上扬子地区下寒武统页岩有机质孔隙类型及发育特征

刘忠宝,边瑞康,高波,王鹏威,王濡岳,金治光,杜伟

1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京100083；2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京100083；3.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京102249

0 引言

中国南方早寒武世沉积了一套黑色页岩，是除志留系以外，另一套非常重要的优质海相烃源岩层系[1]。尽管其页岩形成时代老、热演化程度高(Ro以3.0%～4.0%为主)、多期构造活动强烈，但由于其具有有机质丰度高、有机质类型好(I型干酪根)、厚度大和分布面积广等良好条件，一直被作为页岩气勘探的重要接替层系[2-4]。近年来，国土资源部、中国石化、中国石油及地方单位陆续

开展过一些研究及页岩气井钻探工作，虽然整体勘探效果并不理想，但在川西南地区W201井与JY1井，黔南地区HY1井、黔东南TX1井及宜昌地区YY1井等几个地区仍获得一些页岩气流发现(图1)，其中W201井、JY1井和YY1井压裂测试日产量均超过万m3，反映出南方寒武系仍具有一定的页岩气勘探潜力，但页岩气地质条件复杂，不同地区差异大，勘探研究极具挑战性。

图1 研究区平面位置图Fig.1 Sketch map of study area

随着国内外页岩气勘探开发的不断深入，已认识到寻找优质储层发育段及发育区是页岩气勘探研究中的核心问题，页岩储层孔隙与砂岩、碳酸盐岩储层孔隙相比，除了孔径极小(微米级-纳米级)外，最特殊之处在于其有机质内部气孔(有机质孔隙)的发育[5-8]。北美地区Fort Worth盆地石炭系Barnett页岩、Appalachian盆地泥盆系Marcellus页岩、得克萨斯州东部侏罗系Haynesville页岩[9-10]及中国四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩[7，11]的研究普遍认为有机质孔隙是最为重要的页岩气储集空间，页岩中有机质孔隙的良好发育是页岩气富集的关键因素[12-13]。对于南方寒武系页岩储层的研究及认识，最初由于岩芯样品少，多来自于对于野外露头页岩样品的物性测试分析，平均孔隙度为3.87%～8.29%[14-15]，与美国主要产气页岩储层的平均孔隙度4.22%～6.51%[16]及焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩平均孔隙度4.52%[17]相比储集性能并不差。近年来，随着新钻井页岩岩芯样品的获取及分析发现，寒武系页岩岩芯孔隙度整体较低，多<2%，前期的露头样品之所以孔隙度值高，主要是由于其受到了后期风化及溶蚀改造作用影响，氩离子抛光-扫描电镜下普遍发育大量微米级无机矿物质孔隙(图2)。而对于造成寒武系页岩孔隙度整体相对较低的原因研究较少，仅有的已发表的文献认为：①热成熟度高，有机质碳化加重，有机质孔隙不发育，液态烃裂解近衰竭，孔隙内压力降低，有机质孔隙出现塌陷，并经压实消失；②成岩作用强，晶间孔减少[18-19]。但笔者的研究发现，寒武系绝大多数页岩中还是发育有机质孔隙的，而且不同地区页岩中孔隙发育特征有差异[20-21]。目前页岩气勘探生产研究多认为储集能力差、有机质成熟度过高及保存条件差是制约中国南方大部分地区寒武系页岩含气性差或产气量低的主要因素，但川西南地区JY1井下寒武统筇竹寺组上部、宜昌地区YY1井下寒武统水井沱组仍发育有相对高孔隙度页岩层段，且压裂试采均已获得工业页岩气流，因此寒武系仍具备一定的页岩气勘探潜力，值得不断的探索。页岩中有机质孔隙的表征及其发育特点的研究，对于查明页岩气富集机理至关重要。因此，本文以上扬子地区典型钻井岩芯观察为基础，基于室内岩芯样品的岩矿、有机地化及储层孔隙表征方面的测试分析，对页岩中有机质及有机质孔隙(包括孔隙类型、大小、形态和多少等)的发育特点进行深入分析，以期对寒武系的页岩气勘探有一些启示。

(a)微米级矿物颗粒溶蚀孔隙，永和剖面牛蹄塘组；(b)微米级无机矿物质孔隙较发育，有机质分散均匀，开阳剖面牛蹄塘组。图2 野外露头页岩样品无机矿物质孔隙发育特征Fig.2 Development characteristics of inorganic mineral pores in outcrop shale samples

1 页岩的基本地质特征

1.1 地层特征简述

上扬子地区下寒武统岩石地层分区多，页岩层系地层名称复杂多样。本文涉及的主要地层分区及各组之间对应关系详见表1，富有机质页岩主要发育于筇竹寺期的筇竹寺组、牛蹄塘组、九门冲组及水井沱组。其中川西南地区筇竹寺组富有机质页岩纵向分布以多套、薄层为特点，而其他地区均以大套连续厚层分布为主。

表1 上扬子地区下寒武统地层分区及划分对比表[22]

1.2 页岩矿物组成及岩相类型

页岩岩芯观察、全岩矿物X-衍射及岩石薄片鉴定结果表明，不同地区下寒武统页岩矿物组成特征存在一定差异(表2)，表现为川西南地区筇竹寺组页岩矿物组成以黏土矿物、石英(陆源)为主，其次为长石，含少量碳酸盐岩矿物及黄铁矿，其中黏土含量35%～55%，平均值43.8%；石英含量24%～40%，平均值32.8%。页岩岩石类型主要以黑色碳质页岩(图3a)和深灰色纹层状粉砂质页岩为主。黔南地区九门冲组页岩矿物以石英(生物及自生成因)、黏土为主，含少量长石及黄铁矿。其中石英含量32%～59%，平均值43.4%；

表2 页岩全岩矿物组成与有机碳含量数据表

注：J1为川西南地区样品、H1为黔南地区样品、C1为彭水地区样品。

黏土含量16%～40%，平均值33.4%。页岩岩石类型主要以碳质硅质页岩为主(图3b)。而彭水地区水井沱组上部页岩矿物组成以黏土矿物、碳酸盐岩矿物为主，其次为石英及黄铁矿。显微镜下可见粉砂碎屑颗粒与粉-泥晶碳酸盐晶粒相混富集呈斑块状、拉长状分布，页岩岩相类型主要以黑色碳质灰质页岩为主(图3c)。石牌组中部页岩矿物组成以黏土矿物、陆源石英为主，其次为长石，其中黏土含量33%～50%，平均值41%，石英含量35%～57%，平均值43%，显微镜下粉砂碎屑分布不均，页岩岩石类型主要以深灰色粉砂质页岩为主(图3d)。

1.3 页岩有机地球化学特征

页岩有机碳含量、有机质类型及有机质成熟度是反映页岩生烃潜力的3个重要的有机地球化学指标，也是控制页岩能否发育有机质孔隙及有机质孔隙大小、多少的必要条件[23]。川西南地区筇竹寺组页岩有机碳(TOC)含量介于0.6%～2.31%之间，平均值为1.17%(表2)；岩芯实测等效镜质体反射率(Ro)主要分布在2.7%～3.1%，平均为2.9%；干酪根碳同位素(δ13C)值介于-28×10-3～-33×10-3之间。有机岩石学鉴定结果显示，有机质以固体沥青、藻类体为主，其次为矿物沥青基质，固体沥青主要分布于裂缝或粒间孔隙，藻类体降解呈微粒化分布(图4a)。黔南地区九门冲组页岩有机碳(TOC)含量介于4.86×10-3～6.75×10-3，平均值为5.84%(表2)，Ro分布范围为2.9%～3.4%，干酪根碳同位素值均<-29×10-3，有机质仍以固体沥青、藻类体为主，但固体沥青含量较川西南地区高(图4b)。彭水地区水井沱组页岩有机碳含量介于3.1%～6.3%，平均为4.6%，除石牌组页岩局部有机碳含量可达0.5%外，整体普遍较低。页岩Ro值分布范围为3.5%～4.0%，有机质以固体沥青、藻类体为主，油浸反射光下呈灰色-灰白色，不发荧光。综上所述下寒武统页岩有机质类型为Ⅰ型，有机显微组分主要为固体沥青、藻类体，局部地区发育矿物沥青基质，低等浮游生物是有机质的重要母质来源。

2 页岩有机质孔隙类型及特征

下寒武统富有机质页岩孔隙类型的研究表明，整体上有机质孔隙与各类无机矿物质孔(粒间孔、黏土矿物层间孔、粒内孔和钠长石蚀变缝型孔)均有发育[19-21,24-25]，但不同地区孔隙类型存在一定差异性。川西南富有机质页岩孔隙以粒间孔、黏土矿物层间孔为主，形态多呈三角形、多边形及狭缝形，其次为有机黏土复合体内有机质孔隙，形态多呈不规则形，而黔南及黔东南地区富有机质页岩以有机质孔隙为主，无机矿物质孔基本不发育[21]。本次研究在川西南、黔南地区研究的基础上，结合对川东彭水地区下寒武统页岩(水井沱组、石牌组)的岩矿、有机地化及氩离子抛光-扫描电镜研究，重点从有机质组分类型及其在页岩中赋存方式的角度，识别划分出3种有机质孔隙类型：即固体沥青内有机质孔隙、有机质-无机矿物复合体内有机质孔隙及莓状黄铁矿集合体内有机质孔隙，绝大多数固体沥青内有机质微孔隙(孔径<30 nm)的普遍发育及个别大孔径(50～300 nm)有机质孔隙的发现，揭示寒武系页岩曾经大量发育大孔径有机质孔隙，后期构造裂缝导致的天然气的散失是有机质孔隙坍塌萎缩变小的主要原因；有机质-黏土复合体、莓状黄铁矿集合体能够形成稳定的抗压结构，有利于有机质及其内部孔隙的保存，是寒武系页岩有机质孔隙赋存的重要形式。

2.1 固体沥青内有机质孔隙

页岩有机岩石学、镜质体反射率测定和氩离子抛光-扫描电镜鉴定综合分析表明，下寒武统页岩中有机质组分主要为固体沥青，即后油沥青，从形貌特征上来看，没有固定形态，多呈块状、零散分布[26]，其大量赋存于成油期前形成的无机矿物颗粒(主要为石英，其次为长石和黏土等)粒间孔隙中。绝大多数固体沥青内部发育大量纳米级有机质孔隙，孔径多<30 nm，形态多呈不规则状、针孔状及短狭缝形(图5)。但局部个别样品中仍发现同一固体沥青内部孔径为50～300 nm的有机质孔隙与孔径<30 nm的有机质孔隙均有发育的现象，且大孔径的有机质孔隙形态呈近椭圆形(图6)，反映出下寒武统页岩曾经形成过大孔径有机质孔隙，有机质成熟度过高未必是导致其孔径小的致命因素，页岩中一些不发育有机质孔隙的固体沥青的发育特点提供了重要的启示，上扬子地区寒武系富有机质页岩有机质类型均为Ⅰ型，目前来看，这些不发育孔隙的有机质在形态、有机质组分类型上与发育孔隙的有机质并无明显差异，但其有机质边缘或者内部普遍发育一些几十nm至几百nm的微裂缝(图7a、b)，推测这些微小的裂缝在漫长的时间内足以造成单个固体沥青内天然气的散失，导致早期形成的有机质孔隙萎缩坍塌变小，直至消失，而从HY1、CS1和TX1等井的实际钻探情况来看，岩芯上高角度裂缝、滑脱面较发育(图7c-e)，对于整个页岩层段内天然气的散失破坏必将更为强烈。黔北岑巩区块页岩气的保存条件的研究显示：TX1井位于构造稳定部位，距断裂较远，现场解析含气量1.1～2.8 m3/t，含气性较好。CY1井位于断裂附近，现场解析含气量0.3～1.8 m3/t，TM1井位于走滑断裂带，高角度断层、裂缝非常发育，现场解析含气量仅为0.1～0.4 m3/t[27]，因此，过高成熟度对页岩有机质孔隙的发育及页岩气的富集会有影响，但导致四川盆地之外大部分地区下寒武统富有机质页岩有机质孔隙孔径极小，孔隙度低，含气性差的更为重要因素应是保存条件导致的气体大量散失。

(a)碳质页岩，JY1井，筇竹寺组，单偏光；(b)碳质硅质页岩，HY1井，九门冲组，单偏光;(c) 碳质灰质页岩，CS1井，水井沱组，单偏光; (d) 粉砂质页岩，CS1井，石牌组，单偏光。图3 下寒武统主要页岩岩石类型及特征Fig.3 Primary lithology types and characteristics of Lower Cambrian shale

(a)固体沥青和藻类体为主，藻类体降解呈微粒化分布，黄铁矿含量较高，JY1井，筇竹寺组；(b)固体沥青、藻类体为主，固体沥青主要分布 于裂缝或粒间孔隙，HY1井，九门冲组。图4 页岩有机显微组分特征Fig.4 Characteristics of organic maceral composition of shale

(a)与(c)为固体沥青赋存于石英颗粒间，局部含少量黏土，HY1井，九门冲组；(b)与(d)分别为(a)、(c)中红色线框放大， 固体沥青内发育纳米级孔隙。图5 多数固体沥青内有机质孔隙发育特征Fig.5 Development characteristics of organic matter pores in most solid bitumen

(a) 碳质硅质页岩，HY1井，九门冲组; (b)为(a)中红色线框放大，固体沥青内有机质孔发育，孔径几纳米至300 nm均有，大孔以椭圆形为主; (c)碳质页岩，JY1井，筇竹寺组；(d)为(c)中红色线框放大，固体沥青内有机质孔发育，孔径几十纳米至400 nm均有，整体孔径较(b)图略大。图6 少量单个固体沥青内大孔径有机质孔隙发育特征Fig.6 Development characteristics of large-diameter organic matter pores in single solid bitumen

2.2 有机质-无机矿物复合体内有机质孔隙

大量氩离子抛光-扫描电镜鉴定分析显示，页岩中见较多的无定型有机质与无机矿物混合共存，形成了有机质-无机矿物复合体，其中以有机黏土复合体最为普遍[28]。川西南地区筇竹寺组页岩扫描电镜下有机黏土复合体主要表现为板条状伊利石矿物与有机质伴生发育，黏土矿物多呈无明显定向性排列，有机质内部纳米级孔隙较发育，以不规则形为主，孔径多为几纳米至50 nm为主，最大可达300 nm(图8a、b)。彭水地区水井沱组及黔南地区九门冲组也见少量有机黏土复合体，但其有机质内孔隙发育程度不如川西南地区。而彭水地区石牌组页岩中有机黏土复合体主要表现为针叶状绿泥石矿物与有机质均匀混合共生，绿泥石杂乱堆积，在有机质内部及有机质与绿泥石间发育大量不规则形、三角形及长条形孔隙(图8c、d)。此外，下寒武统个别页岩样品中还见少量有机质-磷灰石、有机质-金红石复合体，其有机质内部有大量纳米级孔隙发育(图8e、f)。有机质-无机矿物复合体作为页岩中有机质存在的一种重要形式，尤其是有机质-黏土矿物形成的复合体，其一方面可以吸附聚集有机质，为有机质富集提供条件[29]，另一方面有机质与黏土矿物的结合，增强了有机质的热稳定性[30]，加之黏土矿物的杂乱堆积可以形成抗压实结构，因此，对于寒武系页岩而言，有机质-黏土复合体的良好发育有利于其内部有机质孔隙的保存，但有机质-黏土复合体成因机制及分布仍有待深入探索，这可能是寻找寒武系有效富气储层的重要方向。

(a)有机质边缘微裂缝发育，固体沥青内未见有机质孔隙，HY1井，九门冲组；(b)有机质边缘微裂缝发育，固体沥青内未见有机质孔隙，CS1井，水井沱组；(c) 滑脱面，HY1井，九门冲组; (d)高角度裂缝，方解石全充填，CS1井，水井沱组；(e) 高角度裂缝，缝面见方解石，HY1井，九门冲组。图7 页岩中不同尺度裂缝发育特征Fig.7 Development characteristics of multiple-scale fractures in shale

(a)有机质-板条状伊利石矿物复合体，不规则形状有机质孔隙发育，JY1井，筇竹寺组；(b)有机质-板条状伊利石矿物复合体，有机质孔隙大小不一，孔径最大可达300 nm，JY1井，筇竹寺组；(c) 有机质-针叶状绿泥石矿物复合体，CS1井，石牌组； (d)为(c)图红色线框放大，有机质与绿泥石均匀混合，纳米级孔隙发育；(e)有机质-磷灰石复合体，有机质孔隙发育，JY1井，筇竹寺组；(f) 有机质-金红石复合体，针孔状有机质孔隙，HY1井，九门冲组。图8 页岩中有机质--无机矿物复合体及其内部孔隙特征Fig.8 Characteristics of organic matter-inorganic mineral complex in shale and related pore growth

2.3 莓状黄铁矿集合体内有机质孔隙

莓状黄铁矿集合体在海相富有机质页岩中发育比较普遍。研究区氩离子抛光-扫描电镜观察分析表明，页岩中莓状黄铁矿集合体较发育，多呈圆球形，少数呈椭球形，直径以2～6 μm为主，由大量纳米级、形态和大小基本相同的黄铁矿微晶聚合形成，但不同地区黄铁矿微晶之间闭合程度存在一定差异，黔南、彭水地区闭合程度较川西南地区高，表明成岩演化过程中压实作用强弱存在差异，闭合程度高，压实强烈。黄铁矿微晶间残余的晶间孔隙多被暗色有机质全充填，且有机质内部纳米级孔隙普遍较为发育(图9)，反映出页岩中莓状黄铁矿集合体的发育，对于有机质及其内部孔隙的赋存也具有重要的支撑保护作用。

3 结论

(1)按有机质组分类型及其在页岩中的赋存方式，上扬子地区下寒武统页岩中主要发育3种有机质孔隙类型：固体沥青内有机质孔隙、有机质-无机矿物复合体内有机质孔隙及莓状黄铁矿集合体内有机质孔隙。

(2)尽管下寒武统页岩已进入过成熟阶段(Ro以3.0%～4.0%为主)，但绝大多数页岩中固体沥青内有机质孔隙仍普遍发育，只是孔径小(<30 nm为主)，个别样品中少量椭圆形、大孔径(>100 nm)有机质孔隙的发现，反映出下寒武统页岩经历了天然气大量散失导致有机质孔隙坍塌萎缩变小的孔隙演化过程，说明保存条件比热演化程度对有机质孔隙的保存影响更大，而有机黏土复合体和莓状黄铁矿集合体形成的稳定抗压结构，有利于其内部有机质孔隙及页岩气的良好保存。

致谢中国石化华东分公司与中国石化西南分公司领导及同事给予了资料支持，审稿专家及编辑老师提出了宝贵修改意见，在此一并表示感谢！