富有機(jī)質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育差異性探討——以四川盆地五峰組－龍馬溪組筆石頁巖為例

魏志紅

（中國石化勘探分公司，成都610041）

富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物粒間孔以及脆性礦物孔（晶間孔、次生溶蝕孔等）等孔隙類型，有機(jī)質(zhì)孔賦存于有機(jī)質(zhì)中，有機(jī)質(zhì)的生烴特性及其明顯的親油性決定了其中的有機(jī)質(zhì)孔含氣飽和度高、含氣性好，有機(jī)質(zhì)孔是頁巖氣重要的儲(chǔ)集空間，高有機(jī)碳含量（wTOC）、有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育是優(yōu)質(zhì)頁巖氣層的重要特征［1］。上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣是四川盆地海相頁巖氣勘探的重點(diǎn)層系，探討五峰組－龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的差異性，對四川盆地海相頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。已有文獻(xiàn)討論了有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、熱演化程度、脆性礦物含量和地層流體壓力對有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的控制作用［1］，本文對四川盆地五峰組－龍馬溪組筆石頁巖同一樣品鏡下不同有機(jī)顯微組分的有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的差異性進(jìn)行探討。

1 有機(jī)顯微組分及其有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的差異性

四川盆地五峰組－龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)筆石頁巖多處于過成熟階段（等效鏡質(zhì)體反射率Ro＞2.0%）［2－4］，有機(jī)顯微組分豐富；但由于過成熟演化，有機(jī)顯微組分原始組構(gòu)難以識別，元素組成等同一化趨向嚴(yán)重，給有機(jī)顯微組分判識帶來了巨大困難［5－8］。在1 500倍二次電子成像電鏡下，從有機(jī)顯微組分形態(tài)以及與其他礦物顆粒的空間關(guān)系或賦存狀態(tài)等相對宏觀特征，在四川盆地南部某鉆井五峰組－龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)筆石頁巖中識別出筆石、干酪根、固體瀝青等3種有機(jī)顯微組分；進(jìn)而在25 000倍離子束拋光高精度電鏡下進(jìn)行不同有機(jī)顯微組分有機(jī)質(zhì)孔觀察。

圖1 四川盆地南部某鉆井五峰組－龍馬溪組筆石碎片顯微照片F(xiàn)ig.1 Electron microscopic pictures of graptolite scraps of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in south of Sichuan Basin

圖1為筆石碎片顯微照片。在二次電子成像電鏡下（圖1-A）表現(xiàn)為長條狀，有清晰的一定外形，與石英、長石等礦物顆粒共同構(gòu)成巖石的骨架，內(nèi)部見無機(jī)礦物。在離子束拋光高精度電鏡下（圖1-B、C），有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育，零星分布，孔徑多小于10nm。

圖2為固體瀝青顯微照片。在二次電子成像電鏡下（圖2-A），充填于石英、長石等礦物顆粒之間孔隙中，沒有一定的外形，形態(tài)、大小各異，內(nèi)部干凈，不見無機(jī)礦物。離子束拋光高精度電鏡下（圖2-B、C），固體瀝青中有機(jī)質(zhì)孔總體較為發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔大小不等，形態(tài)各異，孔徑多在10～100 nm。在個(gè)體較大的固體瀝青中，有機(jī)質(zhì)孔面孔率達(dá)到30%左右。而個(gè)體較小的固體瀝青中，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育較差。

圖3為干酪根顯微照片。在二次電子成像電鏡下（圖3-A），與石英、長石等礦物顆?；殍偳叮瑳]有一定的外形，內(nèi)部見較多無機(jī)礦物，與固體瀝青難以區(qū)別。離子束拋光高精度電鏡下（圖3-B、C），干酪根中有機(jī)質(zhì)孔總體較為發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔大小不等，形態(tài)各異，孔徑多在10～100nm。不同的干酪根個(gè)體有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育存在差異，同一干酪根個(gè)體內(nèi)有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育也存在非均質(zhì)性，在有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的區(qū)域面孔率達(dá)到15%左右。

圖2 四川盆地南部某鉆井五峰組－龍馬溪組固體瀝青顯微照片F(xiàn)ig.2 Electron microscopic pictures of solid bitumens of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in south of Sichuan Basin

圖3 四川盆地南部某鉆井五峰組－龍馬溪組干酪根顯微照片F(xiàn)ig.3 Electron microscopic pictures of kerogens of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in south of Sichuan Basin

綜上，不同有機(jī)顯微組分、同一有機(jī)顯微組分的有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育均存在差異。個(gè)體較大的固體瀝青有機(jī)質(zhì)孔最為發(fā)育，干酪根有機(jī)質(zhì)孔較為發(fā)育，筆石碎片有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育。

2 有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育差異的成因

2.1 筆石有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育的成因

Jarvie等研究認(rèn)為，隨著有機(jī)碳向烴類和碳質(zhì)殘?jiān)D(zhuǎn)化，有機(jī)質(zhì)孔隙將會(huì)增加，轉(zhuǎn)化率越高，有機(jī)質(zhì)孔隙增加越多（圖4）［9］。筆石屬于富碳貧氫有機(jī)質(zhì)，向烴類和碳質(zhì)殘?jiān)D(zhuǎn)化率低，有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育。

巖石中保存的筆石體是筆石動(dòng)物分泌的群體骨骼（胞管），由硬質(zhì)蛋白質(zhì)（膠原蛋白質(zhì)）構(gòu)成［10］。過成熟階段，筆石主要以壓扁的碳質(zhì)薄膜形式存在。Bustin等關(guān)于北美志留系低熟（Ro為0.70%）筆石的光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)的研究表明［11］，筆石胞管主要由帶脂肪族基團(tuán)的芳香族結(jié)構(gòu)組成，有更少的脂肪族結(jié)構(gòu)組成和更高的芳香度，屬于富碳貧氫有機(jī)質(zhì)，類似Ⅲ類干酪根，生烴潛能有限，對頁巖有機(jī)碳含量有貢獻(xiàn)，但對頁巖有機(jī)質(zhì)孔貢獻(xiàn)不大。

圖4 有機(jī)質(zhì)含量、轉(zhuǎn)化率與孔隙空間的關(guān)系Fig.4 Relationships among TOC，conversion ratio and pore spaces

2.2 干酪根有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育存在差異的成因

秦建中等在龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)筆石頁巖（wTOC＝3.93%）中鑒定出浮游生物魚鱗藻片，底棲生物海綿、藻絲體細(xì)胞壁以及菌類鐵細(xì)菌等成烴生物，并認(rèn)為海相浮游藻總生油量遠(yuǎn)大于底棲藻，最高生油量約相當(dāng)于底棲藻的2～3倍（圖5）［12］。根據(jù)前述有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率與有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的關(guān)系，在相同熱演化程度下，以浮游藻為源的干酪根（圖5-A）比以底棲藻（圖5-B）為源的干酪根具有更高的轉(zhuǎn)化率，有機(jī)質(zhì)孔更為發(fā)育。

理論上，氫指數(shù)不同的干酪根在相同的過成熟熱演化階段，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育均存在差異。

2.3 固體瀝青有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的成因

與干酪根生成油氣發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔不同，固體瀝青有機(jī)質(zhì)孔是在干酪根生成的油氣運(yùn)移至石英、長石等礦物顆粒間的孔隙后，隨著熱演化程度的增高，原油裂解形成干氣和固體瀝青的過程中發(fā)育的。

涪陵頁巖氣田五峰組－龍馬溪組頁巖氣成因分析表明，富有機(jī)質(zhì)頁巖中原油裂解形成干氣和固體瀝青的作用普遍存在。涪陵頁巖氣田頁巖氣中烷烴氣體碳、氫同位素組成測試結(jié)果顯示（表1），所有樣品不僅出現(xiàn)了甲烷與乙烷碳、氫同位素組成的倒轉(zhuǎn)，也出現(xiàn)了乙烷、丙烷碳同位素組成的倒轉(zhuǎn)；同時(shí)，頁巖氣稀有氣體組分和同位素組成分析測試40Ar/36Ar比值分布在685～1 880，平均為1 186，表明Ar是以富K泥質(zhì)巖為主形成的；用40Ar測齡數(shù)學(xué)模型估算其源巖年齡為443～493 Ma，對應(yīng)于晚奧陶世—早志留世，指示頁巖氣來自五峰組－龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖。涪陵頁巖氣為封閉體系內(nèi)干酪根裂解氣與原油裂解氣混合成因。

圖5 海相浮游藻和底棲藻生油率（質(zhì)量比）隨模擬溫度的變化Fig.5 Simulation of oil-generating ratio change of marine planktonic algae and benthic algae as temperature

表1 涪陵五峰組－龍馬溪組頁巖氣田天然氣組分的體積分?jǐn)?shù)（φ）及其碳?xì)渫凰氐厍蚧瘜W(xué)特征Table 1 The components of natural gas and the C-H isotope geochemical characteristics of the Fuling Wufeng Formation-Longmaxi Formation shale gas field

從高成熟到過成熟，原油裂解形成干氣和固體瀝青是一個(gè)漫長的地質(zhì)過程。其中，固體瀝青中有機(jī)質(zhì)孔形成的機(jī)理尚不清楚，可能與原油裂解氣的膨脹作用有關(guān)。有機(jī)質(zhì)孔主要發(fā)育在個(gè)體較大的固體瀝青的內(nèi)部，其邊緣以及個(gè)體較小的固體瀝青中有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育較差（圖2）。固體瀝青有機(jī)質(zhì)孔對頁巖有機(jī)質(zhì)孔具有重要貢獻(xiàn)。

3 結(jié)論

a.固體瀝青、干酪根是有機(jī)質(zhì)孔的主要載體，尤其是固體瀝青有機(jī)質(zhì)孔對頁巖有機(jī)質(zhì)孔具有重要貢獻(xiàn)。

b.不同母質(zhì)來源的干酪根生烴潛力存在差異決定了其有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育存在差異。

c.固體瀝青有機(jī)質(zhì)孔是在原油裂解過程中形成的，其發(fā)育程度可能主要與原油賦存的粒間孔隙空間大小相關(guān)。

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