川东南龙马溪组页岩孔隙演化特征研究

胡微雪 刘 洪 靳雅夕 刘 峰 范小俊 张 蕾 陈建文

(1. 中国石化华东分公司非常规油气资源实验中心， 江苏 扬州 225007； 2. 重庆科技学院， 重庆 401331)

页岩气藏具有自生自储的特点，其储集空间与常规油气藏的储层空间存在显著差异。页岩储层中，除了以矿物颗粒支撑的无机质孔隙和成岩裂缝外，还包含大量的有机质孔隙和有机质生烃作用造成的收缩缝等[1-3]。四川盆地龙马溪组是页岩气勘探开发的主要目的层，勘探前景广阔。本次研究，以热模拟实验为依托，通过氩离子抛光-扫描电镜实验，分析彭水区块龙马溪组页岩的孔隙特征及孔隙发育机制，总结页岩孔隙演化的一般规律。

1 区域地质背景及样品采集

近年来，四川盆地及其周缘志留系页岩气勘探取得了突破性进展，川东南地区已成为中石化的页岩气勘探开发主战场。本次研究的页岩样品，主要采集自彭水区块的志留系龙马溪组。彭水区块处于四川盆地边缘，属于川东南 — 湘鄂西“槽 — 挡”过渡带，发育复背斜和复向斜，整体在龙马溪组和五峰组处相对连续，有利于页岩气储存。区块内，上奥陶统五峰组 — 下志留统龙马溪组的优质页岩，厚度为30～50 m，埋深小于4 000 m，分布面积约2 250 km2。在晚奥陶世至志留纪期间，区内沉积环境是由滨岸潮坪环境向陆棚环境过渡。龙马溪组下部发育有一套富含有机质的优质页岩，岩性以黑色页岩为主，是目前最具商业开发潜力的页岩层位。龙马溪组的中上部主要为深灰、灰色粉砂质泥岩。

我们采用热模拟实验半开放压实系统，依据干酪根热降解成烃原理和有机质热演化的时间-温度补偿原理进行孔隙演化；在300～550 ℃的温度下进行实验；压力条件，根据埋藏史图计算，设置为14～30 MPa。

2 优质页岩层段的孔隙特征

实验用页岩样品来自彭页A井龙马溪组。其岩性主要为黑色炭质页岩、黑色页岩，中间发育有粉砂岩或含粉砂页岩。页岩成分中主要为石英和黏土矿物，同时含有长石、碳酸盐矿物、黄铁矿、笔石等。页岩致密坚硬，水平层理发育。优质页岩段的埋深为2 126 — 2 160 m，厚度达34 m。根据埋深、总有机碳TOC、镜质体反射率Ro等参数，可将优质页岩段由下而上分为5个小层(见表1)。

表1 彭页A井龙马溪组优质页岩段储层特征

优质页岩段的各小层在矿物组分、TOC和Ro等方面存在一定的差异。各小层的Ro差异不大，但自上而下呈现逐渐变小的趋势。各小层的矿物组合类型基本一致，主要为石英、黏土矿物，其次为长石和碳酸盐矿物；而在含量上，中间第3小层的石英含量最高，其黏土矿物含量则较低。第3小层的TOC值也是最高的。

根据氩离子抛光-扫描电镜观测结果，彭页A井优质页岩段的孔隙主要为有机孔，下层比上层孔隙更为发育，而处于中间位置的第3小层孔隙最为发育。

第5小层，孔隙以有机孔为主，自上而下有机孔越来越发育。上部有机孔欠发育，仅黄铁矿粒间的有机孔可见少量孔隙。中部有机质多伴生少量黏土矿物，孔隙开始发育。下部有机质伴生大量黏土矿物，孔隙较发育。第5小层中无机孔较少，主要为溶蚀孔(见图1)。

图1 第5小层孔隙特征

第3小层，孔隙主要为有机孔。与第5小层类似，自上而下孔隙逐渐开始发育。上部有机孔欠发育。中部孔隙较发育，但孔径多为数十纳米。下部孔隙发育，呈海绵状，孔径可达数百纳米，局部伴生少量黏土矿物。其中，无机孔主要为有机质或者矿物颗粒间的微缝(见图2)。

图2 第3小层孔隙特征

第1小层，孔隙以有机孔为主。自上而下孔隙发育情况一致，孔径从几十纳米到几百纳米不等，但连通性一般。有机质中几乎不伴生其他矿物，局部填充于黄铁矿粒间。其中的无机孔，以溶蚀孔和黄铁矿粒间孔为主(见图3)。

图3 第1小层孔隙特征

3 页岩孔隙演化特征

3.1 页岩有机质孔隙类型

通过页岩热模拟实验，研究不同热演化程度下的页岩有机质孔隙特征。结果显示，不同类型有机质的孔隙特征，在热模拟实验过程中具体表现为5种类型：收缩缝、海绵状有机孔、环带状有机孔、圆球状有机孔和黄铁矿晶间有机孔(见图4)。

图4 热模拟实验呈现的主要有机孔类型

收缩缝，多在长条状或者块状有机质上出现。这类有机质一般碳含量很高，能谱显示碳含量多在95%以上；内部几乎不伴生其他矿物，且孔隙欠发育。收缩缝出现在有机质和周缘的矿物颗粒间，与常规砂岩中的贴粒缝极为类似。

海绵状有机孔，这是页岩储层中最常见的有机孔类型，大多孔径较小，但分布广泛，常均匀密集地分布于整块有机质之上。从大量的SEM(扫描电镜图像)中发现，没有伴生黏土矿物的海绵状有机孔，多呈现孔径大小均一的特征；而伴生有黏土矿物的有机质，糜棱化作用会使黏土矿物周缘的孔隙更大一些。已有研究表明，页岩劈理域中发育的糜棱结构，使得有机质颗粒与黏土矿物颗粒充分混合，形成了独特的孔隙网络体系[4]。

环带状有机孔，常呈现为一个或多个中空的具有环带状结构的大孔。除此之外，有机质几乎不发育其他较小的孔隙。有机孔的环带形状受限于有机质颗粒的形状，随着温度的升高，环带状孔隙不断变大且逐渐外扩。这类有机质包含有大量黏土矿物的主要元素，是一种有机黏土复合体。

圆球状有机孔，这是发育在有机硅质复合体上的孔隙。能谱的结果表明，这类有机质中圆球状的颗粒为硅质颗粒，推测为生物成因的硅质。硅质颗粒表现出更强的化学活性，对于有机质孔隙的发育是极为有利的。

铁矿晶间有机孔，是页岩中最常见的孔隙类型之一，一般发育在黄铁矿晶间的有机质上，而黄铁矿集核外部的有机质不发育孔隙。

在温度为250～350 ℃这个阶段是有机质的生烃高峰期，伴随生成的大量有机孔是孔隙体积增加的主要贡献者。在热模拟过程中，孔隙增加、孔径增大的主要是中孔和大孔。

3.2 页岩孔隙演化规律

根据实验结果，优质页岩段页岩的有机孔，表现出从无到有、从小到大而后又从大到小的变化过程。在上部有机质孔隙不发育，往下则逐渐开始发育，且孔径越来越大，当孔径达到相对最大值后又逐渐开始减小。我们认为，页岩有机孔的演化过程均遵循着这一规律。

在热演化过程的初期，生烃作用起到主要作用，页岩有机孔逐步形成，并且呈现圆度高、孔隙随机分布的特征。随着热演化过程的持续，有机孔的孔径逐渐增大，孔隙之间逐步连通，并形成孔隙网络，孔隙总体积逐步达到峰值。随着热演化程度的进一步加深，生烃作用减弱，内在动力逐渐丧失，此时保存条件成为主要因素，而埋深加大使得上覆地层压力增加，压实作用增强，孔隙被压扁，导致圆度降低，并且被不断分割变小，直至最后消失[5-6]。

3.3 孔隙演化的影响因素

大量研究表明，在生烃过程中，孔隙演化受到有机碳含量、成熟度、有机质类型、矿物组分等内因和压实作用、成岩流体、温度、压力等外因的双重影响[7-9]。在整个页岩有机质热演化过程中，有机质的生烃作用是页岩有机孔发育的内在动力，上覆地层压力和围压是影响孔隙的外部因素。

Curits等人对比分析了北美页岩的特征，发现有机质孔的发育程度与有机碳含量关系不明显[7]。我们认为，在页岩孔隙演化过程中，有机碳含量控制着有机孔的宏观占比，TOC值的高低对有机孔在整个页岩储集空间中的占比有很大影响，但对有机质本身的孔隙发育程度影响不大。

有机质成熟度Ro在生烃过程中，更多的是控制着生烃作用的进程，控制着有机孔隙生成的时间，但是它并不能控制孔隙生成的规模。这在实验中表现为：样品中成熟度相同的有机质仍然存在孔隙发育的差异；同时随着成熟度的增加，页岩孔隙总体积和孔径尺寸是先变大而后变小，不是随成熟度增加而一直变大。

有机质类型及其伴生矿物，是影响有机孔发育程度的主要因素。不同类型的有机质具有不同的生烃潜力，有机孔发育情况的差异是其生烃潜力不同的具体表现。伴生矿物中的黏土矿物，在有机孔演化过程中会起到2种作用：一是糜棱化作用，使有机质颗粒与黏土矿物充分混合，形成独特的网状孔隙；一是以元素的形式参与到生烃过程中，对孔隙演化起到催化作用。硅质颗粒具有更强的化学活性，使有机质生烃能力变强，容易形成孔隙。黄铁矿与有机质相互作用，它在有机质生烃过程形成，而对孔隙演化又有一定的催化作用[10]。

4 结 论

川东南地区龙马溪组页岩的有机孔主要发育在有机碳含量较高的层位，同时它受控于石英和黏土矿物的含量。石英含量相对高而黏土矿物含量相对低的层位，对于孔隙的保存更为有利，整体上其孔隙及裂缝的发育情况最好。

在热模拟实验过程中，有机质孔隙特征表现为收缩缝、海绵状有机孔、环带状有机孔、圆球状有机孔和黄铁矿晶间有机孔5种类型。在温度为250～350 ℃这个阶段，是有机质的生烃高峰期，其中伴随生成的大量有机孔是孔隙体积增加的主要贡献者；在热模拟过程中，孔隙增加、孔径增大的主要是中孔和大孔。

页岩中的总有机碳含量控制着宏观的有机孔占比，有机质成熟度控制着有机孔发育的时机，有机质类型及其伴生矿物则是影响有机孔发育程度的主要因素。对有机质孔隙发育产生影响的伴生矿物主要有黏土矿物、硅质颗粒及黄铁矿，在生烃过程中它们也扮演着非常重要的角色。