鄂爾多斯盆地東南部延長組7段頁巖有機孔發(fā)育特征及其影響因素

蔡振家，雷裕紅，羅曉容，王香增，程 明，張麗霞，姜呈馥，趙謙平，尹錦濤，張立寬

[1.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院 油氣資源研究重點實驗室,北京 100029； 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075； 4.陜西省頁巖氣勘探開發(fā)工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710075；5.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點實驗室,陜西 西安 710075]

近年來，頁巖油氣成為非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中新的亮點與重點，關(guān)于頁巖的沉積環(huán)境、巖石礦物組成、儲集空間類與特征、孔隙結(jié)構(gòu)與物性、含油氣性及影響因素、滲流特征等相關(guān)研究受到了廣泛的重視[1-2]。其中，因頁巖的孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)和孔體積、連通性強烈地影響著不同賦存狀態(tài)的油氣含量及總油氣含量、滲流特征[2-3]，是研究頁巖油氣賦存機理、富集條件、滲流規(guī)律、資源量估算和甜點預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)[4]。因此，頁巖的孔隙類型及發(fā)育特征、孔隙結(jié)構(gòu)是目前頁巖研究的熱點之一[5-7]。

頁巖中的孔隙包括無機粒間孔、粒內(nèi)孔、有機孔和微裂縫[8]。前人在研究Barnett、Woodford、Horn River、Marcellus、龍馬溪組等海相富有機質(zhì)頁巖的孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，有機孔是頁巖中最主要的孔隙類型[9-10]。很多學(xué)者認(rèn)為有機孔的發(fā)育程度主要取決于有機質(zhì)成熟度[10-11]，只有當(dāng)泥頁巖中有機質(zhì)成熟度(Ro)大于0.9%時才發(fā)育有機孔[10-11]；當(dāng)有機質(zhì)成熟度大于1.1%后，隨著有機質(zhì)成熟度升高，有機孔發(fā)育程度增加[11]。但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，較低成熟度的富有機質(zhì)頁巖(Ro：0.6%～0.9%)中也發(fā)育了大量有機孔[12-13]，并發(fā)現(xiàn)頁巖的有機質(zhì)成熟度和孔隙度的正相關(guān)性并不特別明顯[7]。

已發(fā)表的關(guān)于中國松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地等湖相頁巖的研究成果表明，由于多數(shù)湖相頁巖的有機質(zhì)成熟度較低，處于生油窗內(nèi)，孔隙類型以無機孔為主，有機孔相對不發(fā)育[14-17]。近年來，隨著掃描電鏡觀測精度的提高和研究的深入，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)成熟度較低的湖相頁巖中有機孔也比較發(fā)育[18]，但具有較強的非均一性。由于關(guān)于中國湖相頁巖有機孔的研究較少，已有少量研究也多關(guān)注有機孔的形態(tài)、孔徑大小等特征的描述，缺乏對于較低成熟度湖相頁巖中有機孔形成的影響因素的深入研究。

鑒于此，本文選擇鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部三疊系延長組7段(長7段)頁巖為研究對象，選取不同成熟度、有機質(zhì)豐度的長7段頁巖樣品，利用氬離子剖光和高精度掃描電鏡觀測技術(shù)，結(jié)合總有機碳、有機質(zhì)成熟度等分析測試，識別延長組頁巖中有機質(zhì)類型、不同類型有機質(zhì)分布特征及含量，分析不同類型有機質(zhì)中有機孔的發(fā)育特征及其差異性，以此為基礎(chǔ)探討影響較低成熟度長7段湖相頁巖中有機孔發(fā)育的主要因素。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于中國的中部地區(qū)，是發(fā)育在古生代華北克拉通之上的多旋回大型含油氣沉積盆地[19]。三疊系延長組是鄂爾多斯盆地重要的陸相烴源巖發(fā)育層系和油氣勘探開發(fā)目的層段之一，自上而下劃分為10個油層組，記錄了整個湖盆的形成、發(fā)展和消亡的演化過程[20]。其中，長7段沉積時期是三疊紀(jì)湖盆發(fā)育的鼎盛時期[21]，水體最深，最大水深60 m，半深湖-深湖區(qū)面積最大，水生生物和浮游生物大量繁殖，沉積了一套廣泛分布的高有機質(zhì)豐度的黑色頁巖，頁巖厚度介于15～120 m[22]，具有由西南至東北方向逐漸變薄的趨勢。長7段頁巖的巖性以灰黑色、黑色頁巖為主，夾大量灰黑色-灰色粉砂-細(xì)砂巖紋層或夾層，非均質(zhì)性較強[23-24]。有機質(zhì)類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主[22,25-26]，總有機碳含量(TOC)介于在1%～26%[25-26]，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.6%～1.2%，處于生油窗期[22]；平均可溶烴含量(S1)和氯仿瀝青“A”含量分別為2.89 mg/g和0.76%，熱解烴量(S2)平均為7.89 mg/g[26-27]，具有良好的生油氣條件，是常規(guī)油氣的優(yōu)質(zhì)烴源巖層段和主要的頁巖油氣勘探目的層位[28-29]。

2 樣品與測試

本文采集了研究區(qū)不同埋深的YW1井、YW2井、YW3井、YW4井、YW5井、YW6井、YW7井等7口井長7段的頁巖樣品，其中以YW1井、YW2井、YW3井、YW4井、YW5井的樣品為重點研究對象，采樣位置見圖1。

前人研究結(jié)果表明，在對頁巖樣品進(jìn)行氬離子拋光過程中，由于氬離子剖光中的離子束熱導(dǎo)致的熱蝕變效應(yīng)會導(dǎo)致有機質(zhì)反射率增加10%～53%[30-35]。為了保證分析成熟度對有機孔發(fā)育的影響的可靠性，本文不用氬離子拋光片來分析有機質(zhì)成熟度，而是利用巖心切割儀，沿垂直層理方向?qū)r心樣品切割成數(shù)份塊樣，一塊樣品用于離子剖光樣品的制備與掃描電鏡觀測，一份樣品利用傳統(tǒng)的微觀鏡檢測定方法來測試鏡質(zhì)體反射率；其余樣品用于總有機碳、熱解等有機地球化學(xué)參數(shù)的測試分析。本文利用中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所Leica EM TIC 3X儀三離子束切割儀，將頁巖樣品處理成厚度為5 mm的樣品后用金剛砂紙將頁巖表面磨平后，利用氬離子剖光儀在5 keV，2 mA和2 keV，2 mA的條件下各循環(huán)3次和2次進(jìn)行剖光，以獲得高質(zhì)量拋光截面。采用MERLIN FE-SEM場發(fā)射掃描電子顯微鏡對頁巖樣品進(jìn)行成像和觀測，二次電子模式(SE2)下的分辨率為8 nm(1.2 keV)，并利用配備的EDS能譜儀識別礦物。觀測時利用Image-Pro Plus圖像分析軟件對獲得的高清晰SEM圖像中的有機質(zhì)和有機孔直徑、有機質(zhì)和有機孔面積進(jìn)行測量和統(tǒng)計。對于單個孔隙測量最大孔徑處，在對于多個小孔隙相互連通、孔隙形態(tài)復(fù)雜的情況，盡量把這些小孔隙分開單獨進(jìn)行測量，而將其間最狹窄處認(rèn)為是喉道。

本文用固體有機質(zhì)中有機孔的總面積占有機質(zhì)面積的百分比來表示有機孔的發(fā)育程度，即

SR=S有機孔/S有機質(zhì)×100%

(1)

式中：SR為固體有機質(zhì)中有機孔發(fā)育程度，%；S有機孔為有機質(zhì)中有機孔的總面積，%；S有機質(zhì)為有機質(zhì)面積，%。SR越大，有機孔越發(fā)育。

圖1 鄂爾多斯盆地東南部研究區(qū)構(gòu)造位置(a)和采樣井位(b)(據(jù)姜呈馥等[28]和劉華清等[29]修改)Fig.1 The structural location of the study area(a) and the sample well locations(b),Southeastern Ordos Basin(modified from Jiang,et al.[28] and Liu,et al.[29])

3 巖石礦物學(xué)特征與有機地球化學(xué)特征

研究區(qū)長7段頁巖段中頁巖的礦物成分主要為粘土礦物、石英、長石和碳酸鹽礦物，還有少量黃鐵礦[36]。統(tǒng)計結(jié)果表明，長7段黑色頁巖石英和長石含量22.89%～66.67%，平均42.78%，其中石英含量為11.4%～35%，平均為23.12%，長石含量為5%～38.20%，平均為18.55%；碳酸鹽含量變化較大，主要在2.01%～38.87%，平均為10.68%；粘土礦物含量22.92%～67.01%，平均46.54%(圖2)；黃鐵礦含量為0.3%～7%，平均2.45%，黃鐵礦含量盡管不高，但分布很普遍。有機地球化學(xué)分析表明，頁巖樣品TOC含量變化在1.77%～22.27%，平均為5.59%；S1含量變化在0.55～10.7 mg/g，平均為5.59 mg/g；Tmax變化在433～467 ℃，平均為453 ℃；氯仿瀝青“A”含量變化在0.23～21.35 mg/g，平均為7.43 mg/g(圖3)。有機質(zhì)顯微觀察結(jié)果表明，長7段頁巖中的有機質(zhì)顯微組分以腐泥組為主，平均含量高于90%，其次為鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組，惰質(zhì)組含量最低為(<1.5%)，有機質(zhì)類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主(圖4)，這和前人的認(rèn)識[25]基本一致。其中腐泥組以無定形有機質(zhì)為主，含有部分結(jié)構(gòu)藻類體和層狀藻類體；鏡質(zhì)體以富氫鏡質(zhì)體為主，正常鏡質(zhì)體較少；殼質(zhì)組以孢粉為主[25]。

圖2 鄂爾多斯盆地東南部延長組泥頁巖樣品礦物組成Fig.2 The mineral composition of shale samples from the Yanchang Formation,southeastern Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地東南部延長組泥頁巖樣品有機地球化學(xué)特征Fig.3 Organic geochemical characteristics of shale samples from the Yanchang Formation,Southeastern Ordos Basina. TOC特征；b. S1特征；c. 氯仿瀝青“A”含量特征；d. Tmax特征

圖4 鄂爾多斯盆地東南部延長組Tmax與降解潛率有機質(zhì)類型判識圖版Fig.4 The identification plot of Tmax and potential degradation rate of various organic matters in the Yanchang Formation,Southeastern Ordos Basin

4 有機孔發(fā)育特征

4.1 干酪根有機孔發(fā)育特征

對長7段頁巖中的固體有機質(zhì)的觀察結(jié)果表明，部分干酪根近似平行頁巖層理方向順層富集，部分干酪根呈孤立狀分散產(chǎn)出(圖5)。順層富集的干酪根一般呈彎曲狀的長條形，這類干酪根長軸方向延伸較遠(yuǎn)，短軸方向的直徑變化較大，介于0.08～14.99 μm。這類干酪根中有機孔發(fā)育程度低，僅發(fā)育極少量有機孔或基本不發(fā)育，可見一些干裂縫，個別干酪根中可見有機孔發(fā)育，但有機孔分布不均一，且有機孔面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)一般介于0～21.67%。如圖5a，b中的固體有機質(zhì)呈長條彎曲狀近似平行于層理定向分布，并受到長石、石英等剛性顆粒的擠壓，有機質(zhì)中包裹少量沉積碎屑，粘土碎屑也近似平行有機質(zhì)定向分布，表明此類有機質(zhì)遭受了很強的壓實作用，其應(yīng)為干酪根。圖5a中的干酪根幾乎未見有機孔發(fā)育，圖5b所示的干酪根可見有機孔發(fā)育，但分布不均一，只有少部分孤立的有機孔零星分布在礦物與有機質(zhì)的邊緣，而圖5c中的順層富集干酪根中，有機孔在中部發(fā)育，兩端及與礦物接觸的部位有機孔發(fā)育程度較差，這可能與壓實作用有關(guān)。干酪根中的有機孔的孔隙多呈不規(guī)則橢圓形和不規(guī)則多角狀，部分有機孔具有順層定向性，有機孔孔徑介于11～262 nm，主要在53～57 nm，有機孔面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)為6.85%。

孤立狀分布的干酪根一般分布在剛性顆粒間或粘土礦物碎屑間，大小主要為0.46～18.73 μm。圖5d—f的有機質(zhì)周緣的粘土礦物圍繞有機質(zhì)分布，部分粘土礦物擠入到塊狀有機質(zhì)中，固體有機質(zhì)經(jīng)歷了明顯的壓實作用，表明上述有機質(zhì)不是晚期的油充填于已經(jīng)存在的粒間孔后形成的固體瀝青，而是干酪根。孤立的分散狀干酪根中有機孔相對不發(fā)育，即使發(fā)育少量有機孔，分布也具有不均一性的特點，但總體發(fā)育程度要高于順層富集分布的干酪根。圖5d中的干酪根中基本未見有機孔發(fā)育。圖5e干酪根中可見局部發(fā)育有機孔，主要呈孤立的橢圓形、圓形孔產(chǎn)出，有機孔的孔徑30～427 nm，平均為125 nm，有機孔面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)為0.74%。圖5f中的干酪根成熟度為1.05%，有機孔相對較發(fā)育，有機孔的孔徑37～667 nm，平均為182 nm，有機孔面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)為23.83%。

與粘土礦物共生的分散狀干酪根是沉積時形成的有機粘土復(fù)合體[47]。粘土礦物主要是陸源搬運的產(chǎn)物，可見有磨損的痕跡，晶形較差，粒度小，周圍粘土礦物具有順層分布或遇到剛性礦物而發(fā)生扭曲變形的現(xiàn)象，因此，與粘土礦物共生的干酪根具有順粘土層定向產(chǎn)出或隨周圍粘土礦物發(fā)生彎曲變形的特征，而且與粘土礦物共生的干酪根有機質(zhì)形態(tài)連續(xù)性差，往往被碎屑粘土礦物截隔開，主要為短柱狀或條帶狀，有機質(zhì)尺寸較小，短軸主要在20～227 nm變化，集中在50 nm；長軸主要在69～1 253 nm變化，集中在300 nm。這類干酪根中有機孔相對較發(fā)育，但也具有非均一性特征。圖4g和h中與粘土礦物共生的干酪根不發(fā)育或者發(fā)育少量孤立有機孔，圖4i中與粘土礦物共生的干酪根的有機孔發(fā)育，在邊緣處有機孔孔徑較小但數(shù)量密集，而粘土礦物格架中的有機孔孔徑較大，部分相互連接形成串珠狀孔，形態(tài)主要以橢圓形，不規(guī)則多角形和水滴形為主。這類干酪根的有機孔的孔徑多介于8～85 nm，平均為34 nm，有機孔面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)為13.27%?？傮w來看，干酪根中的有機孔相對不發(fā)育，有機孔面積占干酪根面積的比例介于0～44.13%，平均為6.03%。

圖5 鄂爾多斯盆地東南部延長組干酪根中有機孔發(fā)育特征Fig.5 Characteristics of organic pores developed in kerogen of the Yanchang Formation,Southeastern Ordos Basina. 長條彎曲狀順層富集型干酪根，受到長石、石英等剛性顆粒的擠壓而發(fā)生變形，有機孔不發(fā)育，YW5井，埋深682.05 m；b. 長條彎曲狀順層富集型干酪根，有機孔不發(fā)育，內(nèi)部含有粘土碎屑礦物，埋深682.05 m，YW5井；c. 長條彎曲狀順層富集型干酪根，內(nèi)部含有粘土碎屑礦物，有機孔發(fā)育，YW3井，埋深1 340 m；d. 孤立塊狀干酪根，有機孔不發(fā)育，YW5井，埋深682.05 m;e. 孤立塊狀干酪根，與無機礦物一起受到擠壓變形，發(fā)育少量定向有機孔，YW4井，埋深682.05 m；f. 孤立塊狀干酪根，有機孔非常發(fā)育，YW3井，埋深1 340 m；g. 與粘土礦物共生干酪根，粘土礦物與干酪根交織，有機孔不發(fā)育，YW3井，埋深1 340 m；h. 與粘土礦物共生干酪根，粘土礦物與干酪根交織，與粘土礦物接觸的有機質(zhì)發(fā)育少量 有機孔，YW3井，埋深1 340 m；i. 與粘土礦物共生干酪根，有機孔較為發(fā)育，YW3井，埋深1 340 m

4.2 運移固體有機質(zhì)有機孔發(fā)育特征

運移固體有機質(zhì)粒徑相對較小，多呈不規(guī)則等軸狀、斑塊狀、多角狀等充填于長石、石英等剛性顆粒粒間孔及粒間溶孔、剛性顆粒與粘土碎屑粒間孔及粒間溶孔、次生礦物晶間孔及晶間溶孔等不同類型無機孔中，粒徑多介于0.02～18.95 μm(圖6)。不同埋深、不同成熟度的頁巖樣品中的運移固體有機質(zhì)中均可見有機孔發(fā)育。如圖6a所示的固體有機質(zhì)充填于剛性顆粒粒間孔中，粒間大小14.18 μm，有機質(zhì)邊緣的形態(tài)平直，與剛性顆粒的接觸邊界明顯，未有明顯因壓實作用造成的變形特征，為油氣后期充填進(jìn)剛性粒間孔中，由于埋深增加溫度升高，充填于孔隙中的油氣發(fā)生熱裂解作用形成運移固體有機質(zhì)[59]或是氣體進(jìn)入到含油孔隙中導(dǎo)致了輕質(zhì)油的分離和瀝青質(zhì)的沉淀進(jìn)而形成運移固體有機質(zhì)[60]，其內(nèi)部發(fā)育典型的海綿狀有機孔，形狀以不規(guī)則橢圓形、圓形和多角形為主，部分有機孔相互連通，形成串珠狀有機孔，甚至形成微裂縫。有機孔的孔徑多介于28～311 nm，平均為97.09 nm，有機孔面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)為30.37%。圖6b中樣品的運移固體有機質(zhì)充填于剛性顆粒與粘土碎屑粒間孔中，在這些礦物顆粒的內(nèi)部和邊部會發(fā)育一些自生礦物，其應(yīng)為運移固體有機質(zhì)。該有機質(zhì)中有機孔發(fā)育，有機孔的孔隙多呈不規(guī)則橢圓形、水滴狀和多角狀，有機孔孔徑為21～192 nm，平均為64 nm，有機孔面積占有機質(zhì)面積的比例為26.34%。圖6c所示運移固體有機質(zhì)的長軸方向的直徑約4.93 μm，短軸方向的直徑約1.00 μm，其充填于剛性粒間溶蝕孔中，固體有機質(zhì)邊緣的形態(tài)局部呈樹枝狀、港灣狀，部分呈平直狀，有機質(zhì)內(nèi)部還可見少量長石溶蝕殘余，因剛性物質(zhì)的支撐保護(hù)，有機質(zhì)在壓實作用下未發(fā)生變形，該有機質(zhì)應(yīng)是運移固體有機質(zhì)。

圖6 鄂爾多斯盆地東南部延長組運移固體有機質(zhì)中有機孔發(fā)育特征Fig.6 Characteristics of organic pores in migrated solid organic matters of the Yanchang Formation，Southeastern Ordos Basina. 剛性顆粒粒間孔中充填的運移固體，海綿狀有機孔發(fā)育，YW1井，埋深2 297.31 m；b. 剛性顆粒與粘土碎屑粒間孔中充填的運移固體有機質(zhì)，有機孔發(fā)育，YW3井，埋深1 340 m；c. 剛性顆粒粒間溶蝕孔中充填的運移固體有機質(zhì)，內(nèi)部發(fā)育溶蝕殘留的長石，海綿狀有機孔發(fā)育，YW1井，埋深2 297.31 m；d. 長石粒內(nèi)溶蝕孔中充填的運移固體有機質(zhì)，海綿狀有機孔發(fā)育，YW1井，埋深2 297.31 m；e. 交織狀粘土間充填的運移固體有機質(zhì)，內(nèi)部含自生礦物，有機孔發(fā)育，YW2井，埋深1 340 m；f. 綠泥石粘土礦物共生的運移固體有機質(zhì)，海綿狀有機孔發(fā)育，YW1井，埋深2 297.31 m；g. 與粘土礦物共生的運移固體有機質(zhì)，有機孔發(fā)育不均一，YW1井，埋深2 297.31 m；h. 含黃鐵礦粒間溶蝕孔中充填的運移固體有 機質(zhì)，有機孔發(fā)育，YW1井，埋深2 297.31 m；i. 草莓狀黃鐵礦晶間孔中充填的運移固體有機質(zhì)，有機孔發(fā)育，YW3井，埋深1 340 m

該有機質(zhì)中有機孔非常發(fā)育，單個有機孔多呈多角狀，部分孔隙相互連通形成串珠狀孔，串珠狀有機孔多為2～5個有機孔相互連接形成大孔。該有機質(zhì)中的有機孔的孔徑介于34～227 nm，平均為96 nm，有機孔總面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)約21.52%。圖6d為長石粒內(nèi)溶蝕孔中充填的固體有機質(zhì)，固體有機質(zhì)邊緣的形態(tài)主要為平直狀，長軸方向的直徑約8.22 μm，短軸方向的直徑約1.63 μm。該有機質(zhì)內(nèi)有機孔非常發(fā)育，有機質(zhì)內(nèi)部的有機孔主要為海綿狀有機孔，形狀以橢圓狀和不規(guī)則多角狀為主，有機孔孔徑為26～265 nm，平均為100 nm，有機孔總面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)約32.01%。

圖6e所示為充填于粒間孔中的固體有機質(zhì)，有機質(zhì)中可見自生石英、自生粘土礦物等，其應(yīng)為運移固體有機質(zhì)。該有機質(zhì)中有機孔非常發(fā)育，有機孔孔徑介于9～193 nm，平均為35 nm，有機孔總面積占有機質(zhì)面積的比例約21.99%。粘土礦物的粒間孔、粒內(nèi)孔也常充填有運移固體有機質(zhì)，其中的有機孔非常發(fā)育。充填于粘土礦物粒間孔中的運移固體有機質(zhì)是油氣運移至發(fā)育有自生粘土礦物的粒間孔中經(jīng)過后期熱裂解作用或脫瀝青作用形成的運移固體有機質(zhì)，其粘土礦物主要是自生粘土礦物，晶形較好，自生粘土礦物沿著孔隙邊界生長，逐漸向內(nèi)部延伸，粘土礦物呈現(xiàn)不同的產(chǎn)狀，有交織狀，纖維狀等，部分運移固體有機質(zhì)由于充填在纖維狀粘土礦物中，而呈現(xiàn)分隔的形態(tài)，有機孔形態(tài)主要呈不規(guī)則狀、多邊形和橢圓形，圓形較少，而且部分有機孔會連續(xù)發(fā)育，形成串珠狀有機孔，甚至在串珠狀有機孔上發(fā)育裂縫。圖6f所示的運移固體有機質(zhì)充填在粘土礦物粒內(nèi)孔中，有機質(zhì)中發(fā)育大量典型的海綿狀有機孔。有機孔孔徑介于29 ～259nm，平均為114 nm，有機孔總面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)約22.81%。圖5g中充填于粘土礦物粒內(nèi)孔和粒間孔中的運移固體有機質(zhì)中有機孔非常發(fā)育，但發(fā)育程度不均一，局部密集發(fā)育，部分不發(fā)育有機孔，有機孔孔徑較大，介于21～254 nm，平均孔徑約87 nm，有機孔總面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)約11.50%。

長7段頁巖中普遍發(fā)育黃鐵礦[22]，黃鐵礦主要呈自生礦物顆粒充填于剛性顆粒粒間孔及粒間溶蝕孔中或以草莓狀黃鐵礦發(fā)育，黃鐵礦晶間孔中常被后期油氣充填，形成運移固體有機質(zhì)。如圖6h和i為發(fā)育于含黃鐵礦粒間溶孔中或草莓狀黃鐵礦晶間孔中的有機質(zhì)，有機質(zhì)中發(fā)育海綿狀有機孔，形態(tài)多呈不規(guī)則狀、多邊形和橢圓形，圓形和狹縫形較少，少量有機孔連成較小的串珠孔。圖6h黃鐵礦晶體間的有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育有機孔，有機孔孔徑為28.57～197.51 nm，平均為74.67 nm，有機孔總面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)約12.59%；圖6i草莓狀黃鐵礦晶間孔中充填有固體有機質(zhì)，有機孔孔徑為33～235 nm，平均為97 nm，有機孔總面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)約36.48%。總體來看，運移固體有機質(zhì)中的有機孔非常發(fā)育，有機孔發(fā)育程度明顯高于干酪根中有機孔的發(fā)育程度，有機孔面積占運移固體有機質(zhì)面積的比例介于0～46.51%，平均為23.05%。

對所有樣品的干酪根、運移固體有機質(zhì)中發(fā)育的有機孔的孔徑進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)長7段中有機孔孔徑變化主要在10～520 nm，主要集中在10～100 nm，占有機孔總數(shù)的70.92%，孔徑大于100 nm的有機孔占全部有機孔的比例為28.50%，孔徑大于200 nm的有機孔占全部有機孔的比例為5.27%(圖7)。其中干酪根中發(fā)育的有機孔孔徑變化在10～360 nm，主要分布在10～40 nm和50～100 nm，分別占總有機孔的42.54%和40.16%，孔徑大于100 nm的有機孔占總有機孔的14.83%(圖7a)。運移固體有機質(zhì)中發(fā)育的有機孔孔經(jīng)主要介于10～520 nm，主要分布在30～100 nm，占總有機孔的68.15%，孔徑大于100 nm的有機孔占總有機孔的29.55%(圖7b)。

圖7 鄂爾多斯盆地東南部不同類型有機質(zhì)有機孔孔徑發(fā)育特征Fig.7 Characteristics of organic pore sizes of various organic matters in the Southeastern Ordos Basina. 干酪根有機孔孔徑；b. 運移固體有機質(zhì)有機孔孔徑

5 有機孔發(fā)育影響因素

根據(jù)上述頁巖有機地化特征、有機質(zhì)類型識別和有機孔發(fā)育特征分析所獲得的認(rèn)識為基礎(chǔ)，筆者分析了影響長7段頁巖中有機孔發(fā)育的主要因素。

5.1 有機質(zhì)類型

對長7段泥頁巖不同類型的固體有機質(zhì)中有機孔發(fā)育特征的觀測結(jié)果顯示，干酪根中有機孔相對不發(fā)育，運移固體有機質(zhì)中的有機孔相對較發(fā)育(圖5，圖6)。在同一樣品的同一視域中，可見運移有機質(zhì)中有機孔非常發(fā)育，而干酪根中有機孔基本不發(fā)育(圖8)。如圖8a和b中白色箭頭所示的固體有機質(zhì)充填于粒間孔中，有機質(zhì)內(nèi)部可見大量自生礦物，其應(yīng)為充填于粒間孔中的運移固體，這些運移固體有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量海綿狀有機孔，SR分別為17.37%和22.18%。圖8a中的白色箭頭所指的部分長條彎曲的有機質(zhì)沿著頁巖層理方向順層發(fā)育，邊緣常被無機礦物顆粒擠壓，部分礦物被擠入有機質(zhì)中，部分有機質(zhì)的彎曲變形，與其接觸的云母等塑性礦物彎曲變形的形態(tài)一致；圖8b中白色箭頭所指的有機質(zhì)周緣的粘土礦物圍繞該有機質(zhì)發(fā)生彎曲變形，表明這部分有機質(zhì)經(jīng)歷了較強的壓實作用[13]，其應(yīng)為干酪根這兩類干酪根中的有機孔均不發(fā)育，SR=0。

為了進(jìn)一步分析不同類型固體有機質(zhì)有機孔發(fā)育程度的差異，對研究區(qū)不同埋深、不同成熟度頁巖樣品中的干酪根、運移固體有機質(zhì)的有機孔發(fā)育程度分別進(jìn)行了統(tǒng)計。結(jié)果表明，同一樣品中的干酪根有機孔發(fā)育程度明顯低于運移固體有機質(zhì)中有機孔的發(fā)育程度(圖9)。如圖9a為YW5井682.05 m頁巖(Ro約0.5%，TOC為2.3%)中干酪根和運移固體有機質(zhì)中的SR值統(tǒng)計結(jié)果，干酪根中SR介于0～15%，主要介于0～5%，平均0.16%；運移固體有機質(zhì)中SR介于0～25%，平均5.35%，SR值主要分布在5%～10%，明顯高于干酪根中有機孔的發(fā)育程度。圖9b為YW4井975.6 m頁巖(Ro約0.82%，TOC為3.23%)中干酪根和運移固體有機質(zhì)中的SR值統(tǒng)計結(jié)果，干酪根中SR介于0～10%，平均0.31%，SR值主要分布在0～5%；運移固體有機質(zhì)中有機孔SR值介于0～10%，平均6.99%，SR值主要分布在5%～10%，明顯高于干酪根中有機孔的發(fā)育程度。圖9c為YW3井1 340 m頁巖(Ro約1.05%，TOC為5.19%)中干酪根和運移固體有機質(zhì)SR值統(tǒng)計結(jié)果，干酪根中SR介于0～50%，SR值主要分布在5%～15%，平均8.19%，而運移固體有機質(zhì)中有機孔SR值介于0～50%，平均24.57%，SR值主要分布在10%～30%，明顯高于干酪根中有機孔的發(fā)育程度。圖9d為YW2井1 502.1 m頁巖(Ro約1.10%，TOC為6.69%)中干酪根和運移固體有機質(zhì)中統(tǒng)計結(jié)果，干酪根中SR介于0～50%，SR值主要分布在5%～15%，平均9.30%，而運移固體有機質(zhì)中有機孔SR值介于0～50%，平均23.45%，SR值主要分布在10%～30%，明顯高于干酪根中有機孔的發(fā)育程度。圖9e為YW1井2 297.31 m粉砂巖夾層(Ro約1.25%，TOC為1.96%)的SR值統(tǒng)計結(jié)果，干酪根中有機孔SR值介于0～10%，平均1.50%，SR值主要分布在0～5%，而運移固體有機質(zhì)中有機孔SR值介于0～45%，平均25.58%，SR值主要分布在10%～30%，明顯高于干酪根中有機孔的發(fā)育程度。由此可見，頁巖中不同固體有機質(zhì)類型的有機孔的發(fā)育程度具有明顯差異，干酪根中有機孔相對不發(fā)育，運移固體有機質(zhì)有機孔發(fā)育程度相對較高。

圖8 鄂爾多斯盆地東南部同一視域下不同類型有機質(zhì)中有機孔發(fā)育特征Fig.8 Characteristics of organic pores in various organic matters in the same frame of view，Southeastern Ordos Basina. 順層富集型干酪根與運移固體有機質(zhì)有機孔發(fā)育特征；b. 孤立分散型干酪根與運移固體有機質(zhì)有機孔發(fā)育特征

圖9 鄂爾多斯盆地東南部不同類型有機質(zhì)有機孔發(fā)育程度(SR)特征Fig.9 Characteristics of organic pore development(SR)in organic matters of various types,Southeastern Ordos Basina. YW5井；b. YW4井；c. YW3井；d. YW2井；e. YW1井

總體來看，頁巖中固體有機質(zhì)類型對有機孔的發(fā)育程度具有重要的影響，干酪根中有機孔相對不發(fā)育，運移固體有機質(zhì)有機孔發(fā)育程度相對較高，頁巖中運移固體有機質(zhì)所占比例越高，總量越多，有機孔越發(fā)育。

5.2 有機質(zhì)豐度

假定利用掃描電鏡在二維圖像中測量的運移有機質(zhì)占總有機質(zhì)比例可代表樣品中運移有機質(zhì)占總有機質(zhì)比例，即可根據(jù)實測樣品的TOC值計算得到運移有機質(zhì)百分含量、干酪根百分含量，由此可分析有機質(zhì)豐度與有機孔發(fā)育間的關(guān)系。由有機質(zhì)豐度(總有機碳含量，運移有機質(zhì)含量)與有機孔面孔率的關(guān)系圖可見，隨總有機碳含量的增加，有機孔面孔率總體具升高的趨勢，但相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)R2約0.59(圖10a)；但運移有機質(zhì)百分含量與有機孔面孔率的相關(guān)性較好，其相關(guān)系數(shù)R2約0.97(圖10b)。由此可見，有機質(zhì)豐度對有機孔發(fā)育的影響實質(zhì)是運移有機質(zhì)豐度的影響，因為干酪根中有機孔總體發(fā)育程度較低，頁巖中運移固體有機質(zhì)豐度越高，有機孔越發(fā)育。

5.3 有機質(zhì)成熟度

由前述分析結(jié)果可知，盡管長7段的頁巖的成熟度較低，但有機孔比較發(fā)育，即使成熟度介于0.5%～0.6%的頁巖的有機質(zhì)中，依然可見有機孔發(fā)育。如YW5井圖5e中的孤立分散狀干酪根中局部發(fā)育有機孔，有機孔面積占有機質(zhì)面積的比例為0.74%。但是，盡管成熟度只有0.5%～0.6%的頁巖也可見有機孔發(fā)育，但發(fā)育程度較低(圖5e)。隨著有機質(zhì)成熟度升高，干酪根和運移固體有機質(zhì)有機孔的發(fā)育程度均增加(圖11)。從圖中可以看出，在有機質(zhì)成熟度低于0.9%時，有機孔發(fā)育程度較差，而有機質(zhì)成熟度大于1%之后，有機孔發(fā)育程度明顯增大。如YW3井圖5(i)中的干酪根有機孔發(fā)育，SR為13.27%；YW1井圖6(f)中的運移固體有機質(zhì)發(fā)育密集的海綿狀有機孔，有機孔總面積占有機質(zhì)面積的比例(SR)約22.81%。此外，隨成熟度增加，有機孔孔徑有增大的趨勢。YW5井和YW4井的樣品干酪根有機孔均集中在10～50 nm，孔徑大于50 nm的有機孔分別僅占總有機孔的8.70%和19.28%，而YW3井、YW2井和YW1井干酪根有機孔孔徑大于50 nm的有機孔分別占總有機孔的67.13%，30.18%和69.74%。對于運移固體有機孔徑，YW5井和YW4井運移有機孔徑大于50 nm的有機孔分別占總有機孔的10.97%和26.07%，而YW3井、YW2井和YW1井運移有機質(zhì)有機孔孔徑大于50 nm的有機孔分別占總有機孔的30.18%，47.43%和81.03%。總體而言，干酪根和運移固體有機質(zhì)中有機孔孔徑均有隨有機質(zhì)成熟度增加而增大的趨勢。

圖10 鄂爾多斯盆地東南部不同TOC含量頁巖樣品中有機孔發(fā)育特征Fig.10 Characteristics of organic pores in shale samples of different TOC,Southeastern Ordos Basina. TOC；b. 運移固體有機質(zhì)豐度

圖11 鄂爾多斯盆地東南部不同成熟度頁巖樣品中有機孔發(fā)育特征Fig.11 Characteristics of organic pores in shale samples of different maturity,Southeastern Ordos Basin

由上分析可知，成熟度0.9%并不是長7頁巖中有機孔發(fā)育的下限，低于0.9%的頁巖中可見大量有機孔發(fā)育，但有機質(zhì)成熟度對運移有機孔的發(fā)育程度具有重要的影響，隨著成熟度增加，有機孔發(fā)育程度升高。

6 討論

前人研究結(jié)果表明，在對頁巖樣品進(jìn)行氬離子拋光過程中，由于氬離子剖光中的離子束熱導(dǎo)致的熱蝕變效應(yīng)會導(dǎo)致有機質(zhì)反射率增加10%～53%[30]，也有學(xué)者認(rèn)為氬離子剖光導(dǎo)致的有機質(zhì)反射率的增加并不是有機質(zhì)成熟度因熱識別而真實升高，而是由于表面平整度的提高而導(dǎo)致反射率增加[32]。為了保證分析成熟度對有機孔發(fā)育的影響的可靠性，本文不用氬離子拋光片來分析有機質(zhì)成熟度，而是利用巖心切割儀將巖心樣品切割成數(shù)份塊樣后，將其中一塊樣品利用傳統(tǒng)的微觀鏡檢測定方法來測試鏡質(zhì)體反射率，以保證樣品的成熟度測試結(jié)果不受氬離子拋光等因素的影響。

盡管氬離子剖光中的離子束熱導(dǎo)致的熱蝕變效應(yīng)或表面平整度升高會導(dǎo)致有機質(zhì)成熟度增加[30]，但即使是因熱蝕變導(dǎo)致的變化也僅發(fā)生在表層，不會導(dǎo)致有機分子的深度再結(jié)晶和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，即離子剖光導(dǎo)致的熱蝕變或表面平整不會導(dǎo)致形成新的有機孔[31]。而且，頁巖樣品是在5 keV，2 mA和2 keV，2 mA的條件下各循環(huán)3次和2次進(jìn)行剖光，也避免了產(chǎn)生額外的新有機孔[33]。因此，利用氬離子拋光觀測的所有樣品中的有機孔是真實可靠的。

前人也注意到了海相、海陸過渡相頁巖有機質(zhì)質(zhì)中有機孔發(fā)育的非均質(zhì)性特征，認(rèn)識到運移固體有機質(zhì)中有機孔相對發(fā)育，干酪根有機孔發(fā)育程度較差[32]，干酪根中鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體中有機孔少見，無定形有機質(zhì)和藻質(zhì)體有機孔相對發(fā)育[48]。本次研究中觀測到相比運移固體有機質(zhì)而言，干酪根中有機孔發(fā)育程度較差，但干酪根中有機孔的發(fā)育程度也存在較大非均質(zhì)性，造成這種有機孔差異性發(fā)育的原因還需要進(jìn)一步深入研究。

7 結(jié)論

1) 鄂爾多斯盆地東南部長7段中不同成熟度的湖相頁巖中均發(fā)育有機孔有機孔的孔徑主要介于10～100 nm，占有機孔總數(shù)的70.92%，孔徑大于100 nm的有機孔占全部有機孔的比例為28.50%，孔徑大于200 nm的有機孔占全部有機孔的比例為5.27%。

2) 長7段頁巖中發(fā)育干酪根和運移固體有機質(zhì)，干酪根和運移固體有機質(zhì)中有機孔的發(fā)育程度存在差異，干酪根中有機孔不發(fā)育或較少，有機孔面積占干酪根面積的比例介于0～44.13%，一般小于10%，平均6.03%；運移固體有機質(zhì)中的有機孔相對發(fā)育，有機孔面積占干酪根面積的比例介于0～46.51%，主要在10%～30%，平均23.05%。

3) 長7段頁巖中有機孔的發(fā)育程度主要受固體有機質(zhì)類型、運移有機質(zhì)豐度和有機質(zhì)成熟度的影響。運移固體有機質(zhì)占總固體有機質(zhì)的比例越高，總量越高，有機孔越發(fā)育；而有機質(zhì)成熟度越高，固體運移有機質(zhì)中有機孔越發(fā)育。