有机质丰度与成熟度对富有机质页岩的影响

随着国内页岩气勘探开发的不断兴起，越来越多的测试手段用在了页岩气的调查评价上面，总的来讲，主要包括总有机碳（TOC），氢指数（HI）、S1＋S2、生烃母质化石组合等有机质丰度与干酪根类型等指标的测试分析，目的是对页岩的有机质类型、有机质丰度进行评价；另外通过泥页岩样品的镜质体反射率（Ro），Tmax等指标的鉴定和测试，结合有机质热演化史的模拟分析，主要目的是确定目的层段泥页岩中有机质的热演化序列及初步的时空发育规律（表6—7）。

表6—7　中国页岩与北美页岩地化特征指标（司马立强，2013）

北美高产的Barnett地层的产气泥页岩样品表明，发育的粒内孔、粒间孔因为胶结作用等而变得稀少，有机质粒内孔是其最主要的孔隙类型，其某些层位的有机质粒内孔所占孔隙体积比例高达90%左右。有机质粒内孔是致密储层连通性储集空间的主体，在提高页岩储集性能上具有重要的作用。

我国四川海相盆地，页岩储层孔隙类型多样，微米—纳米级有机质粒内孔发育。在对中国四川盆地筇竹寺组和龙马溪组高—过成熟的海相页岩储集层的研究中发现（司马立强，2013），其“有机质颗粒”内部发育大量微米—纳米级孔隙，其中龙马溪组纳米级孔隙约为2%，筇竹寺组纳米级孔隙为1%～3%。这些孔隙的直径大者为3～4 μm，小至几个纳米，对页岩气的吸附能力极强，为丰富的页岩气资源提供了充足的储集空间，在微米—纳米级有机质粒内孔发育的层段和区域，勘探开发前景良好。

渤海湾盆地东营凹陷高有机质丰度的泥页岩［w（TOC）＞4%］在演化程度较高（Ro＞1.1%）的条件下有机质粒内孔发育较好，而在低有机质丰度的泥页岩［w（TOC）＜2%］中一般不发育（司马立强，2013）。因此，其主力层段 E2s3l和在埋藏较深（3 000～4 000 m）层段的烃源岩均属于高有机质丰度的泥页岩，但东营凹陷 E2s4u 生烃门限深度较浅，埋藏较深，演化程度高，发育广泛的、丰富的有机质粒内孔；E2s3l 由于生烃门限深度较深，埋深相对较浅，整体演化程度不高，发育较少的有机质粒内孔。总的来说，东部渤海湾地区发育有机质粒内孔较少，只在东营凹陷 E2s4u 发育丰富，而我国四川盆地筇竹寺组和龙马溪组发育大量的有机质粒内孔，具有良好的页岩气储集空间，更具页岩气勘探开发前景。

1.有机质丰度及类型

有机碳（TOC）是影响页岩孔隙的主要因素之一。Jarvie等发现，有机质含量为7%的页岩消耗35%的有机碳，通过生烃作用产生孔隙，可使页岩孔隙度增加。Ambrose等指出，有机质中的微孔隙和毛细管孔组成了页岩主要的孔体积。页岩样品的TOC含量与孔体积、孔比表面积的相关性表明，TOC含量是影响页岩样品孔隙发育的主要因素之一（图6—20、图6—21）。

图6—20　TOC与孔隙度关系图（潘磊等，2013）

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图6—21　页岩孔隙相关参数与TOC关系图（潘磊等，2013）

样品来自安徽芜湖PC和QC两口参数井，为二叠系富有机质页岩。

2.有机质成熟度

有机质成熟度与有机孔隙的形成和演化存在着密切的关系。有机孔属于有机质中的粒内孔，是随着有机质的热成熟而产生的（Jarvie等，2007；Loucks等，2009）。在密西西比的Barnett页岩中，有机孔是页岩孔隙系统中最主要的孔隙连通网络（Loucks等，2009；Ambrose等，2010；Curtis等，2010）。有机孔隙具有不规则的气泡状，截面为椭圆状，通常长为5～750 nm。在二维平面上通常呈现相对独立分布，但在三维立体中又相互连通（Ambrose等，2010；Sondergeld等，2010）。

Dow（1977）研究发现，当Ro小于0.6%时，有机孔不发育。同时有机孔的发育情况与干酪根类型也有关系，数据表明Ⅱ型干酪根中的有机孔比Ⅲ型干酪根中的有机孔更易发育。随着埋深的增加，机械压实和胶结作用使得粒间孔和粒内孔在不断减少。随着有机质的成熟使得有机孔大量产生，当Ro小于0.6%时有机孔基本不发育，到Ro在1.0%才产生少量的有机孔，当Ro在1.5%～1.6%时页岩的孔隙类型主要以有机孔为主，当Ro在2.0%～2.4%时有机孔的比例进一步减小。因此可以推理出有机孔的演化规律为，随着有机质生排烃作用，有机孔隙开始发育，在Ro为1.5%～1.6%时页岩的孔隙类型主要以有机孔为主。对Barnett页岩的研究表明这时的有机孔比例可以达到95%以上，随着有机质过成熟，埋深增加，温度升高，有机质孔隙所占的比例进一步减小，这可能与进一步压实和生排烃作用产生的酸性流体溶蚀其他矿物产生粒内孔等原因有关。前人对Barnett页岩的研究也表明有机质孔隙的发育与有机质热成熟度不是简单的线性关系。

中国南方下寒武统黑色页岩的成熟度在1.6%～3.55%，平均为2.71%（图6—22）；下志留统黑色页岩的成熟度在1.56%～3.68%，平均为2.51%，下寒武统样品的平均成熟度略大于下志留统样品。

图6—22　中国南方地区下寒武统主要样品点成熟度

该套烃源岩总体演化程度较高，全区未见成熟度小于1%的区域（图6—22），这些值对页岩气早期勘探、浅井钻探具有参考价值。平面上形成酉阳—秀山、来凤—龙山和彭水—武隆三个高值区（图6—23），成熟度（Ro）均超过2.0%，但根据美国页岩气勘探经验，这些地区同样具有页岩气潜力。目前美国页岩气勘探实践表明：美国页岩气产区的页岩成熟度普遍大于1.3%（Martineau，2007；Pollastro，2007），在阿巴拉起亚盆地的西弗吉尼亚州南部最高可达4.0%，且只有在成熟度较高的区域才有页岩气的产出（Milici，2006），因此，页岩的高成熟度（＞2%）不是制约页岩气聚集的主要因素，说明在高成熟度下也能发育页岩气聚集。

图6—23　渝东南地区下寒武统黑色页岩有机质成熟度