页岩有机质体积含量：概念、测试方法及意义

摘要：有机质含量是评价页岩生产油气能力的重要指标，对孔隙度及含气量均有影响，也是页岩储层地质甜点评价的关键参数，而有机质含量无法体现有机质的分布、连通性、空间占比及其对油气渗流、储层改造的影响。通过对资料的整理与分析，厘清了有机质体积含量的概念，给出并分析了公式法、扫描电镜估算法、CT 扫描法、低场核磁共振测量法及岩石物理模型法等5 种计算方法的优势与不足，并探讨了有机质体积含量对富有机质页岩油气开发的意义。有机质体积含量指单位体积页岩中有机质的体积，用百分数表示，强化了页岩气层评价与开发中有机孔的重要性，丰富了页岩气储层评价参数体系；有机质是页岩的弱结构点或弱结构面，有机质体积含量的特性为地质甜点与工程甜点指标搭建了桥梁；有机质的可溶性及空间占比为油气储层孔缝溶扩“物质净移除、减量增渗”新思路的提出奠定基础，将有机质作为溶蚀改造对象，少量有机质溶蚀将极大增加储层改造体积。

关键词：页岩；有机质含量；有机质体积含量；有机孔；氧化改造；地质工程一体化

引言

页岩沉积于还原性环境，富含有机质[1]，有机质是油气生成的物质基础，是评价页岩气储层含气量[2]和纳米孔隙[3] 的重要参数。页岩储层为特低孔渗储集层，其孔隙类型包括颗粒间微孔、颗粒溶孔、黏土片间微孔、粒内溶蚀孔、溶蚀杂基内孔及有机质孔等[4]。研究发现，有机质孔是页岩气储集层的主要孔隙类型，是页岩气富集的关键要素[5 8]，有机质孔的发育和连通性深受有机质分布的影响，有机质分布连续性与密集性越好，则有机孔越易与各类粒缘缝相互连通形成孔缝网络，为油气渗流提供高速通道[9]，在三维空间上，有机质分布的连续性与密集性则可通过有机质空间占比反映得出。目前，体积压裂是实现页岩气高效开发的主要技术手段[10 13]，而体积压裂过程中，裂缝的延伸及扩展受有机质分布影响[14]。因此，分析有机质的分布以及体积分数对页岩储层地质甜点与工程甜点评价具有重要意义。

国内外学者开展了大量关于有机质含量（TotalOrganic Content，TOC）对有机孔隙度、含气量及生烃能力影响的研究[15 18]。康毅力等[19] 发现声波传播速度随有机质含量增加而减少，付博烨等[20] 研究了有机质含量对页岩弹性性质的影响，王建国等[21] 考虑有机质含量对页岩吸附气含量的影响，建立了吸附气含量计算模型，也有学者研究了有机质的分布对有机质孔隙发育、连通性及裂缝发育的影响[9，14]。Lü等[22] 分析了有机质体积分数对干湿页岩基质气体运移的影响，首次使用有机质的体积分数而非有机质含量来耦合不同的传输基质，提出一种新的传输模型。

选准“甜点区”是页岩气成功开发的首要条件，无论在地质上还是工程上，有机质都有着不可或缺的作用，然而，在地质甜点评价中通常只关注有机质的“量”对有机孔发育、生烃能力及含气量的影响，忽略了其形态、体积分数对油气渗流的影响，且有机质的“形”在工程中，对裂缝延伸、拓展有着极强控制作用。为了搭建有机质在地质甜点和工程甜点中的桥梁作用，本文提出有机质体积含量（（Organic VolumeProportion，OVP））的概念，探讨OVP 不同计算方法的优劣性，并分析其对页岩油气开发的重要意义。

1 页岩有机质体积含量的概念

根据岩石热解的氢指数和氧指数可将页岩有机质划分为I 型干酪根、II 型干酪根、III 型干酪根和IV型干酪根等4 种干酪根类型[23]，其中，IV 型干酪根生烃能力基本为零，因此，在地质学上一般只探讨前3 种干酪根。根据有机质的形态、反射率、结构和荧光性等特点又可将有机质划为多种显微组分，包括类脂体（I 型或II 型干酪根）、镜质体（III 型干酪根）、惰质体（IV 型干酪根）、动物碎屑和次生有机质，其中，动物碎屑主要是指笔石、几丁虫等动物碎屑，只在部分页岩中存在，次生有机质主要包括固体沥青、油和焦沥青。根据有机质成因可将有机质划分为迁移有机质和沉积有机质[24]，迁移有机质指由其他地方运移而来的沥青或石油逐渐演变而成的固体沥青或焦沥青[25]，沉积有机质主要包括干酪根和其演化形成且分布在干酪根内部的固体沥青或焦沥青。综上所述，页岩有机质可分为干酪根和沥青（固体沥青、油、焦沥青及其他非烃组分）两种类型。

页岩有机质含量（TOC）指单位质量页岩中有机质的质量，用百分数来表示，通常采用化学分离的方法将有机质从页岩样品中分离出来后，根据其质量与页岩样品质量的比值得出质量分数，而分离出来的有机质即是干酪根和极少部分不溶的固体沥青，除去了可溶有机质，因此，TOC 所代表的只是页岩有机质中部分不溶于有机溶剂的有机质的质量分数。

有机质体积含量（OVP）指单位体积页岩中有机质的体积，用百分数来表示，其中的有机质指岩石中的干酪根、固体沥青、焦沥青及其他非烃组分。OVP 与TOC 具有很好的正相关性，即TOC 含量越高，OVP 含量就越高。OVP 代表的是页岩中所有类型的有机质的体积，相比较TOC 而言，能更准确地反映页岩中有机质的数量及空间占比。

2 页岩有机质体积含量测试方法

2.1 公式计算法

选取页岩柱塞样品，测量其直径D 与长度L，页岩样品体积为

式中：V1—页岩样品体积，cm3；

D—页岩样品直径，cm；

L—页岩样品长度，cm。

根据GB/T 19144 2010《沉积岩中干酪根分离方法》[26]，采用多种有机酸和无机酸，在加温加压条件下，去除页岩中的其他成分，通过离心机分离出有机质，烘干后称其质量，根据式（2）可求出有机质体积

式中：V2—页岩有机质体积，cm3；

m—页岩有机质质量，g；

ρOM—页岩有机质密度，g/cm3。

页岩密度在2.55∼2.65 g/cm3，有机质密度与干酪根类型有关（有机质密度与干酪根密度基本等同），一般I 型干酪根的密度在[1.2∼1.4）g/cm3，II 型干酪根的密度在[1.4∼1.6）g/cm3，III 型干酪根的密度在[1.6∼1.8）g/cm3[27]。

运用式（3），即可求出WOVP

式中：WOVP—页岩有机质体积含量，%；

ϕ—页岩孔隙度，%。

若已知WTOC，可根据式（4）计算出页岩有机质体积含量

式中：A—有机质与有机碳转换系数，需要根据干酪根类型及成岩作用进行判断；

WTOC—页岩有机碳含量，%；

ρb—页岩密度，g/cm3。

2.2 扫描电镜估算法

页岩样品经过氩离子抛光后，表面光滑平整，通过场发射扫描电镜背散射模式观察，不同矿物在图片中具有不同的亮度，常见矿物的亮度由大到小依次是黄铁矿、基质和有机质，其中，基质包括碳酸盐、硅酸盐及石英等[28 31]。在一张图片中亮度最低的则为有机质，在识别出有机质后，可由计算机计算出有机质面积占比[32]，完成页岩样品的多张扫描电镜照片有机质面积占比计算后（图1），取其平均值作为最终结果。

2.3 CT 扫描法

CT 扫描法[33] 的原理是利用CT 扫描岩芯整体，基于实验数据进行岩芯三维图像构建，包括微米CT和纳米CT。在纳米CT 中，通过有机质图像灰度值辨识岩石内部的有机质、其他矿物与孔隙，进而计算有机质体积含量；而在微米CT 中利用灰度值辨识岩石内部有机质，其他矿物与孔隙存在较大误差，因此，通过密度差进行辨识。

微米CT 方法包括以下步骤：1）选取一岩芯样品，研磨成粉，采用X 射线扫描样品，得到岩石矿物组成。2）分析岩石矿物的密度差异，确定有机质密度范围。3）对另一柱体样品进行微米CT 扫描，利用扫描数据进行三维重构，统计有机质的体积，进而计算出有机质的体积及体积含量。

对于不同地区的岩石，其所包含的有机质在成分、密度及类型上是有区别的，在对某个地区的岩石样品应用纳米CT 扫描法时，需先进行该样品有机质灰度值范围的标定；根据确定的有机质灰度值范围设定有机质的灰度阈值；再根据灰度阈值，确定每块岩芯样品中的有机质体积含量。具体地，可将岩芯样品的三维图像中灰度值位于所属灰度阈值之间的像素点的数量统计出来，将统计得到的像素点数量与岩芯样品的三维图像的像素点数量相除，得到有机质的体积含量。

2.4 低场核磁共振测量法

低场核磁共振测量法[34] 是指采用CPMG 脉冲序列（90° 脉冲后跟一系列180° 脉冲）对页岩样品进行低场核磁共振测量，获得样品CPMG 回波强度曲线，记录CPMG 首回波强度值E；采用固体回波脉冲序列对页岩样品进行低场核磁共振测量，获得样品固体回波强度曲线，记录固体回波首回波强度值B；对样品CPMG 回波强度曲线与样品固体回波强度曲线进行比对分析，根据式（5）获得比对后的样品差值C

C = B − E （5）

式中：C—差值，dBZ；

B—固体回波首回波强度，dBZ；

E—CPMG 首回波强度，dBZ。

由式（6）可获得样品回波强度数据R，根据样品回波强度数据，在页岩标样定标信息中查找，获得与样品回波强度数据对应的页岩样品的有机质体积含量。

R = C/B （6）

式中：R—回波强度，无因次。

2.5 岩石物理模型法

利用地震波在致密储层孔隙介质中传播时岩石组分的物性差异导致波速的不同，孙卫涛等[35] 提出了基于波速的有机质体积含量反演方法，该方法包括以下步骤：

1）确定岩石中掺杂物孔隙介质和背景相孔隙介质的物理参数。

2）确定背景相等效体积模量与掺杂物等效体积模量，根据式（7）计算岩石的体积模量

α—背景相体积比，无因次。

3）根据岩石物性参数，计算岩石纵波速度。

4）测量弹性波速度，建立纵波速度与弹性波速度的差异函数，最后根据岩石体积模量反演得到岩石中固态有机质含量。

该方法计算参数简单、测量步骤简便，具有很好的稳定性和适用性（表1）。

3 有机质体积含量的重要意义

1）强化了页岩气藏评价与开发中有机孔的重要性，丰富了页岩气储层评价参数体系。

有机质孔是页岩储层的重要孔隙类型[18]，Loucks 等[3] 发现Barnett 页岩的孔隙以纳米尺度为主，并且大多数纳米孔与有机质有关；陈尚斌等[36]发现四川盆地龙马溪组页岩中，孔径为2∼40 nm 的有机质孔占孔隙总体积的88.39%，占比表面积的98.85%。研究表明，有机孔是北美和中国南方海相页岩气的重要储集空间，是页岩气富集的关键要素之一[5 8]，可基于有机孔优选页岩气富集高产层段[37]。有机质孔在三维空间可以相互连通形成有效的孔隙网络，对油气储层的渗流能力具有重要影响[38]。

随着对页岩储层主控因素认识的全面深入，储层评价参数体系仍在不断丰富。有机质孔是页岩气富集与流通的重要孔隙，研究可知，当有机质成熟度在1.0%∼3.0% 时，OVP 反映了有机质孔发育的质量与分布情况，因此，OVP 可作为一项页岩储层评价参数，对油气勘探及开发起着重要作用。

2）搭建了页岩气层地质甜点与工程甜点指标间的桥梁，进一步强调了页岩气地质工程一体化理念。

非常规油气甜点包括地质甜点（烃源岩、储集层及裂缝）、工程甜点（压力系数、脆度、地应力特性及埋深）及经济甜点（资源规模和地面条件） [39]。潘仁芳等[40] 指出页岩气地质甜点构成包括生烃能力（有机质碳含量、页岩厚度、类型及有机质成熟度）和储集条件（孔隙度和裂缝）两个方面，工程甜点构成主要是指易开采性（脆性矿物含量）。

各甜点要素之间相互联系，有机碳含量及有机质成熟度与含气量具有很好的相关性[41]；有机碳含量对富有机质页岩总孔隙具有较强的控制作用[42]；页岩脆性矿物含量越高，裂缝越发育[43]；有机质含量和脆性矿物含量存在明显正相关性；有机质孔对裂缝的形成和演化存在一定诱导机制（图2，图3）；在岩石破坏过程中，裂缝传播路径倾向于向有机质面积或体积含量高的区域，裂缝网络随着OVP 的增加而变得多向且复杂（图4） [44]。

在地质上，OVP 与TOC 呈正相关，对页岩含气量具有重要影响，控制着有机孔的发育与分布，有机质与自生脆性矿物交互共生，OVP 更好地反映了有机质与自生脆性矿物的赋存形式；在工程上，有机质是页岩的弱结构点或弱结构面，OVP 控制着裂缝的连接、拓展和延伸，为“体积开发”奠定基础。因此，OVP 可作为地质甜点与工程甜点指标间的桥梁。

地质工程一体化理念是实现页岩气经济高效开发的重要指导思想，是实现复杂油气藏效益勘探开发的必由之路[45]，地质工程一体化理念是指以三维模型为核心，以地质储层综合研究为基础，优化钻井、压裂等工艺技术，实现勘探开发最大化效益[46]。OVP 对地质甜点评价与工程甜点评价具有不同意义，OVP 的提出更加说明了地质工程一体化理念对页岩气经济高效开发的重要性。

3）有助于明确页岩气层有机孔裂缝的配置关系，完善页岩气多尺度传输空间的储层评价方法。

页岩气在实际的开发过程中，页岩气的流动或传输会受到多种孔隙尺度的制约（图5） [47]，包括纳米级孔隙、微纳米级天然裂缝及毫米级主裂缝，其中，有机纳米孔是页岩气储集空间与重要渗流通道，裂缝则是页岩气从基质孔隙进入井眼的高效运移通道[48]，裂缝与有机孔隙相连组成孔隙裂缝网络体系在页岩气渗流中具有重要作用[49]。为了实现页岩气经济高效开发，就需要明确有机孔与不同尺度裂缝传输空间之间的配置关系。利用ImageJ 对页岩场发射扫描电镜照片进行分析处理，可以识别并统计裂缝数量和有机质面孔率。黄磊等[50] 在研究上扬子地区龙马溪组页岩时发现，有机质面孔率在7.36%∼18.55%，裂缝空间占比为3.79%∼13.16%。在改造过程中，有机质孔受外力挤压易出现应力集中现象，有利于裂缝的形成、扩展和延伸，且随着气藏开采的时间增加，不同尺度的孔隙在不同阶段其主导地位不一，了解有机孔裂缝的配置关系，对产能预测具有重要作用。

页岩气多尺度传输空间包括分子尺度、纳观尺度、微观尺度、介观尺度和宏观尺度[51]，一般讨论微观尺度到宏观尺度，多尺度传输空间决定了页岩气渗流方式的多尺度，不同尺度的渗流方式将直接影响页岩气的产出。发生在基质孔隙的非达西渗流有利于吸附气的解吸，而渗吸吸入作用不利于页岩气的开采[52]。前文述及储层评价内容包含8 个参数[2]，其中，有机质丰度、热成熟度、含气性、页岩厚度及储层物性是对页岩储层地质储量的评价，矿物组成、脆性和力学性质是对储层改造能力的评价，而多尺度传输空间可作为对储层可采储量的评价。基于ImageJ 对页岩场发射扫描电镜照片进行分析处理，可统计裂缝数量与有机质面孔率（图6），即可作为评价页岩多尺度传输空间的一种方法。

4）明确了富有机质页岩气层保护与改造对象，强化了页岩储层多尺度保护与改造并举理念。

与常规储层相比，页岩储层为特低孔渗、非均质性强的储层，常规水力压裂改造方式在页岩储层中见效甚微，研究表明[53 55]，形成裂缝网络、增大储层改造体积是页岩气高产的重要手段，吴奇等[56] 提出了体积改造技术概念，通过体积改造形成裂缝网络，缩短有效渗流距离，实现页岩气的有效开发。储层岩性具有脆性特征、储层发育良好天然裂缝是实施体积改造的重要条件。

有机质与自生脆性矿物交互共生[57]，且在改造过程中，裂缝发展更倾向于沿着有机质为代表的薄弱面[14]，袁余洋等[44] 在探究有机质与脆性矿物控缝机制中发现，在页岩内部，有机质和脆性矿物对错综复杂的微裂缝网络的形成和演化具有极为关键的作用（图7）。且有机质密度低，一般造岩矿物密度至少是有机质密度的3 倍，页岩有机质发育大量纳米孔，如果将有机质作为溶蚀改造对象，少量有机质溶蚀将极大增加储层改造体积。

因此，在对页岩储层进行体积改造时，应选取OVP 高的区域，能够增大体积改造效果，但同时，在体积改造过程中，大量压裂液滞留在裂缝中难以返排，严重制约了气井产能[58 59]，游利军等[60] 分析认为，固相堵塞、水相圈闭、微粒运移及盐结晶是压裂液返排过程中的主要损害方式。

综上所述，高OVP 有利于页岩体积改造形成复杂裂缝网络，从而缩短页岩气有效渗流距离，实现页岩气高效开发。同时，高OVP 区域脆性矿物含量较高，在有效应力作用下，矿物破裂易发生颗粒运移及固相堵塞，造成渗透率下降[61]；页岩有机质中普遍发育纳米级中、微孔，而微孔中含有较多易被压缩的片状孔隙，使得储层体现出强应力敏感性[62]，因此，在实际开发过程中，应注意高OVP 储层的保护。

5）助推油气储层孔缝溶扩减量增渗新思路的提出，为低渗油藏增产增注和提高采收率一体化提供思路。

Jarvie 等[63] 对低成熟富有机质的Barnett 页岩样品进行有机质热裂解模拟，发现热成熟度由0.55% 增加到1.40%，岩样可产生4.9% 的体积孔隙度。游利军等[64 65] 基于页岩沉积于还原环境，普遍发育有机质和黄铁矿等具有还原性的矿物组分的特点，提出通过氧化作用溶蚀有机质、黄铁矿及部分碳酸盐矿物，产生溶蚀孔缝，在页岩储层改造过程中，应用氧化溶蚀协同水力压裂增产改造技术，可极大地提高页岩气藏采收率。以龙马溪组页岩为例，研究表明，龙马溪组页岩的有机碳含量一般在0.51%∼4.88%，根据式（4）可知，有机质体积含量约为有机碳含量的2.23 倍，与Jarvie 等[63] 认为的有机质体积分数一般是质量分数的两倍相近。Chen等[66] 研究发现，龙马溪黑色页岩有机质氧化去除率高达87.5%，即通过氧化页岩有机质，释放有机质体积在页岩储层中的空间占比，将增加1.0%∼9.5% 的孔隙度，可极大地提高页岩气藏的采收率。

随着技术的进步及勘探开发的不断深入，低渗透油藏逐渐成为新探明储量的重要组成部分。低渗透油藏具有物性差、非均质性强、孔喉细小、连通性差、黏土矿物含量高及含油饱和度低等特点[67 68]，在部分低渗透油藏孔隙中存在沥青质沉积，沥青质的沉积对孔隙度、渗透率和润湿性均有一定影响，基于孔缝溶扩——减量增渗的思路，通过加入有机溶剂或氧化剂，去除沥青质，从而释放孔隙空间，提高渗透率。低渗透油藏在注水开发过程中常表现出注水压力高，即注入水进入孔隙困难[69]，沥青质的去除会使得岩石孔隙润湿性由油湿逐渐转变为中性润湿甚至水湿，对油藏注水开发具有积极意义，能够极大地提高驱油效率。

4 结论

1）页岩有机质体积含量的概念为单位体积页岩中有机质的体积，用百分数表示，其中，有机质是指页岩中的干酪根、固体沥青、焦沥青以及其他非烃组分。

2）页岩有机质体积含量与页岩有机质含量呈正相关，储层裂缝发展更倾向于沿着有机质为代表的薄弱面，且页岩有机质密度低，内部发育大量纳米孔，将有机质作为溶蚀改造对象，将极大增加储层改造体积。

3）页岩有机质体积含量强调了页岩气层评价与开发中有机质孔的重要性，丰富了页岩气储层评价参数体系，可作为生烃能力评价指标，为地质甜点与工程甜点指标搭建了桥梁。

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作者简介

游利军，1976 年生，男，汉族，河南洛阳人，教授，博士研究生导师，主要从事储层保护理论与技术、非常规油气、岩石物理方面的教学和科研工作。E-mail：youlj0379@126.com

范道全，1998 年生，男，汉族，重庆云阳人，硕士研究生，主要从事页岩氧化、储层保护理论与技术方向的研究工作。E-mail：1390221722@qq.com

康毅力，1964 年生，男，汉族，天津蓟州区人，教授，博士研究生导师，主要从事储层保护理论与技术、非常规天然气和油气田开发地质方向科研与教学。E-mail：cwctkyl@163.com

周洋，1995 年生，男，汉族，重庆万州人，博士研究生，主要从事储层保护、非常规油气、岩石物理等方面的研究。E-mail：zhouy2020@126.com

陈杨，1996 年生，男，汉族，四川乐山人，博士研究生，主要从事储层保护理论与技术、非常规油气等方面的研究。E-mail：cyswpu@126.com

编辑：张云云

基金项目：国家自然科学基金（51674209）；非常规油气层保护四川省青年科技创新研究团队项目（2021JDTD0017）