焦石坝地区龙马溪组页岩有机质孔隙特征

黄仁春 倪 楷

（中国石化勘探南方分公司研究院，四川 成都 610041）

0 引言

页岩一直以来都只是作为一种烃源岩来研究的，很少有人把它作为储层来研究，南方海相龙马溪组页岩气层中发现了微米级到纳米级孔隙，其类型除了与常规储层相似的粒间孔、晶间孔、溶蚀孔等孔隙外，还发现了大量的黏土矿物孔和有机质孔，这两类孔隙几乎是页岩中所特有的，黏土矿物孔和有机质孔在页岩孔隙中占主导地位。关于有机质孔隙的详细研究在国内还比较少，本文的目的就是研究焦石坝地区龙马溪组页岩中普遍发育存在的有机质孔隙的形态、大小、发育程度等特征及影响因素，希望起到抛砖引玉的作用，从而促进国内页岩气研究的发展。

1 龙马溪组页岩中孔隙类型

氩离子束抛光扫描电子显微镜技术是对泥页岩孔隙进行高分辨率观察的重要手段，主要针对纳米级孔隙（直径小于10 μm）进行研究，通过大量SEM图像观察（图1），在焦石坝龙马溪组页岩中识别出晶间孔、溶蚀孔、流体包裹体内孔以及黏土矿物孔、有机质孔隙等孔隙类型。根据页岩内孔隙的赋存状态，可将基质孔隙进一步归纳为脆性矿物孔、有机质孔隙、黏土矿物孔。黏土矿物孔和有机质孔隙是页岩储集空间的特色和重要组成部分。

图1 焦石坝地区龙马溪组页岩孔隙类型图

1.1 有机质孔隙

有机质孔隙是指发育在有机质内部的孔隙。页岩中发现的有机质孔隙一般是有机组分在后期埋藏成岩时受地下温度、压力升高的影响，裂解生烃的转化过程中内部逐渐变得疏松多孔而形成，为热成因孔（Jarvie等，2007），类似于煤的气孔［1-3］，该类孔隙对页岩气的生成和存储具有重要意义。焦石坝地区龙马溪组页岩中发现了大量的有机质孔隙，平面上通常为泡泡状、似椭圆状、港湾状及其他不规则形状，孔径一般为2～900 nm，为纳米级孔隙。

1.2 黏土矿物孔

黏土矿物孔是指与黏土矿物有关的孔隙，主要包含片状黏土矿物之间的孔隙、黏土矿物絮凝粒内孔隙以及黏土矿物与其他颗粒之间的孔隙。焦石坝地区龙马溪组泥页岩中的黏土矿物孔多表现为片状黏土矿物边缘的微小裂隙、分散蜂窝状孔以及絮凝粒内孔隙。黏土矿物中的伊利石、高岭石、蒙脱石均发育此类孔隙，其中以伊利石最优。伊利石在扫描电镜下呈弯曲的薄片状、不规则板条状，集合体呈蜂窝状、丝缕状等，伊利石矿物孔是页岩储层的主要孔隙类型之一。

1.3 脆性矿物孔

脆性矿物孔是指与石英、长石、白云石、方解石、黄铁矿等脆性矿物有关的孔隙，包括原生粒间孔、溶蚀孔、矿物表面孔、晶间孔、流体包裹体内孔等。焦石坝龙马溪组页岩中发现了溶蚀孔、黄铁矿晶间孔、石英矿物晶间孔、方解石矿物晶间孔、长石表面溶蚀孔、流体包裹体内孔等（图1）。脆性矿物孔通常为单个孤立的孔隙，分布较零散，孔隙之间不连通。

2 有机质孔隙特征

有机质孔隙广泛存在于富有机质页岩中，焦石坝地区勘探及上述研究发现有机质孔隙是龙马溪组页岩中最主要的孔隙之一。由于页岩中有机质孔隙的载体为有机质，且为热成因孔隙，有别于沉积、成岩成因无机孔，因而其形态、大小及发育程度与无机孔大为不同。

2.1 有机质孔隙的形态

焦石坝地区龙马溪组页岩中发现的有机质孔隙，主要为纳米孔，平面上通常为泡泡状、似椭圆状（孔隙大小不一，孔径为10～879 nm）和港湾状、不规则形状（大多相互连通，孔径为3～295 nm不等）（图2）。在焦石坝龙马溪组页岩中也发现了一种似迷宫状有机质孔隙，从扫描电镜图像上看，一组平行片状有机质之间存在长条形孔隙，彼此连通，单个孔隙宽300 nm左右，长可达6 000 nm，这类孔隙一定程度上继承了干酪根的原始形态，很可能是絮片状集合形态的干酪根热成熟形成。

图2 焦石坝地区龙马溪组页岩有机质孔隙形态图

另外，某些不规则形状的孔隙可能与有机质的赋存形式有关，与黏土矿物混合的有机质往往发现有这样的孔隙。Roger M.Slatt等在Woodford页岩中，发现了一种与“有机质包覆”的黏土碎片有关的孔隙［4］，焦石坝地区龙马溪组页岩也存在这类孔隙，其主要存在于刚性矿物如黄铁矿晶粒之间。

2.2 有机质孔隙的大小

通过对焦石坝地区龙马溪组页岩有机质颗粒内孔隙测量分析，发现有机质孔隙的孔径范围在2～900 nm不等，中值范围在23～43 nm（图3）。按IUPAC孔径分类标准：直径小于2 nm为小孔，2.0～50 nm为中孔，大于50 nm为大孔，龙马溪组页岩中有机质孔基本以中孔为主。另外，龙马溪组页岩中单个有机质颗粒内孔隙大小并不均一，孔径差异往往很大，各个有机质内部的孔径分布情况也不一样。笔者对J1井、J2井、J4井的4个样品中单个有机质颗粒内孔隙进行了测量，结果显示J1井井深2 376.05 m处样品有机质孔孔隙直径为2～181 nm，其中值范围为2～38 nm，2 411.05 m处样品有机质孔隙直径为3～298 nm，其中值范围为3～32 nm；J2井2 414.75 m处样品有机质孔隙直径为7～665 nm，其中值范围为70～200 nm；J4井2 475.19 m处样品有机质孔隙直径为10～879 nm，其中值范围为10～270 nm。总体来看，多数有机质颗粒内孔隙孔径范围在2～100 nm之间，较大的孔隙比较少。

图3 龙马溪组页岩中有机质孔隙直径分布图

2.3 有机质孔隙发育程度

通过对焦石坝地区龙马溪组页岩大量扫描电镜图像的观察，有机质孔隙是最主要的孔隙类型，极为常见，黏土矿物孔次之，脆性矿物孔比较少见。

观察同时也发现有机质内孔隙的发育具有非均质特点（图4），这与Barnett页岩中有机质孔隙特征一致（Loucks R G，2009）［5］。龙马溪组页岩中某些有机质内部纳米孔数量丰富，一个有机质片内部可含几百到几千个纳米孔，在有机质中的面孔率一般可达20%～30%，局部可达到60%～70%，而有的有机质内却几乎不发育孔隙（图4a）。沥青作为有机质或液态烃在埋藏过程中裂解生气的残余物，主要充填于各类裂缝中，一般不发育孔隙（图4b）。另外，纳米孔在有机质内部看起来是无规律分布的，孔隙的大小也存在较大差异（图3），有机质颗粒内最大的孔隙孔径达600 nm，而最小的孔隙孔径只有不到2 nm。研究发现，有机质孔隙发育的这种非均质性与后期压实有一定的关系。

跟无机矿物孔隙一样，有机质孔隙也会在埋藏过程中遭到压实，但是，由于有机质孔隙是在固结成岩后干酪根热裂解产生，加之受到岩石骨架和流体压力的保护，压实程度可能相比较小。焦石坝龙马溪组页岩有机质，尤其平行层面的长条形的有机质中的孔隙，具有明显的压扁特征，常表现为椭圆，甚至长条形，其孔隙长轴方向大多平行于层面或刚性矿物颗粒边缘（图4c）。另外，在一些刚性矿物颗粒间的薄层状的有机质内几乎看不到孔隙，而在刚性矿物颗粒间三角地带的有机质孔隙却比较发育，说明了压实作用可造成有机质孔隙被压实，而刚性矿物颗粒间的三角地带有机质孔隙得到了较好的保护（图4d）。

图4 焦石坝地区龙马溪组页岩有机质发育程度图

2.4 有机质孔隙是页岩气赋存的重要空间

有机质孔隙除了提供页岩中主要的孔体积外，还具有复杂形态与内部结构和亲油（气）性的特点，这些特点决定了有机质孔隙往往比无机孔隙具有更好的天然气储集性能。

焦石坝地区龙马溪组泥页岩样品BET比表面积为8.4～33.3 m2／g，平均18.9 m2／g；杨建等（2009）［6］测定的四川盆地上沙溪庙组致密砂岩储层BET比表面积为1.06～3.25 m2／g，平均为2.13 m2／g；对比发现页岩比表面积巨大，这为页岩气体的吸附提供了非常有利的条件。进一步研究发现，龙马溪组页岩N2-BET比表面积与有机质含量（TOC）之间存在良好的正相关关系，说明了有机质孔隙提供了主要的比表面积。Schettler和Parmoly（1990）［7］证明了Appa⁃lachian盆地页岩中伊利石对吸附起主要作用，而有机质第二重要。焦石坝龙马溪组页岩具有与之不同特点，等温吸附试验表明，甲烷吸附量与TOC存在良好的正相关，说明有机质孔隙对页岩气的吸附起主要作用，而黏土矿物孔和脆性矿物孔吸附作用甚微。这可能与黏土矿物孔和有机质孔隙内表面特性有关，从龙马溪组页岩SEM图像上看，黏土矿物孔和脆性矿物孔内部一般比较简单，内表面较为光滑；而有机质孔隙具有复杂的内部结构，孔隙表面较粗糙，孔隙内可见很多褶皱、片状或球状突起，这种结构大大增加了比表面积，从而增大了吸附能力。

有机质孔隙具有亲油（气）性、疏水性，表现为与含气量呈明显正向关，而黏土矿物则由于其亲水性，造成黏土含量与含水饱和度呈明显的正向关关系。相比无机孔隙，有机质的这种亲油（气）的特性，促使甲烷优先在有机质孔隙中吸附或储存，从而决定了有机质孔隙在页岩气富集中的重要作用。

3 结论

1）焦石坝龙马溪组页岩中存在多种孔隙类型，按赋存形式可归纳为有机质孔隙、黏土矿物孔、脆性矿物孔，其中脆性矿物孔按沉积成岩作用可分为晶间孔、溶蚀孔、流体包裹体孔三类。

2）有机质孔隙以纳米级孔隙为主，形态多样，孔径主要分布在2～900 nm之间，平面上通常为泡泡状、似椭圆状、港湾状及其他不规则形状。有机质内孔隙发育具有非均质性，与后期压实以及刚性矿物的保护有关。

3）龙马溪组有机质孔隙微小、表面粗糙、内部结构复杂，提供了页岩中主要的孔体积，也提供了甲烷吸附的比表面积，其亲油（气）的特性使其优先吸附、储集天然气，对页岩气富集起了重要作用。

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［3］胡新星.煤岩多孔材料的显微结构特征和吸附性研究［D］.成都：成都理工大学，2011.24-32.

［4］Roger M Slatt and Neal R O Brien.Pore Types in the Barnett and Woodford Gas Shales:Contribution to Under⁃standing Gas Storage and Migration Pathways in Fine-Grained Rocks［J］.AAPG Bulletin， 2011， 95（12）：2017-2030.

［5］Loucks R G，Reed R M，Ruppel S C.Morphology,gene⁃sis,distribution of nanometer-scale pores in sili-ceous mudstones of the Mississippian Barnett shale［J］.Journal of Sedimentary Research，2009，79（12）：848-861.

［6］杨建，康毅力.致密砂岩天然气扩散能力研究［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2009，31（6）：76-79.

［7］Schettler P D and C R Parmoly.The measurement of gas desorption isotherms for Devonian shale［J］.GRI De⁃vonian Gas Shale Technology Review，1990，7：4-9.