渝东南地区海相页岩有机质孔隙发育特征及演化

2020-08-12王朋飞臧小鹏田黔宁崔文娟

岩性油气藏 2020年5期

王朋飞，金璨，臧小鹏，田黔宁，刘国，崔文娟

（1.中国地质调查局地学文献中心，北京 100083；2.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石化上海海洋油气分公司，上海 200120）

0 引言

随着研究的不断深入，有机质孔隙已经被越来越多的专家［1-2］证明是一种能够有效赋存烃类气体的孔隙。页岩的总有机碳（TOC）含量、有机质干酪根类型及热演化程度（Ro）等因素均对有机质孔隙的发育具有一定影响［3］。丰富的TOC 含量可为有机质孔隙的发育提供物质基础［4］；页岩中有机质干酪根的类型按照演化进程可划分为固体干酪根和焦沥青，二者物理和化学性质的不同均会导致有机质孔隙发育得不同［5］；过高或过低的Ro均不利于有机质孔隙的大量发育［6-7］。渝东南地区下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组页岩是重点勘探开发的2套目标层位，这2 套页岩的开发情况存在较大差别，龙马溪组页岩已经实现商业开采，而牛蹄塘组页岩见微气或不产气。

渝东南地区龙马溪组和牛蹄塘组页岩均属于深水—半深水陆棚亚相沉积环境，发育有机质黑色页岩，平均TOC 质量分数均大于2.0%，有机质干酪根类型均属于Ⅰ型，矿物组分以硅质等脆性矿物为主。2 套页岩的Ro存在较大差别，牛蹄塘组页岩的Ro平均值比龙马溪组页岩大1.0%。由此，以2 套页岩的岩心样品为研究对象，在分析2 套页岩储层地质条件的基础上，明确高—过成熟度海相页岩有机质孔隙结构的发育特征，以期探究2 套页岩的开发效果存在较大差别的原因。

1 页岩储层特征

1.1 TOC 含量

利用碳硫分析测试仪对页岩样品进行TOC 含量测定，结果渝东南地区龙马溪组和牛蹄塘组2 套页岩的平均TOC 质量分数均超过2.0%，分布频率峰值均出现在2.0%～3.0%，均为富有机质海相页岩，但牛蹄塘组页岩的平均TOC 含量稍高于龙马溪组页岩（图1）。

图1 渝东南地区龙马溪组和牛蹄塘组页岩TOC 含量分布频率Fig.1 TOC content distribution of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

1.2 热成熟度

渝东南地区龙马溪组页岩的等效Ro普遍低于3.0%，样品频率峰值出现在2.7%左右，而牛蹄塘组页岩的等效Ro普遍高于3.5%，样品频率峰值出现在3.7%左右。牛蹄塘组页岩Ro已经达到变质期，而龙马溪组页岩的Ro尚未达到变质期（图2）。

图2 渝东南地区龙马溪组、牛蹄塘组页岩等效Ro 分布频率Fig.2 Distribution frequency of thermal maturities（Equal-Ro）of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

2 干酪根和焦沥青镜下特征

2.1 固体干酪根

固体干酪根在镜下的分布面积相对较大，且多呈带状和块状分布［图3（a）］，在分辨率较低的情况下亦可识别［8-12］。固体干酪根多与陆源石英矿物相伴生，并与之存在明显界限［图3（b）］，多呈定向排列，这与沉积成岩过程中层理的定向分布有关。固体干酪根周围经常伴生焦沥青，这是因为固体干酪根在生烃演化过程中产生的液态烃类充注到原始粒间孔隙中而形成的产物［8-9，13］。

图3 渝东南地区龙马溪组和牛蹄塘组页岩固体干酪根及焦沥青电子显微镜下特征（a）龙马溪组页岩固体干酪根和焦沥青，JY1 井，2 408 m；（b）牛蹄塘组页岩固体干酪根和焦沥青，CY2 井，787 m；（c）龙马溪组页岩焦沥青及有机质孔隙，JY1 井，2 408 m；（d）牛蹄塘组页岩焦沥青内未见有机质孔隙，CY2 井，787 mFig.3 Solid kerogen and pyrobitumen characteristics by SEM of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

2.2 焦沥青

焦沥青的形态多由粒间孔隙和粒内孔隙的形态决定，而且焦沥青与自生石英或簇状黄铁矿相伴生，多分布在固体干酪根周围［14］。在持续生气态烃的演化过程中，大量的有机质孔隙在焦沥青内部形成［图3（c）］，但当Ro达到变质期，页岩的有机质物理性质更趋向于石墨时，焦沥青内部的孔隙同样会消失殆尽［图3（d）］。

3 有机质孔隙发育特征

对渝东南地区龙马溪组和牛蹄塘组页岩有机质孔隙结构进行FIB-SEM 观察与对比，同时采用二次电子高亮技术突出孔隙形貌，会在孔隙周围产生圈层状高亮［7］，以达到精确识别有机质孔隙的目的。

3.1 固体干酪根孔隙

图4 渝东南地区龙马溪组页岩固体干酪根及有机质孔隙发育特征（a）条带状固体干酪根，JY1 井，2 408 m；（b）固体干酪根内部发育少量有机质孔隙，JY1 井，2 408 m；（c）固体干酪根内部未见有机质孔隙，JY1 井，2 408 m；（d）呈条带状分布的固体干酪根周围可见焦沥青，JY1 井，2 408 m；（e）将观察精度提高后，在固体干酪根表面发现直径较小，连通性较差的有机质孔隙，JY1 井，2 408 m；（f）对（e）使用二次电子技术，表面的有机质孔隙发生圈层状高亮，JY1 井，2 408 mFig.4 Development characteristics of solid kerogen and organic matter pores of Longmaxi shale in southeastern Chongqing

固体干酪根多以条带状及椭圆状分布于龙马溪组页岩的基质矿物内［图4（a）—（c）］。龙马溪组页岩的固体干酪根内部几乎不发育直径较大的有机质孔隙［图4（b）］，但将观察精度提高并使用FIB-SEM的二次电子技术使孔隙周围产生高亮，在固体干酪根表面发现直径较小的有机质孔隙，这些孔隙虽然数量多但连通性较差［图4（d）—（f）］。牛蹄塘组页岩的固体干酪根主要以条带状分布于矿物基质内［图5（a）—（c）］，固体干酪根内分布有分散状的黄铁矿颗粒。相较于龙马溪组页岩，牛蹄塘组页岩固体干酪根并不发育有机质孔隙，在二次电子技术后，固体干酪根内部并未产生圈层状高亮［图5（d）—（f）］。

图5 渝东南地区牛蹄塘组页岩固体干酪根发育特征（a）呈条带状分布的固体干酪根及焦沥青镜下特征，CY2 井，787 m；（b）将（a）放大后的局部干酪根内部未发现有机质孔隙，CY2 井，787 m；（c）呈条带状分布的固体干酪根，CY2 井，787 m；（d）对（a）中的固体干酪根使用二次电子技术，未在固体干酪根内部发现有机质孔隙，但识别出了矿物基质中的粒内孔隙，CY2 井，787 m；（e）将（d）中的固体干酪根和矿物基质中的焦沥青进行局部放大，均未在其中发现有机质孔隙，CY2 井，787 m；（f）对（c）中的固体干酪根使用二次电子技术，未在其中发现圈层状高亮，证明其内部不存在有机质孔隙，与其形成对比的是矿物基质中的粒内孔隙出现了圈层状高亮，CY2 井，787 mFig.5 Development characteristics of solid kerogen of Niutitang shale in southeastern Chongqing

3.2 焦沥青孔隙

大量有机质孔隙在龙马溪组页岩焦沥青内部发育，多呈椭圆状、分布均匀且直径较大（20～500 nm），直径较小的孔隙嵌套发育在直径较大的有机质孔隙中，这种大孔嵌套小孔的发育模式提高了有机质孔隙系统的整体连通性，并增加了吸附比表面积（图6）。牛蹄塘组页岩焦沥青内部普遍不发育有机质孔隙，使用二次电子技术进一步验证，焦沥青内也未发现圈层状高亮，证明其内部不存在有机质孔隙（图7）。

牛蹄塘组和龙马溪组2 套页岩样品的平均TOC 含量差别较小，质量分数均在3.0%左右［13-15］，但2 套页岩的等效Ro却差别较大。牛蹄塘组页岩样品的Ro已经达到变质期，平均值大于3.5%，龙马溪组页岩样品的Ro大都分布在2.7%～3.0%，处在焦沥青形成之后持续热裂解生干气阶段，二者的Ro相差接近1.0%，因此Ro是控制页岩有机质孔隙演化的关键地质因素。

针对牛蹄塘组的样品，补充了中国地质调查局在鄂西钻探的秭地1 井牛蹄塘组页岩岩心的扫描电子显微镜照片［图8（a）］［16］，并和渝东南地区YC2井牛蹄塘组页岩岩心镜下有机质孔隙发育特征进行对比。秭地1 井牛蹄塘组页岩岩心的镜质体反射率测试表明，Ro平均值为2.7%左右，和渝东南地区龙马溪组页岩的Ro相似，而扫描电子显微镜照片表明，秭地1 井牛蹄塘组页岩发育大量有机质孔隙，而渝东南地区CY2 井牛蹄塘组页岩镜下未观察到有机质孔隙［图8（b）］，从而证明Ro的不同导致了渝东南地区牛蹄塘组和龙马溪组页岩有机质孔隙发育的差别。因此，合适的Ro对海相页岩中有机质孔隙的大量发育至关重要。过高的Ro会导致页岩有机质过度演化，使其达到变质期。

图6 渝东南地区龙马溪组页岩焦沥青内部有机质孔隙发育特征（a）焦沥青充填在方解石形成的粒间孔隙中，周围伴生有游离态黄铁矿大颗粒，JY1 井，2 408 m；（b）将（a）中的焦沥青局部放大，其内部发育大量呈椭圆状的有机质孔隙，JY1 井，2 408 m；（c）直径较小的孔隙嵌套发育在直径较大的有机质孔隙内，JY1 井，2 408 m；（d）焦沥青内的有机质孔隙，JY1 井，2 408 m；（e）对（d）中的焦沥青使用二次电子技术，有机质孔隙产生圈层状高亮，JY1 井，2 408 m；（f）焦沥青内及其有机质孔隙在二次电子技术下的镜下分布特征，JY1 井，2 408 m；（g）对焦沥青及其有机质孔隙进行放大倍数观察，JY1 井，2 408 m；（h）对（g）中的焦沥青使用二次电子技术，有机质孔隙产生圈层状高亮，其内可见直径较小的孔隙嵌套在直径较大的孔隙中，JY1 井，2 408 mFig.6 Development characteristics of organic matter pores in pyrobitumen of Longmaxi shale in southeastern Chongqing

图7 渝东南地区牛蹄塘组页岩样品焦沥青发育特征（a）焦沥青镜下特征，CY2 井，787 m；（b）对（a）使用二次电子技术，焦沥青内部未见有机质孔隙，CY2 井，787 m；（c）充填在晶簇状黄铁矿晶间的焦沥青，CY2 井，787 m；（d）将（c）中的晶簇状黄铁矿晶间的焦沥青进行局部放大并同时使用二次电子技术，内部未出现圈层状高亮，证明其内部不存在有机质孔隙，CY2 井，787 m；（e）晶簇状黄铁矿与焦沥青，CY2 井，787 m；（f）对（e）中焦沥青使用二次电子技术，其内部并无圈层状高亮，不发育有机质孔隙，CY2 井，787 m；（g）对充填在粒间孔隙中的焦沥青进行放大倍数观察，内部未见有机质孔隙，CY2 井，787 m；（h）在高分辨率观察尺度下，对（g）中的焦沥青使用二次电子技术，未发现圈层状高亮，其内部不发育有机质孔隙，CY2 井，787 mFig.7 Development characteristics of pyrobitumen of Niutitang shale in southeastern Chongqing

3.3 有机质孔隙发育的主控因素

有机质孔隙的发育总体受控于TOC 含量、有机质干酪根类型及Ro等。丰富的TOC 含量可为有机质孔隙的发育提供足够的物质基础［1-2］，生烃演化则是有机质孔隙大量发育的动力条件，而通过生烃演化进程可将有机质干酪根类型划分为固体干酪根和焦沥青，二者有机质孔隙的发育具有较大差别。

从目前发现的勘探开发区块来看，渝东南地区牛蹄塘组页岩的Ro普遍达到变质期，而龙马溪组页岩相对来说Ro较低。在干酪根类型相同的条件下，Ro的差异，势必会影响2 套页岩有机质孔隙发育特征的不同（表1）。

图8 秭地1 井和CY2 井牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育镜下特征（a）有机质孔隙镜下特征，Ro 为2.7%，秭地1 井，牛蹄塘组，751 m；（b）镜下不发育有机质孔隙，Ro 为3.6%，CY2 井，787 m，Fig.8 Development characteristics of organic matter pores of Niutitang shale with different thermal maturities

表1 渝东南地区龙马溪组和牛蹄塘组页岩Ro 与产气量关系Table 1 Relationship between thermal maturity and gas production of Longmaxi and Niutitang shales in southeastern Chongqing

4 演化特征

页岩有机质孔隙的生成和保存是一个随生烃演化进程逐渐变化的过程［16-17］。在生物化学生气阶段（Ro<0.5%），由于页岩的Ro偏低，主要沉积少量甲烷气［图9 中Ⅰ］，同时形成固体干酪根［13，17］。在生物化学生气阶段后期，固体干酪根生成少量液态烃类，此时在固体干酪根内会形成极少量的有机质孔隙［15，18］。

在热催化生油气阶段（0.5%

在热裂解生湿气阶段（Ro约1.2%～2.0%），固体干酪根裂解生气达到最大程度（此时Ro约1.2%～1.5%），固体干酪根继续生成有机质孔隙，此时充注在矿物基质中的液态烃类在高演化程度下形成焦沥青。随着热演化的持续进行，当0.5%

在深部高温生气阶段（2.0%

图9 高—过成熟度海相页岩生烃演化及有机质孔隙发育特征Ⅰ.生物化学生气阶段；Ⅱ.热催化生油气阶段；Ⅲ.深部高温生气阶段后期；Ⅳ.深部高温生气阶段后期；Ⅴ.变质期阶段Fig.9 Evolution of hydrocarbon generation and organic matter pores in high-over maturity marine shale