中國海陸相頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征對比
——基于聚焦離子束氦離子顯微鏡(FIB-HIM)技術(shù)

王朋飛，呂 鵬，姜振學(xué)，金 璨，李 鑫，張 昆，黃 璞，王 毅

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 地學(xué)文獻中心，北京 100083； 2.中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；3.中國石油化工股份有限公司 上海海洋油氣分公司，上海 200120；4.中國石油化工股份有限公司 西南油氣田，成都 610000)

頁巖具有多種類型的微納米孔隙，而這些不同類型的微納米孔隙對頁巖氣的賦存起到至關(guān)重要的作用。前人關(guān)于頁巖微納米孔隙已有大量研究，如LOUCKS等[1-2]首先使用掃描電鏡結(jié)合氬離子拋光來觀察頁巖中的孔隙類型，并將頁巖中主要的儲集空間劃分為粒間孔、粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔和微裂縫。有機質(zhì)孔隙是頁巖儲層中存在的干酪根及焦瀝青在熱演化過程中發(fā)生裂解、生烴形成的次生孔隙，此類孔隙發(fā)育在有機質(zhì)內(nèi)部，是頁巖氣賦存和滲流的主要場所。粒間孔是指構(gòu)造擠壓作用下不同類型的無機礦物顆粒(如石英、長石和方解石等)受力不均勻而在其周圍形成的類似于微裂縫的孔隙。粒間孔大多圍繞在無機礦物顆粒的四周，成圈層狀分布，相同視域范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量相對于有機質(zhì)孔來說較少。粒內(nèi)孔發(fā)育在易溶蝕的無機礦物顆粒(如方解石或白云石)內(nèi)部，多是由于無機礦物顆粒在有機質(zhì)生烴過程中遭受有機酸溶蝕作用形成的次生溶蝕孔。粒內(nèi)孔隙數(shù)量相對有機質(zhì)孔隙較少，且孔徑大小分布不均，非均質(zhì)性較強，但大多以分散的形式分布在無機礦物顆粒內(nèi)部，甲烷等烴類氣體無法在其中形成有效滲流。SLATT等[3]認為頁巖中的微裂縫和有機質(zhì)孔隙提供了甲烷氣體分子運移的主要場所以及滲流通道。TIAN等[4-5]研究了四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的微納米孔隙發(fā)育特征，認為在頁巖氣的賦存過程中，有機質(zhì)孔隙占據(jù)極其重要的地位。

前人研究結(jié)果表明：頁巖中發(fā)育的有機質(zhì)孔隙能夠為甲烷氣體的賦存和滲流提供有效場所，即頁巖中的有機質(zhì)孔隙對甲烷等烴類氣體的賦存及儲層孔隙系統(tǒng)的連通性起著決定性的作用。如MILLIKEN等[6]研究了頁巖中不同類型的微納米孔隙對賦存甲烷的貢獻，研究結(jié)果表明，頁巖中的有機質(zhì)孔對甲烷等烴類氣體的賦存貢獻最大，同時頁巖儲層的熱演化程度控制著有機質(zhì)孔隙的發(fā)育。JIAO 等[7-9]基于FIB-SEM圖像處理和分形幾何原理，對上揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖的微納米孔隙進行了定量表征，認為有機質(zhì)孔相對于無機質(zhì)孔隙能夠提供較大的儲集空間和連通性。

中國南方上揚子地區(qū)重慶周邊針對下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組2套海相頁巖氣已經(jīng)進行了卓有成效的勘探與開發(fā)。但2套頁巖的產(chǎn)氣效果卻存在較大差別，其中龍馬溪組頁巖產(chǎn)氣量大，穩(wěn)產(chǎn)時間長；牛蹄塘組頁巖產(chǎn)氣量小，產(chǎn)量遞減時間短；同時，延長石油在鄂爾多斯盆地針對延長組陸相頁巖氣同樣進行了勘探開發(fā)，但頁巖氣產(chǎn)量較小，穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)時間也短。頁巖內(nèi)部發(fā)育不同類型的微納米孔隙，會導(dǎo)致頁巖具有不同的賦存甲烷等烴類氣體的能力，同時又直接決定了頁巖具有不同的孔隙連通性，而較好的孔隙連通性能夠使頁巖氣在儲層中形成良好的滲流，使烴類氣體穩(wěn)產(chǎn)時間長、產(chǎn)量高，進而形成工業(yè)產(chǎn)能[10-13]。從頁巖儲層的角度來分析，3套頁巖氣產(chǎn)量差別較大的原因可能是與發(fā)育的主要微納米孔隙類型不同有關(guān)[14-18]。

為了分析龍馬溪組、牛蹄塘組和延長組頁巖氣產(chǎn)量存在較大差別的原因，并明確不同熱演化程度對頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育的控制作用，筆者分別選取了來自中國南方上揚子地區(qū)重慶周邊的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖和鄂爾多斯盆地延長組的長7段頁巖樣品進行對比研究，明確不同熱演化程度頁巖的有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征。此次研究涉及到的實驗樣品均采自成功實施鉆探及壓裂開發(fā)的頁巖鉆井巖心。其中，延長組頁巖巖心采自CY1井、CY2井和FY1井；龍馬溪組頁巖巖心采自JY1井、JY2井和JY4井；牛蹄塘組頁巖巖心采自CQ1井、CQ2井和CQ3井。對這些頁巖樣品使用分辨率較高的聚焦離子束氦離子顯微鏡(FIB-HIM)的觀察方法，明確有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征。研究結(jié)果初步表明：熱演化程度控制著頁巖有機質(zhì)孔隙的發(fā)育，這3套頁巖儲層的熱演化程度存在較大差別，頁巖中有機質(zhì)孔隙的發(fā)育數(shù)量不同是烴類氣體產(chǎn)量存在較大差別的主要原因[19-22]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 沉積背景

鄂爾多斯盆地位于中國華北地臺西部，中生代以來成為克拉通地臺基底上發(fā)育的典型陸相盆地，盆地內(nèi)部構(gòu)造相對簡單，是中國重要的含油氣盆地之一(圖1)。盆地在晚古生代—中三疊世時期處于海陸交替相沉積環(huán)境到陸相沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變過程。晚三疊世延長組沉積早期，鄂爾多斯盆地周邊地殼發(fā)生相對抬升運動，形成鄂爾多斯湖盆，沉積背景轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴啵藭r延長組沉積期湖盆發(fā)育達到鼎盛。延長組是鄂爾多斯盆地中最早發(fā)育的一套以河流—湖泊相為特征的陸源碎屑巖系，也是鄂爾多斯盆地主要的油氣勘探開發(fā)目的層系[14,19-20]。延長組陸相頁巖發(fā)育于湖相淡水—微咸水、半深湖—深湖相的沉積環(huán)境，富含有機質(zhì)紋層、草莓狀黃鐵礦及超微化石，有機質(zhì)豐富，巖性類型主要以深灰色泥巖、黑色泥巖、頁巖和油頁巖為主。本論文研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南部，頁巖樣品來自于中生界三疊系延長組長7段，為一套深湖—半深湖沉積的泥頁巖。

重慶地區(qū)位于中國南方上揚子板塊中，屬于上揚子臺內(nèi)坳陷構(gòu)造單元，其大部分在四川盆地內(nèi)部，東南部和東北部位于四川盆地邊緣(圖1)。早寒武世初期，上揚子地區(qū)整體下沉，總體上早期為深水陸棚沉積，后期逐漸向淺水陸棚及潮坪沉積演化，在深水陸棚沉積期形成分布范圍廣、厚度較大的黑色海相頁巖。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組2套富有機質(zhì)黑色頁巖層段。目前重慶地區(qū)已經(jīng)大力開展針對下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣的勘探開發(fā)，并取得了一定成果，其中焦石壩涪陵頁巖氣田已成為國家頁巖氣成功勘探開發(fā)的示范區(qū)，但下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣的勘探開發(fā)還未取得較大成果。

早志留世，四川盆地發(fā)生大規(guī)模海侵作用，在海平面上升的過程中，盆地內(nèi)部及周緣沉積了龍馬溪組頁巖，其巖性剖面下部為深水陸棚沉積，含有大量筆石，局部富集了大量條帶狀黃鐵礦，反映強還原靜水沉積環(huán)境[10-11,15,21]；而上部則為淺水陸棚沉積，含有少量筆石，局部富集團塊、結(jié)核狀黃鐵礦，反映沉積水體開始變淺。巖性剖面上，龍馬溪組底部發(fā)育優(yōu)質(zhì)的灰黑色—黑色富有機質(zhì)含筆石碳質(zhì)及硅質(zhì)頁巖。龍馬溪組頁巖整體為一套穩(wěn)定的海相富有機質(zhì)頁巖，具有良好的頁巖氣勘探開發(fā)的儲層地質(zhì)條件。

牛蹄塘組頁巖形成于早寒武世，沉積特點和龍馬溪組頁巖類似。四川盆地在早寒武世發(fā)生大規(guī)模海侵作用，在下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖沉積期，整個上揚子地區(qū)均處于淺水—深水陸棚的強還原靜水沉積環(huán)境[12-13,16-17,23-24]，局部地區(qū)發(fā)育為半深海沉積相，而研究區(qū)則整體處于淺水—深水陸棚的沉積環(huán)境中。這種靜水沉積環(huán)境下，浮游生物以及熱液會導(dǎo)致較高的有機質(zhì)生產(chǎn)率，從而有利于頁巖中有機質(zhì)的保存和富集[12]，繼而為研究區(qū)形成富有機質(zhì)黑色頁巖提供較好的物質(zhì)基礎(chǔ)[10-11,13,16-17,25-26]。牛蹄塘組頁巖巖性以硅質(zhì)頁巖、黑色頁巖、泥質(zhì)頁巖為主，局部夾鈣質(zhì)頁巖。

圖1 南方揚子地區(qū)渝東南龍馬溪組和渝東北牛蹄塘組頁巖井位分布及鄂爾多斯盆地延長組頁巖井位分布Fig.1 Location of Longmaxi shale wells in the southeastern Chongqing and Niutitang shale wells in the northeastern Chongqing in the Yangtze region and Yanchang shale wells in the Ordos Basin

1.2 頁巖儲層特征

鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段頁巖儲層平均厚度約80 m，最厚可達100 m。儲層埋深較淺，其底平均埋深約1 288 m，最大埋深為1 700 m。延長組頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型—Ⅱ型為主[14,19-20]。上揚子地區(qū)渝東南龍馬溪組頁巖地層厚度介于40～210 m，地層整體具有北西厚、南東薄的特征。在研究區(qū)東南部秀山、酉陽、黔江、彭水一帶，龍馬溪組頁巖地層厚度約40～100 m，地層厚度變化緩慢[12]。渝東北地區(qū)牛蹄塘組頁巖在平面上的分布總體表現(xiàn)為北西薄、南東厚的沉積特點，厚度主要分布在40～120 m范圍內(nèi)，地層的厚度變化在南東方向比北西方向快[12-13,19]。龍馬溪組頁巖和牛蹄塘組頁巖的有機質(zhì)類型均以Ⅰ型干酪根為主。

1.2.1 TOC含量

鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖的TOC平均含量為4.8%。從CY1、CY2和FY1井中選取的三疊系延長組巖心樣品來看，TOC含量的變化范圍為0.4%～10.0%，集中分布在4.0%～5.0%，其次為5.0%～6.0%，為典型的富有機質(zhì)陸相頁巖。從JY1、JY2和JY4井中選取的渝東南龍馬溪組巖心樣品來看，TOC含量變化范圍為0.3%～5.3%，平均含量為3.2%；1.0%～2.0%的樣品數(shù)量分布頻率最大，達到43.0%。從CQ1、CQ2和CQ3井中選取的渝東北牛蹄塘組巖心樣品來看，TOC含量變化范圍為0.1%～10.0%，平均含量達到3.3%；其中2.0%～3.0%的樣品數(shù)量分布頻率最大(圖2)。

1.2.2 礦物組成

頁巖的主要礦物組成大致可以分為3大類，分別是硅質(zhì)礦物、黏土礦物和碳酸鹽礦物。延長組頁巖的石英和長石平均含量達44.3%；黏土礦物含量最大，平均達48.7%；碳酸鹽礦物含量較少，平均只有6.2%。龍馬溪組頁巖的石英含量平均為41.8%；黏土礦物平均含量34.2%；碳酸鹽礦物含量較低，平均只有11.9%。牛蹄塘組頁巖樣品的石英平均含量為37.4%；黏土礦物平均含量為24.7%；碳酸鹽礦物平均含量為23.9%。相比較而言，龍馬溪組頁巖黏土礦物含量較高，而牛蹄塘組頁巖鈣質(zhì)礦物含量較高，延長組頁巖黏土礦物含量最大(圖3)。

圖2 延長組、龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖樣品TOC含量分布Fig.2 TOC content distribution of Yanchang, Longmaxi and Niutitang shale samples

1.2.3 熱演化程度

鏡質(zhì)體反射率(Ro)可以有效反映油氣儲層的熱演化程度。鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖的有機質(zhì)熱演化程度均處于成熟階段，Ro變化范圍為0.8%～1.4%，其中0.8%～1.0%的樣品分布頻率最廣(圖4)。延長組頁巖的鏡質(zhì)體反射率值顯示其處于生油窗階段，生成的頁巖氣屬于油型伴生氣。

圖3 延長組、龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖樣品礦物組成特征Fig.3 Mineral composition of Yanchang, Longmaxi and Niutitang shale samples

圖4 延長組、龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖樣品熱演化程度(等效鏡質(zhì)體反射率)分布范圍Fig.4 Distribution frequency of thermal maturities (Equal-Ro) of Yanchang,Longmaxi and Niutitang shale samples

中國南方下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖普遍缺失鏡質(zhì)體，給檢測頁巖儲層熱演化程度帶來一定困難。但油氣儲層中的瀝青反射率和鏡質(zhì)體反射率之間存在換算關(guān)系，因此可以通過測量頁巖儲層中的瀝青反射率來換算等效鏡質(zhì)體反射率，以此推算2套頁巖儲層的熱演化程度。

龍馬溪組頁巖沉積期相對較晚，屬于下志留統(tǒng)，經(jīng)歷的沉積埋藏史相對較短，且地層的古埋深相對牛蹄塘組頁巖要淺。從等效鏡質(zhì)體反射率換算的結(jié)果來看，龍馬溪組頁巖的等效鏡質(zhì)體反射率普遍在3.0%以下，分布頻率最廣的在2.0%～2.8%之間，最低甚至能小于2.0%(圖4)。龍馬溪組頁巖的等效鏡質(zhì)體反射率值顯示其處于生干氣階段，能夠大量生成頁巖氣。牛蹄塘組頁巖沉積期較早，屬于下寒武統(tǒng)地層，經(jīng)歷的沉積埋藏史更長，且地層的古埋深更大。牛蹄塘組頁巖的等效鏡質(zhì)體反射率分布范圍在3.0%～4.0%之間(圖4)。牛蹄塘組頁巖儲層的熱演化程度已達到過成熟—變質(zhì)期階段，頁巖的生烴潛力已接近枯竭。

2 有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征

此次研究使用德國Carl Zeiss公司制造的NanoFab-ORION型聚焦離子束氦離子顯微鏡(FIB-HIM)，針對3套頁巖中的有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征進行觀察實驗設(shè)計。FIB-HIM為最新應(yīng)用于非常規(guī)油氣研究領(lǐng)域的能夠有效識別頁巖微納米孔隙的先進技術(shù)方法，主要用來觀察頁巖樣品中的有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征。FIB-HIM分辨率極高，能夠達到0.5 nm(@45 kV)左右，具有亞納米級尺度的分辨能力，遠遠超過目前常用非常規(guī)油氣儲層微觀結(jié)構(gòu)探測的聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)的分辨率。由于FIB-HIM使用氦離子束進行成像，且氦離子束具有低能量和聚焦集中的特點，能在高放大倍數(shù)下穩(wěn)定成像，使圖像分辨率更高、更清晰，能獲得比電子顯微鏡高5倍的景深，因此FIB-HIM的二維數(shù)字照片具有三維立體的特征。有機質(zhì)會在氦離子束的轟擊下顯示深灰色，方解石、白云石及黃鐵礦等礦物會顯示淺灰色，石英、長石等礦物會顯示黑色，而孔隙則會顯示黑色。根據(jù)頁巖中不同基質(zhì)在氦離子束轟擊下的顏色襯度，可輕易識別出有機質(zhì)及其內(nèi)部發(fā)育的孔隙，因此FIB-HIM對有機質(zhì)孔隙具有極強的分辨能力。在進行FIB-HIM觀察實驗前，需要將頁巖樣品進行磨樣和氬離子拋光。經(jīng)過一系列的FIB-HIM觀察實驗，分別得到了延長組、龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖的有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征，并分析其主要控制因素。

圖5 延長組頁巖有機質(zhì)孔隙和粒間孔隙發(fā)育特征(FY1井，1 400.1 m)a.延長組頁巖樣品有機質(zhì)及有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征；b.延長組頁巖樣品有機質(zhì)局部發(fā)育孔隙；c.放大數(shù)倍后，延長組頁巖的有機質(zhì)孔隙具有較小的直徑；d.頁巖樣品內(nèi)的黃鐵礦和有機質(zhì)相伴生，有機質(zhì)充填在黃鐵礦晶間；e.黃鐵礦晶間的有機質(zhì)發(fā)育微裂縫； f.黃鐵礦晶間的有機質(zhì)表面發(fā)育微孔隙；g.延長組頁巖樣品內(nèi)發(fā)育大量呈層間排列的黏土礦物；h.黏土礦物的層間排列導(dǎo)致粒間孔隙發(fā)育；i.延長組頁巖樣品內(nèi)黏土礦物粒間孔隙和有機質(zhì)孔隙相伴生Fig.5 Organic matter pores and interparticle pores in Yanchang shale samples from well FY1,1 400.1 m

2.1 延長組

延長組頁巖有機質(zhì)只發(fā)育少量孔隙(圖5a,b)，且孔隙直徑較小(圖5c)，而有些有機質(zhì)內(nèi)部并不發(fā)育孔隙。延長組頁巖的有機質(zhì)孔隙并不連片發(fā)育，其內(nèi)部發(fā)育較多的是微裂縫(圖5d,e)，這是由于延長組頁巖的熱演化程度分布在0.8%～1.4%的范圍，仍處于生油窗內(nèi)，頁巖主要生成液態(tài)烴類，而氣態(tài)烴類主要是生成液態(tài)烴時的伴生氣。將FIB-HIM照片比例尺放大到200 nm，此時的分辨率可達2 nm，發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)表面發(fā)育大量微孔隙(圖5f)，增加了有機質(zhì)孔隙的比表面積，利于烴類氣體吸附賦存，但對烴類氣體形成有效滲流并不起作用。延長組頁巖樣品發(fā)育大量粒間孔隙，大多發(fā)育在黏土礦物內(nèi)部(圖5g)，這是由于延長組頁巖屬于陸相頁巖，黏土含量高，且呈層間排列(圖5h-i)。延長組頁巖粒內(nèi)孔隙發(fā)育數(shù)量較少，這是由于碳酸鹽含量較少，只有8.0%左右。粒內(nèi)孔隙是由于溶蝕作用形成，多發(fā)育在方解石、白云石等易遭受后期有機酸溶蝕的碳酸鹽礦物顆粒內(nèi)部。

2.2 龍馬溪組

龍馬溪組頁巖有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量孔隙(圖6a-c)，且呈現(xiàn)連片發(fā)育，孔隙形態(tài)以橢圓形為主(圖6d)。由于FIB-HIM具有極高的分辨率，而且對頁巖中的有機質(zhì)孔隙具有極強的識別功能，因此那些在場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)和聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)二維功能下未能有效識別的有機質(zhì)孔隙在FIB-HIM中可被精確識別出來(圖6e，f)。例如發(fā)育在有機質(zhì)表面上的微孔在FIB-HIM極高的分辨率下也得到了識別(圖6g-i)，這種微孔隙的發(fā)育極大地增加了有機質(zhì)孔隙的比表面積，利于甲烷吸附[10-13,15]。同時，大量的較小直徑的孔隙嵌套在直徑較大的有機質(zhì)孔隙內(nèi)部，起到喉道的作用，溝通了相鄰的具有較大孔徑的有機質(zhì)孔隙(圖6d，e)，從而增加了頁巖有機質(zhì)孔隙的連通性。這種分布在有機質(zhì)內(nèi)部的大孔套小孔的發(fā)育模式，不僅會增加頁巖有機質(zhì)孔隙的連通性，同時也會增加有機質(zhì)孔隙的比表面積，極有利于甲烷等烴類氣體在頁巖有機質(zhì)內(nèi)部的吸附及有效滲流。

圖6 龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙大量發(fā)育(JY1井，2 410.2 m)a.龍馬溪組頁巖樣品有機質(zhì)及有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征；b.龍馬溪組頁巖樣品內(nèi)有機質(zhì)孔隙連片發(fā)育；c.龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙連片發(fā)育，在比例尺為500 nm的尺度下，數(shù)量眾多，孔隙直徑較大；d.200 nm尺度下，龍馬溪組頁巖樣品連片發(fā)育，大孔嵌套小孔的發(fā)育模式增加頁巖的孔隙連通性；e.嵌套在大孔里的較小有機質(zhì)孔隙起到喉道的作用，溝通相鄰的大孔，并起到滲流通道的作用，增大頁巖儲層的滲流能力；f.具有較大直徑的有機質(zhì)孔隙內(nèi)部的隙壁上發(fā)育微孔，增加了有機質(zhì)孔隙的比表面積，極利于頁巖氣的吸附賦存；g.龍馬溪組頁巖樣品內(nèi)部呈條帶狀分布的有機質(zhì)；h.200 nm尺度下，呈條帶狀分布的有機質(zhì)表面發(fā)育大量的微孔隙；i.100 nm尺度下，在頁巖內(nèi)部呈條帶狀分布的有機質(zhì)表面發(fā)育大量微孔隙，并呈現(xiàn)橢圓形態(tài)Fig.6 Organic matter pores in Longmaxi shale samples from well JY1,2 410.2 m

2.3 牛蹄塘組

采用同樣的樣品制備方法及同樣的實驗設(shè)備，對渝東北牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)孔隙進行觀察，發(fā)現(xiàn)牛蹄塘組頁巖的有機質(zhì)內(nèi)部極少發(fā)育孔隙。即使發(fā)育個別孔隙，也大多呈孤立的形式存在于有機質(zhì)內(nèi)部(圖7a，b)，連通性差，發(fā)育特征類似于分布在頁巖礦物基質(zhì)中的粒內(nèi)孔隙，而且孔徑也普遍小于龍馬溪組頁巖的有機質(zhì)孔隙。同時，發(fā)育于黃鐵礦晶間的有機質(zhì)基本不發(fā)育孔隙，有些游離態(tài)的有機質(zhì)內(nèi)部并不發(fā)育孔隙(圖7c-f)。相對于龍馬溪組頁巖來說，牛蹄塘組頁巖樣品中根本不存在較小的孔隙嵌套在較大直徑的有機質(zhì)孔隙內(nèi)部。牛蹄塘組頁巖內(nèi)部發(fā)育數(shù)量相對最多的是粒間孔隙(圖7g-i)，而此類孔隙的連通性較差，多是由于方解石、長石以及石英等礦物在遭受構(gòu)造擠壓或是成巖作用過程中受力不均勻形成的類似微裂縫的孔隙，多呈圈層狀圍繞在無機礦物顆粒周圍，無法為頁巖氣的賦存提供有效空間和滲流通道。

3 有機質(zhì)孔隙演化

頁巖中有機質(zhì)孔隙的發(fā)育數(shù)量決定了頁巖整體孔隙系統(tǒng)的儲集能力和連通性[4-9,12]，即有機質(zhì)孔隙貢獻了頁巖中絕大部分的有效賦存空間和連通孔隙網(wǎng)絡(luò)，對頁巖氣起到的滲流作用要遠遠優(yōu)于礦物基質(zhì)孔隙。3套頁巖的微納米孔隙類型發(fā)育差別較大，尤其是有機質(zhì)孔隙的發(fā)育特征。龍馬溪組頁巖相對于牛蹄塘組和延長組頁巖來說具有的最大優(yōu)勢就是有機質(zhì)孔隙大量發(fā)育，導(dǎo)致龍馬溪組頁巖在甲烷等烴類氣體的賦存及整體孔隙系統(tǒng)的連通性方面都要遠遠優(yōu)于牛蹄塘組和延長組頁巖，繼而導(dǎo)致龍馬溪組頁巖的產(chǎn)氣量高于延長組頁巖和牛蹄塘組頁巖[7-8,11,13,22-24,27]。頁巖有機質(zhì)孔隙的發(fā)育主要受控于儲層的熱演化程度，即隨著頁巖生烴演化的進行，有機質(zhì)孔隙不斷發(fā)生數(shù)量及孔徑上的變化(圖8)。

圖7 牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)孔隙和粒間孔隙發(fā)育特征(CQ3井，1 457 m)a.牛蹄塘組頁巖樣品有機質(zhì)孔隙極少發(fā)育；b.100 nm尺度下，牛蹄塘組頁巖樣品有機質(zhì)孔隙呈孤立狀分布于有機質(zhì)內(nèi)部；c.牛蹄塘組頁巖樣品內(nèi)分布于黃鐵礦晶間的有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育極少量孔隙；d.200 nm尺度下，牛蹄塘組頁巖樣品內(nèi)部呈游離態(tài)分布的有機質(zhì)內(nèi)部不發(fā)育孔隙；e.100 nm尺度下，未在游離態(tài)分布的有機質(zhì)內(nèi)部觀察到孔隙；f.200 nm尺度，觀察到牛蹄塘組頁巖樣品內(nèi)分布于黃鐵礦晶間的有機質(zhì)內(nèi)部呈孤立狀的極少量孔隙；g～i.牛蹄塘組頁巖樣品方解石和石英、長石礦物顆粒之間發(fā)育粒間孔隙Fig.7 Organic matter pores and interparticle pores in Niutitang shale samples from well CQ3,1 457 m

鄂爾多斯盆地延長組頁巖的最大古埋深分布在2 000～4 000 m的范圍內(nèi)，儲層熱演化程度低，目前仍處在生油窗內(nèi)，烴源巖層中的干酪根仍以生液態(tài)烴為主。頁巖層還沒有進入生干氣階段，有機質(zhì)無法產(chǎn)生大量孔隙，以發(fā)育微裂縫為主。延長組陸相頁巖由于熱演化程度較低，有機質(zhì)孔隙數(shù)量相對于龍馬溪組頁巖較少，并不是連片發(fā)育，只在有機質(zhì)內(nèi)部局部發(fā)育，而且孔徑也較小，有些有機質(zhì)內(nèi)部并不發(fā)育孔隙，導(dǎo)致延長組頁巖對甲烷等烴類氣體的儲集能力較低。而龍馬溪組頁巖較大有機質(zhì)孔隙內(nèi)部嵌套著較小有機質(zhì)孔隙發(fā)育的模式在延長組頁巖中并未發(fā)現(xiàn)，延長組頁巖也無法使甲烷等烴類氣體在儲層中形成有效滲流。再者，從生烴演化的角度來分析，延長組頁巖的儲層熱演化程度(0.8%

相對于下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖，下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖沉積期相對較晚，經(jīng)歷的沉積埋藏史相對較短。上揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖最大古埋深分布在4 000～6 000 m的范圍內(nèi)，相對牛蹄塘組頁巖也要淺。在龍馬溪組頁巖有機質(zhì)熱演化過程中，由于熱演化程度相對較低，加上上覆圍巖壓實作用較弱，因此龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙得以大量保留。上揚子地區(qū)渝東北牛蹄塘組頁巖最大古埋深能達到8 000 m，頁巖有機質(zhì)的熱演化程度此時已接近變質(zhì)階段，這使得牛蹄塘組頁巖儲層中的有機質(zhì)石墨化進程加劇[23-24,25,27]。在有機質(zhì)生成氣態(tài)烴的過程中，由于過度演化，加上牛蹄塘組頁巖地層老、埋深大、上覆圍巖壓實作用強，導(dǎo)致有機質(zhì)孔隙在強壓實作用下大量消失[28-32]。頁巖氣由于失去有機質(zhì)孔隙這一有效賦存空間，生成后在地史過程中散失，最終導(dǎo)致牛蹄塘組頁巖氣產(chǎn)量少，產(chǎn)氣時間短。

4 結(jié)論

(1)延長組頁巖樣品的有機質(zhì)局部發(fā)育孔隙，有機質(zhì)孔隙數(shù)量較少且孔隙直徑較小，有機質(zhì)內(nèi)部多發(fā)育微裂縫，頁巖樣品黏土礦物內(nèi)部發(fā)育大量粒間孔隙。

圖8 頁巖地層埋藏史與有機質(zhì)孔隙演化關(guān)系Fig.8 Relationship between burial history of shale formation and organic matter pore evolution

(2)龍馬溪組頁巖樣品內(nèi)部發(fā)育大量有機質(zhì)孔隙，大量較小直徑的孔隙嵌套在直徑較大的有機質(zhì)孔隙中，增加了有機質(zhì)孔隙的比表面積和孔隙連通性，有利于烴類氣體在有機質(zhì)孔隙內(nèi)部的賦存及有效滲流。牛蹄塘組頁巖樣品內(nèi)部發(fā)育數(shù)量相對最多的是粒間孔隙，基本不發(fā)育有機質(zhì)孔隙。

(3)頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育主要受控于熱演化程度。過低的熱演化程度(0.5%

(4)針對中國南方下寒武統(tǒng)海相頁巖氣的高效勘探開發(fā)，應(yīng)尋找熱演化程度適中的頁巖層位。