北美页岩气储层中生物化石的沉积特征及发育模式北美典型页岩气藏岩石学特征、沉积环境和沉积模式及启示

北美页岩气储层中生物化石的沉积特征及发育模式北美典型页岩气藏岩石学特征、沉积环境和沉积模式及启示

近年来，岩浆岩气体在北美，尤其是美国的成功勘探和开发引起了人们的关注。国内外学者从页岩气系统出发,对页岩气成藏的有机碳质量分数、成熟度、裂缝系统、温度、压力、抬升与沉降史以及吸附机理等进行了深入的研究,但是,对页岩气藏发育的泥页岩的岩石学特征、沉积环境和沉积模式研究还较少涉及。页岩气藏发育的泥页岩具有独特的岩石学特征,识别不同的岩石学特征是评价页岩气成藏条件、原地含气量和资源量的关键。在页岩气开发阶段,识别不同的岩相是实施开发方案的基础。在福特沃斯盆地,识别Barnett页岩岩性是页岩气评价中关键的步骤。笔者根据北美页岩气研究的最新成果,就页岩气藏发育的泥页岩的岩石学特征、沉积环境及福特沃斯盆地Barnett页岩沉积模式进行讨论。北美典型页岩气藏岩石学特征、沉积环境和福特沃斯盆地Barnett页岩沉积模式对我国页岩气研究和勘探同样具有指导意义。1规油气资源的处理页岩气作为非常规天然气资源,其勘探、开发思路和方式与常规油气资源有明显的不同之处。研究表明,沉积物的岩石学特征是页岩气成藏的重要控制因素,主要包括泥页岩的构造和粒度特征、有机碳质量分数、岩石矿物组成、生物化石特征等。1.1热质地层充填都有金相或中下有机碳的成分页岩气藏发育的泥页岩主要为暗色或黑色的细颗粒沉积层,呈薄层状或块状。德克萨斯州福特沃斯盆地Barnett页岩及其上下相邻地层由不同的岩相组成,Barnett页岩及上下相邻地层可识别出3种岩性,分别为薄层状硅质泥岩、薄层状含黏土的灰质泥岩(泥灰)和块状灰质泥粒灰岩。但是,主力产气层位上Barnett页岩和下Barnett页岩以层状硅质泥岩为主,主要由细微颗粒(黏土质至泥质大小)的物质组成(图1)。Barnett页岩缺少粗粒的陆源碎屑物质,表明地质历史沉积时期这一地区离陆相物源区较远,属饥饿性沉积,最终形成了层状的Barnett页岩沉积充填样式。富页岩气前景的英属哥伦比亚西北部Baldonnel层Ducette组地层被称之为暗色的以石英为主的细粒页岩,主要由多样的放射性的、碳质的含黏土的灰岩和细粒粉砂岩组成。1.2向补质岩岩石的元素组成页岩气储层无机矿物成分中硅质质量分数较高,另外还含有方解石和长石等矿物。所含硅质主要为自生石英,其增加了岩石的脆性,易产生天然和诱导裂缝,增加气存储量和内部微孔的连通能力。页岩层中普遍含有黄铁矿和磷酸盐矿物(磷灰石),主要是缺氧环境沉积的产物,磷酸盐矿物(磷灰石)可能为上升流作用的结果。另外,页岩层局部含有一定量的黏土矿物(质量分数一般不超过50%),这一方面会增加页岩层的吸附气,但同时可能降低页岩层的脆性。不含或仅有较少的陆源碎屑输入,过多的陆源碎屑输入会稀释总有机碳含量,同时,陆源碎屑输入过程中有可能致使有机质氧化。福特沃斯盆地Barnett页岩,更确切地应称之为硅质泥岩,在矿物组成上,较上Barnett页岩,其主力产层下Barnett页岩中的硅质矿物、长石、黄铁矿和磷酸盐矿物的质量分数比较高(图2,3)。而且,黄铁矿球粒大小主要在1μm左右,说明其沉积于静水的缺氧环境。所有测试样品的碳酸盐矿物质量分数不高。在福特沃斯盆地Barnett页岩气产量最高的地区,石英质量分数为45%,而黏土质量分数只有27%。高的硅质质量分数使页岩的脆性增大,页岩的脆性对压裂措施的实施至关重要。在德拉华盆地Barnett页岩中,从上Barnett页岩到下Barnett页岩,颜色从褐灰色变为黑色,而且脆性增大,从岩石薄片上可见,下Barnett页岩地层含有更多的硅质矿物或钙质矿物。上Barnett页岩和下Barnett页岩都含有一些黄铁矿和方解石。由扫描电镜分析可知,德拉华盆地Barnett页岩两口井的A段、C段和D段均含有较多的菱形方解石和球形黄铁矿,说明德拉华盆地Barnett页岩为缺氧环境的产物。密歇根盆地Antrim页岩由含黄铁矿薄层状粉砂质和富有机质页岩组成,其间夹灰色、绿色页岩和碳酸盐岩层。富页岩气前景的加拿大西部盆地英属哥伦比亚北部BesaRiver组下部泥岩中的无机矿物主要为石英(wB为58%～93%),同时含有黏土矿物(wB为10%～20%),例如伊利石和高岭石等,另外,还含有少量的碳酸盐矿物。1.3加拿大西部盆地热带金融资源开发现状有机碳质量分数不仅是衡量烃源岩生烃潜力的重要参数,而且是有机质作为吸附气的核心载体。页岩对气的吸附能力与页岩中的总有机碳质量分数之间存在正相关关系。在相同压力下,总有机碳质量分数较高的页岩吸附的甲烷比总有机碳质量分数较低的页岩吸附的甲烷明显要高,高有机碳质量分数为页岩气成藏提供了甚佳条件,其主要的测井标志是高的伽马射线值。福特沃斯盆地Barnett页岩的原始有机碳质量分数w(TOC)高达20%,根据现有测试数据,一般Barnett页岩的w(TOC)为3%～13%,福特沃斯盆地Blakely1井Barnett页岩岩性测试表明,其w(TOC)平均为3.9%,上Barnett页岩与下Barnett页岩之间的福里斯特堡灰岩的w(TOC)平均为1.8%,上Barnett页岩和下Barnett页岩的w(TOC)平均为4.0%(介于1.9%～10.6%之间)。在具有广阔页岩气前景的德拉华盆地Barnett页岩的w(TOC)也比较高,其中较高的D层段w(TOC)平均为4.4%。密歇根盆地Antrim页岩,Lachine和Norwood段岩层的w(TOC)为0.5%～24.0%,是天然气勘探的主要目的层。加拿大西部盆地含有巨大页岩气潜力的Muskwa组和上BesaRiver组页岩层的w(TOC)大部分在2.0%之上,最大达到5.7%。不难看出,北美典型页岩气发育区泥页岩有机碳质量分数相对较高,这是生烃潜力的重要保证,也为吸附储集天然气提供了有利条件。1.4型干结构岩石学特性北美典型页岩气藏的干酪根主要为Ⅱ型或Ⅰ型干酪根,少量为Ⅲ型干酪根。对福特沃斯盆地Barnett页岩干酪根进行目测评价发现无定型有机质占95%～100%,偶尔能见到塔斯马尼亚孢属藻类。例如密歇根盆地的Antrim页岩以Ⅰ型干酪根为主,阿尔巴契亚盆地的Ohio页岩、伊利若斯盆地的NewAlbany页岩和福特沃斯盆地的Barnett页岩以Ⅱ型干酪根为主,利于液态和气态烃的生成。英属哥伦比亚东北部侏罗系Gordondale组页岩的生烃潜力巨大,其干酪根主要为Ⅰ或Ⅱ型,含有少量Ⅲ型干酪根(图4)。高有机质的显微组分主要为类脂组(藻类体和基质沥青)。但是,北美页岩气发育区也有以Ⅲ型干酪根为主的泥页岩,例如圣胡安盆地的Lewis页岩。总体而言,北美典型页岩气藏干酪根以倾向海相成因的干酪根为主。1.5生物碎屑页岩生物化石碎片在页岩层中比较常见,化石碎屑的类型多样化,有孔虫类、藻类、放射虫和牙形刺很常见,成因为原地产物或者外源输入的结果。德拉华盆地Barnett页岩生物扰动遗迹比较多,可见黏结在一起的有孔虫类、塔斯马尼亚藻、放射虫和牙形刺等。在福特沃斯盆地Barnett页岩中发现生物碎屑页岩中含有丰富的生物碎屑化石(图5)。所测得的24块生物碎屑页岩的w(TOC)为3%～5%,平均为3.8%。这些生物化石主要包括藻类包囊等。还有更多的生物化石被发现,主要包括放射虫、塔斯马尼亚藻(这类藻类包囊被方解石或者硅质充填)、胶合着的有孔虫、硅质海绵等等。但是,这些生物可能是从浅海富氧海湾沉积后搬运的结果,因为在这些岩层中,没有发现生物扰动的遗迹。密歇根盆地的Antrim页岩的Norwood段和Lachine段,以Ⅰ型干酪根为主,Ⅰ型干酪根可能来源于塔斯马尼亚藻(Tasmanites),通常存在于Antrim页岩沉积的局限陆缘浅海中。阿巴拉契亚盆地Ohio页岩的生物化石特征与福特沃斯盆地Barnett页岩的生物化石特征也很类似,Ohio页岩下Huron段和西Falls组的Rhinestreet页岩段中的藻类对有机质的保存有明显的控制作用。这些次一级别的断陷盆地可能由于其水循环条件差而限制了氧的供给。因为盆地上方水体中塔斯马尼亚藻等藻类的周期性繁殖,有机质的保存条件非常优越。这些藻类的繁殖由于消耗分子氧使有机质大量富集,从而保存了藻类物质,甚至使次级盆地边界以外沉积物中的藻类物质也得到了保存。2岩相古地理特征福特沃斯盆地Barnett页岩沉积环境更具有典型性,数据和观察表明福特沃斯盆地北部Barnett页岩沉积于较深的水体环境。有大量的证据表明是在缺氧条件下产生的沉积,细粒球状黄铁矿的存在表明沉积发生于静水环境,古水深可能深达120～210m,海平面的上升导致物源区距离福特沃斯盆地较远,这样就可以解释为什么这里缺少大的块状碎屑。福特沃斯盆地Barnett页岩地层沉积年龄为25Ma,其泥岩沉积速率平均约14mm/a。显示出缓慢的沉积速率(饥饿性盆地沉积)。德拉华南部区域(Delaware盆地)密西西比系Barnett页岩同样属于饥饿性盆地沉积,更有利于Ⅱ型有机质的沉积和保存。椭圆形内克拉通密歇根盆地曾是位于内陆海道的沉积中心之一,整个古生代地层呈现间歇性沉降。与许多其他克拉通盆地一样,密歇根盆地含有一套巨厚的上泥盆统沉积层序,包括富含有机质的Antrim海相页岩。在岩性上,Antrim页岩被认为与伊利若斯盆地的NewAlbany页岩和阿巴拉契亚盆地Ohio页岩相当。阿巴拉契亚盆地巨厚的古生代沉积岩沉积在向东倾斜的不对称前陆盆地内。在晚泥盆世浅内陆海的洋底形成了许多地貌凹陷,这些次级断陷盆地可能由于其水循环条件差而限制了氧的补给。有机质的保存条件也因为盆地上方水体中塔斯马尼亚藻等藻类的周期性繁殖而变好。Delaware盆地在中晚宾夕法尼亚期(Pennsylvanian)构造活动增多、盆地开始沉降,碳酸盐岩滩堆积于盆地边缘。碎屑沉积被其后的碳酸盐岩滩包围,属于饥饿性盆地沉积。综上所述,地质历史时期,北美典型页岩气藏发育区距离物源区比较远,处于静水环境,经常伴随着盆地的沉降,沉积速率缓慢,属于饥饿性盆地沉积,这更有利于有机质的保存,最终沉积保存富含有机质的泥页岩。水循环条件比较差,在缺氧的环境下,有利于有机质的保存,沉积盆地类型多为前陆盆地和克拉通盆地。3barnett页岩生物化石的来源福特沃斯盆地Barnett页岩是北美页岩气藏发育区的典型代表,NewarkEast气田已经成为美国产气量第二大的天然气田,每年的气产量增长率超过10%。福特沃斯盆地Barnett页岩沉积模式可以作为有利于页岩气成藏的泥页岩沉积模式的典型。由上文可知,福特沃斯盆地Barnett页岩的w(TOC)很高,原始w(TOC)高达20%。其主力页岩气产层的下Barnett页岩中硅质矿物、长石、黄铁矿和磷酸盐矿物的含量比较高,所有测试样品的碳酸盐矿物含量均不高。Barnett页岩中的生物碎屑页岩中含有丰富的生物碎屑化石,没有发现生物扰动的遗迹,表明Barnett页岩的生物化石是被搬运进入更深的流体而沉积下来的,这与事件沉积有关。对福特沃斯盆地Barnett页岩干酪根进行目测评价发现,无定型有机质占绝大多数,以Ⅱ型干酪根为主。其产气层主要为上Barnett页岩和下Barnett页岩,以薄层状硅质泥岩为主,含黄铁矿及磷酸盐矿物,同时,在Barnett页岩上下及间隔中间识别出的岩层类型还有薄层状含黏土的灰质泥岩(泥灰)、块状灰质泥粒灰岩和含结核的硬质基底。结合前人研究成果,福特沃斯盆地是一狭长的前陆盆地,与大洋很少有水体的交换。盆地的特殊形状以及与大洋很少的水体交换很可能导致水体的分层。高有机碳质量分数表示盆地是在一个缺氧环境下沉积的,在这样的环境下,通常不存在细菌分解和破坏有机质的作用。黄铁矿球粒通常与静水(缺氧、含硫化物)的沉积环境有关。缺少大颗粒的碎屑岩物质说明沉积区距离碎屑物源区比较远。在缓慢的悬浮沉积过程中形成了富含有机质的Barnett层状页岩。生物化石碎片在页岩层中比较常见,但是,根据Barnett页岩岩心分析,没有证据表明在福特沃斯盆地深水区域有生物活动。在几乎没有生物扰动迹象和层压的块状碎片特征表明,这些动物化石的进入系其他区域输入的结果。其所有底栖生物生活区域仅限于浅水大陆架或以上部斜坡含氧量比较少的区域,喜欢生活在这里的动植物包括丝鳃类软体动物、腕足类和有孔虫等。远洋的生物群也生活在充满氧气的水体中,死亡后聚集在海底。罕见的动物扰动遗迹表明Barnett页岩与事件沉积有关,块状碎屑(主要是薄的丝鳃软体类和腕足类)很可能是由富含泥质基质的水流从上部的斜坡搬运过来所致。富含硅质层的成因可以用上升流来解释,同时,上升流也可能促进了放射虫泛滥使斜坡磷酸盐颗粒大量沉积于斜坡,而后经等深流和浊流作用搬运输入至盆地底部沉积下来。这就不难解释为什么Barnett页岩层含有硅质矿物和磷酸盐矿物(磷灰石)(图6)。4岩地层可作为页岩气勘探的有利地段北美典型页岩气藏的岩石学特征、沉积环境和福特沃斯盆地Barnett页岩气的沉积模式对我国页岩气勘探具有参照和指导意义。在我国找到类似北美典型页岩气藏岩石学特征、沉积环境和福特沃斯盆地Barnett页岩沉积模式的页岩地层,可以作为页岩气勘探的有利选区(表1)。例如,黔南坳陷下寒武统黑色高碳质页岩系和二叠系吴家坪组的岩石学特征与北美典型页岩具有很强的相似性,并且,黔南坳陷下寒武统黑色高碳质页岩系和二叠系吴家坪组含泥硅质页岩的沉积环境与福特沃斯盆地Barnett页岩气沉积环境有类似之处。此外,在四川盆地同样可以找到具有类似岩石学特征和沉积模式的泥页岩