川南D区龙马溪组页岩有机质孔隙发育特征及影响因素

曹 茜， 温真桃， 徐 浩， 戚明辉， 王兴志

(1. 西南石油大学 地球科学与技术学院，成都 610091； 2.页岩气评价与开采四川省重点实验室，成都 610091； 3.四川省科源工程技术测试中心，成都 610091； 4.中国石化西南油气分公司 勘探开发研究院，成都 610041； 5.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)

近年来，国内外学者在泥页岩孔隙的类型、大小、结构特征参数方面开展了大量的研究，并取得了一系列的进展[1-2]；在研究Barnett、Woodford、Marcellus、五峰组-龙马溪组等富有机质页岩的储集空间发育特征时发现，有机质孔隙是页岩中最重要的孔隙类型之一[3-6]。有机质孔隙的形成与演化对页岩储层中油气的存储及运移起重要作用，在有机质强吸附性的作用下，有机质内部及周缘发育的孔隙也在很大程度上增加了页岩的比表面积和孔隙体积，是页岩气主要的储集空间。

不同类型有机质孔隙的发育程度、大小和体积等分布特征对页岩油气的吸附和储集能力以及不同赋存状态页岩油气含量分布特征均具有重要的影响[7-10]。目前，有机质及有机质孔隙的划分方案较多，有机岩石学家根据页岩中有机质的产状、分布位置、反射率、荧光及与自生矿物的关系等分布特征对岩石中的有机质进行分类，其中H.Jacob[11]首次提出“运移沥青”的概念，他指出运移沥青(“固体石油沥青”)常呈分散状或块状产于岩石中，无定形分布，形态主要取决于其所占据的空腔形状。在此基础上， R. G.Loucks等[12]、赵建华等[9]根据泥页岩中有机质的发育成因，提出区分海相泥页岩中迁移固体有机质(包括沥青、石油等)和原始有机质(包括干酪根、部分固体沥青/焦沥青等)的岩相学标志，指出原始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；迁移有机质是指在烃源岩演化过程中，由外地运移过来的沥青或石油，当烃源岩热演化程度较高时，部分迁移有机质可演变成固体沥青或焦沥青。张慧等[6]、刘振庄等[13]、白名岗等[14]提出依据有机质形貌、赋存状态及其内部结构特征对有机质类型进行划分，观察结果表明有机质的分布形貌多呈条带状、填隙状、薄膜状或碎屑状等，其中填隙状有机质多分布于自生硅质中或与黏土矿物交互生长，根据显微组分进一步对有机质孔隙进行划分，包括生物孔、气孔、沥青球粒孔、铸模孔、气泡状有机孔和蜂窝状有机孔等。Zhang W.T. 等[15]根据有机质的形态、内部结构和分布，将有机质类型划分为沥青、球形干酪根、藻类碎屑、细菌样和石墨等。

页岩中不同有机质孔隙的发育机制和影响因素复杂，目前尚未形成统一的认识。近年来的研究发现，有机质孔隙的发育受有机质含量、类型、热演化程度、赋存状态、矿物组成、成岩过程中的不同成岩作用以及地层压力系数等因素的影响[15-19]。M.E.Curtis等[2]、Cao Q等[20]、B.J.Cardott等[21]认为富有机质泥页岩中当有机质成熟度Ro≥0.9%时，有机质孔隙开始发育，其发育主要受有机质成熟度的影响；但也有学者研究发现较低成熟度(Ro=0.6%～0.9%)的富有机质页岩中也发育大量有机质孔隙[12]。川南龙马溪组页岩中有机质分布形式多样，有机质本身可充填到不同碎屑颗粒间或黏土矿物层理间，成岩演化过程中黏土矿物转换作用在一定程度上促进有机质的演化，从而使得有机质孔隙的发育情况不一致[1,13,18]。目前关于不同有机质孔隙差异化发育特征定量表征还需进一步研究。本文利用氩离子抛光和场发射扫描电镜，结合能谱分析以及ImageJ图像分析软件技术，实现定量表征不同类型有机质及对应有机质孔隙的分布特征，包括不同有机质分布比例、有机质孔隙直径分布、形状系数、分形维数等，进而分析有机质孔隙发育的影响因素。

1 样品与测试方法

1.1 样品选取

D区地处重庆市綦江区、贵州省习水县和桐梓县，构造上位于四川盆地东南部川东南拗褶区，南部跨越川南低缓褶皱带及四川盆地南斜坡带的结合部位，在平面上存在近东西向和北北东向及北东东向3组构造走向[22-23]。本次研究选取D区龙马溪组页岩作为研究对象。为了便于对比研究，本文按照统一的地层划分评价标准，共采集D区D1～D7井优质页岩段7块页岩样品，经测试，样品的有机碳质量分数(wTOC)为3.788%～4.733%，Ro值>2.0%，处于过成熟阶段，有机质孔隙均较发育。样品的矿物含量、wTOC、Ro、孔隙度(q)以及被选的层段地层压力等属性信息如表1。

1.2 测试方法

利用氩离子抛光、场发射扫描电镜和能谱分析技术观测样品中有机质和有机质孔隙发育情况，所采用的仪器为ZEISS sigma300扫描电镜、Bruker Quantax200能谱仪，二次电子模式下分辨率可达0.8 nm(15 keV)，透射电子检测模式下分辨率为0.6 nm(15 keV)。采用ImageJ图像分析软件对图片进行处理时，首先将扫描电镜图片中的有机质部分提取出来，确定孔隙阈值后完成不同孔隙结构特征参数的提取。页岩孔隙形态复杂多样，本文根据有机质孔隙提取结果，选取孔隙直径、形状系数、分形维数等参数来进行分析。

2 有机质孔隙发育特征

2.1 有机质发育特征

扫描电镜下观察到的不同形态有机质均为干酪根不同演化时期的产物，不同有机质分布形态差异较大，对应的孔隙发育特征差异也较大。经系统观察样品中有机质发育特征，本文基于不同有机质岩石学特征、发育成因及形态分布特征将其分为孤立有机质及共生有机质2类。其中页岩中孤立有机质多呈团块状、条带状等形态独立散布于页岩基质中，部分呈平行层理方向的弯曲状分布，多见明显结构性特征，可识别出明显的藻类、疑源类以及植物碎片等生物组构，多与矿物基质紧密结合且边界清晰，部分该类有机质内部见孔隙发育，孔隙多呈孤立状随机分布在有机质中，见部分孔隙相连通(图1)。共生有机质的分布形态多不规则，与有机质周边的基质矿物共生长，充填在硅质矿物、黏土矿物或黄铁矿等无机矿物颗粒/晶体间，其边界多与矿物颗粒/晶体之间的边界相混合；由于有机质塑性较强，在成岩过程中部分有机质发生强烈压实作用，其形态多由周边共生矿物分布形态决定，多呈不规则状分布；该类有机质内部及边缘可见大量孔隙，其形态多样，有圆形、椭圆形、扁平形、狭长形及不规则形等，部分孔隙连通性较好，孔隙直径分布范围较大(图2)。

表1 样品的有机碳含量、热演化程度、孔隙度以及全岩矿物含量Table 1 Organic carbon content, thermal evolution degree, porosity and mineral content of rock samples

图1 D区龙马溪组页岩孤立有机质及有机孔扫描电镜照片Fig.1 SEM images of isolated organic matter and organic pores in Longmaxi Formation shale in D area (A)孤立有机质呈近似椭圆形,有机质孔隙,D1井,深度2 051 m; (B)孤立有机质呈近似椭圆状,发育少量孔隙，D2井,深度4 363.5 m; (C)有机质呈近似椭圆形，发育少量孔隙，D3井,深度2 268 m; (D)有机质呈块状不规则分布,孔隙相对较发育，呈圆形或近似椭圆形，D3井,深度2 268 m; (E)D3井,深度2 268 m; (F)孤立有机质呈条带状，发育少量狭长形孔隙，D4井,深度3 727.2 m; (G)孤立有机质呈椭圆形，有机质微孔发育，D5井,深度3 812.7 m; (H)有机质充填无机矿物粒间，发育少量圆形、狭缝形孔隙，D6井, 深度3 447.17 m; (I)孤立有机质呈月牙状，内部有机质孔隙发育，多呈圆形，D7井,深度4 223.3 m

2.2 各单井中有机质孔隙发育特征

基于上述分析可知，不同类型有机质的孔隙发育特征有明显的差别(图 1、图2)。为了更准确地分析D区不同单井优质页岩储层中有机质孔隙发育的差异性，对大量扫描电镜照片进行图像处理分析，采用不同类型有机质分布比例、有机孔发育密度、中值孔隙直径、形状系数、分形维数等参数，定量地表征各单井中不同有机质孔隙发育的程度，其中有机质孔隙发育密度是指单位面积(μm2)有机质上孔隙发育个数。扫描电镜下有机孔形状分布复杂，采用费里特直径来表征不同孔隙直径分布特征。费里特直径也称为定方向接线径，是1种物体上2个平行切线间的距离(图3)。

本次研究定义形状系数(F)的计算公式见式(1)。形状系数通常用来描述物体的形态特征，数值分布范围为0～1，数值越接近1，说明物体形状越接近圆形(图4)。

F=4πS/C2

(1)

其中：S为孔隙横截面的面积；C为孔隙横截面的周长。

前人研究表明，页岩储层作为一种多孔介质，其孔隙分布非均质性较强，可采用分形维数(Df)来表征孔隙结构的非均质性[24-25]。当多孔介质中孔隙直径分布具有分形特征时，其不同大小的孔隙发育数量与对应孔隙直径(d)之间存在如下关系式

图2 D区龙马溪组页岩共生有机质及有机孔扫描电镜照片Fig.2 SEM images of symbiotic organic matter and organic pores in the Longmaxi shale in D area (A)D6井,深度3 447.17 m; (B)有机质呈填隙状分布在硅质矿物颗粒间,D5井,深度3 812.7 m; (C)有机质充填在无机矿物颗粒间,孔隙发育,部分孔隙连通,D5井,深度3 812.7 m; (D)有机质充填在黄铁矿晶体间,D5井，深度3 812.7 m; (E)D5井,深度3 812.7 m; (F)D6井,深度3 447.17 m; (G)有机质充填在硅质及黏土矿物等无机矿物颗粒间,D6井,深度3 447.17 m; (H)有机质分布在黏土矿物层间,其内部发育海绵状有机质孔隙,D6井，深度3 447.17 m; (I)有机质复合硅质等无机矿物分布,发育近似椭圆形及狭长形孔隙,D2井，深度4 363.5 m

图3 孔隙大小分布与费里特直径Fig.3 Pore size distribution and Ferret diameter

图4 孔隙形状与形状系数间的关系Fig.4 The relationship between pore shape and shape coefficient

(2)

当d=dmin时，可得岩石中孔隙总数为

Nt=(dmax/dmin)Df

(3)

孔隙直径≥d的孔隙数量N(≥d)与d之间的关系为

(4)

(5)

取对数得

lnN(d)=C-Dflnd

(6)

式中：N为多孔介质孔隙直径≥d的累计孔隙数量；di为孔隙直径；Df为孔隙分形维数；dmax、dmin分别为孔隙直径最大值、最小值；f(d)为孔隙直径分布概率密度函数;a为常数。

本次统计是基于ImageJ图像处理结果，即将三维空间上孔隙分布投影到二维平面上进行统计分析，通过统计样品中孔隙发育数量及对应的孔隙直径，采用多孔介质分形分析方法计算不同样品的孔隙分布分形维数。Df值分布在1～2之间，Df越接近1，说明多孔介质中的孔隙结构趋于简单，表面粗糙度低；Df值越接近2，说明孔隙非均质性越强，孔隙结构越复杂。

统计结果表明(表2、图5)，不同单井中有机质孔隙发育差异较大，孤立有机质和共生有机质分布比例也有差异。不同单井优质页岩段有机质孔隙发育密度不一致，D1、D3井有机质孔隙发育密度相对较小，平均值分别为0.01 μm-2、0.003 μm-2；D2、D4、D5、D6、D7井有机质孔隙发育密度平均值分别为0.037 μm-2、0.015 μm-2、0.036 μm-2、0.020 μm-2、0.036 μm-2。D1井中有机质孔隙以微孔和小孔为主，孔隙直径主要在4～10 nm，占总数的74.738%；中值孔隙直径为6.9 nm；半径>100 nm的孔隙很少，占总数的2.909%；形状系数平均为0.674，孔隙以不规则状为主，部分为狭缝型。D3井中有机质孔隙以小孔和介孔为主，孔隙直径主要在5～40 nm，占总数的73.359%；中值孔隙直径为9.9 nm；直径>100 nm的孔隙很少，占总数的3.147%；形状系数平均为0.754，孔隙以不规则状为主。D2井中有机质孔隙以介孔为主，孔隙直径主要在8～80 nm，占总数的72.570%；中值孔隙直径为33.0 nm；直径>100 nm的孔隙很少，占总数的7.311%;形状系数平均为0.801，孔隙以近似圆形和椭圆形为主。D4井中有机质孔隙直径分布范围较大，主要在5～400 nm，占总数的95.766%；计算测试样品孔隙分布的分形维数，首先计算直径≥d的孔隙数量N，利用lnN(d)-lnd之间的关系式拟合直线的斜率计算Df，结果见图6。从分形维数的分布特征可知，测试样品分形维数主要在1.1～1.7。从样品分形维数与共生有机质分布比例之间的关系(图7)可以看出，共生有机质分布比例越高，有机质孔隙越发育，孔隙形态越复杂，对应的分形维数越大。

表2 不同样品有机质孔隙发育密度及形状系数Table 2 The distributions of organic pore development density and shape coefficient of different test samples

中值孔隙直径为28.0 nm，形状系数平均为0.829，孔隙以近似圆形和椭圆形为主。D5井中有机质孔隙直径分布范围大，在2～1 000 nm，中值孔隙直径为35.7 nm；形状系数平均为0.884，孔隙以近似圆形和椭圆形为主，部分为不规则状和狭缝型。D6井中有机质孔隙分布范围较大，以介孔和大孔为主，孔隙直径在10～400 nm的占总数的83.07%；中值孔隙直径为45.5 nm，形状系数平均为0.786，孔隙形状多数不规则,部分近似椭圆形。D7井中有机质孔隙以介孔为主，孔隙直径主要在20～70 nm，占总数的74.811%；中值孔隙直径为26.7 nm；直径>100 nm的孔隙很少，占总数的3.620%；形状系数平均为0.922，孔隙以椭圆形和近似圆形为主。

图5 各单井优质页岩段有机质孔隙直径分布图Fig.5 Pore diameter distribution of organic matter in each high quality shale section

图6 样品lnN(d)-lnd图Fig.6 The lnN(d)-lnd figure for different samples

图7 样品分形维数与共生有机质分布比例之间的关系Fig.7 Relationship between the fractal dimension and the distribution ratio of symbiotic organic matter

3 孔隙发育的影响因素

页岩中有机质孔隙的发育受有机质显微组分、赋存位置、埋藏深度、热成熟度、矿物组分类型及含量等多因素综合控制。本文前面的研究表明，测试样品中不同类型有机质中发育的有机质孔隙形态、直径等孔隙结构特征参数具有一定的差异性，不同类型有机质孔隙发育的影响因素也不一致。

3.1 上覆岩层压力

D区钻井测试揭示，不同单井优质页岩储层地层压力不一致，冉琦等[26]利用模拟声波地震反演，结合Fillippone 公式对研究区龙马溪组地层进行压力预测，结果为优质页岩段压力系数在平面上呈现自东南向西北逐渐增大的趋势。

D2、D4、D5、D6、D7井平均孔隙度相对较高，约为5.49%；而靠近东南翼、西南翼断裂区保存条件变差。D1、D3井的页岩储层流体压力降低，孔隙度出现明显降低。其中D1井的实测孔隙度为4.02%，D3井的实测孔隙度为4.13%，明显低于地层压力系数高的地区(表1，图8-A)。利用氩离子抛光、扫描电镜观测技术对D区不同单井页岩储层储集空间发育特征进行观察发现：储集空间均以有机质孔为主，随着上覆地层压力的增加，作用在页岩储层上的有效应力增强，部分有机质孔隙明显被破坏。以D1、D3井为例，显示其有机质孔隙虽然数量较多，但孔隙直径相对较小，多呈狭长形或扁平形，部分有机质孔逐渐转变为定向分布的扁平状中孔(图9-A～C) 。分析认为，随着成岩演化作用的进行，有机质孔隙在发育过程中遭受了强烈的压实作用，孔隙直径变小甚至可能消失。当地层上覆负荷增加速率大于储层孔隙流体排出速率时，部分上覆负荷由流体承担，孔隙流体压力增大，超压的形成阻碍了正常压实作用的进行，保存了部分孔隙[27]。以D2、D4、D5、D6、D7井为例，有机质孔隙多呈近似圆形或椭圆形，部分为不规则状及狭缝状(图9-D～I)。而当地层压力处于超压状态时，统计结果表明地层压力系数与有机质孔隙平均形状系数呈正相关性(图8-B)。分析认为，超压地层是一个由无机矿物+有机矿物+地层流体共同构成的多过程相互伴生、相互影响的物理-化学系统[28]，孔隙压力不同，部分有机质分布于矿物颗粒/晶体格架中，超压作用下，受到有机质边缘矿物颗粒的支撑及屏蔽作用，填隙状的有机质受到的压实作用减小，有机质孔隙形态相对较圆，孔隙直径较大，直径一般在20～60 nm，说明超压对于页岩有机质孔隙保存起重要保护作用。

图8 地层压力与孔隙度、孔隙平均形状系数的关系图Fig.8 The relationship between formation pressure and porosity and pore average shape coefficient

图9 D区单井优质页岩段不同地层压力条件下有机质孔特征Fig.9 Comparison of organic pore development of quality shale section of single well in D area under different formation pressure conditions(A)压力系数为1.01, 有机质孔隙扁平，D1; (B)和(C)压力系数为1.15，部分有机质孔隙被压实，D3; (D)和(E)压力系数为1.5，有机质孔隙呈椭圆形或近似圆形，D4; (F)压力系数为1.55，有机质孔隙呈椭圆形或近似圆形,D5; (G)和(H)压力系数为1.35，有机质孔隙呈椭圆形或近似圆形， D6; (I)压力系数为1.58， 有机质孔隙呈椭圆形或近似圆形， D7

3.2 矿物组成

观察发现部分有机质呈填隙状充填在硅质矿物、黄铁矿、伊利石等无机矿物颗粒间。在泥页岩成岩演化过程中，有机质与无机矿物同时沉积、相互作用，对应的不同类型孔隙演化规律不一致。黏土矿物作为泥页岩主要的矿物成分，粒度相对小、晶形较差，与黏土矿物共生的有机质多呈填隙状定向分布，部分有机质随黏土矿物发生弯曲变形。样品中黏土矿物含量与孔隙发育密度之间呈一定的正相关性(图10-A)，黏土矿物转化作用对邻近的有机质有明显催化作用[29]，伊利石等黏土矿物的增加有利于有机质赋存空间的增加，对应的有机质孔隙相对也较发育。黏土矿物格架中的有机质孔隙直径较大，部分相互连接形成串珠状，以近似椭圆形、不规则形和葫芦形为主(图11)。

张景廉等[30]、胡华[31]通过研究黄铁矿对有机质生烃等成岩作用的影响，指出有机质干酪根组分类型、演化程度高低与黄铁矿的含量及形态特征有关，黄铁矿及周围矿物中硫的含量直接影响到干酪根的活化能、反应速率，黄铁矿的形成过程中对有机质聚集和转化生孔有促进作用。在显微镜下观察，测试样品中黄铁矿的主要产状类型有条带状、草莓状以及立方体等。其中草莓状黄铁矿晶体间或边缘位置有机质较为发育，黄铁矿含量与有机质孔隙发育密度呈正相关关系(图10-B，图11)，说明黄铁矿集合体对有机质孔隙系统具有贡献，对应的有机质孔隙直径为20～70 nm，多呈近似椭圆形和不规则形状，部分相互连通。

图10 黏土矿物含量、黄铁矿含量与孔隙发育密度之间的关系Fig.10 The relationship between clay mineral & pyrite content and pore development density

图11 黏土矿物间、黄铁矿晶间有机质孔隙发育特征Fig.11 Development characteristics of intercrystalline organic pores in clay minerals and pyrite

4 结 论

a.基于不同有机质岩石学特征、发育成因及形态分布特征，将研究区龙马溪组页岩中的有机质划分为孤立有机质及共生有机质。其中共生有机质包括硅质矿物粒间孔中充填的固体沥青、黏土矿物粒间孔充填的有机质以及黄铁矿颗粒间充填的有机质等。

b. 研究区不同单井中有机质孔隙直径、形状系数及分形维数具有一定的差异性。其中孤立有机质中有机质孔隙以微孔和小孔为主，发育少量中孔，孔隙多呈孤立状分布，受有机质塑性影响，部分孔隙形态复杂，整体呈定向排列；共生有机质中有机质孔隙直径相对较大，偶见少量微孔，孔隙圆度相对较高。

c. 有机质孔隙的发育主要受地层压力及黏土矿物、黄铁矿等无机矿物分布的影响。其中超压对于页岩有机质孔隙保存起重要作用，超压的存在使得有机质受到的压实作用滞后或减小；此外，黏土矿物转化作用以及黄铁矿的形成也会对相邻的有机质聚集和转化生孔起明显催化作用，对应的有机质孔隙形态多呈椭圆形或近似圆形，孔隙直径相对较大，部分相互连通。

在页岩气勘探开发过程中，要重点关注有机质本身属性及有机质孔隙发育特征对页岩储层储集性能、气/水分布特征以及脆性矿物分布特征的影响，有机质孔隙演化与无机矿物演化之间的研究也可为综合评价页岩气勘探开发“甜点”段奠定基础。