謝國梁 劉樹根 焦 堃 鄧 賓 葉玥豪孫 瑋 李澤奇 劉文平 羅 超 李章暢

1.銅陵學(xué)院建筑工程學(xué)院 2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院 3.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·成都理工大學(xué)

4.西華大學(xué) 5.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，具有資源潛力大、分布廣泛的特征，日益受到各國的重視[1-6]。頁巖具有納米級孔隙結(jié)構(gòu)，物性特征為低孔隙度、超低滲透率[1-3]。有機(jī)質(zhì)孔隙作為頁巖含氣系統(tǒng)中重要的儲集場所，明晰其孔隙類型及特征對于頁巖氣富集機(jī)理研究具有重要的意義。

四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組是目前我國頁巖氣勘探開發(fā)的主要目的層。2020年，四川盆地頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到200×108m3，主要集中于五峰組—龍馬溪組頁巖。馬新華等[4]的研究結(jié)果表明，川南地區(qū)深層（埋深介于3 500～4 500 m）頁巖具有地層壓力大、壓力系數(shù)高、孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)等特點，是頁巖氣勘探的有利區(qū)域，深層頁巖氣勘探開發(fā)潛力大。眾多學(xué)者針對四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖的沉積環(huán)境、孔隙結(jié)構(gòu)、富集機(jī)制以及壓裂工藝等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了許多重要的認(rèn)識[4-11]。然而仍存在著一些不足之處亟待進(jìn)一步研究：①目前大多數(shù)的研究集中于埋藏較淺（埋深小于3 500 m）的五峰組—龍馬溪組頁巖，并且實現(xiàn)了規(guī)模效益開發(fā)，而針對更深層（埋深介于3 500～4 500 m）的黑色頁巖研究相對不足。2018年以來，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司對川南地區(qū)埋深介于3 500～4 500 m的龍馬溪組頁巖開展攻關(guān)，并在L203井獲得138×104m3/d的測試產(chǎn)氣量。此外，四川盆地及其周緣龍馬溪組底部埋深大于3 500 m的頁巖氣勘探面積是中淺層（小于3 500 m）頁巖氣勘探面積的2倍[11]?？梢姡拇ㄅ璧厣顚禹搸r氣資源潛力巨大，是頁巖氣勘探開發(fā)重要的接替領(lǐng)域。②頁巖中有機(jī)質(zhì)組分識別不清晰，學(xué)者對于頁巖中的有機(jī)質(zhì)組分的識別存在差異——Chen等[12]依據(jù)有機(jī)質(zhì)形態(tài)將有機(jī)質(zhì)組分劃分為形態(tài)組分（主要為筆石體）和無形態(tài)組分（主要為瀝青和微粒體）；Yang等[13]研究認(rèn)為焦瀝青是五峰組—龍馬溪組頁巖中最主要的有機(jī)質(zhì)組分，筆石體和微粒體次之；張慧等[14]將南方早古生代頁巖的有機(jī)質(zhì)組分分為瀝青質(zhì)體和菌藻類；此外，不同有機(jī)質(zhì)組分孔隙發(fā)育情況亦存在一定爭議——Inan等[15]發(fā)現(xiàn)頁巖中的筆石體基本不發(fā)育孔隙；Chen等[12]發(fā)現(xiàn)筆石體中存在大量的孔隙。③不同有機(jī)質(zhì)組分的孔隙發(fā)育有待于量化表征。大量研究結(jié)果證實，有機(jī)質(zhì)次生孔隙是最主要的有機(jī)質(zhì)孔隙類型[12-13]，并且不同有機(jī)質(zhì)組分的孔隙發(fā)育特征不同[13]。因此，對于有機(jī)質(zhì)組分孔隙特征的定量研究仍有待于進(jìn)一步細(xì)化。

針對上述關(guān)鍵問題，筆者利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡（SEM）識別了四川盆地五峰組—龍馬溪組深層頁巖中的有機(jī)質(zhì)組分，并結(jié)合PCAS（Pores/Particles and Cracks Analysis System，簡稱PCAS）軟件定量表征了有機(jī)質(zhì)組分的孔隙發(fā)育特征，同時通過SEM—EDS（面掃描能譜分析）聯(lián)合觀察探討了焦瀝青孔隙的保存機(jī)制，探討了焦瀝青孔隙的地質(zhì)意義，以期為頁巖氣富集機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于上揚子地臺的西北緣，其東南與齊岳山為界，西以松潘—甘孜造山帶為界，北以秦嶺造山帶為界（圖1），面積約為18×104km2。四川盆地自震旦紀(jì)以來，經(jīng)歷了多期的構(gòu)造演化，顯示出多旋回的特點[16-17]。晚奧陶世至早志留世，四川盆地受到加里東運動影響，形成了川中隆起、黔中隆起和江南—雪峰山隆起[18]，并且在古隆起之間發(fā)育安靜、還原性的沉積環(huán)境，有利于富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖的沉積[19-20]。本文中的五峰組—龍馬溪組頁巖指五峰組頂部以及龍馬溪組下部的黑色頁巖，主要沉積于還原性強(qiáng)的深水陸棚環(huán)境，厚度一般介于10～70 m[21]（圖1）。五峰組—龍馬溪組頁巖的巖性主要為黑色碳質(zhì)/硅質(zhì)頁巖，含有豐富的筆石化石[20]，如 Amplexograptus，Diceratograptus，Dicellograptus和Tangyagraptus等，并且具有富含總有機(jī)碳（TOC）、高自然伽馬（GR）的特征。

2 樣品及方法

2.1 樣品

針對四川盆地5口井（圖1）五峰組—龍馬溪組深層頁巖取樣進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)、礦物組分測試分析，測試結(jié)果如表1所示。為了避免頁巖風(fēng)化對于測試結(jié)果的影響，所選擇的頁巖樣品均為新鮮樣品，并且采集完成后用塑料薄膜包裹密封。

2.2 實驗與方法

2.2.1 基本測試

筆者對樣品進(jìn)行的基本測試主要包括有機(jī)地球化學(xué)測試和礦物分析，分析測試工作在北京市理化測試中心完成。有機(jī)地球化學(xué)測試主要為TOC和有機(jī)質(zhì)成熟度測試。由于五峰組—龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)來源主要為低等水生藻類、細(xì)菌等，無陸源有機(jī)質(zhì)輸入（缺乏鏡質(zhì)體）。因此，有機(jī)質(zhì)成熟度主要通過測試頁巖中的焦瀝青的反射率，并通過Jacob[22]換算公式Ro=0.4+0.618BRo（BRo表示瀝青反射率）轉(zhuǎn)換為等效鏡質(zhì)體反射率（Ro）。

2.2.2 掃描電鏡觀察

選擇12個深層頁巖樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察。在觀察之前，首先將頁巖樣品制備成長8 mm、寬8 mm、高3 mm的矩形小塊，然后用粒徑分別為30.0 μm、15.0 μm、9.0 μm、6.0 μm、3.0 μm、1.0 μm、0.1 μm的超薄金剛砂紙進(jìn)行研磨直至表面平整，而后采用日立公司生產(chǎn)的Hitachi IM 4000 氬離子拋光儀在真空狀態(tài)下進(jìn)行拋光，釋放的超純氬在一定能量下轟擊頁巖表面，得到超光滑的表面，氬離子拋光時間設(shè)置為2 h。利用氬離子拋光可有效避免由于機(jī)械拋光過程對樣品表面的破壞，揭示樣品真實的孔隙形態(tài)。氬離子拋光后的頁巖樣品利用Hitachi公司生產(chǎn)的雙束掃描電鏡進(jìn)行二次電子成像，獲取高分辨率的孔隙圖像，在掃描電鏡觀察前需要在頁巖表面涂一層鉑金層以提高導(dǎo)電率。通過觀察一系列不同分辨率的掃描電鏡圖像，可以直接獲取頁巖內(nèi)的孔隙的類型、形態(tài)、大小、孔隙的分布以及孔隙連通性等信息[23-24]。結(jié)合人工統(tǒng)計法和統(tǒng)計軟件（如PCAS和Image J等）可以獲取孔隙的孔徑和孔隙面孔率等信息，得到孔隙的定性—半定量的參數(shù)。氬離子拋光和掃描電鏡實驗分別在四川省科源工程測試中心和華南理工大學(xué)完成。

2.2.3 PCAS軟件定量表征

PCAS軟件由Liu等[24]提出，可以對普通顯微鏡照片、掃描電鏡照片和CT圖像中的孔隙和裂縫進(jìn)行定量分析，與其他圖像分析軟件如J Microvision、Image J等軟件相比，PCAS軟件具有以下優(yōu)勢：①PCAS軟件專門處理灰度圖像，具有識別孔隙和裂縫準(zhǔn)確度高的特點；②能夠準(zhǔn)確獲取孔隙或裂縫的尺寸、形態(tài)等定量參數(shù)，將孔隙的形態(tài)定量化。

3 實驗結(jié)果

3.1 TOC、Ro和礦物組成

為了研究需要，筆者選擇的頁巖樣品TOC含量較高。頁巖樣品的TOC介于1.82%～4.40%，平均值為3.24%。有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型—偏腐泥混合型，主要為腐泥型[26]，頁巖的Ro介于2.09%～2.78%，平均值為2.48%，反映了深層頁巖均處于過成熟度階段。由于選取的深層頁巖樣品有機(jī)質(zhì)成熟度較相近（表1）。因此基本可以忽略頁巖的熱演化程度對于有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的影響。

X射線衍射分析顯示頁巖的礦物組成較為相似（表1）。均以石英為主，含有一定量的黏土礦物、碳酸鹽巖礦物以及少量的長石、黃鐵礦等。其中，頁巖的石英含量介于33%～75%，平均值為53%；黏土礦物含量介于2%～37%，平均值為16%；碳酸鹽巖礦物介于3%～63%，平均值為22%；黃鐵礦介于1%～6%，平均值為3%。在黏土礦物中，伊利石占主導(dǎo)，相對含量為65%～92%，平均值為79%；綠泥石次之，介于0～31%，平均值為15%；伊/蒙混層含量最低，介于3%～13%，平均值為5%。

表1 樣品基本參數(shù)表

3.2 有機(jī)質(zhì)組分識別

由于筆者選擇的深層頁巖樣品熱演化程度均處于過成熟度階段，頁巖中的干酪根遭受強(qiáng)烈的物理—化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，造成頁巖中有機(jī)質(zhì)組分的識別困難。盡管如此，前人在識別不同有機(jī)質(zhì)組分上亦取得了重要的認(rèn)識。Loucks等[27]提出7條準(zhǔn)則來區(qū)分干酪根和固體瀝青，如掃描電鏡下固體瀝青沒有固有的形態(tài)，孔隙較為發(fā)育，而干酪根具有一定的固有形態(tài)并且顆粒直徑較大。Zhang等[28]在五峰組—龍馬溪組頁巖中識別出藻類體、細(xì)菌集合體以及球狀干酪根等有機(jī)質(zhì)組分類型。筆者結(jié)合前人的研究成果[27-29]，借助光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡，將本次研究的五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中的有機(jī)質(zhì)組分劃分為瀝青和干酪根兩大類。其中，瀝青主要為焦瀝青，依據(jù)焦瀝青的形狀，可進(jìn)一步識別為有形態(tài)焦瀝青（如團(tuán)塊狀焦瀝青、球狀焦瀝青等）和無形態(tài)焦瀝青。干酪根則包括藻類體碎片、細(xì)菌集合體、筆石體以及微粒體等4小類（表2）。

表2 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)組分類型表

3.2.1 焦瀝青

瀝青是研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖中常見的有機(jī)質(zhì)組分。Mastalerz等[30]在考慮固體瀝青、焦瀝青的化學(xué)組成、可溶性以及成因等因素后，建議將固體瀝青反射率為1.5%作為固體瀝青、焦瀝青的界線。有機(jī)巖石學(xué)家定義固體瀝青為干酪根生烴后殘留的次生產(chǎn)物，為溶于有機(jī)溶劑的部分[31]，而焦瀝青主要為原油裂解成氣后殘留的不溶于有機(jī)溶劑的物質(zhì)[32]。筆者研究的頁巖熱演化均處于干氣階段，如表1所示。因此，在五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中瀝青主要為焦瀝青。

光學(xué)顯微鏡下，焦瀝青主要呈黑色—棕黑色，難以與干酪根組分加以識別。與光學(xué)顯微鏡相比，掃描電鏡具有更高的分辨率，能夠更好地對有機(jī)質(zhì)組分進(jìn)行識別。觀察結(jié)果顯示，焦瀝青主要存在兩種形式：①具有一定的形態(tài)，表現(xiàn)為以充填形式存在于礦物溶蝕孔洞中或已溶蝕的海綿骨針等化石骨架內(nèi)，如團(tuán)塊狀焦瀝青（圖2-a、b）、球狀焦瀝青等（圖2-c）等，團(tuán)塊狀焦瀝青顆粒一般較大，超過20 μm；②無固定形態(tài)，表現(xiàn)為焦瀝青以充填形式存在于礦物顆粒間孔隙、黏土礦物片間孔隙（圖2-d）以及晶間孔隙（圖2-e）內(nèi)，一般而言，存在于這些孔隙內(nèi)的焦瀝青直徑通常小于10 μm?？傮w來看，無固定形態(tài)焦瀝青占優(yōu)勢。

據(jù)觀察，焦瀝青孔隙十分發(fā)育，主要呈氣泡狀（圖2-b、d）、海綿狀（圖2-b）和不規(guī)則狀分布。氣泡狀孔隙呈次圓形、橢圓形，孔隙邊界不光滑，呈“Z”字形，孔徑介于50～200 nm，推測單個氣泡狀孔隙是由多個孔隙融合而成。與氣泡狀孔隙相比，海綿狀孔隙孔徑明顯較低，介于10～100 nm，并且孔隙形狀多為圓形至次圓形（圖2-b），海綿狀孔隙多是頁巖在高成熟度下氣體生成過程中形成的[27]。

筆者觀察到的球狀焦瀝青具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)核與外環(huán)邊界平滑，外環(huán)與礦物邊界清晰，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，球狀焦瀝青外環(huán)有機(jī)質(zhì)孔隙極為發(fā)育，而內(nèi)環(huán)孔隙發(fā)育不明顯（圖2-c），并且內(nèi)核與外環(huán)孔隙發(fā)育存在明顯的過渡現(xiàn)象，即越靠近外環(huán)邊界孔隙的直徑越大。通常外環(huán)發(fā)育的孔隙通常呈氣泡狀并局部連接呈微裂縫。需要說明的是，由于球狀焦瀝青具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)，筆者傾向于認(rèn)為球狀焦瀝青內(nèi)核和外環(huán)的物質(zhì)組分是不同的。外環(huán)的主要成分可能為焦瀝青，而內(nèi)核的母質(zhì)種類可能為疑源類、單細(xì)胞浮游藻類[28,33-34]，成分可能為干酪根。

3.2.2 干酪根

3.2.2.1 藻類體碎片

藻類體碎片是研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖中常見的有機(jī)質(zhì)組分類型之一。薄片及掃描電鏡觀察結(jié)果表明，至少可以識別出兩種類型的藻類體碎片：一種類型的藻類體碎片在單偏光呈層狀、條帶狀、絮狀（圖2-f），掃描電鏡下不易識別。另一種類型的藻類體碎片表現(xiàn)為具有固有的形態(tài)（如團(tuán)塊狀），藻類體碎片的粒徑一般超過20 μm，一般為石英、黏土礦物等圍限，邊界清晰（圖2-g），高放大倍數(shù)下的藻類體碎片具有極少孔隙發(fā)育（圖2-h）。由于該類藻類體碎片具有明顯的邊界以及所圍限的石英沒有發(fā)現(xiàn)加大邊現(xiàn)象，一般認(rèn)為該類有機(jī)質(zhì)為干酪根而非瀝青。

3.2.2.2 細(xì)菌集合體

該類有機(jī)質(zhì)組分主要由一系列的球形、半球形的細(xì)菌或糞粒（Pellets）集合而成（圖2-i）。單個糞粒一般介于100～200 nm。由于強(qiáng)烈的壓實作用，糞粒間緊密接觸其原始的形態(tài)難以識別。在低放大倍數(shù)掃描電鏡下該類有機(jī)質(zhì)組分容易誤識別為瀝青或藻類體，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)細(xì)菌集合體具有獨特的特征：①該有機(jī)質(zhì)表面不平滑；②在高放大倍數(shù)掃描電鏡下可見清晰的球形或半球形細(xì)菌或糞粒，在細(xì)菌或糞粒之間可見粒間孔隙發(fā)育，孔徑一般介于5～30 nm（圖2-i）。該類孔隙明顯不同于氣泡狀孔隙及海綿狀孔隙，定向排列性差并且孔隙棱角分明。

3.2.2.3 筆石體

筆石體是常見的有機(jī)質(zhì)組分，是五峰組—龍馬溪組頁巖的標(biāo)志性生物化石[19-20]。觀察顯示多數(shù)的筆石體是以碳化形式平行分布于層面。在單偏光下，筆石體多呈黑色并且具有清晰邊界輪廓（圖2-j）。在掃描電鏡下由于視域限制常見筆石體碎片，筆石體孔隙基本不發(fā)育（圖2-k），與前人研究結(jié)果相符[13,15,28]。?nan等[35]研究指出筆石體主要由含脂肪類的芳香族化合物組成，使其傾向于腐殖型干酪根。

需要指出的是，筆者觀察筆石體未發(fā)育明顯的孔隙可能與圖像的放大倍數(shù)有關(guān)，有可能發(fā)育小于5 nm孔隙。Clarkson等[36]研究認(rèn)為貧氫的腐植煤中存在豐富的掃描電鏡不可視孔隙。因此，筆石體中發(fā)育小于5 nm的孔隙是有可能的。

3.2.2.4 微粒體

微粒體被認(rèn)為是傾油型干酪根排烴后剩余的殘留物[13]。掃描電鏡下，微粒體常與焦瀝青伴生并且呈次圓形，直徑介于100～400 nm，未見明顯孔隙發(fā)育（圖2-l）。

4 討論

4.1 不同有機(jī)質(zhì)組分孔隙發(fā)育

利用PCAS軟件定量分析頁巖中典型有機(jī)質(zhì)組分孔隙的發(fā)育特征（表3、圖3）表現(xiàn)為以下5種：①無固定形態(tài)焦瀝青具有最高的面孔率，但不同頁巖樣品間存在一定差異，如樣品C1的無固定形態(tài)焦瀝青具有較高的面孔率（6.91%）及較高的形狀系數(shù)（0.61），反映了無固定形態(tài)焦瀝青孔隙較為規(guī)則（圖3-a、b）；②球狀焦瀝青具有較高的面孔率并且最大的孔隙直徑（超過400 nm）（圖3-c、d），球狀焦瀝青在樣品中不常見；③藻類體碎片具有極低的面孔率，其孔隙發(fā)育程度與其種屬密切相關(guān)，如層狀藻類體孔隙基本不發(fā)育（圖3-e、f）；④細(xì)菌集合體具有較低的面孔率，且其孔徑明顯低于無固定形態(tài)焦瀝青和球狀焦瀝青（圖3-g、h）。另外，細(xì)菌集合體孔隙分布較不規(guī)則，高的概率熵也反映了細(xì)菌集合體孔隙無定向性；⑤筆石體、微粒體中孔隙基本不發(fā)育。總之，有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育與有機(jī)質(zhì)組分密切相關(guān)，無固定形態(tài)焦瀝青孔隙是頁巖中最為常見的有機(jī)質(zhì)孔隙類型。

表3 五峰組—龍馬溪組典型有機(jī)質(zhì)組分孔隙定量結(jié)果表

4.2 不同有機(jī)質(zhì)組分孔隙分布

由于筆石體和微粒體孔隙基本不發(fā)育或很少發(fā)育，因此，筆者主要利用PCAS定量分析典型無固定形態(tài)焦瀝青、球狀焦瀝青、藻類體碎片以及細(xì)菌集合體等有機(jī)質(zhì)組分孔隙的分布特征。研究結(jié)果顯示：①無固定形態(tài)焦瀝青孔隙分布集中介于2～50 nm（介孔范圍內(nèi)）（圖4），在介孔—宏孔范圍內(nèi)，隨著孔徑的增大，孔隙出現(xiàn)的頻率降低；②球狀焦瀝青孔徑明顯高于其他有機(jī)質(zhì)組分且主要分布在大介孔（25～50 nm）與宏孔范圍內(nèi)（大于50 nm）（圖4），在介孔—宏孔范圍內(nèi)，隨著孔徑增大，孔隙出現(xiàn)的頻率增加；③藻類體碎片主要分布于介孔范圍內(nèi)（2～50 nm），孔徑集中介于10～30 nm；④細(xì)菌集合體孔隙孔徑主要集中在介孔范圍內(nèi)（2～50 nm），孔徑分布于10～20 nm范圍內(nèi)的孔隙頻率最高。

4.3 焦瀝青孔隙保存機(jī)制

焦瀝青是五峰組—龍馬溪組深層頁巖中主要的有機(jī)質(zhì)組分，研究焦瀝青（主要指無固定形態(tài)焦瀝青，下同）孔隙的保存機(jī)制對于揭示深層頁巖氣的賦存機(jī)理具有重要意義。筆者研究的深層頁巖樣品均處于過成熟度階段，能夠較好地反映深層頁巖礦物組分對于焦瀝青孔隙的控制作用。

Curtis等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在同一視域內(nèi)距離較近（一般幾微米）的有機(jī)質(zhì)顆粒其孔隙發(fā)育差異大，由此推測發(fā)育孔隙的有機(jī)質(zhì)顆粒是受到剛性顆粒的保護(hù)而保存下來。另外，富硅頁巖巖相通常具有更高的有機(jī)質(zhì)孔隙度以及孔隙發(fā)育程度[37-40]。因此，頁巖中的有機(jī)質(zhì)孔隙得以保存很大程度上是由于剛性礦物的格架保護(hù)作用，這已經(jīng)成為眾多學(xué)者的共識[2,39-40]。為了更好地驗證深層頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙的保存是由于剛性礦物顆粒的“壓力影”效應(yīng)，筆者研究利用深層頁巖樣品的X射線衍射分析、TOC等測試資料，結(jié)合場發(fā)射掃描電鏡以及面掃描能譜分析探討深層頁巖中焦瀝青孔隙的保存機(jī)制。

H1和H2樣品具有相似的黏土礦物含量，TOC較高（均大于2.0%），但石英含量差異較大（表1），能最大程度反映石英含量對于焦瀝青孔隙發(fā)育的影響程度。觀察發(fā)現(xiàn)，富硅的H1樣品焦瀝青為石英所圍限，孔隙十分發(fā)育，以氣泡狀孔隙為主（圖5-a）。PCAS軟件定量分析結(jié)果顯示該焦瀝青的面孔率為4.12%，孔隙數(shù)量為396個，形狀系數(shù)為0.60，概率熵為0.966，平均孔徑為17 nm。相對貧硅的H2樣品焦瀝青周圍為富鋁的黏土礦物所圍限（圖5-b），在高放大倍數(shù)下未發(fā)現(xiàn)明顯的孔隙發(fā)育（圖5-c）。同樣的現(xiàn)象也見于Z202井富黏土的Z1樣品，焦瀝青孔隙不甚發(fā)育，而富硅的Z3樣品焦瀝青孔隙較發(fā)育。以上均體現(xiàn)了硅質(zhì)對于焦瀝青孔隙的保護(hù)作用。

脆性礦物含量高的頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育好壞主要取決于脆性礦物如石英、黃鐵礦等提供的剛性格架。在深層頁巖樣品中，常見的脆性礦物包括石英、黃鐵礦和碳酸鹽巖礦物（方解石、白云石等）。因此，分析不同脆性礦物對于焦瀝青孔隙的保護(hù)作用，對于焦瀝青孔隙的保存研究具有一定的意義。

通過對大量掃描電鏡圖像進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)焦瀝青與脆性礦物的賦存方式主要有3類：①焦瀝青以充填方式賦存于石英間粒間孔隙內(nèi)（圖5-a），焦瀝青的形態(tài)取決于該粒間孔隙的形狀，Loucks等[27]和Zhang等[28]研究指出五峰組—龍馬溪組頁巖中石英加大邊可作為區(qū)分瀝青和干酪根的標(biāo)志之一；筆者本次研究的深層頁巖樣品中未見明顯的石英次生加大現(xiàn)象，但觀察發(fā)現(xiàn)微晶石英與焦瀝青常伴生存在（圖5-a），微晶石英的形成多認(rèn)為具有生物成因、成巖成因（黏土礦物轉(zhuǎn)化）等[41-42]，其存在也可用來識別焦瀝青和干酪根[27]；五峰組—龍馬溪組由于古埋藏較深，經(jīng)歷了強(qiáng)烈的壓實作用和膠結(jié)作用，故充填于石英顆粒間的焦瀝青顆粒粒徑一般小于10 μm，殘余原生孔隙過大難以保存下來[15]；此外，Wang等[43]研究指出焦瀝青孔隙的發(fā)育及變形程度與距石英顆粒的距離密切相關(guān)，即越靠近石英顆粒，焦瀝青孔隙變形程度大，孔隙呈拉長橢圓形或孔隙消失，需要指出的是，即使在富黏土礦物的頁巖中（如Z1樣品，黏土礦物含量為37%，石英含量為35%），存在于石英顆粒間的焦瀝青孔隙仍可發(fā)育（圖5-d），但其孔隙發(fā)育程度仍明顯低于富石英貧黏土頁巖。②黃鐵礦與焦瀝青主要存在兩種賦存關(guān)系，一種是焦瀝青以充填形式存在于草莓狀黃鐵礦晶粒間，該種賦存形式焦瀝青常伴有孔隙發(fā)育，但也可見焦瀝青不發(fā)育孔隙，這種情形可見于黏土質(zhì)頁巖巖相中，通過對同一視域內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)，存在于石英粒間孔隙內(nèi)的焦瀝青其孔隙發(fā)育程度明顯好于草莓狀黃鐵礦（圖5-e）；另一種是焦瀝青以充填形式存在于黃鐵礦顆粒先前形成的溶蝕孔中，孔隙少量發(fā)育或基本不發(fā)育（圖5-f），該種形式的黃鐵礦為后期成巖形成。③碳酸鹽巖礦物與焦瀝青主要存在兩種賦存方式，一種是焦瀝青以充填形式存在于由碳酸鹽礦物（一般是方解石）組成的殘余原生粒間孔隙內(nèi)，通過對同一視域內(nèi)的石英顆粒和方解石顆粒焦瀝青孔隙觀察發(fā)現(xiàn)，靠近石英一側(cè)焦瀝青孔隙發(fā)育程度好于靠近方解石一側(cè)的焦瀝青（圖5-g）；另一種是焦瀝青以充填形式存在于碳酸鹽礦物（主要為白云石）的溶蝕孔隙中，孔隙基本不發(fā)育（圖5-h）。值得注意的是，在石英含量高的頁巖中（如C1和C2樣品，石英含量超過70%），即使這兩個樣品的黏土礦物低于10%，仍可見片狀黏土礦物孔中充填焦瀝青，并其中發(fā)育豐富的有機(jī)質(zhì)孔隙（圖2-d）。

由以上推斷，石英對于焦瀝青孔隙的支撐保護(hù)作用要強(qiáng)于黃鐵礦和碳酸鹽礦物，并且由于頁巖中的黃鐵礦、方解石和白云石等礦物的含量相對較低，石英顆粒形成的剛性格架對于焦瀝青孔隙的保護(hù)起到主導(dǎo)作用。

4.4 焦瀝青孔隙地質(zhì)意義

焦瀝青由于具有高的面孔率以及比表面積，可以作為游離氣、吸附氣良好的儲集載體[1]。焦瀝青孔隙是在有機(jī)質(zhì)的演化過程中由殘留原油裂解成氣形成的，在形成的初始階段孔隙主要呈圓形、次圓形[29,44-45]。隨著埋藏深度的增加，上覆地層壓力增大，黑色頁巖層系需要很高的孔隙壓力維持異常高壓狀態(tài)，否則當(dāng)?shù)貙佑行?yīng)力大于地層破裂壓力時將導(dǎo)致孔隙壓力周期性滲漏[46]，而滲漏的主體很大可能是甲烷。因此，目前地下仍然賦存有大量甲烷氣體的焦瀝青孔隙很可能由于很高的孔隙壓力進(jìn)而維持其孔隙呈近圓形或橢圓形的原始形態(tài)，而甲烷氣體已經(jīng)全部排出或者部分排出的焦瀝青孔隙則勢必會縮小孔隙體積，以維持足夠的孔隙壓力抵抗壓實作用，此時，焦瀝青孔隙往往會發(fā)生變形。因此，從理論上講頁巖中大量圓形或次圓形焦瀝青孔隙的存在可能反映了頁巖層系中具有高的孔隙壓力。葉玥豪[47]研究指出五峰組—龍馬溪組黑色頁巖在抬升剝蝕過程中，如果黑色頁巖中烴類氣體的殘余壓力不足于抵抗巖層上覆壓力，即有效應(yīng)力大于破裂壓力，有機(jī)質(zhì)孔隙受壓扁平、彎曲；如果有機(jī)質(zhì)孔內(nèi)烴類氣體的殘余壓力可以抵抗上覆壓力，則有機(jī)質(zhì)孔隙得以保存，呈次圓—橢圓狀。

通過對深層頁巖的壓力系數(shù)、產(chǎn)氣量定性分析發(fā)現(xiàn)，不同壓力系數(shù)的深層頁巖焦瀝青熱成因孔的孔徑、孔隙形態(tài)與頁巖氣含氣性呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，可總結(jié)為3類孔隙模型（圖6）。壓力系數(shù)、測試產(chǎn)氣量較高的頁巖中的焦瀝青孔隙往往孔徑更大、數(shù)量更多，孔隙形態(tài)更規(guī)則（近圓形、次圓形和橢圓形），而壓力系數(shù)、測試產(chǎn)氣量低的頁巖焦瀝青孔隙孔徑往往更小、數(shù)量更少，孔隙形態(tài)更不規(guī)則。如超壓的DY5井、Z202井的頁巖焦瀝青孔隙的形狀系數(shù)明顯比常壓NX202井更大，并且孔徑更大，數(shù)目更多。由此可見，焦瀝青孔隙保存較好的頁巖，其測試產(chǎn)量一般較高，一定程度上也反映了其具有較好的頁巖氣富集狀況。

因此，利用頁巖中的焦瀝青孔隙的參數(shù)（孔徑、形狀系數(shù)等）來表征頁巖氣的含氣性或者保存條件是可能的，也有待進(jìn)一步研究揭示。

5 結(jié)論

1）利用光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡在四川盆地五峰組—龍馬溪組深層頁巖中識別出瀝青（主要為焦瀝青）和干酪根兩大類有機(jī)質(zhì)組分。焦瀝青可進(jìn)一步細(xì)分為有形態(tài)焦瀝青（主要為團(tuán)塊狀焦瀝青和球狀焦瀝青）、無固定形態(tài)焦瀝青；干酪根可進(jìn)一步識別出藻類體碎片、細(xì)菌集合體、筆石體以及微粒體等。PCAS定量結(jié)果表明，無固定形態(tài)焦瀝青具有最高的面孔率，球狀焦瀝青次之，細(xì)菌集合體具有低的面孔率。

2）不同有機(jī)質(zhì)組分孔徑分布不同。無固定形態(tài)焦瀝青孔隙的孔徑主要集中于介孔，并且在介孔范圍內(nèi)隨著孔徑的增加孔隙頻率呈降低趨勢；球狀焦瀝青孔隙的孔徑明顯高于團(tuán)塊狀焦瀝青并且分布于大介孔（25～50 nm）—宏孔，隨著孔徑增大，孔隙出現(xiàn)的頻率呈增加趨勢；細(xì)菌集合體、藻類體碎片孔隙均分布于介孔范圍內(nèi)，其中10～30 nm孔徑范圍內(nèi)發(fā)育的孔隙最多。筆石體、微粒體等有機(jī)質(zhì)組分未發(fā)現(xiàn)明顯的孔隙發(fā)育。

3）掃描電鏡結(jié)合面掃描能譜顯示，相較于黏土質(zhì)頁巖巖相，硅質(zhì)頁巖巖相中焦瀝青孔隙更為發(fā)育，并且在脆性礦物中，石英對于孔隙的保護(hù)作用要好于黃鐵礦、碳酸鹽礦物。

4）焦瀝青孔隙主要為熱成因，其孔隙在原始形成階段為圓形、次圓形。從理論上講，目前埋深較大的頁巖可能需要很高的孔隙壓力方可以維持其圓形、次圓形的原始形態(tài)。因此，焦瀝青的孔隙形態(tài)（孔徑、形狀系數(shù)等）在一定程度上可反映孔隙當(dāng)前埋深下的壓力環(huán)境。