騰格爾，盧龍飛，俞凌杰，張文濤，潘安陽(yáng)，申寶劍，王曄，仰云峰，高志偉

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無(wú)錫 214126；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

0 引言

有機(jī)質(zhì)孔隙（簡(jiǎn)稱有機(jī)孔）是指細(xì)粒沉積巖有機(jī)質(zhì)中發(fā)育的納米級(jí)孔喉系統(tǒng)，屬細(xì)粒沉積巖總孔隙的主要構(gòu)成之一。頁(yè)巖氣勘探研究證實(shí)[1-4]，有機(jī)孔是北美和中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層的主要孔隙類型，是頁(yè)巖氣富集的一項(xiàng)關(guān)鍵要素。隨著南方頁(yè)巖氣勘探由奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組的中淺層向深層、寒武系、石炭系—泥盆系和海陸過(guò)渡相等新領(lǐng)域的不斷拓展[3,5]，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)、不同層位富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖含氣性差異極大。究其原因，頁(yè)巖儲(chǔ)集層及有機(jī)孔發(fā)育程度的差異性是主因之一[5-6]，認(rèn)識(shí)到有機(jī)孔發(fā)育并非是簡(jiǎn)單的有機(jī)質(zhì)豐度、類型和成熟度的函數(shù)，同時(shí)還受無(wú)機(jī)礦物及孔隙壓力[7-8]等多種因素制約，表明有機(jī)孔的形成演化過(guò)程復(fù)雜，具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，有待查明這些因素在成巖作用、生排烴過(guò)程和后期構(gòu)造改造中相互作用的內(nèi)在聯(lián)系及其對(duì)有機(jī)孔發(fā)育的影響機(jī)制，揭示有機(jī)孔形成與保持的實(shí)質(zhì)，為頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)和甜點(diǎn)預(yù)測(cè)提供更多的科學(xué)依據(jù)。

本文選取四川盆地及周緣海相頁(yè)巖氣部分探井的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）與能譜（EDS）、激光共聚焦顯微拉曼光譜（Raman）、流體注入與CT/FESEM成像等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，開展富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖顯微組分、孔隙、成巖作用和連通性等方面分析，結(jié)合生排烴機(jī)理、有機(jī)質(zhì)活性炭成孔機(jī)制的研究成果，重點(diǎn)探討有機(jī)孔發(fā)育與有機(jī)質(zhì)類型、成烴過(guò)程、成巖作用和孔隙壓力之間的內(nèi)在聯(lián)系，旨在揭示烴源巖地質(zhì)演化過(guò)程中有機(jī)質(zhì)孔隙的形成、保存和連通并成為有效儲(chǔ)集空間的微觀機(jī)制。

1 地質(zhì)背景與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

奧陶系五峰組（O3w）—志留系龍馬溪組（S1l）富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育在上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組一段，自下而上可劃分為①—⑨小層，TOC值普遍大于2.0%，厚度為80～120 m（見(jiàn)圖1）。其中，①—⑤小層為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段，硅質(zhì)頁(yè)巖為主，TOC值大于3.0%，厚度為20～40 m，沿威遠(yuǎn)（WY1井）—長(zhǎng)寧（N201井）、丁山（DY2井）—武?。↙Y1井）—涪陵（JY1井）一帶展布，已發(fā)現(xiàn)涪陵、威榮、威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧等頁(yè)巖氣田，丁山—東溪構(gòu)造（DY2井）和武隆向斜區(qū)（LY1井）已取得勘探突破[5,9]。

圖1 研究區(qū)海相頁(yè)巖氣部分探井及涪陵頁(yè)巖氣田JY1井O3w—S1l地層柱狀圖

下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育在中上揚(yáng)子區(qū)，圍繞川中古隆起分布[10]。其中，寒武系筇竹寺組（—C1q）頁(yè)巖沿綿陽(yáng)—長(zhǎng)寧一帶分布，以 JinY1井為代表，泥質(zhì)頁(yè)巖為主，TOC值為0.4%～3.4%，工業(yè)產(chǎn)氣頁(yè)巖段厚度為14 m[3]；寒武系牛蹄塘組（—C1n）頁(yè)巖分布在黔南—鄂西渝東區(qū)，HY1、EY1井為代表，硅質(zhì)、炭質(zhì)頁(yè)巖為主，TOC值為2.2%～9.5%，HY1井中TOC值大于4%的頁(yè)巖厚度達(dá)90 m。

1.2 樣品來(lái)源與實(shí)驗(yàn)方法

本文樣品采自海相頁(yè)巖氣的 WY1、JY1、YZ1、JinY1、HY1、EY1井等探井，分析項(xiàng)目包括顯微組分、孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成和連通性等，樣品基本情況及顯微組分、成熟度及孔隙發(fā)育特征詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6,11]。

顯微組分和成烴生物識(shí)別主要采用FESEM+EDS，成熟度分析選用 Raman；采用聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）等成像技術(shù)研究有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)；物性通過(guò)脈沖滲透率、壓汞-吸附聯(lián)合測(cè)定；孔隙連通性分析基于氯金酸鈉自吸式注入法、高壓合金注入法并聯(lián)用CT/FESEM成像技術(shù)；基于X射線衍射、FESEM+EDS微區(qū)分析，獲取礦物組成、晶體結(jié)構(gòu)和伊利石結(jié)晶度等成巖作用參數(shù)。

2 有機(jī)孔形成的主控因素與保持機(jī)理

2.1 有機(jī)質(zhì)類型

2.1.1 有機(jī)孔形成與保持的實(shí)質(zhì)

干酪根是由雜原子鍵或脂族鏈聯(lián)結(jié)的縮合環(huán)狀芳香核組成的高分子聚合物。在烴源巖埋藏成巖熱演化過(guò)程中，干酪根演變的核心是芳香核的重排，經(jīng)縮合反應(yīng)，由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)有序轉(zhuǎn)化，并且多個(gè)芳香核縮聚可形成更大面積的聚合體。在重排過(guò)程中，由分子間相互作用引起的脂族鏈、雜原子鍵的空間位阻效應(yīng)降低了聚合熱并抑制芳香核縮聚。因此，通過(guò)脫羧、脫烷基化等生烴過(guò)程，脫除脂族鏈和雜原子鍵，可消除縮合阻礙[12]。其中，①脂族鏈橋和雜環(huán)官能團(tuán)斷裂釋放出的是大小不等的碎片（相對(duì)分子質(zhì)量不同的瀝青、揮發(fā)分等），所產(chǎn)生的空間就是孔隙形成的空間；②隨著碎片脫落還未離開母體時(shí)，繼續(xù)產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，抑制縮合反應(yīng)，在雜亂無(wú)序排列中仍保持其原儲(chǔ)集空間，但當(dāng)被排出時(shí)，因縮合反應(yīng)加劇，導(dǎo)致孔隙被周圍芳香核重排、縮聚減少；③孔隙形成與演化貫穿于生烴全過(guò)程，發(fā)生于烴源巖埋藏的生排烴期，至烴源巖埋藏達(dá)最大深度并開始抬升后生烴演化過(guò)程終止，有機(jī)質(zhì)因不再發(fā)生芳構(gòu)化而孔隙減少或消亡?？梢?jiàn)，地質(zhì)演化過(guò)程中有機(jī)質(zhì)孔隙形成與保持的本質(zhì)在于烴類生成與原地滯留，且滯留烴引起的孔隙壓力則是有機(jī)質(zhì)生烴與熱成熟在超壓條件下被抑制的實(shí)質(zhì)。

2.1.2 不同類型有機(jī)質(zhì)的孔隙

在沉積有機(jī)質(zhì)組分中，芳香族、脂族和雜環(huán)官能團(tuán)三者的不同比例構(gòu)成了不同類型有機(jī)質(zhì)，包括富含富氫的脂族結(jié)構(gòu)的腐泥型有機(jī)質(zhì)（Ⅰ—Ⅱ型）、富含貧氫芳香結(jié)構(gòu)的腐殖型有機(jī)質(zhì)（Ⅲ型）。在生烴過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)中的富氫組分尤其類脂組分釋放出大量的瀝青或石油碎片，既使干酪根發(fā)育孔隙，又使瀝青裂解生成富含孔隙的固體瀝青。而貧氫有機(jī)質(zhì)，尤其是腐殖型有機(jī)質(zhì)，生油潛力低，主要依靠自身富氫部分的生氣過(guò)程而局部產(chǎn)生孔隙，缺乏富含孔隙的固體瀝青。如圖2、圖3a—圖3d所示，浮游藻類、疑源類等富氫富脂族結(jié)構(gòu)腐泥型有機(jī)質(zhì)普遍發(fā)育孔隙。其中，因不同有機(jī)質(zhì)或同一有機(jī)質(zhì)不同部位的組分、結(jié)構(gòu)不同而孔隙發(fā)育程度和分布不均勻，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的強(qiáng)非均質(zhì)性。不同熱成熟筆石的成分結(jié)構(gòu)、生烴能力和高成熟筆石的孔隙發(fā)育特征研究表明（見(jiàn)表 1、圖3e—圖3g），筆石體屬于富碳貧氫的腐殖型有機(jī)質(zhì)，主要由芳香環(huán)結(jié)構(gòu)組成，生烴能力與Ⅲ型干酪根或鏡質(zhì)體相當(dāng)，有機(jī)孔不發(fā)育。國(guó)外學(xué)者[1,13]對(duì)北美頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層研究認(rèn)為，Ⅰ—Ⅱ型比Ⅲ型干酪根、藻類體比鏡質(zhì)體更富含氫和脂質(zhì)組分，故有機(jī)孔豐富，而有些貧氫顯微組分在生烴過(guò)程中不發(fā)生熱解生烴，不存在孔隙。顯然，有機(jī)質(zhì)類型是有機(jī)孔能否大量形成的基礎(chǔ)條件，有機(jī)質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)及生烴過(guò)程的差異性是控制有機(jī)孔發(fā)育程度及其非均質(zhì)性的內(nèi)因，明確有機(jī)孔主要發(fā)育于腐泥型干酪根及固體瀝青，腐殖型有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育有限。

表1 不同成熟度單體筆石樣品層位及其熱解參數(shù)

圖2 富氫有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征照片

2.1.3 干酪根與瀝青孔隙差異化形成機(jī)制

如圖2、圖3所示，干酪根孔隙發(fā)育多呈強(qiáng)非均質(zhì)性、分布不均勻、不規(guī)則棱角狀、大小相對(duì)均一，而瀝青孔隙發(fā)育相對(duì)均勻，多呈海綿狀或蜂窩狀、大小共存的復(fù)合型圓形或橢圓形孔隙，這主要由二者生烴組分及差異生烴演化造成的。

干酪根是不溶于有機(jī)溶劑的分散有機(jī)質(zhì)。在生烴過(guò)程中，干酪根成孔始終處于固相狀態(tài)下，不同部位結(jié)構(gòu)和組分不同，加之分解或縮聚反應(yīng)強(qiáng)度差異，導(dǎo)致同一顆粒有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的非均質(zhì)性（見(jiàn)圖 2a、圖2b、圖3）。其中，富氫組分在生油期內(nèi)固-液相反應(yīng)體系中以分解為主生成液態(tài)烴，脂肪族、雜環(huán)官能團(tuán)等逐漸脫落并以烴類、揮發(fā)物形式逸出而產(chǎn)生孔隙。進(jìn)入濕氣階段（Ro≥1.3%）后，縮合反應(yīng)開始增強(qiáng)，伴隨固-液-氣相反應(yīng)體系中分解生成烴氣和孔隙。當(dāng)烴源巖持續(xù)埋藏達(dá)最大深處（5 000 m以深）時(shí)，進(jìn)入干氣階段（Ro≥2.0%），在固-氣相反應(yīng)體系中，芳香核縮合生成更多的納米微粒體并重排產(chǎn)生多邊形“粒間”孔隙，大小相對(duì)均一，多呈棱角狀（見(jiàn)圖4），因滯留烴的空間位阻效應(yīng)和納米微粒體的無(wú)序排列，孔隙得以有效保存。至更高熱成熟條件下，烴類被排出，干酪根芳構(gòu)化、縮聚強(qiáng)烈而結(jié)構(gòu)更為有序、緊密，孔隙減少，趨向石墨晶體。因此，干酪根孔隙發(fā)育程度取決于有機(jī)質(zhì)性質(zhì)、排烴效率和縮合程度的綜合作用。

圖3 O3w—S1l有機(jī)孔發(fā)育的非均質(zhì)性特征照片

圖4 大小不等的芳香核納米顆?？s聚與無(wú)序排列示意圖及YZ1井O3w—S1l粒間呈棱角狀孔隙、藻類碎片及孔隙特征

固體瀝青源自富含雜原子鍵的可溶于有機(jī)溶劑的有機(jī)質(zhì)——瀝青，主要由溶解于液態(tài)烴中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組成。在烴源巖持續(xù)埋藏過(guò)程中，由于地溫超過(guò)了液態(tài)烴存在的臨界溫度（150 ℃），滯留油開始裂解，通過(guò)C-C鍵斷裂使液態(tài)烴向氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化，此類生氣過(guò)程在原油表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生，是一種“沸騰”過(guò)程。其中，生氣速率大于氣體逸散速率時(shí)，部分未逸出氣體（氣泡）在母體內(nèi)部形成氣孔，形態(tài)多呈圓形、橢圓形。如圖2c、圖2d所示，因液態(tài)烴的組分和結(jié)構(gòu)相對(duì)均一，故生成的孔隙密度、形態(tài)相對(duì)均勻，在氣泡密集部位可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)相鄰小氣孔合并產(chǎn)生圓形或橢圓形大氣孔，形成“大孔套小孔，孔孔相連”。有關(guān)石油焦熱解成孔隙機(jī)制的實(shí)驗(yàn)證實(shí)[14]，熱解反應(yīng)在石油焦的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部同時(shí)發(fā)生，熱解初期通過(guò)揮發(fā)分析出和固相有機(jī)質(zhì)熱解的“開孔”效應(yīng)，使參加化學(xué)反應(yīng)部分的表面積增大，因而提高石油焦熱解速率又促進(jìn)產(chǎn)生更豐富的孔隙。進(jìn)入干氣階段（Ro≥2.0%），液態(tài)烴中烴類枯竭，其膠質(zhì)、瀝青質(zhì)組分進(jìn)一步分解-縮聚-固結(jié)或“沉淀”形成固態(tài)產(chǎn)物—多孔結(jié)構(gòu)的固體瀝青。圖 5展示了常規(guī)油氣儲(chǔ)集層中充填瀝青的表面形貌特征，此類瀝青不發(fā)育孔隙，歸因于其在開放條件下原油高溫裂解產(chǎn)生的固體瀝青，因原位氣體逸散速率高于生氣速率，導(dǎo)致瀝青縮聚而致密化?？梢?jiàn)，生烴過(guò)程中分解或縮合反應(yīng)對(duì)有機(jī)孔形成演化具有不同的影響，以分解為主時(shí)，溫度越高，組分越富氫，反應(yīng)越劇烈，分解速率越大，氣泡越多，孔隙越發(fā)育；以縮聚為主時(shí)，反應(yīng)越劇烈，致密化越強(qiáng)烈，使孔隙體積減少、變小至消失。

圖5 普光氣田PG5井長(zhǎng)興組碳酸鹽巖儲(chǔ)集層瀝青照片

2.2 成熟度

2.2.1 成熟度對(duì)有機(jī)孔發(fā)育的影響機(jī)制

從上述有機(jī)孔形成與保持機(jī)制研究可知，熱成熟是有機(jī)孔發(fā)育的熱力學(xué)基本條件，隨著有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）的增加而生烴，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙增多或孔容增加，生烴早期可能由于生成液態(tài)烴在干酪根內(nèi)的溶脹而導(dǎo)致生成孔隙不易識(shí)別，在干氣階段孔隙度顯著增加，主要來(lái)自于有機(jī)孔的生成。前人測(cè)量過(guò)生烴過(guò)程中干酪根的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的表面積，隨熱成熟而增加，其范圍由1 000 m深處有機(jī)質(zhì)內(nèi)比表面積不到10 m2/g，至4 000 m深處的內(nèi)比表面積約為35 m2/g[12]，表明干酪根中產(chǎn)生了更多的孔隙。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)北美的二疊、阿巴拉契亞等盆地自然演化剖面的不同成熟度頁(yè)巖有機(jī)孔發(fā)育特征研究[1,15]、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的生烴成孔模擬實(shí)驗(yàn)[16]均已證實(shí)成熟度對(duì)有機(jī)孔形成與演化的控制作用，明確有機(jī)孔隨成熟度增加而增加，至高成熟期為最發(fā)育。然而，這一因果關(guān)系并非一直存在于整個(gè)熱演化過(guò)程。國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣勘探[15,17]中，通過(guò)成熟度與孔隙度、含氣性之間統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，Ro值大于3.5%的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖普遍呈現(xiàn)孔隙不發(fā)育、含氣量低，被認(rèn)為過(guò)高的成熟度導(dǎo)致孔隙度偏低是勘探失利的原因之一，提出Ro值3.5%為頁(yè)巖氣勘探上限值。

2.2.2 有機(jī)孔消亡的成熟度界限

如圖6所示，O3w—S1l頁(yè)巖筆石的Raman研究表明，當(dāng)Ro值達(dá)3.8%后，拉曼光譜D峰（代表了C原子晶格的缺陷峰程度、無(wú)序性）位移發(fā)生反轉(zhuǎn)并強(qiáng)度減弱，G峰（芳香結(jié)構(gòu)內(nèi)的碳碳雙鍵伸縮振動(dòng)）位移不變并強(qiáng)度增強(qiáng)，指示晶格缺陷（如空位、官能團(tuán)等）降低，由芳香核的亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)的有序轉(zhuǎn)化。前人研究證實(shí)[18]，Ro值大于4.0%時(shí)，鏡質(zhì)體、固體瀝青的各向異性亦顯著增強(qiáng)，最大與最小反射率之間不再顯示線性關(guān)系，表示有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變化。四川盆地頁(yè)巖氣多口探井資料統(tǒng)計(jì)分析也顯示[19-20]，O3w—S1l頁(yè)巖 Ro值大于 3.5%的層段普遍呈低—超低電阻率響應(yīng)、拉曼譜出現(xiàn)石墨峰和物性差等基本特征，被解釋為有機(jī)質(zhì)過(guò)成熟和炭化造成。顯然，Ro值達(dá)4.0%后，芳香核高度有序排列，使得固體瀝青、干酪根的結(jié)晶度和致密化增強(qiáng)，指示有機(jī)質(zhì)在生烴演化過(guò)程中存在結(jié)構(gòu)根本性變化與有機(jī)質(zhì)孔隙消亡的一個(gè)重要界限，其Ro值門限值就是4.0%。這一認(rèn)識(shí)從機(jī)制上揭示了為什么存在頁(yè)巖氣勘探Ro值3.5%的上限值，將其確定為上限值是符合地質(zhì)實(shí)際的。

圖6 筆石反射率與拉曼光譜參數(shù)關(guān)系圖（GRo—筆石反射率）

基于上述認(rèn)識(shí)，結(jié)合O3w—S1l的地質(zhì)演化過(guò)程及其頁(yè)巖氣地球化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)南方海相頁(yè)巖Ro值大于3.5%層段的孔隙不發(fā)育、含氣性偏低的主因在于“先天不足”，其抬升前生烴體系就處于開放狀態(tài)，排烴效率高，縮合反應(yīng)強(qiáng)烈，有機(jī)孔開始致密化，至Ro值達(dá)4.0%時(shí)有機(jī)孔趨于消亡；Ro值小于3.5%層段，抬升前生烴體系封閉性好，含氣性高低主要受制于抬升后期構(gòu)造改造強(qiáng)度的差異。其中，O3w—S1l頁(yè)巖在四川盆地及周緣埋藏過(guò)程及其最大埋深（持續(xù)埋藏至6 000 m左右）相近的背景下，盆地內(nèi)部封閉性更好，利于有機(jī)孔保存，其反映在更低的 Ro和偏輕的頁(yè)巖氣 δ13C1特征，WY1井中頁(yè)巖儲(chǔ)集層 Ro值為 2.72%，天然氣δ13C1值為-35.9‰，而涪陵—武隆—丁山地區(qū)Ro、δ13C1均高于盆內(nèi)，JY1井頁(yè)巖儲(chǔ)集層Ro值為3.44%，天然氣δ13C1為-30.5‰，LY1井頁(yè)巖儲(chǔ)集層Ro值為3.39%，天然氣δ13C1為-31.1‰，并顯示相近的Ro、δ13C1特征，推測(cè)后期構(gòu)造改造強(qiáng)度是造成該地區(qū)頁(yè)巖氣差異富集的主要原因。

如表 2所示，HY1、EY1井的牛蹄塘組頁(yè)巖中，二者成熟度和孔隙體積差異大，EY1的 Ro平均高達(dá)4.84%，高于有機(jī)孔消亡的門限值，說(shuō)明該區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖在抬升改造前排烴效率高，縮合反應(yīng)強(qiáng)烈，致使有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)致密化，含氣性差。在川西南的 JinY1井中（見(jiàn)表2），筇竹寺組的底部與頂部頁(yè)巖段的Ro、有機(jī)孔和含氣性變化尤為明顯。在底部，屬于典型的“先天不足”，因筇竹寺組與下伏地層間不整合面接觸，故生排烴過(guò)程始終處于開放狀態(tài)，原地滯留烴少，有機(jī)質(zhì)芳構(gòu)化強(qiáng)烈，Ro值高，有機(jī)孔不發(fā)育；在上部，直接頂?shù)装逡阅噘|(zhì)頁(yè)巖或粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主，生烴體系封閉性好，有利于烴類原地滯留和有機(jī)孔形成與保存，后期構(gòu)造改造強(qiáng)度又弱，形成了現(xiàn)今的富含氣層段。

表2 下寒武統(tǒng)頁(yè)巖地球化學(xué)、物性和含氣性對(duì)比表

2.3 成巖作用

對(duì)研究區(qū)礦物組成、伊利石結(jié)晶度等成巖研究表明，O3w—S1l頁(yè)巖經(jīng)歷了早成巖期的機(jī)械壓實(shí)、黃鐵礦膠結(jié)和生物蛋白石重結(jié)晶等；中成巖期的蒙脫石伊利石化、石英次生加大、干酪根生烴等以及晚成巖期的鐵白云石交代、液態(tài)烴裂解等成巖成烴過(guò)程，現(xiàn)處于晚成巖期，伊利石結(jié)晶度為 0.27～0.37，Ro值為2.5%～3.2%。其中，不同類型的成巖作用及由其生成的礦物組成對(duì)有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的影響存在差異。

2.3.1 壓實(shí)作用對(duì)有機(jī)孔保存的影響

有機(jī)質(zhì)孔隙減少主要受制于有機(jī)質(zhì)縮聚和壓實(shí)作用。如上所述，有機(jī)質(zhì)在熱成熟過(guò)程中通過(guò)縮合反應(yīng)縮聚致密化，限于生烴過(guò)程，是有機(jī)孔減少的內(nèi)因，更是Ro值大于3.5%而有機(jī)孔趨于消亡的主要因素。壓實(shí)作用是頁(yè)巖沉積初期經(jīng)壓實(shí)致密減孔的最主要原因，對(duì)有機(jī)孔的保存起著破壞性作用，貫穿于埋藏成巖至抬升表生成巖演化全過(guò)程，屬于外因。主要表現(xiàn)在有機(jī)孔被壓實(shí)減孔，在缺少剛性礦物格架和孔隙流體壓力的支撐作用下被上覆地層或構(gòu)造擠壓造成有機(jī)孔被壓實(shí)減少而孔隙度、孔隙體積降低，特別是黏土礦物或有機(jī)質(zhì)高度富集，使巖石塑性增強(qiáng)，有機(jī)孔更容易被壓實(shí)、坍塌等。如表 2、圖 7所示，HY1井的牛蹄塘組頁(yè)巖TOC與孔隙度之間呈現(xiàn)出：TOC值小于6%段呈正相關(guān)，TOC值大于 6%段則呈負(fù)相關(guān)；有機(jī)孔以微孔為主，介孔次之，呈定向排列，顯示被壓實(shí)現(xiàn)象。在南方下寒武統(tǒng)頁(yè)巖、美國(guó) Marcellus和Woodford頁(yè)巖中均表現(xiàn)出相同規(guī)律，只是孔隙度峰值出現(xiàn)的TOC值不同，如宣頁(yè)A、天馬A和天星A井中TOC值為3.0%[21]，Woodford和Marcellus頁(yè)巖分別為3.6%[15]、5.6%[22]?？梢?jiàn)，高TOC影響頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)，塑性增強(qiáng)，尤其泥質(zhì)頁(yè)巖中缺乏剛性礦物和流體壓力支撐，使頁(yè)巖抗壓能力減弱，孔隙度降低、孔隙變小。

圖7 HY1井牛蹄塘組TOC與孔隙度關(guān)系

2.3.2 生物硅早期重結(jié)晶成孔與晚期抗壓?？讬C(jī)制

在頁(yè)巖成巖過(guò)程中，早期硅質(zhì)膠結(jié)-重結(jié)晶作用及其石英礦物對(duì)有機(jī)孔的形成演化具有雙重效應(yīng)，即生物來(lái)源硅質(zhì)礦物的早期膠結(jié)-重結(jié)晶產(chǎn)生的粒間孔隙與由其生成的石英格架的晚期抗壓實(shí)作用，前者為早期瀝青滯留提供了有效儲(chǔ)集空間，后者為有機(jī)質(zhì)原生孔隙（生物碎屑的原生質(zhì)構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)沉積和成巖早期形成的繼承性孔隙）和次生孔隙（成烴過(guò)程中生成的孔隙）提供了重要的支撐與保存作用。如圖 8所示，根據(jù) FESEM-EDS的礦物形貌及成分分析，放射蟲腔體由分散的石英微晶組成，其接觸關(guān)系以點(diǎn)接觸為主，漂浮狀次之，表明這些微晶石英主要發(fā)生在成巖早期，源自生物蛋白石的重結(jié)晶作用。一方面，各微晶體之間普遍發(fā)育粒間孔隙，大小為1～5 μm，又被大量瀝青所充填，二次裂解后產(chǎn)生了豐富的納米孔隙；另一方面，石英屬典型的剛性礦物，那些微晶石英格架能夠提高頁(yè)巖機(jī)械強(qiáng)度，增加抗壓實(shí)能力，使有機(jī)孔在深埋條件下得以保存。此類成巖作用主要發(fā)生在 O3w—S1l的①—⑤小層，其中放射蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物呈紋層狀堆積分布（見(jiàn)圖8a），對(duì)有機(jī)孔發(fā)育與分布、儲(chǔ)集層物性和巖石力學(xué)性質(zhì)等產(chǎn)生了重要影響。在南方海相頁(yè)巖氣系統(tǒng)中，有機(jī)孔是主要儲(chǔ)集空間類型，一般在有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)礦物含量與孔隙度、含氣性之間存在良好的正相關(guān)性，表示有機(jī)質(zhì)、硅質(zhì)礦物含量越高，有機(jī)孔越發(fā)育，含氣性越好。這一特性在 O3w—S1l頁(yè)巖中最為顯著，歸因于硅質(zhì)礦物格架對(duì)有機(jī)孔保存起到了重要的抗壓?？鬃饔?。

圖8 JY1井O3w—S1l硅質(zhì)生物孔隙發(fā)育特征

2.3.3 黃鐵礦對(duì)有機(jī)孔保存的影響

O3w—S1l中廣泛分布的黃鐵礦膠結(jié)也有類似硅質(zhì)礦物的雙重效應(yīng)，如草莓狀黃鐵礦的粒間孔隙及其間的富含孔隙的固體瀝青、充填于動(dòng)物腔體的黃鐵礦等。據(jù)孟志勇[23]觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，O3w—S1l的①—④小層中黃鐵礦發(fā)育最好，含量多為4.0%～6.5%，⑤—⑨小層黃鐵礦含量為2.0%～4.0%，表明O3w—S1l的成巖過(guò)程中形成了豐富的黃鐵礦。如圖9所示，筆石體腔呈空心狀，含有較多黃鐵礦，因其支撐作用，筆石體腔至今保持了開放-半開放狀態(tài)，其中充滿了富含孔隙的固體瀝青（見(jiàn)圖9a），筆石體腔的破裂導(dǎo)致黃鐵礦暴露在筆石體表面（見(jiàn)圖9b），可與其他孔縫連通成為有機(jī)質(zhì)孔縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要組成之一。

圖9 JY1井O3w—S1l筆石FESEM照片

2.3.4 埋深與脆延轉(zhuǎn)換對(duì)有機(jī)孔保存的影響

勘探實(shí)踐表明，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層的現(xiàn)今埋藏深度，通過(guò)脆延性轉(zhuǎn)換也可影響有機(jī)質(zhì)孔隙保存，在深層高溫高壓條件下尤其在4 470（±230）m以深頁(yè)巖由脆延轉(zhuǎn)換帶逐漸進(jìn)入延性帶[24]，塑性增強(qiáng)，抗壓實(shí)能力降低，致使有機(jī)孔減少更加嚴(yán)重。例如，YZ1、RY1、DY2、東YS1等4口探井，目標(biāo)層O3w—S1l的埋深均為4 000 m以深，處于脆延轉(zhuǎn)換帶下限。其中，YZ1、RY1井勘探揭示出 O3w—S1l頁(yè)巖處于常壓，微含氣（見(jiàn)圖1），孔隙度均小于3%，RY1井孔隙度為1.63%～3.14%，平均僅為2.38%，尤其YZ1井埋深超過(guò)4 500 m，頁(yè)巖更具塑性，現(xiàn)今過(guò)成熟（Ro值為 3.54%）指示其最大埋深處或抬升之前氣體就可能逸散，缺乏抑制熱成熟的孔隙流體壓力條件，故在高熱演化和上覆地層壓實(shí)雙重作用下有機(jī)孔愈加減少（見(jiàn)圖3d），孔容僅為0.009～0.013 cm3/g，遠(yuǎn)低于 DY2井的同一層段孔容（0.025～0.029 cm3/g）。顯然，YZ1、RY1井與DY2、東 YS1井[5]的超壓狀態(tài)下高孔隙、高含氣性形成了鮮明對(duì)照，超壓與剛性礦物格架的耦合作用更有利于深層有機(jī)孔保存。因此，受制于保存條件的孔隙流體壓力和不同埋深條件下巖石力學(xué)性質(zhì)變化對(duì)深層-超深層有機(jī)質(zhì)孔隙的動(dòng)態(tài)演化具有重要控制作用，其中足夠的滯留烴量及孔隙壓力尤為關(guān)鍵。

2.4 滯留烴

2.4.1 滯留烴量

上述研究表明，富氫有機(jī)質(zhì)能夠生成更多的烴類，尤其由浮游藻類、放射蟲等富含類脂物的生物體在未成熟—低成熟期就可生成豐富的瀝青，因其相對(duì)分子質(zhì)量大，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量高，具強(qiáng)極性，故通過(guò)吸附、沉淀等方式[25]侵位成巖早期無(wú)機(jī)孔縫、有機(jī)原生孔隙等（見(jiàn)圖2、圖8、圖9），既抑制了所占孔縫的壓實(shí)、膠結(jié)作用而致密化，又經(jīng)成巖中晚期的高溫裂解產(chǎn)生更多的天然氣、固體瀝青及其伴生孔隙。

筆者選取低熟海相烴源巖樣品，按照涪陵頁(yè)巖氣田的O3w—S1l的埋藏史、熱史等地質(zhì)條件開展頁(yè)巖氣生成模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，排烴效率達(dá)70%的情況下，殘余干酪根和滯留油（30%）進(jìn)入高過(guò)成熟期仍具良好生氣潛力，累積最大生氣能力達(dá)8 m3/t，其以滯留油裂解生氣為主（占生氣總量的 70%）[8]。涪陵頁(yè)巖氣的碳同位素組成地球化學(xué)特征及其混合分餾模型計(jì)算結(jié)果也表明[4,8]，該頁(yè)巖氣屬于干酪根與原油裂解混合氣，以原油裂解氣為主，貢獻(xiàn)率達(dá) 80%?；跓N源巖中固體瀝青含量的統(tǒng)計(jì)分析[26]反演了焦石壩構(gòu)造區(qū) O3w—S1l頁(yè)巖滯留油效率，發(fā)現(xiàn)③—⑤小層段排油效率為12%～36%，平均值為23%，即原油原地平均滯留率為77%，與上述實(shí)驗(yàn)和地球化學(xué)研究結(jié)果相符?？梢?jiàn)，O3w—S1l頁(yè)巖在焦石壩構(gòu)造區(qū)埋藏成烴過(guò)程中處于封閉狀態(tài)，烴源巖排烴效率低，滯留烴量大，為頁(yè)巖氣生成和有機(jī)孔的發(fā)育提供了豐厚的物質(zhì)基礎(chǔ)，也為抑制有機(jī)質(zhì)芳構(gòu)化并保存有機(jī)孔創(chuàng)造了條件。前人[12]指出干酪根進(jìn)入高成熟期后由于富氫組分的耗盡沒(méi)有更多的潛力產(chǎn)生烴氣，大量甲烷可能是因生油巖烴類裂解和儲(chǔ)存的液態(tài)石油裂解而生成。因此，高過(guò)成熟期有機(jī)孔的顯著增加主要來(lái)自固體瀝青的孔隙貢獻(xiàn)，含有膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的滯留油量的多少一定程度上決定了有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育潛力。

2.4.2 烴類流體壓力對(duì)有機(jī)孔保存的影響

滯留烴通過(guò)其所儲(chǔ)的孔隙壓力變化包括異常高壓和毛管壓力對(duì)成巖壓實(shí)、熱成熟產(chǎn)生抑制作用，對(duì)有機(jī)質(zhì)孔隙起到了保存作用。

隨著干酪根和滯留油的不斷熱裂解生成大量的氣態(tài)烴，導(dǎo)致孔隙流體壓力不斷升高。在良好的封存條件下，滯留大量高壓氣態(tài)烴的有機(jī)質(zhì)孔隙系統(tǒng)處于超壓狀態(tài)，能夠抵消來(lái)自上覆壓力、構(gòu)造應(yīng)力作用，對(duì)深埋條件下有機(jī)孔保持起到建設(shè)性作用。在涪陵、威榮頁(yè)巖氣田的超壓系統(tǒng)中，O3w—S1l的富含氣層段中有機(jī)孔異常發(fā)育且多呈大小不等、圓形或橢圓形形態(tài)和墨水瓶結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2c，圖2d，圖8a），這與其在超壓條件下巖石抗壓實(shí)強(qiáng)度增強(qiáng)，使有機(jī)孔得以保持密切相關(guān)，尤其在硅質(zhì)、黃鐵礦等剛性礦物格架的抗壓實(shí)耦合作用下，即使在深層—超深層條件下仍可發(fā)育高有機(jī)質(zhì)孔隙帶。DYS1井O3w—S1l的深層儲(chǔ)集層以有機(jī)孔為主的高孔隙度與高含氣性就是最好的例證[5]。國(guó)內(nèi)外典型頁(yè)巖氣田的孔隙度、壓力系數(shù)和含氣量關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析亦證實(shí)孔隙流體的異常高壓利于有機(jī)孔保存，為頁(yè)巖氣大量聚集提供了更好的儲(chǔ)集條件[7,27]。

常壓條件下有機(jī)孔發(fā)育較超壓系統(tǒng)下復(fù)雜，與生烴產(chǎn)物在原位保存程度及毛管壓力有關(guān)。毛管壓力和孔喉半徑呈反比關(guān)系，通常在以微孔、介孔為主的有機(jī)質(zhì)納米孔隙系統(tǒng)中具有較高的毛管壓力，如孔喉半徑為4.0 nm時(shí)，毛管壓力可達(dá)35 MPa，按靜水壓力25 MPa（埋深2 500 m）計(jì)算，常壓條件下排替或突破壓力可達(dá)60 MPa，有利于頁(yè)巖氣的滯留及孔隙保存。彭水、武隆地區(qū)O3w—S1l頁(yè)巖氣處于常壓系統(tǒng)，有機(jī)孔發(fā)育較好，又未見(jiàn)壓實(shí)現(xiàn)象[9]，歸因于一定量的氣態(tài)烴通過(guò)吸附、毛管壓力封閉等作用仍滯留于有機(jī)孔，其尚未被突破壓力逸散之前足以減緩上覆地層壓力或后期構(gòu)造擠壓對(duì)有機(jī)孔的破壞，加之，其現(xiàn)今正處于中淺層（2 000～2 800 m）的脆性帶[24]，在石英等剛性礦物的抗壓實(shí)耦合作用下，有助于有機(jī)孔保存。

3 有機(jī)質(zhì)孔隙連通性及其控制作用

3.1 有機(jī)質(zhì)分布形式

頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)分布對(duì)有機(jī)孔發(fā)育和連通性具有重要影響。根據(jù)地球化學(xué)、有機(jī)巖石學(xué)小層對(duì)比，O3w—S1l中有機(jī)質(zhì)豐度、組成和分布特征在縱向上存在顯著差異。在O3w—S1l的①—⑤小層中，TOC值大于3%，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 40%，形成了富炭高硅頁(yè)巖層，其中富有原生孔隙的放射蟲、疑源類、筆石以及伴有次生孔隙的浮游藻類、固體瀝青等各類顯微組分及硅質(zhì)、鈣質(zhì)、黏土質(zhì)等不同類型礦物組成呈紋層狀連續(xù)、密集分布（見(jiàn)圖8—圖10、圖11），使得有機(jī)孔與各類粒緣縫（礦物粒緣縫、有機(jī)質(zhì)收縮縫等）之間相互連通構(gòu)成了復(fù)雜的有機(jī)-無(wú)機(jī)孔縫連通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和連通性更好的層理縫，成為立體連通的有效儲(chǔ)集層和沿層理縫的側(cè)向優(yōu)勢(shì)路徑（見(jiàn)圖 12a、圖 12b），為頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)提供了主要儲(chǔ)集空間和流動(dòng)通道。而⑤小層以上層位中頁(yè)巖呈塊狀，即使具有較高的有機(jī)碳含量（小于 3%），疑源類、筆石和硅質(zhì)生物等數(shù)量也減少，有機(jī)質(zhì)多呈分散、孤立分布，只有在礦物粒緣縫等發(fā)育情況下才有利于形成孔縫連通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并成為有效儲(chǔ)集層（見(jiàn)圖12c）。

圖10 有機(jī)質(zhì)原生孔隙發(fā)育特征照片

圖12 O3w—S1l海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖自吸式注入氯金酸鈉FESEM連通性分析

3.2 有機(jī)質(zhì)孔隙連通性

孔隙連通性是表征頁(yè)巖有效儲(chǔ)集層的關(guān)鍵參數(shù)。為查明單顆粒有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙、不同顆粒有機(jī)質(zhì)孔隙之間以及它們與無(wú)機(jī)孔縫之間的連通性，筆者采用高壓合金注入加 CT/FIB-SEM成像方法，結(jié)合逾滲理論數(shù)值算法[28-29]，對(duì)O3w—S1l不同結(jié)構(gòu)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖開展了不同尺度的連通性分析。

如表3、圖13所示，選取JY1井O3w—S1l底部頁(yè)巖樣品，采用FIB-SEM納米級(jí)成像和逾滲理論，從微米尺度上分析單顆粒有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙連通性，當(dāng)孔隙度為1.42%時(shí)優(yōu)先在X、Y軸方向上形成滲流通道，孔隙度為 5.19%時(shí)，3個(gè)方向均連通，閾值孔隙度小于1.42%，指示單顆粒有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙易形成有效連通。

圖13 JY1井O3w—S1l頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)部孔隙連通性/逾滲性分析

如表3、圖14所示，采用高壓合金注入加CT成像和逾滲理論數(shù)值算法，對(duì)紋層狀、塊狀結(jié)構(gòu)的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的毫米尺度內(nèi)連通性分析表明，紋層狀頁(yè)巖樣品在孔隙度為4.26%時(shí)未形成逾滲通道，孔隙度增大到6.31%時(shí)，在X、Z軸方向分別形成1條、3條逾滲通道，逾滲閾值為6.31%，優(yōu)先在X、Z軸方向上形成滲流通道，得益于有機(jī)質(zhì)呈紋層狀分布，并且硅質(zhì)、鈣質(zhì)等脆性礦物既與有機(jī)質(zhì)互層分布（見(jiàn)圖11），又發(fā)育粒緣縫，使其能夠在橫向延伸、縱向拓展相互連接為逾滲通道?？紫抖仍鲋?.46%時(shí)，3個(gè)方向同時(shí)產(chǎn)生逾滲通道，形成了立體連通，指示富有機(jī)質(zhì)紋層狀頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙借助層理縫、粒緣縫等，在相對(duì)較低的逾滲閾值（6%左右）下即可形成有效連通，易產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)滲流通道。塊狀頁(yè)巖樣品，在孔隙度為 5.54%時(shí)，3個(gè)方向均未形成逾滲通道，孔隙度調(diào)整到 9.26%時(shí)，在X、Y、Z 3個(gè)方向同時(shí)形成逾滲通道，逾滲閾值為9.26%，孔隙度增至10.2%時(shí)，3個(gè)方向逾滲通道未增加，未形成逾滲通道的優(yōu)勢(shì)方向，指示孔隙度增加對(duì)連通能力提高有限，有機(jī)-無(wú)機(jī)孔縫整體連通性較差。

表3 O3w—S1l不同結(jié)構(gòu)頁(yè)巖臨界逾滲孔隙度及連通性

圖14 O3w—S1l頁(yè)巖高壓合金注入及其CT連通性/逾滲性分析

上述研究結(jié)果表明，同一有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)部孔隙可有效連通，而不同顆粒有機(jī)孔、有機(jī)孔與無(wú)機(jī)孔縫之間的臨界逾滲孔隙度和連通性差異較大，頁(yè)巖結(jié)構(gòu)類型、有機(jī)質(zhì)分布及其孔隙差異是主要控制因素。紋層頁(yè)巖中，有機(jī)質(zhì)呈紋層狀分布，硅質(zhì)、鈣質(zhì)等脆性礦物亦與有機(jī)質(zhì)互層分布，在相對(duì)較低的孔隙度（6%±）下，有機(jī)孔及其他孔縫即可形成有效連通；塊狀頁(yè)巖中，基質(zhì)孔以有機(jī)孔為主，有機(jī)質(zhì)呈分散、孤立狀分布，無(wú)機(jī)孔縫不發(fā)育，需要更高的孔隙度（大于9%）才能形成有效連通。因此，不同類型有機(jī)質(zhì)和脆性礦物大量聚集并相間紋層分布是有機(jī)孔、粒緣縫和層理縫發(fā)育并連通成為有效儲(chǔ)層的先決條件。

4 結(jié)論

有機(jī)孔形成歸因于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖成烴過(guò)程中有機(jī)質(zhì)類型、成熟度和分解協(xié)同作用下烴類生成與原地滯留。腐泥型干酪根和瀝青是有機(jī)孔的主要貢獻(xiàn)者。有機(jī)孔隨Ro增加而增加，高成熟期最為發(fā)育，至Ro值為3.5%則趨于消亡，其門限值為4.0%。在Ro值大于3.5%層段的頁(yè)巖氣勘探中存在“先天不足”的高風(fēng)險(xiǎn)。

有機(jī)孔保存受制于位阻效應(yīng)、剛性礦物、孔隙壓力和脆延轉(zhuǎn)換的綜合作用。烴類原位滯留空間位阻效應(yīng)限于生烴過(guò)程，是抑制有機(jī)質(zhì)芳構(gòu)化而保持有機(jī)孔的內(nèi)因。剛性礦物格架、滯留烴及其孔隙壓力的支撐作用則貫穿于埋藏-抬升成巖全過(guò)程，是抗壓保孔的主因。超壓和剛性礦物的耦合作用下，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖即使在脆延轉(zhuǎn)換帶深度內(nèi)亦可發(fā)育有機(jī)孔。

各類有機(jī)質(zhì)孔隙間的有效連通是有機(jī)孔成為頁(yè)巖氣富集的主要儲(chǔ)集空間的基本條件，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙、有機(jī)孔與無(wú)機(jī)孔縫彼此間有效連通均取決于有機(jī)質(zhì)豐度、分布及其孔縫發(fā)育程度。富氫有機(jī)質(zhì)富集并呈紋層狀與脆性礦物相互疊合分布是有機(jī)孔、粒緣縫和層理縫發(fā)育并連通成為有效儲(chǔ)集層的先決條件。

致謝：本文在研究撰寫過(guò)程中得到南京大學(xué)邊立曾教授、中國(guó)石油大學(xué)（華東）劉可禹教授的指導(dǎo)與幫助，審稿專家提出了寶貴意見(jiàn)，在此一并深致謝忱！