川东地区龙潭组/吴家坪组泥页岩微观孔隙差异特征及影响因素

高雯璐，周 文，徐 浩，曹 茜，刘瑞崟，李飞雨，蒲飞龙

1成都理工大学能源学院，四川 成都

2成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都

1. 引言

四川盆地是我国页岩气资源勘探开发的重点区域[1] [2]，二叠系烃源岩作为四川盆地重要气源岩，具有巨大的勘探开发潜力，预估资源量可达2.4 × 1012m3[3] [4] [5]。二叠系龙潭组/吴家坪组页岩厚度稳定，演化程度高，含气性良好，是未来四川盆地页岩气资源勘探开发的重要层系[6]。

泥页岩中微孔隙系统发育，储层的孔隙结构是影响储层储集性能和页岩气开采的主要因素。目前，已有学者针对二叠系泥页岩储层特征及孔隙发育影响因素等方面进行大量研究[7] [8] [9]。部分学者认为，泥页岩中的孔隙发育主要受沉积构造演化和自身物质组成内外两方面因素共同影响[10] [11] [12]。作为同期异相沉积的一套地层，沉积环境不同导致海陆过渡相龙潭组与海相吴家坪组泥页岩在有机质和矿物组成等方面具有显著差异特征[13] [14] [15]，从而对孔隙的发育产生影响[16] [17] [18]。二叠系龙潭组/吴家坪组泥页岩沉积环境多变[19]，有机质类型多样，矿物组成复杂，孔隙发育影响因素众多，二者间的微观孔隙差异特征及孔隙发育主控因素尚需进一步探究。

本文选取川东南龙潭组及川东北吴家坪组泥页岩样品，开展有机碳测定、X-射线衍射、干酪根显微组分测试等基础测试，并通过氩离子抛光及场发射扫描电子显微镜观察、低温液氮吸附实验，对四川盆地龙潭组/吴家坪组泥页岩的主要孔隙类型和孔隙形态、体积等结构特征进行研究。结合沉积环境、有机地球化学与岩石矿物组分差异，分析二叠系龙潭组/吴家坪组泥页岩孔隙发育差异特征及主要影响因素，从而为评价其页岩气勘探潜力奠定良好的基础。

2. 地质概况

受加里东运动影响，四川盆地整体表现为“西南高，北东低”，“两台一凹”的古地理格局[20] [21]。晚二叠世，受东吴运动的影响，整个上扬子地区特别是四川盆地，在不同的地区展现出同期异相的沉积特征，龙潭组和吴家坪组分为南、北两相区[22] [23]，川南地区整体上为海陆过渡相沉积，称龙潭组；川北地区为海相沉积，称吴家坪组。在地形与海平面变化的约束下，龙潭组/吴家坪组沉积相带自南西至北东向依次表现为河流三角洲–滨岸–沼泽–潮坪–潟湖–浅水陆棚–深水陆棚–开阔台地–盆地相，呈弧形带状展布[24] [25] (图1)。川东南研究区龙潭组主要为滨岸–沼泽相沉积，岩性以灰黑色–黑色泥页岩、泥质粉砂岩，粉砂岩为主，发育大量煤层(图2(a))；川东北研究区吴家坪组主要为深水陆棚相沉积，岩性以泥质灰岩、灰质泥岩、硅质页岩为主，灰质含量高，二叠系沉积初期，受峨眉山玄武岩喷发影响，在下段发育大量玄武岩(图2(b))。

Figure 1. Sedimentary model map of Sichuan Basin (modified from document [26])图1. 四川盆地沉积模式图(修改自文献[26])

Figure 2. Lithologic histogram of Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b) in the study area图2. 研究区龙潭组(a)和吴家坪组(b)岩性柱状图

3. 样品及实验

3.1. 样品基本特征

本次研究选取四川盆地川东南地区龙潭组A 井及川东北地区吴家坪组B 井泥页岩样品(图1)。龙潭组泥页岩有机质来源主要为高等植物，干酪根类型主要为III 类，显微组分以镜质组组分为主，样品TOC介于0.05%～13.20%，平均2.91%，镜质体反射率RO介于1.8%～2.2%；吴家坪组泥页岩有机质来源主要为藻类、底栖生物，干酪根类型主要为II 类，显微组分以腐泥组组分为主，样品TOC 介于4.90%～14.73%，平均8.59%，镜质体反射率RO介于2.6～3.8% (表1)。龙潭组矿物组分以黏土矿物(66%)为主，黏土组分较复杂，主要以伊/蒙混层为主(60.2%)，同时含高岭石(21.2%)和绿泥石(17.8%)；吴家坪组矿物组分以石英(40%)等硅质矿物和碳酸盐岩矿物(35%)为主，黏土矿物含量较少，组分主要为伊利石(97.5%) (表2)。

Table 1. Characteristics of organic matter in Longtan formation and Wujiaping formation表1. 龙潭组和吴家坪组样品有机质特征

Table 2. Mineral composition characteristics of Longtan formation and Wujiaping formation samples表2. 龙潭组和吴家坪组样品矿物组成特征

3.2. 主要实验与研究方法

由于泥页岩的孔隙主要为微纳米孔隙，常规储层的孔隙研究方法难以准确测试和表征，目前国内外学者已经建立了图像分析与流体注入等技术的联合应用，对含气泥页岩孔隙结构进行全面表征[27] [28][29]。本次研究开展场发射扫描电子显微镜观察与低温液氮吸附实验，实验结果分别使用image J 软件处理和BJH 模型拟合，与从定性和定量的角度对龙潭组/吴家坪组泥页岩孔隙特征进行相对全面表征。

扫描电镜技术广泛用于泥页岩的微观结构、孔隙表征等研究，在泥页岩储层评价中，可通过扫描电镜图像直观展现泥页岩微观孔隙的大小、形态、连通性等结构特征，以及定义不同的孔隙类型[30]。结合image J 等图像处理软件，可分别统计得到各类孔隙面孔率与数量占比等参数[31] [32]。研究使用场发射扫描电镜仪器为Zeiss-Merlin，分辨率0.8 nm，最大放大倍数200 万倍，测试加速电压0.02 kV～30 kV。在进行扫描电镜观察之前先对泥页岩样品进行氩离子抛光处理，可得到平整的泥页岩表面，从而更准确的进行纳米级孔隙细节研究。本次研究首先在不同倍数下观察各类孔隙及矿物特征，随后将放大倍数增大至20,000～40,000 倍，结合image J 图像处理软件，将大观察倍数下足量拍摄的扫描电镜图像进行拼接得到龙潭组/吴家坪组页岩样品的大视域网格划分图后利用不同颜色标定不同孔隙种类：以红色代表有机孔，绿色代表粒内孔，蓝色代表粒间孔，再统计得到各类孔隙面孔率与数量占比等参数。

低温液氮等温吸附法，可在表征孔结构时得到泥页岩储层微观结构的统计信息和总体特征，对泥页岩储层孔隙结构参数进行表征与分析，对孔隙形态进行分类[33]。本次研究中，低温氮气吸附–脱附测试采用美国麦克公司生产的ASAP2020 全自动比表面积及微孔/介孔分析仪，该仪器孔径测量范围为0.35 nm～500 nm，实验条件为：低温-195.8℃，压力为97.3 kPa～127 kPa，粉末大小为60～80 目。吸附/解吸结果利用BJH 模型拟合，以“吸附回线”特征判别孔隙形态。

4. 结果

4.1. 龙潭组/吴家坪组泥页岩主要孔隙类型

基于样品的扫描电镜图像，按照Loucks 等人(2012)提出的泥页岩基质孔隙分类方法[34]进行观察及分类。发现龙潭组泥页岩有机质孔发育较差，仅在部分有机质中发育少量不规则状有机质孔及有机质边缘缝；黏土矿物孔发育，主要以片状及狭缝状粒内孔为主；粒间孔主要发育在草莓状黄铁矿晶粒间；微裂缝较发育，裂缝为方解石充填。吴家坪组泥页岩有机质孔大量发育，形状多为圆形、椭圆形和不规则状；无机孔主要发育粒内溶蚀孔和印模孔，同时发育石英及长石边缘溶蚀缝(图3)。

Figure 3. Microscopic pore electron microscopic images of Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b) in the study area图3. 研究区龙潭组(a)和吴家坪组(b)微观孔隙电镜图像

4.2. 龙潭组/吴家坪组泥页岩孔隙结构参数

在image J 处理所得扫描电镜图像基础上，分别统计龙潭组和吴家坪组泥页岩样品中不同类型孔隙的孔隙数量、面孔率等参数。结果显示，龙潭组泥页岩样品中粒内孔占总孔隙的主要部分，占比达84.26%(图4(a))，孔径集中分布在10 nm～500 nm (图4(c))；吴家坪组泥页岩样品中有机孔占总孔隙的主要部分，占比为88.41% (图4(b))，孔径集中分布在10 nm～100 nm (图4(d))。

Figure 4. Porosity ratio and pore size distribution of Longtan formation (a), (c) and Wujiaping formation (b), (d)图4. 龙潭组(a)、(c)和吴家坪组(b)、(d)孔隙占比与孔径分布图

根据De Boer 及IUPAC 的孔隙类型分类方法，可由“脱附回线”的形态特征判识泥页岩孔隙结构特征[35] [36]，龙潭组/吴家坪组泥页岩低温液氮吸附/脱附曲线表明，龙潭组泥页岩孔隙形态主要为四周开放的平行板状、狭缝状孔(图5(a))；吴家坪组泥页岩孔隙形态主要为细颈瓶状和墨水瓶状(图5(b))。

从各孔径段孔体积的比例可以分析孔隙的发育及分布状况，按照国际理论与应用化学协会(IUPAC)基于孔径大小的孔隙分类方法[37]，结合图像分析法与吸附曲线统计结果，发现龙潭组孔隙主要为介孔和宏孔，以直径50 nm～100 nm 的介孔为主，直径10 nm～50 nm 的介孔和直径100 nm～200 nm 的宏孔次之(图4(c)、图6(a))；吴家坪组孔隙直径整体小于龙潭组，主要以直径10 nm～50 nm 的介孔为主(图4(d)、图6(b))。

Figure 5. Nitrogen adsorption/desorption curve of Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b)图5. 龙潭组(a)和吴家坪组(b)氮气吸附/脱附曲线

Figure 6. Pore size distribution curve of Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b)图6. 龙潭组(a)和吴家坪组(b)孔径分布曲线图

5. 讨论

四川盆地龙潭组/吴家坪组沉积相自南西向北东呈现由海陆过渡相向海相的过渡，川东地区自川东南像川东北依次发育滨岸–沼泽相到深水陆棚相[23] [25]。结合本次研究与前人研究成果，川东南滨岸–沼泽相龙潭组有机质以陆源高等植物输入为主，发育镜质组为主的III 型有机质；川东北深水陆棚相吴家坪组有机质来源以水生生物为主，发育腐泥组为主的II 型有机质[15]。川东南龙潭组靠近盆地西南部康滇古陆物源区，富含大量黏土矿物[13]。随水动力向海方向迁移至川东北吴家坪组，黏土矿物含量降低，深水环境发育大量生物质成因石英[36]与碳酸盐岩矿物。本文分别从有机质和矿物组成两方面，分析龙潭组/吴家坪组泥页岩微观孔隙的发育特征及影响因素。

5.1. 有机质对孔隙发育的影响

本次研究所涉及的龙潭组/吴家坪组泥页岩有机质都处于高–过成熟度阶段，前人研究发现，在高–过成熟条件下，有机质类型及干酪根组分对有机孔的发育具有重要影响。由于腐泥组I、II 型干酪根具有较好的生烃能力，大量生成的烃类随演化程度增大二次裂解成气，导致有机质内孔隙空间快速膨胀，从而形成大量有机质孔[18]，而镜质组III 型干酪根生气能力较差，有机质内部孔隙相对欠发育[7]。本次研究结果与前人一致，川东北吴家坪组泥页岩以腐泥组为主的II型有机质孔数量多，孔径小(图7(c)，图7(d))，而龙潭组干酪根主要为III 型，有机质致密，与吴家坪组相比有机质孔发育情况较差，见少量有机质边缘缝发育(图7(a)，图7(b))。

Figure 7. Development characteristics of organic matter pores in Longtan formation (a, b) and Wujiaping formation (c, d)图7. 龙潭组(a、b)和吴家坪组(c、d)有机质孔发育特征

除有机质类型外，有机质含量也对有机质孔的发育具有重要影响。已有学者通过研究海相泥页岩孔隙结构特征，发现随着TOC 含量增加，有机质孔隙大量增加，孔隙比表面积、比孔容均与TOC 含量呈正相关关系[37]。本次研究基于龙潭组海陆过渡相和吴家坪组海相泥页岩，分别建立孔隙比表面积、比孔容与TOC 含量间相关关系(图8、图9)。发现龙潭组泥页岩孔隙比表面积、比孔容与TOC 含量呈较弱的正相关关系，与龙潭组相比，吴家坪组泥页岩孔隙比表面积、比孔容与TOC 含量则呈现出较强的正相关关系。分析原因为与龙潭组泥页岩相比，吴家坪组泥页岩有机质孔在总孔隙中占比更大，有机质孔为主要孔隙类型，因而受TOC 含量的影响更大。

Figure 8. Correlation between pore specific surface area and TOC of mud shale in Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b)图8. 龙潭组(a)和吴家坪组(b)泥页岩孔隙比表面积与TOC 的相关关系

Figure 9. Correlation between specific pore volume and TOC of mud shale in Longtan formation (a) and Wujiaping formation (b)图9. 龙潭组(a)和吴家坪组(b)泥页岩孔隙比孔容与TOC 的相关关系

5.2. 矿物组成对孔隙发育的影响

黏土矿物和石英等脆性矿物对孔隙的发育和保存具有重要作用[17]。龙潭组泥页岩矿物中大量存在的伊/蒙混层为和高岭石有利于黏土矿物孔的发育[7]，黏土矿物粒内孔为龙潭组泥页岩的主要孔隙类型。建立龙潭组泥页岩孔隙比表面积、比孔容与黏土矿物含量、石英含量的关系(图10(a)、图10(c)、图11(a)、图11(c))，结果显示孔隙比表面积、比孔容与黏土矿物含量呈较强的正相关，与石英等脆性矿物含量无明显相关性，说明黏土矿物含量为龙潭组泥页岩孔隙结构的主要影响因素。吴家坪组泥页岩矿物组分则以石英等脆性矿物为主，黏土含量低，导致吴家坪组泥页岩黏土矿物孔发育较差，以有机质孔的发育为主。建立吴家坪组泥页岩孔隙比表面积、比孔容与黏土矿物含量、石英含量的关系(图10(b)、图10(d)、图11(b)、图11(d))，结果显示孔隙比表面积、比孔容与黏土矿物无明显相关性，与石英等脆性矿物含量则呈现正相关，分析原因为石英等脆性矿物的强抗压实能力有助于支撑有机质，有利于有机质孔的保存[7]，因而在以有机孔为主的吴家坪组泥页岩中对孔隙发育的贡献仅次于TOC 含量。

Figure 10. Correlation between specific surface area and mineral content of mud shale in Longtan formation(a), (c) and Wujiaping formation (b), (d)图10. 龙潭组(a)、(c)和吴家坪组(b)、(d)泥页岩比表面积与矿物含量的相关关系

Figure 11. Correlation between specific pore volume and mineral content of mud shale in Longtan formation (a), (c) and Wujiaping formation (b), (d)图11. 龙潭组(a)、(c)和吴家坪组(b)、(d)泥页岩比孔容与矿物含量的相关关系

6. 结论

1) 沉积环境的不同导致龙潭组/吴家坪组泥页岩有机质以及矿物组分具有显著差异，进而影响孔隙特征的差异性。川东南龙潭组滨岸沼泽相泥页岩，有机质主要为镜质组III 型干酪根，矿物组分以黏土矿物为主，有机质孔不发育，主要孔隙类型为平板状、狭缝状黏土矿物粒内孔，以介孔和宏孔为主。

2) 川东北吴家坪组深水陆棚相泥页岩，有机质主要为腐泥组II 型干酪根，矿物组分以石英等脆性矿物为主，有机孔发育，主要孔隙类型为细瓶颈和墨水瓶状有机质孔，以介孔为主。

3) 黏土矿物含量为龙潭组孔隙发育的主要控制因素，孔隙比表面积、比孔容与黏土矿物含量正相关；TOC 含量为吴家坪组泥页岩孔隙发育的主要控制因素，孔隙比表面、比孔容与TOC 含量正相关。