渝東南地區(qū)海相頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征及演化

王朋飛，金 璨，臧小鵬，田黔寧，劉 國(guó)，崔文娟

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國(guó)石化上海海洋油氣分公司，上海 200120）

0 引言

隨著研究的不斷深入，有機(jī)質(zhì)孔隙已經(jīng)被越來越多的專家［1-2］證明是一種能夠有效賦存烴類氣體的孔隙。頁巖的總有機(jī)碳（TOC）含量、有機(jī)質(zhì)干酪根類型及熱演化程度（Ro）等因素均對(duì)有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育具有一定影響［3］。豐富的TOC 含量可為有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)［4］；頁巖中有機(jī)質(zhì)干酪根的類型按照演化進(jìn)程可劃分為固體干酪根和焦瀝青，二者物理和化學(xué)性質(zhì)的不同均會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育得不同［5］；過高或過低的Ro均不利于有機(jī)質(zhì)孔隙的大量發(fā)育［6-7］。渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖是重點(diǎn)勘探開發(fā)的2套目標(biāo)層位，這2 套頁巖的開發(fā)情況存在較大差別，龍馬溪組頁巖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采，而牛蹄塘組頁巖見微氣或不產(chǎn)氣。

渝東南地區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖均屬于深水—半深水陸棚亞相沉積環(huán)境，發(fā)育有機(jī)質(zhì)黑色頁巖，平均TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于2.0%，有機(jī)質(zhì)干酪根類型均屬于Ⅰ型，礦物組分以硅質(zhì)等脆性礦物為主。2 套頁巖的Ro存在較大差別，牛蹄塘組頁巖的Ro平均值比龍馬溪組頁巖大1.0%。由此，以2 套頁巖的巖心樣品為研究對(duì)象，在分析2 套頁巖儲(chǔ)層地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，明確高—過成熟度海相頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育特征，以期探究2 套頁巖的開發(fā)效果存在較大差別的原因。

1 頁巖儲(chǔ)層特征

1.1 TOC 含量

利用碳硫分析測(cè)試儀對(duì)頁巖樣品進(jìn)行TOC 含量測(cè)定，結(jié)果渝東南地區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組2 套頁巖的平均TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過2.0%，分布頻率峰值均出現(xiàn)在2.0%～3.0%，均為富有機(jī)質(zhì)海相頁巖，但牛蹄塘組頁巖的平均TOC 含量稍高于龍馬溪組頁巖（圖1）。

圖1 渝東南地區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖TOC 含量分布頻率Fig.1 TOC content distribution of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

1.2 熱成熟度

渝東南地區(qū)龍馬溪組頁巖的等效Ro普遍低于3.0%，樣品頻率峰值出現(xiàn)在2.7%左右，而牛蹄塘組頁巖的等效Ro普遍高于3.5%，樣品頻率峰值出現(xiàn)在3.7%左右。牛蹄塘組頁巖Ro已經(jīng)達(dá)到變質(zhì)期，而龍馬溪組頁巖的Ro尚未達(dá)到變質(zhì)期（圖2）。

圖2 渝東南地區(qū)龍馬溪組、牛蹄塘組頁巖等效Ro 分布頻率Fig.2 Distribution frequency of thermal maturities（Equal-Ro）of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

2 干酪根和焦瀝青鏡下特征

2.1 固體干酪根

固體干酪根在鏡下的分布面積相對(duì)較大，且多呈帶狀和塊狀分布［圖3（a）］，在分辨率較低的情況下亦可識(shí)別［8-12］。固體干酪根多與陸源石英礦物相伴生，并與之存在明顯界限［圖3（b）］，多呈定向排列，這與沉積成巖過程中層理的定向分布有關(guān)。固體干酪根周圍經(jīng)常伴生焦瀝青，這是因?yàn)楣腆w干酪根在生烴演化過程中產(chǎn)生的液態(tài)烴類充注到原始粒間孔隙中而形成的產(chǎn)物［8-9，13］。

圖3 渝東南地區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖固體干酪根及焦瀝青電子顯微鏡下特征（a）龍馬溪組頁巖固體干酪根和焦瀝青，JY1 井，2 408 m；（b）牛蹄塘組頁巖固體干酪根和焦瀝青，CY2 井，787 m；（c）龍馬溪組頁巖焦瀝青及有機(jī)質(zhì)孔隙，JY1 井，2 408 m；（d）牛蹄塘組頁巖焦瀝青內(nèi)未見有機(jī)質(zhì)孔隙，CY2 井，787 mFig.3 Solid kerogen and pyrobitumen characteristics by SEM of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

2.2 焦瀝青

焦瀝青的形態(tài)多由粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙的形態(tài)決定，而且焦瀝青與自生石英或簇狀黃鐵礦相伴生，多分布在固體干酪根周圍［14］。在持續(xù)生氣態(tài)烴的演化過程中，大量的有機(jī)質(zhì)孔隙在焦瀝青內(nèi)部形成［圖3（c）］，但當(dāng)Ro達(dá)到變質(zhì)期，頁巖的有機(jī)質(zhì)物理性質(zhì)更趨向于石墨時(shí)，焦瀝青內(nèi)部的孔隙同樣會(huì)消失殆盡［圖3（d）］。

3 有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征

對(duì)渝東南地區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行FIB-SEM 觀察與對(duì)比，同時(shí)采用二次電子高亮技術(shù)突出孔隙形貌，會(huì)在孔隙周圍產(chǎn)生圈層狀高亮［7］，以達(dá)到精確識(shí)別有機(jī)質(zhì)孔隙的目的。

3.1 固體干酪根孔隙

圖4 渝東南地區(qū)龍馬溪組頁巖固體干酪根及有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征（a）條帶狀固體干酪根，JY1 井，2 408 m；（b）固體干酪根內(nèi)部發(fā)育少量有機(jī)質(zhì)孔隙，JY1 井，2 408 m；（c）固體干酪根內(nèi)部未見有機(jī)質(zhì)孔隙，JY1 井，2 408 m；（d）呈條帶狀分布的固體干酪根周圍可見焦瀝青，JY1 井，2 408 m；（e）將觀察精度提高后，在固體干酪根表面發(fā)現(xiàn)直徑較小，連通性較差的有機(jī)質(zhì)孔隙，JY1 井，2 408 m；（f）對(duì)（e）使用二次電子技術(shù)，表面的有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)生圈層狀高亮，JY1 井，2 408 mFig.4 Development characteristics of solid kerogen and organic matter pores of Longmaxi shale in southeastern Chongqing

固體干酪根多以條帶狀及橢圓狀分布于龍馬溪組頁巖的基質(zhì)礦物內(nèi)［圖4（a）—（c）］。龍馬溪組頁巖的固體干酪根內(nèi)部幾乎不發(fā)育直徑較大的有機(jī)質(zhì)孔隙［圖4（b）］，但將觀察精度提高并使用FIB-SEM的二次電子技術(shù)使孔隙周圍產(chǎn)生高亮，在固體干酪根表面發(fā)現(xiàn)直徑較小的有機(jī)質(zhì)孔隙，這些孔隙雖然數(shù)量多但連通性較差［圖4（d）—（f）］。牛蹄塘組頁巖的固體干酪根主要以條帶狀分布于礦物基質(zhì)內(nèi)［圖5（a）—（c）］，固體干酪根內(nèi)分布有分散狀的黃鐵礦顆粒。相較于龍馬溪組頁巖，牛蹄塘組頁巖固體干酪根并不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，在二次電子技術(shù)后，固體干酪根內(nèi)部并未產(chǎn)生圈層狀高亮［圖5（d）—（f）］。

圖5 渝東南地區(qū)牛蹄塘組頁巖固體干酪根發(fā)育特征（a）呈條帶狀分布的固體干酪根及焦瀝青鏡下特征，CY2 井，787 m；（b）將（a）放大后的局部干酪根內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)孔隙，CY2 井，787 m；（c）呈條帶狀分布的固體干酪根，CY2 井，787 m；（d）對(duì)（a）中的固體干酪根使用二次電子技術(shù)，未在固體干酪根內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)孔隙，但識(shí)別出了礦物基質(zhì)中的粒內(nèi)孔隙，CY2 井，787 m；（e）將（d）中的固體干酪根和礦物基質(zhì)中的焦瀝青進(jìn)行局部放大，均未在其中發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)孔隙，CY2 井，787 m；（f）對(duì)（c）中的固體干酪根使用二次電子技術(shù)，未在其中發(fā)現(xiàn)圈層狀高亮，證明其內(nèi)部不存在有機(jī)質(zhì)孔隙，與其形成對(duì)比的是礦物基質(zhì)中的粒內(nèi)孔隙出現(xiàn)了圈層狀高亮，CY2 井，787 mFig.5 Development characteristics of solid kerogen of Niutitang shale in southeastern Chongqing

3.2 焦瀝青孔隙

大量有機(jī)質(zhì)孔隙在龍馬溪組頁巖焦瀝青內(nèi)部發(fā)育，多呈橢圓狀、分布均勻且直徑較大（20～500 nm），直徑較小的孔隙嵌套發(fā)育在直徑較大的有機(jī)質(zhì)孔隙中，這種大孔嵌套小孔的發(fā)育模式提高了有機(jī)質(zhì)孔隙系統(tǒng)的整體連通性，并增加了吸附比表面積（圖6）。牛蹄塘組頁巖焦瀝青內(nèi)部普遍不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，使用二次電子技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證，焦瀝青內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)圈層狀高亮，證明其內(nèi)部不存在有機(jī)質(zhì)孔隙（圖7）。

牛蹄塘組和龍馬溪組2 套頁巖樣品的平均TOC 含量差別較小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在3.0%左右［13-15］，但2 套頁巖的等效Ro卻差別較大。牛蹄塘組頁巖樣品的Ro已經(jīng)達(dá)到變質(zhì)期，平均值大于3.5%，龍馬溪組頁巖樣品的Ro大都分布在2.7%～3.0%，處在焦瀝青形成之后持續(xù)熱裂解生干氣階段，二者的Ro相差接近1.0%，因此Ro是控制頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙演化的關(guān)鍵地質(zhì)因素。

針對(duì)牛蹄塘組的樣品，補(bǔ)充了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在鄂西鉆探的秭地1 井牛蹄塘組頁巖巖心的掃描電子顯微鏡照片［圖8（a）］［16］，并和渝東南地區(qū)YC2井牛蹄塘組頁巖巖心鏡下有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征進(jìn)行對(duì)比。秭地1 井牛蹄塘組頁巖巖心的鏡質(zhì)體反射率測(cè)試表明，Ro平均值為2.7%左右，和渝東南地區(qū)龍馬溪組頁巖的Ro相似，而掃描電子顯微鏡照片表明，秭地1 井牛蹄塘組頁巖發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)孔隙，而渝東南地區(qū)CY2 井牛蹄塘組頁巖鏡下未觀察到有機(jī)質(zhì)孔隙［圖8（b）］，從而證明Ro的不同導(dǎo)致了渝東南地區(qū)牛蹄塘組和龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的差別。因此，合適的Ro對(duì)海相頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙的大量發(fā)育至關(guān)重要。過高的Ro會(huì)導(dǎo)致頁巖有機(jī)質(zhì)過度演化，使其達(dá)到變質(zhì)期。

圖6 渝東南地區(qū)龍馬溪組頁巖焦瀝青內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征（a）焦瀝青充填在方解石形成的粒間孔隙中，周圍伴生有游離態(tài)黃鐵礦大顆粒，JY1 井，2 408 m；（b）將（a）中的焦瀝青局部放大，其內(nèi)部發(fā)育大量呈橢圓狀的有機(jī)質(zhì)孔隙，JY1 井，2 408 m；（c）直徑較小的孔隙嵌套發(fā)育在直徑較大的有機(jī)質(zhì)孔隙內(nèi)，JY1 井，2 408 m；（d）焦瀝青內(nèi)的有機(jī)質(zhì)孔隙，JY1 井，2 408 m；（e）對(duì)（d）中的焦瀝青使用二次電子技術(shù)，有機(jī)質(zhì)孔隙產(chǎn)生圈層狀高亮，JY1 井，2 408 m；（f）焦瀝青內(nèi)及其有機(jī)質(zhì)孔隙在二次電子技術(shù)下的鏡下分布特征，JY1 井，2 408 m；（g）對(duì)焦瀝青及其有機(jī)質(zhì)孔隙進(jìn)行放大倍數(shù)觀察，JY1 井，2 408 m；（h）對(duì)（g）中的焦瀝青使用二次電子技術(shù)，有機(jī)質(zhì)孔隙產(chǎn)生圈層狀高亮，其內(nèi)可見直徑較小的孔隙嵌套在直徑較大的孔隙中，JY1 井，2 408 mFig.6 Development characteristics of organic matter pores in pyrobitumen of Longmaxi shale in southeastern Chongqing

圖7 渝東南地區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品焦瀝青發(fā)育特征（a）焦瀝青鏡下特征，CY2 井，787 m；（b）對(duì)（a）使用二次電子技術(shù)，焦瀝青內(nèi)部未見有機(jī)質(zhì)孔隙，CY2 井，787 m；（c）充填在晶簇狀黃鐵礦晶間的焦瀝青，CY2 井，787 m；（d）將（c）中的晶簇狀黃鐵礦晶間的焦瀝青進(jìn)行局部放大并同時(shí)使用二次電子技術(shù)，內(nèi)部未出現(xiàn)圈層狀高亮，證明其內(nèi)部不存在有機(jī)質(zhì)孔隙，CY2 井，787 m；（e）晶簇狀黃鐵礦與焦瀝青，CY2 井，787 m；（f）對(duì)（e）中焦瀝青使用二次電子技術(shù)，其內(nèi)部并無圈層狀高亮，不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，CY2 井，787 m；（g）對(duì)充填在粒間孔隙中的焦瀝青進(jìn)行放大倍數(shù)觀察，內(nèi)部未見有機(jī)質(zhì)孔隙，CY2 井，787 m；（h）在高分辨率觀察尺度下，對(duì)（g）中的焦瀝青使用二次電子技術(shù)，未發(fā)現(xiàn)圈層狀高亮，其內(nèi)部不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，CY2 井，787 mFig.7 Development characteristics of pyrobitumen of Niutitang shale in southeastern Chongqing

3.3 有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的主控因素

有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育總體受控于TOC 含量、有機(jī)質(zhì)干酪根類型及Ro等。豐富的TOC 含量可為有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育提供足夠的物質(zhì)基礎(chǔ)［1-2］，生烴演化則是有機(jī)質(zhì)孔隙大量發(fā)育的動(dòng)力條件，而通過生烴演化進(jìn)程可將有機(jī)質(zhì)干酪根類型劃分為固體干酪根和焦瀝青，二者有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育具有較大差別。

從目前發(fā)現(xiàn)的勘探開發(fā)區(qū)塊來看，渝東南地區(qū)牛蹄塘組頁巖的Ro普遍達(dá)到變質(zhì)期，而龍馬溪組頁巖相對(duì)來說Ro較低。在干酪根類型相同的條件下，Ro的差異，勢(shì)必會(huì)影響2 套頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征的不同（表1）。

圖8 秭地1 井和CY2 井牛蹄塘組頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育鏡下特征（a）有機(jī)質(zhì)孔隙鏡下特征，Ro 為2.7%，秭地1 井，牛蹄塘組，751 m；（b）鏡下不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，Ro 為3.6%，CY2 井，787 m，F(xiàn)ig.8 Development characteristics of organic matter pores of Niutitang shale with different thermal maturities

表1 渝東南地區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖Ro 與產(chǎn)氣量關(guān)系Table 1 Relationship between thermal maturity and gas production of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

4 演化特征

頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙的生成和保存是一個(gè)隨生烴演化進(jìn)程逐漸變化的過程［16-17］。在生物化學(xué)生氣階段（Ro<0.5%），由于頁巖的Ro偏低，主要沉積少量甲烷氣［圖9 中Ⅰ］，同時(shí)形成固體干酪根［13，17］。在生物化學(xué)生氣階段后期，固體干酪根生成少量液態(tài)烴類，此時(shí)在固體干酪根內(nèi)會(huì)形成極少量的有機(jī)質(zhì)孔隙［15，18］。

在熱催化生油氣階段（0.5%

在熱裂解生濕氣階段（Ro約1.2%～2.0%），固體干酪根裂解生氣達(dá)到最大程度（此時(shí)Ro約1.2%～1.5%），固體干酪根繼續(xù)生成有機(jī)質(zhì)孔隙，此時(shí)充注在礦物基質(zhì)中的液態(tài)烴類在高演化程度下形成焦瀝青。隨著熱演化的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)0.5%

在深部高溫生氣階段（2.0%

圖9 高—過成熟度海相頁巖生烴演化及有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征Ⅰ.生物化學(xué)生氣階段；Ⅱ.熱催化生油氣階段；Ⅲ.深部高溫生氣階段后期；Ⅳ.深部高溫生氣階段后期；Ⅴ.變質(zhì)期階段Fig.9 Evolution of hydrocarbon generation and organic matter pores in high-over maturity marine shale

5 結(jié)論

（1）渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖具有相似的TOC 含量、礦物組成及有機(jī)質(zhì)干酪根類型，但龍馬溪組頁巖的Ro低于牛蹄塘組頁巖。

（2）頁巖的有機(jī)質(zhì)孔隙決定了儲(chǔ)層中烴類氣體的有效賦存與滲流。渝東南地區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)存在較大差別，龍馬溪組頁巖內(nèi)部發(fā)育大量分布均勻、孔徑大且連通性較好的有機(jī)質(zhì)孔隙；牛蹄塘組頁巖內(nèi)部不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙。

（3）熱演化程度控制著頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育。在熱演化程度適宜的前提下，頁巖的有機(jī)質(zhì)孔隙主要發(fā)育在焦瀝青內(nèi)部，固體干酪根內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育數(shù)量相對(duì)較少。當(dāng)熱演化程度達(dá)到變質(zhì)期（Ro>3.5%），其固體干酪根和焦瀝青內(nèi)部均不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙。

（4）渝東南地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組高—過成熟度海相頁巖氣的高效勘探開發(fā)應(yīng)重點(diǎn)尋找熱成熟度低于3.5%的地區(qū)。