龙马溪组页岩不同显微形态有机质成因及其勘探潜力探讨

刘振庄, 白名岗, 杨玉茹, 张聪*, 王向华, 陈娟, 谢婷, 方立羽, 秦丽娟

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；2.中国地质调查局非常规油气地质重点实验室，北京 100029；3.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029)

随着美国页岩气大规模开发，成功实现自给自足并改变了世界能源格局[1]，国内外对页岩领域的相关研究更加广泛、深入。自2009年美国学者Loucks等[2]首次证实了页岩中发育的微纳米孔隙，确认了页岩中有机质孔隙为有机质在成熟过程中释放烃类而形成，并主导着富有机质页岩的孔隙网络[3-4]，业界对页岩储层性质的研究也从毫米/微米级迅速深入到了纳米级[2,5]。作为烃源岩和储集岩，页岩具有组分细小、有机质与基质矿物共生、纳米级孔隙主导孔隙网络等特点，由于这些特殊性，使得以扫描电镜为主流的微观分析检测技术成为页岩研究必不可少的重要手段。近十年来，我国对页岩气的勘探开发及评价工作也越来越重视，迄今已在四川盆地形成工业产能，并逐步落实了我国南方海相龙马溪组丰富的页岩气资源[6-7]，激励并促使业界及更多学者在更深领域开展页岩气理论及相关评价研究。

2014年以来，北美学者意识到有机质显微组分的不同对有机质孔隙的发育存在较大影响，尝试以岩石学方法进行了有机质显微形态的研究[4]，并依据有机质形态，提出了沉积有机质及运移有机质两大类型及其识别标准。随之，我国也有部分学者借鉴北美经验对我国页岩中的有机质进行了类似研究[8-13]，并在两大类型中又依据有机地球化学分类区分了有机质显微组分，进一步细化了不同显微形态有机质的分类及演化特征，同时也逐步触及有机质与矿物基质的赋存成因关系研究，但在对不同成因来源的有机质生烃及储集能力研究方面仍略显不足。多年的实际检测发现，不同显微形态有机质的来源与形成，与沉积、成岩及有机质演化息息相关。基于以上认识，本文在前人研究的基础上，利用氩离子抛光技术及高分辨率场发射扫描电镜(FE-SEM)检测，结合能谱技术，对龙马溪组富有机质页岩中不同显微形态有机质进行分类描述，并在定性观测基础上对样品中的每一类有机质进行能谱检测，对其化学组成进行了定量研究。以大量实际检测揭示的有机质与基质矿物的共生现象为基础，针对每一类显微形态的有机质进行了内部结构刻画及其孔隙发育特征对比，进而讨论了各类有机质的生烃能力及其对页岩储集性能的意义，力争在今后通过对有机质显微形态的正确识别，加深对页岩生烃母质的认识，为未来页岩气资源潜力及勘探开发潜力评价提供实用性及有价值的信息。

1 实验部分

1.1 样品制备

为了保证样品及检测结果的代表性，本次研究在大量实际检测基础上选择了四川盆地及其外围的典型样品，共4口井8块样品，岩性均为龙马溪组富有机质页岩。采集8块样品的井号分别为：JSBⅡ、JSBⅡ、B201、B201、YC3、YC3、AY1、AY1，其中JSBⅡ、B201、YC3为盆地内页岩钻井，AY1为盆地外围页岩钻井。所有样品全部为钻井岩心，每个样品取自不同深度，页岩组分主要以自生硅质、有机质及重结晶的黏土矿物为主，少量碎屑长英质、自生黄铁矿、金红石及碳酸盐矿物。

样品制备均采用氩离子抛光技术。垂直样品层理面选择约5mm5mm3mm大小的样品，用精研一体机采用9μm、2μm、0.5μm粒度的研磨纸分步进行精细研磨，之后采用三离子束氩离子抛光仪以5kV及2.0kV加速电压，交替进行4轮次共2h的抛光处理。为更好地保留样品微观信息，对抛光后的样品不进行常规的镀膜处理，而是直接对抛光面进行观察，确保获取清晰的矿物及孔隙边界结构。

1.2 测试方法

氩离子抛光结合场发射扫描电镜技术，可以直接获得页岩微观纳米孔隙的二维结构特征，现被认为是研究页岩微观纳米结构特征的重要方法[14-19]。经过多年摸索及检测经验，本次研究所检测的样品均采用低电压(1.5kV或2kV)、近距离(工作距离在4mm左右)工作条件进行高分辨率场发射扫描电镜检测，以消除无镀膜抛光样品的电荷积累现象，通过以上优化的工作条件，来保持清晰的微纳米信息。检测过程采用二次电子的SE2和InlensDuo模式相结合，对每个样品抛光面进行200X～80000X不同倍率详尽检测并获取图像。依据样品性质及电镜本身性能，较低倍率获得有机质分布及形态信息，并进行不同形态有机质的半定量统计，高倍率获得孔隙微纳米结构图像。同时，每个样品都对不同显微形态的有机质进行能谱检测，以获取有机质含碳质量分数信息。

2 结果与讨论

参考前人研究成果[7-12]，结合本次研究揭示的实际现象，研究认为，对龙马溪组页岩中有机质的分类应重视当前的赋存状态，同时考虑其成因及来源，兼顾后续便于孔隙发育特征评价，将有机质按照显微形态分为三类，其中保留有沉积特征、局部富集的有机质定义为结构型沉积有机质，包括生物碎屑、条带或不规则团块状有机质；具有分散特征，显示后期运移充填性质的有机质定义为填隙型运移有机质；兼具沉积、分异及运移性质的有机质定义为分异型交生有机质。

2.1 结构型沉积有机质

(1)形态特征

a—条带状有机质；b—团块状有机质；c—生物碎屑。

结构型沉积有机质最大特征是具有一定的结构形态，随周边沉积结构分布于碎屑基质间，有机质与基质矿物界限明显，有机质周围没有或极少量的自生基质矿物，通常伴生草莓状黄铁矿。该类有机质包括条带状(或脉状)有机质、不规则团块状有机质和生物碎屑(图1a～c)。条带状有机质呈黑色，条带长度不一，一般为微米级，宽度大多几个微米，与沉积碎屑顺向接触，边界明显；团块状有机质多呈不规则状，形态不一，与基质矿物同样具有明显边界；生物碎屑有机质则保留着生物结构，易于识别。

(2)成因及来源讨论

根据有机质结构形态及其与基质矿物接触关系所体现的沉积构造，参考前人研究成果，本文认为该类有机质是早期沉积、富集保存的产物[4,11,20]，属成岩作用过程中残存的生物碎屑或早成岩阶段有机质降解、缩聚形成的胶质、沥青质，实际上是通过沉积作用进入沉积物中的有机残质。有机质的形态受沉积时周边矿物基质及成岩压实作用控制，因此结构型有机质尤其是条带状或不规则团块状有机质常常呈现与基质矿物一致的顺向构造。与草莓状黄铁矿伴生，也显示了结构型有机质形成于同生—早成岩阶段的特征[20-23]。

a—生物碎屑不发育孔隙；b和c—条带状有机质不发育孔隙，可见收缩缝。

(3)组构及潜力分析

高分辨率场发射扫描电镜检测揭示，该类有机质内部结构较为均一，极少或不发育孔隙，仅在其与基质矿物接触边界常见发育收缩缝(图2a～c)。

能谱检测结果显示，对于结构型有机质，无论生物碎屑还是条带状、团块状有机质，其碳质量分数多大于90%，含极少量Si、O、Al元素(表1)。结合有机质孔隙发育特征，研究认为，该类有机质含量较高时，通常对页岩中的总有机碳含量有贡献，而对生烃和储集性能没有贡献或贡献极小。

表1不同显微形态有机质能谱检测结果

Table 1 Energy spectrum detection results of different microscopic forms of organic matter

有机质显微形态类型能谱点数碳质量分数(%)区间平均值结构型沉积有机质生物碎屑3580～9588条带状/不规则团块3575～9585填隙型运移有机质6063～8474分异型交生有机质5540～7660

2.2 分异型交生有机质

(1)形态特征

分异型交生有机质最大特征是与黏土矿物或自生石英混生，经分异作用形成类似于岩浆岩中的“花岗结构”，具有分散分布的特点，少部分分异型交生有机质可见略显方向性沉积构造，显示了与沉积作用及早期成岩作用的相关性。与有机质交生的自生硅质或重结晶的大多数黏土矿物通常呈他形，纤片状或羽状黏土矿物可见自形结构，也常见与黄铁矿共生(图3a～d)。

图3 龙马溪组页岩中的分异型交生有机质

(2)成因及来源讨论

本项目组在研究过程中查阅了大量资料，根据生物演化及石油与天气有机地球化学理论[20]，初步认为具有该类显微形态的有机先质多为低等生物及其分泌物或排泄物与水体中黏土矿物相互吸附形成的胶体混合物，在成岩过程中，经过无机矿物的重结晶及有机先质热演化发生降解、聚合作用而发生分异，形成了当前的“似花岗结构”，属于以分散状态沉积下来并经成岩作用及有机先质演化新生成的有机质。这种分散状态，揭示了龙马溪组页岩中油气母质来源于丰富的浮游生物的特征。在陈义才等撰写的《石油与天然气有机地球化学》一书中，认为黏土矿物颗粒在水体沉积时，颗粒表面会吸附大量有机物质，使之转化为颗粒状集合体并进而沉积，黏土颗粒与有机质的凝絮、黏合作用是有机质和黏土沉积的最重要机理。本次研究认为，这种富有机质黏土矿物集合体的存在，既指示了龙马溪组页岩沉积时期丰富的有机质来源，也指示了沉积埋藏后良好的还原环境，研究中也经常发现还原环境的标志矿物黄铁矿。根据地质时期生物演化特征，在古生代，藻类及低等浮游生物在生物圈中占优势，富有机壁的低等生物大量过剩并产生大量附属有机质，因此形成了大量富含有机质的暗色海相页岩。该类显微形态的有机质在龙马溪组非常普遍，与黏土矿物的交互生长是其典型标志。

(3)组构及潜力分析

分异型交生有机质孔隙发育好，以不均匀的气泡状大孔隙为特征，孔径一般介于30～300nm，非均质性较强，根据有机质演化生烃理论，黏土矿物对其具有催化作用，从而形成了大量大孔径的气泡状孔隙，显示了较强的生气能力和优质的储集性能(图4a和b)。

图4 龙马溪组页岩中的分异型交生有机质孔隙特征

能谱检测结果显示，分异型交生有机质碳质量分数在40%～76%之间，平均60%，Si、O、Al元素含量较高(表1)，显示了与黏土矿物或硅质交互生长的耦合特征，也进一步证实了该类有机质与黏土矿物同源，以及所经历的分异作用过程。

2.3 填隙型运移有机质

(1)形态特征

龙马溪组页岩中的填隙型运移有机质含量最高，呈分散状充填于自生矿物晶间，通常以被自形矿物环绕为特征(图5a和b)。根据Loucks等[4]和赵建华等[8]的研究成果，填隙型有机质是沉积干酪根在热成熟过程中产生的沥青或油，经过运移进入矿物孔隙中。因此与结构型沉积有机质相比，填隙型运移有机质最大的区别就是经历了迁移、充填过程。实际检测揭示，填隙型运移有机质周边的基质矿物多呈自形晶体，显示了基质矿物先期结晶形成、有机质后期充填进入基质矿物晶体格架中的特点，如同常规砂岩储层中胶结作用形成的胶结结构。这种充填胶结结构及基质矿物的自形边界是判别运移有机质的明显标志。

图5 龙马溪组页岩中的填隙型运移有机质

(2)成因及来源讨论

对于该类有机质，本项目组在研究过程中除了参考Loucks在2014年的研究成果[7]，对相关信息也查阅了大量资料，发现在我国早年一批有机地球化学学者的研究成果中，有相关的有机质热模拟研究与描述，如傅家谟、肖贤明等学者认为[24-27]，有机质热演化过程中形成具有流动性质的无形态有机质，这种无形态有机质就是液态烃，或者是液态烃与缩聚后的干酪根的混合体。只是当时没有如场发射一样的高分辨率仪器的应用，无法检测到有机质的显微形态，限制了对该类分散有机质的定性描述与认识。随着高端仪器的应用及检测技术的提高，揭示这种赋存于自形矿物晶体间的显微有机组分，是液态烃(也就是地层中已经生成的石油)进一步裂解生气后的焦沥青，因其经历了过高演化阶段，所以该类有机质最大特征是生气后留下了大量孔隙，以富有机孔为特征。填隙型运移有机质的形态大小也受其所充填的空间所控制。

(3)组构及潜力分析

龙马溪组页岩中的填隙型运移有机质主要充填在自生石英颗粒晶体间，内部有机孔十分发育，见图6a和b，呈海绵状孔隙结构，均匀密布，孔径一般在10～80nm，孔径特征与交生分异型有机质具有较为明显的差别，有机质单体中的有机孔隙面孔率可达30%甚至更高，显示了该类有机质生气能力巨大。因此在龙马溪组页岩中，填隙型运移有机质及分异型交生有机质都是重要的生烃母质。同时因其运移经历，尤其是填隙型有机质，与外界形成连通通道，增强了有机质孔的三维连通性，提高了页岩的渗透性和储集性能[4]。

能谱检测结果显示，填隙型运移有机质的碳质量分数在63%～84%之间，平均74%(表1)，与分异型交生有机质具有较大差别，显示了较为晚期，液态烃富集迁移，进入前期自生结晶矿物晶间，并在高演化阶段再次经历热解生气、富碳的过程，因此碳质量分数高于交互分异型有机质。

图6 填隙型运移有机质孔隙发育特征

3 结论

本次研究实际检测揭示，我国南方海相龙马溪组页岩中的有机质具有结构型沉积有机质、分异型交生有机质及填隙型运移有机质三种显微形态，其中结构型沉积有机质与沉积有关，是残余的生物碎屑或埋藏成岩阶段形成的胶质、沥青质，该类有机质孔隙不发育，不具备生烃能力或生烃潜力差，因其碳质量分数高，可以增加页岩总有机碳含量，对生烃及储集性能没有贡献或贡献极小；分异型交生有机质及填隙型运移有机质都具有分散特征，其中分异型交生有机质与沉积、成岩及有机质热演化有关，是有机先质与黏土矿物的沉积复合体在成岩阶段经分异并进一步热演化形成，该类有机质发育气泡状大孔径有机孔，具有较强生烃及储集能力；填隙型运移有机质是成岩晚期液态烃在高演化阶段进一步热解生气的产物，发育丰富的海绵状孔隙结构，提供了比孤立有机质更广泛的连续渗透通道，具有最优质的生烃及储集性能。

本文对有机质显微形态类型的识别，促进了对有机质成因及来源的进一步思考，深化了不同显微形态有机质的认识。应用高分辨率仪器快速识别有机质显微形态类型，对页岩生烃潜力、储集性能及勘探及开发潜力评价具有实际意义。