李楚雄，申寶劍，潘安陽，張文濤，李 昂，丁江輝

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126)

近年來，我國在南方海相頁巖氣勘探領(lǐng)域獲得了重大突破，并在四川盆地及其周緣的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組取得了商業(yè)性進(jìn)展[1]。我國南方海相頁巖具有累計(jì)厚度大、有機(jī)碳含量高、脆性礦物含量高和熱演化程度高等特征[2-4]。諸多研究證實(shí)，熱演化程度是控制頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化與有機(jī)孔隙發(fā)育的重要因素之一，也是我國和北美海相頁巖的重要差異所在[2-11]。因此，頁巖孔隙在不同熱演化階段的發(fā)育特征問題受到了業(yè)內(nèi)學(xué)者越來越多的關(guān)注。吳松濤等[12]通過原位觀察長(zhǎng)7頁巖在不同溫度條件下的微納米級(jí)孔隙形態(tài)特征，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的熱演化作用對(duì)孔隙發(fā)育的貢獻(xiàn)最大；馬中良等[13]采用西加拿大盆地上白堊統(tǒng)海相頁巖進(jìn)行生烴模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱演化程度可能不是控制有機(jī)孔隙形成演化的決定性因素，而有機(jī)質(zhì)物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異對(duì)有機(jī)孔隙的發(fā)育具有重要作用；張毅等[14]選用新疆三塘湖盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組低成熟油頁巖開展了半封閉體系的熱模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度、壓力條件對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)具有重要影響，有機(jī)質(zhì)演化產(chǎn)物與孔隙演化趨勢(shì)緊密相關(guān)。

然而，相關(guān)研究所使用的頁巖多為陸相樣品或其他層系的樣品，與我國南方海相頁巖不能較好匹配。與其他地區(qū)相比，我國南方海相頁巖的熱演化程度普遍偏高(EqVRo=2%～5%)，多處于高—過熟階段，即使是成熟度相對(duì)較低的塔里木盆地海相頁巖，其平均EqVRo也在1.5%以上[2-5]。因此，想要在自然條件下獲取理想成熟度梯度的海相頁巖樣品是十分困難的。并且高演化階段有機(jī)顯微組分的結(jié)構(gòu)分散、光學(xué)特征較差，在鏡下不易識(shí)別[15]，導(dǎo)致目前關(guān)于海相頁巖不同有機(jī)顯微組分孔隙發(fā)育差異性的研究比較少見。

本研究選取歐洲地區(qū)波羅的海盆地上奧陶統(tǒng)海相頁巖，在確定其有機(jī)顯微組分的基礎(chǔ)上，采用半開放—半封閉體系的熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)裝置，以焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組埋藏演化史和超壓發(fā)育史為地質(zhì)約束條件，開展了一系列孔隙演化的熱壓模擬實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)模擬產(chǎn)物的定量統(tǒng)計(jì)和氬離子拋光條件下的掃描電鏡微區(qū)分析，闡述了模擬實(shí)驗(yàn)頁巖在不同熱演化階段的孔隙發(fā)育特征及形成機(jī)理，以期厘清有機(jī)顯微組分差異對(duì)孔隙發(fā)育的影響，深化對(duì)我國海相頁巖孔隙演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

熱模擬實(shí)驗(yàn)通常需要選取熱演化程度較低且成烴生物類型與研究區(qū)較為一致的樣品。本次研究的目的是揭示我國南方五峰組—龍馬溪組海相頁巖在近地質(zhì)條件演化過程中孔隙的形成與演化機(jī)理，但我國南方海相頁巖的熱演化程度普遍較高，所以選擇熱演化程度相對(duì)適中的歐洲地區(qū)波羅的海盆地上奧陶統(tǒng)頁巖(EqVRo=0.80%)進(jìn)行室內(nèi)熱壓模擬實(shí)驗(yàn)。巖石熱解分析顯示：樣品的總有機(jī)碳含量(TOC)為8.01%、熱解峰溫(Tmax)為446 ℃、游離烴含量(S1)為4.50 mg/g、熱解烴含量(S2)為19.30 mg/g、氫指數(shù)(IH)為241 mg/g。

1.2 熱壓模擬實(shí)驗(yàn)

熱壓模擬實(shí)驗(yàn)裝置采用中國石化無錫石油地質(zhì)研究所自主研發(fā)的地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)儀。該設(shè)備屬于半開放—半封閉的可控生排烴實(shí)驗(yàn)體系，能夠通過控制溫壓和流體介質(zhì)使實(shí)驗(yàn)樣品處在與地質(zhì)條件相近的地層流體壓力和上覆靜巖壓力的有限生烴空間內(nèi)[16]。

模擬實(shí)驗(yàn)以焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組埋藏演化史和超壓發(fā)育史作為地質(zhì)約束。前人研究表明，川東地區(qū)龍馬溪組熱演化過程始于晚二疊世，受熱流高峰影響，成熟度迅速升高，進(jìn)入成熟階段；隨后大地?zé)崃鹘档?，演化速度變緩；晚三疊世，受地層快速埋深的影響，成熟度持續(xù)升高，并于中侏羅世達(dá)到高—過熟階段；晚白堊世，地層達(dá)到最大埋深，地層溫度為160～250 ℃；此后經(jīng)受大規(guī)模抬升，地層溫度降低，熱演化停止，現(xiàn)今龍馬溪組處于過成熟階段[17]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置了6個(gè)模擬溫度點(diǎn)并確定了與之相對(duì)應(yīng)的埋深、靜巖壓力和流體壓力(表1)。模擬實(shí)驗(yàn)的主要步驟為反應(yīng)系統(tǒng)試漏、抽真空、設(shè)置溫壓參數(shù)、產(chǎn)物收集，詳細(xì)流程見文獻(xiàn)[13,16,18]。通過取心機(jī)將原始巖心切割成6個(gè)直徑3.5 cm、長(zhǎng)度10 cm左右的圓柱樣。由于原始樣品較為新鮮，實(shí)驗(yàn)過程中沒有加入額外的流體介質(zhì)。加熱方式是以1 ℃/min的升溫速率升至設(shè)定溫度，達(dá)到設(shè)定溫度后再恒溫48 h進(jìn)行生烴反應(yīng)。需要注意的是，雖然焦石壩地區(qū)頁巖氣產(chǎn)層具有超壓特征，但前人根據(jù)包裹體測(cè)算的古壓力演化史反映出地層流體壓力基本上沒有突破各個(gè)熱演化階段的上覆巖層破裂壓力[17](地層流體壓力/上覆靜巖壓力大于0.85)。因此模擬實(shí)驗(yàn)的流體壓力控制在靜巖壓力的0.85倍(當(dāng)實(shí)際流體壓力超過控制流體壓力時(shí)即釋放壓力并收集模擬產(chǎn)物)。古地表溫度取25 ℃，古地溫梯度取30 ℃/km。

表1 樣品熱壓模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物分析

實(shí)驗(yàn)樣品的分析測(cè)試分為以下3個(gè)部分：(1)產(chǎn)物定量。在模擬實(shí)驗(yàn)完成后收集排烴裝置與樣品室和管線中的油，為“排出油”；模擬樣品依據(jù)巖石中氯仿瀝青的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)(SY/T5118-2005)，進(jìn)行充分索式抽提后的產(chǎn)物為“殘留油”；依據(jù)天然氣的組成分析氣相色譜法(GB/T13610-2014)，利用氣相色譜對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)后的氣體產(chǎn)物進(jìn)行組分測(cè)定，將產(chǎn)生的烴氣加以定量。另取少量模擬樣品粉碎至200目，依據(jù)巖石熱解分析標(biāo)準(zhǔn)(GB/T18602-2001)，在Rock-Eval 6型巖石熱解儀上進(jìn)行測(cè)試。(2)有機(jī)顯微組分觀察與成熟度的確定。依據(jù)全巖光片顯微組分鑒定及統(tǒng)計(jì)方法(SY/T6414-2014)，使用萊卡DM4500P偏光顯微鏡進(jìn)行有機(jī)顯微組分鑒定，并利用Leica QWin_V3圖像處理軟件對(duì)不同類型的有機(jī)顯微組分開展定量統(tǒng)計(jì)。由于樣品內(nèi)部不含鏡質(zhì)體，模擬樣品的熱演化程度通過低熟鏡煤在同等溫度條件下的熱模擬實(shí)驗(yàn)來確定。(3)掃描電鏡分析。依據(jù)巖石樣品掃描電鏡分析標(biāo)準(zhǔn)(SY/T5162-1997)，模擬樣品經(jīng)過機(jī)械打磨后進(jìn)行氬離子拋光2 h，加速電壓3.0 kV，拋光截面偏轉(zhuǎn)角1.5°，然后在Helios NanoLAB 650型聚集離子束場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)上獲取樣品的二次電子(SE)圖像和背散射(BSE)圖像。工作距離保持在3～8 mm，采用較低的加速電壓(2.0 kV)以減少電子束對(duì)樣品的破壞。同時(shí)利用掃描電鏡X射線能譜(EDS)檢測(cè)器對(duì)礦物成分加以識(shí)別。

2 結(jié)果與討論

2.1 原始頁巖有機(jī)顯微組分及定量統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)全巖光薄片的觀察，認(rèn)為原始頁巖的成烴生物類型與焦石壩地區(qū)龍馬溪組海相頁巖具有一定的相似性。原始頁巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型，有機(jī)顯微組分以藻類體、瀝青質(zhì)體和古生物碎屑為主。其中，無定形態(tài)的細(xì)小有機(jī)質(zhì)顆粒占小部分，主要由瀝青質(zhì)體和藻類無定形體構(gòu)成，分布于礦物基質(zhì)中，在反射光和透射光下不明顯，但在熒光下呈淺黃褐色或淺黃綠色(圖1a-f)。這部分瀝青也被稱為“前油瀝青”，是干酪根在生油階段早期的熱降解產(chǎn)物，來源于以脂類為主要成分的低等藻類、浮游生物和古生物腔體內(nèi)的脂質(zhì)大分子聚合物[19-20]。具有一定形態(tài)的大顆粒有機(jī)質(zhì)占大部分，主要由層狀藻類體和生物殼體構(gòu)成，呈紋層狀和條帶狀分布。生物殼體組織由于不易分解而保留了一定的原始形態(tài)，可見的以幾丁石和筆石最為突出，在反射光下呈灰白色且無熒光(圖1b-e)。筆石和幾丁石是古生代海洋沉積環(huán)境中具有有機(jī)質(zhì)殼體的典型海洋微體動(dòng)物化石[15]。與筆石相比，幾丁石的形態(tài)多為長(zhǎng)壺形或酒瓶形，兩端大小不一(圖1b,c)。筆石則多為板條形或長(zhǎng)棒形(圖1d)。顯微鏡下能夠觀察到完整的生物殼體及其腔體部分發(fā)育大量黃鐵礦，但也見破碎、零散而難以辨認(rèn)的生物殼體碎屑(圖1b-e)。藻類體以層狀藻類體為主，結(jié)構(gòu)藻類體比較少見，主要來源于浮游藻類和底棲藻類[21]，在反射光下呈棕褐色，在熒光下呈淺黃綠色并具有明顯的生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)(圖1f)。通過掃描電鏡形貌觀察結(jié)合能譜分析也能為有機(jī)質(zhì)來源提供依據(jù)[22]。例如，伴生有大量黃鐵礦的生物殼體(可能為筆石)，表面凹凸不平并且多褶皺的藻類體和與不同類型礦物相混合的瀝青(圖2a-c)。

圖1 原始頁巖樣品有機(jī)顯微組分照片

a.透射光，藻類體與生物碎屑；b. 透射光，幾丁石碎屑；c.反射光，視域同b；d. 反射光，筆石碎屑；e.反射光，生物殘屑(來源未知)；f.熒光，藻類體與瀝青質(zhì)體

Fig.1 Photomicrographs of organic macerals in raw shale samples

在有機(jī)顯微組分定性劃分的基礎(chǔ)上，通過Leica QWin_V3圖像處理軟件能夠進(jìn)一步將不同顏色灰度的組分定量化，來反映有機(jī)質(zhì)的組成特征[23]。藻類體和生物碎屑在反射光和熒光下具有顏色、光性特征和結(jié)構(gòu)形態(tài)上的差異，可以在圖像上進(jìn)行有效區(qū)分。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，二者的相對(duì)含量分別為6.0%和5.2%。此外，礦物瀝青基質(zhì)主要以亞顯微級(jí)的分散無定形有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)，其含量在圖像上難以確定[24]。

2.2 有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化與油氣生成

根據(jù)巖石熱解參數(shù)和不同模擬溫度下的烴類產(chǎn)物收集情況綜合分析，將模擬樣品的熱演化過程分為3個(gè)階段：生油階段(250～350 ℃)、濕氣階段(350～450 ℃)和干氣階段(450～550 ℃)(圖3)。如表2所示，與原始頁巖相比，LT-250的巖石熱解參數(shù)Tmax和IH大致相同，w(TOC)、S1和S2則略有降低。樣品LT-250具有較低的排出油產(chǎn)率，表明在250 ℃低溫加熱的基礎(chǔ)上頁巖內(nèi)的干酪根/瀝青少量生油，這可能對(duì)其熱演化程度影響不大。隨著模擬溫度不斷升高，頁巖w(TOC)和IH呈降低趨勢(shì)，EqVRo和Tmax呈上升趨勢(shì)。在此期間，總烴產(chǎn)率持續(xù)升高(62.46～364.96 kg/t)；烴氣產(chǎn)率逐漸升高(0～263.06 kg/t)，并且在350～450 ℃區(qū)間增速較快；總油產(chǎn)率先升高后降低(62.46～144.40kg/t)，峰值出現(xiàn)在350 ℃。其中，排出油產(chǎn)率先升高后平穩(wěn)(2.87～101.42 kg/t)，殘留油產(chǎn)率先升高后降低(0.41～100.35 kg/t)。由于產(chǎn)物的收集貫穿于整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)過程，而產(chǎn)物的定量統(tǒng)計(jì)則是一次性完成的，因此不同模擬溫度下的產(chǎn)物組成特征能有效指示頁巖樣品所處的熱演化階段[25]。在350 ℃之前，模擬產(chǎn)物以殘留油為主，烴氣產(chǎn)率極低，頁巖處于生油階段；350～450 ℃區(qū)間，殘留油熱裂解向烴氣轉(zhuǎn)化，油氣大量排出，導(dǎo)致烴氣產(chǎn)率快速上升同時(shí)總油產(chǎn)率下降，油氣比逐漸減小，頁巖處于生濕氣階段；在450 ℃之后，總油產(chǎn)率以排出油為主且基本恒定，烴氣產(chǎn)率繼續(xù)上升，油氣比進(jìn)一步減小，頁巖處于生干氣階段。此外，生油窗和生氣窗的位置雖然不能準(zhǔn)確判斷，但可以確定二者分別出現(xiàn)在350 ℃和450 ℃附近。

圖2 原始頁巖樣品有機(jī)顯微組分掃描電鏡圖片與能譜分析

表2 熱模擬頁巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)

注：EqVRo非實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，樣品LT-250與原始頁巖EqVRo相當(dāng)，其余為煤樣在同等條件下的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 不同熱模擬溫度下的油氣產(chǎn)率總烴產(chǎn)率=總油產(chǎn)率+烴氣產(chǎn)率，總油產(chǎn)率=排出油產(chǎn)率+殘留油產(chǎn)率

模擬溫度在450 ℃之后仍有大量烴氣產(chǎn)生，并且占總烴生成量的19.2%，這部分烴氣可能主要來源于筆石在高演化階段的生氣作用。已有研究表明，筆石周皮組織的化學(xué)組成以脂肪族化合物為主，其次是芳香族化合物，具有一定生烴能力，可能與腐植型干酪根相當(dāng)[15]。

2.3 頁巖孔隙的演化特征與成因機(jī)制

2.3.1 有機(jī)/無機(jī)孔類型劃分及成因

在參考LOUCKS等[9-11,25-27]對(duì)泥頁巖樣品及模擬實(shí)驗(yàn)樣品中不同類型孔隙劃分的基礎(chǔ)上，我們對(duì)本次研究中不同演化階段樣品出現(xiàn)的孔隙進(jìn)行了系統(tǒng)分類，共分為2大類8小類(圖4)。其中，有機(jī)孔包括海綿狀有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)收縮孔和氣泡狀有機(jī)孔；無機(jī)礦物孔包括礦物粒內(nèi)孔和粒間孔，具體細(xì)分為鑄膜孔、溶蝕孔、礦物粒間孔、黏土礦物層間孔和改造礦物孔。

圖4 熱模擬頁巖的孔隙類型

a.海綿狀有機(jī)孔，LT-325；b.有機(jī)質(zhì)收縮孔，LT-350；c.氣泡狀有機(jī)孔，LT-350；d.鑄膜孔，LT-250；e.黃鐵礦溶蝕孔，LT-450；f.礦物粒間孔，LT-325；g.黏土礦物層間孔，LT-450；h.改造礦物孔，LT-450

Fig.4 Pore types of thermal simulated shale

有機(jī)孔的劃分主要根據(jù)孔隙的形態(tài)和賦存狀態(tài)。海綿狀有機(jī)孔是因氣態(tài)烴的生成而形成的次生孔隙，在高—過熟階段的富有機(jī)質(zhì)頁巖中普遍存在[10,27]，形態(tài)不規(guī)則，主要分布在焦瀝青中。有機(jī)質(zhì)收縮孔通常發(fā)育在大顆粒有機(jī)質(zhì)邊緣，多出現(xiàn)于模擬實(shí)驗(yàn)樣品中，有觀點(diǎn)認(rèn)為這些孔隙是模擬實(shí)驗(yàn)后溫度和圍壓下降過程中形成的人工產(chǎn)物[25]，在地質(zhì)樣品中比較少見。氣泡狀有機(jī)孔是分散在有機(jī)質(zhì)中的孤立氣泡，大小不一，呈圓形或橢圓形，能夠通過形態(tài)和分布的非均質(zhì)性將其與海綿狀有機(jī)孔進(jìn)行區(qū)分。

無機(jī)礦物孔的劃分主要根據(jù)其空間位置和與之相關(guān)的巖石基質(zhì)類型。鑄膜孔是由于巖石基質(zhì)的部分缺失而產(chǎn)生的一類具有特定鑄膜形態(tài)的孔隙[11,25]。其成因具有多源性，可能是生物骨架或腔體自身結(jié)構(gòu)的缺失，也可能是在前處理拋光過程中造成的礦物或有機(jī)質(zhì)顆粒的缺失。溶蝕孔在高演化階段樣品中比較常見，發(fā)育在長(zhǎng)英質(zhì)礦物、碳酸鹽巖礦物和黃鐵礦的表面，與有機(jī)酸類的生成和地層流體的侵蝕作用具有密切關(guān)系。礦物粒間孔與黏土礦物層間孔通常在未熟—低熟階段比較多見，而在成熟階段容易受到石油烴類的充注。改造礦物孔是有機(jī)質(zhì)在礦物顆粒間隙運(yùn)移后形成的孔隙，發(fā)育在礦物顆粒間隙，其邊緣附有明顯的殘余有機(jī)質(zhì)，可以作為石油烴類初次運(yùn)移的證據(jù)[25-26]。

2.3.2 頁巖孔隙的形成及演化特征

熱模擬頁巖掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，隨著熱演化程度的增加，孔隙的類型、分布和豐度均發(fā)生了顯著變化，這與頁巖內(nèi)殘留有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和運(yùn)移具有重要聯(lián)系。

在有機(jī)質(zhì)熱演化的不同階段，孔隙的類型及發(fā)育程度具有明顯差異。(1)生油階段，殘留油產(chǎn)率升高，受殘留油占據(jù)作用的影響，整體孔隙的發(fā)育程度較低，孔隙以少量的礦物粒間孔為主，有機(jī)孔普遍不發(fā)育。這一現(xiàn)象并非偶然，已有研究通過有機(jī)溶劑抽提實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了被殘留油掩蓋的孔隙[28-30]。模擬溫度在250 ℃時(shí)，可見少量的礦物粒間孔，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部幾乎觀察不到孔隙(圖5a, b)；溫度上升至325 ℃時(shí)，烴氣的生成致使小部分有機(jī)質(zhì)內(nèi)部形成了納米級(jí)海綿狀有機(jī)孔，也產(chǎn)生了有機(jī)質(zhì)收縮孔，然而大部分有機(jī)質(zhì)內(nèi)部不發(fā)育孔隙(圖5c, d)。(2)濕氣階段，孔隙發(fā)育程度顯著提高，殘留油逐漸裂解，總油產(chǎn)率降低，烴氣在大量生成的同時(shí)加劇排烴(圖3)。頁巖內(nèi)有機(jī)孔與無機(jī)孔并存，發(fā)育大量的氣泡狀有機(jī)孔和改造礦物孔(圖5e-h)。氣泡狀有機(jī)孔普遍為納米—微米級(jí)大小，可能來源于小孔之間的相互連通與合并，也可能是有機(jī)質(zhì)內(nèi)溶解氣富集的結(jié)果。相比而言，改造礦物孔的孔徑更大，作為烴類流體運(yùn)移的通道，其大小和形態(tài)受周圍礦物的結(jié)構(gòu)控制。(3)干氣階段，整體孔隙發(fā)育程度與濕氣階段大致相當(dāng)。不同的是，該階段改造礦物孔作為主要的孔隙類型，其發(fā)育程度要高于有機(jī)孔。在經(jīng)歷了更強(qiáng)烈的排烴作用后，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙可能受烴類流體遷移的影響而被改造或破壞。以筆石為主的大顆粒有機(jī)質(zhì)普遍發(fā)育收縮孔(圖5i)。與藻類體不同，筆石的形態(tài)特征在熱演化前后變化不大，即使在高演化階段也易于識(shí)別，這是由于二者的油氣轉(zhuǎn)化效率差異所致。前者屬于傾油型有機(jī)質(zhì)，油氣轉(zhuǎn)化率較高(60%～80%)，后者屬于傾氣型有機(jī)質(zhì)，油氣轉(zhuǎn)化率較低(10%～20%)。改造礦物孔邊緣的殘余有機(jī)質(zhì)明顯減少，呈現(xiàn)初始有機(jī)質(zhì)的鑄膜形態(tài)(圖5j, k)，這是油向焦瀝青轉(zhuǎn)化過程中體積縮減造成的。XIONG等[31]通過原油裂解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固體瀝青的最大生成量約為初始原油的42%。此外，礦物溶蝕孔在該階段較為發(fā)育，尤其是與殘留有機(jī)質(zhì)相伴生的黃鐵礦(圖5l)。

圖5 熱模擬頁巖掃描電鏡圖片

從頁巖孔隙演化過程的分析結(jié)果來看，有機(jī)孔的分布具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，無機(jī)礦物孔的發(fā)育具有階段性，體現(xiàn)在3個(gè)方面。第一，生油階段海綿狀有機(jī)孔小范圍出現(xiàn)(圖5d)。這是由于該階段烴氣和排出油的生成量均較低，油氣初次運(yùn)移的活躍度不高，有機(jī)孔得以有效保存而沒有被殘留油掩蓋。第二，原生有機(jī)質(zhì)(干酪根)多發(fā)育收縮孔(圖4b, i)，而次生有機(jī)質(zhì)(焦瀝青)多發(fā)育海綿狀有機(jī)孔和氣泡狀有機(jī)孔(圖5d-f)。CURTIS等[32]在Woodford頁巖中同樣觀察到有機(jī)孔分布的非均質(zhì)現(xiàn)象，他認(rèn)為不同孔隙特征的有機(jī)質(zhì)可能來源于不同的顯微組分，也可能二者分別為干酪根和焦瀝青。第三，無機(jī)孔的演化與烴類流體的運(yùn)移程度有關(guān)，呈現(xiàn)出階段性發(fā)育特征。當(dāng)模擬溫度低于350 ℃，烴類的充注導(dǎo)致礦物粒間孔的發(fā)育程度較低；隨著模擬溫度上升，改造礦物孔伴隨排烴的發(fā)生而大量形成。總體而言，在實(shí)驗(yàn)條件下，頁巖孔隙的發(fā)育程度隨有機(jī)質(zhì)熱演化程度的增加而提高。伴隨油氣的生成和初次運(yùn)移，整體孔隙由不發(fā)育的狀態(tài)逐漸演變?yōu)閺?fù)雜交錯(cuò)的孔隙網(wǎng)絡(luò)，連通性增加。

2.4 高演化階段頁巖氣勘探的啟示

焦石壩頁巖氣產(chǎn)區(qū)的龍馬溪組頁巖目前正處于過成熟階段，孔隙以納米級(jí)有機(jī)孔為主(圖6)。其中，干酪根以筆石類生物碎屑最為常見，其孔隙具有非均質(zhì)性，存在發(fā)育邊緣孔、海綿狀孔和孔隙不發(fā)育等現(xiàn)象(圖6a-c)，而更多的有機(jī)孔發(fā)育在焦瀝青內(nèi)部，并且均質(zhì)性較好(圖6d-f)。相比而言，類似的海綿狀有機(jī)孔主要出現(xiàn)在325～350 ℃的模擬樣品中，而在400～550 ℃的模擬樣品中比較少見，這表明納米級(jí)有機(jī)孔隙在高演化階段可能發(fā)生了轉(zhuǎn)化和破壞。

研究發(fā)現(xiàn)，模擬溫度達(dá)到450 ℃時(shí)，排出油產(chǎn)率趨于恒定，殘留油產(chǎn)率接近于0(圖3)，并且生烴潛力(IH)接近于0(表2)，表明殘留油已經(jīng)完成了向焦瀝青方向的轉(zhuǎn)化而不再具有生烴能力。隨模擬溫度繼續(xù)升高，殘余有機(jī)質(zhì)趨于焦炭化[33]，這可能會(huì)在排烴的基礎(chǔ)上進(jìn)一步影響有機(jī)孔隙的保存。當(dāng)模擬溫度大于350 ℃，頁巖內(nèi)產(chǎn)生了大量的微米級(jí)改造礦物孔(圖5h, j-k)，表現(xiàn)出原始有機(jī)質(zhì)經(jīng)過了高效的轉(zhuǎn)化和運(yùn)移，也反映出模擬產(chǎn)物在壓實(shí)效應(yīng)上的欠缺。對(duì)于有機(jī)質(zhì)熱演化而言，溫度對(duì)時(shí)間能起到補(bǔ)償效應(yīng)。但對(duì)于儲(chǔ)層孔隙空間的演化過程而言，短時(shí)間內(nèi)提供的圍壓明顯不能代替漫長(zhǎng)地層條件下的機(jī)械壓實(shí)作用和深部流體條件下的壓溶作用。在深層地質(zhì)條件下，強(qiáng)烈的機(jī)械壓實(shí)作用和壓溶作用會(huì)導(dǎo)致孔隙度降低、大尺寸孔隙減少[34-35]，有機(jī)孔隙多以納米級(jí)為主，KUILA等[36]認(rèn)為大部分的含烴孔隙可能小于100 nm。鑒于這些原因，研究認(rèn)為孔隙的有效保存問題在高演化階段頁巖氣勘探過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖6 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖掃描電鏡圖片

3 結(jié)論

(1)通過掃描電鏡觀察及微區(qū)特征分析，將熱模擬頁巖的孔隙類型劃分為2個(gè)大類和8個(gè)亞類。有機(jī)孔包括海綿狀有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)收縮孔和氣泡狀有機(jī)孔；無機(jī)礦物孔包括鑄膜孔、溶蝕孔、礦物粒間孔、黏土礦物層間孔和改造礦物孔。

(2)頁巖整體孔隙的發(fā)育程度隨有機(jī)質(zhì)熱演化程度的增加而提高。有機(jī)孔的分布表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性，無機(jī)礦物孔的發(fā)育呈現(xiàn)出階段性，這與有機(jī)顯微組分的差異、有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和油氣的初次運(yùn)移具有密切聯(lián)系。

(3)海綿狀有機(jī)孔是焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖的主要孔隙類型，也是地質(zhì)樣品與熱模擬樣品孔隙差異的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)條件下，海綿狀有機(jī)孔在生油階段開始形成，在濕氣階段—干氣階段趨于轉(zhuǎn)化和破壞?？紫兜挠行П４鎲栴}在高演化階段頁巖氣勘探過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。