何陳誠(chéng)，何 生，郭旭升，易積正，魏志紅，舒志國(guó)，彭女佳[.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 40074；.中國(guó)石化 勘探分公司，四川 成都 6004； .中國(guó)石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 44]

四川盆地涪陵、長(zhǎng)寧和威遠(yuǎn)等地區(qū)自2012年以來(lái)陸續(xù)建成了若干具有商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值的頁(yè)巖氣田，開(kāi)啟了我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的新階段。近年來(lái)針對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊五峰組-龍馬溪組海相頁(yè)巖的構(gòu)造背景和沉積環(huán)境，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征、保存條件、賦存狀態(tài)以及富集機(jī)理等多方面都開(kāi)展了大量的研究工作[1-8]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙特征是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，關(guān)于不同時(shí)代頁(yè)巖孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)等方面已有較多的研究[9-14]。焦石壩五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖中存在大量的有機(jī)質(zhì)熱裂解氣態(tài)烴形成的孔隙，發(fā)育在有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)，多為納米級(jí)孔隙，是頁(yè)巖中存在的最廣泛和最重要的孔隙類型之一，被認(rèn)為是含氣頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)中的重要組成部分[15-20]。Loucks等對(duì)美國(guó)德克薩斯Fort Worth盆地密西西比系Barnett硅質(zhì)頁(yè)巖中的納米級(jí)孔隙形態(tài)、成因和分布開(kāi)展了系統(tǒng)研究，提出了含氣頁(yè)巖中納米級(jí)有機(jī)孔隙是主要的孔隙類型[9]。Bernard等研究推斷頁(yè)巖中多孔焦瀝青的形成可能主要與頁(yè)巖孔隙中瀝青化合物的二次裂解生氣有關(guān)[21]。頁(yè)巖有機(jī)孔是游離氣賦存的主要儲(chǔ)集空間且局部具有一定的連通性，有機(jī)孔隙的內(nèi)表面對(duì)頁(yè)巖氣吸附能力強(qiáng)，頁(yè)巖有機(jī)孔隙直接影響著頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存和微流動(dòng)[20,22]。

焦石壩區(qū)塊即焦石壩背斜區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組一段為海相高硅富有機(jī)質(zhì)黑色富氣頁(yè)巖，主力產(chǎn)氣層段為五峰組至龍馬溪組一段下部頁(yè)巖，有機(jī)碳含量(TOC)一般在3.0%～6.0%，為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段，頁(yè)巖中的納米有機(jī)孔隙十分發(fā)育。但是，五峰組、龍馬溪組一段下部和龍馬溪組一段上部(次優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段)頁(yè)巖有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。本文針對(duì)焦石壩區(qū)塊20塊頁(yè)巖巖心樣品，通過(guò)頁(yè)巖樣品氬離子拋光-場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片觀察和有機(jī)孔隙數(shù)量、形態(tài)、孔徑分布統(tǒng)計(jì)以及有機(jī)質(zhì)面孔率計(jì)算，結(jié)合9塊頁(yè)巖巖心樣品的N2吸附和5塊頁(yè)巖巖心樣品的CO2吸附孔徑測(cè)定，重點(diǎn)研究了五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納米有機(jī)孔隙發(fā)育程度和孔隙結(jié)構(gòu)的差異性，初步討論了有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)差異性的可能原因。

1 地質(zhì)背景

焦石壩區(qū)塊為涪陵頁(yè)巖氣田主體區(qū)的焦石壩背斜構(gòu)造。該區(qū)塊位于重慶市涪陵區(qū)東部，構(gòu)造位置靠近四川盆地東部邊界斷裂——齊岳山斷裂西界，屬川東隔擋式褶皺帶南段石柱復(fù)向斜、方斗山復(fù)背斜和萬(wàn)縣復(fù)向斜等多個(gè)構(gòu)造單元的結(jié)合部(圖1a)。本文所指的焦石壩區(qū)塊為北東走向的寬緩背斜，背斜頂部地層傾角平緩，變形較弱，斷層不發(fā)育，表現(xiàn)為似箱狀背斜形態(tài)。背斜構(gòu)造兩翼產(chǎn)狀較陡(30°左右)，邊緣被吊水巖、天臺(tái)場(chǎng)、石門和大耳山西等兩組NE向和近SN向逆斷層夾持圍限，以斷隆、斷凹與齊岳山斷裂相隔[1-2,20,23](圖1b)。

焦石壩區(qū)塊鉆井揭示的地層由老至新為上奧陶統(tǒng)澗草溝組至下三疊統(tǒng)嘉陵江組，缺失泥盆系，局部缺失石炭系。上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣產(chǎn)層現(xiàn)今埋藏深度約2 400～2 600 m，現(xiàn)今地溫梯度為30.8 ℃/km，原始?xì)獠貕毫ο禂?shù)為1.35～1.55，為高含氣飽和度的超壓頁(yè)巖氣藏。根據(jù)焦石壩地區(qū)多口鉆井資料，五峰組-龍馬溪組一段巖性以富筆石、高硅和高有機(jī)碳含量的黑色頁(yè)巖為主，連續(xù)厚度介于80～120 m，可分為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段和次優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段(龍馬溪組一段上部)。優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段即主力富氣頁(yè)巖段為五峰組和龍馬溪組一段下部，屬深水陸棚相沉積，厚度在38～45 m，TOC含量主要在3.0%～6.0%，熱演化程度Ro達(dá)2.5%～3.0%，孔隙度介于2.8%～7.1%，脆性礦物含量高。五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段頁(yè)巖氣化學(xué)組成以甲烷為主，甲烷含量在97.22%～98.47%，甲烷穩(wěn)定碳同位素δ13C1(PDB)約-29‰～-30‰，頁(yè)巖氣成因主要為原油裂解氣的貢獻(xiàn)[1-2,24]。

2 頁(yè)巖樣品與測(cè)試方法

2.1 頁(yè)巖樣品

頁(yè)巖樣品主要選自焦石壩背斜JY-A井的五峰組和龍馬溪組一段，厚度為89 m，其中優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段厚度38 m，包括五峰組頁(yè)巖厚6 m，劃分為①和②小層；龍馬溪組一段下部頁(yè)巖厚32 m，劃分為③，④和⑤小層；龍馬溪組一段上部次優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段厚度51 m，劃分為⑥至⑨小層。JY-A井五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖的TOC含量和氦氣孔隙度值隨深度的變化見(jiàn)圖2和表1。

本次場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片觀察選用焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖樣品，共20塊。其中，JY-A井頁(yè)巖巖心樣品16塊，樣品位置見(jiàn)圖2。選用JY-B井和JY-C井各2塊頁(yè)巖巖心樣品。對(duì)JY-A井9塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行了氮?dú)馕綔y(cè)試，其中5塊樣品開(kāi)展了二氧化碳吸附測(cè)試。

2.2 測(cè)試和統(tǒng)計(jì)方法

本次采用氬離子拋光-場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片觀察、ImageJ統(tǒng)計(jì)軟件參數(shù)分析以及低溫氣體吸附測(cè)試等相結(jié)合的方法開(kāi)展了焦石壩區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)差異性研究。

2.2.1 氬離子拋光-場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡法

為使頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙成像更加清晰，通常利用氬離子拋光技術(shù)制作頁(yè)巖超光滑表面，通過(guò)極高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察其納米級(jí)有機(jī)孔隙形貌及結(jié)構(gòu)。

本次使用HITACHI IM4000 氬離子拋光儀進(jìn)行頁(yè)巖拋光處理。拋光前先將頁(yè)巖制作成10 mm(長(zhǎng))×5 mm(寬)×3 mm(厚)的小矩形，然后把小矩形狀頁(yè)巖加載到氬離子拋光儀器中，離子束從垂直方向?yàn)R射，堅(jiān)固的擋板遮擋樣品的非目標(biāo)區(qū)域，有效地遮蔽下半部分的離子束，創(chuàng)造出一個(gè)側(cè)切割平面，去除樣品表面的一層薄膜，即在10 mm×3 mm的橫截面上留下一個(gè)淺層拋光的300 μm(長(zhǎng))×110 μm(寬)超光滑圓弧狀截面，該弧狀截面范圍為場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察的區(qū)域。

本次利用分辨率極高的美國(guó)FEI公司Helios NanoLab 660型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，將經(jīng)過(guò)氬離子拋光后的頁(yè)巖樣品直接進(jìn)行觀察，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的優(yōu)化工作狀態(tài)加速電壓為低電壓(2 kV)，放大倍數(shù)在(20～30)×103倍，可較清晰地觀察到孔徑大于10 nm的頁(yè)巖納米有機(jī)孔隙；放大倍數(shù)在(30～100)×103倍，可觀察到部分孔徑在5～10 nm的有機(jī)孔隙和少部分孔徑在2～5 nm的有機(jī)孔隙。

2.2.2 有機(jī)孔隙統(tǒng)計(jì)分析法

利用ImageJ軟件結(jié)合人工追蹤有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)的有機(jī)孔隙行跡，可統(tǒng)計(jì)和分析計(jì)算有機(jī)孔隙數(shù)量、截面積、孔徑大小和有機(jī)質(zhì)面孔率等。有機(jī)孔隙的孔徑是將頁(yè)巖樣品FE-SEM圖像照片中有機(jī)孔隙截面積等效為同等圓形的截面積計(jì)算出的孔隙直徑，也可稱為等效圓孔徑或等效孔徑。本次采用ImageJ軟件的圖像處理方法，對(duì)頁(yè)巖有機(jī)孔隙高分辨率掃描電鏡圖像照片進(jìn)行二值化處理，識(shí)別和統(tǒng)計(jì)圖像中的頁(yè)巖有機(jī)孔隙。頁(yè)巖有機(jī)孔隙灰度構(gòu)成較復(fù)雜，且圖像灰度閾值的選取對(duì)有機(jī)質(zhì)面孔率計(jì)算影響較大。若灰度閾值選取較小，部分有機(jī)孔則不能被識(shí)別，對(duì)有機(jī)孔總面積的計(jì)算有很大影響，故而需要觀察圖像有機(jī)孔隙的灰度值范圍，初步選出灰度值，然后對(duì)灰度閾值微調(diào)，直到實(shí)現(xiàn)最佳效果。對(duì)某些確實(shí)無(wú)法識(shí)別的圖像區(qū)域，則需用手動(dòng)微調(diào)、追蹤識(shí)別有機(jī)孔隙。

2.2.3 氣體吸附法

低溫氮?dú)馕椒▽?duì)頁(yè)巖中孔定量分析方面具有優(yōu)勢(shì)，能較好的表征中孔和部分大孔的孔隙結(jié)構(gòu)。本次測(cè)試儀器采用ASAP2020比表面積及孔徑分析儀，測(cè)試樣品粉碎為60～80目(粒徑為0.18～0.25 mm)，放置烘箱中在100 ℃溫度下烘干8 h，去除樣品中的水分和揮發(fā)性物質(zhì)。頁(yè)巖樣品上機(jī)測(cè)試流程為：將樣品進(jìn)行5 h高溫(300 ℃)抽真空處理，以純度大于99.99%的氮?dú)鉃槲劫|(zhì)，在液氮溫度(77.3 K)下進(jìn)行氮?dú)馕綔y(cè)試，吸附過(guò)程的相對(duì)壓力范圍為0.020～0.995(32個(gè)壓力點(diǎn))，脫附過(guò)程相對(duì)壓力范圍為0.995～0.140(24個(gè)壓力點(diǎn))。在此測(cè)試條件下，孔徑測(cè)量范圍為2～230 nm，測(cè)得平衡蒸汽壓下的樣品的氮?dú)馕搅亢兔摳搅?，選用BJH模型計(jì)算孔徑分布及孔隙體積。

圖2 焦石壩區(qū)塊JY-A井五峰組和龍馬溪組一段地層綜合柱狀圖[1]Fig.2 Column of the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member of Well JY-A,Jiaoshiba Block[1]

表1 焦石壩區(qū)塊JY-A井五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖巖心樣品的TOC和氦氣孔隙度數(shù)據(jù)Table 1 TOC and helium porosity of shale samples from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’sfirst Member,Jiaoshiba Block

低溫二氧化碳吸附測(cè)試儀器采用Quantachrome NOVA比表面積和孔隙分析儀。低溫二氧化碳吸附測(cè)試原理與流程和氮吸附類似，不同的是以二氧化碳為吸附質(zhì)，在273.15 K(冰水浴)溫度下測(cè)定不同相對(duì)壓力下的二氧化碳吸附量，吸附過(guò)程時(shí)的相對(duì)壓力范圍為0～0.03(40個(gè)壓力點(diǎn))。由于CO2氣體可以進(jìn)入0.35 nm的孔隙，進(jìn)而通過(guò)DFT理論模型可以計(jì)算微孔分布，測(cè)量范圍在0.3～1.5 nm。

3 五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)及差異性

通過(guò)在焦石壩區(qū)塊選用的五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖巖心樣品，利用氬離子拋光-場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察二次電子(SE2)圖像，每塊樣品統(tǒng)計(jì)照片5～9張，共132張，有機(jī)孔隙統(tǒng)計(jì)數(shù)量61 444個(gè)(表2)。對(duì)頁(yè)巖樣品電鏡圖像照片觀察發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖發(fā)育的納米級(jí)孔隙類型除粘土礦物孔隙、脆性礦物晶間孔隙和溶蝕孔隙等無(wú)機(jī)孔隙外，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)、有機(jī)粘土礦物復(fù)合體中和草莓狀黃鐵礦晶間有機(jī)質(zhì)內(nèi)發(fā)育大量的有機(jī)孔隙(圖3a—c)。有機(jī)孔隙的發(fā)育程度、幾何形狀、孔徑分布和有機(jī)質(zhì)面孔率可通過(guò)氬離子拋光的頁(yè)巖FE-SEM圖像照片采用ImageJ軟件對(duì)頁(yè)巖有機(jī)孔加以觀察識(shí)別和參數(shù)統(tǒng)計(jì)，并給出統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果。

表2 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖巖心樣品FE-SEM二次電子圖像照片和有機(jī)孔隙統(tǒng)計(jì)數(shù)量Table 2 FE-SEM secondary electron images and quantity oforganic pores in the selected shale samples from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member,Jiaoshiba Block

注：五峰組頁(yè)巖3個(gè)樣品中，2個(gè)選自JY-A井，1個(gè)選自JY-C井；龍馬溪組一段下部7個(gè)樣品中，6個(gè)選自JY-A井，1個(gè)選自JY-B井；龍馬溪組一段上部頁(yè)巖10個(gè)樣品中，8個(gè)選自JY-A井，1個(gè)選自JY-B井，1個(gè)選自JY-C井。頁(yè)巖樣品深度和TOC等相關(guān)信息詳見(jiàn)表4。

3.1 FE-SEM觀察有機(jī)孔隙發(fā)育程度和孔隙形狀

根據(jù)對(duì)焦石壩區(qū)塊JY-A,JY-B和JY-C等3口井的20塊頁(yè)巖樣品FE-SEM圖像照片觀察識(shí)別，有機(jī)孔隙常見(jiàn)于有機(jī)質(zhì)顆粒中，部分有機(jī)孔隙發(fā)育在與粘土礦物和草莓狀黃鐵礦伴生的有機(jī)質(zhì)中(圖3a—c)。五峰組與龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖有機(jī)孔隙形狀和發(fā)育程度存在明顯的差異性，五峰組頁(yè)巖有機(jī)孔隙十分發(fā)育，孔隙形狀大多不規(guī)則，孔隙多呈棱角形，也有少數(shù)呈橢圓形，孔徑總體相對(duì)較小，孔隙密度大，分布比較均勻(圖3j—l)；龍馬溪組一段下部?jī)?yōu)質(zhì)段頁(yè)巖有機(jī)孔隙同樣十分發(fā)育，但孔隙形狀多呈橢圓形和近圓形，孔徑總體相對(duì)較大，宏孔相對(duì)較多，偶見(jiàn)微米級(jí)有機(jī)孔隙，孔徑差別較大(圖3g—i)；龍馬溪組一段上部次優(yōu)質(zhì)段頁(yè)巖有機(jī)孔隙發(fā)育程度相對(duì)較差，孔隙形態(tài)多呈橢圓形和近圓形，也有少數(shù)呈不規(guī)則形狀，有機(jī)孔隙密度較稀疏，相對(duì)于五峰組頁(yè)巖樣品而言其孔徑總體較大(圖3d—f)。

3.2 FE-SEM觀察統(tǒng)計(jì)有機(jī)孔徑分布和計(jì)算有機(jī)質(zhì)面孔率

焦石壩區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖典型的FE-SEM有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)圖像照片如圖4所示，利用ImageJ統(tǒng)計(jì)軟件，結(jié)合人工追蹤對(duì)五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖有機(jī)孔隙數(shù)量、孔徑分布及有機(jī)質(zhì)面孔率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。有機(jī)質(zhì)面孔率是指全部有機(jī)孔隙的總橫截面積與相應(yīng)有機(jī)質(zhì)顆粒橫截面積之比。

本次研究利用FE-SEM觀察到的有機(jī)孔隙的孔徑分布在2～900 nm，但利用FE-SEM觀察識(shí)別的小于10 nm孔徑的有機(jī)孔隙數(shù)量與實(shí)際相比應(yīng)該少的多，所以在利用FE-SEM觀察和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析時(shí)，孔徑在2～10 nm的這部分有機(jī)孔隙的數(shù)量和面孔率占比很小。

圖5顯示了所選20塊頁(yè)巖巖心樣品中觀察和統(tǒng)計(jì)的61400余個(gè)有機(jī)孔隙的孔徑分布直方圖。從圖中可知，通過(guò)極高分辨率的FE-SEM觀察識(shí)別到的孔徑在2～5 nm的有機(jī)孔隙很少，孔徑在5～10 nm的有機(jī)孔隙數(shù)量觀察識(shí)別的也不完全，較為可靠的納米級(jí)有機(jī)孔隙觀察識(shí)別和數(shù)量統(tǒng)計(jì)主要是孔徑分布在10～900 nm的有機(jī)孔隙。圖5中五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖樣品中孔徑在10～900 nm的有機(jī)孔隙數(shù)量分布總體上隨著孔徑的減小而明顯增加。

圖3 焦石壩區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖樣品有機(jī)孔隙FE-SEM觀察照片F(xiàn)ig.3 FE-SEM images of the shale organic pores from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member,Jiaoshiba Blocka，b，g.JY-B井，埋深2 349.17 m，龍馬溪組一段下部，TOC為4.98%；c，j.JY-C井，埋深2 618.18 m，五峰組，TOC為4.59%；d.JY-C井，埋深2 556.00 m，龍馬溪組一段上部，TOC為1.92%；e，f.JY-B井，埋深2 288.06 m，龍馬溪組一段上部，TOC為1.43%；h，i.JY-A井，埋深2 405.87 m，龍馬溪組一段下 部，TOC為4.59%；k，l.JY-A井，埋深2 413.53 m，五峰組，TOC為4.70%

表3展示了孔徑在10～900 nm的有機(jī)孔隙中，五峰組、龍馬溪組一段下部和上部3套頁(yè)巖的樣品中分別按孔徑在10～50,50～300和300～900 nm區(qū)間的有機(jī)孔隙數(shù)量占比和有機(jī)孔隙面積占比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。總體上，3套頁(yè)巖樣品中孔徑在10～50 nm的有機(jī)介孔數(shù)量均占比最高，平均為85.04%，50～900 nm的有機(jī)宏孔數(shù)量相對(duì)占比都較小，平均為14.96%；3套頁(yè)巖樣品中孔徑在10～50 nm的有機(jī)孔隙面積平均占24.30%，孔徑在50～300 nm的有機(jī)孔隙面積平均占58.74%，300～900 nm的有機(jī)孔隙面積平均占16.96%。具體到3個(gè)層位的頁(yè)巖樣品來(lái)看，從有機(jī)孔隙數(shù)量占比，五峰組頁(yè)巖樣品孔徑在10～50 nm的有機(jī)介孔數(shù)量相對(duì)最多，其次是龍馬溪組一段上部。而龍馬溪組一段下部頁(yè)巖樣品孔徑在50～900 nm的有機(jī)宏孔數(shù)量相對(duì)最多，其次也是龍馬溪組一段上部。從有機(jī)孔隙面積占比來(lái)看，孔徑在10～50 nm區(qū)間的有機(jī)孔隙面積，五峰組頁(yè)巖樣品占比相對(duì)最大為40.75%，其次是龍馬溪組一段上部頁(yè)巖樣品；孔徑在50～300 nm區(qū)間的有機(jī)孔隙面積，龍馬溪組一段上部頁(yè)巖樣品占比相對(duì)最大為65.50%，其次是五峰組和龍馬溪組一段下部頁(yè)巖樣品；孔徑在300～900 nm區(qū)間的有機(jī)孔隙面積，龍馬溪組一段下部頁(yè)巖樣品占比相對(duì)最大為32.13%，其次是龍馬溪組一段上部頁(yè)巖樣品。

圖4 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖樣品單顆粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)孔隙統(tǒng)計(jì)Fig.4 Quantity of organic pores in a single OM grain from the sample shales of the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member,Jiaoshiba Blocka1，b1，c1為原圖，a2，b2，c2為統(tǒng)計(jì)圖；a1,a2.龍馬溪組一段上部頁(yè)巖，埋深2 288.06 m，TOC為1.43%，有機(jī)質(zhì)面孔率為8.94%；b1,b2.龍馬溪組一段下部頁(yè)巖，埋深2 349.17 m，TOC為4.98%，有機(jī)質(zhì)面孔率為34.25%；c1,c2：五峰組頁(yè)巖，埋深2 618.18 m，TOC為4.59%，有機(jī)質(zhì)面孔率 為32.75%

表4給出了所選20塊頁(yè)巖巖心樣品的有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)的61 400余個(gè)有機(jī)孔隙(其中小于10 nm的有機(jī)孔隙約9 994個(gè))，孔徑主要在10～900 nm的有機(jī)孔隙面積上統(tǒng)計(jì)獲取的單顆粒有機(jī)質(zhì)面孔率范圍和有機(jī)質(zhì)面孔率平均值。從表4可知，五峰組頁(yè)巖樣品的平均有機(jī)質(zhì)面孔率變化在14.73%～18.82%，單顆粒有機(jī)質(zhì)面孔率上限可達(dá)約25%～33%，對(duì)應(yīng)的TOC含量為4.01%～4.70%；龍馬溪組一段下部頁(yè)巖巖心樣品的平均有機(jī)質(zhì)面孔率變化在9.62%～24.77%，單顆粒有機(jī)質(zhì)面孔率上限可達(dá)約19%～37%，對(duì)應(yīng)的TOC含量為2.94%～4.98%，第③小層頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)面孔率相對(duì)較大；龍馬溪組一段上部頁(yè)巖巖心樣品的平均有機(jī)質(zhì)面孔率變化在2.56%～14.28%，單顆粒有機(jī)質(zhì)面孔率上限可達(dá)約4.5%～33%，對(duì)應(yīng)的TOC含量為0.78%～2.68%，第⑧小層中-下部頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)面孔率相對(duì)較大；另外，第⑧和第⑨小層氦氣孔隙度較大(圖2；表4)，可能說(shuō)明其無(wú)機(jī)孔隙較發(fā)育。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，繪制了五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖巖心樣品平均有機(jī)質(zhì)面孔率與有機(jī)碳含量關(guān)系圖(圖6)。從圖6中可看出，頁(yè)巖平均有機(jī)質(zhì)面孔率與有機(jī)碳含量大體呈粗略的正相關(guān)性，當(dāng)有機(jī)碳含量接近時(shí)，五峰組頁(yè)巖樣品的平均有機(jī)質(zhì)面孔率相對(duì)略偏小。

圖5 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖樣品有機(jī)孔隙直徑分布直方圖Fig.5 Histogram of organic pore diameters of the sampled shales from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member,Jiaoshiba Block

表3 焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖樣品3種有機(jī)孔徑范圍的有機(jī)孔數(shù)量占比和有機(jī)孔隙面積占比統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of pore populations within three pore-sizeranges of the sampled organic shale pores and proportion oforganic pore area in the Jiaoshiba Block

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)字為該有機(jī)孔徑范圍的有機(jī)孔隙面積占總有機(jī)孔隙面積的百分比,%。

有機(jī)質(zhì)面孔率計(jì)算結(jié)果可能存在一定的誤差，其原因主要有：①極高分辨率的FE-SEM也不能清晰和完全地觀察到孔徑小于10 nm的有機(jī)孔隙。比如孔徑在0.3～2 nm的有機(jī)孔隙基本觀察不到，孔徑在2～5 nm的有機(jī)孔隙絕大部分觀察不到，孔徑在5～10 nm也觀察不到；②由于觀察手段、樣品數(shù)量和代表性以及相關(guān)各類參數(shù)統(tǒng)計(jì)量的限制，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法獲得的有機(jī)質(zhì)面孔率的計(jì)算結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)誤差；③樣品選擇、觀察過(guò)程和統(tǒng)計(jì)計(jì)算中的誤差也具有偶然性和隨機(jī)性。頁(yè)巖樣品觀察數(shù)量和參數(shù)統(tǒng)計(jì)量越大，誤差可能會(huì)越小、越接近客觀實(shí)際，獲得更接近客觀實(shí)際認(rèn)識(shí)所需的樣品觀察數(shù)量和有機(jī)孔隙統(tǒng)計(jì)量還需要更多的實(shí)踐和研究。

表4 焦石壩區(qū)塊所選頁(yè)巖巖心樣品有機(jī)質(zhì)面孔率范圍和面孔率平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Statistical results showing the range and average of OM surface pore rate for shale core samples in the Jiaoshiba Block

圖6 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖巖心樣品有機(jī)面孔率與有機(jī)碳含量關(guān)系Fig.6 Relationship between surface pore rate and TOC content of the shale core samples in the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation Member 1,Jiaoshiba Block

3.3 氣體吸附法分析納米孔隙孔徑分布

二氧化碳吸附測(cè)試可測(cè)得頁(yè)巖樣品的孔徑范圍為0.3～1.5 nm，氮?dú)馕綔y(cè)試可測(cè)得頁(yè)巖樣品的平均孔徑范圍為2～230 nm。本次選取JY-A井五峰組、龍馬溪組一段下部和上部不同有機(jī)碳含量的9塊頁(yè)巖巖心樣品開(kāi)展了N2吸附測(cè)試，其中5塊樣品開(kāi)展了CO2吸附測(cè)試。CO2和N2吸附測(cè)試獲得的頁(yè)巖樣品比孔容(相當(dāng)于孔隙體積)與平均孔徑關(guān)系分別如圖7所示，通過(guò)圖7可分析頁(yè)巖樣品的平均孔徑范圍相對(duì)發(fā)育的程度。

由圖7a可知，五峰組、龍馬溪組一段下部?jī)?yōu)質(zhì)段和上部次優(yōu)質(zhì)段3者頁(yè)巖樣品平均孔徑分布具有一致性，比孔容與有機(jī)碳含量有一定的正相關(guān)性。由圖7b可知，五峰組、龍馬溪組一段下部?jī)?yōu)質(zhì)段和上部次優(yōu)質(zhì)段3者頁(yè)巖樣品平均孔徑分布存在明顯差異。平均孔徑在2～230 nm范圍內(nèi)大致存在4個(gè)比孔容高值范圍，分別為2～3，3～10,10～100和100～230 nm。五峰組、龍馬溪組一段頁(yè)巖平均孔徑在2～3 nm和3～10 nm的比孔容變化隨有機(jī)碳含量的增加而明顯增加，五峰組頁(yè)巖相對(duì)于龍馬溪組一段頁(yè)巖在平均孔徑小于10 nm的納米孔隙更為發(fā)育；而五峰組與龍馬溪組一段頁(yè)巖孔隙在10～230 nm平均孔徑范圍，除其比孔容變化出現(xiàn)明顯差別外，平均孔徑分布也出現(xiàn)明顯差別。五峰組頁(yè)巖平均孔徑分布對(duì)應(yīng)的高比孔容的主要范圍在10～100 nm，而龍馬溪組一段無(wú)論是優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖還是次優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖均表現(xiàn)出相似的特征，頁(yè)巖平均孔徑分布在10～100 nm和100～230 nm的較寬范圍，但由于有機(jī)碳含量的差別，龍馬溪組一段上部次優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的孔隙發(fā)育程度較差即比孔容較小?？傮w上講，五峰組頁(yè)巖樣品中平均孔徑大于50 nm的大孔隙的數(shù)量較少，而相對(duì)五峰組頁(yè)巖，龍馬溪組一段下部?jī)?yōu)質(zhì)段和上部次優(yōu)質(zhì)段頁(yè)巖樣品中平均孔徑大于50 nm的大孔隙數(shù)量較多。

圖7 焦石壩區(qū)塊JY-A井五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖氣體吸附測(cè)試的比孔容與平均孔徑關(guān)系Fig.7 Relationship between specific pore volume and average pore size based on shale gas adsorption tests of the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member of Well JY-A,Jiaoshiba Blocka.CO2吸附測(cè)試；b.N2吸附測(cè)試

利用CO2吸附測(cè)試獲取的不同有機(jī)碳含量的5塊樣品(圖8),在孔徑為0.3～1.5 nm時(shí)，孔隙累計(jì)比孔容(即孔隙體積)與有機(jī)碳含量呈線性正相關(guān)關(guān)系；利用N2吸附測(cè)試獲取的不同有機(jī)碳含量的9塊樣品，在孔徑為2～230 nm(包括孔徑在2～10 nm)時(shí)，孔隙累計(jì)比孔容與有機(jī)碳含量的關(guān)系具明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明孔徑在0.3～1.5 nm和2～10 nm范圍，納米孔隙中的有機(jī)孔隙對(duì)孔隙體積的貢獻(xiàn)非常重要。此外，CO2和N2吸附測(cè)試得到的頁(yè)巖樣品孔徑在0.3～1.5 nm和2～10 nm時(shí)，孔隙累計(jì)比孔容隨有機(jī)碳含量增加而增加的趨勢(shì)不同。孔徑在0.3～1.5 nm范圍的孔隙累計(jì)比孔容隨有機(jī)碳含量呈相對(duì)緩慢增加的趨勢(shì)，而孔徑在2～10 nm范圍的孔隙累計(jì)比孔容隨有機(jī)碳含量的增加呈相對(duì)較快增加的趨勢(shì)。這說(shuō)明焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖樣品孔徑在0.3～1.5 nm微孔范圍的孔隙中，隨有機(jī)碳含量的增加有機(jī)孔隙體積增加的比例?。欢讖皆?～10 nm范圍的孔隙中，隨有機(jī)碳含量的增加有機(jī)孔隙體積增加的比例相對(duì)大的多。

圖8 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖樣品CO2和N2吸附測(cè)試的累計(jì)比孔容與有機(jī)碳含量關(guān)系Fig.8 Relationship between TOC content and cumulative specific pore volume based on CO2 and N2 adsorption tests of shale samples from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member of Well JY-A,Jiaoshiba Block

4 有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)差異性原因分析

焦石壩背斜五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖納米級(jí)有機(jī)孔隙是最重要的孔隙類型，尤其是五峰組和龍馬溪組一段下部?jī)?yōu)質(zhì)段頁(yè)巖有機(jī)孔隙更為發(fā)育。然而無(wú)論是用FE-SEM直接觀察，還是通過(guò)氣體吸附測(cè)試分析，均可看出研究區(qū)五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖納米有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)包括有機(jī)孔隙的孔徑分布、孔隙形狀、發(fā)育程度及有機(jī)質(zhì)面孔率等存在明顯差異。這種差異性的原因有多種，一方面反映與五峰組和龍馬溪組一段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度兼或有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的差異性有關(guān)，另一方面還與五峰組頁(yè)巖層段處于擠壓滑脫層底部的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。

頁(yè)巖中高演化過(guò)成熟的生烴母質(zhì)(干酪根)和分散瀝青是有機(jī)孔隙發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。從圖5中可看出，五峰組、龍馬溪組一段下部和龍馬溪組一段上部頁(yè)巖不同孔徑的納米有機(jī)孔隙的孔徑總體分布趨勢(shì)大體相當(dāng)，而龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖相對(duì)與五峰組頁(yè)巖中較大的納米有機(jī)孔隙數(shù)量更加發(fā)育，其原因可能主要是有機(jī)質(zhì)豐度(殘余干酪根和滯留液態(tài)烴)、超壓作用以及構(gòu)造作用等。在熱演化程度和成巖作用特征近似的焦石壩背斜區(qū)塊，五峰組和龍馬溪組一段下部高有機(jī)碳含量(約3.0%～6.0%)的優(yōu)質(zhì)段頁(yè)巖相對(duì)于龍馬溪組一段上部較低有機(jī)碳含量(約0.6%～2.5%)的次優(yōu)質(zhì)段頁(yè)巖中的有機(jī)孔隙更加發(fā)育。根據(jù)表4中頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)面孔率平均值與TOC含量平均值可知，隨著頁(yè)巖有機(jī)碳含量的增加，頁(yè)巖樣品的平均有機(jī)質(zhì)面孔率在統(tǒng)計(jì)意義上也隨之增加。如五峰組頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)面孔率平均值為17.08%，相應(yīng)的TOC含量平均值為4.43%；龍馬溪組一段下部有機(jī)質(zhì)面孔率平均值為16.09%，相應(yīng)的TOC含量平均值為3.67%；龍馬溪組一段上部有機(jī)質(zhì)面孔率平均值為9.28%，相應(yīng)的TOC含量平均值為1.75%。這可能主要與在埋深增加和熱演化成巖過(guò)程中形成有機(jī)質(zhì)豐度較高的頁(yè)巖殘余有機(jī)質(zhì)較多有關(guān)，尤其是頁(yè)巖基質(zhì)孔隙中滯留的液態(tài)烴越多，越有利于生成更多的熱裂解氣，進(jìn)而形成更多的與熱裂解成因氣有關(guān)的焦瀝青中的有機(jī)孔隙，使得頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)面孔率隨有機(jī)碳含量的增加而增大，從而導(dǎo)致頁(yè)巖中的有機(jī)孔發(fā)育程度出現(xiàn)差異。

五峰組頁(yè)巖樣品中多數(shù)有機(jī)孔隙形狀呈不規(guī)則的棱角形，這與上覆的龍馬溪組一段垂直或平行層面的頁(yè)巖樣品有機(jī)孔隙形狀多為橢圓形和近圓形形成明顯的區(qū)別，這種現(xiàn)象說(shuō)明在燕山期—喜馬拉雅期構(gòu)造抬升剝蝕過(guò)程中，垂向負(fù)荷壓實(shí)作用可能不是五峰組頁(yè)巖有機(jī)孔隙變形的主要原因。值得注意的是，對(duì)焦石壩背斜區(qū)塊多口井的頁(yè)巖巖心觀察發(fā)現(xiàn)，五峰組比龍馬溪組一段發(fā)育更多的構(gòu)造裂縫以及充填于裂縫中的方解石和石英脈體，同時(shí)可觀察到五峰組中-下部也發(fā)育擠壓破碎層和反映分層擠壓滑脫的構(gòu)造現(xiàn)象(如次級(jí)滑脫面擦痕、微型滑脫褶皺和疊瓦狀構(gòu)造等)；這可能表明在區(qū)域擠壓推覆的構(gòu)造應(yīng)力背景下，五峰組處在其下伏碳酸鹽巖堅(jiān)硬巖層之上的五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖軟弱層系底部，五峰組頁(yè)巖底部為主滑脫面，因而使得五峰組頁(yè)巖相對(duì)于龍馬溪組一段頁(yè)巖經(jīng)歷了更明顯的構(gòu)造擠壓分層滑脫改造作用并引起某種程度的超壓釋放，造成五峰組頁(yè)巖中有機(jī)孔隙形態(tài)遭受側(cè)向應(yīng)力擠壓變形和壓縮，這可能是導(dǎo)致五峰組頁(yè)巖樣品中多數(shù)有機(jī)孔隙形狀呈不規(guī)則的棱角形的主要原因，同樣也是在相近的有機(jī)碳含量條件下，五峰組頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)面孔率小于龍馬溪組一段下部頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)面孔率的主要原因。焦石壩背斜區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部和龍馬溪組一段上部頁(yè)巖的有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)包括有機(jī)孔隙數(shù)量、形狀、孔徑分布及發(fā)育程度的差別對(duì)頁(yè)巖含氣性以及頁(yè)巖氣的賦存狀態(tài)(即游離氣和吸附氣的含量)可能產(chǎn)生較為重要的影響。

5 結(jié)論

1) 五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中有機(jī)孔隙十分發(fā)育，其形狀主要呈近圓形、橢圓形、不規(guī)則的棱角形等，孔徑小于50 nm的有機(jī)孔隙數(shù)量最多，孔徑在50～300 nm范圍內(nèi)的有機(jī)孔隙面積占比最大。

2) 焦石壩背斜區(qū)塊五峰組與龍馬溪組一段下部和上部3者的頁(yè)巖巖心樣品納米有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯差別，五峰組頁(yè)巖有機(jī)孔隙形狀多為不規(guī)則的棱角形，整體上孔徑相對(duì)較小且有機(jī)孔隙密度大，孔徑在10～50 nm的有機(jī)孔隙數(shù)量相對(duì)最多；龍馬溪組一段頁(yè)巖有機(jī)孔隙形狀多為近圓形和橢圓形，龍馬溪組一段下部?jī)?yōu)質(zhì)段頁(yè)巖(一般TOC>3.0%)整體上有機(jī)孔隙的孔徑相對(duì)較大，孔徑大于50 nm的有機(jī)孔隙數(shù)量相對(duì)較多；龍馬溪組一段上部次優(yōu)質(zhì)段頁(yè)巖有機(jī)孔隙數(shù)量相對(duì)較少，發(fā)育較多孔徑在10～300 nm的有機(jī)孔隙。頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)面孔率與頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度呈粗略的正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步推斷應(yīng)與頁(yè)巖基質(zhì)孔隙中固體焦瀝青的含量大體呈正相關(guān)關(guān)系。

3) 導(dǎo)致焦石壩背斜區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部、龍馬溪組一段上部頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)差異性的主要原因與頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度的差異性和五峰組頁(yè)巖相對(duì)于龍馬溪組一段頁(yè)巖可能經(jīng)歷了更顯著的燕山期-喜馬拉雅期構(gòu)造推覆與分層擠壓滑脫以及造成一定程度的超壓釋放使得有機(jī)孔隙遭受側(cè)向壓縮變形改造等因素有關(guān)。這3個(gè)層位的頁(yè)巖有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)的差異性對(duì)頁(yè)巖含氣性和頁(yè)巖氣的賦存狀態(tài)可能有著較重要的影響。

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