密化过程。本文在系统铸体薄片染色及鉴定、电子探针成分分析基础上，通过对页岩中不同产状方解石脉、介壳灰岩夹层中方解石胶结物主量元素组成和变化规律进行分析，以及对与之共生的矿物进行相关分析，划分方解石形成期次及时间，探讨湖相致密页岩油储层中方解石沉淀模式及与油气的关系，以便为下一步非常规油气勘探提供依据。

1 区域地质背景

研究区位于四川盆地中部，包括仪陇、广安、荣昌及乐至等地区，构造位置属川中低平构造带。川中地区于中三叠世末进入湖盆发展期。在早侏罗世中期大安寨段沉积期，四川盆地构造稳定，物源供应不足，为典型的内陆湖相碳酸盐岩建造，发育70～120 m厚的介壳灰岩与黑色泥岩/页岩沉积物，局部地区可见粉砂岩及紫红色泥岩。大安寨段沉积期湖盆湖域面积大，主要分布于川中—川东北地区(图1(a)[4,11])。其中，滨浅湖沉积主要沿阆中—盐亭—遂宁—南充—广安一带呈环状分布，半深湖沉积主要发育于西充—营山—仪陇一带。

大安寨段地层由老至新可分为大三、大二、大一共3 个亚段，分别对应湖盆水进期(初始湖泛期)、最大湖泛期以及湖盆水退期(湖退萎缩期)(图1(b)[4,11])。大一亚段主要为厚层介壳灰岩、粉砂岩、灰黑色页岩及页岩与灰岩互层，与上覆过渡层的团块状灰岩、灰绿色泥质粉砂岩及杂色泥岩较易区分。其中，大一、大三亚段主要发育滨—浅湖高能介壳滩，岩性以灰色块状泥质介壳灰岩、介壳灰岩为主；最大湖泛期的大二亚段(由下至上可划出c，b 和a 共3 个亚段)发育浅湖—半深湖泥页岩，以灰黑色页岩为主，次为含介壳泥页岩、泥页岩夹薄层介壳灰岩。该段页岩颜色深、质纯、页理发育，可与介壳层互层或夹介壳层、厘米级(泥质)介壳灰岩等广泛分布于川中地区，具北部厚、南部薄的特点，厚度10～70 m不等，最大值出现在仪陇—达州一带(图2(a))。前期研究表明，大二亚段TOC 分布在0.50%～4.48%之间，其中TOC质量分数w(TOC)＞1.0%的样品占83.3%(平均值为1.85%)，w(TOC)＞1.5%的样品占54%(平均值为2.21%)；页岩层段储集空间以黏土矿物晶间孔、溶蚀孔为主，次为有机孔和微裂缝，储集空间类型多样；页岩油储层孔径主要分布在2～10 nm，发育纳米级孔隙；页岩层段不同岩性均普遍含油，但主要集中于大二a 亚段的下部(水平缝发育、荧光显示好、气测异常)，该层段也是页岩油勘探的主要目的层段[4,11]。

2 样品及分析

本次样品主要采自于川中地区邻近湖盆中心位置的钻井RA1 井(南充西充地区)及LA1 井(仪陇龙岗地区)。其中，典型样品均取自大二a 亚段最大湖泛面附近，该处岩性主要为灰黑色页岩，在全井段中具有最大的w(TOC)，不同结构特征的水平方解石脉体发育良好，同时发育薄层介壳灰岩夹层(图1和图2)。采用铁氰化钾加茜素红-S 的混合试剂进行薄片染色能揭示出大安寨石灰岩成岩作用的详细过程[1]，通过染色(混合液配方见SY/T 5368—2000)后方解石呈现的不同颜色(与方解石主量元素铁的质量分数有关)能区分出4 种不同的方解石：无铁方解石(0～0.5% FeO，质量分数，下同)，呈粉红—红色；铁Ⅰ方解石(0.5%～1.5% FeO)，呈红紫色；铁Ⅱ方解石(1.5%～2.5% FeO)，呈淡蓝色；铁Ⅲ方解石(2.5%～3.5% FeO)，呈深蓝色。电子探针成分分析在西南石油大学油气地质与勘探实验教学中心完成，实验仪器为JXA-8230电子探针分析仪，加速电压为15.0 kV，束流电流为10 nA，束流直径为11.1 mm。利用波谱测试碳酸盐矿物中9 种常见元素的质量分数。波谱分析精度高于1%(主元素质量分数＞5%)和5%(次要元素质量分数为1%～5%)，可自动识别质量分数为0.1%以上的元素，检测极限为0.01%。

3 结果

3.1 方解石及其共生矿物特征

研究区RA1井大二a亚段灰黑色页岩中广泛发育的水平层状方解石脉及介壳灰岩层在岩心剖面上厚度为数十微米至几厘米，前者可呈叠锥状、细脉状及透镜状等多种形式产出，后者主要以条带状夹层形式出现。

3.1.1 页岩中的方解石脉

观察岩心发现，垂向上，呈条带状产出的方解石脉内部常发育暗色弯曲状中间线，可独立出现在暗色页岩水平细脉状构造中(图2(b))，或与介壳灰岩叠置产出(图2(c)、图2(d))。在显微镜下显示为纤维状方解石(垂直于层面)构成的锥状叠置排列，纤维状方解石中的线—带状成分主要为泥质，与基质页岩成分一致，国外学者称这种特殊构造为“cone-in-cone ”[22-23]，国内学者称为“叠锥构造”[24]。该类型方解石经染色后呈色不均匀，可呈蓝色—蓝紫色，显示主量元素Fe 质量分数分布的不均匀性(图3(a))。

在叠锥方解石与页岩接触延伸尖灭部位，常见呈水平细脉状或透镜状产出的方解石。显微镜下该方解石垂直于页岩页理，呈纤维状生长，偶见平直中间线，经染色后呈蓝色—蓝紫色(图3(b))。国外常用“beef”代指这类充填于顺层裂缝中的中间线呈直线状的纤维状方解石脉，该类型方解石常与叠锥状方解石共同出现在富有机质页岩中，作为超压流体作用的代表性产物[25-26]。

此外，在取样深度之下的大二b 亚段、邻井LA1 井等处还常见一种特殊的纤维状方解石，其结构特征类似于“beef”，主要表现为方解石呈纤维状分布在生屑边缘，并以其作为核心，被称之为壳-核纤维状方解石(shell-nucleated fibrous calcite)[26]。核心为薄壁双壳类或腕足类，成分主要为方解石，保留有原层状结构或重结晶形成的粒状结构。该纤维状方解石经染色后呈蓝色，灰质介壳染色后呈粉色或受杂质影响略显黄色(图3(c)和图3(d))。

3.1.2 介壳灰岩中的方解石

通过显微镜观察发现，RA1 井页岩中的介壳灰岩夹层中介壳均遭受了一定程度的重结晶及溶蚀作用，其中，样品RA1-2 介壳灰岩夹层中的介壳主要由斑块状细—中粒方解石构成，经混合液染色后呈粉色或受杂质影响而略显黄色(图3(e)和图3(g))，属早期转化泥晶方解石并经新生变形所致[27]。介壳内部微裂隙发育，沿介壳边缘及微裂隙发育有不规则的微—亮晶方解石，其与介壳方解石之间界线模糊、染色极不均匀并主要呈紫红色(图3((e)，(f)和(g))，应属交代成因方解石。介壳间还见少量亮晶方解石胶结物，该方解石与重结晶介壳方解石及其边缘交代方解石的特征及产状差异明显，自形程度好，经混合液染色后呈蓝色(图3(e)，(f)和(g))。

样品RA1-3 中介壳灰岩夹层中的介壳主要由镶嵌粒状方解石构成，晶粒自形程度好，经混合液染色呈蓝色，仅保留原介壳外部形态特征，且定向排列特征明显(图3(h))；样品RA1-4 中的介壳灰岩夹层除普遍具有以上特征外，局部还可见“内浅—外深”染色不一致的纤维状方解石包裹粒状方解石结构，二者应为具壳-核结构的介壳经不同程度的溶蚀—再沉淀作用后形成(图3(i))。

3.1.3 与方解石共生的矿物

采用显微镜观察薄片，结合扫描电镜、电子探针分析发现，研究区大安寨段页岩中方解石脉、介壳灰岩夹层中与方解石共生的矿物主要有高岭石、石英以及不同成分的沥青质。

高岭石主要呈书页状集合体分布于介壳灰岩夹层相邻介壳间、介壳间/方解石晶间开放孔隙以及溶蚀缝中，无色，部分因杂质存在而成淡黄色，晶间孔隙发育。根据高岭石产状及被亮晶方解石胶结物贯穿等现象，认为高岭石的形成应早于亮晶方解石的形成(图3(e)，(f)，(g)，(h)和(i))。

石英主要呈不规则嵌晶状分布于介壳灰岩夹层中介壳与介壳的接触处，或呈微粒状充填于泥页岩水平缝中((图3(e)，(f)，(g)，(h)和(i))。镶嵌在介壳边缘的石英晶形以半自形粒状为主，粒径为20～100 μm不等，中间浑浊而边缘洁净，为成岩早期交代—晚期重结晶的产物[28]；充填于泥页岩水平缝的石英主要呈微晶粒状产出，表面较洁净，常与高岭石共生，二者同属酸性成岩环境下孔隙水沉淀成因。

沥青质在研究区大安寨段页岩方解石脉及介壳灰岩夹层中普遍发育，与各类方解石、高岭石、石英等密切共生(图4)。根据前人对邻区自流井组东岳庙段和大安寨段页岩中有机质类型分类结果[12]，研究区主要发育固体沥青和矿物沥青质两类有机质，均表现为无固定形态。其中，固体沥青主要以充填粒状方解石晶间孔隙或充填页岩水平缝的形式存在，组分较单一，以碳质为主，常发育蜂窝状有机质孔(几十纳米至几百纳米不等，多为椭圆形)，是液态油充注-裂解生气-固化后的产物。矿物沥青包括均匀混合的粉晶磷灰石矿物沥清和粉晶高岭石矿物沥青2种，前者主要分布于磷质介壳边缘及溶蚀缝中，在背散射图像中颜色较深，质地较均匀；后者主要分布于方解石解理缝及晶间孔中，在背散射图像中颜色较浅，常混有石英、方解石等细小颗粒(图4)。根据两类沥青的产出状态及与方解石等矿物的关系可知，矿物沥青形成时间应早于固体沥青的形成时间。

图4 有机质在背散射场发射扫描电镜中的特征Fig.4 Characteristics of organic matter under Backscattered field emission scanning electron microscope

3.2 方解石原位主量元素特征

利用电子探针对上述页岩中方解石脉及介壳灰岩夹层中各类型方解石的主量元素进行定量分析，以便深入分析其成因联系及生长过程。根据电子探针成分分析结果可知，研究区大二段的碳酸盐矿物均为方解石，不含白云石，铁质量分数为0～2.09%，MgO 质量分数与FeO 质量分数呈明显的正相关关系。相比之下，样品RA1-2 介壳灰岩夹层中各类方解石的FeO 质量分数明显比样品RA1-3和RA1-4方解石脉的FeO的质量分数低，基本不含铁质量分数大于0.5%的方解石(表1、图5)。从表1可见：各类方解石脉的FeO质量分数普遍较高，其中，叠锥方解石FeO质量分数最高，其FeO质量分数在1.2%～3.0%之间(平均为1.93%)；次为由纤维状方解石溶解—再沉淀的粒状方解石，FeO平均质量分数为0.78%；呈透镜状—脉状产出的纤维状方解石FeO 质量分数最低，如样品RA1-3 和RA1-4 的FeO 质量分数平均值分别为0.55%和0.50%。除部分叠锥方解石属铁Ⅱ方解石外，其余方解石均属铁Ⅰ方解石。根据主量元素特征(如表1所示)，介壳灰岩中染色呈粉色、具介壳外形的重结晶介壳方解石均为FeO 质量分数较低或不含铁的方解石(FeO质量分数小于0.1%)，呈紫红色、具交代产状的交代方解石(FeO 质量分数平均为0.32%)及呈粒状充填粒间孔隙的方解石胶结物(FeO质量分数平均为0.34%)主要属微含铁方解石。

表1 不同产状类型方解石主量元素质量分数(平均值)Table 1 Average of mass fraction of trace elements in calcite of different occurrence types %

不同类型方解石脉元素相关性分析结果表明，研究区大安寨段致密页岩油储层方解石中MnO 和FeO质量分数具有较明显的正相关关系，尤其是在呈叠锥状、脉状—透镜状产出的纤维状方解石中，其相关系数可达0.70(图5，其中，w为质量分数)。相比而言，介壳灰岩夹层中的方解石MnO 质量分数普遍较低，但其SrO质量分数普遍高于泥页岩中方解石脉质量分数。如图6所示，在样品RA1-2中，由介壳重结晶方解石→交代方解石→方解石胶结物，其SrO 质量分数呈逐渐降低趋势，且与FeO 质量分数呈反比。不同碳酸盐组分(包括生物碎屑)中的锶质量分数是各不相同的，在通常情况下，以文石中锶的质量分数最高，高镁方解石质量分数次之，低镁方解石质量分数最低[29]。以上变化规律说明介壳组分早期主要为文石质，随着成岩演化的进行，其Sr质量分数呈逐渐降低趋势，而FeO 质量分数呈逐渐增加趋势。此外，对于页岩中的方解石脉，其FeO 质量分数也存在明显变化规律：与页岩接触部位分别向上/下弯曲中间线凸起方向、与页岩接触部位向方解石生长方向及由透镜状方解石中部向脉体尖灭方向，方解石中FeO质量分数均呈现逐渐降低趋势，且相关系数分别达-0.89，-0.74，-1.0～-0.85和-0.90(分别见图7(a)，(b)，(c)和(d))。

图5 不同类型方解石MnO与FeO质量分数的关系Fig.5 Relationship between mass fraction of MnO and FeO of various calcites

图6 介壳灰岩方解石SrO-FeO质量分数的关系Fig.6 Relationship between mass fraction of SrO and FeO of calcite in shell-limestone

图7 侏罗系大安寨段方解石脉中FeO质量分数变化规律Fig 7 Variation of FeO mass fraction in calcite veins of the Jurassic Da’anzhai Member

4 讨论

4.1 页岩中各类方解石成因及共生组合序列

顺层纤维状方解石脉体广泛存在于富含有机质的页岩中，它们的存在通常被解释为孔隙流体超压的迹象，而生烃(HC)则是导致超压形成的主要原因[22-23,25-26,30]。由于有机质成熟生烃以及烃源岩的极低渗透率抑制流体溢出而导致超压，且碳酸钙的溶解在相邻围岩中不断产生容纳空间，所以，方解石的析出与方解石脉体的扩张保持同步。脉体在扩张开启期间的流体压力虽然可以与上覆压力不一定始终保持一致，但至少部分脉体扩张与同期相邻围岩(薄层泥页岩)变窄相伴生，或通过相邻围岩中碳酸钙的溶解叠加同期再沉淀—最终沉淀于脉体中来实现[26]。

RA1 井大安寨段泥页岩厚度在川中地区相对较大，研究层段大二a段具有全井段最大的TOC值(图2)，具备生烃导致流体超压并形成水平裂缝的条件，同时，页岩中普遍存在的介壳夹层能够提供形成方解石脉的必要的CaCO3组分来源；而生烃生成的副产品即有机酸的存在，则可为介壳层的溶解提供可能[26]。

研究层段不同部位方解石脉在元素上的差异表明方解石在一段时间内呈阶段性生长。在此期间，由于沉淀条件的差异产生了不同成分的方解石，与国外学者普遍认为的流体超压成因方解石脉为推移沉淀作用(displacive precipitation)产物的结论一致[22-23,31]。此外，黏土矿物是铁进入沉积环境的重要载体，其吸附的氧化铁、氢氧化铁等Fe成分可随着压实作用及脱水作用排出，进而为含铁方解石脉的形成提供来源。

实际上，本区页岩中的介壳灰岩夹层的确发生了不同程度的有机酸溶蚀现象，根据其成岩产物的不同，可进一步总结出以下2 种不同序列：1) 介壳内部层状构造部分消失、介壳边缘见硅化产生的自生石英→沿介壳边缘及裂缝的一期溶解作用→孔隙及裂缝中高岭石的沉淀→含铁方解石充填(局部有少量固体沥青伴生)序列(以样品RA1-2为典型代表)(分别见图3(e)，(f)，(g)及图4(a))；2) 介壳内部层状构造部分消失—完全消失→由溶蚀再沉淀形成的粒状铁Ⅱ方解石为主要组成矿物+同时伴随大量固体沥青及矿物沥青充填序列(以样品RA1-3 和RA1-4 为典型代表，反映两期与油气相关溶解及再沉淀作用)(图3(h)和(i)，图4(b)，(c)，(d)，(e)，(f))。

与上述2种成岩序列明显不同的是，在取样深度下的大二b亚段、邻区LA1井部分井段中的介壳灰岩具明显的壳-核结构，介壳内部层状构造(片状构造和交错纹层构造)保存较好，边缘无自生石英，指示晚期成岩过程中仅发生一次胶结作用(沿裂缝的铁II 方解石胶结)，其溶解作用较弱或相对缺失(图3(c)和图3(d))。

4.2 页岩中方解石沉淀模式

上述介壳灰岩中显现的3 种不同成岩演化序列，均与由超压引起的一系列化学反应有关：超压抑制有机酸的生成及黏土矿物的脱水转化，导致长石溶蚀作用的滞后，Si4+，Na+，K+，Ca2+和Al3+排放量减少，尤其是Si4+的排放量减少，从而造成介壳边缘发育纤维状方解石(无自生石英)；反之，有机酸的大量生成将导致CaCO3溶解、石英及高岭石等矿物形成[32-34]。

综合前述研究成果，可得川中地区大安寨段富有机质页岩及其介壳灰岩夹层中方解石的沉淀过程模式如图8所示。从图8可见：随着页岩埋藏深度增加，成岩演化程度增加，蒙脱石向伊利石转化，自由水析出并被挤走，使孔隙急剧减小；黏土矿物转化同时析出Na+，Ca2+，Fe2+和Mg2+，它们首先吸附在黏土矿物上(图8(a)，(b)，(c)和(d)中①)；之后泥页岩进入成油高峰期，于排烃阶段形成异常高压，这时所生成的大量油气具“不择岩类、不择方向”的特征，以巨大的能量使固结的岩石沿结构薄弱处压开，形成微裂隙，并最大限度地向四周侵入，黏土矿物吸附的Fe2+与黏土矿物内部聚集的富Ca2+及CO2的孔隙水作用迅速在裂缝系统中沉淀出纤维状铁方解石脉(图8(a)中②))。由于生烃和排烃作用产生局部超压，优先在介壳边缘形成纤维状方解石，同时，导致介壳边缘自生石英普遍不发育(图8(b)中②、图8(c)中②)；纤维状方解石的存在严重影响孔隙的连通性，导致晚期成岩作用过程中孔隙水不活跃，晚期成岩变化很小，早期成岩变化如文石转化成方解石具有的介壳内部的层状构造、硅化产生的自生石英得以保存，孔隙及裂缝中以晚期铁方解石胶结物为主，致使储层异常致密(图8(a)中③和④、图8(b)中③和④)。

图8 川中侏罗系大安寨段致密页岩油层段方解石沉淀模式Fig.8 Calcite precipitation models in the condense oil reservoir of Jurassic Daanzhai Member in the central of Sichuan Basin

在w(TOC)最高的最大湖泛面界面附近，生烃持续进行，形成大量开启水平缝，有机酸浓度较高，强烈的溶解作用导致其中薄层介壳灰岩钙质介壳全部溶蚀，仅局部保留部分外部形态；在持续酸性介质下，页岩基质中的长石、黏土等矿物转化形成高岭石及自生石英；烃类亦无法及时排出，与粉晶高岭石等矿物混合形成矿物沥青，并充填于钙质介壳“溶蚀—再沉淀”形成的粒状方解石解理缝及晶间孔中；而后生成的烃类经进一步“裂解生气—固化”后形成固态沥青，并充填于较开阔的粒间孔隙中(图8(c)中③和④)。

对于富有机质页岩中单层厚度相对较厚的含泥介壳灰岩，其受超压作用影响较弱，伴随介壳重结晶作用的进行，在介壳边缘形成微晶粒状自生石英；受后期沿裂缝注入的有机酸作用影响，沿介壳边缘及裂缝发生溶蚀交代并形成含铁方解石，之后微晶高岭石充填孔隙及微裂缝，最后铁Ⅱ方解石在孔隙中沉淀(图8(d)中①，②，③和④)。