上扬子地区上震旦统—下志留统黑色页岩微孔隙特征

叶玥豪 刘树根 孙 玮 冉 波杨 迪 王世玉 罗 超 万洪程

（“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

页岩气是主体上以吸附态（赋存于黏土矿物、有机质、干酪根颗粒及孔隙表面上）和游离相（赋存于页岩孔隙和裂缝中）共同赋存于黑色泥页岩中的天然气，具有自生自储的特点［1－5］。基于良好的“生”气基础，页岩“储”的能力将直接控制着可采资源量的大小。因此，作为上扬子地区页岩气研究的重点，许多学者对上震旦统－下志留统页岩气的储层进行了初步研究［6－8］，认识到上扬子地区上震旦统－下志留统页岩气主要存储在微孔隙和微裂缝中。为更好地了解页岩的储气能力，加强对微孔隙（或微裂缝）的类型和结构的研究具有重要价值。

国外学者对微孔隙做了较为全面的研究，1970年之前人们就开始利用电子显微镜对岩石孔隙进行观察，Choquette and Pray（1970）在对碳酸盐岩研究过程中最早对孔隙进行了分类［9］：256～4mm 为大孔（macropore）、4mm～62.5 μm为中孔（mesopore）、62.5～1μm 为微孔（micropore）、1μm～1nm为纳米孔（nanopore）、＜1 nm为微小孔（picopore）。该种孔隙分类对泥岩相对合理。而Rouquerol et al.（1994）对孔隙按大小 进 行 了 重 新 分 类［10］：＞50nm 为 大 孔（macropore）、50～2nm 为中孔（mesopore）、＜2 nm为微孔（micropore）。其分类主要应用于化学产品，而对泥岩孔隙来说都为大孔隙，对岩石孔隙的研究就不太合理。Louchs et al.（2009）在对Barnett页岩孔隙研究中认为页岩储层也常发育微孔（孔隙直径≥0.75μm）和纳米孔（孔隙直径＜0.75μm）2种尺度孔隙，还将孔隙直径＜0.75 μm的纳米孔划分为：有机质孔隙、粒间孔隙、粒内孔隙以及混合孔隙，同时认为Barnett页岩的主要微孔隙类型为有机质孔，其他孔隙类型相对较少［11］。Slatt et al.（2011）再次对 Barnett和Woodford页岩孔隙进行了研究，发现其主要发育的孔隙为絮状矿物的粒间孔、埋深和成熟阶段形成的有机质孔、生物的粒内孔、矿物颗粒粒内孔和微裂缝［12］。Louchs et al.（2012）对北美页岩研究发现其主要的孔隙类型有3种：（1）存在于矿物颗粒和晶粒之间的粒间孔；（2）存在于颗粒（矿物、晶粒、生物、草莓状黄铁矿）内部的孔隙，并称之为粒内孔；（3）和有机质相关的一些孔隙［13］。

而在上扬子地区上震旦统－下志留统分布有多套海相黑色页岩［14－17］，主要为上震旦统的陡山沱组、下寒武统的筇竹寺组（牛蹄塘组）和上奥陶统－下志留统的五峰－龙马溪组。陡山沱组下段主要受当时发育的地垒、地堑和南沱冰期所控制，发育一套盖帽白云岩和潮坪黑色页岩。下寒武统筇竹寺组（牛蹄塘组）在上扬子地区分布广泛［17］，层位稳定，是一套黑色泥岩、页岩和灰色粉砂质泥岩沉积。四川盆地寒武系埋藏比较深，在其周缘露头较好。上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组在上扬子地区基本上为连续沉积，为一套很好的黑色页岩层系，总体上黑色页岩出现在上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组下部，在厚度上呈现非常有规律的变化，总体上呈现由西向东逐渐增厚［9］。

本文分别挑选了上扬子地区3套黑色页岩层位：上震旦统陡山沱组、下寒武统筇竹寺组（牛蹄塘组）、上奥陶统－下志留统五峰－龙马溪组的黑色页岩样品，利用场发射的高倍扫描电镜分析黑色页岩中的微孔隙（或微裂缝）类型、特征及其形成机理。

1 样品的采集与分析方法

在对上扬子地区上震旦统—下志留统剖面进行系统野外研究的基础上，进行系统采样，挑选处理的样品包括下志留统龙马溪组剖面6条（恩施两河口、神农架武山乡、城口明中、秀山田坝、綦江观音桥、习水骑龙村），下寒武统水井沱组剖面2条（神农架武山乡、城口县），陡山沱组剖面2条（城口明月、宜昌九龙湾），每条剖面精选2个样品（每个样品wTOC＞1.0%），总共对20个样品（表1，图1）进行了扫描电镜的分析。

图1 采样剖面位置图Fig.1 Geological map showing the locations of the sampling profiles

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

为准确了解微孔隙的特征，尽量避免传统光片和电子探针片经过人工处理的影响。本次样品主要采用新鲜的岩石样品制样。考虑到传统镀碳对于黑色页岩样品导电性较差的因素，本次研究主要挑选顶底面比较平整的新鲜页岩的样品（长、宽、高＜0.5cm）进行镀金（时间为100s），如果能采用不损伤样品的等离子切割机进行样品切割将获得更好的效果［18］。本次实验所采用的扫描电镜是成都理工大学地球科学学院的超高分辨率场发射Nova Nano SEM 450型扫描电子显微镜，其分辨率范围为1.0nm＠15kV～1.6nm＠1kV。

2 微孔隙的类型

本次研究主要针对孔隙（直径 ＜10μm，包含Louchs（2009）定义的纳米孔隙［13］）进行研究，识别出上扬子地区上震旦统—下志留统的黑色页岩中微孔隙类型，包括：格架孔（图2－A，B）、溶蚀孔（图2－D）、有机质孔（图2－E）、生物体腔孔（图2－C）、成岩作用孔（图2－H）和微裂缝（图2－F，G）。

2.1 格架孔

格架孔主要由硅酸盐矿物和碳酸盐矿物支撑形成（图3），主要特点为孔隙相对较大，2μm～200nm不等，连通性好。其主要类型包括4种：（1）碳酸盐岩颗粒格架支撑形成的格架孔（图3－A）；（2）硅酸盐岩片状矿物相互支撑和叠置形成的格架孔（图3－B，C）；（3）片状黏土矿物在成岩期受压力弯曲形成的格架孔（图3－D）；（4）颗粒之间包裹镶嵌形成的格架孔（图3－H）。

2.2 溶蚀孔

溶蚀孔主要存在于碳酸盐矿物和长石中，但有一定连通性。加上有机质的亲油性，表面可以吸附大量的天然气，在页岩中是天然气富集相对重要的一类孔隙。并且其孔隙度伴随着页岩成熟度的增加有机质孔隙度随之增加［18］。

在个别其他矿物（石英、黏土矿物）当中也可见。主要特点是孔隙大小不一，变化范围为5μm～50nm不等。溶蚀孔的连通性相对较差，为一些相对孤立的孔隙。其主要类型包括3种：（1）生物碎屑溶蚀形成的孔隙（图4－A，B）；（2）碳酸盐颗粒表面溶蚀形成的相对连通的孔隙（图4－C，F）；（3）硅酸盐溶蚀形成的相对孤立的孔隙（图4－G，D）；（4）颗粒边缘发生溶蚀形成的孔隙（图4－E，F）；（5）长石表面发生溶蚀形成的蜂窝状孔隙（图4－H）。

2.3 有机质微孔

该类孔隙一般相对较小，多为纳米级（几纳米到几百纳米）。有机质主要赋存于颗粒堆砌形成的格架孔中（图5）。这些格架孔本身都具备一定的连通性，因此，这些有机质孔并不是孤立的而是有一定连通性；加上有机质的亲油性，表面可以吸附大量的天然气，在页岩中是天然气富集相对重要的一类孔隙；并且其孔隙度伴随着页岩成熟度的增加有机质孔隙度随之增加［18］。

图2 上扬子地区上震旦统—下志留统黑色页岩的微孔隙类型Fig.2 Micropore types of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

图3 上扬子地区上震旦统—下志留统黑色页岩中的格架孔Fig.3 Frame micropores of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

2.4 生物体腔孔

图4 上扬子地区上震旦统—下志留统黑色页岩中的溶蚀孔Fig.4 Dissolution micropores of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

图5 上扬子地区上震旦统—下志留统黑色页岩中的有机质孔Fig.5 Organicpores of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

图6 上扬子地区上震旦统—下志留统黑色页岩中的生物体腔孔与成岩作用孔Fig.6 Organism cavities and dolomitization micropores in the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

生物体腔孔主要指生物死亡后，体内软体组织腐烂溶蚀之后形成的孔隙。在本研究区主要是海水硅藻（起源于前寒武纪）体腔孔，其大小一般在2μm左右（图6－A，C）。硅藻外壳由坚硬的非晶质硅组成，内核有许多规则排列的穿孔以及其他较小的看似筛状的小孔（图6－A，B，C）组成，孔的大小都在100nm左右，且连通性非常好。

2.5 白云石化作用孔

白云石化作用就是石灰岩部分地或全部地被白云石交代的作用，在这个过程中1个 Mg2＋交代1个Ca2＋形成 MgCa（CO3）2，其体积相对于CaCO3的体积缩小13%，也就是理论上灰岩完全白云石化其孔隙度增加13%［19］。在上震旦统－下志留统页岩当中这类孔隙相对较少，孔隙成长条状围绕在白云石颗粒周围，宽度在50～100nm之间（图6－D）。

2.6 微裂缝

聂海宽等（2011）将页岩当中的裂缝分为5类［20］，其中微型裂缝的宽度＜0.01mm，长度＜0.01m。本次研究的微裂缝大多是由非构造应力作用形成的，是封闭在泥岩中的黏土矿物脱水收缩作用和矿物之间的缝隙形成的裂缝（图7－A，D），另外还有在晶间和矿物颗粒内受外力作用形成的裂缝（图7－B，C）。

图7 上扬子地区上震旦统—下志留统黑色页岩中的微裂缝Fig.7 Microcracks of the Upper Sinian－Lower Silurian black shale in the upper Yangtze area

表2 北美Mississippian和Devonian页岩的孔隙特征与上扬子地区上震旦统—志留系页岩孔隙特征对比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 与北美页岩的对比

Loucks et al.（2012）对过去几年学者对北美不同层位页岩孔隙研究进行分析（表2），发现北美古生界的页岩孔隙类型主要为3类［13］：粒间孔、粒内孔、有机质孔，但裂缝也是其孔隙类型之一。本文对上扬子地区页岩孔隙的分类更为详细，主要分为：格架孔、溶蚀孔、有机质孔、生物体腔孔、白云石化孔和微裂缝。虽然其孔隙类型和北美页岩孔隙类型的分类标准有所不同，但其孔隙特征基本一致，Loucks et al.（2009）的粒内孔［11］包含本文中生物体腔孔、白云石化孔和大部分溶蚀孔（主要指粒内溶蚀），粒间孔［11］包含了格架孔和少部分溶蚀孔（主要是颗粒边缘的溶蚀，图4－F）。

4 结论

上扬子地区上震旦统－下志留统的黑色页岩虽然经历了差异很大的沉积背景和埋藏史［21］，但对10条剖面20个样品研究发现，其发育的孔隙类型仍具有很强的规律性。在黑色页岩中孔隙类型主要有5种：格架孔、溶蚀孔、生物体腔孔、有机质孔、成岩作用孔和裂缝。每种孔隙的成因都有一定的规律性，格架孔主要是由碳酸盐岩和硅酸盐岩的颗粒和片状物堆砌和叠置形成；溶蚀孔主要随方解石、白云石和长石溶蚀而成；有机质孔是与有机质的充填和成熟度相关，随有机质成熟度增加孔隙度增加；生物体腔孔是与生物的种类和数量相关，这里主要是硅藻内核的排列规则的穿孔；白云石化孔极其少见，主要是与成岩作用过程的调整白云石作用关系密切。裂缝主要有3种：（1）黏土矿物的脱水作用形成的微裂缝；（2）大片状的矿物与颗粒之间的微裂缝；（3）晶粒之间和颗粒内受到外力作用形成的微裂缝。

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