頁巖有機(jī)質(zhì)特征對(duì)有機(jī)孔發(fā)育及儲(chǔ)層的影響

曹濤濤，宋之光

( 1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，江蘇 無錫 214126；2.南京大學(xué)，江蘇 南京 210093；3.中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州 510640)

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頁巖有機(jī)質(zhì)特征對(duì)有機(jī)孔發(fā)育及儲(chǔ)層的影響

曹濤濤1，2，宋之光3

( 1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，江蘇 無錫 214126；2.南京大學(xué)，江蘇 南京 210093；3.中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州 510640)

已有的勘探證實(shí)有機(jī)孔是頁巖主要的儲(chǔ)集空間，研究有機(jī)孔的發(fā)育特征及影響因素是頁巖氣勘探的重要內(nèi)容。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，探討了有機(jī)孔演化的過程及控制因素，并進(jìn)一步總結(jié)了有機(jī)質(zhì)對(duì)頁巖儲(chǔ)層的溶蝕性、含水性和脆性的影響。研究表明：有機(jī)孔的發(fā)育是高成熟度、較好類型的有機(jī)質(zhì)和易生烴的顯微組分共同作用的結(jié)果；已形成的有機(jī)孔受壓實(shí)、過成熟碳化以及基質(zhì)瀝青充填等作用的破壞，不利于有機(jī)孔的保存；有機(jī)質(zhì)對(duì)頁巖儲(chǔ)層的改造體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)熱演化過程中產(chǎn)生的酸性流體溶蝕長石、白云石等礦物形成溶蝕孔，有機(jī)孔吸納水分降低吸附能力，以及高有機(jī)質(zhì)含量造成頁巖韌性增強(qiáng)不利于壓裂改造等方面。提出了研究方向：根據(jù)中國復(fù)雜的陸相、海陸過渡相、海相頁巖氣儲(chǔ)層及成藏條件的差異，在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)不同沉積相頁巖有機(jī)質(zhì)類型和顯微組成的研究，分析其對(duì)有機(jī)孔發(fā)育的影響，定量化研究有機(jī)孔對(duì)頁巖儲(chǔ)集物性的貢獻(xiàn)，以及明確有機(jī)孔的主要賦存載體。

頁巖儲(chǔ)層；有機(jī)孔；有機(jī)質(zhì)特征；溶蝕作用；脆性指數(shù)

0 引 言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)及含氣性進(jìn)行了大量的研究工作，認(rèn)識(shí)到頁巖中的孔隙類型繁多，既包含基質(zhì)裂縫、礦物晶間孔和粒內(nèi)孔等原生孔隙，也包含有機(jī)孔、溶蝕孔和有機(jī)質(zhì)邊緣微裂縫等次生孔隙[1-3]。隨著頁巖孔隙結(jié)構(gòu)研究程度的不斷深入，已經(jīng)證實(shí)了有機(jī)孔是大部分高過成熟頁巖中的優(yōu)勢孔隙類型。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁巖有機(jī)孔的發(fā)育及其對(duì)甲烷吸附的影響做了大量的研究工作[4-5]，認(rèn)為TOC含量是頁巖有機(jī)孔發(fā)育最重要的控制因素，其次是有機(jī)質(zhì)類型、成熟度和基質(zhì)瀝青含量等，但這些因素會(huì)因地質(zhì)時(shí)代和沉積環(huán)境不同而有較大的差異。所以在頁巖氣勘探過程中，要重點(diǎn)關(guān)注有機(jī)質(zhì)自身屬性 (含量、類型、成熟度、顯微組成和基質(zhì)瀝青等) 對(duì)頁巖儲(chǔ)集性能的影響，同時(shí)由于有機(jī)質(zhì)也會(huì)對(duì)頁巖儲(chǔ)層的次生孔隙、含水能力和脆性特征有一定的影響，在頁巖氣勘探和開采過程中進(jìn)行壓裂時(shí)應(yīng)對(duì)此給予足夠的重視。

在大量調(diào)研前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)以下問題進(jìn)行了探討：① 有機(jī)孔隨成熟度的變化以及在過成熟階段的保存與破壞；② 相同成熟度條件下，有機(jī)孔發(fā)育呈現(xiàn)迥異的現(xiàn)象[6]；③ 基質(zhì)瀝青對(duì)孔隙系統(tǒng)的堵塞和影響；④ 有機(jī)質(zhì)熱演化過程中產(chǎn)生的酸性流體對(duì)不同類型頁巖儲(chǔ)層的改造以及有機(jī)質(zhì)對(duì)含水性的影響；⑤ 有機(jī)質(zhì)含量對(duì)頁巖脆性的影響。

1 有機(jī)孔的形成

并不是所有頁巖中的有機(jī)質(zhì)都會(huì)發(fā)育孔隙，其形成存在2個(gè)主要控制因素[7-8]。首先受控于有機(jī)質(zhì)的顯微組分，有些顯微組分在熱演化過程中會(huì)生成烴類并從有機(jī)質(zhì)中排出從而產(chǎn)生大量的孔隙，而有些顯微組分在熱解過程中不生烴，故不能形成孔隙；其次受控于成熟度，隨著成熟度的增加，早期生成的烴類可能在干酪根內(nèi)發(fā)生溶脹，堵塞有機(jī)孔，進(jìn)入生烴中后期以后，油和干酪根或焦瀝青的裂解會(huì)產(chǎn)生大量孔隙，甚至有學(xué)者將有機(jī)孔分為干酪根孔和焦瀝青孔[1， 8-10]。有機(jī)孔的形成和保留 (或破壞) 機(jī)制與其本身特征密切相關(guān)，最終能夠發(fā)育的有機(jī)孔的數(shù)量多少及孔徑大小不僅與成熟度和顯微組分密切相關(guān)，還受有機(jī)質(zhì)含量、類型及基質(zhì)瀝青等因素的影響。

2 有機(jī)孔發(fā)育的影響因素

2.1 TOC含量

一般認(rèn)為TOC含量是有機(jī)孔數(shù)量和孔隙體積的主要影響因素，TOC含量越高，就越能夠增加頁巖的儲(chǔ)集能力。但也存在成熟階段的頁巖孔隙度隨著TOC含量的增加表現(xiàn)出先增加后略微降低甚至直接呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象[11-16]。Milliken等[11]在研究Marcellus頁巖時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)TOC<5.6%時(shí)，孔隙度呈現(xiàn)出隨TOC含量增加而增加的現(xiàn)象，而當(dāng)TOC>5.6%時(shí)，孔隙度則與TOC之間存在一定的負(fù)相關(guān)性。涪陵地區(qū)JY1井龍馬溪組頁巖和貴州銅仁ZK601井牛蹄塘組頁巖的有機(jī)孔發(fā)育特征顯示，隨TOC含量的增加，龍馬溪組有機(jī)孔的尺寸逐漸變小，而牛蹄塘組頁巖在TOC含量低于5.0%時(shí)，會(huì)有較多的有機(jī)孔發(fā)育，而TOC含量高于6.0%時(shí)，有機(jī)孔發(fā)育很少。

高TOC含量對(duì)有機(jī)孔的抑制可能是機(jī)械壓實(shí)作用或有機(jī)質(zhì)中包含更多不生烴的顯微組成引起的，或者是二者共同引起。① 高TOC頁巖具有更強(qiáng)的韌性特征，在地層條件下更易受壓實(shí)作用的影響，從而導(dǎo)致頁巖中部分無機(jī)礦物孔和有機(jī)孔被壓縮閉合；低TOC頁巖中的有機(jī)孔在剛性礦物格架保護(hù)下不易被壓實(shí)閉合從而可能具有較高的孔隙度[11]。黃仁春等[17]觀察到JY1井龍馬溪組片狀有機(jī)孔呈長條形，多平行于層面或剛性礦物顆粒邊緣，具有明顯的被壓扁特征；而一些剛性礦物顆粒三角地帶的有機(jī)孔發(fā)育很好，呈現(xiàn)出圓形或橢圓形，這些孔隙受壓實(shí)作用影響較小，孔隙形態(tài)保留較好。富黏土礦物頁巖中有機(jī)孔明顯低于富方解石和硅質(zhì)礦物的頁巖，原因在于前者更易受壓實(shí)造成有機(jī)孔的壓縮破壞。②高TOC含量中可能包含更多不生烴的顯微組分，造成有機(jī)質(zhì)顆粒邊緣孔的發(fā)育情況比內(nèi)部好，詳細(xì)討論見2.4節(jié)。

2.2 成熟度

Curtis等[6，18-19]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)成熟度Ro低于0.90%時(shí)有機(jī)孔不發(fā)育，進(jìn)入生氣窗以后液態(tài)烴開始裂解，有機(jī)孔開始發(fā)育，孔體積開始增加。針對(duì)有機(jī)孔發(fā)育的成熟度下限的研究已經(jīng)很多，如Reed等[10]認(rèn)為Barnett和Haynesville頁巖中有機(jī)孔形成始于Ro=0.80%，而 Loucks等[9]和Slatt等[20]則認(rèn)為Ro=0.60%時(shí)已經(jīng)開始發(fā)育有機(jī)孔。但針對(duì)有機(jī)孔保存與破壞的成熟度上限的研究還較少，鄒才能等[3]和王道富等[21]認(rèn)為，Ro超過3.60%以后有機(jī)質(zhì)發(fā)生碳化，內(nèi)部孔隙被部分破壞甚至完全破壞，由半規(guī)則—規(guī)則的孔隙形態(tài)演變成纖維狀或被壓實(shí)成條狀，造成有機(jī)孔的體積大幅度減少。Ro在3.60%時(shí)有機(jī)質(zhì)具有最高的孔體積，約占有機(jī)質(zhì)體積的35.0%；隨著成熟度持續(xù)增加到6.36%，有機(jī)質(zhì)中孔隙體積降到5.0%左右。極高的成熟度既嚴(yán)重破壞了有機(jī)孔的結(jié)構(gòu)，又會(huì)造成氣體的逸失，不利于頁巖氣的富集成藏。

綜上可以看出，有機(jī)孔的演化與成熟度之間的關(guān)系可以分為3個(gè)階段，即形成期(0.60%3.50%)[ 22-23]。Ro<2.00%時(shí)，有機(jī)質(zhì)處于低成熟—成熟階段，微孔和介孔的體積都較小，且隨著成熟度的增加增幅不大；Ro>2.00%以后，有機(jī)質(zhì)處于高成熟演化階段，微孔和介孔的體積開始快速增加且在Ro=3.50%左右達(dá)到孔體積峰值；Ro>3.50%以后，有機(jī)質(zhì)處于過成熟演化階段，有機(jī)質(zhì)發(fā)生碳化，孔隙遭受破壞，數(shù)量變少，結(jié)構(gòu)變差，孔體積和比表面積明顯下降。

2.3 有機(jī)質(zhì)類型

Chalmers等[4]認(rèn)為，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根比Ⅲ型干酪根更容易裂解生烴和產(chǎn)生有機(jī)孔，這與Ⅲ型干酪根轉(zhuǎn)化為油氣的能力遠(yuǎn)低于Ⅰ型和Ⅱ型有關(guān)。美國主要含氣頁巖與中國上揚(yáng)子地區(qū)古生界頁巖有機(jī)質(zhì)以生油型或偏生油型的Ⅰ型和Ⅱ型為主[24]，有機(jī)孔一般發(fā)育較好。Cao等[25]研究發(fā)現(xiàn)高過成熟的Ⅰ型和Ⅱ型干酪根中孔隙發(fā)育較好，其比表面積分別高達(dá)161.23 m2/g和279.84～300.30 m2/g，遠(yuǎn)高于黏土礦物，以Ⅲ型干酪根為主的煤所具有的有機(jī)孔很少，比表面積只有5.30 m2/g(TOC含量為59.2%)[26]。王中鵬等[27]對(duì)貴州畢節(jié)龍?zhí)督M、袁野等[28]對(duì)中國鄂爾多斯盆地山西組Ⅲ型有機(jī)質(zhì)頁巖研究顯示，其主要的儲(chǔ)集空間是礦物晶間孔、灰?guī)r以及砂巖夾層中的剪切裂縫，有機(jī)孔整體上發(fā)育少，說明Ⅲ型干酪根不利于有機(jī)孔的發(fā)育。

干酪根中孔隙發(fā)育程度也可以通過甲烷吸附含量的高低反映出來。干酪根對(duì)氣體的吸附能力由強(qiáng)到弱的順序依次是Ⅲ型、Ⅱ型、Ⅰ型[29]。以Ⅲ型干酪根為主的煤樣具有更高的甲烷吸附能力，這與前人研究的煤的比表面積較低相悖，可能的原因是煤對(duì)甲烷分子的吸附是以“籠形化合物”或填充的方式存在于煤層中而不是簡單的單層或多層吸附[30-31]，因而表現(xiàn)出比Ⅰ型和Ⅱ型干酪根更高的甲烷吸附量。Ⅰ型和Ⅱ型干酪根具有非常發(fā)育的有機(jī)孔，其氣體賦存形式也與煤樣具有明顯不同，也更容易形成頁巖氣藏，說明Ⅲ型干酪根中孔隙不發(fā)育可能是制約海陸過渡相頁巖氣藏形成的重要因素。

2.4 顯微組分

同一塊頁巖中相鄰的2塊有機(jī)質(zhì)甚至是同一塊有機(jī)質(zhì)的不同部位，孔隙發(fā)育情況差異很大[14， 32]。說明具有相同熱史的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)孔的發(fā)育不僅與成熟度有關(guān)，同時(shí)還會(huì)受顯微組成的影響。多孔的有機(jī)質(zhì)主要存在于晶粒間和顆粒接觸區(qū)域，具有較好的可流動(dòng)性及可熱解性；而無孔的有機(jī)質(zhì)往往是以較大的片狀或塊狀存在[33-34]，這可能與較大片狀有機(jī)質(zhì)中包含更多的惰性組分有關(guān)。

腐泥組是孔隙發(fā)育的有利組成，最容易形成孔隙；鏡質(zhì)體生烴能力強(qiáng)，在熱演化過程中產(chǎn)生的異常壓力使有機(jī)質(zhì)發(fā)生破裂而形成孔隙[35]，如基質(zhì)鏡質(zhì)體會(huì)發(fā)育微孔和中孔，殘留的植物組織絲質(zhì)體胞腔發(fā)育大孔[36]；惰質(zhì)組在熱演化過程中基本不生排烴，因而沒有孔隙的形成與發(fā)育。Chalmers等[4]發(fā)現(xiàn)盡管加拿大哥倫比亞下白堊統(tǒng)Hulcross組頁巖具有很高的TOC含量，但由于缺少鏡質(zhì)體，致使甲烷吸附量較低；Bustin等[37]也證實(shí)了同階煤的吸附能力隨著惰質(zhì)組含量的增加而降低，隨著鏡質(zhì)組含量的增加而增加。盡管不同顯微組分的孔隙發(fā)育差異很大，但Bernard等[38]從有機(jī)質(zhì)殘留物角度出發(fā)，認(rèn)為頁巖中發(fā)育有機(jī)孔的主體是焦瀝青而非干酪根，這點(diǎn)需要做進(jìn)一步的研究工作。

Tian等[12]研究發(fā)現(xiàn)龍馬溪組和牛蹄塘組有機(jī)孔分別占有機(jī)質(zhì)的36.00%和10.00%左右，而馬勇等[39]分析龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔隙度為9.13%～18.42%，牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)中孔隙體積小于1.59%，都表現(xiàn)出龍馬溪組有機(jī)孔數(shù)量和體積遠(yuǎn)高于牛蹄塘組。對(duì)牛蹄組有機(jī)孔發(fā)育差的機(jī)理目前尚沒有合理的解釋以及更深入的研究，分析其可能與有機(jī)質(zhì)來源于褐藻、紅藻、高肌蟲、大型蠕蟲和蟲管生物等有關(guān)，在熱演化過程中高肌蟲和大型蠕蟲多轉(zhuǎn)化為有機(jī)硅，不利于孔隙發(fā)育，而龍馬溪組的有機(jī)質(zhì)顯微組分來源以紅藻為主[40]，是有機(jī)孔發(fā)育的重要組成。

2.5 基質(zhì)瀝青

頁巖孔隙度隨基質(zhì)瀝青含量的增加呈現(xiàn)明顯的指數(shù)性下降趨勢[41]，說明基質(zhì)瀝青可能充填占據(jù)一部分孔隙空間從而顯著降低頁巖的孔隙度[41-42]。 Mastalerz等[42-45]研究了New Albany不同成熟度頁巖(Ro為0.35%～1.41%)，發(fā)現(xiàn)在成熟階段后期頁巖的總孔隙度和孔體積呈現(xiàn)出明顯降低的現(xiàn)象，主要原因是由于生油期間富脂肪烴和富氧的瀝青生成之后被壓入到基質(zhì)孔隙和微裂縫中及充填在有機(jī)孔中，表現(xiàn)出微孔和中孔的體積在生油窗范圍內(nèi)最低；在生油期之后，有機(jī)質(zhì)開始芳構(gòu)化脫甲基、脫氧，微孔和中孔的體積又開始增加，一直增加到Ro為3.50%左右。因而，生油型干酪根在早期生烴過程中產(chǎn)生的富脂肪基質(zhì)瀝青會(huì)導(dǎo)致有機(jī)孔、晶間孔及微裂縫被充填，孔隙度下降到低值；相反，生氣型干酪根只能生成相對(duì)少量的基質(zhì)瀝青，對(duì)頁巖孔隙度的影響較小。而一旦進(jìn)入成熟后期，基質(zhì)瀝青裂解會(huì)釋放出大量被占據(jù)的有機(jī)孔從而增加有機(jī)孔體積，這也從側(cè)面證實(shí)了Ⅰ型和Ⅱ型干酪根在高過成熟階段具有更豐富的有機(jī)孔。

盡管基質(zhì)瀝青的充填能夠降低頁巖的孔隙度，但也能夠溶解一定量的甲烷氣體，使甲烷氣體在高壓狀態(tài)下具有較高的溶解氣含量[46-47]。由于這部分溶解氣不能被有效開采，對(duì)頁巖氣商業(yè)化生產(chǎn)作用很小，因此，常忽略這部分溶解氣的存在。但是基質(zhì)瀝青在頁巖中充填了大量的孔隙空間，在分析頁巖儲(chǔ)集物性時(shí)，其含量的高低應(yīng)作為一個(gè)重要的制約因素被考慮在內(nèi)。

3 有機(jī)質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層的影響

3.1 有機(jī)酸對(duì)儲(chǔ)層的溶蝕

生烴過程控制著有機(jī)孔的發(fā)育和有機(jī)酸作用下溶蝕孔的形成。在中成巖階段，有機(jī)質(zhì)達(dá)到生烴門限，發(fā)生脫酸基作用產(chǎn)生CO2和H2S，CO2和H2S溶于水后形成酸性流體，使碳酸鹽巖和長石等易溶礦物產(chǎn)生大量的溶蝕孔；在晚成巖階段，頁巖儲(chǔ)層受壓實(shí)作用造成孔隙減少，連通性和滲透性變差，流體交換不暢，使溶蝕作用在很大程度上受到了抑制[48]。因此，溶蝕孔的形成主要發(fā)生在有機(jī)質(zhì)生烴階段，而后期的再埋深和再壓實(shí)作用會(huì)造成溶蝕孔一定程度上的減少[49-51]。北美Fort Worth盆地低成熟頁巖中鈣質(zhì)顆粒中溶蝕孔發(fā)育很少或未發(fā)育，但在高成熟度頁巖中鈣質(zhì)顆粒中則會(huì)發(fā)育大量的亞橢圓形或矩形的溶蝕孔，孔隙體積占鈣質(zhì)顆粒體積的20%左右[52]。Barnett盆地貧黏土礦物的頁巖中鈣質(zhì)的粒內(nèi)孔可占總孔隙的20.15%，可能的原因是鈣質(zhì)碳酸鹽巖粒內(nèi)孔主要是由有機(jī)酸流體溶蝕而形成的[53]。頁巖中溶蝕孔一般尺寸較大，是游離氣良好的儲(chǔ)集場所，可作為重要的儲(chǔ)集空間，在非常規(guī)頁巖儲(chǔ)層研究中應(yīng)受到關(guān)注。

3.2 對(duì)儲(chǔ)層水含量的影響

多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為頁巖中的水分隨黏土礦物含量增加而增加，水分的存在能夠顯著降低黏土礦物對(duì)甲烷氣體的吸附能力。有機(jī)質(zhì)一般被認(rèn)為具有親油氣性和疏水性，水分子不容易進(jìn)入有機(jī)孔內(nèi)。大量文獻(xiàn)研究表明，隨著水含量的增加，煤對(duì)甲烷的吸附量降低至一個(gè)臨界點(diǎn)，之后，水含量再增加，甲烷吸附量不再降低[54-55]。在水平衡條件下，煤的吸附能力會(huì)降低60%～90%。與煤不同，頁巖的黏土礦物含量很高，水分子通過占據(jù)黏土礦物的孔隙喉道阻礙甲烷分子進(jìn)入孔隙系統(tǒng)中來降低甲烷吸附容量。但Ross[47]等研究表明，北美泥盆—密西西比系和侏羅系頁巖的甲烷吸附量在水平衡情況下比干燥時(shí)分別降低了58.3%和71.5%，這與前人研究認(rèn)為的黏土礦物是頁巖中水賦存的主要載體相矛盾，說明水可能進(jìn)入了有機(jī)孔中。據(jù)此，總結(jié)了Chalmers等[4]的研究成果，發(fā)現(xiàn)頁巖的比表面積與水含量之間呈明顯的負(fù)相關(guān)性，但同時(shí)隨著水含量的增加，甲烷吸附量也會(huì)同步增加。表明水可能有很大一部分存在于有機(jī)孔中，水分子與甲烷分子在有機(jī)孔中形成同步吸附和競爭吸附，因而有機(jī)孔的發(fā)育可能會(huì)為頁巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集一部分水。盡管如此，關(guān)于水在頁巖中的賦存方式仍然存在很大的爭議，目前尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

3.3 對(duì)儲(chǔ)層脆性的影響

脆性指數(shù)是決定頁巖儲(chǔ)層能否實(shí)施壓裂改造的主要技術(shù)指標(biāo)[56-57]，通過壓裂改造產(chǎn)生的人工裂縫能夠連通頁巖中孤立的孔隙儲(chǔ)集單元，使氣體得到釋放，獲得可觀的產(chǎn)氣量。北美頁巖脆性一般采用如下評(píng)價(jià)指標(biāo)：

BI1=wQz/(wQz+wCa+wDol+wCly)×100%

(1)

式中：BI1為脆性指數(shù)1，%；wQz為石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wCa為方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wDol為白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wCly為黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由于中國揚(yáng)子地區(qū)古生界頁巖中礦物組成復(fù)雜，除石英、方解石外還包含較多的長石等脆性礦物，基于這種情況，陳吉等[58]對(duì)脆性指數(shù)1進(jìn)行了修正，并得出脆性指數(shù)2：

BI2=(wQz+wCa+wDol)/

(wQz+wFsp+wCa+wDol+wCly)×100%

(2)

式中：BI2為脆性指數(shù)2，%；wFsp為長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

然而，對(duì)于中國海陸過渡相頁巖而言，TOC含量通常較高，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚至?xí)_(dá)到20%以上，換算成體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%以上。由于有機(jī)質(zhì)本身具有很強(qiáng)的韌性，特別是很高含量的有機(jī)質(zhì)會(huì)顯著地增強(qiáng)頁巖的韌性，降低頁巖的脆性。在以往脆性評(píng)價(jià)時(shí)很少把TOC含量考慮在內(nèi)，也未考慮到頁巖的壓裂易受地層厚度、有效應(yīng)力和成巖作用的影響。因此，在綜合評(píng)價(jià)脆性指數(shù)時(shí)，須將這些因素考慮在內(nèi)，建立新的評(píng)價(jià)指標(biāo)3：

BI3=(wQz+wFsp+wCa+wDol)f(σ′，C，h)/

(wQz+wFsp+wCa+wDol+wCly+TOC)×100%

(3)

式中：BI3為脆性指數(shù)3，%；σ′為有效應(yīng)力，Pa；C為成巖系數(shù)；h為地層厚度，m。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

(1) 有機(jī)孔的發(fā)育是其自身特征作用的結(jié)果，其發(fā)育受有機(jī)質(zhì)成熟度、類型和顯微組分的影響，在成熟階段較好的有機(jī)質(zhì)類型和易生烴的組分更容易產(chǎn)生有機(jī)孔；但有機(jī)孔的數(shù)量首先受TOC含量的影響，其次受有機(jī)質(zhì)類型和成熟度的影響。

(2) 有機(jī)孔在地層條件下易受壓實(shí)破壞，從而導(dǎo)致高TOC頁巖中有機(jī)孔更易受壓實(shí)閉合而減少；在過成熟階段，已形成的有機(jī)質(zhì)發(fā)生纖維化，導(dǎo)致有機(jī)孔發(fā)生破壞，數(shù)量明顯減少；頁巖中的基質(zhì)瀝青充填在有機(jī)孔中也會(huì)造成有機(jī)孔的堵塞，降低其孔隙度和比表面積。

(3) 有機(jī)質(zhì)對(duì)頁巖儲(chǔ)層的改造體現(xiàn)在以下幾方面：一是有機(jī)質(zhì)熱演化過程中產(chǎn)生的酸性流體溶蝕長石、白云石等脆性礦物形成溶蝕孔，增加頁巖的儲(chǔ)集物性；二是有機(jī)孔吸納的水分與甲烷分子形成同步及競爭吸附降低頁巖的儲(chǔ)集能力；三是有機(jī)質(zhì)含量高造成頁巖韌性增強(qiáng)，不利于壓裂改造。

4.2 展望

盡管國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁巖有機(jī)質(zhì)特征及儲(chǔ)集性能開展了大量的研究工作，但目前這些研究仍然存在研究不夠系統(tǒng)和深入的情況。在今后的研究中，根據(jù)中國頁巖氣儲(chǔ)層既有海相過成熟頁巖地層、又廣泛發(fā)育低成熟陸相頁巖地層和復(fù)雜的海陸過渡相頁巖地層的特殊情況，建議著重開展以下幾方面的理論研究工作。

(1) 系統(tǒng)地開展中國陸相、海陸過渡相和海相頁巖有機(jī)質(zhì)特征對(duì)比研究，揭示不同沉積環(huán)境下頁巖有機(jī)孔發(fā)育規(guī)律及差異。中國發(fā)育有多套富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，如上揚(yáng)子地區(qū)的海相牛蹄塘組和龍馬溪組頁巖，海陸過渡相龍?zhí)督M頁巖，以及鄂爾多斯盆地發(fā)育的海陸過渡相山西組頁巖和陸相低成熟延長組頁巖。這些頁巖所具有的有機(jī)碳含量、成熟度、干酪根類型和顯微組成存在很大的差異，也會(huì)造成有機(jī)孔發(fā)育差異很大。因此，有必要系統(tǒng)地開展中國不同地層頁巖有機(jī)孔發(fā)育特征及主控因素的研究，總結(jié)有機(jī)孔演化規(guī)律，歸納不同沉積地層有機(jī)孔在儲(chǔ)層中所起的作用，深化不同沉積環(huán)境下頁巖氣富集規(guī)律和評(píng)價(jià)指標(biāo)研究。

(2) 系統(tǒng)研究不同類型(或顯微構(gòu)成)的有機(jī)質(zhì)中孔隙與成熟度的演化關(guān)系。通過對(duì)不同類型和顯微組成的低成熟純干酪根進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，研究不同成熟度條件下不同類型干酪根中孔隙發(fā)育及演化規(guī)律，歸納不同成熟度下干酪根顯微組成的演化規(guī)律以及不同顯微組成對(duì)孔隙發(fā)育的影響；進(jìn)一步明確有機(jī)孔的賦存載體究竟是以干酪根為主還是以焦瀝青為主。

(3) 定量化分析頁巖中不同類型孔隙所占的比例及對(duì)頁巖游離氣和吸附氣的貢獻(xiàn)。目前主要是利用軟件對(duì)圖像中孔隙進(jìn)行數(shù)字化分析，但該方面的工作較為分散，沒有統(tǒng)一的定量化分析標(biāo)準(zhǔn)和軟件分析系統(tǒng)，且以往量化的效果不明顯，因而需要結(jié)合孔隙測試實(shí)驗(yàn)(如CO2和N2吸附測試、壓汞測試)等方法來綜合分析有機(jī)孔在孔隙系統(tǒng)中的貢獻(xiàn)，以及進(jìn)一步分析有機(jī)孔對(duì)游離氣和吸附氣的貢獻(xiàn)。

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編輯 劉兆芝

20151212；改回日期：20160519

國家“973”項(xiàng)目“中國南方古生界頁巖氣賦存機(jī)理和資源潛力評(píng)價(jià)”04課題“深層頁巖氣儲(chǔ)集物性及含氣性研究”(2012CB214704)；國家自然科學(xué)基金“我國南方古生界高過成熟頁巖吸附特征與頁巖含氣性評(píng)價(jià)”(41273058)；國家油氣重大專項(xiàng)“深層高成熟烴源巖的容烴與排烴評(píng)價(jià)”(2011ZX05008-002-20)

曹濤濤(1987-)，男，工程師，2009年畢業(yè)于蘭州大學(xué)地質(zhì)學(xué)專業(yè)，2014年畢業(yè)于廣州地球化學(xué)研究所地球化學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事頁巖氣儲(chǔ)集物性及含氣性研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.002

TE122.2

A

1006-6535(2016)04-0007-07