天然气地球科学, 2021, 32(2): 174-190 doi: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.09.009

天然气地质学

四川盆地及其周缘典型地区龙潭组页岩岩相划分对比及特征

何燚,1, 唐玄,1, 单衍胜,2, 刘光祥3, 谢皇长1, 马子杰1

1.中国地质大学(北京)能源学院/自然资源部页岩气资源战略评价重点实验室,北京 100083

2.中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100083

3.中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083

Lithofacies division and comparison and characteristics of Longtan Formation shale in typical areas of Sichuan Basin and its surrounding

HE Yi,1, TANG Xuan,1, SHAN Yan-sheng,2, LIU Guang-xiang3, XIE Huang-chang1, MA Zi-jie1

1.China University of Geosciences (School of Energy)/Key Laboratory of Strategic Evaluation of Shale Gas Resources,Ministry of Natural Resources,Beijing 100083,China

2.Petroleum Resources Survey Center,China Geological Survey,Beijing 100083,China

3.Petroleum Exploration and Production Research Institute,SINOPEC,Beijing 100083,China

通讯作者: 唐玄(1979-),男,湖北利川人,副教授,博士,主要从事页岩油气地质研究与资源评价工作.E-mail:tangxuan@cugb.edu.cn单衍胜(1976-),男,山东郓城人,高级工程师,博士,主要从事煤层气、页岩气等非常规油气地质勘探及选区评价工作.E-mail:shanger@sohu.com.

收稿日期: 2020-07-19   修回日期: 2020-09-15   网络出版日期: 2021-02-08

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41972132.  41730421
国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发复杂油气田地质与高效钻采新技术”项目“陆相深水储集体成因机制与储层地质评价”课题.  2017ZX05009-002
中央高校基本科研业务费专项资金联合资助

Received: 2020-07-19   Revised: 2020-09-15   Online: 2021-02-08

作者简介 About authors

何燚(1992-),男,湖北十堰人,硕士研究生,主要从事非常规油气地质评价研究.E-mail:2316595340@qq.com. , E-mail:2316595340@qq.com

摘要

海陆过渡相页岩类型多、有机质类型复杂,既不完全同于陆相也不完全同于海相页岩特征,探讨海陆过渡相页岩岩相及其特征是进一步认识页岩气储集空间、赋存机理和富集规律的基础和前提。以四川盆地及其周缘典型地区二叠系龙潭组海相M1井和陆相DC1井页岩为研究对象,结合岩心观察、普通光学薄片观察、氩离子抛光扫描电镜观察等实验手段,对页岩岩相进行划分对比并描述其特征。结果表明:四川盆地及其周缘典型地区龙潭组页岩岩相按照矿物含量可划分为5个大类,分别为黏土质页岩相、钙质页岩相、硅质页岩相、钙质混合页岩相和硅质混合页岩相。根据有机质丰度进一步划分出8个小类,分别为特高有机质硅质页岩相、特高有机质硅质混合页岩相、特高有机质黏土质页岩相、高有机质硅质页岩相、高有机质黏土质页岩相、中有机质钙质混合页岩相、中有机质黏土质页岩相和低有机质钙质页岩相。其中黏土质页岩相、硅质页岩相和硅质混合页岩相有机质丰度高为有利产层;钙质和钙质混合页岩相有机质丰度低为不利产层;黏土质页岩相是页岩岩相中最为普遍发育的岩相;海陆过渡相的黏土质页岩相页岩有机质丰度高于海相的黏土质页岩相页岩。

关键词: 海陆过渡相 ; 海相 ; 四川盆地及周缘典型地区 ; 龙潭组 ; 页岩岩相 ; 有机质特征

Abstract

There are many types of transitional facies shale, and the types of organic matter are complex. They are neither completely the same as continental nor completely the same as the characteristics of marine shale. Discussing transitional shale facies and their characteristics is a further understanding of shale gas storage space. This paper takes the Well M1 and Well DC1 shale of Permian Longtan Formation in the Sichuan Basin and its surrounding areas as the research objects , combined with core observation, ordinary optical thin section observation, and argon ion polishing scanning electron microscope observation. The lithofacies are divided and compared and their characteristics are described. The results indicate that the shale lithofacies of the Longtan Formation in the typical areas of the Sichuan Basin and its periphery can be divided into five major categories according to the mineral content, which are clay shale facies, calcareous shale facies, siliceous shale facies, calcareous mixed shale facies, siliceous mixed shale facies. According to the abundance of organic matter, eight sub-categories are further divided into ultra-high organic matter siliceous shale facies, ultra-high organic matter siliceous mixed shale facies, ultra-high organic matter clay shale facies, high organic matter siliceous shale facies, high-organic clay shale facies, medium-organic calcareous shale facies, medium-organic clay shale facies and low-organic calcareous shale facies. Clay shale facies, siliceous shale facies and siliceous mixed shale lithofacies with high abundance of organic matter is favorable production zone, while calcareous and calcareous mixed shale facies with low abundance of organic matter is an unfavorable production zone. Clay shale facies is the most commonly developed lithofacies in shale facies. The abundance of organic matter in clay facies shale facies is higher than that of marine clay shale facies shale.

Keywords: Transitional facies ; Marine facies ; Typical areas in the Sichuan Basin and its periphery ; Longtan Formation ; Shale facies ; Characteristics of organic matter

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本文引用格式

何燚, 唐玄, 单衍胜, 刘光祥, 谢皇长, 马子杰. 四川盆地及其周缘典型地区龙潭组页岩岩相划分对比及特征. 天然气地球科学[J], 2021, 32(2): 174-190 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2020.09.009

HE Yi, TANG Xuan, SHAN Yan-sheng, LIU Guang-xiang, XIE Huang-chang, MA Zi-jie. Lithofacies division and comparison and characteristics of Longtan Formation shale in typical areas of Sichuan Basin and its surrounding. Natural Gas Geoscience[J], 2021, 32(2): 174-190 doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2020.09.009

0 引言

海陆过渡相页岩有机质丰度一般较高,常与煤层气、致密砂岩气等多种油气资源伴生,页岩气形成条件非常优越1。但海陆过渡相地层具有其特殊性,由于多种岩性并存、频繁叠置、岩相变化复杂,这为研究海陆过渡相页岩气赋存机理、富集主控因素和有利区的预测带来严重挑战2-4。海相页岩岩相划分方案常采用矿物三端元划分的方案、部分方案增加了有机质丰度的维度2-7。目前海陆过渡相页岩岩相方案多依循海相页岩岩相划分方案,通常依据薄片鉴定和XRD数据,结合古生物和沉积构造等特征进行划分3-4

本文以四川盆地及其周缘典型地区的海相M1井和海陆过渡相DC1井二叠系龙潭组页岩为研究对象,在沉积环境、储层岩石矿物学和有机质特征分析的基础上,将岩矿组成与有机质含量等级结合对海陆过渡相页岩岩相进行划分,从矿物到沉积环境等多维度来描述海陆过渡相页岩岩相,并通过对比海陆过渡相和海相页岩岩相划分及有机质特征,不仅增加了对海陆过渡相岩相划分方案建立及特征的研究,还弥补了海相页岩岩相单一地从矿物或者有机质角度对岩相划分与描述的缺点。

1 地质背景

研究区上扬子四川盆地及其周缘区域,在漫长构造和沉积演化中先后历经了加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动以及喜马拉雅运动等大规模构造运动8。研究区龙潭组深度由西南向东北呈现逐渐加深趋势,从陆相沉积环境过渡为海陆过渡相沉积环境,最终变为海相沉积环境(图19

图1

图1   研究区龙潭组沉积相、等厚线及采样位置[9-11]

Fig.1   Sedimentary facies, contours and sampling locations of the Longtan Formation in the study area[9-11]


在四川盆地西部从成都南部一直到云南的曲靖,向东快接近贵州的毕节地区为陆相冲积平原;向东从成都—资阳—泸州—纳雍—盘县弧形地区为三角洲间湾—滨岸沼泽环境;再向东从南充—广安—重庆—桐梓—安顺一带为潮坪—潟湖环境。继续往东逐渐过渡为海相的浅水—深水陆棚环境10-11

2 样品信息

研究区选取四川盆地东侧M1井,该井位于四川省东部达县—宣汉地区,该地区晚二叠世为深水陆棚沉积体系,整套M1井龙潭组埋深为4 888.5~4 991.5 m,属于超深层页岩油气藏,总沉积厚度为103 m,M1井龙潭组纵向上可分为3段。根据测井资料显示,M1井龙潭组中下部的全烃含量较高,证明龙潭组中下部的黑色泥页岩层和黑色粉砂质泥岩层具有良好的储气能力。M1井实际共钻取岩心23 m,取心深度为4 939~4 962 m,共取样21块[图2(a)]。西侧DC1井位于贵州省上扬子板块川滇黔盆地六盘水断陷内,龙潭组埋藏深度为630~960 m,属于中浅层页岩油气藏,主要发育潮坪—潟湖和三角洲2种沉积体系。沉积水体较浅,为温暖潮湿的热带雨林气候,泥炭沼泽发育,有利于陆生植物生长、沉积与保存,从而发育上二叠统龙潭组含煤地层,区内煤层多、单层薄、累计厚度大,分布连续稳定,DC1井共取样10块[图2(b)]12

图2

图2   M1井(a)和DC1井(b)地层柱状图

Fig.2   Stratigraphic column of Wells M1(a) and DC1(b)


3 页岩岩相划分方案

一种观点认为岩相(Lithofacies)指沉积岩相,为反映一定沉积环境的岩性特征,包括所有物理的、化学的(矿物和岩石的)及生物的特征13-14,也就是在一定沉积环境中形成的岩石类型及其组合,既包含了岩石类型、颜色、结构和构造等宏观信息,也包含了无机矿物与有机组成等微观信息。另外一种观点以MARSHALL等15为代表,认为岩相是一定沉积环境中形成的岩石或岩石组合,它是沉积相的主要组成部分。岩相和沉积相是从属关系,而不是同一关系。目前国内外页岩岩相划分还没有统一标准,多借用海相页岩岩相划分方案。国外通常依据薄片鉴定和XRD数据,结合古生物和沉积构造等特征进行划分16-18。有仅根据矿物组成划分的19,有以TOC、矿物组成为基础的“两步法”的岩相划分方案20;也有根据页岩矿物组成、沉积构造和生物组成特征的三步划分方案21。冉波等22根据2个核心指标(石英百分含量、纹层发育程度)将四川盆地及其周缘下古生界五峰组—龙马溪组页岩岩相分类为9种;针对四川盆地及其周缘也有考虑有机质和矿物含量的划分类型23及比较综合的划分方案18

由于TOC和矿物组分是控制页岩孔隙结构、含气性和力学性质的关键参数,同时这2个参数均能够通过实验获得准确数据,因此为更好地服务于页岩气的开发,在参考前人经验的基础上,本文主要通过TOC和矿物组分这2个参数对页岩岩相进行定量划分,使得结果具有更高的准确性。操作上,首先根据页岩矿物组分进行大类划分(图3),即将页岩岩相划分为I硅质页岩相[(长石+石英)>50%]、II钙质页岩相(碳酸盐矿物>50%)、III黏土质页岩相(黏土矿物>50%)、IV混合页岩相(任一矿物成分均小于50%),其中混合页岩相根据含量最高的矿物组分又可进一步划分为黏土质混合页岩相(25%<黏土矿物<50%,黏土矿物含量最高)、硅质混合页岩相[25%<(长石+石英)<50%,硅质矿物含量最高]、钙质混合页岩相(25%<碳酸盐矿物<50%,钙质矿物含量最高);然后按照TOC含量将页岩岩相进行小类划分,即根据TOC含量将页岩岩相划分为4个类别:低有机质页岩相(TOC<1.0%)、中有机质页岩相(1.0%≤TOC<2.0%)、高有机质页岩相(2.0%≤TOC<4.0%)、特高有机质页岩相(TOC≥4.0%),并将其与矿物组分划分的页岩岩相类型进行综合,确定总的页岩岩相类型,例如高有机质黏土质页岩相,以此类推。

图3

图3   M1井和DC1井矿物组成三角图

Fig.3   Mineral composition triangle diagram of Wells M1 and DC1


利用这个划分方案,对M1井和DC1井2口井页岩进行了岩相划分。将M1井和DC1井划分为5大类岩相,再根据有机质含量分别划分为低、中、高和特高有机质含量,结合有机质含量和岩相大类来进行岩相小类的命名(图3表1)。

表1   M1井及DC1井岩相划分结果

Table 1  Lithofacies division results of Wells M1 and DC1

井号样品号深度/m矿物组成/%矿物含量分类 (大类)TOC /%TOC等级

有机质丰度分类

(小类)

黏土矿物石英+长石碳酸盐矿物
M1井M24 941.5361940钙质混合页岩相1.41中有机质钙质混合页岩相
M54 944.4165422硅质页岩相9.88特高特高有机质硅质页岩相
M94 949.2384710硅质混合页岩相9.22特高特高有机质硅质混合页岩相
M114 951.2256110硅质页岩相2.01高有机质硅质页岩相
M154 955.7221263钙质页岩相0.37低有机质钙质页岩相
M164 956.8651215黏土质页岩相1.62中有机质黏土质页岩相
M194 959.455203黏土质页岩相3.39高有机质黏土质页岩相
M204 960.467174黏土质页岩相4.66特高特高有机质黏土质页岩相
M214 962.358340黏土质页岩相3.05高有机质黏土质页岩相
DC1井D1632.655.333.10黏土质页岩相12.8特高特高有机质黏土质页岩相
D267125.374.7012.8特高
D4723.288.211.80黏土质页岩相7.15特高特高有机质黏土质页岩相
D6854.141.156.70硅质页岩相2.91高有机质硅质页岩相
D7862.654.328.815.8黏土质页岩相2.91高有机质黏土质页岩相
D8891.576.619.13.9黏土质页岩相5.32特高特高有机质黏土质页岩相
D9920.760.233.66.2黏土质页岩相2.72高有机质黏土质页岩相
D10957.887.512.30.2黏土质页岩相18.5特高特高有机质黏土质页岩相

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4 页岩岩相及其特征

根据以上方法和分析结果,2口井龙潭组页岩岩相除D2样品为煤岩外,按照矿物含量分为4大类,其中混合页岩相包含钙质混合页岩相和硅质混合页岩相。按照有机质丰度划分8小类,分别为:特高有机质硅质混合页岩相、特高有机质硅质页岩相、特高有机质黏土质页岩相、高有机质硅质页岩相、高有机质黏土质页岩相、中有机质钙质混合页岩相、中有机质黏土质页岩相和低有机质钙质页岩相。其中M1井除高有机质硅质页岩相之外,其他页岩相都有发育;海陆过渡相的DC1井龙潭组页岩划分为3种岩相类型,分别为:特高有机质黏土质页岩相、高有机质黏土质页岩相、高有机质硅质页岩相。

4.1 黏土质页岩相

M1井样品M16、M19、M20、M21及DC1井样品D1、D4、D7、D8、D9、D10的岩相属于黏土质页岩相。M1井黏土质页岩相主要发育在龙潭组底部,DC1井黏土质页岩相页岩的矿物组成在空间分布上具有较强的非均质性(表1)。

4.1.1 矿物特征

M1井黏土质页岩相黏土矿物含量在55%~67%之间,平均含量为61.25%,而DC1井黏土质页岩相黏土矿物含量则在55.3%~88.2%之间,平均含量为70.35%,比M1井平均含量要高,在黏土质页岩相中海陆过渡相的页岩比海相的页岩黏土含量高。脆性矿物中M1井黏土质页岩相石英含量为5%~20%,平均含量为13%,而DC1井石英含量为11.8%~29.9%,平均含量为18.5%;长石在M1井和DC1井平均含量分别为7.75%和4.61%;黏土质页岩相碳酸盐矿物在M1井和DC1井平均含量分别为5.5%和4.6%。整体来看在黏土质页岩相中M1井石英含量低于DC1井,而M1井长石含量高于DC1井,这与M1井为深海陆棚相,沉积环境稳定,而DC1井为河流间湾和潟湖相,沉积环境复杂有着密切联系,海陆过渡相的DC1井沉积环境易出现偏酸性环境,使得长石保存和生成更难。在碳酸盐矿物含量上,海相M1井高于海陆过渡相的DC1井,但是差别不大(表2)。

表2   M1井和DC1井龙潭组矿物组分

Table 2  Mineral composition of Longtan Formation in Wells M1 and DC1

井号编号井深/m岩性黏土/%石英/%钾长石/%斜长石/%方解石/%白云石/%黄铁矿/%菱铁矿/%硬石膏/%
M1井M24 941.5灰色灰质页岩3616/31129311
M54 944.4灰黑色炭质页岩2145/320641/
M94 949.2灰黑色炭质页岩3843/4643/2
M114 951.2灰黑色炭质页岩2559/2824//
M154 955.7灰色泥质页岩2211/14593//
M164 956.8灰黑色页岩658/4114611
M194 959.4灰黑色页岩5520//12193/
M204 960.4灰黑色页岩675111/412//
M214 962.3灰黑色含砂页岩5819/15//7/1
DC1井D1632.6灰黑色含砂页岩55.329.90.92.3//10.3/1.3
D267125.374.7///////
D4723.2黑色炭质页岩88.211.8///////
D6854.1灰黑色粉砂质页岩41.141.90.614.2//2.2//
D7862.6黑色炭质页岩54.319.41.28.2/15.81.1//
D8891.5黑色炭质页岩76.6152.21.93.9/0.4//
D9920.7灰黑色粉砂质页岩60.2230.89.86.2////
D10957.8黑色炭质页岩87.511.90.4/0.2////

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黏土质页岩相的黏土矿物组成也呈现海相和海陆过渡相的差别。M1井黏土质页岩的伊利石含量为2%~40%,平均为21.5%;DC1井黏土质页岩的伊利石含量为1%~9%,平均为3.33%。M1井高岭石含量为0~6%,平均为2.75%;而DC1井高岭石含量为5%~64%,平均为29%。M1井伊/蒙混层含量为5%~74%,平均为47.75%,DC1井伊/蒙混层含量为0~76%,平均为43%。M1井伊/蒙混层比为30%~35%,平均为33.75%,DC1井伊/蒙混层比为0~25%,平均为15.83%(表3)。

表3   M1井和DC1井龙潭组黏土矿物组成

Table 3  Clay mineral composition of Longtan Formation in Wells M1 and DC1

井号编号井深/m岩性伊利石/%高岭石/%绿泥石/%伊/蒙混层/%绿/蒙混层/%伊/蒙混层比/%
M1井M24 941.5灰色灰质页岩581/41/35
M54 944.4灰黑色炭质页岩581140/35
M94 949.2灰黑色炭质页岩62//38/30
M114 951.2灰黑色炭质页岩551143/35
M154 955.7灰色泥质页岩56//44/30
M164 956.8灰黑色页岩40/159/30
M194 959.4灰黑色页岩22758435
M204 960.4灰黑色页岩193474/35
M214 962.3灰黑色含砂页岩2561453235
DC1井D1632.6灰黑色含砂页岩9383320/10
D2671293832///
D4723.2黑色炭质页岩3431638/10
D6854.1灰黑色粉砂质页岩462169/25
D7862.6黑色炭质页岩451576/25
D8891.5黑色炭质页岩391375/25
D9920.7灰黑色粉砂质页岩1153549/25
D10957.8黑色炭质页岩/6436///

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由于蒙脱石在一定条件下均可以向伊利石、绿泥石或者高岭石转化,高岭石分为沉积成因高岭石和自生(成岩)成因高岭石,自生高岭石的形成通常形成于酸性流体环境和较好的孔隙系统,当酸性流体中的Si4+、Al3+饱和时,自生高岭石便会沉淀形成,经常作为成岩阶段划分的标志24。海相M1井黏土质页岩相伊利石含量高于海陆过渡相DC1井,而高岭石含量却低于DC1井,这反映对于高含黏土矿物的黏土质页岩相在海相沉积环境下蒙脱石转化为伊利石的效率高,而海陆过渡相环境陆源补充充足,沉积环境呈现酸性也为自生高岭石的形成提供有利条件。黏土质页岩相中海相伊/蒙混层比M1井高于海陆过渡相的DC1井,说明海相黏土质页岩相页岩吸附性更好。

ROWE等25认为高含气性还可能与高含量的黄铁矿有关。聂海宽26也认为可以依据黄铁矿的富集程度预测页岩最大含气区。可见黄铁矿对于预示高含气区有重要意义。黏土质页岩相中海相M1井样品中黄铁矿明显高于海陆过渡相DC1井(表2),这表明在高含黏土页岩中,海相环境更稳定,还原性更强,更有利于有机质保存,而海陆过渡相环境更加复杂多变。

4.1.2 有机质特征

有机质类型不但决定烃源岩的生烃能力和所生烃类的性质,影响页岩中气体的赋存和运移,而且还对有机孔隙和无机孔隙的发育有着重要影响,有机质孔的发育与有机质显微组分有关27

M1井有机质类型分析结果见表4。M1井干酪根为Ⅲ型,主要显微组分为镜质组,平均含量为75.42%,说明M1井黏土质页岩相有机质主要来源于陆源高等植物,而这部分正处于M1井龙潭组的底部。对于DC1井,主要依据前人研究资料,该井显微组分结构以原生结构为主,块状构造;宏观煤岩组分以暗煤、丝炭为主,亮煤、镜煤含量较少,宏观煤岩类型主要为半暗型,其次为半亮型,干酪根类型以Ⅲ型为主28。可见海相和海陆过渡相在黏土质页岩相中有机质来源具有相似性。通过扫描电镜对2口井典型样品有机质显微观察发现(图4):黏土质页岩相样品M21、D1、D4、D8和D10镜质体和壳质体普遍发育,且显微组分尺度相对其他岩相样品的有机质块体较大,显示有机质来源为陆源高等植物,在扫描电镜下更容易找到有机质显微组分。偏陆相的DC1井黏土质页岩相样品观察到的有机质要比偏陆相的M1井样品更加容易和明显。

表4   M1井透射光+荧光干酪根类型分析结果

Table 4  Analysis results of transmitted light + fluorescent kerogen type in Well M1

井深/m层位岩性腐泥组/%壳质组/%镜质组/%惰质组/%干酪根类型
4 942.6龙潭组黑色炭质页岩40.5758.810.63
4 946.8龙潭组黑色炭质页岩67.832.22
4 949.15龙潭组黑色炭质页岩0.3270.8328.210.642
4 951.2龙潭组黑色炭质页岩70.3229.682
4 952.1龙潭组黑色炭质页岩0.9375.6923.382
4 957.75龙潭组黑色页岩0.6322.8873.982.51
4 959.37龙潭组黑色页岩0.333.9693.42.31
4 960.42龙潭组黑色页岩0.3133.9665.110.62
4 962.3龙潭组黑色页岩30.1968.241.57
4 963.25龙潭组黑色页岩21.7376.361.92

注:“-”表示未统计出

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图4

图4   M1井、DC1井典型样品有机质显微组分扫描电镜照片

(a)M1井,M1样品,4 940.5 m;(b)M1井,M3样品,4 942.6 m;(c)DC1井,D1样品,632.6 m;(d)DC1井,D2样品,671 m;(e)M1井,M11样品,4 951.2 m;(f)M1井,M15样品,4 955.7 m;(g)DC1井,D4样品,723.2 m;(h)DC1井,D6样品,854.1 m;(i)M1井,M18样品,4 957.8 m;(j)M1井,M21样品,4 962.3 m;(k)DC1井,D8样品,891.5 m;(l)DC1井,D10样品,957 m

Fig.4   Scanning electron microscope photos of organic matter microscopic components of typical samples from Wells M1 and DC1


有机质丰度是页岩气形成的重要物质基础,也是影响有机孔发育的重要因素,前人29-30研究资料表明,整体来讲泥页岩有机质孔发育程度与有机质丰度呈正相关。研究黏土质页岩相有机质丰度在海相和海陆过渡相孔隙发育对比以及寻找有利层位都具有重要意义。黏土质页岩相中海相M1井样品TOC含量平均为3.16%,DC1井样品TOC含量平均为8.23%(表1),其中有机质含量从中等、高到特高,整体来讲含量较高。在海相M1井和海陆过渡相DC1井对比中,黏土质页岩相海陆过渡相的页岩有机质丰度高于海相。

4.2 硅质页岩相

M5、M11、D6样品为硅质页岩相。M1井的M5样品和M11样品在取样段的中上部位,属于硅质深水陆棚沉积环境;DC1井的D6样品在其取样段的中部,属于分流间湾沉积(表1)。

4.2.1 矿物特征

海相M1井硅质页岩相有2块样品为M5、M11,其黏土矿物含量分别为21%和25%,平均为23%;海陆过渡相DC1井硅质页岩相只有D6样品,其黏土矿物含量为41.1%。M1井2个硅质页岩相页岩样品的石英含量平均为52%,而DC1井硅质页岩相页岩样品为41.9%,M1井要高于DC1井。与黏土质页岩相对比,硅质页岩相中除了石英含量DC1井低于M1井,其他都一致。这可能与黏土质页岩相中海相M1井该类页岩沉积环境有关,海相沉积环境的M1井底部主要是黏土质页岩相页岩,其有机质特征显示有机质来自陆源高等植物,而其上部有机质多是海洋藻类植物,这说明在上段,无论是自生石英还是外源石英,其产生和保存条件更好(表2)。

硅质页岩相中海相和海陆过渡相页岩的黏土矿物含量存在较大差别。M1井蒙脱石转化为伊利石效率高于DC1井,而DC1井蒙脱石生成中间产物伊/蒙混层更多,这有助于页岩气的吸附。M1井2个样品高岭石和绿泥石含量均为1%,DC1井样品高岭石和绿泥石含量分别为6%和21%。孔隙水酸性条件下蒙脱石转化为高岭石,如果是碱性条件下则转化为伊利石和绿泥石,而转化为绿泥石条件是孔隙水中富含Fe2+、Mg2+[31-32],说明在硅质页岩相中M1井碱性更强,DC1井地层水含较高Fe2+、Mg2+

4.2.2 有机质特征

硅质页岩相M1井的有机质类型为II型,而DC1井为III型。对有机质丰度做了统计(表1),硅质页岩相页岩有机质含量整体高。在样品数量有限的情况下分析,硅质页岩相M1井有机质丰度高于DC1井,这与黏土质页岩相相反。在扫描电镜下观察到明显显微组分样品是M11和D6,相对黏土质页岩相,硅质页岩相样品有机质显微组分块体小,DC1井样品沥青化(图4)。

4.3 钙质页岩相

钙质页岩相样品只有M15,属于碳酸盐岩台地沉积环境;而DC1井却没有该岩相样品,碳酸盐岩台地为钙质页岩相页岩提供了良好的保存条件。钙质页岩相页岩样品M15黏土矿物含量为22%,含硅矿物为12%,其中黏土矿物中伊利石含量为56%,高岭石和绿泥石含量非常低,伊/蒙混层含量为44%,伊/蒙混层比为30%,显示海相钙质页岩相是形成于一个碱性少Fe2+、Mg2+的环境。黄铁矿含量为3%,含量相对较低,有机质含量为0.37%,含量低。黄铁矿与有机质丰度呈正相关,黄铁矿的富集能够显示良好的水体还原环境特征33。这也说明海相钙质页岩相页岩还原性弱,保存有机质能力较差。扫描电镜观察到M15样品有机质显微组分沥青化,也显示保存条件较差(图4)。

4.4 混合质页岩相

2口井中属于混合质页岩相的样品只有2块,分别为M2、M9,这2块样品的沉积环境分别为碳酸盐岩台地沉积相和硅质深水陆棚沉积相,M2样品为钙质混合页岩相,M9样品为硅质混合页岩相。

4.4.1 矿物特征

混合页岩相中2块样品的黏土矿物含量非常相近,M2样品为36%,M9样品为38%,黄铁矿含量都为3%。在黏土矿物成分上2块样品也存在相似性,M2样品和M9样品伊利石含量分别58%和62%,伊蒙混层含量分别为41%和38%,伊/蒙混层比分别为35%和30%,而高岭石和绿泥石含量都极低,这和钙质页岩相的黏土矿物含量非常相似,显示沉积环境为碱性少Fe2+、Mg2+的环境。主要矿物含量差别在于碳酸盐岩矿物和含硅矿物。

4.4.2 有机质特征

2块样品有机质类型为Ⅱ2型干酪根(表1)。钙质混合页岩相和钙质页岩相的有机质丰度都较低,具有相似性,而硅质页岩相和硅质混合页岩相有机质含量较高,也具有相似性。

对M1井各类型页岩岩相进行普通光学薄片观察(图5),特高有机质硅质混合页岩相,有机质呈斑块状和线状,层状结构不明显,有机质连续性和塑性较好,矿物磨圆度和分选性较差,粒径可达200 μm,含少量生物碎屑,发育在硅质深水陆棚相[图5(a)]。特高有机质硅质页岩相,有机质呈斑块状,层状结构明显,发育大量石英,石英颗粒定向分布,分选和磨圆差,发育在硅质深水陆棚相[图5(b)]。特高有机质黏土质页岩相,有机质与黏土矿物呈颗粒状均匀分布,粒径小于50 μm,矿物颗粒分选较好,发育在泥质深水陆棚相[图5(c)]。高有机质硅质页岩相,有机质呈不规则碎块状,与石英、长石等矿物均匀分布,矿物磨圆度较好,含少量海绵骨针等生物化石,发育在硅质深水陆棚相[图5(d)]。高有机质黏土质页岩相,有机质与石英颗粒混合分布,部分有机质充填于裂缝,石英有一定磨圆,层状结构不明显,为泥质深水陆棚相主要页岩岩相[图5(e)]。中有机质钙质混合页岩相,有机质呈碎块状和浸染状,泥质颗粒非常细,含较多生物化石,发育在碳酸盐岩台地相,位于页岩和灰岩的过渡带[图5(f)]。有机质黏土质页岩相,有机质平行层理分布,连续性差,有机质和矿物均有很强的颗粒感,粒径可达100 μm,矿物颗粒分选较好,与高有机质黏土质页岩相类似,发育在泥质深水陆棚相[图5(g)]。

图5

图5   M1井龙潭组泥页岩岩相类型及特征

(a)特高有机质硅质混合页岩相,M9样品,4 949.15 m, TOC=9.22%;(b)特高有机质硅质页岩相,M5样品,4 944.4 m, TOC=9.88%;(c)特高有机质黏土质页岩相,M20样品,4 960.42 m, TOC=4.696%;(d)高有机质硅质页岩相,M11样品,4 951.2 m, TOC=2.01%;(e)高有机质黏土质页岩相,M21样品,4 962.3 m, TOC=3.05%;(f)中有机质钙质混合页岩相,M2样品,4 941.5 m, TOC=1.41%;(g)中有机质黏土质页岩相,M16样品,4 956.8 m, TOC=1.62%;(h)灰色含泥灰岩,M15样品,4 955.7 m, TOC=0.369%

Fig.5   Lithofacies types and characteristics of shale in Longtan Formation in Well M1


对DC1井划分的三大类页岩岩相特高有机质黏土质页岩相,有机质呈斑块状和不规则碎块状,塑性和连续性差,矿物颗粒较少,粒径较大,分选性和磨圆性较好,指示陆源碎屑搬运沉积,含植物组织碎屑,分流间湾和潟湖相均有发育[图6(a)]。高有机质黏土质页岩相,有机质呈不规则碎块状和颗粒状,分选性和磨圆度较好,指示陆源碎屑搬运沉积,平行层理分布,部分呈层状,边缘较光滑,塑性和连续性差,矿物颗粒较粗,粒径小于50 μm,为分流间湾相主要页岩岩相[图6(b)]。高有机质硅质页岩相,有机质呈不规则碎块状和颗粒状,与碎屑石英、长石等矿物均匀分布,矿物颗粒较粗,粒径可达100 μm,磨圆度较好,有机质和矿物均定向排列,主要发育在分流间湾相[图6(c)]。此外,在泥炭沼泽相常见煤线发育,跟页岩相比,其TOC含量大于30%,含大量植物组织碎屑,结构保存完整[图6(d)]。

图6

图6   DC1井龙潭组页岩岩相类型及镜下特征

(a)特高有机质黏土质页岩相,D4样品,723.2 m, TOC=7.15%;(b)高有机质黏土质页岩相,D7样品,862.6 m, TOC=2.91%;(c)高有机质砂质页岩相,D6样品,854.1 m, TOC=2.91%;(d)煤,D2样品,671 m, TOC=42.8%

Fig.6   Lithofacies and microscopic characteristics of Longtan Formation shale in Well DC1


5 不同页岩岩相的储层特征

目前,广泛应用于页岩气储层的孔隙定量分类方案是国际理论和应用化学学会(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)关于孔隙的划分方法。IUPAC明确定义:小于2 nm的孔隙称为微孔(micropore),2~50 nm的孔隙称为中孔(mesopore),大于50 nm的孔隙称为宏孔(macropore)34。本文主要采用了高压压汞法和N2吸附法这2种方法分别对泥页岩2 nm以上的中孔和宏孔进行定量研究,结合电镜观察统计分析。根据电镜观察统计,微观尺度下各类孔隙的孔径大小情况是:有机质孔最小,一般在500 nm以下,其次为黏土与有机质的粒内孔和粒间孔,脆性矿物粒间孔稍大,最大的为碳酸盐矿物溶蚀孔,粒径可达10 μm。

M1井以无机孔黏土矿物晶间孔(粒内孔)和矿物粒间孔为主,有机孔较少发育。黏土质页岩相以黏土矿物粒内孔为主,有机质孔较少;钙质混合页岩相以生物碎屑粒内孔、溶蚀孔和方解石矿物粒间孔为主;硅质页岩相和硅质混合页岩相以矿物粒间孔为主,有机孔发育相对较多[图7(a)—图7(d)]。DC1井以黏土矿物粒内孔和粒间孔缝为主,孔隙形状多不规则,孔径较大,有机质孔多在黏土矿物与有机质接触部位发育,但整体欠发育[图7(e)—图7(h)]。

图7

图7   M1和DC1井龙潭组泥页岩孔隙特征

(a)方解石晶体之间紧密镶嵌状接触,见腔孔状生物碎屑粒内孔隙和溶蚀孔隙;(b)方解石晶体呈微晶结构,呈紧密镶嵌状接触,发育次生溶蚀孔隙;(c)方解石晶体呈粒状,粒间孔隙发育;(d)抛光处理样,黑色炭质泥岩,黏土矿物颗粒紧密接触,晶间孔隙发育;(e)石英、长石和黄铁矿粒间孔;(f)抛光处理样,发育黏土粒内溶蚀孔;(g)抛光处理样,黑色炭质泥岩,发育黏土粒内孔;(h)抛光样处理,发育有机质孔和黏土粒内孔

Fig.7   Pore characteristics of shale in Longtan Formation in Wells M1 and DC1


较大的比表面和孔隙体积能够为页岩气提供有利的吸附面积和存储空间,对低温氮气吸附实验所得到的BET比表面积和DFT孔隙体积数据进行分析统计(图8)。2口井对比发现,DC1井页岩孔隙的比表面积和孔隙体积呈很强的线性相关性,R2为0.738 5;而M1井页岩孔隙的比表面积和孔隙体积呈弱相关线性关系,R2为0.337。反映M1井页岩孔隙结构更加复杂,主要因为M1井页岩样品岩性多样,岩相类型相对较多,沉积环境、成岩作用、构造作用等影响孔隙发育的因素更加复杂,因而孔隙结构也相对复杂。

图8

图8   M1井和DC1井不同页岩岩相孔隙特征

Fig.8   Pore characteristics of different shale facies in Wells M1 and DC1


依据孔隙的比表面积和孔隙体积,M1井和DC1井各类页岩岩相的孔隙发育情况可大概划分为3类,分别为发育(BET比表面大于15 m2/g,DFT孔隙体积大于0.025 m2/g)、较发育(ET比表面大于8 m2/g,DFT孔隙体积大于0.018 m2/g)和欠发育(ET比表面小于8 m2/g,DFT孔隙体积小于0.018 m2/g)。孔隙发育最好的页岩岩相有4种,分别为M1井中有机质钙质混合页岩相、特高有机质硅质混合页岩相和特高有机质硅质页岩相以及DC1井特高有机质黏土质页岩相。值得注意的是,DC1井中并非所有特高有机质黏土质页岩相的孔隙都发育较好,对比其TOC发现,只适用于一定TOC范围内的特高有机质黏土质页岩相,TOC含量超过一定临界值(本文为8%),该页岩岩相的孔隙比表面积和孔隙体积均变差。

孔隙较发育的页岩岩相有5种,为优势页岩岩相,分别为M1井的特高有机质黏土质页岩相、高有机质黏土质页岩相和中有机质黏土质页岩相,以及DC1井的高有机质黏土质页岩相和高有机质陆源石英页岩相。因此,对于海陆过渡相页岩,孔隙发育最好的页岩岩相类型为4.0%<TOC<8%的特高有机质黏土质页岩相,其可作为优势天然气储层。综上分析,不同页岩岩相孔隙结构特征如表5所示。

表5   优势页岩岩相孔隙结构特征

Table 5  Lithofacies pore structure characteristics of dominant shale

岩相沉积相孔隙类型孔隙形态特征孔径范围(峰值)DFT孔隙体积BET比表面积孔径分布曲线特征孔隙发育情况
特高有机质 黏土质页岩相海陆过渡相(DC1井)矿物粒间孔、黏土矿物粒内孔,有机孔欠发育,有机质周缘孔缝较发育狭缝型,墨水瓶型,喉道分选差5 nm、 20 nm0.018~0.038~25双峰型发育
高有机质黏土质页岩相海陆过渡相(DC1井)矿物粒间孔、黏土矿物粒内孔,有机孔欠发育,有机质周缘孔缝较发育狭缝型,墨水瓶型,喉道分选差20 nm0.02~0.0310~15单峰型较发育
黏土质页岩相海相(M1井)矿物粒间孔、黏土矿物粒内孔,有机孔欠发育狭缝型4 nm0.02~0.0358~15单峰型特高有机质黏土质页岩相最发育
高有机质硅质页岩相海陆过渡相(DC1井)矿物粒间孔,有机孔欠发育狭缝型,墨水瓶型,喉道分选差20 nm0.02~0.0310~15单峰型较发育
硅质页岩相海相(M1井)矿物粒间孔,有机孔较发育狭缝和墨水瓶型2 nm、4 nm0.01~0.0355~30双峰型特高有机质硅质页岩相最发育
硅质混合 页岩相海相(M1井)矿物粒间孔,有机孔较发育2 nm、4 nm0.02522双峰型较发育
钙质混合 页岩相海相(M1井)生物碎屑粒内孔,溶蚀孔,矿物粒间孔墨水瓶型,圆柱型和板型10 nm0~0.040~15单峰型发育

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6 不同页岩岩相对页岩气成藏的影响

在海陆过渡相和海相沉积环境中黏土质页岩相页岩占有重要地位,在所有样品中数量最多,在黏土质页岩相中海相环境更利于有机质保存,而海陆过渡相的环境复杂多变,有机质保存条件差;除了黏土质页岩相外,硅质页岩相页岩也是比较好的,有机质丰度高,但是海相要优于海陆过渡相;混合页岩相中钙质混合页岩相和钙质页岩相页岩显示出较差的有机质丰度和保存条件。对于页岩气成藏,综合对比可见海相沉积环境的黏土质页岩相、硅质页岩相、硅质混合页岩相为最有利的页岩气成藏和产气页岩类型,其特点是有机质丰度高、保存条件好、脆性矿物含量较高利于开发;其次是海陆过渡相的硅质页岩相和黏土质页岩相,其特点是硅质页岩相有机质丰度较高,而黏土质页岩相黏土矿物含量高、有机质丰度高、脆性矿物变化较大,在实际开采过程中需要进一步探明甜点区,才能准确进行开采(表6)。

表6   不同岩相沉积环境、有机质特征和成藏的影响对比

Table 6  Comparison of different lithofacies sedimentary environment, organic matter characteristics and pyrite content

矿物含量分类(大类)沉积相及井号有机质丰度分类(小类)有机显微组分特征显微组分形态黄铁矿含量储层特征
黏土质页岩相海相 M1井中有机质黏土质页岩相Ⅲ型,壳质组和镜质组为主,个体细碎个体直径一般小于50 μm,结构不完整普遍发育黄铁矿,与TOC呈正相关主要发育矿物粒间孔,黏土矿物粒内孔,多为狭缝型,主要孔径在4 nm左右
高有机质黏土质页岩相
特高有机质黏土质页岩相
海陆过渡相DC1井特高有机质黏土质页岩相Ⅲ型,惰质组和镜质组为主个体较大,结构完整,一般大于50 μm黄铁矿含量非均质性较强,与TOC关系不明显主要发育矿物粒间孔,黏土矿物粒内孔,孔隙多为狭缝、墨水瓶型,分选差,主要为20 nm孔
高有机质黏土质页岩相
硅质 页岩相海相M1井特高有机质硅质页岩相II型,壳质组和镜质组为主,少量腐泥组个体直径一般小于50 μm,结构不完整普遍发育黄铁矿,与TOC呈正相关主要为矿物粒间孔,孔隙多为狭缝、墨水瓶型,主要为2 nm、4 nm孔
海陆过渡相DC1井高有机质硅质页岩相Ⅲ型,惰质组和镜质组为主个体直径一般小于50 μm,结构不完整黄铁矿含量非均质性较强,与TOC关系不明显主要发育矿物粒间孔,孔隙多为狭缝、墨水瓶型,主要为20 nm孔
钙质 页岩相海相 M1井低有机质钙质页岩相Ⅲ型,惰质组和镜质组为主个体直径一般小于50 μm,结构不完整普遍发育黄铁矿,与TOC呈正相关生物碎屑粒内孔,溶蚀孔,矿物粒间孔,孔隙为墨水瓶、圆柱形、板形,主要为10 nm孔
钙质混合页岩相海相 M1井中有机质钙质混合页岩相Ⅲ型,惰质组和镜质组为主个体较小,一般小于25 μm普遍发育黄铁矿,与TOC呈正相关
硅质混合 页岩相海相 M1井特高有机质硅质混合页岩相Ⅲ型,惰质组和镜质组为主个体较小,一般小于25 μm普遍发育黄铁矿,与TOC呈正相关矿物粒间孔、有机孔发育,狭缝和墨水瓶型,主要2 nm、4 nm孔

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海陆过渡相页岩的矿物组成差异大,本文及前人研究数据显示,主体岩相见黏土质页岩相、硅质页岩相和混合页岩相,其中混合页岩出现频率最高;相较而言,钙质页岩较少发育(图9)。海相页岩岩相分布较集中,以富硅的硅质页岩相和混合质页岩相为主。

图9

图9   不同岩相多井多区域综合

Fig.9   Different lithofacies, multiple wells and multiple regions


硅质页岩相页岩含气量稳定,一般在1.5 m3/t左右,有机孔相对较高为5%左右,脆性矿物含量高,岩石的可压裂性强,是开发中最优势页岩相。然而,海陆过渡相中硅质页岩相,尤其是高有机质硅质页岩相发育非常局限,这是明显区别于海相页岩的重要特征(表7)。

表7   四川盆地龙潭组海陆过渡相不同岩相页岩气形成条件对比

Table 7  Comprehensive lithofacies characteristics of multiple wells and multiple areas in the Sichuan Basin

岩相有机质特征储层特征含气性
TOC有机质类型孔隙特征孔隙分布特征
黏土质 页岩相有机质丰度变化很大, 为0.1%~20%Ⅲ型为主中孔,平板狭缝型为主,黏土矿物孔,微裂缝为主,有机质孔少孔径变化范围较大, 1%到10%较为稳定, 解析气1.5~2 m3/t
硅质 页岩相整体较为稳定,5%左右Ⅲ型为主, 部分II型有机孔相对较为发育,主要发育矿物粒间孔,多为狭缝型,部分为圆型或椭圆型孔径和沉积环境关系较为密切,海相的较为稳定3%左右,海陆过渡相变化较大为1%~10%较为稳定, 解析气1.5 m3/t左右
钙质 页岩相一般很低,1%以下Ⅲ型为主较多的溶蚀孔和生物碎屑孔,圆柱型和墨水瓶型变化大,一般在有溶蚀孔样品中孔隙度高5%以上,其他为1%左右较低, 解析气1 m3/t以下
混合 页岩相一般较低,为1%~5%Ⅲ型为主其中有机质孔孔径较小,无机孔隙主要为黏土矿物晶间孔和碎屑颗粒原生粒间孔,狭缝型和墨水瓶型孔径分布较为集中,3%左右比较普遍较稳定, 解析气1.3 m3/t

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黏土质页岩相页岩含气性较为稳定,一般在1.5~2 m3/t之间,有机质丰度变化大,在0.1%~20%之间都有分布,但整体较高,孔隙主要集中在矿物粒间孔和黏土矿物粒内孔,海陆过渡相黏土质页岩相页岩要比海相黏土质页岩相页岩孔隙更加复杂,海相黏土质页岩相页岩孔隙较为稳定。海相黏土质页岩相硅质相对较高,而海陆过渡相黏土质页岩相脆性矿物含量少,不利于后期储层压裂改造(表7)。

混合页岩相页岩在海相和海陆过渡相中占比都较高,含气性较为稳定,在1.3 m3/t左右,有机孔较小,主要分布黏土矿物晶间孔和碎屑矿物粒间孔,除了黏土矿物外,富硅的样品多,反映混合页岩相整体脆性较强,具有较好的压裂条件(表7)。

钙质页岩相页岩整体分布较少,有机质丰度低,一般在1%以下,含气性较低,一般在1 m3/t以下。与海相相比,钙质页岩相更加普遍发育在海陆过渡相环境中。钙质页岩相样品中溶蚀孔和生物碎屑孔较为发育,但整体储集性较差,是页岩气开采中典型的非优势岩相(表7)。

7 结论

(1)本文以四川盆地及其周缘东西部典型地区二叠系龙潭组为研究对象,在沉积环境、岩石矿物学和有机质特征分析基础上,建立了基于岩矿组成与有机质丰度等级评价相结合的海陆过渡相页岩岩相划分方案。划分为黏土质页岩相(黏土矿物>50%)、硅质页岩相[(长石+石英)>50%]、钙质页岩相(碳酸盐矿物>50%)、混合页岩相(任一矿物成分均小于50%),其中混合页岩相根据优势矿物组分可进一步划分为黏土质混合页岩相(25%<黏土矿物<50%)、硅质混合页岩相[25%<(长石+石英)<50%]、钙质混合页岩相(25%<碳酸盐矿物<50%);其次结合有机质丰度(TOC)将页岩岩相进一步划分,包括:低有机质页岩相(TOC<1.0%)、中有机质页岩相(1.0%≤ TOC <2.0%)、高有机质页岩相(2.0%≤TOC<4.0%)、特高有机质页岩相(TOC≥4.0%)。

(2)海陆过渡相中黏土质页岩相页岩普遍发育,有机质丰度整体较高,硅质和硅质混合页岩次之,钙质和钙质混合页岩最差。三角洲和分流间湾相黏土页岩发育,有机质差异大,有机质多为团块和碎片连续或颗粒状分布;硅质页岩和硅质混合页岩有机质分布连续性较好,多为层状;钙质页岩相和钙质混合页岩相页岩有机质含量较低,有机质呈分散状分布。

(3)海陆过渡相页岩孔径以5~20 nm的中孔为主,孔隙类型主要为矿物粒间孔和黏土矿物粒内孔,有机质孔整体欠发育。特高有机质黏土质页岩岩相中孔较发育。海相龙潭组页岩岩相以孔径以2~5 nm的中孔为主,孔隙类型复杂,黏土质页岩相以黏土矿物粒内孔为主,有机质孔较少;钙质混合页岩相以生物碎屑粒内孔、溶蚀孔和方解石矿物粒间孔为主;硅质页岩相和硅质混合页岩相以矿物粒间孔为主,有机孔较多。特高有机质硅质页岩和特高有机质黏土质页岩中孔发育最优。

(4)对于四川盆地及周缘典型地区海陆过渡相页岩,沉积环境对岩相影响较大,进而对有机质、储层产生影响,海相硅质深水陆棚和泥质深水陆棚有机质含量较为稳定、保存比较好,而海陆过渡相三角洲间湾虽然有机质整体含量较高,但有机质丰度差异大,脆性矿物变化大,保存条件较差。

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