中揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征及控制因素
——以湖南省永順地區(qū)永頁3井為例

洪 劍，唐 玄，張 聰，黃 璜，單衍勝，鄭玉巖，謝皇長

[1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 頁巖氣勘查與評價國土資源部重點實驗室，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083]

頁巖儲層中有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征及其主控因素是頁巖氣勘探開發(fā)的重要問題之一[1-3]。頁巖有機質(zhì)孔隙的表征方法[4-5]、發(fā)育特征[6-8]、形成機理[9-10]以及影響因素[11-14]等方面的研究已取得了重要的進展，這些成果和認識對指導(dǎo)南方海相頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。上揚子下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖具有厚度大、有機碳含量高與有機質(zhì)成熟度高等特點，是目前中國南方頁巖氣勘探開發(fā)的主要層位，以焦石壩氣田為代表的上揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探和開發(fā)已經(jīng)取得了巨大成功[15]。焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖脆性礦物含量高，有機質(zhì)孔隙極為發(fā)育，連通性好，為頁巖氣的富集和高產(chǎn)提供了優(yōu)越的孔隙儲集空間和流動通道[16]。但中揚子地區(qū)勘探尚未取得重大突破，其儲集性的問題可能是重要的制約因素。筆者以中揚子地區(qū)永頁3井龍馬溪組頁巖作為研究目標(biāo)，在頁巖有機地球化學(xué)特征和礦物含量特征分析基礎(chǔ)上，利用壓汞、低溫氮氣吸脫附和掃描電鏡及圖像分析，研究了該地區(qū)頁巖有機質(zhì)孔隙的發(fā)育特征，分析了有機質(zhì)孔隙發(fā)育的主控因素，為中揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖儲集性評價提供了基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

湖南省永順頁巖氣區(qū)塊位于上揚子地塊湘鄂西沖斷褶皺帶“桑植-石門復(fù)向斜帶”的西南部(圖1)，整體以發(fā)育具復(fù)雜結(jié)構(gòu)的擠壓逆沖構(gòu)造為特征[17]。該區(qū)域下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色富有機質(zhì)頁巖厚度為191～930 m，受控于海灣深水陸棚沉積相體系的邊緣，主要在全球性海平面下降和海域萎縮的背景上，形成于閉塞、半閉塞滯留海盆環(huán)境，為一套淺水-深水陸棚相沉積[18]。早志留世龍馬溪期是繼晚奧陶世以來上揚子地區(qū)盆山格局發(fā)生重大轉(zhuǎn)變的時期，該時期陸塊邊緣處于擠壓與褶皺造山過程，為形成古隆起的高峰階段，如雪峰隆起。在全球性海平面主體下降和海域萎縮的背景下，區(qū)內(nèi)東北部地區(qū)處于川東南滯留、低能、缺氧環(huán)境深水陸棚區(qū)的邊緣，由北東向南西總體上沉積環(huán)境的展布為：深水陸棚與淺水陸棚，其中深水陸棚沉積巖石類型總體以灰綠色、灰色頁巖和粉砂質(zhì)泥頁巖為主，夾薄層石英粉砂巖及細砂巖；淺水陸棚以淺灰色粉砂巖和砂巖沉積為主[19]。

圖1 湖南省永順地區(qū)永頁3井周邊區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Geological map showing Well YY3 and surrounding areas in Yongshun,Hunan Province

2 樣品采集與實驗方法

樣品取自于研究區(qū)內(nèi)的永頁3井下志留統(tǒng)龍馬溪組一段，共獲巖心樣品7塊(圖2)，巖性主要為深灰—灰黑色頁巖、砂質(zhì)頁巖和碳質(zhì)頁巖。為確定樣品的基本信息，對樣品分別進行了有機碳含量測定、顯微光度計測鏡質(zhì)體反射率、礦物X射線衍射分析、排水法測密度、煤油法測孔隙度，以上實驗均在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)完成。

借助壓汞和液氮吸附-脫附實驗對頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征進行分析，可以獲得各孔徑段比孔容和比表面積，實驗孔徑測量范圍為0.35～1 000 nm，涉及部分微孔和大部分中孔、大孔，實驗在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)頁巖氣勘查與評價國土資源部重點實驗室完成。選取4個樣品，將其處理成2 mm左右直徑的顆粒，進行12h烘干處理，再抽真空至壓力小于6.67 Pa，每樣取6 g在康塔PoreMaster壓汞上完成壓汞測試；選取5個樣品，將其研磨成200目的粉，每樣取3 g在康塔Autosorb-iQ比表面儀脫氣站進行9 h烘干-抽真空處理，再將樣品放置入儀器工作站中完成液氮等溫物理吸附-脫附實驗。

頁巖樣品按6 mm×6 mm×6 mm規(guī)格切割，將垂直于巖心的截面進行氬離子拋光處理后作為電鏡下的觀察面。本實驗在中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心實驗室完成，Zeiss Merlin Compact型掃描電鏡可獲得頁巖有機質(zhì)孔隙的高分辨率圖像(1 024×768 PPI)，并能對感興趣的區(qū)域利用附加的能譜儀進行測定。得到不同視域下的有機孔圖像后利用JMicroVision軟件進行圖像處理，每個樣品選取了30余張放大倍數(shù)在1萬倍以上的圖件，通過統(tǒng)計得到有機質(zhì)面孔率和有機孔孔徑分布，多次重復(fù)實驗獲取足夠多的鏡下圖像，能有效減少統(tǒng)計帶來的誤差，最后通過計算可以得到有機質(zhì)平均孔隙度和孔隙連通性參數(shù)C。

3 實驗結(jié)果

3.1 實驗結(jié)果

永頁3井龍馬溪組頁巖有機碳含量(TOC)值介于0.65%～3.81%，平均為1.87%，整體偏低，表現(xiàn)為上部低、下部高。龍一段粘土礦物含量介于25.2%～51.4%，平均含量為36.3%；脆性礦物含量介于43.8%～69.3%，平均含量為57.9%；黃鐵礦含量介于2.0%～12.2%，平均含量為5.7%；整體來看，自上而下粘土礦物逐漸減少，脆性礦物逐漸增多。選取龍一段上中下部樣品各一個進行了鏡質(zhì)體反射率(Ro)檢測，由上至下Ro分別為2.19%、2.40%和2.40%，有機質(zhì)演化程度較高。龍一段頁巖孔隙度分布范圍為1.03%～2.89%，平均孔隙度為2.06%，表現(xiàn)為上部低下部高。龍一段巖石密度介于2.59～2.74 g/cm3，平均為2.68 g/cm3，總體巖石密度較高(圖2)。

圖2 湖南省永順地區(qū)永頁3井地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Well YY3 in Yongshun,Hunan Province

3.2 頁巖孔隙類型

掃描電鏡下觀察到永頁3井龍馬溪組頁巖存在大量的無機礦物孔隙和有機質(zhì)孔隙，其分布和形態(tài)各異，存在多種亞類型。

3.2.1 基質(zhì)孔隙

永頁3井龍馬溪組頁巖礦物孔隙較為發(fā)育，主要發(fā)育兩種礦物孔隙類型：粒內(nèi)孔和粒(晶)間孔(圖3)。圖3a為脆性礦物的粒內(nèi)孔，這類孔主要形成于礦物顆粒的內(nèi)部，形態(tài)大部分都是不規(guī)則的，在晶體中間的孔隙在局部也常見，大部分可能是成巖過程中形成的，尤其是粘土礦物晶間或粒間孔隙較發(fā)育；圖3b，e和f中粘土礦物粒內(nèi)孔發(fā)育，脆性礦物顆粒間易見粒間孔；圖3c中粘土礦物與相鄰礦物顆粒常見粒間孔；圖3d是碳酸鹽礦物中的溶蝕孔。

3.2.2 有機質(zhì)孔隙

永頁3井龍馬溪組頁巖發(fā)育兩種不同成因有機質(zhì)類型：原生有機質(zhì)(干酪根)和遷移有機質(zhì)(瀝青)。在形貌學(xué)特征上，原生有機質(zhì)指頁巖沉積期間殘留下來的原生固體有機質(zhì)(干酪根)，孔隙發(fā)育很差的有機質(zhì)，在形態(tài)上多為較大的塊狀或條帶狀有機質(zhì)，與其接觸的無機礦物晶形不明顯。遷移有機質(zhì)指油前瀝青和油后瀝青，二者在形態(tài)上都多為較小的塊狀或絮狀有機質(zhì)，均發(fā)育有機質(zhì)孔，與其接觸的無機礦物具有較好的晶形[20-22]。

遷移有機質(zhì)粒內(nèi)孔(圖4a—g)，瀝青(油氣)在運移過程中被粘土礦物吸附或充填在礦物顆粒間孔隙中，經(jīng)后期油氣降解成氣和過程而形成了大量孔隙。這類孔隙形態(tài)多變，既有圓形、橢圓形，也有三角形及多邊形，還大量發(fā)育不規(guī)則的海綿狀孔隙，孔隙之間的連通性良好，孔徑大小多分布于20～100 nm。但這類孔隙的分布卻不均勻，即使是同一樣品中的兩塊有機質(zhì)，其孔隙數(shù)量、大小都有很大差異。圖4a和圖4e所示有機質(zhì)來自同一樣品，圖4a中有機質(zhì)大量發(fā)育不規(guī)則的海綿狀孔隙，孔隙數(shù)量極多，孔徑介于20～40 nm，而圖4e中的有機孔則相對更少，孔徑也更小。圖4g中有機質(zhì)充填于黃鐵礦顆粒之間，黃鐵礦顆?？箟盒詮?，顆粒之間相互支撐，為其中的有機質(zhì)提供了更為穩(wěn)固的空間，有利于有機孔的保存，有機質(zhì)多發(fā)育圓形或橢圓形氣泡孔，孔徑介于30～60 nm。

圖3 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段頁巖基質(zhì)孔隙掃描電鏡下特征Fig.3 SEM-revealed characteristics of pores in shale matrix the Longmaxi Formation in Well YY3,Yongshun,Hunan Provincea.龍一段二亞段，深度2 525.36 m，TOC為0.93%； b，c.龍一段一亞段，深度2 546.82 m，TOC為1.93%； d.龍一段三亞段，深度2 463.28 m，TOC為0.65%； e.龍一段一亞段，深度2 534.28 m，TOC為1.43%； f.龍一段一亞段，深度2 540.55 m，TOC為.58%

原生有機質(zhì)粒內(nèi)孔(圖4h—i)，這類有機質(zhì)內(nèi)部孔隙發(fā)育極差，在有機質(zhì)邊緣孔隙會相對更發(fā)育一些，但這類孔隙孔徑極小，多小于10 nm，孔隙分布較為孤立，孔隙間連通性極差；在有機質(zhì)與無機礦物接觸邊緣也可能會發(fā)育一些收縮縫，寬度多在10 nm左右。這類有機質(zhì)可能缺少良好的排烴通道，伴隨著干酪根的熱演化過程而生成了大量重質(zhì)組分，并滯留在有機質(zhì)內(nèi)，或者產(chǎn)生的有機孔被重新填堵；或者外部應(yīng)力擠壓作用下孔隙閉合，從而很難看到有機孔[23]。

3.3 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)

3.3.1 整體孔隙分布特征

從永頁3井龍馬溪組頁巖儲層段的壓汞測試分析資料來看，毛管壓力曲線表現(xiàn)為低孔隙度、低滲透率，進汞壓力大于1 MPa，大量進汞的壓力普遍在40 MPa，該區(qū)樣品主要具備兩種孔隙結(jié)構(gòu)特征(圖5)：一種是單峰型(YY1和YY2)，主要孔喉大小分布在20～250 nm；另外一種是雙峰型孔隙(YY5和YY7)，峰值主要分布在15～60 nm和200～1 000 nm。按照IUPAC分類標(biāo)準(孔隙度大于50 nm為大孔，孔隙度介于2～50 nm為中孔，孔隙度小于2 nm為微孔)，顯示該區(qū)頁巖孔隙類型以大孔為主。壓汞儀探測的最小孔徑下限取決于最大工作壓力，但也有儲層多具備低滲透率特征，壓力過高容易壓裂頁巖樣品使得分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，因此單一使用壓汞資料無法全面反映頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征。

圖4 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段頁巖有機質(zhì)孔隙掃描電鏡下特征Fig.4 SEM-revealed characteristics of pores in organic matters of Longmaxi Formation shale from Well YY3 in Yongshun,Hunan Provincea,e,h.龍一段一亞段，深度 2 534.28 m ,TOC為1.43%;b,c,d,g.龍一段一亞段，深度2 540.55 m,TOC為1.58%;f.龍一段二亞段，深度2 525.36 m,TOC為0.93%;i.龍一段一亞段，深度 2 543.09 m,TOC為3.81%；a＇，c＇，e＇分別為a,c,e圖的局部放大

根據(jù)吸脫附實驗可以得到永頁3井龍馬溪組頁巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(圖6)，永頁3井龍馬溪組頁巖多點BET比表面積在6.766～21.022 m2/g，平均為11.84 m2/g，變化范圍也較大，BET比表面積越大，說明巖石越致密，相應(yīng)的孔隙直徑就越??；平均孔直徑在2.54～6.26 nm，平均為4.32 nm，與BET比表面積有較好的負相關(guān)性；在給出的吸脫附等溫線基礎(chǔ)上，采用BJH法算出該井樣品的孔徑分布，樣品總體上以2～50 nm的中孔為主，隨深度的增大，樣品中的小于20 nm的孔隙占比逐漸增多，實驗測試樣品的最可幾孔徑均在4 nm左右；比孔容變化較小，介于10.46×10-3～13.35×10-3cm3/g，與BET比表面積有較好的正相關(guān)性。

圖5 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段頁巖壓汞法測孔徑Fig.5 Pore size distribution in the Longmaxi Formation shale from Well YY3 in Yongshun,Hunan Province (measured with mercury injection)a.孔徑分布頻率；b.壓汞實驗毛細管壓力變化曲線

圖6 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段頁巖氮吸附孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.6 Pore structures measured with nitrogen adsorption in Longmaxi Formation shale from Well YY3 in Yongshun,Hunan Provincea.等溫氮氣吸附實驗曲線；b. BET比表面積與頁巖比孔容關(guān)系；c. BET比表面積與頁巖平均孔徑關(guān)系

3.3.2 有機質(zhì)孔隙分布

1) 有機質(zhì)面孔率

壓汞和低溫氮氣吸附實驗結(jié)果反映了頁巖整體孔隙分布面貌，但是不能提供頁巖不同組分中孔隙分布狀況。利用SEM圖像分析的辦法，在有機質(zhì)和有機孔識別的基礎(chǔ)上，開展了有機質(zhì)孔隙的定量表征工作(圖7)。有機質(zhì)面孔率采用公式(1)與公式(2)進行計算：

(1)

(2)

式中：Φsn表示n號樣品有機質(zhì)面孔率，%；Spn表示n號樣品有機質(zhì)孔隙總面積，nm2；Son表示n號樣品有機質(zhì)總面積，nm2；Φas表示所有樣品的平均有機質(zhì)面孔率，%；WTOCn表示n號樣品TOC值，%。

統(tǒng)計結(jié)果表明(表1)，永頁3井龍馬溪組頁巖局部有機質(zhì)面孔率最高可達到20%左右，各樣品平均有機質(zhì)面孔率介于為1.93%～11.09%，所有樣品平均有機質(zhì)面孔率為6.99%。一般來說，有機質(zhì)面孔率對遷移有機質(zhì)有著較好的響應(yīng)，樣品有機質(zhì)面孔率越高，那說明樣品中的遷移有機質(zhì)所占比例就越高。由于受電鏡分辨率和處理軟件精度的影響，對于小于3 nm的孔徑的統(tǒng)計存在一定誤差，因此孔隙數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果遠小于實際孔隙數(shù)量，有機質(zhì)面孔率的統(tǒng)計結(jié)果也會相應(yīng)偏小。

2) 有機質(zhì)孔徑分布

掃描電鏡下有機孔形狀非常復(fù)雜，孔徑大小與其形狀有著最直接的關(guān)系，即便是面積相近的兩個孔隙其孔徑也有可能相差很大；因此，為了表征有機孔的孔徑，引入等效圓直徑概念，即一個具有與有機質(zhì)孔隙面積相同面積的圓的直徑，它表征的是一個孔隙總體上的平均孔徑。統(tǒng)計結(jié)果表明(圖8)，永頁3井龍馬溪組頁巖有機孔平均孔徑為36.6 nm，最大孔徑可達465 nm，其孔隙直徑主要分布于10～50 nm，占總數(shù)的76.7%，孔徑為50～100 nm的孔隙次之，占總數(shù)的19.2%，孔徑小于2 nm和大于100 nm的孔隙很少，分別占總數(shù)的2.5%和1.7%?？傮w上，隨著樣品深度變大，孔徑大于50 nm的有機孔逐漸減少，孔徑介于2～50 nm的有機孔逐漸增多，YY1—YY4號樣品中均有較多孔徑大于50 nm的孔隙發(fā)育，YY5—YY7號只發(fā)育了較少孔徑大于50 nm的孔隙。壓汞測試所得的孔徑分布是包含有機孔在內(nèi)的所有孔隙的孔徑分布，孔徑在20～500 nm都有較大比例的分布，通過與有機孔孔徑分布對比可知，孔徑大于100 nm的孔隙主要由基質(zhì)孔隙貢獻，有機孔對孔徑介于10～100 nm的孔隙有極大的貢獻。

圖7 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段SEM下有機質(zhì)孔隙的圖像識別Fig.7 SEM image recognition of organic-matter pores from the first member of the Longmaxi Formation from Well YY3 in Yongshun,Hunan Provincea.龍一段二亞段，深度2 525.36 m ,有機質(zhì)面孔率為18.9%； b.龍一段二亞段，深度2 540.55 m ,有機質(zhì)面孔率為16.5%

表1 湖南省永順地區(qū)龍馬溪組樣品有機質(zhì)孔隙參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Organic-matter pore parameters for the Longmaxi Formation shale in Yongshun,Hunan Province

圖8 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段樣品孔徑分布統(tǒng)計結(jié)果Fig.8 Pore size distribution statistics of samples from the first member of the Longmaxi Formation from Well YY3 in Yongshun,Hunan Provincea.有機質(zhì)孔隙孔徑分布； b.有機質(zhì)孔隙與無機礦物孔隙的孔徑分布對比

3) 有機質(zhì)孔隙度

有機質(zhì)孔隙度的表征是頁巖微觀結(jié)構(gòu)研究的難點，通過物理實驗方法很難準確計算其大小，本文在圖像分析有機質(zhì)面孔率的基礎(chǔ)上建立了一個有機質(zhì)孔隙度評價模型。假設(shè)某樣品各個視域內(nèi)的有機質(zhì)面孔率是相等或接近的，那么可以用同一樣品若干圖像中有機孔的面和積與視域的面積和的比值來近似表示該樣品的有機質(zhì)孔隙度，需要注意的是這個比值表示的是有機孔體積占頁巖總體積的比值，而有機質(zhì)本身的孔隙度則是用面孔率來近似表示。

(3)

(4)

式中：Φ有機質(zhì)表示頁巖有機質(zhì)孔隙度，%；n表示統(tǒng)計的總圖像數(shù)，無量綱；S有機孔表示表示有機孔隙面積，nm2；S表示視域總面積，nm2；Φs表示有機質(zhì)面孔率，%；ρ頁巖表示頁巖密度，g/cm3；ρ有機質(zhì)表示有機質(zhì)密度，取值1.2 g/cm3[24]；Φa表示所有樣品的平均有機質(zhì)孔隙度，%；Φn表示n號樣品的有機質(zhì)孔隙度，%；WTOCn表示n號樣品TOC值，%。

圖9 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段頁巖有機質(zhì)孔隙度與總孔隙度關(guān)系Fig.9 Relationship between pores in organic matters and total pores in samples from the first member of the Longmaxi Formation from Well YY3 in Yongshun,Hunan Province

計算結(jié)果(表1)顯示，永頁3井龍一段頁巖有機質(zhì)孔隙度主要介于0.028%～0.471%，平均有機質(zhì)孔隙度為0.337%，有機質(zhì)孔隙發(fā)育一般。有機質(zhì)孔隙對頁巖總孔隙的貢獻介于2.5%～17.5%，平均貢獻率為16.4%，有機質(zhì)孔總體貢獻率偏低(圖9)。但考慮到一部分小于3 nm的有機質(zhì)孔并未被統(tǒng)計到，所以實際的有機質(zhì)孔隙度和對總空隙的貢獻率應(yīng)該更大。

4) 有機質(zhì)孔隙連通性參數(shù)

有機質(zhì)孔隙連通性的表征一直是孔隙研究的難點，孔隙連通性表示的是孔隙之間的相互連通關(guān)系，一般通過以下參數(shù)來表征：①孔喉配位數(shù)，孔指連接每一個孔隙的喉道數(shù)量；②孔喉平均直徑比，為孔隙平均直徑與喉道平均直徑的比值，反映孔隙和喉道之間的大小差別。這兩個參數(shù)在對單個連通孔隙進行表征時具有較好的效果，但當(dāng)孔隙數(shù)量較多時就難以反映樣品整體的孔隙連通情況，本文基于SEM圖像提出了一種有機質(zhì)孔隙連通性的二維表征方法。其基本假設(shè)認為(圖10)：連通孔是由多個孔隙通過若干喉道相連而形成的一個“大孔”，在掃描電鏡圖像上表現(xiàn)為面積較大、形態(tài)較復(fù)雜、具有喉道結(jié)構(gòu)的孔隙，而孤立孔隙則是不與其他孔隙相連的單個“小孔”，在掃描電鏡圖像上表現(xiàn)為面積較小、橢圓形或近圓形、不具有喉道結(jié)構(gòu)的孔隙：盡管本方法可能受到掃描電鏡放大倍數(shù)的影響，倍數(shù)越高孔隙邊緣不規(guī)則形貌更多顯現(xiàn)出來，但是當(dāng)孔隙長寬比遠大于1(?1)的情況可視為多個孔隙疊加或者連通的結(jié)果。

圖10 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段孔隙連通性參數(shù)示意圖及其與有機質(zhì)面孔率關(guān)系Fig.10 Schematic diagram showing the connectivity parameters and their relationship with organic-matter thin section porosity of samples from the first member of the Longmaxi Formation in Well YY3,Yongshun,Hunan Provincea.有機孔連通性模型；b.有機孔面孔率與連通性關(guān)系

(5)

(6)

式中：C表示有機質(zhì)孔隙連通性參數(shù)，無量綱；Sc表示視域內(nèi)有機質(zhì)連通孔面積和，nm2；Si表示視域內(nèi)有機質(zhì)孤立孔面積和，nm2；Ca表示所有樣品的平均連通性參數(shù)，無量綱；Scn表示n號樣品視域內(nèi)有機質(zhì)連通孔面積和，nm2；Sin表示視域內(nèi)有機質(zhì)孤立孔面積之和，nm2。

連通性參數(shù)C的值介于0～1，C值越大表示該樣品有機質(zhì)孔隙連通性越好、平均孔徑較大、孔隙結(jié)構(gòu)普遍較復(fù)雜，C越小表示表示該樣品有機質(zhì)孔隙連通性越差、平均孔徑較小、孔隙結(jié)構(gòu)普遍較簡單。統(tǒng)計結(jié)果表明(表1)，永頁3井龍馬溪組頁巖樣品的有機孔連通性參數(shù)C的值介于0.211 2～0.614 7，總體上表現(xiàn)為龍一段上部有機孔的連通性相對較差，孔隙多為近圓形或橢圓形的“小孔”，龍一段下部有機孔的連通性較好，孔隙多為不規(guī)則形態(tài)的“大孔”。有機質(zhì)孔連通性參數(shù)與有機質(zhì)面孔率之間具有較好的正相關(guān)性(圖10)，這說明隨著有機質(zhì)本身的孔隙不斷發(fā)育，數(shù)量龐大的喉道迅速地將其內(nèi)部主要的孤立孔隙連接起來了，并被納入到發(fā)達的有機質(zhì)孔隙系統(tǒng)中，有機質(zhì)本身孔隙越發(fā)育，其孔隙連通性就越好。

4 有機質(zhì)孔隙發(fā)育的主控因素

4.1 有機質(zhì)類型的影響

在本文中，有機質(zhì)類型指的是遷移有機質(zhì)和原生有機質(zhì)(干酪根)，上述兩者都是有機質(zhì)演化過程中不同時期的產(chǎn)物，兩者自身的化學(xué)組分卻是不相同的，但目前關(guān)于有機質(zhì)顯微組分對有機質(zhì)孔隙發(fā)育的影響的研究尚處于摸索階段。在掃描電鏡觀察的基礎(chǔ)上，首先通過形貌學(xué)特征對有機質(zhì)類型進行鑒別，再結(jié)合能譜儀對有機質(zhì)元素組成進行定量分析，并建立起有機質(zhì)類型的能譜識別標(biāo)志。本次研究總計進行了84個點的有機質(zhì)能譜測試，其中包括遷移有機質(zhì)44個點，原生有機質(zhì)40個點。遷移有機質(zhì)C元素平均百分比為63.59%，O元素平均百分比為22.62%；原生有機質(zhì)C元素平均百分比為83.97%，O元素平均百分比為9.72%。測試結(jié)果表明，兩種類型的有機質(zhì)在C元素和O元素的原子百分比上有明顯的區(qū)別(圖11)，證實了有機質(zhì)形貌學(xué)特征分類的可靠性，也是鑒別有機質(zhì)類型的一個新方法。通過大量掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，不同類型有機質(zhì)的孔隙發(fā)育程度有明顯的差別(圖11)，原生有機質(zhì)孔隙發(fā)育極差或基本不發(fā)育孔隙，是因為干酪根在演化過程中主要是排出液態(tài)的烴類，而生氣較少，不易產(chǎn)生大量“氣孔”；而遷移有機質(zhì)孔隙發(fā)育較好，局部甚至發(fā)育海綿狀的孔隙，是因為被干酪根排出的液態(tài)瀝青被滯留在巖石中，并在后續(xù)演化過程中大量裂解生氣，液態(tài)瀝青逐漸向著固態(tài)瀝青演化，有機質(zhì)內(nèi)部形成了大量連通性極好的“氣孔”，生成的氣體一部分被排出有機質(zhì)，另一部分則被保留在有機質(zhì)內(nèi)部。

4.2 有機碳含量的影響

不同有機碳含量的樣品有機質(zhì)孔隙發(fā)育有明顯的差異。從表2可知，龍一段頁巖TOC介于0.65%～3.81%，呈現(xiàn)出TOC上部低下部高的特點，有機質(zhì)孔隙度也表現(xiàn)出上部低下部高的特點。TOC值與有機質(zhì)孔隙度之間總體上呈正相關(guān)性，但有機質(zhì)孔隙度并不是一直隨TOC值的增高而增高；當(dāng)TOC值過高時，有機質(zhì)孔隙度反而減小。對永頁3井龍馬溪組頁巖而言，當(dāng)TOC值介于1.5%～3.0%時，機質(zhì)孔隙相對更為發(fā)育(圖12a)，在這一區(qū)間中，隨著熱演化有機質(zhì)不斷被消耗，有機質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生大量孔隙，滯留在巖石中的遷移有機質(zhì)也發(fā)育了大量的孔隙；但當(dāng)TOC大于3%后，過高的TOC值使有機質(zhì)開始碳化，在有機質(zhì)排出部分氣體后，由于壓實作用和生烴過程中異常壓力的存在，致使有機質(zhì)孔隙邊緣容易出現(xiàn)坍塌，導(dǎo)致有機質(zhì)孔隙閉合或變小，這不僅使有機質(zhì)孔隙度減小，也使孔隙孔徑發(fā)生很大變化；有機質(zhì)孔隙孔徑的大小與TOC值之間存在顯著的線性關(guān)系，TOC值越大，有機質(zhì)孔徑就越小(圖12b)。對于永頁3井龍一段頁巖而言，TOC是有機質(zhì)孔隙形成的物質(zhì)基礎(chǔ)和主要因素，但TOC值并不是越高越好，而是應(yīng)該存在一定的最佳范圍，且這個范圍可能因地而異，較高熱演化程度下適當(dāng)?shù)挠袡C碳含量才是有機質(zhì)孔隙發(fā)育的關(guān)鍵因素[25-27]。

4.3 礦物的影響

永頁3井龍一段頁巖有機質(zhì)孔隙度總體上與脆性礦物含量呈正相關(guān)性，與粘土含量呈負相關(guān)性(圖13)。這是因為龍馬溪組頁巖主要來自于淺-深水陸棚相沉積，富含大量生物，含硅質(zhì)(如硅藻、放射蟲、海綿骨針等)及碳酸鹽礦物的(如有孔蟲和超微化石等)生物的富集提供了生物成因的脆性礦物，具有高TOC值和高脆性礦物含量。因此龍馬溪組頁巖有機質(zhì)含量越高，有機質(zhì)孔隙度和脆性礦物含量就越高[28]。

粘土礦物含量的增大雖然使有機孔貢獻的總體積減小，但也使有機質(zhì)自身的面孔率增大(圖13)，為了進一步探討粘土礦物對有機質(zhì)孔隙發(fā)育的影響，需要從更微觀的角度來進行研究分析有機質(zhì)本身孔隙發(fā)育程度與周圍粘土礦物的關(guān)系。通過大量的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，即使同一視域中的有機質(zhì)孔隙發(fā)育程度也存在明顯的差異(圖14)，有機質(zhì)其中一側(cè)與粘土礦物大面積接觸，粘土礦物的無機孔很發(fā)育，并且有較多粘土礦物混入了有機質(zhì)中，這部分有機質(zhì)孔隙相對發(fā)育，這說明粘土礦物對有機質(zhì)孔隙的發(fā)育起著一定程度的催化作用，粘土礦物發(fā)達的基質(zhì)孔隙系統(tǒng)也給有機質(zhì)排烴提供了暢通的通道；有機質(zhì)的另一側(cè)與粘土礦物接觸相對更少，有機質(zhì)被周圍的礦物緊密包裹，使有機質(zhì)缺少良好的排烴通道，也使粘土礦物對有機質(zhì)的催化作用減弱，從而導(dǎo)致這部分有機質(zhì)孔隙發(fā)育較差。上述現(xiàn)象在樣品中被大量觀察到，說明在微觀尺度下，粘土礦物易吸附有機質(zhì)，并對有機質(zhì)的排烴過程起著積極作用，從而促進有機孔的發(fā)育。

圖12 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育情況與TOC關(guān)系Fig.12 Organic-matter pore development and its relationship with TOC values of samples from the first member of Longmaxi Formation in Well YY3,Yongshun,Hunan Provincea. TOC值與頁巖有機質(zhì)孔隙度呈正相關(guān)； b. TOC值與頁巖有機孔孔徑大小呈負相關(guān)

圖13 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段頁巖礦物含量與有機質(zhì)孔隙關(guān)系Fig.13 Relationship between mineral contents and organic-matter pores in samples from the first member of the Longmaxi Formation from Well YY3,Yongshun,Hunan Provincea.有機質(zhì)孔隙度與粘土礦物以及脆性礦物含量的關(guān)系； b.有機質(zhì)面孔率與粘土礦物含量關(guān)系

圖14 湖南省永順地區(qū)永頁3井龍一段頁巖粘土礦物含量與有機質(zhì)面孔率關(guān)系Fig.14 The effect of clay mineral content on the organic pore development in Long 1 member shale from Well YY3 in Yongshun area,Hunan Provincea.龍一段一亞段，深度2 541.48 m； b.龍一段一亞段，深度2 546.82 m

5 結(jié)論

1) 中揚子地區(qū)龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，具有較高TOC含量(0.65%～3.81%)，較高成熟度(Ro為2.33%)，較低孔隙度的特征(1.03%～2.89%)。

2) 中揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖主要發(fā)育粒內(nèi)孔和粒間孔這兩類基質(zhì)孔隙，是頁巖儲集空間的主要貢獻者；中揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖發(fā)育大量納米級的有機質(zhì)孔隙，平面形態(tài)主要為較大的圓形氣泡孔和較小的不規(guī)則海綿孔，根據(jù)其形態(tài)、結(jié)構(gòu)及成因?qū)⑵鋭澐譃榭紫断鄬Πl(fā)育的遷移有機質(zhì)和孔隙發(fā)育較差的原生有機質(zhì)。

3) 中揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙的發(fā)育存在非均質(zhì)性，在成因上受控于多種因素：遷移有機質(zhì)是有機質(zhì)孔隙發(fā)育的有利條件；脆性礦物含量指示較高的有機質(zhì)孔隙度，但在微觀尺度上粘土礦物對有機孔發(fā)育起著積極作用；較高熱演化程度下適當(dāng)?shù)挠袡C碳含量是有機質(zhì)孔隙發(fā)育的關(guān)鍵因素。