上揚子地區上震旦統—下志留統黑色頁巖微孔隙特征

葉玥豪 劉樹根 孫 瑋 冉 波楊 迪 王世玉 羅 超 萬洪程

（“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

頁巖氣是主體上以吸附態（賦存于黏土礦物、有機質、干酪根顆粒及孔隙表面上）和游離相（賦存于頁巖孔隙和裂縫中）共同賦存于黑色泥頁巖中的天然氣，具有自生自儲的特點［1－5］。基于良好的“生”氣基礎，頁巖“儲”的能力將直接控制著可采資源量的大小。因此，作為上揚子地區頁巖氣研究的重點，許多學者對上震旦統－下志留統頁巖氣的儲層進行了初步研究［6－8］，認識到上揚子地區上震旦統－下志留統頁巖氣主要存儲在微孔隙和微裂縫中。為更好地了解頁巖的儲氣能力，加強對微孔隙（或微裂縫）的類型和結構的研究具有重要價值。

國外學者對微孔隙做了較為全面的研究，1970年之前人們就開始利用電子顯微鏡對巖石孔隙進行觀察，Choquette and Pray（1970）在對碳酸鹽巖研究過程中最早對孔隙進行了分類［9］：256～4mm 為大孔（macropore）、4mm～62.5 μm為中孔（mesopore）、62.5～1μm 為微孔（micropore）、1μm～1nm為納米孔（nanopore）、＜1 nm為微小孔（picopore）。該種孔隙分類對泥巖相對合理。而Rouquerol et al.（1994）對孔隙按大小 進 行 了 重 新 分 類［10］：＞50nm 為 大 孔（macropore）、50～2nm 為中孔（mesopore）、＜2 nm為微孔（micropore）。其分類主要應用于化學產品，而對泥巖孔隙來說都為大孔隙，對巖石孔隙的研究就不太合理。Louchs et al.（2009）在對Barnett頁巖孔隙研究中認為頁巖儲層也常發育微孔（孔隙直徑≥0.75μm）和納米孔（孔隙直徑＜0.75μm）2種尺度孔隙，還將孔隙直徑＜0.75 μm的納米孔劃分為：有機質孔隙、粒間孔隙、粒內孔隙以及混合孔隙，同時認為Barnett頁巖的主要微孔隙類型為有機質孔，其他孔隙類型相對較少［11］。Slatt et al.（2011）再次對 Barnett和Woodford頁巖孔隙進行了研究，發現其主要發育的孔隙為絮狀礦物的粒間孔、埋深和成熟階段形成的有機質孔、生物的粒內孔、礦物顆粒粒內孔和微裂縫［12］。Louchs et al.（2012）對北美頁巖研究發現其主要的孔隙類型有3種：（1）存在于礦物顆粒和晶粒之間的粒間孔；（2）存在于顆粒（礦物、晶粒、生物、草莓狀黃鐵礦）內部的孔隙，并稱之為粒內孔；（3）和有機質相關的一些孔隙［13］。

而在上揚子地區上震旦統－下志留統分布有多套海相黑色頁巖［14－17］，主要為上震旦統的陡山沱組、下寒武統的筇竹寺組（牛蹄塘組）和上奧陶統－下志留統的五峰－龍馬溪組。陡山沱組下段主要受當時發育的地壘、地塹和南沱冰期所控制，發育一套蓋帽白云巖和潮坪黑色頁巖。下寒武統筇竹寺組（牛蹄塘組）在上揚子地區分布廣泛［17］，層位穩定，是一套黑色泥巖、頁巖和灰色粉砂質泥巖沉積。四川盆地寒武系埋藏比較深，在其周緣露頭較好。上奧陶統五峰組和下志留統龍馬溪組在上揚子地區基本上為連續沉積，為一套很好的黑色頁巖層系，總體上黑色頁巖出現在上奧陶統五峰組和下志留統龍馬溪組下部，在厚度上呈現非常有規律的變化，總體上呈現由西向東逐漸增厚［9］。

本文分別挑選了上揚子地區3套黑色頁巖層位：上震旦統陡山沱組、下寒武統筇竹寺組（牛蹄塘組）、上奧陶統－下志留統五峰－龍馬溪組的黑色頁巖樣品，利用場發射的高倍掃描電鏡分析黑色頁巖中的微孔隙（或微裂縫）類型、特征及其形成機理。

1 樣品的采集與分析方法

在對上揚子地區上震旦統—下志留統剖面進行系統野外研究的基礎上，進行系統采樣，挑選處理的樣品包括下志留統龍馬溪組剖面6條（恩施兩河口、神農架武山鄉、城口明中、秀山田壩、綦江觀音橋、習水騎龍村），下寒武統水井沱組剖面2條（神農架武山鄉、城口縣），陡山沱組剖面2條（城口明月、宜昌九龍灣），每條剖面精選2個樣品（每個樣品wTOC＞1.0%），總共對20個樣品（表1，圖1）進行了掃描電鏡的分析。

圖1 采樣剖面位置圖Fig.1 Geological map showing the locations of the sampling profiles

表1 樣品的基本特征Table 1 The basic characteristics of the samples

為準確了解微孔隙的特征，盡量避免傳統光片和電子探針片經過人工處理的影響。本次樣品主要采用新鮮的巖石樣品制樣。考慮到傳統鍍碳對于黑色頁巖樣品導電性較差的因素，本次研究主要挑選頂底面比較平整的新鮮頁巖的樣品（長、寬、高＜0.5cm）進行鍍金（時間為100s），如果能采用不損傷樣品的等離子切割機進行樣品切割將獲得更好的效果［18］。本次實驗所采用的掃描電鏡是成都理工大學地球科學學院的超高分辨率場發射Nova Nano SEM 450型掃描電子顯微鏡，其分辨率范圍為1.0nm＠15kV～1.6nm＠1kV。

2 微孔隙的類型

本次研究主要針對孔隙（直徑 ＜10μm，包含Louchs（2009）定義的納米孔隙［13］）進行研究，識別出上揚子地區上震旦統—下志留統的黑色頁巖中微孔隙類型，包括：格架孔（圖2－A，B）、溶蝕孔（圖2－D）、有機質孔（圖2－E）、生物體腔孔（圖2－C）、成巖作用孔（圖2－H）和微裂縫（圖2－F，G）。

2.1 格架孔

格架孔主要由硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物支撐形成（圖3），主要特點為孔隙相對較大，2μm～200nm不等，連通性好。其主要類型包括4種：（1）碳酸鹽巖顆粒格架支撐形成的格架孔（圖3－A）；（2）硅酸鹽巖片狀礦物相互支撐和疊置形成的格架孔（圖3－B，C）；（3）片狀黏土礦物在成巖期受壓力彎曲形成的格架孔（圖3－D）；（4）顆粒之間包裹鑲嵌形成的格架孔（圖3－H）。

2.2 溶蝕孔

溶蝕孔主要存在于碳酸鹽礦物和長石中，但有一定連通性。加上有機質的親油性，表面可以吸附大量的天然氣，在頁巖中是天然氣富集相對重要的一類孔隙。并且其孔隙度伴隨著頁巖成熟度的增加有機質孔隙度隨之增加［18］。

在個別其他礦物（石英、黏土礦物）當中也可見。主要特點是孔隙大小不一，變化范圍為5μm～50nm不等。溶蝕孔的連通性相對較差，為一些相對孤立的孔隙。其主要類型包括3種：（1）生物碎屑溶蝕形成的孔隙（圖4－A，B）；（2）碳酸鹽顆粒表面溶蝕形成的相對連通的孔隙（圖4－C，F）；（3）硅酸鹽溶蝕形成的相對孤立的孔隙（圖4－G，D）；（4）顆粒邊緣發生溶蝕形成的孔隙（圖4－E，F）；（5）長石表面發生溶蝕形成的蜂窩狀孔隙（圖4－H）。

2.3 有機質微孔

該類孔隙一般相對較小，多為納米級（幾納米到幾百納米）。有機質主要賦存于顆粒堆砌形成的格架孔中（圖5）。這些格架孔本身都具備一定的連通性，因此，這些有機質孔并不是孤立的而是有一定連通性；加上有機質的親油性，表面可以吸附大量的天然氣，在頁巖中是天然氣富集相對重要的一類孔隙；并且其孔隙度伴隨著頁巖成熟度的增加有機質孔隙度隨之增加［18］。

圖2 上揚子地區上震旦統—下志留統黑色頁巖的微孔隙類型Fig.2 Micropore types of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

圖3 上揚子地區上震旦統—下志留統黑色頁巖中的格架孔Fig.3 Frame micropores of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

2.4 生物體腔孔

圖4 上揚子地區上震旦統—下志留統黑色頁巖中的溶蝕孔Fig.4 Dissolution micropores of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

圖5 上揚子地區上震旦統—下志留統黑色頁巖中的有機質孔Fig.5 Organicpores of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

圖6 上揚子地區上震旦統—下志留統黑色頁巖中的生物體腔孔與成巖作用孔Fig.6 Organism cavities and dolomitization micropores in the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

生物體腔孔主要指生物死亡后，體內軟體組織腐爛溶蝕之后形成的孔隙。在本研究區主要是海水硅藻（起源于前寒武紀）體腔孔，其大小一般在2μm左右（圖6－A，C）。硅藻外殼由堅硬的非晶質硅組成，內核有許多規則排列的穿孔以及其他較小的看似篩狀的小孔（圖6－A，B，C）組成，孔的大小都在100nm左右，且連通性非常好。

2.5 白云石化作用孔

白云石化作用就是石灰巖部分地或全部地被白云石交代的作用，在這個過程中1個 Mg2＋交代1個Ca2＋形成 MgCa（CO3）2，其體積相對于CaCO3的體積縮小13%，也就是理論上灰巖完全白云石化其孔隙度增加13%［19］。在上震旦統－下志留統頁巖當中這類孔隙相對較少，孔隙成長條狀圍繞在白云石顆粒周圍，寬度在50～100nm之間（圖6－D）。

2.6 微裂縫

聶海寬等（2011）將頁巖當中的裂縫分為5類［20］，其中微型裂縫的寬度＜0.01mm，長度＜0.01m。本次研究的微裂縫大多是由非構造應力作用形成的，是封閉在泥巖中的黏土礦物脫水收縮作用和礦物之間的縫隙形成的裂縫（圖7－A，D），另外還有在晶間和礦物顆粒內受外力作用形成的裂縫（圖7－B，C）。

圖7 上揚子地區上震旦統—下志留統黑色頁巖中的微裂縫Fig.7 Microcracks of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

表2 北美Mississippian和Devonian頁巖的孔隙特征與上揚子地區上震旦統—志留系頁巖孔隙特征對比Table 2 Comparison between the micropore characteristics of the Mississippian and Devonian shale in the North American and that of the Upper Sinian－Lower Silurian shale in the upper Yangtze area

3 與北美頁巖的對比

Loucks et al.（2012）對過去幾年學者對北美不同層位頁巖孔隙研究進行分析（表2），發現北美古生界的頁巖孔隙類型主要為3類［13］：粒間孔、粒內孔、有機質孔，但裂縫也是其孔隙類型之一。本文對上揚子地區頁巖孔隙的分類更為詳細，主要分為：格架孔、溶蝕孔、有機質孔、生物體腔孔、白云石化孔和微裂縫。雖然其孔隙類型和北美頁巖孔隙類型的分類標準有所不同，但其孔隙特征基本一致，Loucks et al.（2009）的粒內孔［11］包含本文中生物體腔孔、白云石化孔和大部分溶蝕孔（主要指粒內溶蝕），粒間孔［11］包含了格架孔和少部分溶蝕孔（主要是顆粒邊緣的溶蝕，圖4－F）。

4 結論

上揚子地區上震旦統－下志留統的黑色頁巖雖然經歷了差異很大的沉積背景和埋藏史［21］，但對10條剖面20個樣品研究發現，其發育的孔隙類型仍具有很強的規律性。在黑色頁巖中孔隙類型主要有5種：格架孔、溶蝕孔、生物體腔孔、有機質孔、成巖作用孔和裂縫。每種孔隙的成因都有一定的規律性，格架孔主要是由碳酸鹽巖和硅酸鹽巖的顆粒和片狀物堆砌和疊置形成；溶蝕孔主要隨方解石、白云石和長石溶蝕而成；有機質孔是與有機質的充填和成熟度相關，隨有機質成熟度增加孔隙度增加；生物體腔孔是與生物的種類和數量相關，這里主要是硅藻內核的排列規則的穿孔；白云石化孔極其少見，主要是與成巖作用過程的調整白云石作用關系密切。裂縫主要有3種：（1）黏土礦物的脫水作用形成的微裂縫；（2）大片狀的礦物與顆粒之間的微裂縫；（3）晶粒之間和顆粒內受到外力作用形成的微裂縫。

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