張 琴 趙 群 羅 超 梁 峰 周尚文 王玉滿 盧 斌 邱 振 劉洪林 劉 雯

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心 3.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

0 引言

四川盆地南部（以下簡稱川南地區(qū)）下志留統(tǒng)龍馬溪組與下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖均經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造與熱演化歷史，成熟度（Ro）普遍偏高，當(dāng)前工業(yè)性開采的頁巖成熟度普遍小于3%[1]。前人針對頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育特征[2-4]、形成機(jī)理[5-7]進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)孔的形成和發(fā)育與成熟度密切相關(guān)。隨著頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度增加，有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，并向穩(wěn)定有序的化學(xué)結(jié)構(gòu)演化，即石墨化[8-11]。在有機(jī)質(zhì)石墨化過程中，頁巖干酪根不斷裂解，側(cè)鏈、橋鍵斷裂，脂肪環(huán)脫落，芳香環(huán)結(jié)構(gòu)相互連接成石墨的層狀結(jié)構(gòu)，非定向的芳香碳經(jīng)過一系列微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分變化，最終形成三維有序的石墨晶體。前期研究已經(jīng)認(rèn)識到，極高成熟度頁巖中有機(jī)質(zhì)的石墨化可能是頁巖儲集性能急劇惡化、含氣性顯著降低的關(guān)鍵影響因素之一[12-17]。因此，對頁巖石墨化的研究成為規(guī)避中國南方海相頁巖氣高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面臨的重要任務(wù)之一。

目前，對于過成熟海相頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化的研究主要依據(jù)激光拉曼光譜和電阻率測井響應(yīng)進(jìn)行分析[12,16,18]，并以此為依據(jù)對南方可能的有機(jī)質(zhì)石墨化區(qū)進(jìn)行了識別與預(yù)測，對下古生界頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)進(jìn)行了評價[19-20]。然而，有機(jī)質(zhì)石墨化詳細(xì)表征與有機(jī)質(zhì)石墨化對儲層具體影響機(jī)制并未系統(tǒng)研究。為了進(jìn)一步明確有機(jī)質(zhì)石墨化對頁巖氣儲層的影響，筆者采集了川南地區(qū)龍馬溪組和筇竹寺組井下頁巖樣品，結(jié)合激光拉曼光譜、高分辨率透射電子顯微鏡、氣體吸附、高壓壓汞以及核磁共振技術(shù)，系統(tǒng)研究了有機(jī)質(zhì)石墨化對頁巖氣儲層的影響，并嘗試從干酪根結(jié)構(gòu)差異性和有序性的角度揭示儲層差異產(chǎn)生的原因。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品準(zhǔn)備

筆者采集了川南地區(qū)N206井、W207井、W201井、Y210井筇竹寺組頁巖樣品21件，W202井、L205井龍馬溪組頁巖樣品5件（圖1），樣品基本參數(shù)信息見表1。干酪根提取執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中干酪根分離方法 ：GB/T 19144—2010》。

圖1 四川盆地及鄰區(qū)志留系底埋深及頁巖樣品點(diǎn)分布圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 激光拉曼光譜

采用清華大學(xué) JY/Horiba LabRam HR800 拉曼系統(tǒng)對干酪根樣品在室溫（25 ℃）下進(jìn)行激光拉曼光譜測試。設(shè)置的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：激光波長為532 nm，輸出功率為14 mW，激光擊中樣品表面的功率介于2～12 mW，曝光時間介于10～20 s，空間橫向分辨率小于等于1 μm，縱向分辨率小于等于2 μm。觀測物鏡為×10倍，掃描時間介于10～30 s，累加次數(shù)1次。每個樣品測試3～5組數(shù)據(jù)，取平均值。

1.2.2 高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）

采用中國科學(xué)院煤化工研究所的FEI F20場發(fā)射電子顯微鏡進(jìn)行HRTEM實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)步驟參照本文參考文獻(xiàn)[21]。對圖像采用Adobe Photoshop和Auto CAD軟件處理，小于3.0?的條紋當(dāng)作噪聲刪除，HRTEM條紋分配方法參考Niekerk等[22]的研究成果，并統(tǒng)計(jì)所有芳香族條紋的端點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)端點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算芳香族條紋的分布方位。

1.2.3 氣體吸附

氣體吸附包括二氧化碳（CO2）吸附和氮?dú)猓∟2）吸附，CO2吸附探測2 nm以下孔隙，N2吸附探測2～50 nm孔隙[23]。氣體吸附采用比表面測定儀Quantachrome Nova4200e，測試流程執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度第2部分：氣體吸附法分析介孔和大孔：GB/T 21650.2—2008》。

1.2.4 高壓壓汞

高壓壓汞采用美國Micromeritics Instrument公司AutoPoreⅣ9500全自動壓汞儀，測試流程詳見本文參考文獻(xiàn)[24]。實(shí)驗(yàn)中高壓壓汞法主要用來探測大于50 nm孔隙?？紫洞笮〉姆诸愖裾諊H純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的定義，即微孔小于2 nm，介孔介于 2 ～ 50 nm，宏孔大于 50 nm[25]。

1.2.5 核磁共振

核磁共振檢測采用蘇州紐邁分析儀器公司的PQ001-20-025V多維核磁共振分析儀，測試流程詳見本文參考文獻(xiàn)[26]。基于頁巖中有機(jī)孔和無機(jī)孔潤濕性差異，實(shí)驗(yàn)前將同一深度點(diǎn)的柱塞樣巖心分成平行樣，在110 ℃條件下烘干時間超過12 h，然后將樣品分別在自吸水和油條件下進(jìn)行T2譜測量。

2 頁巖氣儲層特征

2.1 激光拉曼光譜特征

激光拉曼光譜的擬合采用儀器自帶的Gauss Lorenz模型對D峰和G峰直接擬合。D峰又稱為無序峰，主要反映晶格結(jié)構(gòu)缺陷和芳環(huán)片層的空位信息，拉曼位移一般介于 1 250 ～ 1 450 cm－1；G 峰又稱為有序峰，主要反映石墨烯層數(shù)信息，拉曼位移一般介于 1 500 ～ 1 650 cm－1。另外，當(dāng)成熟度過高時，在 2 700 cm－1附近會出現(xiàn)二倍頻峰（G'峰），是二階雙聲子共振拉曼散射峰，反映石墨烯中碳的層間堆垛方式，該峰的出現(xiàn)表明三維有序結(jié)構(gòu)開始形成，可以作為有機(jī)質(zhì)石墨化出現(xiàn)的標(biāo)志[9,27-28]。

樣品的激光拉曼光譜特征如圖2所示。其中，圖2-a、b為川南地區(qū)龍馬溪組頁巖激光拉曼譜特征，W202井、L205井龍馬溪組樣品均未形成G'峰，在G'峰位置（紅色虛線框）呈下傾斜坡狀，說明其成熟度較低，未發(fā)生有機(jī)質(zhì)石墨化；圖2-c～f為川南地區(qū)筇竹寺組頁巖激光拉曼譜特征，W201井 （7～9號樣）、Y210井（21、22號樣）與W207井（10、12號樣）在G'峰位置（紅色虛線框）呈下傾斜坡狀，表明成熟度較低；W207井（13號樣）在G'峰位置（紅色虛線框）形成平臺，但尚未成峰，表明成熟度相對較高；Y210井（23號樣）和N206井（24～26號樣）均出現(xiàn)明顯G'峰，表明有機(jī)質(zhì)已經(jīng)石墨化，成熟度明顯高于未成峰樣品。

圖2 川南地區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)激光拉曼譜圖

2.2 成熟度

劉德漢等[29]提出利用激光拉曼光譜峰間距、峰高比進(jìn)行有機(jī)質(zhì)成熟度的計(jì)算，并廣泛應(yīng)用于高—過成熟烴源巖評價。G'峰出現(xiàn)以前，主要依據(jù)峰間距計(jì)算Ro值；G'峰出現(xiàn)后，主要依據(jù)峰高比計(jì)算Ro值[13]。因此，對于W202、L205、W207和W201等井頁巖樣品采用峰間距計(jì)算成熟度，N206井與Y210井部分頁巖樣品采用峰高比計(jì)算成熟度。整體來看，除Y210井23號樣與N206井24～26號樣頁巖成熟度超過3.50%外，其余井樣品成熟度均小于3.50%，其中W202井頁巖成熟度最低，低于3.00%；W201井成熟度介于3.17%～3.24%；W207井頁巖成熟度介于2.87%～3.44%；L205井5號樣頁巖成熟度為3.40%；N206井頁巖成熟度介于3.69%～3.84%；Y210井頁巖成熟度介于3.13%～4.54%（表1）。

2.3 頁巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

頁巖樣品的氣體吸附和高壓壓汞所表征的孔容與孔徑關(guān)系如圖3所示。有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品（W202井和W207井）的CO2吸附呈3峰形態(tài)，各峰的孔徑分別對應(yīng) 0.36 nm、0.59 nm 和 0.82 nm（圖 3-a）。

圖3 川南地區(qū)有機(jī)質(zhì)未石墨化與石墨化頁巖孔容隨孔徑變化對比圖

CO2吸附表征的孔容介于0.095～0.205 cm3/g，平均值為0.142 cm3/g；N2吸附表征的孔容介于0.015 ～ 0.044 cm3/g，平均值為 0.024 cm3/g（圖 3-b）；高壓壓汞表征大于50 nm孔隙的孔容介于0.004 ～ 0.006 cm3/g，平均值為 0.005 cm3/g（圖 3-c）。有機(jī)質(zhì)石墨化樣品（N206井）CO2吸附呈雙峰特征（圖3-d），CO2吸附表征的孔容介于0.004～0.020 cm3/g，平均值為0.013 cm3/g；N2吸附表征的孔容介于0.014 ～ 0.020 cm3/g，平均值為 0.016 cm3/g（圖 3-e）；高壓壓汞表征的孔容介于0.001～0.002 cm3/g，平均值為 0.002 cm3/g（圖 3-f）。

頁巖樣品的氣體吸附和高壓壓汞所表征的比表面積與孔徑關(guān)系如圖4所示。有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品的微孔比表面積隨孔徑分布呈3峰形態(tài)，比表面積介于 8.460 ～ 18.460 m2/g，平均值為 12.530 m2/g，孔徑介于 0.48 ～ 0.55 nm，平均值為 0.49 nm（圖 4-a）；N2吸附所表征的比表面積介于9.480～25.960 m2/g，平均值為16.678 m2/g，孔徑介于5.49～8.30 nm，平均值為6.96 nm（圖4-b）；大于50 nm孔徑的比表面積介于 0.000 9 ～ 0.014 0 m2/g，平均值為 0.009 m2/g，孔徑介于 1 299.40 ～ 6 914.00 nm，平均值為 2 901.90 nm（圖4-c）。有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品為雙峰形態(tài)，微孔比表面積介于0.294～2.050 m2/g，平均值為1.245 m2/g，孔徑介于 0.63 ～ 0.82 nm，平均值為0.76 nm（圖4-d）；N2吸附所表征的比表面積介于9.460 ～ 12.900 m2/g，平均值為 10.750 m2/g，孔徑介于9.49～ 12.07 nm，平均值為10.87 nm（圖4-e）；大于50 nm 孔徑的比表面積介于 0.000 3 ～ 0.002 0 m2/g，平均值為 0.001 0 m2/g，孔徑介于 4 750.50 ～ 14 152.90 nm，平均值為 8 582.72 nm（圖 4-f）。

圖4 川南地區(qū)有機(jī)質(zhì)未石墨化與石墨化頁巖比表面積隨孔徑變化對比圖

3 有機(jī)質(zhì)石墨化對頁巖氣儲層的影響

3.1 石墨化對孔隙度的影響

川南地區(qū)頁巖成熟度與孔隙度存在較好的相關(guān)性，判定系數(shù)達(dá)到0.68（圖5）?？紫抖入S成熟度下降趨勢可以分為3個階段：①2.5%＜Ro＜3.5%，孔隙度快速顯著下降。該階段頁巖有機(jī)質(zhì)處于過成熟階段，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育達(dá)到巔峰，但是由于頁巖埋深加大，導(dǎo)致無機(jī)孔隙因壓實(shí)作用大幅度減少，但高—過成熟階段的有機(jī)質(zhì)孔隙不易受壓實(shí)作用影響[30]，因此，孔隙度整體上大幅度減少。②3.5%＜Ro＜4.0%，孔隙度緩慢下降。該階段無機(jī)孔隙的減少達(dá)到一定程度，但是過高的成熟度導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)發(fā)生石墨化，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)生坍塌和充填，有機(jī)質(zhì)孔隙減少。由于有機(jī)質(zhì)石墨化是一個變化過程，因此有機(jī)質(zhì)孔隙的減少也是一個過程，該階段孔隙度的下降幅度要略小于前一階段。③Ro＞4.0%，頁巖孔隙度無明顯變化。該階段有機(jī)質(zhì)石墨化已完全發(fā)生，有機(jī)質(zhì)孔不再發(fā)生變化，頁巖氣儲層中還保留一部分未被壓實(shí)的無機(jī)孔隙，因此，孔隙度不發(fā)生明顯變化，處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。王玉滿等[13]研究也認(rèn)為Ro＜3.5%時，孔隙度介于2.5%～6.0%；Ro＞3.5%時，孔隙度普遍小于2.5%，說明頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化導(dǎo)致了孔隙大量減少或孔隙坍塌，巖性更為致密。鄒辰等[31]相關(guān)研究也證實(shí)有機(jī)質(zhì)石墨化導(dǎo)致頁巖孔隙度大幅度下降，頁巖有效孔隙度平均值低于2.0%。

圖5 川南地區(qū)頁巖孔隙度與成熟度關(guān)系圖

3.2 石墨化對孔容的影響

氣體吸附與高壓壓汞全面表征頁巖樣品的孔徑分布特征，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)石墨化導(dǎo)致頁巖氣儲層的微孔、介孔和宏孔的孔容均大幅度減小。

王陽[32]基于分子動力學(xué)揭示微孔尺度內(nèi)甲烷主要以吸附態(tài)存在。與介孔和宏孔相比，微孔能提供大量的吸附點(diǎn)位，由于微孔孔徑小而具有較高的吸附能，其表面與吸附質(zhì)分子間的相互作用更加強(qiáng)烈，因此，微孔對甲烷氣體吸附起到至關(guān)重要的作用[33-35]。石墨化頁巖樣品與未石墨化頁巖樣品相比，其孔容呈倍數(shù)下降。有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品微孔孔容的平均值為0.013 cm3/g，有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品的微孔孔容平均值為0.142 cm3/g，兩者相差近10倍，說明有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品由于微孔孔容減少，導(dǎo)致頁巖吸附氣含量大幅減少。同時，研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品孔容與比表面積隨孔徑分布與未石墨化頁巖樣品相比（圖3、4），均缺少0.36 nm峰，表明有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品的微孔孔徑要比未石墨化頁巖樣品偏大。所有頁巖樣品的微孔孔徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析也證實(shí)有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品的微孔徑要明顯高于未石墨化頁巖樣品（圖6）。因?yàn)槌墒於冗^高，導(dǎo)致小孔相互連通成為較大孔徑，這與通過黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論相一致[5,36]。

圖6 川南地區(qū)有機(jī)質(zhì)未石墨化與石墨化頁巖樣品微孔孔徑大小對比圖

介孔和宏孔中氣體主要發(fā)生層流滲透和毛細(xì)管凝聚，是游離態(tài)頁巖氣的主要儲存空間。熊健等[37]與Zhang等[38]基于構(gòu)建的蒙脫石狹縫模型與碳狹縫模型均證實(shí)大于5 nm介孔以游離氣為主。圖3-c、f顯示高壓壓汞表征的大于50 nm孔隙的孔容明顯小于N2吸附表征的2～50 nm孔隙的孔容，說明頁巖樣品以基質(zhì)孔隙為主，裂縫不發(fā)育，同時也說明2～50 nm孔隙是頁巖氣儲層中的主體孔隙。有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品N2吸附與高壓壓汞孔容平均值分別為0.016 cm3/g 和 0.002 cm3/g，有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品N2吸附與高壓壓汞孔容平均值分別為0.024 cm3/g和0.005 cm3/g，相比微孔孔容的呈倍數(shù)下降，介孔和宏孔孔容則與有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品依舊在一個數(shù)量級上，反映有機(jī)質(zhì)石墨化產(chǎn)生影響最大的是微孔隙。

3.3 石墨化對比表面積的影響

川南地區(qū)有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品微孔、介孔和宏孔比表面積平均值分別為12.530 m2/g、16.678 m2/g和0.009 m2/g，有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品的微孔、介孔和宏孔比表面積平均值分別為1.245 m2/g、10.750 m2/g和0.001 m2/g，微孔和介孔是影響比表面積的主要控制因素。雖然有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品的微孔、介孔和宏孔的比表面積均比未石墨化頁巖樣品小，但微孔的比表面積下降幅度最大，表現(xiàn)為數(shù)量級的減少。有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品介孔對比表面積的貢獻(xiàn)率介于42.61%～61.93%，平均值為56.24%；微孔對總比表面積貢獻(xiàn)率介于38.04%～57.39%，平均值為43.72%。總體來看，有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖的介孔和微孔提供的比表面積比例大致相當(dāng)。有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品的介孔對總比表面積貢獻(xiàn)率介于82.81%～97.76%，平均值為89.25%，微孔對比表面的占比則不足20%，反映有機(jī)質(zhì)石墨化作用給微孔造成了更為嚴(yán)重的影響，這一影響直接導(dǎo)致了頁巖比表面積大幅度降低，介孔成為比表面積的絕對貢獻(xiàn)者。

3.4 石墨化對有機(jī)質(zhì)孔隙的影響

頁巖氣儲層主要發(fā)育微孔和介孔，抽提有機(jī)質(zhì)未石墨化與石墨化頁巖樣品的干酪根進(jìn)行氣體吸附，以論證石墨化作用對有機(jī)質(zhì)孔隙的影響。測試結(jié)果（表2）發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)石墨化的干酪根微孔與介孔的比表面積均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未石墨化的干酪根，孔體積也呈現(xiàn)相同的趨勢，反應(yīng)有機(jī)質(zhì)石墨化作用后，有機(jī)質(zhì)的孔隙發(fā)育程度大大降低，最終導(dǎo)致頁巖孔隙度降低，不利于頁巖氣成藏和富集。需要指出的是，13號樣品成熟度較高（3.38%），其激光拉曼圖譜在G'峰位置形成平臺，有機(jī)質(zhì)發(fā)育程度明顯降低，但略高于有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品，進(jìn)一步說明過高的成熟度對頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育不利。王玉滿等[18]通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，永善地區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品有機(jī)質(zhì)面孔率為5.8%，遠(yuǎn)低于長寧地區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)面孔率（11.9%～23.9%），也說明石墨化對有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的破壞作用。

表2 川南地區(qū)龍馬溪組與筇竹寺組頁巖干酪根樣品氣體吸附參數(shù)表

圖7為有機(jī)質(zhì)未石墨化與石墨化頁巖柱塞樣品分別飽和鹽水和油條件下T2譜分布特征。從圖中可以看出有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品飽和油和鹽水的T2譜多為雙峰，且前峰幅度明顯大于后峰幅度（圖7-a、b），反映小孔徑孔隙要比大孔徑孔隙多。唯一的例外是，4號樣自吸油呈3峰，且3個峰的幅值差較?。▓D7-a），反映該樣品有機(jī)質(zhì)孔徑分布較均勻，這也體現(xiàn)出龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的優(yōu)越性。有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品自吸水與油的T2譜為雙峰，但自吸油T2譜前后峰的峰寬更大，形態(tài)不規(guī)則，疑為多峰拼疊所致，且自吸油譜圖與樣品烘干譜圖基本重合（圖7-c），反映有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育。對比有機(jī)質(zhì)未石墨化與石墨化頁巖樣品，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品自吸水與自吸油T2譜與原樣烘干后的T2譜包絡(luò)面積差遠(yuǎn)小于未石墨化頁巖樣品，定性說明有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品的有機(jī)質(zhì)與無機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度較未石墨化頁巖樣品差。通過標(biāo)樣計(jì)算無機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)孔隙度，4號樣有機(jī)質(zhì)孔隙度為2.24%，無機(jī)質(zhì)孔隙度為4.90%，有機(jī)質(zhì)孔隙占總孔隙度30.9%；11號樣有機(jī)質(zhì)孔隙度為1.18%，無機(jī)質(zhì)孔隙度為2.58%，有機(jī)質(zhì)孔隙占總孔隙度31.4%，這與王玉滿等[39]通過頁巖巖石物理模型和基質(zhì)孔隙度數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙約占總孔隙的1/3的認(rèn)識相一致；24號樣以無機(jī)質(zhì)孔占絕對主體，有機(jī)質(zhì)孔隙度為0.16%，無機(jī)質(zhì)孔隙度為1.77%，有機(jī)質(zhì)孔隙僅占總孔隙度的8.2%。其原因主要是因?yàn)?4號樣品發(fā)生了有機(jī)質(zhì)石墨化，導(dǎo)致頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙高度不發(fā)育，因此導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔隙占總體孔隙的比例降低。

圖7 川南地區(qū)有機(jī)質(zhì)未石墨化與石墨化頁巖T2譜分布特征圖

4 石墨化對頁巖氣儲層影響的機(jī)理

干酪根樣品的傅立葉紅外光譜不同波段可以反映官能團(tuán)發(fā)育情況，其中1 450 cm－1附近的譜帶與脂肪族—CH基團(tuán)的彎曲振動有關(guān)，2 920 cm－1和2 850 cm－1附近的譜帶歸屬為脂肪族中的—CH、—CH2和—CH3伸縮振動，1 600 ～ 1 580 cm－1附近的譜帶主要與芳香烴C=C基團(tuán)骨架振動有關(guān)，1 650 ～ 1 630 cm－1譜帶與含氧官能團(tuán)（C=O）有關(guān)900～700 cm－1與芳香烴C-H化學(xué)鍵的面外彎曲振動有關(guān)[40-41]。Hou等[1]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品在 2 920 cm－1、2 850 cm－1和 1 440 cm－1附近出現(xiàn)較多的吸收帶，芳香結(jié)構(gòu)（C=C鍵）與含氧官能團(tuán)（C=O）譜峰帶則出現(xiàn)寬而弱的峰。川南地區(qū)有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品中（Ro=3.85%、4.10%）所有反映脂肪族結(jié)構(gòu)的譜帶均缺失，1 600 ～ 1 580 cm－1（C=C）和 1 650 ～ 1 630 cm－1（C=O）吸收峰則非常明顯，譜帶強(qiáng)度也較高（圖8）。說明隨著成熟度的增高，非晶結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的芳香結(jié)構(gòu)，且有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品存在少量芳香核C—H帶，而有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品沒有，說明有機(jī)質(zhì)石墨化之后，功能群全部脫落，只是在芳香環(huán)之間進(jìn)一步發(fā)生結(jié)構(gòu)的調(diào)整。Liu等[21]通過對不同熱成熟度的干酪根樣品進(jìn)行固體碳核磁實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)隨著成熟度的增加，脂肪族結(jié)構(gòu)迅速減少，芳香結(jié)構(gòu)迅速增加，當(dāng)成熟度超過3.7%時，脂肪結(jié)構(gòu)消失殆盡，只剩芳香結(jié)構(gòu)。

圖8 川南地區(qū)頁巖干酪根樣品的傅立葉紅外光譜圖

選取有機(jī)質(zhì)石墨化干酪根樣品進(jìn)行高分辨率透射電子顯微鏡成像（圖9），透射電鏡照片中晶格條紋是碳原子層垂直于法線的投影。在透射電鏡照片中，碳層條紋呈片狀，取向性明顯，在局部區(qū)域形成平行條紋（圖9-a、b），且條紋長度較大，隨著成熟度進(jìn)一步增高，片狀條紋分布更為明顯，分布范圍更大（圖9-c）。相比有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品，低成熟頁巖樣品碳原子層相對模糊、碎片化、無序化，很少發(fā)現(xiàn)碳層有序區(qū)域[1,21]。

圖9 川南地區(qū)筇竹寺組有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖高分辨率透射電鏡顯微照片

按Niekerk和Mathews[22]方法進(jìn)行透射電鏡照片條紋長度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著成熟度增高，芳香環(huán)的尺寸發(fā)生了進(jìn)一步的增大。有機(jī)質(zhì)未石墨化頁巖樣品的干酪根均存在一定數(shù)量的萘環(huán)和2×2芳香環(huán)，并以3×3芳香環(huán)為主，超過5×5芳香環(huán)占比較低（圖10-a～c）。有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品干酪根中缺少萘環(huán)和2×2芳香環(huán)，并以4×4和6×6芳香環(huán)為主，分別占總芳香環(huán)數(shù)量的22.84%和21.26%，且大于8×8芳香環(huán)也有一定的分布，占總芳香環(huán)的7.87%（圖 10-d）。

通過對透射電鏡照片中的條紋端點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著成熟度增高，芳香條紋的定向性逐漸增強(qiáng)。Liu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)未石墨化樣品干酪根芳香條紋分布角度較寬，干酪根優(yōu)勢條紋占總芳香環(huán)數(shù)量的50%～75%（圖10-e～g、i～k）。有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品芳香條紋定向性最高，且條紋分布的角度明顯收窄，主要介于120°～135°，優(yōu)勢方向條紋占總條紋超過85%（圖10-h、l）。

圖10 川南地區(qū)頁巖干酪根樣品中不同芳香基團(tuán)的頻率分布圖

有機(jī)質(zhì)孔隙的保存主要依賴于兩種機(jī)制：①有機(jī)質(zhì)通過生烴作用，產(chǎn)生大量滯留烴在頁巖氣儲層中形成超壓，從而形成孔隙的機(jī)械保存機(jī)制；②干酪根在熱演化過程中的核心變化是芳香核的聚合和重排，在重排過程中，由分子間相互作用引起的脂肪鏈、雜原子鍵的空間位阻效應(yīng)會降低聚合熱并抑制芳香核縮聚，從而形成孔隙的化學(xué)保存機(jī)制。隨著有機(jī)質(zhì)石墨化作用，頁巖有機(jī)質(zhì)主要發(fā)生了兩個明顯變化：①脂肪族結(jié)構(gòu)消失，以芳香核為主；②芳香基團(tuán)增大，且芳香基團(tuán)的定向性進(jìn)一步增強(qiáng)。脂肪族結(jié)構(gòu)的消失會導(dǎo)致頁巖生氣能力衰竭[19-20]，這時頁巖氣儲層中只有氣體散失沒有氣體充注，超壓條件逐漸減弱，甚至變成常壓和欠壓，破壞了有機(jī)質(zhì)孔隙的機(jī)械保存機(jī)制。脂肪側(cè)鏈、雜原子脫落導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的位阻效應(yīng)大大降低，孔隙的化學(xué)保存機(jī)制被破壞，且芳香核發(fā)生縮聚增大和定向排列，進(jìn)一步擠壓破壞了有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙，從而導(dǎo)致頁巖氣儲層進(jìn)一步致密化。因此，有機(jī)質(zhì)石墨化后，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度的降低主要?dú)w因于有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變。

5 結(jié)論

1）以激光拉曼光譜為主要手段對川南地區(qū)龍馬溪組和筇竹寺組頁巖成熟度進(jìn)行了計(jì)算，N206井筇竹寺組頁巖激光拉曼譜出現(xiàn)G'峰表明已進(jìn)入有機(jī)質(zhì)石墨化階段，W202井和L205井的龍馬溪組、W201井和W207井的筇竹寺組頁巖未進(jìn)入有機(jī)質(zhì)石墨化階段。

2）對有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品和未石墨化樣品開展系統(tǒng)的孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)表征和對比，有機(jī)質(zhì)石墨化頁巖樣品孔隙度普遍低于3.0%，微孔、介孔、宏孔均大幅減少，比表面積下降，介孔成為比表面積的絕對貢獻(xiàn)者。

3）干酪根氣體吸附實(shí)驗(yàn)與飽和不同潤濕性流體的核磁檢測均揭示頁巖經(jīng)歷有機(jī)質(zhì)石墨化后，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度大幅度降低，無機(jī)質(zhì)孔隙成為頁巖的主體孔隙。

4）有機(jī)質(zhì)石墨化后，生氣能力衰竭，側(cè)鏈、雜原子脫落，芳香核縮聚和定向排列破壞了孔隙保存的機(jī)械和化學(xué)保存機(jī)制，導(dǎo)致了有機(jī)質(zhì)孔隙的大幅度減少和降低。