烃源岩矿物组成特征及油气地质意义——以中上扬子古生界海相优质烃源岩为例.pdf

2 0 1 1 年 1 2 月 石油勘探与开发 PETR0LEUM EXPLoRAT1 0N AND DEVELoPM ENT Vl0 1 ． 38 No． 6 6 71 文章编号1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 1 0 6 0 6 7 1 - 1 4 烃源岩矿物组成特征及油气地质 意义 以中上扬子古生界海相优质烃源岩为例 付小东 ，秦建中 ，滕格尔 ，王小芳 2 1 ．中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所；2 ．中国石油杭州地质研 究院 基金项 目 国家重 点基础 研 究发 展 规 划 9 7 3项 目 2 0 0 5 C B 4 2 2 1 0 2 ；石油化工联合基金项 目 4 0 8 3 9 9 1 0 摘要系统分析中上扬子古生界 3套海相优质烃源岩矿物组成及其影响因素，探讨烃源岩矿物组成所蕴含的油气地 质意义。中上扬子古生界下寒武统牛蹄塘组、上奥陶统五峰组一 下志留统龙马溪组、上二叠统大隆组优质烃源岩具有相 似的矿物组成，主要为硅质型泥页岩，黏土矿物含量低，而上二叠统龙潭组烃源岩矿物组成变化较大。约 6 5 ％的烃源 岩样品中石英含量大于 7 0 ％，黏土型泥页岩主要发育在龙潭组。海相烃源岩矿物组成的差异主要由沉积环境导致，同 时受生物沉积作用、热演化成熟度的影响。 矿物组成差异是导致烃源岩生烃模式和排烃能力差异的因素之一。 牛蹄塘组、 五峰组一 龙马溪组、大隆组优质烃源岩富脆性的硅质矿物而低黏土矿物，有利于页岩气的开采，但较低的黏土矿物含量 对泥页岩吸附气能力是一种制约因素；龙潭组页岩气勘探应根据其矿物组成的变化在不同区域分别对待。图 1 1 表 1 参 6 5 关键词 矿 物组成 ；古生界 ；海相烃 源岩 ； 中上扬 子 区 中图分 类号 T E1 2 2 ． 1 文献 标识码 A M i n e r a l c o m po ne n t s o f s o u r c e r o c ks a n d t h e i r pe t r o l e um s i g n i fic a n c e A c a s e f r o m Pa l e o z o i c m a r i ne s o u r c e r o c k s i n t h e M i dd l e - Up pe r Ya ng t z e r e g i o n F u Xi a o d o n g ， Qi n J i a n z h o n g ， T e n g e r ， Wa n g Xi a o f a n g 1 ． W u x i R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m G e o l o g y ， S i n o p e c ， W u x i 2 1 4 1 5 1 ， C h i n a ； 2 ． P e t r o C h i n a Ha n g z h o u R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m Ge o l o g y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 3 ， C h i n a Abs t r a c t Th e mi ne r a l og i c a l c o mp os i t i o n a n d 1 t s i n f l ue n c i n g f a c t o r s o f t h r e e s e t s of e x c e l l e nt Pa l e o z o i c ma r i n e s o u r c e r o c k s a r e a n a l y z e d t o d i s c u s s t h e g e o l o g i c a l s i g n i fi c a n c e o f mi n e r a l o g i c a l c o mp o s i t i o n i n t h e Mi d d l e Up p e r Y ang t z e Re g i o n MUYR ． T h e s o u r c e r o c ks i n t h e Lo we r Ca mbr i an Ni u t i t an g， Up pe r Or d o vi c i a n Wuf e ngLowe r Si l ur i a n Lo n g ma x i ， a n d Up pe r P e r mi a n Da l o n g Fo rm a t i o n s a r e s i mi l a r i n mi n e r a l o gi c a l c o mp o s i t i o n s ，whi c h a r e s i l i c e o us s h a l e o f l o w c l a y mi ne r a l a v e r a ge c o n t e n t ． M i ne r a l c o n t e nt s o f t h e Upp e r Pe r mi a n Lo ng n Fo r ma t i o n s o u r c e r o c ks s h o w mu c h va r i a t i o n．6 5 ％ o f S O urc e s a mp l e s ha v e o v e r 7 0 ％ q u a r t z c o nt e n t ， an d c l a y s h a l e i s f o u n d mo s t l y i n t he Lo n g t a n Fo r ma t i on ．The d i ffe r e nc e o f mi ne r a l c o mpo n e n t s i n ma r i n e s o u r c e r o c k i s ma i nl y c a us e d b y t he s e d i me n t a r y e n vi r o n me n t ，a n d i t i s a l s o g r e a t l y i n flu e n c e d b y t h e b i oc l a s t i c s e d i me nt a t i o n a n d t h e rm a l ma t u r i t y ．Di ffe r e n t mi ne r a l c o mp os i t i o n i s a c a us e o f t h e d i ffe r e n c e i n h y d r oc a r b o n g e ne r a t i n g mo d e l a n d h ydro c a ba r bo n e xp ul s i o n r a t e o f s o u r c e r oc k． The s o u r c e r o c ks o f t h e Ni ut i t a n g， Wuf e ng Lo n g ma x i a nd Da l o n g Fo r ma t i o n s a r e r i c h i n b r i al e mi ne r a l s a nd po o r i n c l a y mi ne r a l ， whi c h i s f a v o r a b l e f or e x pl o i t i ng s h a l e g a s ，b u t un f a vo r a bl e f o r ga s a d s o r pt i o n i n s h a l e ． And i t i s ne c e s s a ry t o di ffe r e n t i a t e s h a l e s o urc e r oc ks a c c o r d i n g t o t h e mi n e r a l c o mp on e nt s i n t h e Lo ng t a n F o r ma t i o n i n s ha l e g a s e x pl o r a t i o n． K e y wor ds mi ne r a l c ompo n e n t s ； Pa l e o z o i c ； ma r i ne s o urc e r o c k； Mi d d l e Up pe r Ya ng t z e r e g i on 中上扬子区古生界主要发育了下寒武统 、上奥 陶 统． 下志留统 、上二叠统 3套区域性海相优质烃源岩。 下寒武统牛蹄塘组 n 或筇竹寺组和上奥陶统五峰 组． 下志留统龙马溪组 0 w S 1 优质烃源岩主要为层 系下部 的硅质岩段与黑色泥页岩段 ；上二叠统龙潭组 P 2 1 或吴家坪组 P 2 w和大隆组 P 2 d 优质烃源 岩主要为泥质岩与硅质岩段 ，灰岩段 T OC值较低 ，为 非烃源岩一差烃源岩l 钔 。前人对这几套烃源岩的有机 地球化学特征研究已取得大量成果 引，但对其矿物组 成特征研究较少 。本文对这几套海相优质烃源岩矿物 组成进行系统分析 ，研究它们之问的矿物组成特征差 异 ，分析其影响因素，探讨烃源岩矿物组成所蕴含的 油气地质意义。 1样 品与分析 以往矿物组成分析多用于储集层评价 ，较少用于 2 0 1 1 年 1 2月 付小 东 等 烃源岩矿物组成特征及油气地质意义以中上扬子古生界海相优质烃源岩为例 6 7 9 倍[ ， 对沉积物中有机物含量的增高有着重要贡献【 们 。 高有机质丰度的硅质岩是热水活动与生物沉积共 同作 用的结果 ，石英主要来 自生物沉积和热水导致的 S i O2 化学沉淀 ，这也可以解释层状暗色硅质岩常富有机质 而单化学沉淀作用形成的燧石层有机质含量却很低的 原 因。 4 ． 3 沉积环境 对矿 物组 成 的影响 中上扬子古生界泥质烃源岩与东部陆相湖盆泥质 烃源岩 、海相非烃源泥质岩在矿物含量上差异明显 ； 不同层系、同一层系不同剖面的烃源岩矿物组成也存 在一定差异 。龙潭组烃源岩矿物组成与干酪根碳 同位 素之间的关系表明 ，沉积环境与沉积物物源 的不 同是 导致矿物组成差异的重要因素。 沉积物中的黏土矿物一般由风化作用形成 [ 4 ” ，陆 源风化产物通过河 流等途径 进入海洋 ，在搬 运和沉 积的过程 中会发生粒度 、密度 、形状 以及成分上的分 异[ 1 ，密度相对较小 、多呈片状的黏土矿物应较石英 等碎屑矿物搬运得更远 ，中国东海边缘海某检测站陆 源沉积物中黏土矿物含量约 6 6 ％；南海某站陆源沉积 物黏土矿物平均含量达 7 0 ％【 4 。若 中上扬子区古生界 泥质烃源岩的沉积物都来 自陆源区，则应富集黏土矿 物 ，但实 际上其黏土矿物含量总体低于陆相烃源岩和 现代湖泊沉积物 ，也低于滨海地 区陆源沉积物和深海 黏土中的黏土矿物含量 ，这说明其沉积物并非都来 自 陆源碎 屑 。 海相沉积背景下 ，欠补偿的浅水一深水盆地 、深 水陆棚相 、台内凹陷等沉积环境有利于海相优质烃源 岩的形成 _4 ，由于这些沉积环境通常远离剥蚀 区， 陆源物质输入量小 ，且沉积水体相对较深 ，水体表层 生物繁盛 ， 生物死亡后的硅质 、 钙质残骸直接或以 “ 海 雪”方式下沉到底部 ，大量海源 的硅质沉积物的加入 ， 使得主要来 自陆源的黏土矿物在沉积过程中被稀释 ， 加上热水活动等其他 因素的叠加影响 ，易形成硅质型 泥页岩 或钙 质型 泥页岩 ，黏 土矿物 的含 量低 。 海陆交互 的沼泽相 ，近陆源 的三角洲 、滨岸 、海 湾与渴湖相等环境下形成 的烃源岩 ，因大量陆源碎屑 的输入 ，黏土矿物含量较高 ，易形成黏土型泥页岩。 龙潭组烃源岩的矿物组成变化大 ，正是 由于 中上扬子 区晚二叠世龙潭组沉积期时空相变频繁所致 。南J l I 三 泉 、四川华蓥山剖面龙潭组下段黑色页岩和万源黎树 剖面的黑色页岩 ，其黏土矿物含量在 6 0 ％以上 见图 3 b ， 华蓥山与南J i I 剖面龙潭组下段都有煤层和砂岩段 发育 ，二者 干 酪根碳 同位 素组 成分 别 为一 2 3 ． 6 ％ o 和 一 2 4 ． 3 ％ o ， 是典型的Ⅲ型干酪根 ， 形成于海陆交互环境 ； 万源黎树剖面干酪根碳 同位素组成重达一 2 3 ． 6 1 ％ o ， 说明 该样品中同样有大量陆源物质输入 ，因而黏土矿物含 量很高。而川东北毛坝 3井和元坝 3井龙潭组优质烃 源岩形成于台内凹陷环境 ，黏土矿物含量主要分布在 1 ％～1 1 ％，干酪根碳同位素组成多轻于一 2 7 ． 0 ‰ ，陆源 有机质 的输人 较少 。 5烃源岩矿物组成的油气地质意义 5 ． 1矿 物组 成与 烃源岩 生排烃 作用 海相烃源岩与陆相湖盆相烃源岩生排烃模式具有 较大差异【 4 】 ，烃源岩的矿物组成不同可能是导致这 些差异的因素之一。矿物组成对生排烃的影响可能主 要表现在两个方面 ①影响有机质的赋存形式 ，黏土型 泥页岩中有机质主要以有机黏土复合体的形式存在l 】 ， 而海相硅质型泥页岩 、泥质碳酸盐岩烃源岩中有机质 多以生屑形式存在[ 4 ；②不同矿物的粒度 、比表面积 、 结构形态、硬度与脆性等物理化学性质具有 明显差异 ， 这些差异导致烃源岩 自身孔渗性的差异和对液态烃吸 附能力 的不 同 。 为研究不 同矿物组成特征 的烃源岩排液态烃能力 的差异 ，将有机质 干酪根、稠油 与不 同矿物混合 进行热压模拟实验 ，比较其排油系数差异 排油系数 为排出油与总生油量之 比，总生油量为排 出油与混合 物中残 留油量之和 。将等量低熟 Ⅱ 型干酪根分别与 粉碎到相 同粒径的黏土矿物、石英混合 ，压实成薄层 状模拟页岩进行加压 5 0 MP a 生排烃模拟实验 ，结 果表明硅质矿物的排油系数在各温度点都高于黏土矿 物 见 图 1 l a 。将等量稠油与粉碎到相 同粒径 的石英、 方解石混合进行热压模拟实验 ，各温度点上硅质矿物 排油系数都高于钙质矿物 见图 1 l b 。实验初步表明 硅质矿物最有利于液态烃排出，硅质型烃源岩 由于矿 物对液态烃的吸附能力弱 、性脆容易产生微裂隙 ，在 地质条件下可能具有更高的排油系数。陆相泥质烃源 岩 由于其中大量黏土矿物的存在 ，一定程度上导致早 期生成 的少量液态烃难 以排出，使得其开始生油时间 滞后 ，并降低最终的排油率 ，使烃源岩 中残 留更多 的 液态烃。 考虑 不同矿物组成 的烃 源岩在排烃能力 上的差 异 ，对 沉 积盆 地 的资 源潜 力评 价有 积极 意 义 。对 于现 今仍以液态烃产出为主的含油气盆地 ，在选取排油系 数时考虑烃源岩矿物组成的影响 ，获得 的结果可能更 符合地质实际。 2 0 1 1 年 1 2月 付 小东 等 烃源岩矿物组成 特征及油气地质意义以中上扬子古生界 海相优质烃源岩为例 6 8 l 和排烃效率 ，以石英为主要矿物的烃源岩最有利于液 态烃的排出。中上扬子区牛蹄塘组 、 五峰组． 龙马溪组 、 大隆组优质烃源岩黏土矿物含量低 ，以易压裂的脆性 硅质矿物为主 ，易于页岩气 的开采 ，但较低 的黏土矿 物含量对页岩吸附天然气的能力是一个不利 因素 ；龙 潭组优质烃源岩矿物组成变化大，在不 同地 区应 区别 对待 。 致谢 中国石化勘探南方分公司提供中上扬子区 部分钻井样品 ，南京大学边立增教授对烃源岩中生物 碎屑的鉴定提供指导与帮助 ，在此表示感谢 参考文献 [ 1 ] 秦建 中，付小东 ，腾格尔．川东北宣汉一达县地 区三叠． 志 留系海 相优质烃源层评价[ J ] ．石油实验地质， 2 0 0 8 ， 3 0 4 3 6 7 - 3 7 4 ， 3 8 1 ． Q i n J i a n z h o n g ， F u Xi a o d o n g ，T e n g e r ．E v a l u a t i o n o f t h e e x c e l l e n t T r i a s s i c t o S i l u r i a n ma r i n e h y d r o c a r b o n s o u r c e r o c k s i n Xu a n h a n - Da x i an a r e a o f n o r t h e a s t S i c h u a n b a s i n [ J ] ． P e t r o l e u m Ge o l o g yE x p e r i me n t ． 2 0 0 8 ， 3 0 4 3 6 7 - 3 7 4 ， 3 8 1 ． [ 2 ] 付小东，秦建 中，腾格 尔．四川 盆地东南部海相层 系优 质烃源层 评价 以丁山 1 井为例[ J ] ． 石油实验地质， 2 0 0 8 ， 3 O 6 6 2 1 6 2 8 ， 6 4 2 ． F u Xi a o d o n g ， Qi n J i a n z h o n g ， T e n g e r ． E v a l u a t i o n o n e x c e l l e n t ma r i n e h y d r o c a r b o n s o u r c e l a y e r s i n s o u t h e a s t a r e a o f t h e Si c h u a n b a s i n An e x a mp l e f r o m We l l D一 1 [ J ] ． P e t r o l e u m G e o l o g y E x p e r i me n t ， 2 0 0 8 ， 3 0 6 6 2 1 - 6 2 8 ， 6 4 2 ． [ 3 ] 腾格尔，秦建 中，付小东，等．川 西北地 区海 相油气成藏 物质基 础优质烃源岩 [ 石油实验地质， 2 0 0 8 ， 3 0 5 4 7 8 ． 4 8 3 ． T e n g e r ，Qi n J i a n z h o n g ，F u X i a o d o n g ，e t a 1 ．Ba s i c c o n d i t i o n s o f m a r i n e h y d r o c a r b o n a c c u mul a t i o n i n no r t hwe s t S i c h u a n b a s i n Hi g h q u a l i t y s o u r c e r o c k s [ J ] ． P e t r o l e u m Ge o l o g y E x p e r i me n t ，2 0 0 8 ， 3 0 5 4 7 8 - 4 8 3 ． [ 4 ] 李 双建，肖开华，沃玉进，等．南方 海相上奥 陶统一下志 留统优 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u r c e r o c k s o f l o we r c o mb i n a t i o n i n t he s o u t h e a s t u p pe r - Ya n g t z e a r e a a n d t h e i r h y d r o c a r b o n p o t e n t i a l [ J ] ． P e t r o l e u m Ge o l o g y E x p e r i me n t ， 2 0 0 6 ， 2 8 4 1 3 5 9 3 6 5 ． [ 7 ] 梁狄刚，郭 彤楼，陈建平，等．中国南方海相生 烃成藏研究 的若 干新 进展 一 南方 四套区域性海相 烃源岩的分布 [ J ] ．海相油 气 地质， 2 0 0 8 ， l 3 2 1 - 1 6 ． L i a n g Di g a n g ，Gu o To n g l o u ，Ch e n J i a n p i n g ，e t a 1 ．So me pr o g r e s s e s o n s t u d i e s o f h y d r o c a r b o n g e n e r a t i o n a n d a c c u mul a t i o n i n ma r i n e s e d i me n t a r y r e g i o n s ， s o u t h e r n C h i n a P a r t 1 Di s t r i b u t i o n o f f o u r s u i t s o f r e g i o n a l ma r i n e s o u r c e r o c k s [ J ] Ma r i n e O r i g i n P e t r o l e u m G e o l o g y ， 2 0 0 8 ， 1 3 2 1 1 6 ． [ 8 ] 梁狄 刚，郭彤 楼，陈建平，等．中国南 方海相生烃 成藏研究 的若 干新 进展 二 南 方 四套 区域性海 相烃源 岩的地球 化学特 征[ J ] l 海相油气地质， 2 0 0 9 ， 1 4 1 1 - 1 5 ． Li a n g Di g a n g ，Gu o To ng l o u ， Ch e n J i a n 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准化委员会． S Y ／ T 5 1 6 3 1 9 9 5沉积岩粘土矿 物相对含量 x射线衍射分析方法[ s ] ．北京中国石油天然气总公 司 1 9 9 5 ． Pe t r o l e u m Ge o l o g i c a l Ex p l o r a t i o n P r o f e s s i o n a l S t a n d a r d i z a t i o n Co mmi t t e e ． S Y／ T 5 1 6 3 - 1 9 9 5 Ana l y s i s me t h o d o f c l a y mi n e r a l r e l a t i v e c o n t e n t i n s e d i me n t a r y r o c k b y X r a y d i f f r a c t i o n [ S ] ． Be i j i n g CNP C， 1 9 95 [ 1 1 ] 石油地质勘探专业标 准化委员会． S Y／ T 5 9 8 3 ． 1 9 9 4伊利石／ 蒙皂石 间层矿物 X射线衍射鉴定方法[ s ] ．北京中国石油天然气 总公司， 1 9 9 5 P e t r o l e u m Ge o l o g i c a l Ex p l o r a t i o n P r o f e s s i o n a l S t a n d a r d i z a t i o n Co mmi t t e e ．S Y／ T 5 9 8 3 1 9 9 4 I d e n t i f y i n g me t h o d o f i l l i t e ／ s me c t i t e i n t e r s t r a t i fi e d mi n e r a l b y X r a y d i f f r a c t i o n [ S ] ． B e i j i n g C NP C ， 1 9 9 5 ． [ 1 2 ] 中华人 民共 和国地质矿产部．GB ／ T 1 7 4 1 2 ． 2 1 9 9 8沉积岩岩石分 类和命名方案 [ s ] ．北京国家质量技术监督局， 1 9 9 8 ． M i n i s t r y o f Ge ol o g y a n d M i n e r a l Re s o u r c e s o f P R Ch i n a ．GB／ T 1 7 41 2 ． 2 1 99 8 Cl a s s i fic a t i o n a n d n o me n c l a t u r e s c he me o f s e d i me n t a r y r o c k [ S ] ． Be ij i n g Ge n e r a l A d mi n i s t r a t i o n o f Qu a l i t y a n d Te c h n ol o g y S u p e r v i s i o n ，1 9 9 8 ． [ 1 3 ] 蔡进功．泥质沉积物和泥岩中有机黏土复合体[ M] ． 北京 科学出 版社 ， 2 0 0 4 ． Ca i J i n g o n g． Or g a n o - c l a y c o mp l e x e s i n mud d y s e d i me n t s a n d mu d s t o n e s [ M] ． B e ij i n g S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 4 ． [ 1 4 ] 赵澄林，朱筱敏沉积 岩石学 [ M] ．北京石油工业 出版社，2 0 0 1 1 1 7 一 l 2 4 ． Z h a o C h e n g l i n ， Z h u Xi a o mi n ． S e d i me n t a r y p e t r o l o g y [ M] ． B e ij i n g P e t r o l e u m I n d u s t r yP r e s s ． 2 0 01 1 1 7 1 2 4 ． 6 8 2 石油勘探与开发 油气勘探 V b 1 ． 3 8 N o ， 6 [ 1 5 ] 张爱 云，伍大茂 ，郭丽娜．海相黑色页岩建造 地球 化学与成矿意 义[ M] ．北京科学出版社， 1 9 8 6 ． Z h a n g Ai y u n ， W u Da ma o ，Guo Li ’ n a ． Ge o c he mi s t r y o f ma r i n e b l a c k s h a l e f o r ma t i o n s a n d i t s mi n e r a l i z a t i o n s i g n i fi c a n c e [ M] ．B e i j i n g S c i e n c e Pr e s s ，1 9 8 6 ． [ 1 6 ] 李志 明，余晓露 ，徐二社 ，等．渤海湾盆地东 营凹陷有效 烃源岩 矿物组成特征及其意义[ J l _ 石油实验地质， 2 0 1 0 ， 3 2 3 2 7 0 2 7 5 ． Li Z h i mi n g ，Yu Xi a o l u ， Xu E r s h e ， e t a l Th e c h a r a c t e r i s t i c s o f mi ne r a l c o mp o n e n t s f o r e f f e c t i v e s o u r c e r o c k s f r o m Do n g y i n g d e p r e s s s i o n o f B o h a i B a y b a s i n a n d i t s s i g n i fi c a n c e [ J ] ． P e t r o l e u m Ge o l o g yE x p e r i me n t ， 2 0 1 0 ， 3 2 3 2 7 0 - 2 7 5 ． [ 1 7 ] 李善营，于炳松， Do n g Ha i l i a n g ，等．青海湖底沉积物的矿物物相 及有机质保存研究 [ J ] l岩石矿物学杂志， 2 0 0 6 ， 2 5 6 4 9 3 - 4 9 8 ． L i S ha n y i n g ，Yu Bi n g s o n g ， Do n g Ha i l i a n g ，e t a l Th e mi ne r a l o gi c a l p h a s e a n d p r e s e r v a t i o n o f o r g a n i c ma t t e r i n s e d i me n t s o f t h e Q i n g h a i L a k e [ J ]Ac t a P e t r o l o g i c a E t Mi n e r a l o g i c a ， 2 0 0 6 ， 2 5 6 4 9 3 4 9 8 ． [ 1 8 1 金相灿，孟 繁德，姜 霞，等 ．太湖东 北部沉积物理 化特征及磷赋 存形态研究⋯ ．长江流域资源与环境， 2 0 0 6 ， 1 5 3 3 8 8 - 3 9 4 ． J i n Xi a n g c a n ， M e n g F a n d e ， J i a n g Xi a ， e t a 1 ． P h y s i c a l - c h e mi c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d f o r m o f p h o s p h o r us s pe c i a t i o n s i n t h e s e d i m e n t s o f n o r t h e a s t l a k e T a i h u [ J ] ．R e s o u r c e s a n d E n v i r o n me n t i n t h e Y a n g t z e B a s i n ， 2 0 0 6 ， 1 5 3