川南—黔北地区下古生界页岩孔隙发育特征

杨　巍，陈国俊，胡士骏，3，吕成福，徐　勇，3，杨爽，3（.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州730000；2.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州730020；3.中国科学院大学，北京00049）

川南—黔北地区下古生界页岩孔隙发育特征

杨巍1，2，陈国俊1，胡士骏1，3，吕成福1，徐勇1，3，杨爽1，3
（1.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，兰州730000；2.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州730020；3.中国科学院大学，北京100049）

采用场发射扫描电镜成像方法对川南—黔北地区下古生界筇竹寺组、五峰组—龙马溪组富有机质页岩的微观孔隙类型、孔隙大小、孔隙形态与分布特征及微裂缝发育特征进行了研究。结果表明：按形成方式的不同，可将孔隙划分为粒间孔、有机质孔、溶蚀孔和微裂缝4种主要类型；有机质孔发育广泛，对孔隙总体积贡献较大，有利于储层中吸附气的赋存；溶蚀孔零星分布，但孔径可达微米级，对孔隙总体积贡献较大；粒间孔发育相对较少，对孔隙总体积贡献相对较小；页岩中发育的微裂缝，可有效连通其他类型的孔隙，有利于页岩气的储存和渗流。对研究区样品矿物成分的分析表明，其矿物成分以石英、长石、碳酸盐矿物和黏土矿物为主，脆性矿物含量相对较高，平均体积分数为54.9%，有利于对页岩储层的压裂改造。

页岩储层；场发射扫描电镜；孔隙类型；孔隙特征；下古生界；川南—黔北地区

0　引言

泥页岩具有低孔、低渗的特征，其孔隙结构较为复杂，孔径较小，可达纳米级。Schettler等［1］研究认为，美国泥盆纪页岩中约50%的气体存储于页岩孔隙中，分析页岩微观孔隙结构发育特征对含气性评价至关重要。Loucks等［2］研究认为，页岩中的纳米孔主要有3种，即有机质孔、富有机质纹层之间的粒间孔以及黄铁矿球粒中的晶间孔；Schieber［3］则将页岩的孔隙类型总结为硅酸盐骨架孔、碳酸盐溶蚀孔以及有机质孔；邹才能等［4］将页岩的孔隙类型进一步细化，分为基质中晶间孔、有机质孔、粒内孔、溶蚀孔以及粒间孔。由此可见，国内外学者采用的页岩储层孔隙类型的划分原则均是按照孔隙的形成方式来划分。页岩孔隙的微观结构直接影响着页岩中油气的储存和渗流，因此，对孔隙的详细研究是评价页岩地层中页岩气产能的前提。笔者以川南—黔北地区下古生界页岩为研究对象，运用氩离子抛光-扫描电镜成像法对该区下古生界页岩孔隙进行镜下观察，研究页岩储层中孔隙的类型和赋存方式以及各类孔隙的孔径大小、形态和分布特征，以期为该区页岩气产能评价及有利勘探区块预测与优选提供借鉴。

1　地质背景

四川盆地位于扬子地台西北缘，其四周被龙门山、米仓山及大巴山等造山带所包围，面积约为18万km2。盆地内及其周缘下古生界发育的黑色泥页岩是南方海相页岩地层的优质烃源岩［5-7］，其有机质含量高，热演化程度高。寒武系发育筇竹寺组烃源岩，其上部发育黑色炭质页岩夹灰绿色砂质页岩，下部发育夹有粉砂质条带的黑色炭质页岩；奥陶系晚期发育厚度不大的五峰组黑色炭质页岩和硅质层［8］；下志留统发育龙马溪组页岩，其上部发育深灰色泥岩夹粉砂质泥页岩，下部发育黑色含笔石页岩（图1）。孙玮等［9］通过对四川盆地及其周缘构造带页岩的有机质含量、埋深、有效厚度及已有勘探成果等研究发现，川南复合构造带是页岩气勘探的首选区域。

图1　四川盆地南部下古生界地层图Fig.1Stratigraphy of Lower Paleozoic in southern Sichuan Basin

2　样品与实验方法

2.1样品采集

通过对川南—黔北地区多处页岩剖面进行观察后，选择了下古生界发育的2套黑色优质富有机质烃源岩剖面：黔北遵义地区下寒武统筇竹寺组黑色页岩和川南长宁县上奥陶统—下志留统五峰组—龙马溪组黑色页岩。本次研究共采集54块样品，其中下寒武统筇竹寺组黑色页岩有23块样品来自新鲜露头，另外有5块样品来自钻孔，取样深度为54～120 m，且分布均匀（样品编号采取“zy-取样号”形式）；上奥陶统—下志留统五峰组—龙马溪组黑色页岩样品均为新鲜的露头样品，共26块（样品编号采取“sh-取样号”形式）。主要对样品进行了有机质含量、热成熟度及矿物成分等常规分析，并对样品镜下孔隙发育特征进行了重点观察和描述。

2.2场发射扫描电镜成像分析

目前，针对页岩微观孔隙特征的研究手段主要有纳米CT技术、场发射扫描电镜成像法和聚焦离子束扫描电镜成像法［10-11］。本次研究将样品表面抛光后，选用场发射扫描电镜来研究页岩的微观孔隙，该仪器为二次电子成像、背散射电子衍射成像和X射线能谱分析三元一体化系统。其中，二次电子成像可反映出样品表面的形貌；背散射电子衍射成像主要用来区分有机质和其他矿物，镜下有机质呈暗色；X射线能谱可对样品微区进行元素分析，从而直接判断矿物类别。

3　地球化学特征

前人研究数据显示［12-13］，研究区筇竹寺组和五峰组—龙马溪组页岩分别为Ⅰ型和Ⅰ—Ⅱ1型干酪根，是页岩生气的主要有机质类型。研究区页岩有机碳含量变化较大，筇竹寺组页岩有机碳质量分数为0.6%～8.8%，平均为4.5%；五峰组3个样品有机碳质量分数分别为3.1%，4.2%和2.8%；龙马溪组页岩有机碳质量分数为0.5%～7.6%，平均为1.9%。研究区页岩的镜质体反射率为2.7%～3.3%，平均为2.9%。总体来看，研究区3套地层都发育有较好的烃源岩，热演化程度均达到了过成熟阶段，具备页岩气成藏的条件［14-16］。

4　岩石学特征

利用X射线衍射方法定量分析54块样品的矿物成分及含量表明：研究区页岩的矿物成分比较复杂，石英、长石、碳酸盐矿物和黏土矿物是页岩的主要成分，黄铁矿含量较低，筇竹寺组样品中含有一定量的石膏。黏土矿物主要成分是伊利石，其次是绿泥石，个别样品黏土成分中还包括伊/蒙混层，体积分数为13.3%～63.2%，平均为43.9%；石英含量变化较大，体积分数为15.7%～68.6%，平均为29.6%；碳酸盐矿物由方解石和铁白云石组成，体积分数为0～44.0%，平均为9%；长石由斜长石和微斜长石组成，体积分数为0.9%～21.2%，平均为5.5%；黄铁矿体积分数为0～10.8%，平均为2.5%。另外，筇竹寺组页岩中石膏的平均体积分数达到3.5%。

石英、黏土与碳酸盐矿物是泥页岩中主要的矿物成分，其相对组成的变化直接影响泥页岩孔隙结构发育、对气体的吸附能力及后期对地层压裂开采的可行性。Delaware盆地Barnett页岩拥有十分优越的生气潜力，而且整个盆地大部分区域有机质富集、成熟度高。Barnett页岩矿物组成以黏土矿物为主，体积分数平均为50.6%；其次为石英，体积分数平均为31.0%；碳酸盐矿物体积分数平均为11.0%［17］。研究区页岩中有机质含量高、成熟度高，矿物成分亦与Barnett页岩相近，生气潜力好，而且脆性矿物含量相对较高（体积分数为36.6%～81.9%，平均为54.9%），有利于对页岩储层的压裂开采。

6　孔隙发育类型及特征

本文采用IUPAC的分类标准［18-19］，分别将直径＜2 nm，2～50 nm和＞50 nm的孔隙称为微孔、中孔和大孔。笔者在前人研究的基础上，根据扫描电镜下孔隙成像特征，将研究区页岩中发育的孔隙分为4类：粒间孔、有机质孔、溶蚀孔和微裂缝。

5.1粒间孔

粒间孔一般为岩石颗粒经压实作用后保存下来的原始孔隙。四川盆地海相页岩地层中发育有粒间孔，但形态无固定规则，主要存在于石英、长石、碳酸盐矿物和黄铁矿晶体等刚性颗粒之间（图版Ⅰ-1～Ⅰ-2）。塑性有机质或黏土矿物因受挤压而弯曲变形，致使页岩孔隙急剧缩小甚至消失，但当页岩存在刚性颗粒支撑时则保留了一定量的残留粒间孔（图版Ⅰ-3）。从扫描电镜成像观察发现研究区页岩样品中粒间孔零星分布，主要表现为沿颗粒边缘发育，孔径变化较大，从十几纳米到微米级别均有发育。研究区样品中粒间孔总体发育较少。

5.2有机质孔

有机质孔是有机质在生烃后形成的孔隙，与页岩地层中有机质的含量及热演化程度密切相关。纳米级孔隙的形成源于热成熟过程和有机质的转变，在有机质含量较高的地层中，热演化程度越高，残留在有机质中的孔隙就越发育［3，20］。Lash等［21］研究发现，当有机质生烃消耗35%的体积时，可形成4.9%的有效孔隙空间。四川盆地下古生界海相页岩有机质含量高，且镜质体反射率在2.7%以上，热演化程度均达到了过成熟阶段，有机质孔广泛发育。镜下观察发现，研究区页岩中有机质孔形状较规则，大部分表现为圆形或近椭圆形，也有少数呈其他不规则形状（图版Ⅰ-4）。在有机质中，有机质孔一般呈蜂窝状成群式存在，孔径从十几纳米到几百纳米不等。另外，在研究区页岩中含有一定量的黄铁矿球粒，但并未观察到纯粹的黄铁矿球粒晶间孔，因为黄铁矿晶体间均被有机质充填，并大量发育有机质孔，而且其孔径多较宽，尽管在30～200 nm内均有发育，但以大孔为主（图版Ⅰ-5）。总体来看，研究区样品中有机质孔发育广泛，且连片分布（图版Ⅰ-4、图版Ⅰ-6），可在泥岩中形成较好的渗流通道［2］。

5.3溶蚀孔

溶蚀作用可导致大量次生孔隙的形成，它是改善储层物性及微观孔隙结构的主要途径［22］。富有机质页岩本身为致密的烃源岩，在热演化过程中有机质生烃后油气直接在原地储集或只能经过短距离运移［23-24］，同时，生烃过程中产生的大量酸性流体易对页岩自身的碳酸盐矿物进行溶蚀，并形成溶蚀孔，页岩气主要呈游离态存储在溶蚀孔中。研究区页岩中普遍发育次生溶蚀孔隙（图版Ⅰ-7～Ⅰ-8），主要是酸性流体对方解石和铁白云石这2种碳酸盐矿物进行溶蚀而产生，所形成的溶蚀孔比较孤立，但孔径较宽，一般在100 nm以上，甚至达到微米级别（图版Ⅰ-9）。研究区页岩热演化程度已达到过成熟阶段，碳酸盐等易溶矿物已经历了有机酸的溶蚀过程，同时，生烃过程中产生的页岩气会大量存储在已生成的溶蚀孔中。页岩地层中溶蚀孔的存在可以较大程度地增加地层的储集空间，从而改善页岩地层的物性条件。

5.4微裂缝

微裂缝是天然气产出的基本通道，可为页岩气提供充足的储集空间［25-26］。页岩裂缝的发育主要受构造活动、岩石粒度、岩层厚度、脆性矿物含量及有机碳含量等的影响，当页岩中石英、长石和碳酸盐矿物含量高时，岩石脆性大，容易形成天然裂缝和诱导裂缝［27］。通过扫描电镜成像观察发现研究区样品中裂缝较发育（图版Ⅱ-1），主要有3种类型：①收缩缝，为塑性颗粒收缩后产生的微裂缝，顺颗粒边缘发育，一般呈长条状及弯曲状，缝长约15 μm，缝宽约800 nm（图版Ⅱ-2）；②溶蚀缝，为碳酸盐等易溶矿物颗粒溶蚀后形成的微裂缝，溶蚀强度不均导致裂缝宽窄不一，呈长条状发育，缝长约2.5 μm，缝宽为30～350 nm（图版Ⅱ-3）；③构造缝，为构造活动过程中形成的微裂缝，在研究区样品中发现有矿物骨架颗粒内发育的构造缝，缝长约12 μm，缝宽约400 nm（图版Ⅱ-4）。Chalmers等［28］通过对不同盆地的页岩地层进行综合研究后发现，同一页岩储层的渗透率在不同深度或不同压力条件下差异较大，页岩中有无裂缝发育及裂缝发育程度是影响页岩渗透能力的重要因素。研究区页岩样品中所发育的裂缝具有一定的延伸性及开放性，不但可提高页岩的渗透能力，还可作为沟通页岩中孔隙的微通道，从而增加页岩气的储集空间，提高页岩气产能。

5.5孔隙特征

扫描电镜成像仪可以直接标定页岩孔隙孔径的大小。笔者通过镜下观察选择孔隙发育较好的筇竹寺组样品zy-03和龙马溪组样品sh-08相同比例尺下的多张镜下照片，进行孔径大小分布分析。通过对粒间孔、溶蚀孔及有机质孔的总面积分别进行数点统计，得到了3种孔隙所占的比例（表1）。2个样品中均发育有大量的有机质孔和溶蚀孔，粒间孔略少。样品zy-03和sh-08中溶蚀孔体积分数分别为45.6%和54.9%，有机质孔体积分数分别为45.7%和34.1%，粒间孔体积分数则均较低。镜下观测到的有机质孔的孔径以50～120 nm为主，最大的也小于400 nm，但该类孔隙数量多。溶蚀孔的孔径较大（图版Ⅰ-9），为200～5 000 nm。单独的有机质孔的孔径远小于单独的溶蚀孔的孔径。有机质孔和溶蚀孔分别有利于储层中吸附气和游离气的赋存，对页岩孔隙总体积贡献均较大。

表1　页岩中不同类型孔隙体积分数统计Table 1The volume percentage of differentpores in shale samples

6　结论

（1）川南—黔北地区下古生界页岩有机质含量高且类型好，热演化阶段处于过成熟阶段，有利于有机质孔的发育，具备形成页岩气藏的基本条件；矿物组成中脆性矿物含量高，有利于对页岩气的压裂开采。

（2）研究区页岩中发育的孔隙类型主要有4种：粒间孔、有机质孔、溶蚀孔和微裂缝。有机质孔发育广泛，包含微孔、中孔和大孔，对孔隙总体积贡献较大，有利于气体的吸附和储存；其次是溶蚀孔，孔径范围主要在大孔区间，最大孔径可达5 μm，对孔隙总体积贡献较大；粒间孔发育相对较少，对孔隙总体积贡献相对较小；微裂缝较为发育，可为页岩提供有效的运移通道和储集空间。页岩中的孔隙和微裂缝组成的孔隙网络可提高研究区页岩的渗流能力，并为页岩气的赋存提供有效的吸附和游离空间。

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图版Ⅰ

图版Ⅱ

（本文编辑：于惠宇）

Pore characteristics of shale of Lower Paleozoic in southern Sichuan-northern Guizhou

Yang Wei1，2，Chen Guojun1，Hu Shijun1，3，Lu： Chengfu1，Xu Yong1，3，Yang Shuang1，3
（1.Key Laboratory of Petroleum Resources，Gansu Province/Key Laboratory of Petroleum Resources Research，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.PetroChina Research Institute
of Petroleum Exploration&Development-Northwest，Lanzhou 730020，China；3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Pore types，size，morphology，distribution and fracture feat ures by field emission scanning electron microscope imaging were studied on shale samples of the Lower Paleozoic Niutitang Formation，Wufeng Formation-Longmaxi Formation in the southern Sichuan-northern Guizhou.The results show that there are four main pore types developed in shale，including：intergranular pores，organic-matter pores，dissolved pores and microfracture.Organicmatter pores developed well in shale，which is favor of storing adsorbing-gas.Dissolved pores distributed sporadically，but the cumulative pore volume is much larger with wider pore diameters which are almost macropores and even reach to micrometer-scale.Intergranular pores developed relatively less，with little contribution to pore volume.Microfractures developed in shale can connect other types of pores，which is beneficial to shale gas store and flow.Additionally，the major components of shale are composed of quartz，feldspar，carbonate and clay minerals.The brittle minerals contentwith an average of 54.9%is conducive to the formation fracturing and exploration.

shale reservoir；field emission scanning electron microscope；pore types；pore features；Lower Paleozoic；southern Sichuan-northern Guizhou

TE122.2+3

A

1673-8926（2015）04-0047-06

2015-02-08；

2015-03-22

国家自然科学基金项目“鄂尔多斯盆地三叠系陆相页岩微孔隙特征与天然气赋存方式研究”（编号：41272144）、中国科学院战略性先导科技专项（B类）“页岩气勘探开发基础理论与关键技术”（编号：XDB10010300）及国家自然科学基金青年基金项目“四川盆地下古生界海相页岩微孔隙特征及形成机制研究”（编号：41402130）联合资助

杨巍（1985-），女，中国科学院兰州油气资源研究中心在读博士研究生，研究方向为油气储层地质学。地址：（730000）甘肃省兰州市城关区东岗西路382号。E-mail：yangwei052@126.com

通信简介：陈国俊（1967-），男，博士，研究员，主要从事油气储层地质研究。E-mail：gjchen@lzb.ac.cn。