渝東南地區海相頁巖有機質孔隙發育特征及演化

王朋飛，金 璨，臧小鵬，田黔寧，劉 國，崔文娟

（1.中國地質調查局地學文獻中心，北京 100083；2.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；3.中國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，有機質孔隙已經被越來越多的專家［1-2］證明是一種能夠有效賦存烴類氣體的孔隙。頁巖的總有機碳（TOC）含量、有機質干酪根類型及熱演化程度（Ro）等因素均對有機質孔隙的發育具有一定影響［3］。豐富的TOC 含量可為有機質孔隙的發育提供物質基礎［4］；頁巖中有機質干酪根的類型按照演化進程可劃分為固體干酪根和焦瀝青，二者物理和化學性質的不同均會導致有機質孔隙發育得不同［5］；過高或過低的Ro均不利于有機質孔隙的大量發育［6-7］。渝東南地區下志留統龍馬溪組和下寒武統牛蹄塘組頁巖是重點勘探開發的2套目標層位，這2 套頁巖的開發情況存在較大差別，龍馬溪組頁巖已經實現商業開采，而牛蹄塘組頁巖見微氣或不產氣。

渝東南地區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境，發育有機質黑色頁巖，平均TOC 質量分數均大于2.0%，有機質干酪根類型均屬于Ⅰ型，礦物組分以硅質等脆性礦物為主。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象，在分析2 套頁巖儲層地質條件的基礎上，明確高—過成熟度海相頁巖有機質孔隙結構的發育特征，以期探究2 套頁巖的開發效果存在較大差別的原因。

1 頁巖儲層特征

1.1 TOC 含量

利用碳硫分析測試儀對頁巖樣品進行TOC 含量測定，結果渝東南地區龍馬溪組和牛蹄塘組2 套頁巖的平均TOC 質量分數均超過2.0%，分布頻率峰值均出現在2.0%～3.0%，均為富有機質海相頁巖，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

渝東南地區龍馬溪組頁巖的等效Ro普遍低于3.0%，樣品頻率峰值出現在2.7%左右，而牛蹄塘組頁巖的等效Ro普遍高于3.5%，樣品頻率峰值出現在3.7%左右。牛蹄塘組頁巖Ro已經達到變質期，而龍馬溪組頁巖的Ro尚未達到變質期（圖2）。

圖2 渝東南地區龍馬溪組、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。固體干酪根周圍經常伴生焦瀝青，這是因為固體干酪根在生烴演化過程中產生的液態烴類充注到原始粒間孔隙中而形成的產物［8-9，13］。

圖3 渝東南地區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質孔隙，JY1 井，2 408 m；（d）牛蹄塘組頁巖焦瀝青內未見有機質孔隙，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

焦瀝青的形態多由粒間孔隙和粒內孔隙的形態決定，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］。在持續生氣態烴的演化過程中，大量的有機質孔隙在焦瀝青內部形成［圖3（c）］，但當Ro達到變質期，頁巖的有機質物理性質更趨向于石墨時，焦瀝青內部的孔隙同樣會消失殆盡［圖3（d）］。

3 有機質孔隙發育特征

對渝東南地區龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖有機質孔隙結構進行FIB-SEM 觀察與對比，同時采用二次電子高亮技術突出孔隙形貌，會在孔隙周圍產生圈層狀高亮［7］，以達到精確識別有機質孔隙的目的。

3.1 固體干酪根孔隙

圖4 渝東南地區龍馬溪組頁巖固體干酪根及有機質孔隙發育特征（a）條帶狀固體干酪根，JY1 井，2 408 m；（b）固體干酪根內部發育少量有機質孔隙，JY1 井，2 408 m；（c）固體干酪根內部未見有機質孔隙，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現直徑較小，連通性較差的有機質孔隙，JY1 井，2 408 m；（f）對（e）使用二次電子技術，表面的有機質孔隙發生圈層狀高亮，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礦物內［圖4（a）—（c）］。龍馬溪組頁巖的固體干酪根內部幾乎不發育直徑較大的有機質孔隙［圖4（b）］，但將觀察精度提高并使用FIB-SEM的二次電子技術使孔隙周圍產生高亮，在固體干酪根表面發現直徑較小的有機質孔隙，這些孔隙雖然數量多但連通性較差［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內［圖5（a）—（c）］，固體干酪根內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育有機質孔隙，在二次電子技術后，固體干酪根內部并未產生圈層狀高亮［圖5（d）—（f）］。

圖5 渝東南地區牛蹄塘組頁巖固體干酪根發育特征（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部未發現有機質孔隙，CY2 井，787 m；（c）呈條帶狀分布的固體干酪根，CY2 井，787 m；（d）對（a）中的固體干酪根使用二次電子技術，未在固體干酪根內部發現有機質孔隙，但識別出了礦物基質中的粒內孔隙，CY2 井，787 m；（e）將（d）中的固體干酪根和礦物基質中的焦瀝青進行局部放大，均未在其中發現有機質孔隙，CY2 井，787 m；（f）對（c）中的固體干酪根使用二次電子技術，未在其中發現圈層狀高亮，證明其內部不存在有機質孔隙，與其形成對比的是礦物基質中的粒內孔隙出現了圈層狀高亮，CY2 井，787 mFig.5 Development characteristics of solid kerogen of Niutitang shale in southeastern Chongqing

3.2 焦瀝青孔隙

大量有機質孔隙在龍馬溪組頁巖焦瀝青內部發育，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育在直徑較大的有機質孔隙中，這種大孔嵌套小孔的發育模式提高了有機質孔隙系統的整體連通性，并增加了吸附比表面積（圖6）。牛蹄塘組頁巖焦瀝青內部普遍不發育有機質孔隙，使用二次電子技術進一步驗證，焦瀝青內也未發現圈層狀高亮，證明其內部不存在有機質孔隙（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，質量分數均在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已經達到變質期，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是控制頁巖有機質孔隙演化的關鍵地質因素。

針對牛蹄塘組的樣品，補充了中國地質調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YC2井牛蹄塘組頁巖巖心鏡下有機質孔隙發育特征進行對比。秭地1 井牛蹄塘組頁巖巖心的鏡質體反射率測試表明，Ro平均值為2.7%左右，和渝東南地區龍馬溪組頁巖的Ro相似，而掃描電子顯微鏡照片表明，秭地1 井牛蹄塘組頁巖發育大量有機質孔隙，而渝東南地區CY2 井牛蹄塘組頁巖鏡下未觀察到有機質孔隙［圖8（b）］，從而證明Ro的不同導致了渝東南地區牛蹄塘組和龍馬溪組頁巖有機質孔隙發育的差別。因此，合適的Ro對海相頁巖中有機質孔隙的大量發育至關重要。過高的Ro會導致頁巖有機質過度演化，使其達到變質期。

圖6 渝東南地區龍馬溪組頁巖焦瀝青內部有機質孔隙發育特征（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，其內部發育大量呈橢圓狀的有機質孔隙，JY1 井，2 408 m；（c）直徑較小的孔隙嵌套發育在直徑較大的有機質孔隙內，JY1 井，2 408 m；（d）焦瀝青內的有機質孔隙，JY1 井，2 408 m；（e）對（d）中的焦瀝青使用二次電子技術，有機質孔隙產生圈層狀高亮，JY1 井，2 408 m；（f）焦瀝青內及其有機質孔隙在二次電子技術下的鏡下分布特征，JY1 井，2 408 m；（g）對焦瀝青及其有機質孔隙進行放大倍數觀察，JY1 井，2 408 m；（h）對（g）中的焦瀝青使用二次電子技術，有機質孔隙產生圈層狀高亮，其內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 渝東南地區牛蹄塘組頁巖樣品焦瀝青發育特征（a）焦瀝青鏡下特征，CY2 井，787 m；（b）對（a）使用二次電子技術，焦瀝青內部未見有機質孔隙，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行局部放大并同時使用二次電子技術，內部未出現圈層狀高亮，證明其內部不存在有機質孔隙，CY2 井，787 m；（e）晶簇狀黃鐵礦與焦瀝青，CY2 井，787 m；（f）對（e）中焦瀝青使用二次電子技術，其內部并無圈層狀高亮，不發育有機質孔隙，CY2 井，787 m；（g）對充填在粒間孔隙中的焦瀝青進行放大倍數觀察，內部未見有機質孔隙，CY2 井，787 m；（h）在高分辨率觀察尺度下，對（g）中的焦瀝青使用二次電子技術，未發現圈層狀高亮，其內部不發育有機質孔隙，CY2 井，787 mFig.7 Development characteristics of pyrobitumen of Niutitang shale in southeastern Chongqing

3.3 有機質孔隙發育的主控因素

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

從目前發現的勘探開發區塊來看，渝東南地區牛蹄塘組頁巖的Ro普遍達到變質期，而龍馬溪組頁巖相對來說Ro較低。在干酪根類型相同的條件下，Ro的差異，勢必會影響2 套頁巖有機質孔隙發育特征的不同（表1）。

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

表1 渝東南地區龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖Ro 與產氣量關系Table 1 Relationship between thermal maturity and gas production of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

4 演化特征

頁巖有機質孔隙的生成和保存是一個隨生烴演化進程逐漸變化的過程［16-17］。在生物化學生氣階段（Ro<0.5%），由于頁巖的Ro偏低，主要沉積少量甲烷氣［圖9 中Ⅰ］，同時形成固體干酪根［13，17］。在生物化學生氣階段后期，固體干酪根生成少量液態烴類，此時在固體干酪根內會形成極少量的有機質孔隙［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到最大程度（此時Ro約1.2%～1.5%），固體干酪根繼續生成有機質孔隙，此時充注在礦物基質中的液態烴類在高演化程度下形成焦瀝青。隨著熱演化的持續進行，當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質孔隙發育特征Ⅰ.生物化學生氣階段；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.變質期階段Fig.9 Evolution of hydrocarbon generation and organic matter pores in high-over maturity marine shale

5 結論

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

（2）頁巖的有機質孔隙決定了儲層中烴類氣體的有效賦存與滲流。渝東南地區龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖的孔隙結構存在較大差別，龍馬溪組頁巖內部發育大量分布均勻、孔徑大且連通性較好的有機質孔隙；牛蹄塘組頁巖內部不發育有機質孔隙。

（3）熱演化程度控制著頁巖有機質孔隙的發育。在熱演化程度適宜的前提下，頁巖的有機質孔隙主要發育在焦瀝青內部，固體干酪根內部有機質孔隙發育數量相對較少。當熱演化程度達到變質期（Ro>3.5%），其固體干酪根和焦瀝青內部均不發育有機質孔隙。

（4）渝東南地區下寒武統牛蹄塘組高—過成熟度海相頁巖氣的高效勘探開發應重點尋找熱成熟度低于3.5%的地區。