岩石学方法区分页岩中有机质类型

赵建华，金之钧，金振奎，杜　伟，温　馨，耿一凯

(1.中国石油大学(北京) 地球科学学院， 北京　102249； 2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京　100083； 3.中国石化 石油勘探开发研究院，北京　100083)



岩石学方法区分页岩中有机质类型

赵建华1，金之钧2,3，金振奎1，杜伟2,3，温馨1，耿一凯1

(1.中国石油大学(北京) 地球科学学院， 北京102249； 2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京100083； 3.中国石化 石油勘探开发研究院，北京100083)

摘要：有机质孔在富有机质泥/页岩中广泛发育，被认为是含气页岩孔隙系统中重要的组成部分。有机质孔不仅在干酪根中发育，在固体沥青内部同样发现了大量的有机质孔，不同类型的有机质内部有机孔的形态和发育程度有所差异。根据有机质的成因，可将其分为沉积有机质和迁移有机质。沉积有机质为原始的有机质及其蚀变产物，这些有机质未发生过迁移，与陆源矿物紧密结合；迁移有机质存在于矿物孔隙中，由外地迁移过来的沥青或石油，随着热成熟度的增加，可演变成固体沥青或焦沥青，其周缘通常可见自生矿物。自生石英对页岩孔隙的影响具有双重作用，一方面充填了孔隙空间，减少了页岩孔隙；另一方面自生石英起到了支撑孔隙的作用，抑制了页岩的压实，为迁移有机质的充填保留了一部分孔隙空间。沉积有机质和迁移有机质中均发育孔隙，迁移有机质充填三维空间相互连通的矿物孔隙，内部形成的有机质孔隙在三维空间上的连通性要比沉积有机质强。五峰组—龙马溪组页岩由下至上呈网络状分布的迁移有机质逐渐减少，相互连通的有机质孔隙网络也相应减少，页岩储层质量逐渐变差。

关键词：有机质孔；干酪根；沉积有机质；迁移有机质；固体沥青；孔隙网络

有机质孔在富有机质泥/页岩中广泛发育，被认为是含气页岩孔隙系统中重要的组成部分[1-5]，在泥/页岩中可形成主要的孔隙网络，对页岩气储存能力和渗透性具有一定的控制作用[6-8]。二维图像上有机质孔通常具有不规则、椭圆状、气泡状的形态，孔隙直径介于5～750 nm，这些纳米级的孔隙通常被认为与干酪根热演化过程中烃类的生烃和排出有关[1,6,9]，并且有机质孔的发育程度与有机质类型密切相关，Loucks等[9]指出海相的Ⅱ型干酪根相比陆源的Ⅲ型干酪根更有利于有机质孔的形成。Bernard等[10]通过STXM分析发现，有机质孔不仅在干酪根中发育，在固体沥青内部同样也发现了大量的有机质孔，不同类型的有机质内部有机孔的形态和发育程度有所差异。

富有机质页岩内部的有机质分为干酪根和沥青，根据有机质的成因，可将其分为沉积有机质和迁移有机质。沉积有机质为原始的有机质及其蚀变产物，这些有机质未发生过迁移，主要包括干酪根及其演化形成的分布在其内部的固体沥青或焦沥青；迁移有机质存在于矿物孔隙中，由外地迁移过来的沥青或石油，随着热成熟度的增加，可演变成固体沥青或焦沥青[11]。沉积有机质和迁移有机质在成分组成及形态特征上非常相近，很难区分。本文以四川盆地五峰组—龙马溪组高成熟页岩为例，从页岩岩石学分析出发，通过扫描电镜、能谱分析等手段，根据有机质和矿物之间的相互关系的分析，区分不同类型的有机质，并总结各自的形态特征及孔隙发育情况，这对于进一步理解页岩内部孔隙形成和分布规律具有重要意义。

1有机质类型及有机质孔形成

富有机质页岩内部的有机质分为干酪根和沥青。干酪根是沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和非极性有机溶剂的分散有机质[12]。沥青是一个通用术语，用于描述各种不同黏度的碳氢化合物，例如石油、沥青矿以及其他非烃组分[13-17]。固体沥青是具有一定黏度的沥青，能够支撑内部的孔隙；焦沥青是由坚硬的、不易挥发的碳氢化合物的复合物质组成。Abraham等[13]认为固体沥青是由裂缝内充填的液态石油转变而来；Jacob等[14]引入了岩石学参数(沥青反射率、荧光性和溶解性)，并提出“迁移固体沥青”这一术语；Curiale等[15]提出了一种基于成因的对固体沥青的分类方案，分为油前固体沥青和油后固体沥青。油前固体沥青是指烃源岩在未成熟阶段的产物，由干酪根形成[18-19]，是干酪根和石油中间的产物[20]；油后固体沥青是指液态石油转化形成的产物。

目前大量研究表明，有机质内部孔隙的形成与有机质的热演化程度密切相关[1-2, 21]。在生油窗内，干酪根热解形成并排出沥青到相邻的粒间孔隙或粒内孔隙中，这一过程中，干酪根内部会形成有机质孔，但由于内部充满石油，这些孔隙很难被发现[9]。在生气窗内，干酪根内部的沥青以及迁移到干酪根外部的沥青经历二次裂解，转化成富含孔隙的固体沥青或焦沥青，Marcellus页岩和New Albany页岩固体沥青中气泡状的有机质孔被证实形成于沥青的二次裂解[22-23]。不同类型的有机质内部均可发育有机质孔，因此对有机质类型区分及内部孔隙特征的研究十分必要。

2有机质类型区分

2.1五峰组—龙马溪组页岩基本特征

四川盆地五峰组—龙马溪组页岩是一套富有机质页岩，干酪根镜检分析表明，有机质类型为Ⅰ型，等效镜质体反射率Ro介于2.20%～3.06%，演化程度已达到高成熟—过成熟阶段，处于过成熟晚期生气状态[24-27]。通过对4口钻井20块岩心样品全岩XRD分析表明，页岩矿物成分以石英和黏土矿物为主(图1)，含斜长石、钾长石、方解石、白云石和黄铁矿等。黏土矿物含量介于22.9%～78.9%，平均值为46.4%；石英含量介于15.6%～55.0%，平均值为36.0%；碳酸盐矿物含量较少，介于1.9%～11.2%，平均值为3.2%；黄铁矿含量介于0.9%～11.6%，平均值为4.4%。黏土矿物以伊利石为主，含少量绿泥石和高岭石。伊利石相对含量介于67%～94%；高岭石相对含量变化较小，介于2%～4%；绿泥石相对含量介于4%～30%。TOC含量介于0.30%～4.23%，平均值为2.28%。

通过对4口钻井岩心12块页岩样品进行氩离子抛光处理，结合扫描电镜观察、阴极发光和能谱分析，识别出了页岩成岩演化过程中形成的自生矿物，主要包括石英、方解石、铁白云石、黄铁矿及伊利石等。五峰组—龙马溪组优质页岩段最主要的成岩组分为微晶自生石英，这种类型的石英根据阴极发光的特征可将其与陆源的石英区分。低温自生石英阴极发光强度弱，在单色阴极发光图像上表现为弱发光—不发光；由于氧空位晶体内部缺陷及电子辐射导致非桥接的氧空洞中心衰减，使其阴极发光光谱在波长620～650 nm出现峰值[28-30]。该种石英通常以隐晶、微晶聚集体的形式出现，不规则状石英大小介于0.2～2 μm，主要形成于早成岩阶段—中成岩阶段早期(图2a-c)。早成岩阶段形成的方解石自形程度弱，通常呈基底式胶结(图2e)；中晚成岩阶段铁白云石通常呈环边式胶结早期的碳酸盐矿物，自形程度高，通常未遭受溶蚀(图2a)。准同生阶段和早成岩阶段形成的黄铁矿通常呈莓状(图2d)[31-33]，而自形黄铁矿形成时间较莓状黄铁矿晚[34-36]。自生伊利石主要呈长条状，成层性非常好，晶形好，层状集合体侧面非常平整(图2f)。有机质主要呈分散状、斑块状及条带状分布于矿物颗粒间孔隙及颗粒内部孔隙中(图2a，d)。根据有机质与矿物之间的接触关系，可以判断出有机质的形成相对时间，进而可以对有机质类型作进一步区分。

图1　四川盆地五峰组—龙马溪组页岩矿物组成三角图Fig.1　Mineral composition of the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

图2　四川盆地五峰组—龙马溪组页岩典型自生矿物特征

a.低温自生石英常以隐晶、微晶聚集体的形式充填粒间孔隙，见铁白云石围绕方解石颗粒生长，自形程度高，A井，龙马溪组；b.与a对应的阴极发光图片，自生石英在阴极光照射下不发光；c.a图右下角自生石英阴极发光光谱图，在波长620～650 nm出现峰值；d.自生莓状黄铁矿集合体，B井，龙马溪组；e.早期方解石呈基底式胶结，见莓状黄铁矿和自形黄铁矿，A井，龙马溪组；f.自生伊利石，成层性好、晶形好、侧面平整，A井，龙马溪组

Fig.2Characteristics of typical authigenic minerals in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

2.2沉积有机质

沉积有机质的主要特征是与无机矿物之间的边界清晰，并且有机质的周围没有自生矿物。这些特征表明有机质与矿物颗粒之间一直保持紧密接触，没有给自生矿物的生长提供空间，有机质一直在原地未发生过迁移。

通过扫描电镜观察，可识别出藻类体及动物碎屑等显微组分。藻类体细胞结构保存较差，多数已降解微粒化，但与无机矿物之间的边界清晰，二者之间不发育次生矿物，具有明显的定向性生物组构，内部及边缘可见渗出的沥青体(图3a，b)。动物碎屑主要是笔石碎屑，常呈长条状，可见笔石腔体内部的节状构造，这些动物碎片边缘与陆源矿物紧密接触，二者之间同样不发育次生矿物(图3c，d)。

2.3迁移有机质

迁移有机质较沉积有机质形成时间晚，以沥青或石油的形式由干酪根运移至矿物相关的孔隙中，而这些矿物相关的孔隙在迁移有机质充注之前内部通常会形成自生矿物。这些自生矿物主要形成于早成岩阶段和中成岩早期，围绕着矿物周缘生长，随后迁移有机质进入到残余的孔隙内部，自生矿物停止生长。因此，有机质周缘发育自生矿物是迁移有机质的主要特征。另外，矿物的粒内孔隙和生物腔体中充填的有机质均为迁移有机质，沉积有机质很少会进入到这类孔隙中。

基于岩石学特征在四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中识别出了迁移有机质，主要分布在自生的微晶石英聚集体之间的孔隙中，呈不规则状、条带状或网络状(图4a)。硅质放射虫以及被黄铁矿交代的放射虫腔体内部也见到迁移有机质(图4b)。在莓状黄铁矿内部黄铁矿晶间孔隙中也见到迁移有机质(图4c)。黏土矿物片状晶体之间通常发育自生黄铁矿，抑制了黏土矿物的后期压实，为迁移有机质提供了聚集空间(图4d)。

图3　四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中沉积有机质特征

a.沉积有机质，与陆源矿物紧密接触，内部见定向结构，似藻类体，C井，龙马溪组；b.沉积有机质，内部及边缘充填固体沥青，发育有机质孔，C井，龙马溪组；c.笔石碎屑，与陆源矿物紧密接触，不发育孔隙，D井，龙马溪组；d.动物碎屑，与陆源矿物紧密接触，不发育孔隙，A井，龙马溪组

Fig.3Characteristics of depositional organic matter in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

图4　四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中迁移有机质特征

a.自生石英内部孔隙充填迁移有机质，形成有机质网络，C井，龙马溪组；b.黄铁矿交代硅质放射虫，内部见自生石英，孔隙内充填迁移有机质，E井，龙马溪组； c.莓状黄铁矿内部晶间孔隙充填迁移有机质，发育有机质孔，C井，龙马溪组；d.黏土矿物见发育自生黄铁矿支撑孔隙，内部充填迁移有机质，发育有机质孔，C井，龙马溪组

Fig.4Characteristics of migrated organic matter in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

3不同类型有机质孔隙发育特征

3.1沉积有机质孔隙发育特征

干酪根是沉积有机质的主要类型，干酪根热解形成并排出沥青到相邻的粒间孔隙或粒内孔隙中，这一过程中，干酪根内部会形成有机质孔[9]。这种类型有机质孔的形态和分布受到干酪根内部结构影响，有机质孔隙通常呈拉长状定向排列，面孔率可达15%(图3a，b)，而动物碎屑内部有机质孔几乎不发育(图3c，d，图5)。在生油阶段，干酪根内部孔隙中会充填一部分沥青，这些沥青经历二次裂解会形成有机质孔[22-23]，其形态受干酪根内部结构的影响较小，分布具有随机性，这些孔隙可以与干酪根中的孔隙连通形成孔隙网络(图3a，b)。

3.2迁移有机质孔隙发育特征

迁移到干酪根外部的沥青经历二次裂解可形成有机质孔[22-23]。五峰组—龙马溪组页岩中迁移有机质内部普遍发育纳米级孔隙，孔隙通常呈椭球状、不规则状，长轴分布范围介于10～300 nm，短轴分布范围介于5～100 nm。迁移有机质的体积越大，其内部有机孔数量越多、孔径越大，面孔率大致在20%。从有机质的边缘向中心部位，孔隙具有明显的增大趋势，从边部的以小于100 nm为主，向内部增大到以100～300 nm为主。在一些直径小于1 μm的有机质中，尤其是狭长、复杂形态的有机质中，有机孔的发育程度较差(图6)。

4讨论

4.1有机质形态和分布影响因素

沉积有机质的形态取决于干酪根颗粒及其集合体的形态，受到干酪根母质形态、近地表降解过程、沉积水动力条件以及氧化还原条件的影响。沉积有机质主要呈孤立颗粒及局部顺层聚集的形式分布。迁移有机质的形态受控于它进入到矿物孔隙的形态，因此压实作用、胶结作用及溶蚀作用对迁移有机质的形态及分布都有控制作用。泥岩矿物孔隙的大小在不同压实阶段差异很大，国内外大量页岩气和页岩油系统观测表明，压实的泥岩中矿物孔隙大小介于几nm至几μm[9]。四川盆地五峰组—龙马溪组优质页岩段石英含量通常大于40%，其中自生石英占石英总量的40%～60%，自生石英主要形成于早成岩阶段—中成岩阶段早期，以隐晶、微晶聚集体的形式充填在陆源碎屑颗粒之间的孔隙中。自生石英对页岩孔隙的影响具有双重作用，一方面充填了孔隙空间，减少了页岩孔隙，起到了破坏性作用；另一方面这些石英内部依然保留了一部分孔隙空间，在后期压实过程中，自生石英起到了支撑孔隙的作用，抑制了页岩的压实，对页岩孔隙的保存起到了建设性的作用。在这些孔隙中有机质通常会形成相互连通的网络。五峰组—龙马溪组页岩由下至上随着石英含量的减少，自生石英含量也相应减少，页岩的压实程度逐渐增强，网络状分布的有机质很少出现。

图5　四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中沉积有机质孔隙发育特征

a.条带状沉积有机质，未见有机质孔，C井，龙马溪组；b.沉积有机质，疑似动物碎屑，未见有机质孔，C井，龙马溪组； c.沉积有机质，疑似动物碎屑，内部发育纳米级有机质孔，孔隙直径介于3～5 nm，C井，龙马溪组；d.沉积有机质，几乎不发育有机质孔，C井，龙马溪组

Fig.5Pore development characteristics of depositional organic matter in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

图6　四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中迁移有机质孔隙发育特征

a.莓状黄铁矿周围及内部存在迁移有机质，发育有机质孔，C井，龙马溪组；b.迁移有机质充填自生石英内部孔隙空间，形成有机质网络，发育有机质孔，C井，龙马溪组；c.迁移有机质与自生矿物接触，形成有机质网络，发育有机质孔，C井，龙马溪组；d.莓状黄铁矿内部晶间孔隙充填迁移有机质，发育有机质孔，C井，龙马溪组；e，f.迁移有机质与自生矿物接触，形成有机质网络，发育有机质孔，C井，龙马溪组

Fig.6Pore development characteristics of migrated organic matter in the Wufeng-Longmaxi shale, Sichuan Basin

4.2有机质内部孔隙连通性

有机质孔隙网络由沉积有机质和迁移有机质内部的孔隙复合组成。如果在形成油气之前所有的矿物孔隙遭受压实和胶结作用而破坏丧失，那么全部的有机质孔隙将被限定在沉积有机质内部，以孤立形式存在的有机质相互之间的有机质孔隙的连通性变差。迁移有机质充填三维空间相互连通的矿物孔隙，内部形成的有机质孔在三维空间上的连通性要比沉积有机质强。因此，由沉积有机质和迁移有机质复合形成有机质孔隙网络组成的页岩储层质量要好于仅由沉积有机质形成孔隙网络的页岩。五峰组—龙马溪组页岩由下至上压实程度逐渐增强，网络状分布的迁移有机质逐渐减少，相互连通的有机质孔隙网络也相应减少，页岩储层质量逐渐变差。

5结论

(1)依据页岩内部有机质的迁移特征，可划分为沉积有机质和迁移有机质。沉积有机质是指原始的有机质及其蚀变产物，这些有机质未发生过迁移，主要包括干酪根及其演化形成的分布在其内部的固体沥青或焦沥青。迁移有机质是指存在于矿物孔隙中，由外地迁移过来的沥青或石油，随着热成熟度的增加，可演变成固体沥青或焦沥青。

(2)通过对页岩样品进行氩离子抛光，结合扫描电镜分析、阴极发光和能谱分析，识别出了页岩成岩演化过程中形成的自生矿物，主要包括石英、方解石、铁白云石、黄铁矿及伊利石。沉积有机质与无机矿物之间的边界清晰，并且有机质的周围没有自生矿物；迁移有机质周缘通常见早期形成的自生矿物。

(3)干酪根是沉积有机质的主要类型，干酪根热解形成并排出沥青到相邻的粒间孔隙或粒内孔隙中，干酪根内部会形成有机质孔。这种类型有机质孔的形态和分布受到干酪根内部结构影响，有机质孔隙通常呈拉长状定向排列，面孔率可达15%，而动物碎屑内部有机质孔几乎不发育；迁移到干酪根外部的沥青经历二次裂解，可形成有机质孔。五峰组—龙马溪组页岩中迁移有机质内部普遍发育纳米级孔隙。

(4)自生石英对页岩孔隙的影响具有双重作用，一方面充填了孔隙空间，减少了页岩孔隙；另一方面这些石英内部依然保留了一部分孔隙空间，自生石英起到了支撑孔隙的作用，抑制了页岩的压实，对页岩孔隙的保存起到了建设性的作用。迁移有机质充填三维空间相互连通的矿物孔隙，内部形成的有机质孔在三维空间上的连通性要比沉积有机质强，五峰组—龙马溪组页岩由下至上压实程度逐渐增强，网络状分布的迁移有机质逐渐减少，相互连通的有机质孔隙网络也相应减少，页岩储层质量逐渐变差。

致谢：本文编写过程中部分照片引用了中国石化勘探分公司的成果，在此表示衷心感谢！

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(编辑韩彧)

文章编号：1001-6112(2016)04-0514-07

doi：10.11781/sysydz201604514

收稿日期：2015-11-03；

修订日期：2016-05-12。

作者简介：赵建华(1985—)，男，博士，从事沉积学与非常规油气地质研究。E-mail：zhao_jh2013@163.com。

基金项目：中国博士后科学基金(2016M591350)资助。

中图分类号：TE132.2

文献标识码：A

Petrographic methods to distinguish organic matter type in shale

Zhao Jianhua1, Jin Zhijun2, 3, Jin Zhenkui1, Du Wei2,3, Wen Xin1, Geng Yikai1

(1. College of Geosciences,China University of Petroleum, Beijing 102249,China;2.State Key Laboratory of Shale Oil and GasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing100083,China; 3.SINOPECPetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,Beijing100083,China)

Abstract:Pores within organic matter are widely recognized as a significant component of pore systems in gas shale. These pores form not only in kerogen, but also in solid bitumen, with different morphology and development degree. The source of organic matter can be divided into depositional and migrated organic matter. Depositional organic matter is deposited in direct contact with detrital mineral grains and comprises depositional kerogen and its alteration products. Migrated organic matter occurs in mineral pores initiatially as bitumen or oil that filled the cement-lined pores and cement would separate bitumen or oil from mineral grains and may evolve into solid bitumen and pyrobitumen during maturation. Authigenic quartz has a dual role in influencing shale porosity. On one hand, it reduces shale porosity by filling pore space,while on the other hand,it supports pore preservation by inhibiting shale compaction and preserving pore space for migrated organic matter. There are pores both in depositional organic matter and migrated organic matter. Migrated organic matter is present in three-dimensional connected mineral pores, which produces a pore network with higher reservoir quality than a pore network associated with only depositional organic matter. Migrated organic matter decreases from bottom to top in the Wufeng-Longamxi formations, the connected pore network decreases accordingly, and reservoir quality becomes poorer.

Key words:organic matter pore; kerogen; depositional organic matter; migrated organic matter;solid bitumen; pore network