巖石學(xué)方法區(qū)分頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)類型

趙建華，金之鈞，金振奎，杜　偉，溫　馨，耿一凱

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院， 北京　102249； 2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083； 3.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京　100083)

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巖石學(xué)方法區(qū)分頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)類型

趙建華1，金之鈞2,3，金振奎1，杜偉2,3，溫馨1，耿一凱1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院， 北京102249； 2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083； 3.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京100083)

摘要：有機(jī)質(zhì)孔在富有機(jī)質(zhì)泥/頁(yè)巖中廣泛發(fā)育，被認(rèn)為是含氣頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)中重要的組成部分。有機(jī)質(zhì)孔不僅在干酪根中發(fā)育，在固體瀝青內(nèi)部同樣發(fā)現(xiàn)了大量的有機(jī)質(zhì)孔，不同類型的有機(jī)質(zhì)內(nèi)部有機(jī)孔的形態(tài)和發(fā)育程度有所差異。根據(jù)有機(jī)質(zhì)的成因，可將其分為沉積有機(jī)質(zhì)和遷移有機(jī)質(zhì)。沉積有機(jī)質(zhì)為原始的有機(jī)質(zhì)及其蝕變產(chǎn)物，這些有機(jī)質(zhì)未發(fā)生過遷移，與陸源礦物緊密結(jié)合；遷移有機(jī)質(zhì)存在于礦物孔隙中，由外地遷移過來(lái)的瀝青或石油，隨著熱成熟度的增加，可演變成固體瀝青或焦瀝青，其周緣通?？梢娮陨V物。自生石英對(duì)頁(yè)巖孔隙的影響具有雙重作用，一方面充填了孔隙空間，減少了頁(yè)巖孔隙；另一方面自生石英起到了支撐孔隙的作用，抑制了頁(yè)巖的壓實(shí)，為遷移有機(jī)質(zhì)的充填保留了一部分孔隙空間。沉積有機(jī)質(zhì)和遷移有機(jī)質(zhì)中均發(fā)育孔隙，遷移有機(jī)質(zhì)充填三維空間相互連通的礦物孔隙，內(nèi)部形成的有機(jī)質(zhì)孔隙在三維空間上的連通性要比沉積有機(jī)質(zhì)強(qiáng)。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖由下至上呈網(wǎng)絡(luò)狀分布的遷移有機(jī)質(zhì)逐漸減少，相互連通的有機(jī)質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)減少，頁(yè)巖儲(chǔ)層質(zhì)量逐漸變差。

關(guān)鍵詞：有機(jī)質(zhì)孔；干酪根；沉積有機(jī)質(zhì)；遷移有機(jī)質(zhì)；固體瀝青；孔隙網(wǎng)絡(luò)

有機(jī)質(zhì)孔在富有機(jī)質(zhì)泥/頁(yè)巖中廣泛發(fā)育，被認(rèn)為是含氣頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)中重要的組成部分[1-5]，在泥/頁(yè)巖中可形成主要的孔隙網(wǎng)絡(luò)，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)存能力和滲透性具有一定的控制作用[6-8]。二維圖像上有機(jī)質(zhì)孔通常具有不規(guī)則、橢圓狀、氣泡狀的形態(tài)，孔隙直徑介于5～750 nm，這些納米級(jí)的孔隙通常被認(rèn)為與干酪根熱演化過程中烴類的生烴和排出有關(guān)[1,6,9]，并且有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育程度與有機(jī)質(zhì)類型密切相關(guān)，Loucks等[9]指出海相的Ⅱ型干酪根相比陸源的Ⅲ型干酪根更有利于有機(jī)質(zhì)孔的形成。Bernard等[10]通過STXM分析發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)孔不僅在干酪根中發(fā)育，在固體瀝青內(nèi)部同樣也發(fā)現(xiàn)了大量的有機(jī)質(zhì)孔，不同類型的有機(jī)質(zhì)內(nèi)部有機(jī)孔的形態(tài)和發(fā)育程度有所差異。

富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)分為干酪根和瀝青，根據(jù)有機(jī)質(zhì)的成因，可將其分為沉積有機(jī)質(zhì)和遷移有機(jī)質(zhì)。沉積有機(jī)質(zhì)為原始的有機(jī)質(zhì)及其蝕變產(chǎn)物，這些有機(jī)質(zhì)未發(fā)生過遷移，主要包括干酪根及其演化形成的分布在其內(nèi)部的固體瀝青或焦瀝青；遷移有機(jī)質(zhì)存在于礦物孔隙中，由外地遷移過來(lái)的瀝青或石油，隨著熱成熟度的增加，可演變成固體瀝青或焦瀝青[11]。沉積有機(jī)質(zhì)和遷移有機(jī)質(zhì)在成分組成及形態(tài)特征上非常相近，很難區(qū)分。本文以四川盆地五峰組—龍馬溪組高成熟頁(yè)巖為例，從頁(yè)巖巖石學(xué)分析出發(fā)，通過掃描電鏡、能譜分析等手段，根據(jù)有機(jī)質(zhì)和礦物之間的相互關(guān)系的分析，區(qū)分不同類型的有機(jī)質(zhì)，并總結(jié)各自的形態(tài)特征及孔隙發(fā)育情況，這對(duì)于進(jìn)一步理解頁(yè)巖內(nèi)部孔隙形成和分布規(guī)律具有重要意義。

1有機(jī)質(zhì)類型及有機(jī)質(zhì)孔形成

富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)分為干酪根和瀝青。干酪根是沉積巖中不溶于堿、非氧化型酸和非極性有機(jī)溶劑的分散有機(jī)質(zhì)[12]。瀝青是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，用于描述各種不同黏度的碳?xì)浠衔铮缡?、瀝青礦以及其他非烴組分[13-17]。固體瀝青是具有一定黏度的瀝青，能夠支撐內(nèi)部的孔隙；焦瀝青是由堅(jiān)硬的、不易揮發(fā)的碳?xì)浠衔锏膹?fù)合物質(zhì)組成。Abraham等[13]認(rèn)為固體瀝青是由裂縫內(nèi)充填的液態(tài)石油轉(zhuǎn)變而來(lái)；Jacob等[14]引入了巖石學(xué)參數(shù)(瀝青反射率、熒光性和溶解性)，并提出“遷移固體瀝青”這一術(shù)語(yǔ)；Curiale等[15]提出了一種基于成因的對(duì)固體瀝青的分類方案，分為油前固體瀝青和油后固體瀝青。油前固體瀝青是指烴源巖在未成熟階段的產(chǎn)物，由干酪根形成[18-19]，是干酪根和石油中間的產(chǎn)物[20]；油后固體瀝青是指液態(tài)石油轉(zhuǎn)化形成的產(chǎn)物。

目前大量研究表明，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙的形成與有機(jī)質(zhì)的熱演化程度密切相關(guān)[1-2, 21]。在生油窗內(nèi)，干酪根熱解形成并排出瀝青到相鄰的粒間孔隙或粒內(nèi)孔隙中，這一過程中，干酪根內(nèi)部會(huì)形成有機(jī)質(zhì)孔，但由于內(nèi)部充滿石油，這些孔隙很難被發(fā)現(xiàn)[9]。在生氣窗內(nèi)，干酪根內(nèi)部的瀝青以及遷移到干酪根外部的瀝青經(jīng)歷二次裂解，轉(zhuǎn)化成富含孔隙的固體瀝青或焦瀝青，Marcellus頁(yè)巖和New Albany頁(yè)巖固體瀝青中氣泡狀的有機(jī)質(zhì)孔被證實(shí)形成于瀝青的二次裂解[22-23]。不同類型的有機(jī)質(zhì)內(nèi)部均可發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，因此對(duì)有機(jī)質(zhì)類型區(qū)分及內(nèi)部孔隙特征的研究十分必要。

2有機(jī)質(zhì)類型區(qū)分

2.1五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖基本特征

四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖是一套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，干酪根鏡檢分析表明，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，等效鏡質(zhì)體反射率Ro介于2.20%～3.06%，演化程度已達(dá)到高成熟—過成熟階段，處于過成熟晚期生氣狀態(tài)[24-27]。通過對(duì)4口鉆井20塊巖心樣品全巖XRD分析表明，頁(yè)巖礦物成分以石英和黏土礦物為主(圖1)，含斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石、白云石和黃鐵礦等。黏土礦物含量介于22.9%～78.9%，平均值為46.4%；石英含量介于15.6%～55.0%，平均值為36.0%；碳酸鹽礦物含量較少，介于1.9%～11.2%，平均值為3.2%；黃鐵礦含量介于0.9%～11.6%，平均值為4.4%。黏土礦物以伊利石為主，含少量綠泥石和高嶺石。伊利石相對(duì)含量介于67%～94%；高嶺石相對(duì)含量變化較小，介于2%～4%；綠泥石相對(duì)含量介于4%～30%。TOC含量介于0.30%～4.23%，平均值為2.28%。

通過對(duì)4口鉆井巖心12塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行氬離子拋光處理，結(jié)合掃描電鏡觀察、陰極發(fā)光和能譜分析，識(shí)別出了頁(yè)巖成巖演化過程中形成的自生礦物，主要包括石英、方解石、鐵白云石、黃鐵礦及伊利石等。五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段最主要的成巖組分為微晶自生石英，這種類型的石英根據(jù)陰極發(fā)光的特征可將其與陸源的石英區(qū)分。低溫自生石英陰極發(fā)光強(qiáng)度弱，在單色陰極發(fā)光圖像上表現(xiàn)為弱發(fā)光—不發(fā)光；由于氧空位晶體內(nèi)部缺陷及電子輻射導(dǎo)致非橋接的氧空洞中心衰減，使其陰極發(fā)光光譜在波長(zhǎng)620～650 nm出現(xiàn)峰值[28-30]。該種石英通常以隱晶、微晶聚集體的形式出現(xiàn)，不規(guī)則狀石英大小介于0.2～2 μm，主要形成于早成巖階段—中成巖階段早期(圖2a-c)。早成巖階段形成的方解石自形程度弱，通常呈基底式膠結(jié)(圖2e)；中晚成巖階段鐵白云石通常呈環(huán)邊式膠結(jié)早期的碳酸鹽礦物，自形程度高，通常未遭受溶蝕(圖2a)。準(zhǔn)同生階段和早成巖階段形成的黃鐵礦通常呈莓狀(圖2d)[31-33]，而自形黃鐵礦形成時(shí)間較莓狀黃鐵礦晚[34-36]。自生伊利石主要呈長(zhǎng)條狀，成層性非常好，晶形好，層狀集合體側(cè)面非常平整(圖2f)。有機(jī)質(zhì)主要呈分散狀、斑塊狀及條帶狀分布于礦物顆粒間孔隙及顆粒內(nèi)部孔隙中(圖2a，d)。根據(jù)有機(jī)質(zhì)與礦物之間的接觸關(guān)系，可以判斷出有機(jī)質(zhì)的形成相對(duì)時(shí)間，進(jìn)而可以對(duì)有機(jī)質(zhì)類型作進(jìn)一步區(qū)分。

圖1　四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成三角圖Fig.1　Mineral composition of the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

圖2　四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖典型自生礦物特征

a.低溫自生石英常以隱晶、微晶聚集體的形式充填粒間孔隙，見鐵白云石圍繞方解石顆粒生長(zhǎng)，自形程度高，A井，龍馬溪組；b.與a對(duì)應(yīng)的陰極發(fā)光圖片，自生石英在陰極光照射下不發(fā)光；c.a圖右下角自生石英陰極發(fā)光光譜圖，在波長(zhǎng)620～650 nm出現(xiàn)峰值；d.自生莓狀黃鐵礦集合體，B井，龍馬溪組；e.早期方解石呈基底式膠結(jié)，見莓狀黃鐵礦和自形黃鐵礦，A井，龍馬溪組；f.自生伊利石，成層性好、晶形好、側(cè)面平整，A井，龍馬溪組

Fig.2Characteristics of typical authigenic minerals in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

2.2沉積有機(jī)質(zhì)

沉積有機(jī)質(zhì)的主要特征是與無(wú)機(jī)礦物之間的邊界清晰，并且有機(jī)質(zhì)的周圍沒有自生礦物。這些特征表明有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒之間一直保持緊密接觸，沒有給自生礦物的生長(zhǎng)提供空間，有機(jī)質(zhì)一直在原地未發(fā)生過遷移。

通過掃描電鏡觀察，可識(shí)別出藻類體及動(dòng)物碎屑等顯微組分。藻類體細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較差，多數(shù)已降解微?；?，但與無(wú)機(jī)礦物之間的邊界清晰，二者之間不發(fā)育次生礦物，具有明顯的定向性生物組構(gòu)，內(nèi)部及邊緣可見滲出的瀝青體(圖3a，b)。動(dòng)物碎屑主要是筆石碎屑，常呈長(zhǎng)條狀，可見筆石腔體內(nèi)部的節(jié)狀構(gòu)造，這些動(dòng)物碎片邊緣與陸源礦物緊密接觸，二者之間同樣不發(fā)育次生礦物(圖3c，d)。

2.3遷移有機(jī)質(zhì)

遷移有機(jī)質(zhì)較沉積有機(jī)質(zhì)形成時(shí)間晚，以瀝青或石油的形式由干酪根運(yùn)移至礦物相關(guān)的孔隙中，而這些礦物相關(guān)的孔隙在遷移有機(jī)質(zhì)充注之前內(nèi)部通常會(huì)形成自生礦物。這些自生礦物主要形成于早成巖階段和中成巖早期，圍繞著礦物周緣生長(zhǎng)，隨后遷移有機(jī)質(zhì)進(jìn)入到殘余的孔隙內(nèi)部，自生礦物停止生長(zhǎng)。因此，有機(jī)質(zhì)周緣發(fā)育自生礦物是遷移有機(jī)質(zhì)的主要特征。另外，礦物的粒內(nèi)孔隙和生物腔體中充填的有機(jī)質(zhì)均為遷移有機(jī)質(zhì)，沉積有機(jī)質(zhì)很少會(huì)進(jìn)入到這類孔隙中。

基于巖石學(xué)特征在四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中識(shí)別出了遷移有機(jī)質(zhì)，主要分布在自生的微晶石英聚集體之間的孔隙中，呈不規(guī)則狀、條帶狀或網(wǎng)絡(luò)狀(圖4a)。硅質(zhì)放射蟲以及被黃鐵礦交代的放射蟲腔體內(nèi)部也見到遷移有機(jī)質(zhì)(圖4b)。在莓狀黃鐵礦內(nèi)部黃鐵礦晶間孔隙中也見到遷移有機(jī)質(zhì)(圖4c)。黏土礦物片狀晶體之間通常發(fā)育自生黃鐵礦，抑制了黏土礦物的后期壓實(shí)，為遷移有機(jī)質(zhì)提供了聚集空間(圖4d)。

圖3　四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中沉積有機(jī)質(zhì)特征

a.沉積有機(jī)質(zhì)，與陸源礦物緊密接觸，內(nèi)部見定向結(jié)構(gòu)，似藻類體，C井，龍馬溪組；b.沉積有機(jī)質(zhì)，內(nèi)部及邊緣充填固體瀝青，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組；c.筆石碎屑，與陸源礦物緊密接觸，不發(fā)育孔隙，D井，龍馬溪組；d.動(dòng)物碎屑，與陸源礦物緊密接觸，不發(fā)育孔隙，A井，龍馬溪組

Fig.3Characteristics of depositional organic matter in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

圖4　四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中遷移有機(jī)質(zhì)特征

a.自生石英內(nèi)部孔隙充填遷移有機(jī)質(zhì)，形成有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，C井，龍馬溪組；b.黃鐵礦交代硅質(zhì)放射蟲，內(nèi)部見自生石英，孔隙內(nèi)充填遷移有機(jī)質(zhì)，E井，龍馬溪組； c.莓狀黃鐵礦內(nèi)部晶間孔隙充填遷移有機(jī)質(zhì)，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組；d.黏土礦物見發(fā)育自生黃鐵礦支撐孔隙，內(nèi)部充填遷移有機(jī)質(zhì)，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組

Fig.4Characteristics of migrated organic matter in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

3不同類型有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征

3.1沉積有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征

干酪根是沉積有機(jī)質(zhì)的主要類型，干酪根熱解形成并排出瀝青到相鄰的粒間孔隙或粒內(nèi)孔隙中，這一過程中，干酪根內(nèi)部會(huì)形成有機(jī)質(zhì)孔[9]。這種類型有機(jī)質(zhì)孔的形態(tài)和分布受到干酪根內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，有機(jī)質(zhì)孔隙通常呈拉長(zhǎng)狀定向排列，面孔率可達(dá)15%(圖3a，b)，而動(dòng)物碎屑內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔幾乎不發(fā)育(圖3c，d，圖5)。在生油階段，干酪根內(nèi)部孔隙中會(huì)充填一部分瀝青，這些瀝青經(jīng)歷二次裂解會(huì)形成有機(jī)質(zhì)孔[22-23]，其形態(tài)受干酪根內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響較小，分布具有隨機(jī)性，這些孔隙可以與干酪根中的孔隙連通形成孔隙網(wǎng)絡(luò)(圖3a，b)。

3.2遷移有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征

遷移到干酪根外部的瀝青經(jīng)歷二次裂解可形成有機(jī)質(zhì)孔[22-23]。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中遷移有機(jī)質(zhì)內(nèi)部普遍發(fā)育納米級(jí)孔隙，孔隙通常呈橢球狀、不規(guī)則狀，長(zhǎng)軸分布范圍介于10～300 nm，短軸分布范圍介于5～100 nm。遷移有機(jī)質(zhì)的體積越大，其內(nèi)部有機(jī)孔數(shù)量越多、孔徑越大，面孔率大致在20%。從有機(jī)質(zhì)的邊緣向中心部位，孔隙具有明顯的增大趨勢(shì)，從邊部的以小于100 nm為主，向內(nèi)部增大到以100～300 nm為主。在一些直徑小于1 μm的有機(jī)質(zhì)中，尤其是狹長(zhǎng)、復(fù)雜形態(tài)的有機(jī)質(zhì)中，有機(jī)孔的發(fā)育程度較差(圖6)。

4討論

4.1有機(jī)質(zhì)形態(tài)和分布影響因素

沉積有機(jī)質(zhì)的形態(tài)取決于干酪根顆粒及其集合體的形態(tài)，受到干酪根母質(zhì)形態(tài)、近地表降解過程、沉積水動(dòng)力條件以及氧化還原條件的影響。沉積有機(jī)質(zhì)主要呈孤立顆粒及局部順層聚集的形式分布。遷移有機(jī)質(zhì)的形態(tài)受控于它進(jìn)入到礦物孔隙的形態(tài)，因此壓實(shí)作用、膠結(jié)作用及溶蝕作用對(duì)遷移有機(jī)質(zhì)的形態(tài)及分布都有控制作用。泥巖礦物孔隙的大小在不同壓實(shí)階段差異很大，國(guó)內(nèi)外大量頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油系統(tǒng)觀測(cè)表明，壓實(shí)的泥巖中礦物孔隙大小介于幾nm至幾μm[9]。四川盆地五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段石英含量通常大于40%，其中自生石英占石英總量的40%～60%，自生石英主要形成于早成巖階段—中成巖階段早期，以隱晶、微晶聚集體的形式充填在陸源碎屑顆粒之間的孔隙中。自生石英對(duì)頁(yè)巖孔隙的影響具有雙重作用，一方面充填了孔隙空間，減少了頁(yè)巖孔隙，起到了破壞性作用；另一方面這些石英內(nèi)部依然保留了一部分孔隙空間，在后期壓實(shí)過程中，自生石英起到了支撐孔隙的作用，抑制了頁(yè)巖的壓實(shí)，對(duì)頁(yè)巖孔隙的保存起到了建設(shè)性的作用。在這些孔隙中有機(jī)質(zhì)通常會(huì)形成相互連通的網(wǎng)絡(luò)。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖由下至上隨著石英含量的減少，自生石英含量也相應(yīng)減少，頁(yè)巖的壓實(shí)程度逐漸增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)狀分布的有機(jī)質(zhì)很少出現(xiàn)。

圖5　四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中沉積有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征

a.條帶狀沉積有機(jī)質(zhì)，未見有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組；b.沉積有機(jī)質(zhì)，疑似動(dòng)物碎屑，未見有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組； c.沉積有機(jī)質(zhì)，疑似動(dòng)物碎屑，內(nèi)部發(fā)育納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔，孔隙直徑介于3～5 nm，C井，龍馬溪組；d.沉積有機(jī)質(zhì)，幾乎不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組

Fig.5Pore development characteristics of depositional organic matter in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

圖6　四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中遷移有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征

a.莓狀黃鐵礦周圍及內(nèi)部存在遷移有機(jī)質(zhì)，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組；b.遷移有機(jī)質(zhì)充填自生石英內(nèi)部孔隙空間，形成有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組；c.遷移有機(jī)質(zhì)與自生礦物接觸，形成有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組；d.莓狀黃鐵礦內(nèi)部晶間孔隙充填遷移有機(jī)質(zhì)，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組；e，f.遷移有機(jī)質(zhì)與自生礦物接觸，形成有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，C井，龍馬溪組

Fig.6Pore development characteristics of migrated organic matter in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

4.2有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙連通性

有機(jī)質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)由沉積有機(jī)質(zhì)和遷移有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙復(fù)合組成。如果在形成油氣之前所有的礦物孔隙遭受壓實(shí)和膠結(jié)作用而破壞喪失，那么全部的有機(jī)質(zhì)孔隙將被限定在沉積有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，以孤立形式存在的有機(jī)質(zhì)相互之間的有機(jī)質(zhì)孔隙的連通性變差。遷移有機(jī)質(zhì)充填三維空間相互連通的礦物孔隙，內(nèi)部形成的有機(jī)質(zhì)孔在三維空間上的連通性要比沉積有機(jī)質(zhì)強(qiáng)。因此，由沉積有機(jī)質(zhì)和遷移有機(jī)質(zhì)復(fù)合形成有機(jī)質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)組成的頁(yè)巖儲(chǔ)層質(zhì)量要好于僅由沉積有機(jī)質(zhì)形成孔隙網(wǎng)絡(luò)的頁(yè)巖。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖由下至上壓實(shí)程度逐漸增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)狀分布的遷移有機(jī)質(zhì)逐漸減少，相互連通的有機(jī)質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)減少，頁(yè)巖儲(chǔ)層質(zhì)量逐漸變差。

5結(jié)論

(1)依據(jù)頁(yè)巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)的遷移特征，可劃分為沉積有機(jī)質(zhì)和遷移有機(jī)質(zhì)。沉積有機(jī)質(zhì)是指原始的有機(jī)質(zhì)及其蝕變產(chǎn)物，這些有機(jī)質(zhì)未發(fā)生過遷移，主要包括干酪根及其演化形成的分布在其內(nèi)部的固體瀝青或焦瀝青。遷移有機(jī)質(zhì)是指存在于礦物孔隙中，由外地遷移過來(lái)的瀝青或石油，隨著熱成熟度的增加，可演變成固體瀝青或焦瀝青。

(2)通過對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行氬離子拋光，結(jié)合掃描電鏡分析、陰極發(fā)光和能譜分析，識(shí)別出了頁(yè)巖成巖演化過程中形成的自生礦物，主要包括石英、方解石、鐵白云石、黃鐵礦及伊利石。沉積有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)礦物之間的邊界清晰，并且有機(jī)質(zhì)的周圍沒有自生礦物；遷移有機(jī)質(zhì)周緣通常見早期形成的自生礦物。

(3)干酪根是沉積有機(jī)質(zhì)的主要類型，干酪根熱解形成并排出瀝青到相鄰的粒間孔隙或粒內(nèi)孔隙中，干酪根內(nèi)部會(huì)形成有機(jī)質(zhì)孔。這種類型有機(jī)質(zhì)孔的形態(tài)和分布受到干酪根內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，有機(jī)質(zhì)孔隙通常呈拉長(zhǎng)狀定向排列，面孔率可達(dá)15%，而動(dòng)物碎屑內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔幾乎不發(fā)育；遷移到干酪根外部的瀝青經(jīng)歷二次裂解，可形成有機(jī)質(zhì)孔。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中遷移有機(jī)質(zhì)內(nèi)部普遍發(fā)育納米級(jí)孔隙。

(4)自生石英對(duì)頁(yè)巖孔隙的影響具有雙重作用，一方面充填了孔隙空間，減少了頁(yè)巖孔隙；另一方面這些石英內(nèi)部依然保留了一部分孔隙空間，自生石英起到了支撐孔隙的作用，抑制了頁(yè)巖的壓實(shí)，對(duì)頁(yè)巖孔隙的保存起到了建設(shè)性的作用。遷移有機(jī)質(zhì)充填三維空間相互連通的礦物孔隙，內(nèi)部形成的有機(jī)質(zhì)孔在三維空間上的連通性要比沉積有機(jī)質(zhì)強(qiáng)，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖由下至上壓實(shí)程度逐漸增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)狀分布的遷移有機(jī)質(zhì)逐漸減少，相互連通的有機(jī)質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)減少，頁(yè)巖儲(chǔ)層質(zhì)量逐漸變差。

致謝：本文編寫過程中部分照片引用了中國(guó)石化勘探分公司的成果，在此表示衷心感謝！

參考文獻(xiàn):

[1]Loucks R G,Reed R M,Ruppel S C,et al.Morphology,genesis,and distribution of nanometer scale pores in siliceous mudstones of the Mississippian Barnett shale[J].Journal of Sedimentary Research,2009,79(12):848-861.

[2]Milliken K L,Esch W L,Reed R M,et al.Grain assemblages and strong diagenetic overprinting in siliceous mudrocks,Barnett shale (Mississippian),Fort Worth Basin,Texas[J].AAPG Bulletin,2012,96(8):1553-1578.

[3]Curtis M E,Ambrose R J,Sondergeld C H,et al.Transmission and scanning electron microscopy investigation of pore connectivity of gas shales on the nanoscale[C]//Society of Petroleum Engineers North American Unconventional Gas Conference and Exhibition.The Woodlands,Texas:SPE,2011:14-16.

[4]Slatt R M,O’Brien N R.Pore types in the Barnett and Woodford gas shales:Contribution to understanding gas storage and migration pathways in fine-grained rocks[J].AAPG Bulletin,2011,95(12):2017-2030.

[5]Ambrose R J,Hartman R C,Diaz-Campos M,et al.New pore-scale considerations for shale gas in place calculations[C]//Society of Petroleum Engineers Unconventional Gas Conference.Pittsburgh,Pennyslvania:SPE,2010:23-25.

[6]Curtis M E,Sondergeld C H,Ambrose R J,et al.Microstructural investigation of gas shales in two and three dimensions using nanometer-scale resolution imaging[J].AAPG Bulletin,2012,96(4):665-677.

[7]Loucks R G,Reed R M,Ruppel S C,et al.Preliminary classification of matrix pores in mudrocks[J].GCAGS Transactions, 2010, 60:435-441.

[8]Nelson P H.Pore-throat sizes in sandstones,tight sandstones,andshales[J].AAPG Bulletin 2009,93(3):329-340.

[9]Loucks R G,Reed R M,Ruppel S C,et al.Spectrum of pore types and networks in mudrocks and a descriptive classification for matrix-related mudrock pores[J].AAPG Bulletin,2012,96(6):1071-1098.

[10]Bernard B,Wirth R,Schreiber A,et al.Formation of nanoporous pyrobitumen residues during maturation of the Barnett shale (Fort Worth Basin)[J].International Journal of Coal Geology,2012,103:3-11.

[11]Loucks R G,Reed R M.Scanning-electron-microscope petrographic evidence for distinguishing organic-matter pores associated with depositional organic matter versus migrated organic matter in mudrocks[J].GCAGS Transactions,2014,64:713.

[12]Hunt J M.Petroleum geochemistry and geology[M].2nd ed.NewYork:W.H.Freeman and Company,1995:743.

[13]Abraham H.Asphalts and allied substances[M].6th ed.NewYork:VanNostrand Company,Inc.,1960.

[14]Jacob H.Nomenclature,classification,characterization,and genesis of natural solid bitumen (migrabitumen)[M]//Parnell J,Kucha H,Landais P.Bitumens in ore deposits.Berlin Heidelberg:Springer-Verlag,1993:11-27.

[15]Curiale J A.Origin of solid bitumens,with emphasis on biological marker results[J].Organic Geochemistry,1986,10(1/3):559-580.

[17]Taylor G H,Teichmüller M,Davis A,et al.Organic petrology[M].Berlin,Stuttgart:Gebrüder Borntraeger,1998:704.

[18]Tissot B P,Welte D H.Petroleum formation and occurrence[M].2nd ed.Berlin Heidelberg:Springer Verlag,1984:699.

[19]Bernard S,Horsfield B,Schulz H M,et al.Geochemical evolution of organic-rich shales with increasing maturity:ASTXM and TEM study of the Posidonia shale (Lower Toarcian,northern Germany)[J].Marine and Petroleum Geology,2012,31(1):70-89.

[20]Lewan M D.Effects of thermal maturation on stable organic carbon isotopes as determined by hydrous pyrolysis of Woodford shale[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1983,47(8):1471-1479.

[21]Mastalerz M,Schimmelmann A,Drobniak A,et al.Porosity of Devonian and Mississippian New Albany shale across a maturation gradient:Insights from organic petrology,gas adsorption,and mercury intrusion[J].AAPG Bulletin,2013,97(10):1621-1643.

[22]Milliken K L,Rudnicki M,Awwiller D N,et al.Organic matter-hosted pore system,Marcellus Formation (Devonian),Pennsylvania[J].AAPG Bulletin,2013,97(2):177-200.

[23]Schieber J.SEM observations on ion-milled samples of Devonian Black shales from Indiana and New York:Thepetrographic context of multiple pore types[C]//Camp W K,Diaz E,Wawak B.Electron microscopy of shale hydrocarbon reservoirs.[S.l.]:American Association of Petroleum Geologists,2013:153-171.

[24]劉樹根,馬文辛,Luba J,等.四川盆地東部地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征[J].巖石學(xué)報(bào),2011,27(8):2239-2252.

Liu Shugen,Ma Wenxin,Luba J,et al.Characteristics of the shale gas reservoir rocks in the Lower Silurian Longmaxi Formation,East Sichuan Basin,China[J].Acta Petrologica Sinica,2011,27(8):2239-2252.

[25]郭旭升,李宇平,劉若冰,等.四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其控制因素[J].天然氣工業(yè),2014,34(6):9-16.

Guo Xusheng,Li Yuping,Liu Ruobing,et al.Characteristics and controlling factors of micro-pore structures of Longmaxi shale play in the Jiaoshiba area,Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry,2014,34(6):9-16.

[26]郭彤樓,張漢榮.四川盆地焦石壩頁(yè)巖氣田形成與富集高產(chǎn)模式[J].石油勘探與開發(fā),2014,41(1):28-36.

Guo Tonglou,Zhang Hanrong.Formation and enrichment mode of Jiaoshiba shale gas field,Sichuan Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(1):28-36.

[27]劉若冰.超壓對(duì)川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的影響分析[J].沉積學(xué)報(bào),2015,33(4):817-827.

Liu Ruobing.Analyses of influences on shale reservoirs of Wufeng-Longmaxi Formation by overpressure in the south-eastern part of Sichuan Basin[J].Acta Sedimentologica Sinica,2015,33(4):817-827.

[28]Thyberg B,Jahren J,Winje T,et al.Quartz cementation in Late Cretaceous mudstones,northern North Sea:Changes in rock properties due to dissolution of smectite and precipitation of micro-quartz crystals[J].Marine and Petroleum Geology,2010,27(8):1752-1764.

[29]Müller A.Cathodoluminescence and characterization of defect structures in quartz with applications to the study of granitic rocks[D].G?ttingen:Georg-August-Universit?t G?ttingen,2000:1-22.

[30]G?tze J,Pl?tze M,Habermann D.Origin,spectral characteristics and practical applications of the cathodoluminescence (CL) of quartz:A review[J].Mineralogy and Petrology,2001,71(3/4):225-250.

[31]Wilkin R T,Barnes H L,Brantley S L.The size distribution of framboidal pyrite in modern sediments:An indicator of redox conditions[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1996,60(20):3897-3912.

[32]Hawkins S,Rimmer S M.Pyriteframboid size and size distribution in marine black shales:A case study from the Devonian-Mississippian of central Kentucky[C]//North-Central Section (36th) and Southeastern Section (51st),Geological Society of America Joint Annual Meeting.Lexington,Kentucky:Geological Society of America,2002.

[33]Bond S,Wignall P B,Racki G.Extent and duration of marine anoxia during the Frasnian-Famennian (Late Devonian) mass extinction in Poland,Germany,Austria and France[J].Geolo-gical Magazine,2004,141(2):173-193.

[34]Goldhaber M B,Kaplan I R.The sulfur cycle[C]//Goldberg E D,ed.The sea.New York:John Wiley & Son,1974:569-655.

[35]Raiswell R.Pyritetexture,isotopic composition and the availability of iron[J].American Journal of Science,1982,282(8):1244-1263.

[36]Rickard D.Kinetics of pyrite formation by the H2S oxidation of iron (Ⅱ) monosulfide in aqueous solutions between 25 and 125 ℃:The rate equation[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1997,61(1):115-134.

(編輯韓彧)

文章編號(hào)：1001-6112(2016)04-0514-07

doi：10.11781/sysydz201604514

收稿日期：2015-11-03；

修訂日期：2016-05-12。

作者簡(jiǎn)介：趙建華(1985—)，男，博士，從事沉積學(xué)與非常規(guī)油氣地質(zhì)研究。E-mail：zhao_jh2013@163.com。

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金(2016M591350)資助。

中圖分類號(hào)：TE132.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Petrographic methods to distinguish organic matter type in shale

Zhao Jianhua1, Jin Zhijun2, 3, Jin Zhenkui1, Du Wei2,3, Wen Xin1, Geng Yikai1

(1. College of Geosciences,China University of Petroleum, Beijing 102249,China;2.State Key Laboratory of Shale Oil and GasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing100083,China; 3.SINOPECPetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,Beijing100083,China)

Abstract:Pores within organic matter are widely recognized as a significant component of pore systems in gas shale. These pores form not only in kerogen, but also in solid bitumen, with different morphology and development degree. The source of organic matter can be divided into depositional and migrated organic matter. Depositional organic matter is deposited in direct contact with detrital mineral grains and comprises depositional kerogen and its alteration products. Migrated organic matter occurs in mineral pores initiatially as bitumen or oil that filled the cement-lined pores and cement would separate bitumen or oil from mineral grains and may evolve into solid bitumen and pyrobitumen during maturation. Authigenic quartz has a dual role in influencing shale porosity. On one hand, it reduces shale porosity by filling pore space,while on the other hand,it supports pore preservation by inhibiting shale compaction and preserving pore space for migrated organic matter. There are pores both in depositional organic matter and migrated organic matter. Migrated organic matter is present in three-dimensional connected mineral pores, which produces a pore network with higher reservoir quality than a pore network associated with only depositional organic matter. Migrated organic matter decreases from bottom to top in the Wufeng-Longamxi formations, the connected pore network decreases accordingly, and reservoir quality becomes poorer.

Key words:organic matter pore; kerogen; depositional organic matter; migrated organic matter;solid bitumen; pore network