四川盆地川西坳陷三疊系須家河組頁巖有機孔演化及成因

徐 亮，楊 威，姜振學(xué)，陳冬霞，王耀華，魯健康，趙明珠，李 蘭

［1. 中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2. 中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249； 3. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院，四川 成都 610051； 4. 中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249］

中國陸相盆地分布范圍廣，中生界和新生界發(fā)育多個陸相泥頁巖層系，在四川盆地侏羅系和鄂爾多斯盆地三疊系的多口鉆井中均獲得了頁巖氣流，展現(xiàn)出陸相頁巖氣良好的勘探開發(fā)前景［1-2］。四川盆地川西坳陷須家河組發(fā)育大規(guī)模優(yōu)質(zhì)頁巖，陳果［3］等研究表明須家河組頁巖氣資源潛力較大，地質(zhì)資源量約為46.451 88×1012m3，其中須家河組三段（須三段）和須五段占85 %以上。中國石化西南油氣分公司在川西坳陷孝泉-豐谷構(gòu)造帶部署的以須五段為主要目的層位的新頁HF-1 和新頁HF-2 水平勘探井，分別在須五中亞段獲得低產(chǎn)氣流和須五下亞段獲得工業(yè)氣流，展現(xiàn)出川西地區(qū)須家河組頁巖氣良好的勘探潛力［4］。四川盆地須家河組已經(jīng)成為中國陸相頁巖氣勘探開發(fā)的主力層系之一。與海相頁巖相比，多變的沉積微相控制下的陸相頁巖其儲層孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對頁巖氣儲集能力影響較大［5-6］。另外，相對于海相頁巖，陸相頁巖微觀儲集空間特征缺乏深入研究，而針對陸相頁巖掃描電鏡下有機質(zhì)顯微組分的研究更是少之又少。

頁巖儲層中有機質(zhì)孔隙的發(fā)育具有很強的非均質(zhì)性［7-10］。例如，相鄰的兩片有機質(zhì)中，一片蜂窩狀孔隙極為發(fā)育，而另一片不發(fā)育孔隙［7，11］；一些有機質(zhì)內(nèi)部零星發(fā)育大而規(guī)則的近圓形孔隙，而另一些發(fā)育均勻分布且連通性極好的細(xì)密孔隙，甚至出現(xiàn)大孔套小孔的現(xiàn)象［12-13］；在有機質(zhì)與無機礦物接觸的邊緣，孔隙往往十分發(fā)育，而在遠(yuǎn)離無機礦物的有機質(zhì)內(nèi)部，孔隙則少發(fā)育［13-14］。以前的研究也注意到有機質(zhì)顯微組分差異對其成孔能力的影響，前人大多利用偏光顯微鏡或自然斷面的掃描電鏡觀察來識別不同顯微組分［15-16］，缺少系統(tǒng)研究和直觀證據(jù)。而且頁巖樣品經(jīng)常需要拋光后觀察孔隙以及“偏光顯微鏡和場發(fā)射掃描電鏡需要同一視域”也是客觀需求，因而需要建立一套簡單易行的有機顯微組分綜合識別方法。

川西坳陷須家河組屬于陸相坳陷湖盆沉積，沉積物來源復(fù)雜多樣，導(dǎo)致形成的頁巖內(nèi)部有機質(zhì)組分十分豐富。在須家河組頁巖中，不同有機質(zhì)組分的孔隙發(fā)育特征尚不明確。筆者以川西坳陷須家河組頁巖為研究對象，采用場發(fā)射掃描電鏡和EDS 能譜相結(jié)合的手段，建立了一套有機質(zhì)顯微組分綜合識別體系，系統(tǒng)分析了陸相頁巖不同類型有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征，然后通過仿真地層熱模擬實驗得到了不同有機質(zhì)顯微組分的孔隙演化規(guī)律，探討了有機質(zhì)差異成孔能力的主控因素，最終建立了不同類型有機質(zhì)動態(tài)綜合成孔模式，以期深入認(rèn)識和評價頁巖儲層，指導(dǎo)陸相頁巖氣資源評價和勘探開發(fā)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

川西坳陷位于四川盆地西部，是發(fā)育在海相基底上的深坳陷前陸盆地［17］，面積約為4 × 104km2。川西坳陷經(jīng)歷了印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運動，呈北東向展布，東至龍泉山一帶，南抵雅安-樂山構(gòu)造帶，西臨龍門山?jīng)_斷帶，北達(dá)米倉山-大巴山?jīng)_斷帶［18］（圖1a）。研究區(qū)位于川西坳陷的中部，面積約1.1 ×104km2，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，受到了周緣構(gòu)造帶的強烈影響，形成復(fù)雜的現(xiàn)今構(gòu)造格局［17，19］。根據(jù)斷裂走向和褶皺分布規(guī)律，可劃分為5 個次級構(gòu)造單元，分別為成都凹陷、梓潼凹陷、孝泉-新場-豐谷構(gòu)造帶、知新場-龍寶梁構(gòu)造帶和龍門山逆沖推覆帶（圖1b）。

圖1 四川盆地川西坳陷構(gòu)造簡圖（a）及熱模擬樣品采樣位置（b）Fig.1 Diagrams showing the structures（a）and sampling locations（b）（for thermal simulation）in the Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

2 樣品和實驗分析方法

2.1 實驗樣品

7 件自然樣品分別采自于新頁HF-1 井、新頁HF-2 井和樂地1 井須家河組深灰色-黑色頁巖，采樣深度為1 825.45～2 743.12 m，樣品的總有機碳含量（TOC）為1.06 %～2.47 %，鏡質(zhì)體反射率（Ro）為1.76 %～2.05 %，表明有機質(zhì)處于高成熟階段，干酪根類型均為Ⅲ型。7 件自然樣品的粘土礦物含量為45.26 %～72.78%，平均為57.36%，均為粘土質(zhì)頁巖，粘土礦物中伊利石含量為18.00 %～39.00 %，平均為25.86 %（表1）。

表1 四川盆地川西坳陷須五段頁巖巖心樣品基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of shale cores from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

熱模擬實驗樣品采自于四川省都江堰市向峨鄉(xiāng)蓮花剖面野外露頭（圖1 中紅色三角形所示位置），為須五段低成熟（Ro= 0.68 %）頁巖，其基本數(shù)據(jù)見表2。

表2 四川盆地川西坳陷蓮花剖面須五段頁巖熱模擬樣品基本數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of shale samples for thermal simulation from the fifth member of Xujiahe Formation，Lianhua out?crop，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

2.2 實驗分析方法

2.2.1 仿真地層熱模擬實驗

自從Connan［20］和Waples［21］提出有機質(zhì)演化的溫度-時間補償效應(yīng)以來，熱模擬實驗已被廣泛用于模擬有機質(zhì)的成熟和演化。在這項研究中，熱模擬實驗是使用海安石油公司生產(chǎn)的高溫高壓熱模擬設(shè)備進(jìn)行的。在一塊野外露頭上鉆取7 次，制成柱樣（2.5 cm×10.0 cm）7 個，1 份用于測量TOC、Ro以及干酪根類型，并作為低演化樣品對照組，其余6 份進(jìn)行熱模擬實驗。將用于熱模擬實驗的樣品置于密閉系統(tǒng)中，然后從室溫加熱至300，350，400，450，500和550 ℃，加熱速率均為20 ℃/h。達(dá)到選定溫度后均保持恒定溫度48 h，以確保在熱模擬實驗過程中樣品熱解過程得以完全進(jìn)行。實驗過程中使用了水熱解法，即在封閉的設(shè)備中添加了適量的蒸餾水（占樣品質(zhì)量的50 %）以補充損失的水。

2.2.2 場發(fā)射掃描電鏡+EDS能譜

場發(fā)射掃描電鏡被廣泛應(yīng)用于頁巖孔隙形貌研究。實驗樣品要求塊狀，確定層理方向后垂直層理面進(jìn)行氬離子拋光，隨后鍍金，增強其導(dǎo)電性。然后通過FEI Quanta200F 型場發(fā)射掃描電鏡掃描樣品表面，工作電壓為10～15 kV，工作距離為8～10 mm，能譜儀為EDAX 三元一體化系統(tǒng)，對樣品表面放大成像，并通過EDS能譜分析其礦物的元素組成。

3 不同有機質(zhì)顯微組分孔隙發(fā)育特征

顯微鏡檢測結(jié)果顯示，川西坳陷須家河組陸相頁巖的有機質(zhì)顯微組分主要由鏡質(zhì)體、惰質(zhì)體和固體瀝青組成。鏡質(zhì)體的含量最高，占總有機質(zhì)含量的78.63 %～88.83 %，平均含量為83.17 %；惰質(zhì)體次之，占總有機質(zhì)含量的9.89%～19.56%，平均含量為14.77 %；固體瀝青含量最低，占總有機質(zhì)含量的1.28%～2.91%，平均含量為2.06%（圖2）。

圖2 四川盆地川西坳陷須五段頁巖有機質(zhì)顯微組分含量Fig.2 Maceral contents in organic-rich shale from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

3.1 鏡質(zhì)體孔隙發(fā)育特征

鏡質(zhì)體是植物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)過腐殖化作用和凝膠化作用形成的顯微組分的集合［22-23］。根據(jù)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保留程度的差異，可將鏡質(zhì)體分為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和鏡屑體。保存較好的結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體常常保留有原始高等植物的網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)，明顯可見細(xì)胞壁和細(xì)胞腔（圖3a，b），一般無孔隙發(fā)育，細(xì)胞腔常呈圓形-橢圓形，并呈規(guī)律排列，受壓力作用，細(xì)胞腔常發(fā)生變形，呈各種不規(guī)則狀，如8 字形、平行四邊形、紡錘形和水滴形，細(xì)胞腔常被粘土礦物或脆性礦物所充填（圖3a，b）。無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體經(jīng)過強烈的凝膠化作用已看不到原始的植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其表面光潔，常見橫斷微裂縫（圖3c，d），偶見零星分布的規(guī)則圓形-橢圓形氣孔。鏡屑體為鏡質(zhì)體碎屑顆粒，由上述結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體經(jīng)過機械破碎或者受構(gòu)造運動而斷裂破壞形成的，因此保留了細(xì)胞壁的弧狀結(jié)構(gòu)或拱形邊界，具有尖銳的棱角，呈星狀、弧狀以及角狀，孔隙不發(fā)育（圖3e，f）。

3.2 惰質(zhì)體孔隙發(fā)育特征

惰質(zhì)體是植物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)過絲炭化作用形成的顯微組分的集合［22-23］，形貌上與鏡質(zhì)體不易區(qū)分，但形成環(huán)境不同。鏡質(zhì)體形成于還原環(huán)境［24］，EDS 能譜測試中氧的質(zhì)量百分比較低，一般小于10 %；惰質(zhì)體形成于氧化環(huán)境［24］，氧的質(zhì)量百分比一般大于10 %，且碳的質(zhì)量百分比高于鏡質(zhì)體，一般為80 %～90%。借助EDS 能譜能有效區(qū)分鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體（圖3，圖4）。另外，惰質(zhì)體的高突起也是區(qū)別惰質(zhì)體與其他顯微組分的有效標(biāo)志。須家河組陸相頁巖樣品中可識別出絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、惰屑體和菌類體。

圖3 四川盆地川西坳陷須五段頁巖鏡質(zhì)體孔隙發(fā)育特征Fig.3 Characteristics of pores in vitrinites from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

絲質(zhì)體在掃描電鏡下可見完好的原始植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，呈網(wǎng)絡(luò)狀或篩網(wǎng)狀，細(xì)胞腔也常被粘土礦物或其他礦物充填（圖4b），受壓實影響，絲質(zhì)體也常會發(fā)生變形甚至破裂，形成弧狀或拱形結(jié)構(gòu)，在變形處往往形成不規(guī)則孔隙（圖4b），整體孔隙不發(fā)育。半絲質(zhì)體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)由于細(xì)胞壁呈膨脹接觸而模糊不易區(qū)分，細(xì)胞腔由于膨脹擠壓而變小，可見少量氣孔、殘余孔隙和微裂縫（圖4a，b）。與鏡屑體類似，惰屑體是在鏡下無法辨認(rèn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的惰質(zhì)體碎屑顆粒，具有尖銳的棱角，呈弧狀或角狀（圖4c，d）。菌類體通常呈規(guī)則的渾圓狀，突起異常高（圖4d，f，h），邊緣致密不發(fā)育孔隙，中部零星可見月牙狀收縮孔（圖4d）。菌類體常沿微裂縫呈定向分布，有時也呈團(tuán)簇狀分布（圖4e—g）。

圖4 四川盆地川西坳陷須五段頁巖惰質(zhì)體孔隙發(fā)育特征Fig.4 Characteristics of pores in intertinites from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

3.3 固體瀝青孔隙發(fā)育特征

固體瀝青屬于原始干酪根在生烴過程中轉(zhuǎn)化形成的次生有機質(zhì)，常出現(xiàn)在生油窗和氣窗成熟期［25］，既包括固態(tài)的烴類也包括焦瀝青。根據(jù)其在有機質(zhì)演化階段出現(xiàn)的先后順序，可分為前油瀝青、后油瀝青以及焦瀝青［26-27］。前油瀝青被認(rèn)為是在未熟-低熟階段，由干酪根向烴類轉(zhuǎn)化過程中的早期產(chǎn)物，搬運距離短，存在于干酪根附近［28］，孔隙一般不發(fā)育或少發(fā)育。后油瀝青則被認(rèn)為是原油經(jīng)過一定距離的運移以及降解作用而存在的固體瀝青［28］。后油瀝青形成的成熟度較高，但還未達(dá)到原油裂解生氣的階段［25］，因此孔隙也不是很發(fā)育。前油瀝青和后油瀝青在掃描電鏡下較難區(qū)分，可以統(tǒng)稱為油瀝青［29］。焦瀝青屬于不可溶有機質(zhì)，是油瀝青進(jìn)一步裂解生氣后殘留下來的固體瀝青，發(fā)育大量蜂窩狀孔隙，分布均勻且連通性較好。

與鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體不同，固體瀝青最顯著的特征是無固定的顆粒形狀，其分布形式主要由周圍礦物之間的空間形狀決定［25］，呈充填狀，條帶狀，形似膠結(jié)物，孔隙最為發(fā)育，孔徑20～50 nm 不等（圖5a—d）。有機粘土復(fù)合體也是固體瀝青的一種廣泛存在形式，研究表明，在泥頁巖中有超過70%的有機質(zhì)與粘土礦物相結(jié)合，以有機粘土復(fù)合體的形式保存下來［30-31］。有機粘土復(fù)合體中的有機質(zhì)幾乎全部為固體瀝青，但與大片孤立分布的固體瀝青不同，有機粘土復(fù)合體中的固體瀝青具有細(xì)粒結(jié)構(gòu)，呈斑點狀、不連續(xù)的小片狀分布（圖5e—h）。有機粘土復(fù)合體中固體瀝青的孔隙十分發(fā)育，呈不規(guī)則蜂窩狀，孔徑可達(dá)50 nm，其中的粘土礦物多為絲狀伊利石，以及帶狀或小塊狀綠泥石，與絲狀伊利石相接觸的固體瀝青孔隙尤為發(fā)育。

圖5 四川盆地川西坳陷樂地1井須五段頁巖固體瀝青孔隙發(fā)育特征Fig.5 Images showing the characteristics of pores in solid bitumen from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

3.4 顯微組分綜合識別標(biāo)志

由上述可知，鏡質(zhì)體與惰質(zhì)體可以通過掃描電鏡鏡下形態(tài)與固體瀝青區(qū)別開來，而鏡質(zhì)體與惰質(zhì)體兩者可以通過惰質(zhì)體具有高突起，以及兩者EDS 能譜中碳、氧元素質(zhì)量百分比差異來區(qū)分。在此基礎(chǔ)上，筆者統(tǒng)計了不同類型有機質(zhì)的化學(xué)成分。固體瀝青的碳元素質(zhì)量百分比介于35%～75%，其中無孔隙或少孔隙的油瀝青，碳元素含量偏低，其質(zhì)量百分比介于50%～60 %；孔隙發(fā)育的焦瀝青碳元素含量偏高，說明前者隨著成熟度的升高還有排烴生孔的潛力，后者為生孔后的殘余固體瀝青；而有機粘土復(fù)合體中的固體瀝青碳元素含量更低，其質(zhì)量百分比介于35 %～50 %，很可能與粘土礦物的催化作用有關(guān)（圖6）。鏡質(zhì)體的碳元素質(zhì)量百分比分布在75%～85%，惰質(zhì)體的碳元素質(zhì)量百分比最高，一般為80%～90%（圖3，圖4）。一般地，碳元素質(zhì)量百分比的測值越高，說明生烴潛力越差［32-33］，這與本研究觀察到的不同顯微組分孔隙發(fā)育程度的差異基本吻合。即孔隙發(fā)育程度為有機粘土復(fù)合體中的固體瀝青＞片狀固體瀝青＞鏡質(zhì)體＞惰質(zhì)體。所以通過EDS 能譜中碳、氧元素質(zhì)量百分比差異也能大致區(qū)分固體瀝青、鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體。不同有機質(zhì)顯微組分綜合識別標(biāo)志見表3。

表3 四川盆地川西坳陷須五段頁巖不同有機質(zhì)顯微組分綜合識別標(biāo)志Table 3 Comprehensive identification indexes for different macerals in organic?rich shale from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

通過圖6 來進(jìn)一步說明不同有機質(zhì)顯微組分綜合識別標(biāo)志的應(yīng)用情況。圖6a 中兩片有機質(zhì)都呈無定形充填狀，可以判斷為固體瀝青。左邊孔隙十分發(fā)育，右邊無孔隙，EDS 能譜顯示左邊固體瀝青碳元素質(zhì)量百分比為68.19 %，高于右邊固體瀝青的56.89 %，故左邊為焦瀝青，右邊為油瀝青。圖6b 中間為條帶狀有機質(zhì)，孔隙不發(fā)育，突起較高，可大致判斷為惰質(zhì)體，EDS 能譜顯示中間無孔有機質(zhì)碳元素質(zhì)量百分比為86.02 %，確定為惰質(zhì)體，其細(xì)胞壁變形嚴(yán)重不易區(qū)分，進(jìn)一步綜合判斷為半絲質(zhì)體。圖6c 中間也為不發(fā)育孔隙的條帶狀有機質(zhì)，圖6d為c的局部放大，可見無孔有機質(zhì)邊緣發(fā)育細(xì)密小孔隙，兩個能譜點的碳元素質(zhì)量百分比為75.12 %和76.38 %，突起較低，細(xì)胞壁和細(xì)胞腔不易區(qū)分，可以綜合判斷為無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體。圖6d 中放大的有機粘土復(fù)合體可見絲狀的伊利石和帶狀、小塊狀的綠泥石。圖6c 中固體瀝青的碳元素質(zhì)量百分比為61.54%，圖6d 有機粘土復(fù)合體中的固體瀝青碳元素質(zhì)量百分比為46.92%，碳元素含量最低，也印證了前面的觀點，即有機粘土復(fù)合體中的固體瀝青生烴能力最強，孔隙發(fā)育最多，碳元素質(zhì)量百分比最低。圖6e 可以通過低突起和孔隙發(fā)育判斷中間有機質(zhì)為固體瀝青，通過高突起和橢圓狀判斷右上方和左下方有機質(zhì)為菌類體。EDS 能譜顯示圖6e 中菌類體的碳元素質(zhì)量百分比為87.61 %，固體瀝青的碳元素質(zhì)量百分比為65.23%，也和綜合識別標(biāo)志基本一致。

圖6 四川盆地川西坳陷須五段頁巖不同顯微組分綜合識別圖Fig.6 Comprehensive identification charts for different macerals in organic-rich shale from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

4 不同顯微組分孔隙演化特征

前述不同有機質(zhì)顯微組分的孔隙發(fā)育特征是基于自然樣品的，其Ro集中在1.7 %～2.0 %，處于高成熟階段，只能反映該階段的孔隙發(fā)育特征，有很大局限性。因此，筆者采用低熟頁巖樣品，通過仿真地層熱模擬實驗，重塑了不同類型有機質(zhì)孔隙動態(tài)演化全過程。本研究采用Sweeney 和Burnham［34］中的“EasyRo”方法來計算熱模擬實驗中的熱成熟度，300，350，400，450，500 和550 ℃對應(yīng)的EasyRo值分別為0.92%，1.23%，1.56%，1.89%，2.12%和2.51%。

4.1 固體瀝青孔隙演化特征

將熱模擬樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，隨機選取視域下的固體瀝青，觀察其孔隙發(fā)育特征。

通過軟件Image Pro Plus（IPP）對掃面電鏡下有機質(zhì)和有機質(zhì)孔隙分別進(jìn)行提?。▓D7d1—h1和d2—h2），并計算頁巖中有機質(zhì)包括面孔率、等效圓直徑、周長面積比及主流孔隙直徑在內(nèi)的4 種孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)［35-36］。

圖7 四川盆地川西坳陷須五段頁巖熱模擬樣品固體瀝青孔隙演化SEM圖版Fig.7 SEM images showing the pore evolution in solid bitumen in shale samples from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin during thermal simulation

面孔率（Phi）是指孔隙面積與基質(zhì)面積之比，反映有機質(zhì)孔隙總體發(fā)育情況。結(jié)果顯示，Ro=0.68%時，固體瀝青不發(fā)育孔隙，此時的固體瀝青主要為油瀝青，面孔率為0（圖7a）；Ro=0.92 %時，固體瀝青發(fā)育零星收縮孔，可能是氣態(tài)烴逸出時形成的，仍為油瀝青，面孔率為0.90%（圖7b，c）；Ro=1.23%時，油瀝青的邊緣開始焦化，氣態(tài)烴排出蜂窩狀孔隙，內(nèi)部部分發(fā)育小孔，面孔率為6.54%（圖7d，d1，d2）；Ro=1.56%時，焦瀝青發(fā)育大量蜂窩狀孔隙，面孔率為25.78%（圖7e，e1，e2）；Ro=1.89 %時，焦瀝青為主，有機粘土復(fù)合體大量發(fā)育，面孔率為28.74%（圖7f，f1，f2）；Ro=2.12%時，蜂窩狀孔隙十分發(fā)育，可見孔隙融合現(xiàn)象［12-13］，面孔率為40.46%，達(dá)到最大值（圖7g，g1，g2）；Ro=2.51%時，面孔率為24.96%，有減小趨勢（圖7h，h1，h2）。

等效圓直徑（ECD）是指對一個不規(guī)則的有機質(zhì)孔統(tǒng)計其平均直徑。結(jié)果表明，隨演化程度增加，等效圓直徑先增大后減小，最大值出現(xiàn)在Ro=2.12%時，與面孔率的變化規(guī)律一致（圖8a—e）。

單個孔隙直徑提供的面積累計求和，當(dāng)某一孔徑對應(yīng)的累計面積為總面積的50%時，該孔徑即為主流孔隙直徑（DOMsize）。在Ro=1.23%時，主流孔隙直徑為45 nm，表明孔隙多發(fā)育為小孔；在Ro=1.89%時，值為62 nm，明顯較Ro=1.23%變大，表明孔隙明顯增大；在Ro=2.12%時，值為182 nm，達(dá)到最大值；Ro=2.51%時，值為57 nm，較Ro=2.12%變小，同樣體現(xiàn)出了先增大后減小的趨勢，與面孔率和等效圓直徑的變化規(guī)律一致（圖8k）。

周長面積比（POA）是指單個孔隙周長和面積的比值，是二維空間內(nèi)的比表面積。周長面積比越大，反映有機質(zhì)孔隙越復(fù)雜。在Ro=1.23 %時，周長面積比分布范圍集中為0.18～0.20 nm-1；在Ro=1.56%時，集中在0.12～0.14 nm-1，較Ro=1.23%減小，主要因為油瀝青向焦瀝青轉(zhuǎn)化，內(nèi)部也出現(xiàn)均勻的蜂窩狀孔隙；在Ro=1.89 %時，集中在0.14～0.16 nm-1，開始增大；在Ro=2.12 %時，集中在0.25～0.30 nm-1，達(dá)到最大，主要由于焦瀝青孔隙十分發(fā)育，出現(xiàn)孔隙融合現(xiàn)象，孔隙復(fù)雜程度增加；在Ro=2.51%時，集中在0.14～0.16 nm-1，再次減小，主要由于生烴萎縮，大孔坍塌［37-38］，小孔保留下來，導(dǎo)致復(fù)雜程度變低（圖8f—j）。

圖8 四川盆地川西坳陷須五段頁巖熱模擬樣品固體瀝青的特征參數(shù)演化圖版Fig.8 Evolution charts showing characteristic parameters for solid bitumen in shale samples from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin during thermal simulation

4.2 鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體孔隙演化特征

將熱模擬樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，隨機選取觀察到的鏡質(zhì)體與惰質(zhì)體，觀察其孔隙發(fā)育特征。整體上看，隨著演化程度增加，鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體孔隙并不發(fā)育，可見少量零星的孔隙（圖9a，e，f—i）。Ro＜0.5 %時，鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體還保留有高等植物的原始細(xì)胞結(jié)構(gòu)，且細(xì)胞結(jié)構(gòu)尚未被充填和破壞；0.5 %＜Ro＜1.2 %時，鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體胞腔被無機礦物和烴類充填或半充填（圖9a，b，g），鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體孔隙降到最低。在垂向壓實或側(cè)向擠壓的作用下，絲質(zhì)體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體易發(fā)生變形，一些未被充填的細(xì)胞腔由于擠壓變形導(dǎo)致細(xì)胞腔的空間壓縮，形成新月形、三角形孔隙（圖9a，b，f—g）。1.2 %＜Ro＜2.4 %時，無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體微裂縫增加，且開度變大（圖9c，d）；菌類體中部出現(xiàn)圓形-橢圓形孤立孔隙，并有逐漸增大的趨勢，且菌類體與周圍礦物之間的微裂縫增大（圖9h，i）。Ro＞2.4%時，無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體微裂縫廣泛發(fā)育，甚至出現(xiàn)破碎現(xiàn)象（圖9e）；菌類體周圍的礦物開始脫落，微裂縫進(jìn)一步增大（圖9j）。

盡管鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體在整個演化過程中孔隙發(fā)育較差，但其微裂縫的發(fā)育卻貫穿整個過程。隨演化程度增加，鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體內(nèi)部微裂縫大量發(fā)育，寬度也進(jìn)步一增大（圖9a1—e1），有機質(zhì)與周圍礦物之間的微裂縫也不斷增大（圖9f1—j1），有機質(zhì)和粘土礦物中發(fā)育的微裂縫連通瀝青孔隙和其他無機孔隙，形成孔隙-微裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，大大提高頁巖儲層的儲集和滲流能力，進(jìn)而提高頁巖氣產(chǎn)量，是須家河組頁巖成為優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵因素之一。

圖9 四川盆地川西坳陷須五段頁巖熱模擬樣品鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體孔隙演化SEM圖版Fig.9 SEM images showing the pore evolution in vitrinites and intertinites from shale samples from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin during thermal simulation

5 有機質(zhì)差異成孔能力及機理

5.1 顯微組分生烴潛力差異

在川西坳陷須家河組頁巖中，3 種顯微組分成孔能力存在明顯差異，固體瀝青的生孔能力最強，其次為鏡質(zhì)體，惰質(zhì)體最差。結(jié)合有機質(zhì)的生烴產(chǎn)孔理論［39-40］，孔隙發(fā)育程度的差異本質(zhì)上與不同組分有機質(zhì)的生烴潛力密切相關(guān)。前人研究表明，以腐泥組和殼質(zhì)組為主要母質(zhì)的生烴潛力最大；鏡質(zhì)組主要為生氣組分［23，41］；而惰質(zhì)體既不能生氣也不能生油，但又不同于一般的“死碳”［23，42］；固體瀝青作為次生有機質(zhì)有進(jìn)一步裂解生氣產(chǎn)孔的潛力［43-48］，因此生烴潛力要強于鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體。

有機質(zhì)的氫、碳元素含量是判斷生烴潛力的直接指標(biāo)。在場發(fā)射掃描電鏡下利用能譜儀無法直接測出氫元素含量，因此筆者僅利用能譜測量的碳元素質(zhì)量百分比的高低來間接反映有機質(zhì)生烴潛力的差異［32-33］，碳元素質(zhì)量百分比含量越高，說明生烴潛力越差。從固體瀝青、鏡質(zhì)體到惰質(zhì)體，其碳元素的質(zhì)量百分比依次升高，生烴潛力依次變差，其成孔能力也依次變差。

隨機選取熱模擬樣品在鏡下觀察到的有機質(zhì)，識別顯微組分類型，統(tǒng)計其平均面孔率。結(jié)果表明（圖10），不同顯微組分成孔能力差異大。鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體生烴潛力差，雖然經(jīng)歷了完整的熱演化過程，但其孔隙依然不發(fā)育，面孔率變化不大，均小于5%。固體瀝青生烴潛力好，在熱演化過程中表現(xiàn)出極好的成孔能力，面孔率先快速增大，最高達(dá)35.42%，然后出現(xiàn)減小的趨勢。這也印證了前人的結(jié)論［42］。

圖10 四川盆地川西坳陷須五段頁巖熱模擬樣品不同有機質(zhì)顯微組分平均面孔率統(tǒng)計Fig.10 Average cross-sectional porosity statistics of different maceral groups in shale samples from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin during thermal simulation

5.2 粘土礦物催化作用

有機粘土復(fù)合體中的固體瀝青孔隙發(fā)育特征已被廣泛描述［7，12］。在川西坳陷須家河組陸相頁巖中，有機粘土復(fù)合體廣泛發(fā)育，其中多數(shù)固體瀝青都發(fā)育蜂窩狀孔隙，尤其是分布在伊利石周圍的固體瀝青，其孔隙發(fā)育程度明顯高于與其他粘土礦物共存的固體瀝青（圖5e—h）。前人研究表明，與其他無機礦物相比，粘土礦物更易催化有機質(zhì)生烴產(chǎn)孔［14，49-54］。粘土礦物催化作用可歸結(jié)為兩個過程：①干酪根向碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化時會產(chǎn)生有機酸，有機酸促進(jìn)高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化［55］；②高嶺石或蒙皂石向纖維狀伊利石轉(zhuǎn)化的過程中，通過對水分子的吸附和解離為固體瀝青加氫裂解提供H+［55］，這兩個過程是相輔相成的。隨著高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化，伊利石含量不斷增加，使微區(qū)的比催化活度增加［55］，促進(jìn)固體瀝青進(jìn)一步生烴產(chǎn)孔。此外，其他與有機質(zhì)相接觸的無機礦物（如黃鐵礦），對烴類排出及孔隙形成也有一定的催化作用。

7 個自然樣品的有機質(zhì)平均面孔率與其粘土礦物含量、伊利石含量均呈良好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.77和0.83，表明粘土礦物確實對有機質(zhì)孔隙發(fā)育有一定的催化作用（圖11a），而有機質(zhì)平均面孔率與伊利石含量具有更強的正相關(guān)關(guān)系（圖11b），進(jìn)一步說明了在粘土礦物中起催化作用的主要是伊利石，這與前人的研究基本一致［49-55］。

圖11 四川盆地川西坳陷須五段頁巖巖心樣品有機質(zhì)平均面孔率關(guān)系圖版Fig.11 Average cross-sectional porosity vs. clay mineral content or illite content in organic-rich shale samples from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

6 不同類型有機質(zhì)動態(tài)綜合成孔模式

總結(jié)上述不同類型有機質(zhì)孔隙演化特征，結(jié)合成巖作用發(fā)展規(guī)律，建立了頁巖儲層有機質(zhì)孔隙演化模式（圖12）?？傮w而言，固體瀝青孔隙隨著成熟度增加，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢；鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體的孔隙演化規(guī)律相似，都隨著成熟度的增加迅速減小。

當(dāng)Ro＜0.5 %時，頁巖處于未成熟階段，該階段頁巖儲層孔隙最為發(fā)育，沉積物還未完全固結(jié)，顆粒之間的孔隙較大，鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體還保留有高等植物的原始細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)尚未被充填和破壞，固體瀝青在這個階段還未產(chǎn)生，對頁巖儲層的影響不大（圖12a）。

當(dāng)0.5 %＜Ro＜1.2 %時，頁巖處于未成熟-低成熟階段，此時的固體瀝青主要為油瀝青，普遍孔隙不發(fā)育，是干酪根生成的液態(tài)石油凝固所致，可以看見少量收縮孔。鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體胞腔也被無機礦物和烴類充填或半充填，孔隙降到最低，在垂向壓實或側(cè)向擠壓的作用下，絲質(zhì)體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體易發(fā)生變形，可形成新月形、三角形孔隙（圖12b）。

圖12 四川盆地川西坳陷須五段頁巖不同類型有機質(zhì)動態(tài)綜合成孔模式Fig.12 Dynamic composite pore generation patterns in different types of organic matter in shale from the fifth member of Xujiahe Formation，Western Sichuan Depression，Sichuan Basin

當(dāng)1.2 %＜Ro＜1.6 %時，頁巖處于成熟階段，此時油瀝青和焦瀝青共存，油瀝青的邊緣開始焦化，氣態(tài)烴開始排出，蜂窩狀孔隙發(fā)育，油瀝青內(nèi)部部分發(fā)育小孔。隨著成熟度繼續(xù)增加，油瀝青內(nèi)部也發(fā)育密密麻麻的蜂窩狀孔隙，氣態(tài)烴大量排出，油瀝青已經(jīng)向焦瀝青轉(zhuǎn)變（圖12c-d）。

當(dāng)1.6 %＜Ro＜2.4 %時，頁巖處于高成熟-過成熟階段，石油裂解大量生氣，此時主要以焦瀝青為主，有機粘土復(fù)合體大量發(fā)育，蜂窩狀孔隙十分發(fā)育，可見孔隙融合，大孔套小孔現(xiàn)象［12-13］。無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體微裂縫增加，且開度變大（圖12d-e）。

當(dāng)Ro＞2.4%時，由于成熟度過高，出現(xiàn)有機質(zhì)石墨化現(xiàn)象，生烴逐漸枯竭，生成的氣體逸散導(dǎo)致微納米孔隙得不到氣源支撐而產(chǎn)生坍塌［37-38］，原始干酪根和焦瀝青發(fā)育更多的微孔，無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體微裂縫廣泛發(fā)育，甚至出現(xiàn)破碎現(xiàn)象（圖12f），孔隙度出現(xiàn)減小的趨勢。

7 結(jié)論

1）川西坳陷須家河組陸相頁巖的有機質(zhì)顯微組分以鏡質(zhì)體為主，其次為惰質(zhì)體和固體瀝青。通過掃描電鏡和EDS 能譜可以有效識別出這3 種顯微組分。鏡質(zhì)體以結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，其次為無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和鏡屑體；惰質(zhì)體可識別出絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、惰屑體以及菌類體；固體瀝青最顯著的特征是無固定的顆粒形狀，其分布形式主要由周圍礦物之間的空間形狀決定，呈充填狀。

2）孔隙在固體瀝青中最發(fā)育，少量孔隙分布在結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體以及菌類體中。不同類型有機質(zhì)孔隙發(fā)育程度為有機粘土復(fù)合體中的固體瀝青＞片狀固體瀝青＞鏡質(zhì)體＞惰質(zhì)體。

3）有機質(zhì)差異成孔能力的主控因素可歸結(jié)為兩種：生烴潛力差異和粘土礦物催化作用。受生烴潛力的差異控制，從固體瀝青、鏡質(zhì)體到惰質(zhì)體，三者的碳元素質(zhì)量百分比依次增大，生烴潛力依次變差，成孔能力也依次變差；受粘土礦物催化作用的控制，隨著伊利石含量不斷增加，粘土礦物的比催化活度增加，可促進(jìn)伊利石附近的固體瀝青發(fā)育孔隙。

4）熱模擬實驗表明，固體瀝青孔隙隨成熟度增加，面孔率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢；鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體的孔隙演化規(guī)律相似，面孔率都隨著成熟度的增加迅速減小。

5）鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體在演化過程中孔隙發(fā)育較差，但微裂縫卻廣泛發(fā)育，有機質(zhì)和粘土礦物中的微裂縫連通瀝青孔隙和其他無機孔隙，形成孔-縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高頁巖儲層的儲集和滲流能力，是須家河組頁巖成為優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵因素之一。