针对页岩有机质孔隙发育的强非均质性及形成演化的复杂性,运用场发射扫描电镜、拉曼光谱和流体注入与CT/扫描电镜成像等实验技术,开展南方下古生界富有机质页岩显微组分、有机孔和连通性等分析,结合生排烃机制、有机质活性炭成孔机理等研究成果,探索有机孔发育与有机质类型、生烃过程、成岩作用和孔隙压力等内在联系,揭示页岩有机质孔隙的形成与保存机制及其连通性的控制因素。研究表明,①有机孔形成贯穿于生烃全过程,受制于有机质类型、成熟度和分解作用,干酪根与固体沥青的生烃组分及差异生烃演化造成不同的孔隙发育特征,有机孔主要发育于固体沥青和富氢干酪根;②有机孔保存受成熟度和成岩作用控制,包括烃类原位滞留的空间位阻效应、重结晶形成的刚性矿物格架、孔隙流体压力与页岩脆-延性转换的耦合支撑机制;③ Ro值4.0%是有机孔消亡的成熟度门限值,指出 Ro值大于3.5%的页岩层属于页岩气勘探高风险区,其低含气性归因于“先天不足”,烃源岩抬升前就处于开放状态,排烃效率高,芳构化强烈,使得成熟度升高,孔隙减少;④同一有机质颗粒内部孔隙具较好连通性,不同有机质孔隙及其与无机孔缝之间形成有效连通则取决于页岩有机质丰度、分布及孔缝发育程度,不同类型有机质高丰度聚集保存并呈纹层状分布是有机孔、粒缘缝和层理缝发育并连通成为有效储集层的先决条件。 图14 表3 参29
In view of strong heterogeneity and complex formation and evolution of organic pores, field emission scanning electron microscopy (FESEM), Raman spectrum and fluid injection + CT/SEM imaging technology were used to study the macerals, organic pores and connectivity of organic pores in the lower Paleozoic organic-rich shale samples from Southern China. Combined with the mechanism of hydrocarbon generation and expulsion and pore forming mechanism of organic matter-based activated carbon, the relationships between organic pore development and the organic matter type, hydrocarbon generation process, diagenesis and pore pressure were explored to reveal the controlling factors of the formation, preservation and connectivity of organic pores in shale. (1) The generation of organic pores goes on through the whole hydrocarbon generation process, and is controlled by the type, maturity and decomposition of organic matter; the different hydrocarbon generation components and differential hydrocarbon-generation evolution of kerogen and solid asphalt lead to different pore development characteristics; organic pores mainly develop in solid bitumen and hydrogen-rich kerogen. (2) The preservation of organic pores is controlled by maturity and diagenesis, including the steric hindrance effect of in-situ hydrocarbon retention, rigid mineral framework formed by recrystallization, the coupling mechanism of pore-fluid pressure and shale brittleness- ductility transition. (3) The Ro of 4.0% is the maturity threshold of organic pore extinction, the shale layers with Ro larger than 3.5% have high risk for shale gas exploration, these shale layers have low gas contents, as they were in an open state before uplift, and had high hydrocarbon expulsion efficiency and strong aromatization, thus having the "congenital deficiency" of high maturity and pore densification. (4) The pores in the same organic matter particle have good connectivity; and the effective connectivity between different organic matter pores and inorganic pores and fractures depends on the abundance and distribution of organic matter, and development degree of pores and fractures in the shale; the accumulation, preservation and laminar distribution of different types of organic matter in high abundance is the prerequisite for the development and connection of organic pores, grain margin fractures and bedding fractures in reservoir.
本文选取四川盆地及周缘海相页岩气部分探井的富有机质页岩, 采用场发射扫描电镜（FESEM）与能谱（EDS）、激光共聚焦显微拉曼光谱（Raman）、流体注入与CT/FESEM成像等实验技术, 开展富有机质页岩显微组分、孔隙、成岩作用和连通性等方面分析, 结合生排烃机理、有机质活性炭成孔机制的研究成果, 重点探讨有机孔发育与有机质类型、成烃过程、成岩作用和孔隙压力之间的内在联系, 旨在揭示烃源岩地质演化过程中有机质孔隙的形成、保存和连通并成为有效储集空间的微观机制。
显微组分和成烃生物识别主要采用FESEM+EDS, 成熟度分析选用Raman; 采用聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）等成像技术研究有机孔隙结构; 物性通过脉冲渗透率、压汞-吸附联合测定; 孔隙连通性分析基于氯金酸钠自吸式注入法、高压合金注入法并联用CT/FESEM成像技术; 基于X射线衍射、FESEM+EDS微区分析, 获取矿物组成、晶体结构和伊利石结晶度等成岩作用参数。
2.1.1 有机孔形成与保持的实质
2.1.2 不同类型有机质的孔隙
注：S1— 游离烃含量; S2— 热解烃含量; Tmax— 最大热解温度; HI— 氢指数
2.1.3 干酪根与沥青孔隙差异化形成机制
如图2、图3所示, 干酪根孔隙发育多呈强非均质性、分布不均匀、不规则棱角状、大小相对均一, 而沥青孔隙发育相对均匀, 多呈海绵状或蜂窝状、大小共存的复合型圆形或椭圆形孔隙, 这主要由二者生烃组分及差异生烃演化造成的。
干酪根是不溶于有机溶剂的分散有机质。在生烃过程中, 干酪根成孔始终处于固相状态下, 不同部位结构和组分不同, 加之分解或缩聚反应强度差异, 导致同一颗粒有机质孔隙发育的非均质性（见图2a、图2b、图3）。其中, 富氢组分在生油期内固-液相反应体系中以分解为主生成液态烃, 脂肪族、杂环官能团等逐渐脱落并以烃类、挥发物形式逸出而产生孔隙。进入湿气阶段（Ro≥ 1.3%）后, 缩合反应开始增强, 伴随固-液-气相反应体系中分解生成烃气和孔隙。当烃源岩持续埋藏达最大深处（5 000 m以深）时, 进入干气阶段（Ro≥ 2.0%）, 在固-气相反应体系中, 芳香核缩合生成更多的纳米微粒体并重排产生多边形“ 粒间” 孔隙, 大小相对均一, 多呈棱角状（见图4）, 因滞留烃的空间位阻效应和纳米微粒体的无序排列, 孔隙得以有效保存。至更高热成熟条件下, 烃类被排出, 干酪根芳构化、缩聚强烈而结构更为有序、紧密, 孔隙减少, 趋向石墨晶体。因此, 干酪根孔隙发育程度取决于有机质性质、排烃效率和缩合程度的综合作用。
2.2.1 成熟度对有机孔发育的影响机制
2.2.2 有机孔消亡的成熟度界限
基于上述认识, 结合O3w— S1l的地质演化过程及其页岩气地球化学研究, 发现南方海相页岩Ro值大于3.5%层段的孔隙不发育、含气性偏低的主因在于“ 先天不足” , 其抬升前生烃体系就处于开放状态, 排烃效率高, 缩合反应强烈, 有机孔开始致密化, 至Ro值达4.0%时有机孔趋于消亡; Ro值小于3.5%层段, 抬升前生烃体系封闭性好, 含气性高低主要受制于抬升后期构造改造强度的差异。其中, O3w— S1l页岩在四川盆地及周缘埋藏过程及其最大埋深（持续埋藏至6 000 m左右）相近的背景下, 盆地内部封闭性更好, 利于有机孔保存, 其反映在更低的Ro和偏轻的页岩气δ 13C1特征, WY1井中页岩储集层Ro值为2.72%, 天然气δ 13C1值为-35.9‰ , 而涪陵— 武隆— 丁山地区Ro、δ 13C1均高于盆内, JY1井页岩储集层Ro值为3.44%, 天然气δ 13C1为-30.5‰ , LY1井页岩储集层Ro值为3.39%, 天然气δ 13C1为-31.1‰ , 并显示相近的Ro、δ 13C1特征, 推测后期构造改造强度是造成该地区页岩气差异富集的主要原因。
如表2所示, HY1、EY1井的牛蹄塘组页岩中, 二者成熟度和孔隙体积差异大, EY1的Ro平均高达4.84%, 高于有机孔消亡的门限值, 说明该区牛蹄塘组页岩在抬升改造前排烃效率高, 缩合反应强烈, 致使有机质结构致密化, 含气性差。在川西南的JinY1井中（见表2）, 筇竹寺组的底部与顶部页岩段的Ro、有机孔和含气性变化尤为明显。在底部, 属于典型的“ 先天不足” , 因筇竹寺组与下伏地层间不整合面接触, 故生排烃过程始终处于开放状态, 原地滞留烃少, 有机质芳构化强烈, Ro值高, 有机孔不发育; 在上部, 直接顶底板以泥质页岩或粉砂质页岩为主, 生烃体系封闭性好, 有利于烃类原地滞留和有机孔形成与保存, 后期构造改造强度又弱, 形成了现今的富含气层段。
注：分子为数值范围, 分母为平均值, 括号中为样品数
对研究区矿物组成、伊利石结晶度等成岩研究表明, O3w— S1l页岩经历了早成岩期的机械压实、黄铁矿胶结和生物蛋白石重结晶等; 中成岩期的蒙脱石伊利石化、石英次生加大、干酪根生烃等以及晚成岩期的铁白云石交代、液态烃裂解等成岩成烃过程, 现处于晚成岩期, 伊利石结晶度为0.27~0.37, Ro值为2.5%~3.2%。其中, 不同类型的成岩作用及由其生成的矿物组成对有机质孔隙发育的影响存在差异。
2.3.1 压实作用对有机孔保存的影响
2.3.2 生物硅早期重结晶成孔与晚期抗压保孔机制
在页岩成岩过程中, 早期硅质胶结-重结晶作用及其石英矿物对有机孔的形成演化具有双重效应, 即生物来源硅质矿物的早期胶结-重结晶产生的粒间孔隙与由其生成的石英格架的晚期抗压实作用, 前者为早期沥青滞留提供了有效储集空间, 后者为有机质原生孔隙（生物碎屑的原生质构造、有机质沉积和成岩早期形成的继承性孔隙）和次生孔隙（成烃过程中生成的孔隙）提供了重要的支撑与保存作用。如图8所示, 根据FESEM-EDS的矿物形貌及成分分析, 放射虫腔体由分散的石英微晶组成, 其接触关系以点接触为主, 漂浮状次之, 表明这些微晶石英主要发生在成岩早期, 源自生物蛋白石的重结晶作用。一方面, 各微晶体之间普遍发育粒间孔隙, 大小为1~5 μ m, 又被大量沥青所充填, 二次裂解后产生了丰富的纳米孔隙; 另一方面, 石英属典型的刚性矿物, 那些微晶石英格架能够提高页岩机械强度, 增加抗压实能力, 使有机孔在深埋条件下得以保存。此类成岩作用主要发生在O3w— S1l的①— ⑤小层, 其中放射虫、海绵骨针等硅质生物呈纹层状堆积分布（见图8a）, 对有机孔发育与分布、储集层物性和岩石力学性质等产生了重要影响。在南方海相页岩气系统中, 有机孔是主要储集空间类型, 一般在有机质和硅质矿物含量与孔隙度、含气性之间存在良好的正相关性, 表示有机质、硅质矿物含量越高, 有机孔越发育, 含气性越好。这一特性在O3w— S1l页岩中最为显著, 归因于硅质矿物格架对有机孔保存起到了重要的抗压保孔作用。
2.3.3 黄铁矿对有机孔保存的影响
2.3.4 埋深与脆延转换对有机孔保存的影响
2.4.1 滞留烃量
2.4.2 烃类流体压力对有机孔保存的影响
滞留烃通过其所储的孔隙压力变化包括异常高压和毛管压力对成岩压实、热成熟产生抑制作用, 对有机质孔隙起到了保存作用。
页岩中有机质分布对有机孔发育和连通性具有重要影响。根据地球化学、有机岩石学小层对比, O3w— S1l中有机质丰度、组成和分布特征在纵向上存在显著差异。在O3w— S1l的①— ⑤小层中, TOC值大于3%, SiO2质量分数大于40%, 形成了富炭高硅页岩层, 其中富有原生孔隙的放射虫、疑源类、笔石以及伴有次生孔隙的浮游藻类、固体沥青等各类显微组分及硅质、钙质、黏土质等不同类型矿物组成呈纹层状连续、密集分布（见图8— 图10、图11）, 使得有机孔与各类粒缘缝（矿物粒缘缝、有机质收缩缝等）之间相互连通构成了复杂的有机-无机孔缝连通网络系统和连通性更好的层理缝, 成为立体连通的有效储集层和沿层理缝的侧向优势路径（见图12a、图12b）, 为页岩气富集高产提供了主要储集空间和流动通道。而⑤小层以上层位中页岩呈块状, 即使具有较高的有机碳含量（小于3%）, 疑源类、笔石和硅质生物等数量也减少, 有机质多呈分散、孤立分布, 只有在矿物粒缘缝等发育情况下才有利于形成孔缝连通网络系统并成为有效储集层（见图12c）。
如表3、图13所示, 选取JY1井O3w— S1l底部页岩样品, 采用FIB-SEM纳米级成像和逾渗理论, 从微米尺度上分析单颗粒有机质内部孔隙连通性, 当孔隙度为1.42%时优先在X、Y轴方向上形成渗流通道, 孔隙度为5.19%时, 3个方向均连通, 阈值孔隙度小于1.42%, 指示单颗粒有机质内部孔隙易形成有效连通。
注：X//为X轴方向平行层理, Y⊥为Y轴方向垂直层理, Z//为Z轴方向平行层理, 0表示未连通, 大于0表示连通, 数字代表能形成连通的孔隙集团数（通道数）, 至少2个方向上发生逾渗可形成有效连通
如表3、图14所示, 采用高压合金注入加CT成像和逾渗理论数值算法, 对纹层状、块状结构的富有机质页岩的毫米尺度内连通性分析表明, 纹层状页岩样品在孔隙度为4.26%时未形成逾渗通道, 孔隙度增大到6.31%时, 在X、Z轴方向分别形成1条、3条逾渗通道, 逾渗阈值为6.31%, 优先在X、Z轴方向上形成渗流通道, 得益于有机质呈纹层状分布, 并且硅质、钙质等脆性矿物既与有机质互层分布（见图11）, 又发育粒缘缝, 使其能够在横向延伸、纵向拓展相互连接为逾渗通道。孔隙度增至7.46%时, 3个方向同时产生逾渗通道, 形成了立体连通, 指示富有机质纹层状页岩有机质孔隙借助层理缝、粒缘缝等, 在相对较低的逾渗阈值（6%左右）下即可形成有效连通, 易产生优势渗流通道。块状页岩样品, 在孔隙度为5.54%时, 3个方向均未形成逾渗通道, 孔隙度调整到9.26%时, 在X、Y、Z 3个方向同时形成逾渗通道, 逾渗阈值为9.26%, 孔隙度增至10.2%时, 3个方向逾渗通道未增加, 未形成逾渗通道的优势方向, 指示孔隙度增加对连通能力提高有限, 有机-无机孔缝整体连通性较差。
上述研究结果表明, 同一有机质颗粒内部孔隙可有效连通, 而不同颗粒有机孔、有机孔与无机孔缝之间的临界逾渗孔隙度和连通性差异较大, 页岩结构类型、有机质分布及其孔隙差异是主要控制因素。纹层页岩中, 有机质呈纹层状分布, 硅质、钙质等脆性矿物亦与有机质互层分布, 在相对较低的孔隙度（6%± ）下, 有机孔及其他孔缝即可形成有效连通; 块状页岩中, 基质孔以有机孔为主, 有机质呈分散、孤立状分布, 无机孔缝不发育, 需要更高的孔隙度（大于9%）才能形成有效连通。因此, 不同类型有机质和脆性矿物大量聚集并相间纹层分布是有机孔、粒缘缝和层理缝发育并连通成为有效储层的先决条件。
有机孔形成归因于富有机质页岩成烃过程中有机质类型、成熟度和分解协同作用下烃类生成与原地滞留。腐泥型干酪根和沥青是有机孔的主要贡献者。有机孔随Ro增加而增加, 高成熟期最为发育, 至Ro值为3.5%则趋于消亡, 其门限值为4.0%。在Ro值大于3.5%层段的页岩气勘探中存在“ 先天不足” 的高风险。
有机孔保存受制于位阻效应、刚性矿物、孔隙压力和脆延转换的综合作用。烃类原位滞留空间位阻效应限于生烃过程, 是抑制有机质芳构化而保持有机孔的内因。刚性矿物格架、滞留烃及其孔隙压力的支撑作用则贯穿于埋藏-抬升成岩全过程, 是抗压保孔的主因。超压和刚性矿物的耦合作用下, 富有机质页岩即使在脆延转换带深度内亦可发育有机孔。
各类有机质孔隙间的有效连通是有机孔成为页岩气富集的主要储集空间的基本条件, 有机质内部孔隙、有机孔与无机孔缝彼此间有效连通均取决于有机质丰度、分布及其孔缝发育程度。富氢有机质富集并呈纹层状与脆性矿物相互叠合分布是有机孔、粒缘缝和层理缝发育并连通成为有效储集层的先决条件。
致谢：本文在研究撰写过程中得到南京大学边立曾教授、中国石油大学（华东）刘可禹教授的指导与帮助, 审稿专家提出了宝贵意见, 在此一并深致谢忱！