雷海艷，齊婧，周妮，陳俊，孟穎，張錫新，陳銳兵

（1.新疆頁巖油勘探開發(fā)重點實驗室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油 新疆油田分公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

硅質頁巖是海相頁巖油氣的優(yōu)質巖相類型之一[1]，其硅質以生物和熱液成因為主[2-3]。硅質的來源、富集及成巖作用對海相頁巖有機質富集機理和儲集層性質評價具有重要的指示意義[4-6]。陸相頁巖中的硅質一般以陸源碎屑為主，自生成因的硅質較少。近年來，在準噶爾盆地二疊系風城組[7-9]、三塘湖盆地二疊系蘆草溝組[10]、鄂爾多斯盆地三疊系延長組和松遼盆地白堊系青山組[11]頁巖中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)燧石和自生硅質，陸相頁巖中的自生硅質逐漸引起關注。2019 年，在準噶爾盆地瑪北斜坡區(qū)部署的瑪頁1 井，開辟了準噶爾盆地堿湖頁巖油勘探的全新領域，形成了該盆地繼吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)咸化湖盆十億噸級頁巖油發(fā)現(xiàn)后，又一個頁巖油大規(guī)模儲量區(qū)[12-13]。瑪頁1井風城組的硅質含量普遍為25%～60%，屬于富硅頁巖，比中國陸相泥頁巖的硅質含量高，且其中發(fā)現(xiàn)大量硅質條帶和團塊，說明風城組泥頁巖中大部分硅質為自生硅質。

原始沉積環(huán)境中硅質的沉降對有機質的保存極為有利，且在化石中常發(fā)現(xiàn)完整的微生物化石，對風城組頁巖自生硅質的研究有利于揭示風城組生烴母質類型。眾多學者對瑪北斜坡區(qū)風城組烴源巖發(fā)育特征及生烴特征展開了分析，認為風城組堿湖烴源巖主要為富有機質泥巖和藻白云巖，生烴母質以菌類和藻類為主，生烴特征體現(xiàn)在轉化率高、連續(xù)生烴、多期高峰、生油窗長，不同于傳統(tǒng)的湖相烴源巖[14-16]。風城組原油生物標志化合物特征指示生烴母質主要是杜氏藻[17]，但是僅在干酪根中見杜氏藻殘片，并未找到杜氏藻大量發(fā)育的直接證據(jù)。對硅質頁巖中生物類型的研究，有望揭示風城組主力生烴母質類型。

陸相地層中的自生硅質具有多種成因，根據(jù)形成時間和成巖環(huán)境可分為準同生成因、次生交代成因和表生成因[18]，根據(jù)物質來源可分為生物成因、熱液成因和陸源碎屑成因。風城組堿湖頁巖中的硅質，主要有蒸發(fā)[7]、生物[8]和次生交代成因[9]。以往研究陸相自生硅質的樣品零星分散，較難分析硅質含量對油氣生成和儲集性能的影響。利用瑪頁1 井風城組全井段近450 m巖心，通過巖心描述、巖石薄片鑒定、古生物分析、掃描電鏡觀測、X射線衍射全巖礦物分析、地球化學分析等手段，對瑪北斜坡區(qū)風城組頁巖巖石組合特征進行了剖析。

1 區(qū)域地質概況

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北部（圖1），是盆地最重要的生烴凹陷之一，發(fā)育下二疊統(tǒng)風城組堿湖沉積?，敱毙逼聟^(qū)位于瑪湖凹陷東北部，處于瑪湖凹陷生烴中心和東北斜坡區(qū)，位于百口泉沖積扇和夏子街沖積扇的扇間湖泊地帶?，敽枷荻B系自下而上發(fā)育佳木河組、風城組、夏子街組、下烏爾禾組和上烏爾禾組。早二疊世，準噶爾盆地西北緣處于伸展狀態(tài)，沉積受控于正斷層，發(fā)育半地塹結構[19]。

圖1 瑪湖凹陷構造位置Fig.1.Structural location of Mahu sag

瑪北斜坡區(qū)風城組發(fā)育一套咸化湖盆（半封閉環(huán)境）含鹽頁巖、白云質巖與碎屑巖過渡的混合沉積[20-22]。沉積環(huán)境偏堿性，堿性礦物發(fā)育，其成因主要是深部熱液涌入[23-26]。盆地西北緣烏夏斷裂帶下盤掩伏帶具較好的成藏條件，是油氣聚集的有利場所[27-28]?，敱毙逼聟^(qū)風城組不僅是盆地的主力烴源層，也是瑪湖凹陷頁巖油勘探的主要層位[12-13]?，旐? 井位于原堿湖邊緣區(qū)，風城組連續(xù)取心包含了風一段、風二段和風三段下部，其中，風一段上部、風二段和風三段發(fā)育泥頁巖，以塊狀和紋層狀為主。

2 富硅頁巖分布特征

瑪頁1 井風城組頁巖礦物以長石、石英和碳酸鹽為主（圖2a），且以長石和石英占絕對優(yōu)勢。其中，石英含量主要為10%～60%，長石含量主要為0～50%（圖2b），以斜長石為主。一般湖相泥頁巖中，石英和長石代表碎屑礦物組分，受碎屑物質供應強度的影響，變化趨勢較為一致，且含量大體相當。如柴達木盆地下干柴溝組上段泥頁巖中石英、斜長石和黏土礦物縱向上協(xié)同變化，與碳酸鹽礦物含量呈反比，90%以上樣品石英與斜長石含量之比為0.5～2.0[29]。瑪頁1井風城組泥頁巖石英與長石含量呈負相關關系（圖2b），70%以上樣品的石英含量大于長石含量，且42%樣品的石英與斜長石含量之比超過2.0，甚至有個別樣品大于10.0，說明瑪頁1井除了發(fā)育碎屑石英外，還發(fā)育自生石英，且其含量與長石含量呈反比。

圖2 瑪頁1井風城組頁巖礦物組成特征Fig.2.Mineral compositions of Fengcheng formation shale in Well Maye-1

將X 射線衍射全巖礦物分析結果（圖3a）與巖石薄片鑒定結果相結合，發(fā)現(xiàn)當石英與長石含量之比大于2.0時，石英含量一般大于30%，長石含量低于20%，樣品中發(fā)育有豐富的硅質團塊、紋層或條帶，指示樣品富集自生硅質，可劃分為富硅頁巖（圖3b、圖3c）。當樣品的石英與長石含量之比為0.5～2.0，且含量均為20%～40%時，樣品中發(fā)育較少硅質團塊、紋層或條帶，石英以碎屑石英為主，與長石大小相當，巖性主要為粉砂巖或細砂巖（圖3d、圖3e）。當石英與長石含量之比小于0.5時，一般為火山碎屑巖（圖3f）。

圖3 瑪頁1井石英和長石含量與巖性對應關系Fig.3.Correspondence between quartz/feldspar content and lithology in Well Maye-1

通過厘米級巖心描述發(fā)現(xiàn)，瑪頁1 井風城組頁巖段巖心共280 m，其中，富硅頁巖94 m。選取的239塊巖石薄片樣品中，硅質含量較高的有77 塊，瑪頁1 井風城組富硅頁巖約占泥頁巖的1/3?？v向上，富硅頁巖主要分布在風三段、風二段中—下部和風一段上部。其中，風三段采樣密集，鑒定結果顯示富硅頁巖與粉砂巖互層，富硅頁巖段整體厚度不大。

3 富硅頁巖成因

選取25 塊自生硅質較為富集的樣品做主微量元素分析。SiO2含量為58.35%～91.90%，平均為74.56%，Al2O3、TiO2、CaO 和MgO 的平均含量分別為3.00%、0.15%、5.09%和3.47%（表1）。通過Si過量=Si樣品-[（Si/Al）背景×Al樣品]以及（Si/Al）背景采用頁巖平均比值3.11[30]，計算得出SiO2過量含量亦較高，分布在45.72%～88.57%，平均含量為65.23%，說明上述樣品以自生硅質占主導。CaO 和MgO 含量高的主要原因是巖石中白云石和方解石發(fā)育。Al2O3含量與TiO2含量呈正相關，SiO2/Al2O3與Al2O3含量呈負相關（圖4），說明研究區(qū)風城組具有持續(xù)的陸源碎屑物質輸入，與前人研究結論一致[31]。

圖4 瑪頁1井風城組主量元素氧化物關系Fig.4.Correlation of main elements in Fengcheng formation of Well Maye-1

純海洋生物成因的硅質巖Si/（Si+Al+Fe）一般大于0.90，且Al/（Al+Fe+Mn）較高，受熱液影響時一般小于0.30[32-33]。研究區(qū)風城組硅質頁巖的Si/（Si+Al+Fe）為0.90～0.98，平均為0.94，Al/（Al+Fe+Mn）為0.54～0.70，平均為0.61（表1），指示研究區(qū)硅質頁巖受生物作用影響顯著。目前廣泛使用Al-Fe-Mn三角圖來判別硅質頁巖的成因，研究區(qū)僅1個數(shù)據(jù)未落到富Al段（圖5），表明研究區(qū)硅質頁巖均為生物成因，個別有熱液作用影響。同時，微量元素Mo 為生物活動性元素，在一定程度上反映了地質時期生產有機質的能力[7]。研究區(qū)Mo元素富集，說明該區(qū)風城組中硅質頁巖成因可能與生物活動相關。

圖5 瑪北斜坡區(qū)風城組硅質頁巖成因判別圖版（圖版引自文獻［30］）Fig.5.Genetic discrimination chart for the silica-rich shale in Fengcheng formation in Mabei slope(modified from Reference[30])

表1 瑪頁1井風城組主微量元素氧化物含量及相關參數(shù)Table 1 .Contents and related parameters of major trace elements in Fengcheng formation of Well Maye-1

綜合研究發(fā)現(xiàn)，瑪北斜坡區(qū)風城組硅質頁巖物質來源主要為持續(xù)輸入的陸源沉積物，后期受生物作用的影響。在風城組典型的堿性沉積環(huán)境下，湖盆中石英顆粒不穩(wěn)定性增強，多被溶解成膠狀。在生物生烴降解之后，隨著有機酸的排出，湖盆中水體的pH值降低，被溶解的SiO2重新結晶，導致風城組頁巖段巖石中沒有石英碎屑發(fā)育，SiO2均以硅質條帶的形態(tài)產出，從而形成現(xiàn)今的富硅頁巖。

4 富硅頁巖的油氣意義

4.1 富硅頁巖生烴母質

瑪頁1 井風城組富硅頁巖中發(fā)育大量藻類生物化石（圖6a—圖6d），該類化石在夏40 井風城組巖石中也有發(fā)育（圖6e）。

前人研究發(fā)現(xiàn)，風城組的生物化石主要為花粉、褶皺藻和底棲紅藻，這些生物生烴潛力低，并不能支撐風城組的原油儲量。本次研究在富硅頁巖中發(fā)現(xiàn)了大量的球形藻類，掃描電鏡下觀察該藻類已完全硅化（圖6f）。在常規(guī)古生物分離中會使用氫氟酸，該酸會溶解掉SiO2，因此該藻類在之前的研究中并沒有被發(fā)現(xiàn)。球形藻類在顯微鏡下觀察，與現(xiàn)代鹽藻休眠孢子結構一致，發(fā)育粗糙的細胞壁，具刺突和收縮的原生質團（圖6g）。古鹽藻營養(yǎng)體不具有細胞壁，很難保存，但休眠孢子具有雙層加厚的細胞壁，最終保存為化石。巖石薄片和熒光薄片顯示，休眠孢子內部和周圍充填瀝青質，熒光明顯，說明該休眠孢子具有較強的生烴能力（圖6h、圖6i）。

圖6 瑪北斜坡區(qū)風城組古鹽藻休眠孢子微觀特征Fig.6.Microscopic characteristics of dormant spores of paleosalina from Fengcheng formation in Mabei slope

在高鹽環(huán)境下培育鹽藻，分離出β-胡蘿卜素，其在有足夠氫原子的情況下可轉化為β-胡蘿卜烷。對比富硅頁巖和貧硅頁巖溶解有機質正構烷烴組成發(fā)現(xiàn)，富硅頁巖具有較高的β-胡蘿卜烷含量（圖7a），而貧硅頁巖中亦具有明顯的β-胡蘿卜烷峰（圖7b），但富集程度比富硅頁巖低。縱向上，瑪頁1井風城組β-胡蘿卜烷較為富集的層段，與富硅頁巖層段對應性較好，且在巖石薄片中發(fā)現(xiàn)有球形藻類的樣品，主要對應于富硅頁巖段（圖8）。由此進一步說明，自生硅質的形成有利于球形藻類的保存，該藻類是頁巖中生烴有機質的主要母質。

圖7 瑪頁1井風城組富硅頁巖和貧硅頁巖溶解有機質的飽和烴氣相色譜對比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

圖8 瑪頁1井風城組β-胡蘿卜烷發(fā)育特征Fig.8.Developmental characteristics of β-carotane of Fengcheng formation in Well Maye-1

4.2 富硅頁巖儲集性能

風城組富硅頁巖的硅質多呈隱晶結構，在常規(guī)的鑄體薄片里幾乎沒有可視孔隙。利用場發(fā)射掃描電鏡分析技術，通過對硅質頁巖中孔隙的提取和計算，發(fā)現(xiàn)硅質頁巖中納米級—微米級孔隙非常發(fā)育，孔隙直徑為1～5 μm（圖9a、圖9b）。掃描電鏡下硅質溶孔和晶間孔中見充填狀和薄膜狀原油（圖9c、圖9d），且瑪頁1井約30%的原油產自風城組的富硅頁巖段，富硅頁巖是瑪北斜坡區(qū)風城組頁巖段非常重要的儲集層。

圖9 瑪頁1井風城組富硅頁巖中的孔隙Fig.9.Pores in the silica-rich shale of Fengcheng formation in Well Maye-1

瑪頁1井風城組頁巖長石和石英含量與滲透率相關性較高，相對高滲透段對應于富硅頁巖段（圖10）。富硅頁巖發(fā)育段孔隙度為0.10%～6.10%，滲透率為0.005～0.123 mD。硅質頁巖晶間孔是瑪北斜坡區(qū)風城組致密儲集層中非常重要的孔隙類型，對改善風城組儲集層物性起到了至關重要的作用。同時，瑪北斜坡區(qū)風城組脆性指數(shù)較高，風城組平均脆性指數(shù)為248，與富硅頁巖段較對應，且有利于后期儲集層壓裂改造?，旐? 井風城組裂縫非常發(fā)育，是頁巖油非常重要的儲集空間。主要原因是瑪北斜坡區(qū)風城組在干、熱、咸的沉積環(huán)境下，白云石和硅質非常發(fā)育，巖石脆性較好，易產生天然裂縫。裂縫主要分布于風二段—風三段，低角度裂縫數(shù)量遠大于高角度裂縫；泥質巖類裂縫發(fā)育，凝灰質砂礫巖和熔結凝灰?guī)r裂縫不發(fā)育。

圖10 瑪頁1井風城組長石、石英含量與物性、脆性和裂縫相關性圖版Fig.10.Correlation chart of feldspar/quartz content with physical properties,brittleness,and fractures of Fengcheng formation in Well Maye-1

4.3 富硅頁巖生儲特征

瑪湖凹陷風城組沉積環(huán)境復雜，來自地球深部的熱液發(fā)育，火山噴發(fā)頻繁，同時整個湖泊呈現(xiàn)出堿性環(huán)境，使得風城組巖石中石英碎屑多被溶蝕。由深部熱液和火山噴發(fā)帶來的大量營養(yǎng)物質促進了風城組嗜堿藻類的勃發(fā)，為后期生烴打下了基礎。藻類在生物降解之后，促使整個環(huán)境pH 值降低。湖盆中溶解的硅質膠體隨著環(huán)境中pH 值降低而重新結晶，形成硅質頁巖。同時，藻類的捕獲作用也會促進硅質的沉淀，主要表現(xiàn)在藻類可通過光合作用分泌一種黏液物質，捕獲和粘結水體中的SiO2膠體質點，使之沉淀[34]。環(huán)境變化后，出于生物的自我保護和繁衍生息，古鹽藻形成了大量的休眠孢子，以待環(huán)境適宜的條件下重新生長。研究發(fā)現(xiàn)，古鹽藻休眠孢子也是一種非常有效的生烴母質。同時，硅質頁巖中硅質晶間孔是油氣的主要儲集空間，從而形成了硅質頁巖的成儲效應。

5 結論

（1）瑪頁1 井風城組富硅頁巖發(fā)育，厚度約占總頁巖段的1/3，主要發(fā)育于風三段、風二段中—下部和風一段上部。

（2）瑪頁1 井風城組富硅頁巖的發(fā)育主要與風城組為堿湖沉積有關?；鹕轿镔|和陸源黏土礦物、石英等在高pH 值的堿湖中不穩(wěn)定，易溶解為SiO2膠體。后期受生物作用影響，pH值降低，SiO2重新結晶；同時藻類釋放的黏液物質捕獲和粘結水體中的SiO2膠體質點，使之沉淀，從而形成風城組現(xiàn)今的富硅頁巖。

（2）硅質頁巖中發(fā)育古鹽藻休眠孢子，反映了風城組中古鹽藻曾大量發(fā)育。該休眠孢子發(fā)育處β-胡蘿卜烷含量明顯升高，而β-胡蘿卜烷富集是風城組原油的典型特征，表明古鹽藻是瑪北斜坡區(qū)風城組主要的生烴母質。

（3）瑪北斜坡區(qū)風城組原油具備典型的自生自儲特征。硅質頁巖中硅質晶間孔發(fā)育，硅質頁巖內部古鹽藻持續(xù)生烴，油氣在硅質晶間孔中原位儲集。