富有机质页岩有机质孔发育差异性探讨——以四川盆地五峰组－龙马溪组笔石页岩为例

魏志红

（中国石化勘探分公司，成都610041）

富有机质页岩发育有机质孔、黏土矿物粒间孔以及脆性矿物孔（晶间孔、次生溶蚀孔等）等孔隙类型，有机质孔赋存于有机质中，有机质的生烃特性及其明显的亲油性决定了其中的有机质孔含气饱和度高、含气性好，有机质孔是页岩气重要的储集空间，高有机碳含量（wTOC）、有机质孔发育是优质页岩气层的重要特征［1］。上奥陶统五峰组－下志留统龙马溪组页岩气是四川盆地海相页岩气勘探的重点层系，探讨五峰组－龙马溪组富有机质页岩有机质孔发育的差异性，对四川盆地海相页岩气勘探开发具有重要意义。已有文献讨论了有机质丰度、有机质类型、热演化程度、脆性矿物含量和地层流体压力对有机质孔发育的控制作用［1］，本文对四川盆地五峰组－龙马溪组笔石页岩同一样品镜下不同有机显微组分的有机质孔发育的差异性进行探讨。

1 有机显微组分及其有机质孔发育的差异性

四川盆地五峰组－龙马溪组富有机质笔石页岩多处于过成熟阶段（等效镜质体反射率Ro＞2.0%）［2－4］，有机显微组分丰富；但由于过成熟演化，有机显微组分原始组构难以识别，元素组成等同一化趋向严重，给有机显微组分判识带来了巨大困难［5－8］。在1 500倍二次电子成像电镜下，从有机显微组分形态以及与其他矿物颗粒的空间关系或赋存状态等相对宏观特征，在四川盆地南部某钻井五峰组－龙马溪组富有机质笔石页岩中识别出笔石、干酪根、固体沥青等3种有机显微组分；进而在25 000倍离子束抛光高精度电镜下进行不同有机显微组分有机质孔观察。

图1 四川盆地南部某钻井五峰组－龙马溪组笔石碎片显微照片Fig.1 Electron microscopic pictures of graptolite scraps of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in south of Sichuan Basin

图1为笔石碎片显微照片。在二次电子成像电镜下（图1-A）表现为长条状，有清晰的一定外形，与石英、长石等矿物颗粒共同构成岩石的骨架，内部见无机矿物。在离子束抛光高精度电镜下（图1-B、C），有机质孔不发育，零星分布，孔径多小于10nm。

图2为固体沥青显微照片。在二次电子成像电镜下（图2-A），充填于石英、长石等矿物颗粒之间孔隙中，没有一定的外形，形态、大小各异，内部干净，不见无机矿物。离子束抛光高精度电镜下（图2-B、C），固体沥青中有机质孔总体较为发育，有机质孔大小不等，形态各异，孔径多在10～100 nm。在个体较大的固体沥青中，有机质孔面孔率达到30%左右。而个体较小的固体沥青中，有机质孔发育较差。

图3为干酪根显微照片。在二次电子成像电镜下（图3-A），与石英、长石等矿物颗粒互为镶嵌，没有一定的外形，内部见较多无机矿物，与固体沥青难以区别。离子束抛光高精度电镜下（图3-B、C），干酪根中有机质孔总体较为发育，有机质孔大小不等，形态各异，孔径多在10～100nm。不同的干酪根个体有机质孔发育存在差异，同一干酪根个体内有机质孔发育也存在非均质性，在有机质孔发育的区域面孔率达到15%左右。

图2 四川盆地南部某钻井五峰组－龙马溪组固体沥青显微照片Fig.2 Electron microscopic pictures of solid bitumens of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in south of Sichuan Basin

图3 四川盆地南部某钻井五峰组－龙马溪组干酪根显微照片Fig.3 Electron microscopic pictures of kerogens of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in south of Sichuan Basin

综上，不同有机显微组分、同一有机显微组分的有机质孔发育均存在差异。个体较大的固体沥青有机质孔最为发育，干酪根有机质孔较为发育，笔石碎片有机质孔不发育。

2 有机质孔发育差异的成因

2.1 笔石有机质孔不发育的成因

Jarvie等研究认为，随着有机碳向烃类和碳质残渣转化，有机质孔隙将会增加，转化率越高，有机质孔隙增加越多（图4）［9］。笔石属于富碳贫氢有机质，向烃类和碳质残渣转化率低，有机质孔不发育。

岩石中保存的笔石体是笔石动物分泌的群体骨骼（胞管），由硬质蛋白质（胶原蛋白质）构成［10］。过成熟阶段，笔石主要以压扁的碳质薄膜形式存在。Bustin等关于北美志留系低熟（Ro为0.70%）笔石的光学和化学性质的研究表明［11］，笔石胞管主要由带脂肪族基团的芳香族结构组成，有更少的脂肪族结构组成和更高的芳香度，属于富碳贫氢有机质，类似Ⅲ类干酪根，生烃潜能有限，对页岩有机碳含量有贡献，但对页岩有机质孔贡献不大。

图4 有机质含量、转化率与孔隙空间的关系Fig.4 Relationships among TOC，conversion ratio and pore spaces

2.2 干酪根有机质孔发育存在差异的成因

秦建中等在龙马溪组富有机质笔石页岩（wTOC＝3.93%）中鉴定出浮游生物鱼鳞藻片，底栖生物海绵、藻丝体细胞壁以及菌类铁细菌等成烃生物，并认为海相浮游藻总生油量远大于底栖藻，最高生油量约相当于底栖藻的2～3倍（图5）［12］。根据前述有机质转化率与有机质孔发育的关系，在相同热演化程度下，以浮游藻为源的干酪根（图5-A）比以底栖藻（图5-B）为源的干酪根具有更高的转化率，有机质孔更为发育。

理论上，氢指数不同的干酪根在相同的过成熟热演化阶段，有机质孔发育均存在差异。

2.3 固体沥青有机质孔发育的成因

与干酪根生成油气发育有机质孔不同，固体沥青有机质孔是在干酪根生成的油气运移至石英、长石等矿物颗粒间的孔隙后，随着热演化程度的增高，原油裂解形成干气和固体沥青的过程中发育的。

涪陵页岩气田五峰组－龙马溪组页岩气成因分析表明，富有机质页岩中原油裂解形成干气和固体沥青的作用普遍存在。涪陵页岩气田页岩气中烷烃气体碳、氢同位素组成测试结果显示（表1），所有样品不仅出现了甲烷与乙烷碳、氢同位素组成的倒转，也出现了乙烷、丙烷碳同位素组成的倒转；同时，页岩气稀有气体组分和同位素组成分析测试40Ar/36Ar比值分布在685～1 880，平均为1 186，表明Ar是以富K泥质岩为主形成的；用40Ar测龄数学模型估算其源岩年龄为443～493 Ma，对应于晚奥陶世—早志留世，指示页岩气来自五峰组－龙马溪组富有机质页岩。涪陵页岩气为封闭体系内干酪根裂解气与原油裂解气混合成因。

图5 海相浮游藻和底栖藻生油率（质量比）随模拟温度的变化Fig.5 Simulation of oil-generating ratio change of marine planktonic algae and benthic algae as temperature

表1 涪陵五峰组－龙马溪组页岩气田天然气组分的体积分数（φ）及其碳氢同位素地球化学特征Table 1 The components of natural gas and the C-H isotope geochemical characteristics of the Fuling Wufeng Formation-Longmaxi Formation shale gas field

从高成熟到过成熟，原油裂解形成干气和固体沥青是一个漫长的地质过程。其中，固体沥青中有机质孔形成的机理尚不清楚，可能与原油裂解气的膨胀作用有关。有机质孔主要发育在个体较大的固体沥青的内部，其边缘以及个体较小的固体沥青中有机质孔发育较差（图2）。固体沥青有机质孔对页岩有机质孔具有重要贡献。

3 结论

a.固体沥青、干酪根是有机质孔的主要载体，尤其是固体沥青有机质孔对页岩有机质孔具有重要贡献。

b.不同母质来源的干酪根生烃潜力存在差异决定了其有机质孔发育存在差异。

c.固体沥青有机质孔是在原油裂解过程中形成的，其发育程度可能主要与原油赋存的粒间孔隙空间大小相关。

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