遼河坳陷沙三、沙四段泥頁巖微觀孔隙特征及其成藏意義

楊 超，張金川，李婉君，荊鐵亞，孫 睿，王中鵬，何 偉，盧亞亞

(1.中國地質大學 能源學院，北京 100083; 2.中國地質大學 海相儲層演化與油氣富集規律教育部重點實驗室，北京 100083)

近年來，北美地區頁巖氣的蓬勃發展帶動了世界頁巖氣勘探開發熱潮，以遼河坳陷為代表的中國北方大面積的陸相及海陸過渡相盆地，泥頁巖廣泛發育，有機質豐度較高，具備頁巖油氣生成的物質基礎及地化條件。目前遼河坳陷的頁巖油氣資源調查評價已日漸深入，勘探技術手段也日益成熟，但是在一些地質理論方面還是存在著許多認知障礙，缺乏必要的實驗和理論支撐，其中重要的一點就是低熟油頁巖的生烴機理及納米級微觀孔隙的研究。相對常規砂巖及碳酸鹽儲層，泥頁巖具有特低孔、特低滲的特點，極強的非均質性導致其微觀孔隙結構及網絡更加復雜多樣，而常規手段在頁巖孔隙研究方面適用性不強。近年來，由北美率先使用的氬離子拋光-掃描電鏡技術(FIB-SEM)在泥頁巖微觀孔隙的研究中日益發揮重要作用[1-4]，其使得頁巖納米級孔隙結構得到可視化，在很大程度上彌補了壓汞法和吸脫附法在定性研究頁巖儲層孔隙結構及孔徑分布方面的不足。北美主要產氣頁巖中大量納米級孔隙特別是有機孔的發現對頁巖氣賦存狀態及生烴機理具有明顯的控制和揭示作用。

本文的目的在于通過借助FIB-SEM、吸脫附實驗，在調研國內外典型頁巖儲層孔隙類型及孔徑分布的基礎上，對遼河坳陷次級凹陷低熟泥頁巖儲層孔隙類型進行分類，并結合北美和中國海相典型頁巖儲層孔隙特征，對比分析微觀孔隙發育的主控因素、對頁巖氣賦存和滲透的影響以及其背后的成藏意義。

1 研究區概況

遼河坳陷位于渤海灣盆地的東北角，是在近東西向古生代向斜背景上發育起來的中新生代疊合盆地[5]，從古到今共發育了古生界、中生界和新生界古近系3套泥頁巖層系。中生代晚期至新近紀晚期，遼河坳陷經歷“拱張、裂陷和坳陷”演化階段，此段時期的斷裂活動將坳陷分為3個次級凹陷(西部、東部、大民屯)和3個次級凸起(西部、中央和東部凸起)(圖1)。其中，古生界、中生界頁巖主要分布在遼河坳陷東部凸起地區，以富集頁巖氣為特點，而在西部、東部和大民屯三大凹陷內則不發育或分布很局限。新生界古近系泥頁巖在上述三大凹陷內分布廣、厚度大，但以低熟泥頁巖或油頁巖為主，本文的研究重點是古近系沙河街組沙三段、沙四段泥頁巖。沙三段、沙四段泥頁巖主要為深湖、半深湖相泥頁巖沉積，并且發育有多套具相當厚度的油頁巖。實驗統計，沙三段、沙四段泥頁巖有機質類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主，Ⅲ型少見，顯微組分以無定形體為主，含少量藻類體和鏡質體；有機碳含量相對較高，平均在2%以上；雖然埋藏較深(2 500～3 500 m),但由于沉積時代晚，現今泥頁巖仍普遍處于未熟-低熟油階段，實驗統計鏡質體反射率Ro為0.25%～0.70%,(平均0.46%)，區內探明的天然氣主要為生物熱催化過渡帶氣和低溫熱解氣；礦物組成上以粘土礦物和石英、長石等硅質礦物為主，平均含量分別為48%和35%，且粘土礦物中尤以伊蒙混層占絕對比例，達到70%，為中成巖B期；實驗測試孔隙度為3%～8%；油頁巖含油率平均為4 mg/g，最高可達19 mg/g；鉆井巖心發現沙三段、沙四段泥頁巖地層裂縫較為發育，多口井的巖心觀察過程中均發現了大量構造縫，主要為順層裂縫以及構造應力產生的構造縫。

2 樣品和實驗方法

選取了遼河坳陷不同次級凹陷的具有代表性的5口井的鉆井巖心，共計5塊樣品(圖1；表1)，進行了氬離子拋光掃描電鏡實驗和氦氣吸脫附實驗以及配套的有機地化和儲層巖礦等相關實驗。

本次氬離子拋光-掃描電鏡實驗采用的儀器是FEI Quanta200F 場發射掃描電鏡，分辨率達到1.2 nm，放大倍數25～20萬倍。實驗制樣步驟與普通掃描電鏡的制樣步驟基本相似，只是在預處理樣品時要使用氬離子束轟擊頁巖表面進行精細拋光。實驗時的工作距離以8～10 mm，電壓以5～10 kV為宜。FIB-SEM相較普通掃描電鏡的三維立體成像而言，其二維平面圖像雖然在礦物組分形態的表現上稍顯不足，但對于納米級微觀孔隙的觀察卻有著極大的優勢。FIB-SEM為利用原子序數襯度成像，黃鐵礦因鐵元素的存在在電鏡下呈現相對最白色，有機質則因碳元素的低原子序數而呈現最暗色。另外，鏡下也可以借助能譜分析(EDS)測定礦物元素組成及含量，進而確定礦物類型。

圖1 遼河坳陷構造分區及樣品分布Fig.1 Structure units of Liaohe depressionand sample point distribution

井號井深/m層位巖性TOC/%Ro/%構造位置曙古1652 733.5Es3(1)深灰色泥巖2.850.68西部凹陷雷372 816.8Es4(2)油頁巖4.000.34西部凹陷牛233 373.1Es3(2)褐灰色泥巖5.000.63東部凹陷于1023 210.4Es3(2)深灰色泥巖2.100.40東部凹陷沈1663 005.3Es4(2)油頁巖5.700.27大民屯凹陷

為了驗證FIB-SEM鏡下觀察到的現象和表征頁巖微觀孔隙結構，特對樣品做了比表面測試。目前，針對泥頁巖比表面實驗用的載氣主要有3種(N2，He和CO2)。本實驗采用氦氣吸脫附，儀器為美國康塔公司Quadrasorb SI全自動比表面分析儀，原理為等溫吸附的靜態容積法，可以實現對孔隙結構參數(比表面、孔容以及孔徑大小和分布)的定量測試。

3 孔隙表征

3.1 孔隙類型(FIB-SEM)

借助氬離子拋光-掃描電鏡實驗對遼河坳陷次級凹陷沙三段、沙四段泥頁巖樣品進行了系列研究。根據孔隙發育介質條件和成因特征對孔隙作如下分類(表2)。

3.1.1 無機孔特征

1) 粒間孔

粒間孔多為原生孔隙，主要是礦物成巖壓實膠結后的剩余空間。受礦物顆粒形態、接觸關系以及排列方式的影響，粒間孔排列無規律，散布于基質中，在軟硬礦物顆粒接觸孔隙多呈角形(圖2a,b)，在層狀粘土礦物間多呈線型。雖然經歷后期埋藏壓實作用，但鏡下發現粒間孔徑仍多在100 nm以上。

表2 頁巖孔隙分類特征Table 2 Characteristics of shale pores

2) 粒內孔

粘土礦物層間粒內孔是本次實驗中最為廣泛發育的孔隙類型(圖2c—e)，而其他礦物中較少見(圖2f)。粒內孔的產生與蒙脫石的成巖轉化過程(隨沉積埋藏轉變為伊蒙混層或伊利石)有關。

3) 晶間孔

晶間孔多為晶體生長過程中的不緊密堆積所形成，鏡下發現石英、長石以及微球粒狀黃鐵礦晶簇內存在少量晶間孔縫(圖2g)，孔徑一般在幾納米至幾十納米。這種孔隙邊緣平整，相互之間具有一定的連通性，與北美海相頁巖具有可比性。

4) 溶蝕孔

深埋藏下化學不穩定礦物如石英、長石、碳酸鹽、粘土礦物等會形成溶蝕孔(圖2h,i)，特別是粘土礦物溶蝕孔的發育很普遍。溶蝕孔的發育多與有機質生烴過程有關，烴源巖中可溶有機質在熱演化過程中生成的有機酸可以通過提供H+和絡合金屬元素來提高礦物的溶解度、影響礦物的穩定性，進而導致礦物發生溶蝕[6]。這不僅改善了泥頁巖的孔隙狀況，同時也改造了烴源巖的比表面。此過程大約發生在80～120 ℃[7],對應沙三段、沙四段頁巖地層溫度區間，因此理論和觀察都表明，溶蝕孔發育較普遍。

3.1.2 有機孔特征

研究表明有機質部分以游離態形式存在，部分吸附于粘土礦物的外表面，部分進入到粘土礦物的層間域，因而形成了烴源巖顆粒態、表面吸附態和粘土礦物層間結合態等有機質的不同賦存形式[6]。與游離態有機質相比，粘附態有機質在氬離子拋光電鏡下的表現特征為其賦存形態取決于被粘附的礦物，且顏色較游離態有機質淺。如果粘附于粘土礦物，則一般表現為與粘土礦物之間呈暈狀接觸，沒有清晰的界線，且有機質顏色較淺；如果粘附于石英、長石等脆性礦物，則受脆性礦物格架控制，表現為脆性礦物形態且顏色較淺。鏡下發現，沙三段、沙四段有機質主要以與粘土礦物呈粘附-結合態的形式存在，有機質的能譜分析(C，O，Si，Al，Ca，Mg，K，Fe)也表明有機質多為粘附-結合態(圖3f)，且其中常發育有機孔，這種有機孔多呈凹坑狀、分散型、孔深較淺，孔徑變化范圍較大，主要在5～150 nm，即多屬中、宏孔(圖3a—d)，局部孔徑較大且邊緣有油氣侵染跡象的地方(圖3a,d)表現出一定的溶蝕效應，可能是生排烴后留下的孔，與北美典型產油氣頁巖具有可比性(圖3e)。

圖2 無機孔賦存特征Fig.2 Occurrence characteristics of inorganic poresa.于102井；b.雷37井；c.曙古165井；d.牛23井；e,f,g.曙古165井；h.沈166井；i.牛23井

圖3 有機孔賦存特征Fig.3 Occurrence characteristics of organic poresa,b.雷37井；c，d.牛23井；e.皮爾索爾地層，Ro=0.78%；f. b處能譜

3.1.3 微裂縫特征

本次實驗中微裂縫大量發育，微裂縫多呈明顯的鋸齒狀彎曲,并且延伸性較好，長度多在2 μm，寬度在20～700 nm。根據裂縫延伸程度可分為小型晶內微裂縫(圖4a)和大型貫通式微裂縫(圖4b)。微裂縫常表現為粘土礦物裂開縫(圖4c，d)、脆性礦物裂開縫(圖2a，c,圖4a)或粘土礦物與脆性礦物接觸縫(圖4e)。另外在有機質中也較常見(圖4c)，這在一定程度上也反映了宏觀上裂縫多發育在高脆性礦物含量及高有機質豐度的頁巖段。研究表明，宏觀尺度裂縫的形成主要與巖石脆性、地層孔隙壓力、差異水平壓力、斷裂和褶皺等因素相關，而微觀尺度張力測試的模擬則在一定程度上反映了微裂縫受制于礦物的結晶作用以及有機質的生烴作用[8]。

3.2 孔隙結構(吸脫附實驗)

鑒于場發射掃描電鏡觀察范圍太小，致使結果可能存在一定的局限性，而吸脫附實驗則能從宏觀上對頁巖的微觀孔隙結構進行定性反映和定量表征。這里需要明確的是：①吸附是由孔壁的多分子層吸附和在孔中凝聚兩種因素產生，而脫附僅由毛細管凝聚所引起。②吸附時首先發生多分子層吸附，只有當孔壁上的吸附層達到足夠厚度時才能發生凝聚

現象。③脫附回線的產生要求孔隙呈開放狀態。④脫附回線的滯后現象是多孔介質的普遍特性，實際就是相同p/p0下吸附的不可逆性造成的。⑤借鑒微觀材料學的研究成果，根據吸脫附曲線形態可以識別吸附類型，根據回線中段分離曲線坡度及形狀可以劃分孔隙形態[9]。

首先，5塊樣品的吸脫附曲線形態(圖5a)不屬于Brunauer[10]劃分的任一類型，而是呈現出多種吸附類型的混合形式，即起始段形態反映為粘土礦物和有機質的單層或多層吸附，而分離的中段表明存在毛細凝聚現象，暗示中孔及大孔的存在，吸附微弱，計算的BJH孔徑分布(圖5b)也證實了這一點。其次，脫附回線的滯后現象表明孔隙呈開放狀態，表明孔隙之間具有一定連通性。再者，根據吸脫附曲線分離段的坡度近平行這一特征，推斷樣品孔隙主要以尖劈或平行板狀形式存在。結合沙三段、沙四段泥頁巖礦物組成可知沙三段、沙四段泥頁巖主要以粘土礦物的層間粒內孔為主，這與FIB-SEM鏡下觀察到的現象一致。

圖4 微裂縫賦存特征Fig.4 Occurrence characteristics of micro-cracksa,e.沈166井；b,c.曙古165井；d,f.雷37井

4 討論

4.1 孔隙發育主控因素

遼河坳陷次級凹陷沙三段、沙四段泥頁巖隨構造、沉積環境變遷，成巖演化經歷了獨有的階段和多種成巖作用，直接影響到沙三段、沙四段泥頁巖微觀孔隙的形成和演化。研究表明，不同地區、不同地質條件下的泥頁巖微觀孔隙發育類型不同(表3)，這與頁巖礦物組構、物化特性、干酪根類型、有機地化特征有關系，同時受沉積環境、埋深以及地層溫壓等外因的影響。其中干酪根類型及有機地化特征主要決定著有機孔的發育，而礦物組構(圖6a)、物化特性(圖6b)主要決定無機孔的發育。

海相頁巖一般沉積時代較早，有機質演化生烴多已達成熟和過成熟階段，礦物組成上多富含石英、長石等硅質礦物以及方解石等鈣質礦物，而貧粘土礦物，這就造成有機孔和礦物粒間孔較發育，而主要以粘土礦物為賦存載體的粒內孔則相對不發育。沙三、沙四段泥頁巖主要發育于陸相湖盆環境，泥頁巖礦物組成中的粘土礦物含量普遍高于海相泥頁巖，含量為40%～60%；硅質礦物含量(石英、長石等)則相對較低，為30%～40%；脆性礦物含量則相對較少，一般在10%以下。較高的粘土礦物含量是粒內孔的主要貢獻者，而較低的有機質演化成熟度是有機孔相對不發育的主要原因。另外，深埋藏下的溶蝕作用也導致溶蝕孔的大量發育。

4.2 孔隙類型對頁巖油氣賦存和滲透的影響

頁巖基質孔隙網絡由一系列微米-納米級孔組成，這些微納米孔連同天然裂縫組成了頁巖氣賦存和滲流的位置及通道?？紫洞笮∈菦Q定頁巖氣賦存狀態的關鍵，在大的孔隙中氣體以游離態為主，在小的孔隙中以吸附態形式存在[16]。本次實驗的BET累積比表面積(圖7b)和BJH累積孔容曲線(圖7a)也表明微中孔提供了絕大部分的孔隙存儲空間，暗示吸附氣的含量相對較高，現場解吸實驗也證實了這一點。

表3 中美典型頁巖儲層主要發育孔隙類型及主要參數Table 3 Main pore types and corresponding parameters of typical shale reservoirs in China and America

圖6 中美主要頁巖氣層段礦物組成(a)及物化特性(b)[11]Fig.6 Mineral composition(a)and physical-chemical properties(b)of typical shale reservoirs in China and America

不同孔隙類型具有不同的孔徑特征(表2)。粒間孔發育在礦物顆粒接觸處，多為中宏孔，是頁巖油和游離態頁巖氣賦存的理想場所。特別是發育于伊蒙混層聚合體間的粒間孔，其內部具開放型紙房子構造[17]，具有大量連通性很好的孔隙空間，能為氣體導流提供微觀運移通道，同時增強氣體滲透能力。但是鑒于深埋藏條件下，原生粒間孔不甚發育，其貢獻可能不會太大。

粘土礦物層間粒內孔普遍發育，多為微中孔，主要是吸附態頁巖油氣的賦存空間。不同粘土礦物對甲烷的吸附能力不同，且蒙脫石>伊蒙混層>高嶺石>綠泥石>伊利石[18]，這與粘土礦物的微觀孔隙結構(晶體內部結構、聚合體形態及粒度)有關。粘土礦物顆粒直徑幾百納米至幾微米，細小的顆粒具有極大的比表面積。另外，伊蒙混層中通常發育大量層間微孔縫以及一定數量的溶蝕孔，無疑會大大增加粘土礦物的內表面積，增強吸附能力。另一方面，粘土礦物的層狀及卷曲狀結構是引起頁巖各項異性的主要因素，即沿層理方向滲透性要比垂直方向好。再者，粘土礦物表面多附著一層薄水膜，具有一定的親水性，對油氣的賦存和運移可能會有一定的阻礙作用。但總體來看，無機孔特別是粘土礦物層間粒內孔巨大的內表面積是改善和提高泥頁巖的儲集性能的主要貢獻者。

大量實驗已證實頁巖的吸附能力與頁巖的有機碳含量之間存在明顯的正相關關系[19]，這與有機質內部龐大的納米級有機孔及干酪根大分子聚合態結構間微孔隙有很大關系[20]。另外，有機孔之間并不是孤立存在，而是存在某種程度上的連通性[21]，當然前提是有機質含量要足夠高。再加上有機孔大部分為親油氣的，因此，較高的有機質豐度對應較高的頁巖氣吸附能力，而富含有機孔并且具備較好連通性的干酪根孔隙網絡可以使氣體順利突破滲流閾值在頁巖儲層中形成導流微通道，提高頁巖的滲透率。

本次實驗發現的大量延伸性較好的彎曲狀或鋸齒狀的微裂縫，不僅提供了頁巖油氣賦存的空間，而且也為頁巖油氣運移提供了有效的微輸導通道。在微觀尺度上起到溝通分散型粒間孔和粒內孔的作用，為整個泥頁巖儲層孔隙網絡的構建搭建了橋梁。北美生產實踐已證明微裂縫發育的地方，頁巖油氣產量往往也越高，即使是被膠結物充填的縫對后期壓裂誘導裂縫的延伸仍會起到促進作用。

4.3 有機孔背后的生烴機制

4.3.1 粘土礦物的催化生烴作用

有機質與粘土礦物共生現象很普遍，大量研究也證實，粘土礦物與有機碳含量關系密切，有機質常吸附于粘土礦物的表面，且粘土礦物和有機碳含量一般呈成正相關關系[22]。與南方海相頁巖游離態有機質發育的的網絡狀、大孔型孔隙不同，遼河坳陷次級凹陷陸相沙三段、沙四段頁巖中游離態有機質基本不發育有機孔(圖8a,b)，而在有機質與粘土礦物共生處較多見(呈粘附或結合態)，且多呈圓形、凹坑狀、分散型。如果從現在產油氣的事實來解釋的話，既然有油氣的產生就應該有生烴有機孔的存在。而鏡下觀察的游離態有機質在低成熟度條件下基本不發育有機孔，那么發育有機孔的吸附-結合態有機質在生烴過程中必然發揮了重要作用。同時也表明，在低熟條件下粘土礦物對干酪根生烴起到某種程度上的催化作用，直接驗證了前人關于粘土礦物催化有機質生烴的研究結果[23]。另外，EDS元素組成表明與蒙脫石呈結合態的有機質比與伊利石和高嶺石呈結合態的有機質較發育有機孔，即不同粘土礦物對有機質生烴的催化活性是不同的，且蒙脫石催化生烴效果相對較好。事實上，在鄂爾多斯盆地延長組深湖-半深湖相頁巖(圖8c,d)以及中國南方海相頁巖(圖8e,f)甚至是北美海相頁巖(圖8g,h)中，同樣發現了大量與粘土礦物呈吸附-結合態的有機質，且其中也發育有機孔，只是有機孔的發育狀況因成熟度的提高而呈現出網絡狀、大孔、深孔型。至此，遼河坳陷沙三段、沙四段泥頁巖有機孔的產生就可以解釋為，在低熟條件下，早熟有機質在粘土礦物的催化作用下生排烴，一方面自身會形成有機孔，反過來有機質生烴過程產生的酸使得粘土礦物發生溶蝕產生孔隙，由于有機質呈結合或粘附態存在，所以孔隙多呈較淺的凹坑狀。

圖7 累積孔容(a)和累積比表面(b)Fig.7 The cumulative volume(a)and the cumulative surface area(b)

圖8 不同沉積相泥頁巖有機質中有機孔的賦存和發育特征Fig.8 Occurrence and development characteristics of organic matters in shale of different sedimentary faciesa,b.遼河坳陷沙河街組；c,d.鄂爾多斯盆地延長組長7段；e,f.南方海相龍馬溪組；g,h.北美海相

4.3.2 顯微組分生烴貢獻

不同顯微組分賦存狀態存在差異性。鏡質組和惰質組以及藻類體同屬于形態組分，一般以游離態形式存在，而無定形體一般以粘附態有機質的形式存在[23-24]。干酪根鏡檢表明遼河坳陷沙三段、沙四段泥頁巖以相對富氫的無定形體為主(約80%)，而藻類體、殼質組、鏡質體和惰質體的含量很低。據此推斷遼河坳陷呈粘附態且發育有機孔的顯微組分主要為無定形體，而無定形體本身具有早期生油的特點[25-26]，其不但進入生油門限較早,而且達到生油高峰也較早。因而，推斷無定形體是遼河坳陷沙河街組未熟-低熟油氣的主要貢獻者。

5 結論

1) 遼河坳陷次級凹陷沙三段、沙四段陸相泥頁巖儲層受沉積環境及地化條件的影響，儲層孔隙類型及分布與北美及中國南方不同，主要發育6種孔隙類型，包括粒間孔、粒內孔、晶間孔、有機孔、溶蝕孔和裂縫孔。其中，有機孔受低熱成熟度的影響相對不發育，孔徑變化范圍較大(5～250 nm)；而無機孔特別是粘土礦物層間孔和溶蝕孔在深埋藏下最為發育，同時微裂縫也較普遍。

2) 遼河坳陷次級凹陷沙三段、沙四段泥頁巖孔隙的成因和形狀復雜，形成于沉積和成巖階段，表現出與沉積壓實、膠結、溶解作用相關的成因特征，另外還與頁巖巖性、礦物組構、有機質類型、有機地化等因素密切相關。

3) 遼河坳陷次級凹陷沙三段、沙四段泥頁巖微觀孔隙的大小、形狀及連通性對頁巖氣的賦存和滲透起著至關重要的作用。其中，粘土礦物集合體粒間孔和層間微縫對頁巖氣的賦存和運移貢獻最大，溶蝕孔及晶間孔次之，有機孔因相對不發育，對頁巖滲透貢獻較小，但仍是吸附態頁巖油氣的主要場所。

4) 遼河坳陷次級凹陷沙三段、沙四段有機質以與粘土礦物呈吸附-結合態的賦存形式為主，粘附-結合態有機質中孔隙的大量發現表明粘土礦物特別是蒙脫石對有機質的早期催化生烴起到重要作用。同時，有機質與礦物(主要是粘土礦物)緊密共生的保存特點，反映了有機質保存形式與油氣生成之間的密切關系，這是今后需要重要研究的一個課題。

5) 遼河坳陷次級凹陷沙三段、沙四段對生成頁巖油氣貢獻最大的顯微組分是無定形體。低熟條件下有機質生油氣的特點表明，無論何種類型的干酪根，只要其中含有一定數量的無定形體或藻類體等易早期生油的組分，就可能生成未熟-低熟油氣。

參 考 文 獻

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