高雯璐，周 文，徐 浩，曹 茜，劉瑞崟，李飛雨，蒲飛龍

1成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都

2成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都

1. 引言

四川盆地是我國頁巖氣資源勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域[1] [2]，二疊系烴源巖作為四川盆地重要?dú)庠磶r，具有巨大的勘探開發(fā)潛力，預(yù)估資源量可達(dá)2.4 × 1012m3[3] [4] [5]。二疊系龍?zhí)督M/吳家坪組頁巖厚度穩(wěn)定，演化程度高，含氣性良好，是未來四川盆地頁巖氣資源勘探開發(fā)的重要層系[6]。

泥頁巖中微孔隙系統(tǒng)發(fā)育，儲層的孔隙結(jié)構(gòu)是影響儲層儲集性能和頁巖氣開采的主要因素。目前，已有學(xué)者針對二疊系泥頁巖儲層特征及孔隙發(fā)育影響因素等方面進(jìn)行大量研究[7] [8] [9]。部分學(xué)者認(rèn)為，泥頁巖中的孔隙發(fā)育主要受沉積構(gòu)造演化和自身物質(zhì)組成內(nèi)外兩方面因素共同影響[10] [11] [12]。作為同期異相沉積的一套地層，沉積環(huán)境不同導(dǎo)致海陸過渡相龍?zhí)督M與海相吳家坪組泥頁巖在有機(jī)質(zhì)和礦物組成等方面具有顯著差異特征[13] [14] [15]，從而對孔隙的發(fā)育產(chǎn)生影響[16] [17] [18]。二疊系龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖沉積環(huán)境多變[19]，有機(jī)質(zhì)類型多樣，礦物組成復(fù)雜，孔隙發(fā)育影響因素眾多，二者間的微觀孔隙差異特征及孔隙發(fā)育主控因素尚需進(jìn)一步探究。

本文選取川東南龍?zhí)督M及川東北吳家坪組泥頁巖樣品，開展有機(jī)碳測定、X-射線衍射、干酪根顯微組分測試等基礎(chǔ)測試，并通過氬離子拋光及場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察、低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，對四川盆地龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖的主要孔隙類型和孔隙形態(tài)、體積等結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。結(jié)合沉積環(huán)境、有機(jī)地球化學(xué)與巖石礦物組分差異，分析二疊系龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖孔隙發(fā)育差異特征及主要影響因素，從而為評價(jià)其頁巖氣勘探潛力奠定良好的基礎(chǔ)。

2. 地質(zhì)概況

受加里東運(yùn)動影響，四川盆地整體表現(xiàn)為“西南高，北東低”，“兩臺一凹”的古地理格局[20] [21]。晚二疊世，受東吳運(yùn)動的影響，整個(gè)上揚(yáng)子地區(qū)特別是四川盆地，在不同的地區(qū)展現(xiàn)出同期異相的沉積特征，龍?zhí)督M和吳家坪組分為南、北兩相區(qū)[22] [23]，川南地區(qū)整體上為海陸過渡相沉積，稱龍?zhí)督M；川北地區(qū)為海相沉積，稱吳家坪組。在地形與海平面變化的約束下，龍?zhí)督M/吳家坪組沉積相帶自南西至北東向依次表現(xiàn)為河流三角洲–濱岸–沼澤–潮坪–潟湖–淺水陸棚–深水陸棚–開闊臺地–盆地相，呈弧形帶狀展布[24] [25] (圖1)。川東南研究區(qū)龍?zhí)督M主要為濱岸–沼澤相沉積，巖性以灰黑色–黑色泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，粉砂巖為主，發(fā)育大量煤層(圖2(a))；川東北研究區(qū)吳家坪組主要為深水陸棚相沉積，巖性以泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖、硅質(zhì)頁巖為主，灰質(zhì)含量高，二疊系沉積初期，受峨眉山玄武巖噴發(fā)影響，在下段發(fā)育大量玄武巖(圖2(b))。

Figure 1. Sedimentary model map of Sichuan Basin (modified from document [26])圖1. 四川盆地沉積模式圖(修改自文獻(xiàn)[26])

Figure 2. Lithologic histogram of Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b) in the study area圖2. 研究區(qū)龍?zhí)督M(a)和吳家坪組(b)巖性柱狀圖

3. 樣品及實(shí)驗(yàn)

3.1. 樣品基本特征

本次研究選取四川盆地川東南地區(qū)龍?zhí)督MA 井及川東北地區(qū)吳家坪組B 井泥頁巖樣品(圖1)。龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)來源主要為高等植物，干酪根類型主要為III 類，顯微組分以鏡質(zhì)組組分為主，樣品TOC介于0.05%～13.20%，平均2.91%，鏡質(zhì)體反射率RO介于1.8%～2.2%；吳家坪組泥頁巖有機(jī)質(zhì)來源主要為藻類、底棲生物，干酪根類型主要為II 類，顯微組分以腐泥組組分為主，樣品TOC 介于4.90%～14.73%，平均8.59%，鏡質(zhì)體反射率RO介于2.6～3.8% (表1)。龍?zhí)督M礦物組分以黏土礦物(66%)為主，黏土組分較復(fù)雜，主要以伊/蒙混層為主(60.2%)，同時(shí)含高嶺石(21.2%)和綠泥石(17.8%)；吳家坪組礦物組分以石英(40%)等硅質(zhì)礦物和碳酸鹽巖礦物(35%)為主，黏土礦物含量較少，組分主要為伊利石(97.5%) (表2)。

Table 1. Characteristics of organic matter in Longtan formation and Wujiaping formation表1. 龍?zhí)督M和吳家坪組樣品有機(jī)質(zhì)特征

Table 2. Mineral composition characteristics of Longtan formation and Wujiaping formation samples表2. 龍?zhí)督M和吳家坪組樣品礦物組成特征

3.2. 主要實(shí)驗(yàn)與研究方法

由于泥頁巖的孔隙主要為微納米孔隙，常規(guī)儲層的孔隙研究方法難以準(zhǔn)確測試和表征，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)建立了圖像分析與流體注入等技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，對含氣泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面表征[27] [28][29]。本次研究開展場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察與低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別使用image J 軟件處理和BJH 模型擬合，與從定性和定量的角度對龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖孔隙特征進(jìn)行相對全面表征。

掃描電鏡技術(shù)廣泛用于泥頁巖的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙表征等研究，在泥頁巖儲層評價(jià)中，可通過掃描電鏡圖像直觀展現(xiàn)泥頁巖微觀孔隙的大小、形態(tài)、連通性等結(jié)構(gòu)特征，以及定義不同的孔隙類型[30]。結(jié)合image J 等圖像處理軟件，可分別統(tǒng)計(jì)得到各類孔隙面孔率與數(shù)量占比等參數(shù)[31] [32]。研究使用場發(fā)射掃描電鏡儀器為Zeiss-Merlin，分辨率0.8 nm，最大放大倍數(shù)200 萬倍，測試加速電壓0.02 kV～30 kV。在進(jìn)行掃描電鏡觀察之前先對泥頁巖樣品進(jìn)行氬離子拋光處理，可得到平整的泥頁巖表面，從而更準(zhǔn)確的進(jìn)行納米級孔隙細(xì)節(jié)研究。本次研究首先在不同倍數(shù)下觀察各類孔隙及礦物特征，隨后將放大倍數(shù)增大至20,000～40,000 倍，結(jié)合image J 圖像處理軟件，將大觀察倍數(shù)下足量拍攝的掃描電鏡圖像進(jìn)行拼接得到龍?zhí)督M/吳家坪組頁巖樣品的大視域網(wǎng)格劃分圖后利用不同顏色標(biāo)定不同孔隙種類：以紅色代表有機(jī)孔，綠色代表粒內(nèi)孔，藍(lán)色代表粒間孔，再統(tǒng)計(jì)得到各類孔隙面孔率與數(shù)量占比等參數(shù)。

低溫液氮等溫吸附法，可在表征孔結(jié)構(gòu)時(shí)得到泥頁巖儲層微觀結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)信息和總體特征，對泥頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行表征與分析，對孔隙形態(tài)進(jìn)行分類[33]。本次研究中，低溫氮?dú)馕建C脫附測試采用美國麥克公司生產(chǎn)的ASAP2020 全自動比表面積及微孔/介孔分析儀，該儀器孔徑測量范圍為0.35 nm～500 nm，實(shí)驗(yàn)條件為：低溫-195.8℃，壓力為97.3 kPa～127 kPa，粉末大小為60～80 目。吸附/解吸結(jié)果利用BJH 模型擬合，以“吸附回線”特征判別孔隙形態(tài)。

4. 結(jié)果

4.1. 龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖主要孔隙類型

基于樣品的掃描電鏡圖像，按照Loucks 等人(2012)提出的泥頁巖基質(zhì)孔隙分類方法[34]進(jìn)行觀察及分類。發(fā)現(xiàn)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育較差，僅在部分有機(jī)質(zhì)中發(fā)育少量不規(guī)則狀有機(jī)質(zhì)孔及有機(jī)質(zhì)邊緣縫；黏土礦物孔發(fā)育，主要以片狀及狹縫狀粒內(nèi)孔為主；粒間孔主要發(fā)育在草莓狀黃鐵礦晶粒間；微裂縫較發(fā)育，裂縫為方解石充填。吳家坪組泥頁巖有機(jī)質(zhì)孔大量發(fā)育，形狀多為圓形、橢圓形和不規(guī)則狀；無機(jī)孔主要發(fā)育粒內(nèi)溶蝕孔和印?？?，同時(shí)發(fā)育石英及長石邊緣溶蝕縫(圖3)。

Figure 3. Microscopic pore electron microscopic images of Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b) in the study area圖3. 研究區(qū)龍?zhí)督M(a)和吳家坪組(b)微觀孔隙電鏡圖像

4.2. 龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

在image J 處理所得掃描電鏡圖像基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)龍?zhí)督M和吳家坪組泥頁巖樣品中不同類型孔隙的孔隙數(shù)量、面孔率等參數(shù)。結(jié)果顯示，龍?zhí)督M泥頁巖樣品中粒內(nèi)孔占總孔隙的主要部分，占比達(dá)84.26%(圖4(a))，孔徑集中分布在10 nm～500 nm (圖4(c))；吳家坪組泥頁巖樣品中有機(jī)孔占總孔隙的主要部分，占比為88.41% (圖4(b))，孔徑集中分布在10 nm～100 nm (圖4(d))。

Figure 4. Porosity ratio and pore size distribution of Longtan formation (a), (c) and Wujiaping formation (b), (d)圖4. 龍?zhí)督M(a)、(c)和吳家坪組(b)、(d)孔隙占比與孔徑分布圖

根據(jù)De Boer 及IUPAC 的孔隙類型分類方法，可由“脫附回線”的形態(tài)特征判識泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征[35] [36]，龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖低溫液氮吸附/脫附曲線表明，龍?zhí)督M泥頁巖孔隙形態(tài)主要為四周開放的平行板狀、狹縫狀孔(圖5(a))；吳家坪組泥頁巖孔隙形態(tài)主要為細(xì)頸瓶狀和墨水瓶狀(圖5(b))。

從各孔徑段孔體積的比例可以分析孔隙的發(fā)育及分布狀況，按照國際理論與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)基于孔徑大小的孔隙分類方法[37]，結(jié)合圖像分析法與吸附曲線統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)龍?zhí)督M孔隙主要為介孔和宏孔，以直徑50 nm～100 nm 的介孔為主，直徑10 nm～50 nm 的介孔和直徑100 nm～200 nm 的宏孔次之(圖4(c)、圖6(a))；吳家坪組孔隙直徑整體小于龍?zhí)督M，主要以直徑10 nm～50 nm 的介孔為主(圖4(d)、圖6(b))。

Figure 5. Nitrogen adsorption/desorption curve of Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b)圖5. 龍?zhí)督M(a)和吳家坪組(b)氮?dú)馕?脫附曲線

Figure 6. Pore size distribution curve of Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b)圖6. 龍?zhí)督M(a)和吳家坪組(b)孔徑分布曲線圖

5. 討論

四川盆地龍?zhí)督M/吳家坪組沉積相自南西向北東呈現(xiàn)由海陸過渡相向海相的過渡，川東地區(qū)自川東南像川東北依次發(fā)育濱岸–沼澤相到深水陸棚相[23] [25]。結(jié)合本次研究與前人研究成果，川東南濱岸–沼澤相龍?zhí)督M有機(jī)質(zhì)以陸源高等植物輸入為主，發(fā)育鏡質(zhì)組為主的III 型有機(jī)質(zhì)；川東北深水陸棚相吳家坪組有機(jī)質(zhì)來源以水生生物為主，發(fā)育腐泥組為主的II 型有機(jī)質(zhì)[15]。川東南龍?zhí)督M靠近盆地西南部康滇古陸物源區(qū)，富含大量黏土礦物[13]。隨水動力向海方向遷移至川東北吳家坪組，黏土礦物含量降低，深水環(huán)境發(fā)育大量生物質(zhì)成因石英[36]與碳酸鹽巖礦物。本文分別從有機(jī)質(zhì)和礦物組成兩方面，分析龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖微觀孔隙的發(fā)育特征及影響因素。

5.1. 有機(jī)質(zhì)對孔隙發(fā)育的影響

本次研究所涉及的龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖有機(jī)質(zhì)都處于高–過成熟度階段，前人研究發(fā)現(xiàn)，在高–過成熟條件下，有機(jī)質(zhì)類型及干酪根組分對有機(jī)孔的發(fā)育具有重要影響。由于腐泥組I、II 型干酪根具有較好的生烴能力，大量生成的烴類隨演化程度增大二次裂解成氣，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙空間快速膨脹，從而形成大量有機(jī)質(zhì)孔[18]，而鏡質(zhì)組III 型干酪根生氣能力較差，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙相對欠發(fā)育[7]。本次研究結(jié)果與前人一致，川東北吳家坪組泥頁巖以腐泥組為主的II型有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量多，孔徑小(圖7(c)，圖7(d))，而龍?zhí)督M干酪根主要為III 型，有機(jī)質(zhì)致密，與吳家坪組相比有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育情況較差，見少量有機(jī)質(zhì)邊緣縫發(fā)育(圖7(a)，圖7(b))。

Figure 7. Development characteristics of organic matter pores in Longtan formation (a, b) and Wujiaping formation (c, d)圖7. 龍?zhí)督M(a、b)和吳家坪組(c、d)有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育特征

除有機(jī)質(zhì)類型外，有機(jī)質(zhì)含量也對有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育具有重要影響。已有學(xué)者通過研究海相泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)隨著TOC 含量增加，有機(jī)質(zhì)孔隙大量增加，孔隙比表面積、比孔容均與TOC 含量呈正相關(guān)關(guān)系[37]。本次研究基于龍?zhí)督M海陸過渡相和吳家坪組海相泥頁巖，分別建立孔隙比表面積、比孔容與TOC 含量間相關(guān)關(guān)系(圖8、圖9)。發(fā)現(xiàn)龍?zhí)督M泥頁巖孔隙比表面積、比孔容與TOC 含量呈較弱的正相關(guān)關(guān)系，與龍?zhí)督M相比，吳家坪組泥頁巖孔隙比表面積、比孔容與TOC 含量則呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。分析原因?yàn)榕c龍?zhí)督M泥頁巖相比，吳家坪組泥頁巖有機(jī)質(zhì)孔在總孔隙中占比更大，有機(jī)質(zhì)孔為主要孔隙類型，因而受TOC 含量的影響更大。

Figure 8. Correlation between pore specific surface area and TOC of mud shale in Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b)圖8. 龍?zhí)督M(a)和吳家坪組(b)泥頁巖孔隙比表面積與TOC 的相關(guān)關(guān)系

Figure 9. Correlation between specific pore volume and TOC of mud shale in Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b)圖9. 龍?zhí)督M(a)和吳家坪組(b)泥頁巖孔隙比孔容與TOC 的相關(guān)關(guān)系

5.2. 礦物組成對孔隙發(fā)育的影響

黏土礦物和石英等脆性礦物對孔隙的發(fā)育和保存具有重要作用[17]。龍?zhí)督M泥頁巖礦物中大量存在的伊/蒙混層為和高嶺石有利于黏土礦物孔的發(fā)育[7]，黏土礦物粒內(nèi)孔為龍?zhí)督M泥頁巖的主要孔隙類型。建立龍?zhí)督M泥頁巖孔隙比表面積、比孔容與黏土礦物含量、石英含量的關(guān)系(圖10(a)、圖10(c)、圖11(a)、圖11(c))，結(jié)果顯示孔隙比表面積、比孔容與黏土礦物含量呈較強(qiáng)的正相關(guān)，與石英等脆性礦物含量無明顯相關(guān)性，說明黏土礦物含量為龍?zhí)督M泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的主要影響因素。吳家坪組泥頁巖礦物組分則以石英等脆性礦物為主，黏土含量低，導(dǎo)致吳家坪組泥頁巖黏土礦物孔發(fā)育較差，以有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育為主。建立吳家坪組泥頁巖孔隙比表面積、比孔容與黏土礦物含量、石英含量的關(guān)系(圖10(b)、圖10(d)、圖11(b)、圖11(d))，結(jié)果顯示孔隙比表面積、比孔容與黏土礦物無明顯相關(guān)性，與石英等脆性礦物含量則呈現(xiàn)正相關(guān)，分析原因?yàn)槭⒌却嘈缘V物的強(qiáng)抗壓實(shí)能力有助于支撐有機(jī)質(zhì)，有利于有機(jī)質(zhì)孔的保存[7]，因而在以有機(jī)孔為主的吳家坪組泥頁巖中對孔隙發(fā)育的貢獻(xiàn)僅次于TOC 含量。

Figure 10. Correlation between specific surface area and mineral content of mud shale in Longtan formation(a), (c) and Wujiaping formation (b), (d)圖10. 龍?zhí)督M(a)、(c)和吳家坪組(b)、(d)泥頁巖比表面積與礦物含量的相關(guān)關(guān)系

Figure 11. Correlation between specific pore volume and mineral content of mud shale in Longtan formation (a), (c) and Wujiaping formation (b), (d)圖11. 龍?zhí)督M(a)、(c)和吳家坪組(b)、(d)泥頁巖比孔容與礦物含量的相關(guān)關(guān)系

6. 結(jié)論

1) 沉積環(huán)境的不同導(dǎo)致龍?zhí)督M/吳家坪組泥頁巖有機(jī)質(zhì)以及礦物組分具有顯著差異，進(jìn)而影響孔隙特征的差異性。川東南龍?zhí)督M濱岸沼澤相泥頁巖，有機(jī)質(zhì)主要為鏡質(zhì)組III 型干酪根，礦物組分以黏土礦物為主，有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育，主要孔隙類型為平板狀、狹縫狀黏土礦物粒內(nèi)孔，以介孔和宏孔為主。

2) 川東北吳家坪組深水陸棚相泥頁巖，有機(jī)質(zhì)主要為腐泥組II 型干酪根，礦物組分以石英等脆性礦物為主，有機(jī)孔發(fā)育，主要孔隙類型為細(xì)瓶頸和墨水瓶狀有機(jī)質(zhì)孔，以介孔為主。

3) 黏土礦物含量為龍?zhí)督M孔隙發(fā)育的主要控制因素，孔隙比表面積、比孔容與黏土礦物含量正相關(guān)；TOC 含量為吳家坪組泥頁巖孔隙發(fā)育的主要控制因素，孔隙比表面、比孔容與TOC 含量正相關(guān)。