低成熟度富有机质页岩微观孔隙结构特征表征——以广东茂名盆地油柑窝组为例

赵迪斐， 郭 娟， 梁孝柏， 王培清， 刘 蕾， WANG Geoff， 郭英海

( 1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116； 2. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008； 3. 昆士兰大学 化学工程学院，昆士兰州 布里斯班 4072 )

0 引言

页岩孔隙系统是页岩油气富集、运移的主要空间、通道[1-3]。目前，对页岩微观储集空间的静态表征，如孔隙类型、大小、形态等研究相对较多[2-4]，有关孔隙演化过程的研究相对较少，尤其是对低成熟度富有机质页岩微观孔隙结构特征表征及其反映的孔隙演化信息研究较少[3]。广东茂名盆地油柑窝组发育典型的未熟—低熟富有机质页岩、油页岩，其微观孔隙结构代表页岩储层演化早期的储集空间特征，可以为揭示页岩孔隙演化过程、提高油页岩原位油气开采效率等研究提供参考[4]。因此，相对较低成熟度富有机质页岩孔隙系统的研究，可以为页岩油气储层演化及勘探开发评价提供依据。

目前,有关茂名盆地油柑窝组富有机质页岩的研究主要集中于基础地质特征和开发技术[5-6]，对微观储集空间特征的研究较少。页岩储层孔隙主要分布于纳米级(<1 μm)[7-8]，常规研究方法如岩石薄片、扫描电镜、压汞法、核磁共振(NMR)、小角度X线衍射(SAXS)、低温氮气吸附等，不能直接对微观孔隙进行形貌观察和描述。氩离子抛光—场发射扫描电镜(AIP-FESEM)方法的出现，使页岩、致密砂岩纳米孔形貌特征的精细表征成为可能[9-10]，但是难以兼顾孔隙的定性和定量描述、表征。数字图像处理(Image Prosessing)方法可以对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等计算，实现对孔隙信息的提取，但是在地质领域的应用相对较少[11]。

以茂名盆地油柑窝组富有机质页岩为例，采用氩离子抛光—场发射扫描电镜(AIP-FESEM)方法，结合数字图像处理技术，观测页岩中广泛发育的微纳米孔，根据孔隙形态进行描述性分类；采用MATLAB和Image J软件，对富有机质页岩孔隙图像进行数值化处理，对所得像素点以灰度进行聚类和标记，统计孔隙率及不同类型孔隙率占比，实现对相对较低成熟度页岩孔隙的定量表征，分析微观孔隙控制因素，为页岩微观孔隙研究提供一种行之有效的方法，通过与高热演化程度页岩对比，为页岩储层孔隙结构演化提供依据。

1 地质概况

研究区位于广东茂名盆地，茂名盆地位于广东省中西部，属于新生代箕状断陷盆地，是我国第二大油页岩产地，为近菱形块体，呈北西走向和北东倾向，倾角介于4°～10°；断裂是控制茂名盆地地层发育的主要构造，盆地地层发育主要受高棚岭断裂带及吴川断裂带控制(见图1)，形成“北陡南缓、北深南浅、北翼窄南翼宽”的不对称向斜单斜盆地。

图1 茂名盆地区域构造纲要Fig.1 Regional structure of Maoming Basin

茂名盆地是广东第三纪的主要含化石能源盆地，第三纪地层厚度达到800 m(见表1)。其中，油柑窝组不整合在上白垩统紫红色碎屑岩之上，是茂名盆地的主要含油页岩、富有机质页岩与含煤地层之一，地层厚度在70～110 m之间。油柑窝组富含茂名龟、鳖、鳄、鱼等化石，以AnosteiramaomingensisChowetLiu(茂名无盾龟)、Osteichthyes(硬骨鱼类)、CyprinusmaomingensisLiu(茂名鲤)、TomistomapetrolicaYeh(石油马来鳄)、Squaliformis(鲨鱼牙齿)等较为常见；孢粉常见三沟粉、卵形芸香粉、三孔沟粉、小菱粉、黑三棱粉，以及脊榆粉、棕桐粉、茂名粉组合带，地层时代属于渐新世—始新世。油柑窝组大部分化石属于淡水类化石，也见少量鲨、鳄、腕足等咸水类化石，整体属于湖泊相含油建造，并有海水入侵事件[5]，盆地边缘部分地区发育三角洲沉积。

表1 茂名盆地第三纪地层系统

2 实验样品与研究方法

2.1 实验样品

茂名盆地油柑窝组富有机质泥页岩、油页岩灰分含量较高，主要形成于半深湖—深湖环境。研究采集10块油柑窝组实验样品(见表2)，样品颜色较深，为褐黑色—黑色，孢粉鉴定显示含大量藻类、蕨类孢粉，被子植物、裸子植物花粉极少，通过孢粉判定样品时代全部属于始新统；样品TOC质量分数差别较大，介于3.42%～40.80%，平均为13.78%，整体上，样品显示较高的有机质质量分数，Ro介于0.40%～0.55%，为典型的未熟—低熟富有机质页岩。用于对比的龙马溪组页岩样品取自重庆市南川地区的泉浅1井(见表2)。

表2 代表性测试页岩样品信息

2.2 研究方法

选取茂名盆地油柑窝组富有机质页岩代表性样品，测定有机质质量分数与热演化程度等信息；首先，采用氩离子抛光技术在样品表面进行抛光处理，获取高质量观测面；然后，应用场发射扫描电镜对抛光面进行纳米尺度成像，观测微观形貌与孔隙结构特征。用于对比的泉浅1井龙马溪组页岩样品也采用同样的研究方法。

2.3 测试与图像数值化

粗糙的样品表面降低电镜成像的分辨率，利用传统机械抛光方法制备样品时，因为表面矿物断裂与堆积而形成不规则形貌，遮挡真实孔隙并形成“假孔隙”。利用氩离子束轰击样品，能够提供绝对光滑的二维平面，以提高电镜成像分辨率。对10块样品进行氩离子束轰击，在表面形成约为2 mm2假高斯形抛光表面；在样品表面镀金并形成连续导体薄膜，采用电镜进行观测。观测仪器为双束扫描电镜(Helios Nanolab 600i)、S—4700冷场发射扫描电子显微镜(S—4700 Field-Emission SEM)，分辨率为2 nm，可以提供BSE及SE两种模式成像图形，分别用于矿物观测及孔隙定量统计。

将图像处理软件——Image J、Visual C++及MATLAB等用于储层孔隙的图像分析。CURTIS M E等[12]及KELLER L M等[13]利用Image J 软件进行孔隙率分析，取得较好的图像数值化表征效果；DEVARAPALLI R S等[14]基于微观图像对岩石进行多尺度微观划分；万能等[15]基于MATLAB平台对碳酸盐岩样品进行数字图像处理，获取统计意义上的孔隙特征参数。扫描电镜测定结果一般为灰度图像，在MATLAB环境中，当图像元素为uint8时，由[0,255]区间数字表示灰度级别，0为全黑，255为白色，在计算机中进行逻辑转换后分别对应0(黑)与1(白)；调用im2bw(I,T)函数对所得灰度图像进行二值化处理：

(1)

式中：I(x,y)为原输入图像；bw(x,y)为二值化变换后输出图像；T为阈值。二值变换前，使用histeq(I)函数调整部分图像，以增强孔隙。二值变换中，T影响孔隙大小及孔隙率，灰度级0～48可以设置为孔隙，灰度级48～52可以作为干酪根进行孔隙率计算[16]。计算过程中，以48为参考设置阈值，根据实际孔隙图像进行微调并识别孔隙，用不同颜色标记不同成因的孔隙，计算面孔率。

3 实验结果

通过场发射扫描电镜成像图片观察，在微尺度识别多种形态、多种成因的孔隙类型，对发育在有机质、矿物颗粒间及矿物内部的孔隙、微裂隙进行分类描述。

3.1 有机质孔

实验观测到一定量的有机质孔，孔隙空间发育尺度及形态差异较大，按照孔隙发育位置可以区分为两种类型：一类发育在有机质颗粒内部，呈椭圆气泡状、狭缝状(见图2(a-b、f))、不规则形状(见图2(c-d))或新月形(见图2(f))，在高倍电子显微镜下，孔隙轮廓清晰，孔隙内壁起伏程度大、结构复杂(见图2(d))；另一类发育在有机质颗粒与矿物组分接触边缘(见图2(e))，多呈狭缝形，边缘相对平直且延伸较远。二维平面上，有机质孔呈孤立或串珠状分布，显示较低的连通性。除保留原始植物组织结构的有机质粒内孔外，发育在有机质粒内的孔隙常与有机质生烃过程密切相关，随热解进行，有机质中的微纳米孔陆续扩大，在空间连接并形成网络，不仅是吸附态及部分游离态气体的主要赋存场所, 也是烃类重要渗流空间。

图2 油柑窝组页岩代表性样品有机质微纳米孔Fig.2 Micro-nano pores in organic matter in Youganwo Formation shale

3.2 粒间孔

粒间孔主要发育在颗粒相互接触处，环绕颗粒矿物呈环带状、狭缝状，颗粒接触处是储层物质的微观不连续面，原生沉积过程中易形成孔隙，同时也是力学薄弱带，易受到成岩作用改造。油柑窝组粒间孔分布在石英、长石等矿物颗粒及有机质颗粒相互接触边缘，发育在矿物颗粒边缘的粒间孔孔壁相对平滑(见图3(a、d))，发育在有机质颗粒边缘的孔隙边缘呈锯齿状(见图3(b-c))，可以观察到成岩作用对部分孔隙形态的改造(见图3(a))。这类孔隙空间延伸范围较广，连通性较有机质粒内孔的好。

图3 油柑窝组页岩代表性样品颗粒间微纳米孔Fig.3 Micro-nano pores bwtween particles in Youganwo Formation shale

3.3 粒内孔

页岩储层中的粒内孔主要有两种类型，一类发育在石英、长石、黄铁矿等颗粒矿物内部，在页岩储层成岩作用过程中，受溶蚀流体作用而形成纳米级溶蚀孔隙；另一类发育在莓状黄铁矿集合体微晶间、黏土矿物片层间等矿物集合体颗粒内部，有机质中的少量化石孔也可以被认为是一种颗粒内孔。黄铁矿集合体粒内的孔隙呈放射状排列(见图4(b))，晶间的孔隙呈多边形，边缘平直(见图4(a))；黏土矿物集合体粒内孔的形态主要受黏土矿物片层延展方向控制，多呈狭缝状、丝状、楔状和纤维状(见图4(c))，储层中可观测到古生物化石孔，主要为蕨类植物孢粉等植物残留组织内部孔隙，如呈疏松多孔的网状构造等，部分化石孔在平面显示为椭圆、不规则形状(见图4(d))。集合体粒内孔除晶体内溶蚀孔外，显示较好的连通性。黏土矿物集合体内部的片层间孔延伸远，可以将多种微孔隙连通，对储层孔隙系统的渗透性具有重要贡献，但黏土矿物塑性强，受储层成岩作用强烈改造时，容易发生弯折而堵塞孔隙。因此，在成岩作用强烈改造的储层中，黏土矿物孔隙主要作为油气的储集空间而非渗流通道[7]。

图4 油柑窝组页岩代表性样品粒内孔及微裂隙Fig.4 Intraparticle pores and micro fractures in Youganwo Formation shale

3.4 微裂隙

FE-SEM图像中，天然裂隙按照形态、位置、成因分为两种类型，一种发育在组分内部，如有机质内部裂隙，边缘较平直，内壁光滑且延伸较远(见图4(e))；另一种发育在矿物与矿物或与有机质接触处，为应力作用过程中的力学薄弱面，裂隙边缘呈锯齿状，内壁起伏且未被矿物充填(见图4(e-f))，显示裂缝是在晚成岩作用过程中形成的。

4 讨论

4.1 孔隙类型

系统的孔隙分类可以为准确描述表征各类孔隙、定量统计孔隙贡献程度提供基础。LOUCKS R G等基于孔隙的形态及发育位置，提出基于纳米孔描述性特征的三端元分类方法[17]。参考孔隙三端元分类方法，提出未熟—低熟富有机质页岩的孔隙分类方案(见表3)，孔隙空间可以划分为微孔隙及微裂隙两大类，进一步划分为有机孔隙、粒内孔隙、粒间孔隙、微裂隙等4类。根据发育位置及形态差异，可以进一步将孔隙划分为有机质孔、粒间孔、粒内孔等子类型。其中，有机质孔主要发育在成熟的有机质内部，在干酪根特别是Ⅲ型干酪根生烃过程中产生，有机质中也可见少量化石孔；粒间孔包括发育在有机质、颗粒矿物及黏土矿物颗粒边缘的孔隙空间；粒内孔发育在基质颗粒内部，储层中常见的包括黏土矿物集合体内部的片层间孔，发育在板状、纤维状黏土矿物片间，孔隙延展方向与片层生长方向一致，微晶间孔主要发育在黄铁矿集合体内，孔隙呈多边形，边缘平直，晶格缺陷及溶蚀孔见于多种黄铁矿、石英、长石等矿物晶体，晶格缺陷呈多边形，溶蚀孔不规则。

表3 富有机质页岩微观孔隙分类

4.2 孔隙量化分析

高压压汞、低温氮吸附等实验技术方法被广泛应用于孔隙定量研究，但是既不能描述不同类型、不同成因孔隙的发育比例、孔径分布、孔隙连通性，也不能评价各种孔隙对储层的贡献程度[16]。选取FESEM图像代表性的区域，利用灰度变换识别孔隙，并将不同种类的孔隙进行聚类和标记，统计各个类型孔隙的空间尺度、发育数目和程度，计算样品孔隙结构参数。

油柑窝组页岩中不同成因微纳米孔的统计分类见图5。由图5可知，在较高分辨率下，粒间孔(标记蓝色)为油柑窝组发育最广泛的孔隙(见图5(f-g))，孔隙率占比分别为4.79%与3.50%；有机质孔(标记红色)发育差异大，孔隙率占比分别为1.30%(见图5(f))与0.12%(见图5(g))。分析样品中黄铁矿集合体和多孔有机质，黄铁矿微晶间孔在微晶刚性构架下完好保存，孔隙率占黄铁矿集合体的7.61%，孔径小于200 nm区段孔隙最为发育，占总孔隙数的64.40%(见图5(b-c))，但是黄铁矿集合体形成条件特殊[18]，在储层中占0.26%，黄铁矿集合体微晶间孔对储集空间的贡献相对较小；有机质孔在少量有机质中发育，孔隙率为5.21%，主要发育区间小于50 nm，占总孔隙数的61.87%(见图5(d-e))。

选取130张图片、总面积为862.5 μm2区域进行统计，将化石孔作为有机质孔，将受成岩作用影响而弯折或扭曲、无法明显识别黏土矿物颗粒的片层间孔，以及有机质边缘孔归为粒间孔(见表4)。由表4可见，粒间孔是油柑窝组最发育的孔隙类型，共计435个，占总孔隙数的70%以上，孔隙率占比为94.82%；其次为有机质孔，共计128个，孔径介于0.01～10.00 μm，主要发育在50 nm以下，孔隙率占比为4.22%；粒内孔最不发育，数量较少，孔径介于0.10～1.70 μm，孔隙率占比小于1.00%，对储层贡献最小。岩石总孔隙率为1.56%，较压汞法测定的孔隙率(为2%)偏小，说明页岩储层中还存在一定量纳米孔隙，且这部分孔隙在目前的分辨率下无法识别出来。

图5 油柑窝组页岩不同成因微纳米孔统计分类Fig.5 Quantitatively statistical classification in micro-nano pores with different origin in Youganwo Formation

表4 油柑窝组页岩样品孔隙量化分析结果

4.3 孔隙发育影响因素

有机质孔隙是页岩储层中的主要孔隙类型。北美地区的Barnett页岩和Horn River页岩研究结果表明，纳米有机质孔可以为页岩储层提供巨大比表面积与储集空间[19]，有关四川盆地牛蹄塘组及龙马溪组页岩的微观孔隙定量研究也得到一致的结论[7,20]。有机质孔隙的发育程度受储层热成熟度的控制，在Ro高于0.60%时，有机质开始形成大量的纳米孔隙，但过高的成熟度导致有机纳米孔的破坏[17,21]。油柑窝组页岩有机质质量分数平均为13.78%，黏土矿物质量分数为55.37%，但有机质成熟度较低，结合FE-SEM图像，油柑窝组页岩有机质中的纳米孔隙发育较差，微观储集空间类型主要为颗粒矿物周缘孔隙、黏土矿物集合体孔隙或晶间孔隙，在不同影响因素的控制下，与四川盆地较高热演化程度的海相页岩储层存在储集空间比例与结构的显著差异[8,22-23]。

因此，选取研究较为充分的龙马溪组页岩作为对比，研究油柑窝组纳米孔主要类型及影响因素(见图6、表5)，龙马溪组页岩中，有机质质量分数相对较低，Ro为2.00%～3.50%，有机质演化达到成熟—过成熟阶段，储层主要孔隙类型为圆状、椭圆状有机质孔(见图6(b))，平均孔隙率占单个有机质的20.59%(见图6(c))，黏土矿物孔较为发育，主要孔径在1.00 μm以下，呈三角形、多边形(见图6(a))；油柑窝组低熟页岩中，黏土矿物孔十分发育，孔隙率为22.65%(见图6(d-f))，有机质中除个别达到成熟阶段外，几乎不发育孔隙(见图6(e))。二者发育一定量的黄铁矿晶间有机质孔隙[24]及溶蚀孔，油柑窝组裂隙发育程度较龙马溪组的高，延伸长度更远，张开间距更大。基于孔隙图像数值化处理，进行储层孔隙的量化对比[25]，龙马溪组页岩热成熟度较高，有机质孔隙比例更高，孔隙系统以有机质孔隙为优势类型，较高的热演化程度对塑造目前以有机质孔隙为主的孔隙结构做出重要贡献。油柑窝组纳米孔中，颗粒矿物周缘孔隙、黏土矿物集合体孔隙或晶间孔隙、有机质孔隙等有一定程度发育，尚未形成以有机质孔隙为绝对优势类型的孔隙结构，反映热演化程度对页岩孔隙结构的影响。有机质是有机孔隙的发育载体，较高的有机质质量分数有助于有机纳米孔的大量发育，因此，油柑窝组具有较好的有机孔发育潜力。

图6 油柑窝组与龙马溪组孔隙发育特征Fig.6 The comparison of porosity characteristics between Youganwo and Longmaxi Formation

表5 油柑窝组与龙马溪组孔隙发育特征

页岩的沉积环境及其经历的成岩作用控制储层矿物组分及孔隙类型的发育特征[27]，成岩作用对原生孔隙的保存和改造直接影响孔隙的结构与发育程度[28]。造成油柑窝组富有机质页岩与龙马溪组页岩储层孔隙结构差异的原因，除有机质质量分数、热演化程度、物质组分等直接控制因素外，还间接受控于沉积环境与储层成岩作用。四川盆地龙马溪组页岩形成于深水陆棚—深水盆地沉积环境[29]，储层非均质性强[30]，且经历二次生烃和多类型、多期次的成岩作用改造[31]，有机质演化达到成熟—过成熟阶段，储层有机质孔、溶蚀孔隙等较为发育，但残余原生粒间孔不发育，黏土矿物片层孔隙相对闭合，最终形成以有机质孔为主、以矿物孔隙为辅、以地层下部为最优质的储层发育特征[23]。油柑窝组形成于晚始新世半深湖—深湖沉积环境，未经历强烈成岩作用改造，储层大量的孢粉组合反映温暖、凉爽而潮湿的亚热带—温带环境[32]，有机质来源丰富，水体生产力较高，油柑窝组页岩有机质质量分数与含油率较高；页岩黏土矿物质量分数较高，石英、长石、黄铁矿等脆性矿物质量分数平均为45.00%，较高的脆性矿物质量分数与相对较弱的压实作用使矿物孔隙占比较高[33]，为以矿物孔隙为主的孔隙系统的形成提供大量空间，加之有限的热演化程度，最终形成以黏土矿物孔隙等为主的储集空间特征。

储层对比结果表明，在储层原始物质组分的基础上，页岩储层经历矿物孔隙不断减少、有机质孔隙比例不断提高的演化过程，随储层热演化的加深，有机质孔隙的发育程度迅速提高；同时，压实作用、矿物变形作用等破坏型储层成岩作用不断降低孔隙系统中矿物孔隙比例[23]，最终塑造高成熟度页岩中以有机纳米孔为主的孔隙结构特征。因此，储层有机质适宜的热演化程度与储层成岩作用适宜的改造强度的叠合，可以作为寻找优质页岩储层的重要指示特征。茂名盆地油柑窝组富有机质页岩与四川盆地龙马溪组页岩孔隙结构对比表明，有机质质量分数与热演化程度是塑造优质页岩储层孔隙系统的关键因素。探究页岩储层孔隙结构及其演化，可以为页岩地下原位利用、烃源岩与储层表征、页岩油气资源勘探开发等提供依据[34-36]。

5 结论

(1)广东茂名盆地油柑窝组广泛发育微纳米级孔隙，形貌特征复杂，空间发育尺度差异较大。基于孔隙形貌特征及发育位置，将其划分为微孔隙及微裂隙两大类和有机质孔隙、粒内孔隙、粒间孔隙、微裂隙4类。

(2)粒间孔是油柑窝组油页岩发育最广泛的孔隙类型，数量最多，对储层孔隙率贡献最大，孔隙率占比为94.82%；其次为有机质孔，孔径发育范围广泛，主要在50 nm以下，孔隙率占比为4.22%；粒内孔最不发育，孔隙率占比小于1.00%；

(3)油柑窝组与四川盆地龙马溪组广泛发育微—纳米孔，受沉积环境和成岩作用影响，孔隙发育类型具有显著差异。龙马溪组有机质成熟度高，孔隙主要发育在有机质中，黏土矿物孔隙发育相对较少；与龙马溪组页岩相比，油柑窝组页岩成熟度普遍小于0.60%，有机质孔隙发育程度更低，矿物孔隙是储集空间的主要贡献者。

致谢：广东煤田地质勘查院张德高高级工程师、徐红霞高级工程师、叶裕诚工程师等，以及南京大学解德录博士、中国矿业大学李平硕士等参与野外踏勘及取样；哈尔滨工业大学郭舒老师在电镜观测中提供帮助；中国矿业大学黄金宝、钟明灯学士及李刚硕士等参与样品处理；昆士兰大学毛潇潇博士参与图像处理与分析。