页岩有机质特征对有机孔发育及储层的影响

曹涛涛，宋之光

( 1.中国石化石油勘探开发研究院，江苏 无锡 214126；2.南京大学，江苏 南京 210093；3.中国科学院广州地球化学研究所，广东 广州 510640)



页岩有机质特征对有机孔发育及储层的影响

曹涛涛1，2，宋之光3

( 1.中国石化石油勘探开发研究院，江苏 无锡 214126；2.南京大学，江苏 南京 210093；3.中国科学院广州地球化学研究所，广东 广州 510640)

已有的勘探证实有机孔是页岩主要的储集空间，研究有机孔的发育特征及影响因素是页岩气勘探的重要内容。通过对相关文献进行系统分析，探讨了有机孔演化的过程及控制因素，并进一步总结了有机质对页岩储层的溶蚀性、含水性和脆性的影响。研究表明：有机孔的发育是高成熟度、较好类型的有机质和易生烃的显微组分共同作用的结果；已形成的有机孔受压实、过成熟碳化以及基质沥青充填等作用的破坏，不利于有机孔的保存；有机质对页岩储层的改造体现在有机质热演化过程中产生的酸性流体溶蚀长石、白云石等矿物形成溶蚀孔，有机孔吸纳水分降低吸附能力，以及高有机质含量造成页岩韧性增强不利于压裂改造等方面。提出了研究方向：根据中国复杂的陆相、海陆过渡相、海相页岩气储层及成藏条件的差异，在今后的研究中应加强不同沉积相页岩有机质类型和显微组成的研究，分析其对有机孔发育的影响，定量化研究有机孔对页岩储集物性的贡献，以及明确有机孔的主要赋存载体。

页岩储层；有机孔；有机质特征；溶蚀作用；脆性指数

0 引 言

近年来，国内外学者对页岩的孔隙结构及含气性进行了大量的研究工作，认识到页岩中的孔隙类型繁多，既包含基质裂缝、矿物晶间孔和粒内孔等原生孔隙，也包含有机孔、溶蚀孔和有机质边缘微裂缝等次生孔隙[1-3]。随着页岩孔隙结构研究程度的不断深入，已经证实了有机孔是大部分高过成熟页岩中的优势孔隙类型。国内外学者对页岩有机孔的发育及其对甲烷吸附的影响做了大量的研究工作[4-5]，认为TOC含量是页岩有机孔发育最重要的控制因素，其次是有机质类型、成熟度和基质沥青含量等，但这些因素会因地质时代和沉积环境不同而有较大的差异。所以在页岩气勘探过程中，要重点关注有机质自身属性 (含量、类型、成熟度、显微组成和基质沥青等) 对页岩储集性能的影响，同时由于有机质也会对页岩储层的次生孔隙、含水能力和脆性特征有一定的影响，在页岩气勘探和开采过程中进行压裂时应对此给予足够的重视。

在大量调研前人研究成果的基础上，对以下问题进行了探讨：① 有机孔随成熟度的变化以及在过成熟阶段的保存与破坏；② 相同成熟度条件下，有机孔发育呈现迥异的现象[6]；③ 基质沥青对孔隙系统的堵塞和影响；④ 有机质热演化过程中产生的酸性流体对不同类型页岩储层的改造以及有机质对含水性的影响；⑤ 有机质含量对页岩脆性的影响。

1 有机孔的形成

并不是所有页岩中的有机质都会发育孔隙，其形成存在2个主要控制因素[7-8]。首先受控于有机质的显微组分，有些显微组分在热演化过程中会生成烃类并从有机质中排出从而产生大量的孔隙，而有些显微组分在热解过程中不生烃，故不能形成孔隙；其次受控于成熟度，随着成熟度的增加，早期生成的烃类可能在干酪根内发生溶胀，堵塞有机孔，进入生烃中后期以后，油和干酪根或焦沥青的裂解会产生大量孔隙，甚至有学者将有机孔分为干酪根孔和焦沥青孔[1， 8-10]。有机孔的形成和保留 (或破坏) 机制与其本身特征密切相关，最终能够发育的有机孔的数量多少及孔径大小不仅与成熟度和显微组分密切相关，还受有机质含量、类型及基质沥青等因素的影响。

2 有机孔发育的影响因素

2.1 TOC含量

一般认为TOC含量是有机孔数量和孔隙体积的主要影响因素，TOC含量越高，就越能够增加页岩的储集能力。但也存在成熟阶段的页岩孔隙度随着TOC含量的增加表现出先增加后略微降低甚至直接呈现出负相关的现象[11-16]。Milliken等[11]在研究Marcellus页岩时，发现当TOC<5.6%时，孔隙度呈现出随TOC含量增加而增加的现象，而当TOC>5.6%时，孔隙度则与TOC之间存在一定的负相关性。涪陵地区JY1井龙马溪组页岩和贵州铜仁ZK601井牛蹄塘组页岩的有机孔发育特征显示，随TOC含量的增加，龙马溪组有机孔的尺寸逐渐变小，而牛蹄塘组页岩在TOC含量低于5.0%时，会有较多的有机孔发育，而TOC含量高于6.0%时，有机孔发育很少。

高TOC含量对有机孔的抑制可能是机械压实作用或有机质中包含更多不生烃的显微组成引起的，或者是二者共同引起。① 高TOC页岩具有更强的韧性特征，在地层条件下更易受压实作用的影响，从而导致页岩中部分无机矿物孔和有机孔被压缩闭合；低TOC页岩中的有机孔在刚性矿物格架保护下不易被压实闭合从而可能具有较高的孔隙度[11]。黄仁春等[17]观察到JY1井龙马溪组片状有机孔呈长条形，多平行于层面或刚性矿物颗粒边缘，具有明显的被压扁特征；而一些刚性矿物颗粒三角地带的有机孔发育很好，呈现出圆形或椭圆形，这些孔隙受压实作用影响较小，孔隙形态保留较好。富黏土矿物页岩中有机孔明显低于富方解石和硅质矿物的页岩，原因在于前者更易受压实造成有机孔的压缩破坏。②高TOC含量中可能包含更多不生烃的显微组分，造成有机质颗粒边缘孔的发育情况比内部好，详细讨论见2.4节。

2.2 成熟度

Curtis等[6，18-19]研究发现，有机质成熟度Ro低于0.90%时有机孔不发育，进入生气窗以后液态烃开始裂解，有机孔开始发育，孔体积开始增加。针对有机孔发育的成熟度下限的研究已经很多，如Reed等[10]认为Barnett和Haynesville页岩中有机孔形成始于Ro=0.80%，而 Loucks等[9]和Slatt等[20]则认为Ro=0.60%时已经开始发育有机孔。但针对有机孔保存与破坏的成熟度上限的研究还较少，邹才能等[3]和王道富等[21]认为，Ro超过3.60%以后有机质发生碳化，内部孔隙被部分破坏甚至完全破坏，由半规则—规则的孔隙形态演变成纤维状或被压实成条状，造成有机孔的体积大幅度减少。Ro在3.60%时有机质具有最高的孔体积，约占有机质体积的35.0%；随着成熟度持续增加到6.36%，有机质中孔隙体积降到5.0%左右。极高的成熟度既严重破坏了有机孔的结构，又会造成气体的逸失，不利于页岩气的富集成藏。

综上可以看出，有机孔的演化与成熟度之间的关系可以分为3个阶段，即形成期(0.60%3.50%)[ 22-23]。Ro<2.00%时，有机质处于低成熟—成熟阶段，微孔和介孔的体积都较小，且随着成熟度的增加增幅不大；Ro>2.00%以后，有机质处于高成熟演化阶段，微孔和介孔的体积开始快速增加且在Ro=3.50%左右达到孔体积峰值；Ro>3.50%以后，有机质处于过成熟演化阶段，有机质发生碳化，孔隙遭受破坏，数量变少，结构变差，孔体积和比表面积明显下降。

2.3 有机质类型

Chalmers等[4]认为，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根比Ⅲ型干酪根更容易裂解生烃和产生有机孔，这与Ⅲ型干酪根转化为油气的能力远低于Ⅰ型和Ⅱ型有关。美国主要含气页岩与中国上扬子地区古生界页岩有机质以生油型或偏生油型的Ⅰ型和Ⅱ型为主[24]，有机孔一般发育较好。Cao等[25]研究发现高过成熟的Ⅰ型和Ⅱ型干酪根中孔隙发育较好，其比表面积分别高达161.23 m2/g和279.84～300.30 m2/g，远高于黏土矿物，以Ⅲ型干酪根为主的煤所具有的有机孔很少，比表面积只有5.30 m2/g(TOC含量为59.2%)[26]。王中鹏等[27]对贵州毕节龙潭组、袁野等[28]对中国鄂尔多斯盆地山西组Ⅲ型有机质页岩研究显示，其主要的储集空间是矿物晶间孔、灰岩以及砂岩夹层中的剪切裂缝，有机孔整体上发育少，说明Ⅲ型干酪根不利于有机孔的发育。

干酪根中孔隙发育程度也可以通过甲烷吸附含量的高低反映出来。干酪根对气体的吸附能力由强到弱的顺序依次是Ⅲ型、Ⅱ型、Ⅰ型[29]。以Ⅲ型干酪根为主的煤样具有更高的甲烷吸附能力，这与前人研究的煤的比表面积较低相悖，可能的原因是煤对甲烷分子的吸附是以“笼形化合物”或填充的方式存在于煤层中而不是简单的单层或多层吸附[30-31]，因而表现出比Ⅰ型和Ⅱ型干酪根更高的甲烷吸附量。Ⅰ型和Ⅱ型干酪根具有非常发育的有机孔，其气体赋存形式也与煤样具有明显不同，也更容易形成页岩气藏，说明Ⅲ型干酪根中孔隙不发育可能是制约海陆过渡相页岩气藏形成的重要因素。

2.4 显微组分

同一块页岩中相邻的2块有机质甚至是同一块有机质的不同部位，孔隙发育情况差异很大[14， 32]。说明具有相同热史的有机质，有机孔的发育不仅与成熟度有关，同时还会受显微组成的影响。多孔的有机质主要存在于晶粒间和颗粒接触区域，具有较好的可流动性及可热解性；而无孔的有机质往往是以较大的片状或块状存在[33-34]，这可能与较大片状有机质中包含更多的惰性组分有关。

腐泥组是孔隙发育的有利组成，最容易形成孔隙；镜质体生烃能力强，在热演化过程中产生的异常压力使有机质发生破裂而形成孔隙[35]，如基质镜质体会发育微孔和中孔，残留的植物组织丝质体胞腔发育大孔[36]；惰质组在热演化过程中基本不生排烃，因而没有孔隙的形成与发育。Chalmers等[4]发现尽管加拿大哥伦比亚下白垩统Hulcross组页岩具有很高的TOC含量，但由于缺少镜质体，致使甲烷吸附量较低；Bustin等[37]也证实了同阶煤的吸附能力随着惰质组含量的增加而降低，随着镜质组含量的增加而增加。尽管不同显微组分的孔隙发育差异很大，但Bernard等[38]从有机质残留物角度出发，认为页岩中发育有机孔的主体是焦沥青而非干酪根，这点需要做进一步的研究工作。

Tian等[12]研究发现龙马溪组和牛蹄塘组有机孔分别占有机质的36.00%和10.00%左右，而马勇等[39]分析龙马溪组有机质孔隙度为9.13%～18.42%，牛蹄塘组有机质中孔隙体积小于1.59%，都表现出龙马溪组有机孔数量和体积远高于牛蹄塘组。对牛蹄组有机孔发育差的机理目前尚没有合理的解释以及更深入的研究，分析其可能与有机质来源于褐藻、红藻、高肌虫、大型蠕虫和虫管生物等有关，在热演化过程中高肌虫和大型蠕虫多转化为有机硅，不利于孔隙发育，而龙马溪组的有机质显微组分来源以红藻为主[40]，是有机孔发育的重要组成。

2.5 基质沥青

页岩孔隙度随基质沥青含量的增加呈现明显的指数性下降趋势[41]，说明基质沥青可能充填占据一部分孔隙空间从而显著降低页岩的孔隙度[41-42]。 Mastalerz等[42-45]研究了New Albany不同成熟度页岩(Ro为0.35%～1.41%)，发现在成熟阶段后期页岩的总孔隙度和孔体积呈现出明显降低的现象，主要原因是由于生油期间富脂肪烃和富氧的沥青生成之后被压入到基质孔隙和微裂缝中及充填在有机孔中，表现出微孔和中孔的体积在生油窗范围内最低；在生油期之后，有机质开始芳构化脱甲基、脱氧，微孔和中孔的体积又开始增加，一直增加到Ro为3.50%左右。因而，生油型干酪根在早期生烃过程中产生的富脂肪基质沥青会导致有机孔、晶间孔及微裂缝被充填，孔隙度下降到低值；相反，生气型干酪根只能生成相对少量的基质沥青，对页岩孔隙度的影响较小。而一旦进入成熟后期，基质沥青裂解会释放出大量被占据的有机孔从而增加有机孔体积，这也从侧面证实了Ⅰ型和Ⅱ型干酪根在高过成熟阶段具有更丰富的有机孔。

尽管基质沥青的充填能够降低页岩的孔隙度，但也能够溶解一定量的甲烷气体，使甲烷气体在高压状态下具有较高的溶解气含量[46-47]。由于这部分溶解气不能被有效开采，对页岩气商业化生产作用很小，因此，常忽略这部分溶解气的存在。但是基质沥青在页岩中充填了大量的孔隙空间，在分析页岩储集物性时，其含量的高低应作为一个重要的制约因素被考虑在内。

3 有机质对储层的影响

3.1 有机酸对储层的溶蚀

生烃过程控制着有机孔的发育和有机酸作用下溶蚀孔的形成。在中成岩阶段，有机质达到生烃门限，发生脱酸基作用产生CO2和H2S，CO2和H2S溶于水后形成酸性流体，使碳酸盐岩和长石等易溶矿物产生大量的溶蚀孔；在晚成岩阶段，页岩储层受压实作用造成孔隙减少，连通性和渗透性变差，流体交换不畅，使溶蚀作用在很大程度上受到了抑制[48]。因此，溶蚀孔的形成主要发生在有机质生烃阶段，而后期的再埋深和再压实作用会造成溶蚀孔一定程度上的减少[49-51]。北美Fort Worth盆地低成熟页岩中钙质颗粒中溶蚀孔发育很少或未发育，但在高成熟度页岩中钙质颗粒中则会发育大量的亚椭圆形或矩形的溶蚀孔，孔隙体积占钙质颗粒体积的20%左右[52]。Barnett盆地贫黏土矿物的页岩中钙质的粒内孔可占总孔隙的20.15%，可能的原因是钙质碳酸盐岩粒内孔主要是由有机酸流体溶蚀而形成的[53]。页岩中溶蚀孔一般尺寸较大，是游离气良好的储集场所，可作为重要的储集空间，在非常规页岩储层研究中应受到关注。

3.2 对储层水含量的影响

多数学者都认为页岩中的水分随黏土矿物含量增加而增加，水分的存在能够显著降低黏土矿物对甲烷气体的吸附能力。有机质一般被认为具有亲油气性和疏水性，水分子不容易进入有机孔内。大量文献研究表明，随着水含量的增加，煤对甲烷的吸附量降低至一个临界点，之后，水含量再增加，甲烷吸附量不再降低[54-55]。在水平衡条件下，煤的吸附能力会降低60%～90%。与煤不同，页岩的黏土矿物含量很高，水分子通过占据黏土矿物的孔隙喉道阻碍甲烷分子进入孔隙系统中来降低甲烷吸附容量。但Ross[47]等研究表明，北美泥盆—密西西比系和侏罗系页岩的甲烷吸附量在水平衡情况下比干燥时分别降低了58.3%和71.5%，这与前人研究认为的黏土矿物是页岩中水赋存的主要载体相矛盾，说明水可能进入了有机孔中。据此，总结了Chalmers等[4]的研究成果，发现页岩的比表面积与水含量之间呈明显的负相关性，但同时随着水含量的增加，甲烷吸附量也会同步增加。表明水可能有很大一部分存在于有机孔中，水分子与甲烷分子在有机孔中形成同步吸附和竞争吸附，因而有机孔的发育可能会为页岩储层储集一部分水。尽管如此，关于水在页岩中的赋存方式仍然存在很大的争议，目前尚未有统一的认识。

3.3 对储层脆性的影响

脆性指数是决定页岩储层能否实施压裂改造的主要技术指标[56-57]，通过压裂改造产生的人工裂缝能够连通页岩中孤立的孔隙储集单元，使气体得到释放，获得可观的产气量。北美页岩脆性一般采用如下评价指标：

BI1=wQz/(wQz+wCa+wDol+wCly)×100%

(1)

式中：BI1为脆性指数1，%；wQz为石英质量分数；wCa为方解石质量分数；wDol为白云石质量分数；wCly为黏土矿物质量分数。

由于中国扬子地区古生界页岩中矿物组成复杂，除石英、方解石外还包含较多的长石等脆性矿物，基于这种情况，陈吉等[58]对脆性指数1进行了修正，并得出脆性指数2：

BI2=(wQz+wCa+wDol)/

(wQz+wFsp+wCa+wDol+wCly)×100%

(2)

式中：BI2为脆性指数2，%；wFsp为长石质量分数。

然而，对于中国海陆过渡相页岩而言，TOC含量通常较高，TOC质量分数甚至会达到20%以上，换算成体积分数达到40%以上。由于有机质本身具有很强的韧性，特别是很高含量的有机质会显著地增强页岩的韧性，降低页岩的脆性。在以往脆性评价时很少把TOC含量考虑在内，也未考虑到页岩的压裂易受地层厚度、有效应力和成岩作用的影响。因此，在综合评价脆性指数时，须将这些因素考虑在内，建立新的评价指标3：

BI3=(wQz+wFsp+wCa+wDol)f(σ′，C，h)/

(wQz+wFsp+wCa+wDol+wCly+TOC)×100%

(3)

式中：BI3为脆性指数3，%；σ′为有效应力，Pa；C为成岩系数；h为地层厚度，m。

4 结论与展望

4.1 结论

(1) 有机孔的发育是其自身特征作用的结果，其发育受有机质成熟度、类型和显微组分的影响，在成熟阶段较好的有机质类型和易生烃的组分更容易产生有机孔；但有机孔的数量首先受TOC含量的影响，其次受有机质类型和成熟度的影响。

(2) 有机孔在地层条件下易受压实破坏，从而导致高TOC页岩中有机孔更易受压实闭合而减少；在过成熟阶段，已形成的有机质发生纤维化，导致有机孔发生破坏，数量明显减少；页岩中的基质沥青充填在有机孔中也会造成有机孔的堵塞，降低其孔隙度和比表面积。

(3) 有机质对页岩储层的改造体现在以下几方面：一是有机质热演化过程中产生的酸性流体溶蚀长石、白云石等脆性矿物形成溶蚀孔，增加页岩的储集物性；二是有机孔吸纳的水分与甲烷分子形成同步及竞争吸附降低页岩的储集能力；三是有机质含量高造成页岩韧性增强，不利于压裂改造。

4.2 展望

尽管国内外学者对页岩有机质特征及储集性能开展了大量的研究工作，但目前这些研究仍然存在研究不够系统和深入的情况。在今后的研究中，根据中国页岩气储层既有海相过成熟页岩地层、又广泛发育低成熟陆相页岩地层和复杂的海陆过渡相页岩地层的特殊情况，建议着重开展以下几方面的理论研究工作。

(1) 系统地开展中国陆相、海陆过渡相和海相页岩有机质特征对比研究，揭示不同沉积环境下页岩有机孔发育规律及差异。中国发育有多套富有机质泥页岩，如上扬子地区的海相牛蹄塘组和龙马溪组页岩，海陆过渡相龙潭组页岩，以及鄂尔多斯盆地发育的海陆过渡相山西组页岩和陆相低成熟延长组页岩。这些页岩所具有的有机碳含量、成熟度、干酪根类型和显微组成存在很大的差异，也会造成有机孔发育差异很大。因此，有必要系统地开展中国不同地层页岩有机孔发育特征及主控因素的研究，总结有机孔演化规律，归纳不同沉积地层有机孔在储层中所起的作用，深化不同沉积环境下页岩气富集规律和评价指标研究。

(2) 系统研究不同类型(或显微构成)的有机质中孔隙与成熟度的演化关系。通过对不同类型和显微组成的低成熟纯干酪根进行热模拟实验，研究不同成熟度条件下不同类型干酪根中孔隙发育及演化规律，归纳不同成熟度下干酪根显微组成的演化规律以及不同显微组成对孔隙发育的影响；进一步明确有机孔的赋存载体究竟是以干酪根为主还是以焦沥青为主。

(3) 定量化分析页岩中不同类型孔隙所占的比例及对页岩游离气和吸附气的贡献。目前主要是利用软件对图像中孔隙进行数字化分析，但该方面的工作较为分散，没有统一的定量化分析标准和软件分析系统，且以往量化的效果不明显，因而需要结合孔隙测试实验(如CO2和N2吸附测试、压汞测试)等方法来综合分析有机孔在孔隙系统中的贡献，以及进一步分析有机孔对游离气和吸附气的贡献。

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编辑 刘兆芝

20151212；改回日期：20160519

国家“973”项目“中国南方古生界页岩气赋存机理和资源潜力评价”04课题“深层页岩气储集物性及含气性研究”(2012CB214704)；国家自然科学基金“我国南方古生界高过成熟页岩吸附特征与页岩含气性评价”(41273058)；国家油气重大专项“深层高成熟烃源岩的容烃与排烃评价”(2011ZX05008-002-20)

曹涛涛(1987-)，男，工程师，2009年毕业于兰州大学地质学专业，2014年毕业于广州地球化学研究所地球化学专业，获博士学位，现主要从事页岩气储集物性及含气性研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.002

TE122.2

A

1006-6535(2016)04-0007-07