摘　要：為了查明泥頁巖系統(tǒng)微觀孔隙發(fā)育特征及其油氣地質(zhì)意義，利用掃描電鏡及場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡二次電子成像技術(shù)對(duì)松遼盆地白堊系青山口組一段泥頁巖中的微觀孔隙進(jìn)行了系統(tǒng)觀察。該套泥頁巖中主要發(fā)育了5種類型孔隙，即基質(zhì)晶間孔、有機(jī)質(zhì)孔、溶蝕孔、粒間孔、晶內(nèi)孔；此外，還發(fā)育大量微米—亞微米級(jí)（納米級(jí)）微裂縫，包括溶蝕縫、充填縫及層間縫3類。微孔隙和微裂縫構(gòu)成復(fù)雜微裂縫網(wǎng)絡(luò)-孔隙系統(tǒng)，為烴源巖生成的油氣向外排驅(qū)提供了有效通道，同時(shí)也為殘留在頁巖中的油氣提供了充分的儲(chǔ)集空間，對(duì)于油氣的初次運(yùn)移以及頁巖油氣等非常規(guī)資源的儲(chǔ)集具有重要意義。

關(guān)鍵詞：松遼盆地；泥頁巖；微觀孔隙結(jié)構(gòu)；微裂縫；儲(chǔ)集層

0 引言

頁巖油氣是目前研究的熱點(diǎn)^[1-3]。應(yīng)用現(xiàn)有的烴源巖定量評(píng)價(jià)技術(shù)^[4]，可得出泥頁巖中有機(jī)質(zhì)生排烴之后殘留在頁巖中的頁巖油氣總量^[5]；但對(duì)頁巖油氣賦存形式、滯留機(jī)理及其與孔隙空間、孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及頁巖油氣在開采過程中的滲流機(jī)理與可動(dòng)性等方面的認(rèn)識(shí)還不足，對(duì)泥頁巖微觀孔隙空間的研究有助于解決這一問題。國外學(xué)者在這方面開展了卓有成效的探索性研究^[6-8]，國內(nèi)還鮮見針對(duì)性的系統(tǒng)研究。

目前，針對(duì)泥頁巖中孔隙及其有機(jī)質(zhì)成像方面的研究手段主要有FIB-SEM（聚焦離子束掃描電鏡）、Nano-CT（納米CT）、Micro-CT（微米CT）、FE-SEM（場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡）、SEM（掃描電子顯微鏡）等^[9-12]。其中，FIB-SEM，Nano-CT，Micro-CT可以對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行2D、3D重構(gòu)，能直觀地得到泥頁巖中孔隙及有機(jī)質(zhì)的空間分布情況，但其缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)過程中使用的樣品非常小，如FIB-SEM樣品大小為400～800m，Nano-CT樣品大小為20～40m，因此基于FIB-SEM和Nano-CT建立的2D和3D頁巖孔隙立方體模型^[13-18]難以代表大尺度巖石中的孔隙分布情況。

基于離子蝕刻后樣品的FE-SEM二次電子成像及背散射成像可以更好地表征孔隙特征，同時(shí)可以克服樣品大小限制和電鏡放大倍數(shù)限制等難點(diǎn)^[19-20]，為此，本文用SEM，FE-SEM二次電子成像技術(shù)對(duì)松遼盆地主力烴源巖之一的白堊系青山口組泥頁巖中的孔隙及微裂縫進(jìn)行了大量觀察并進(jìn)行系統(tǒng)分類，以明確泥頁巖系統(tǒng)中孔隙結(jié)構(gòu)特征及其油氣地質(zhì)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景與樣品

松遼盆地青山口組形成于大規(guī)模湖侵期，該期盆地氣候溫?zé)岢睗?，盆地穩(wěn)定沉降，沉積速度較慢，補(bǔ)償條件較差，形成了巨大的深水靜水體，沉積了分布廣泛的富含有機(jī)質(zhì)、巨厚的黑色頁巖，間夾油頁巖，是松遼盆地最重要的生油層和區(qū)域蓋層^[21]。

實(shí)驗(yàn)樣品取自松遼盆地北部齊家古龍凹陷、三肇凹陷白堊系青山口組一段泥頁巖（見圖1）。實(shí)驗(yàn)樣品有機(jī)質(zhì)豐度較高（見表1），有機(jī)碳含量平均2.89%；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ、Ⅱ₁型為主，氫指數(shù)一般在639～934mg/g；樣品主要處于中成巖作用階段，伊蒙混層比平均26.4%。全巖分析實(shí)驗(yàn)表明，樣品中黏土礦物含量較高，為50.7%～65.4%，平均60.3%，其次為石英（17.5%～25.0%）、斜長石（7%～12%）、黃鐵礦（3%～6%）、方解石（1%～5%），此外還有少量的鉀長石、白云石和菱鐵礦，不含赤鐵礦和方沸石（見圖2）。

2 實(shí)驗(yàn)方法

樣品熱解分析采用OGE-Ⅵ分析儀，有機(jī)碳分析使用LECO公司CS230儀器，X射線及全巖分析使用D/MAX2500X射線衍射儀，各項(xiàng)分析均按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行^[22-25]。

掃描電鏡實(shí)驗(yàn)中選取塊狀實(shí)驗(yàn)樣品10g，做出新鮮平整樣品表面后用乳膠固定在銅制樣品臺(tái)上，自然風(fēng)干72h后在樣品表面鍍厚約2nm的金膜以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)樣品導(dǎo)電性。樣品制備完成后，使用TESCAN公司VEGA/LMU型掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)。

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)中選取塊狀樣品2～3g，使用環(huán)氧樹脂對(duì)樣品進(jìn)行包埋以保證易碎頁巖樣品的完整性。使用日產(chǎn)JEOL IB-09010氬離子拋光儀中5～10kV高能氬離子束轟擊樣品表面，使轟擊面上的原子逐層脫落，從而獲得光滑平整的離子蝕刻面。拋光后在離子蝕刻面上噴厚約10nm碳膜以增強(qiáng)樣品導(dǎo)電性，進(jìn)而提高二次電子成像等圖像質(zhì)量。樣品制備完成后，使用HITACHI-S5500高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品蝕刻面中的微觀孔隙進(jìn)行二次電子成像。

3 泥頁巖孔隙類型

Milner等曾針對(duì)北美侏羅系Haynesville頁巖、泥盆系Horn River 頁巖、密西西比系 Barnett 頁巖及泥盆系Marcellus頁巖中的微觀孔隙進(jìn)行系統(tǒng)觀察，發(fā)現(xiàn)上述4套泥頁巖中主要發(fā)育3種類型孔隙，即基質(zhì)晶間孔、有機(jī)質(zhì)孔和粒間孔^[19]。本研究對(duì)松遼盆地白堊系青山口組泥頁巖進(jìn)行了大量、系統(tǒng)的觀察，除了發(fā)現(xiàn)上述3種孔隙外，在該套頁巖中還發(fā)現(xiàn)了溶蝕孔隙與晶內(nèi)孔隙，即松遼盆地白堊系青山口組泥頁巖中發(fā)育基質(zhì)晶間孔、有機(jī)質(zhì)孔、溶蝕孔、粒間孔和晶內(nèi)孔共5類孔隙，此外，泥頁巖中還發(fā)育大量的微米—納米級(jí)微裂縫（見表2、圖3—圖8）。

3.1 基質(zhì)晶間孔

基質(zhì)晶間孔隙是松遼盆地白堊系泥頁巖中常見的一種孔隙類型，通常指黏土礦物薄片及集合體、膠結(jié)物晶體及大巖屑顆粒之間的孔隙^[19]。圖3a為掃描電鏡下觀察到的具有較大彎曲度且定向排列的伊利石薄片，伊利石薄片之中包裹其他巖屑顆粒。測(cè)得圖中伊利石薄片集合體間孔隙的孔徑主要為1.0～3.5m。圖3b樣品中除了發(fā)育大量定向排列的伊利石薄片集合體外，還發(fā)育大量霉球狀黃鐵礦集合體，其主要為立方體黃鐵礦晶體組成的顯微“球體”，此外還發(fā)育單晶黃鐵礦及單晶立方體黃鐵礦，在伊利石集合體以及霉球狀黃鐵礦等礦物之間存在大量的微小孔隙，孔徑主要為3～8m。

3.2 有機(jī)質(zhì)孔

有機(jī)質(zhì)孔隙主要指有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊內(nèi)部或有機(jī)質(zhì)生烴后內(nèi)部殘留的孔隙。圖4為場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡二次電子成像后觀察到的泥頁巖樣品中的有機(jī)質(zhì)孔隙，圖4a為有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊中的孔隙（圖4a中黃線標(biāo)出的黑灰色區(qū)域A區(qū)對(duì)應(yīng)的元素能譜見圖9a），孔徑為10～1500nmz已經(jīng)向烴類轉(zhuǎn)化，伴隨這一地質(zhì)過程，泥頁巖中產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)生烴后的殘留孔隙，若泥頁巖處于高—過成熟階段，有機(jī)質(zhì)生烴后的殘留孔隙數(shù)量會(huì)大幅增加，其孔徑也會(huì)變大。

3.3 溶蝕孔

溶蝕孔隙主要是泥頁巖中方解石、磷灰石等碳酸鹽、磷酸鹽或硅鋁酸鹽在溶蝕作用下（主要是由于頁巖生烴過程中生成的有機(jī)酸或CO₂溶于水形成碳酸，產(chǎn)生溶解作用）產(chǎn)生的孔隙。圖5為場(chǎng)發(fā)射電鏡和掃描電鏡下觀察到的礦物溶蝕孔隙。由圖5a可見磷灰石、方解石溶蝕后產(chǎn)生的大量溶蝕孔隙。圖5a中黃線標(biāo)出的黑灰色區(qū)域C區(qū)對(duì)應(yīng)的元素能譜見圖9c，區(qū)域內(nèi)鈣、氧、磷、碳元素含量較高，據(jù)此判斷溶蝕孔隙是磷灰石、方解石礦物溶蝕后產(chǎn)生，孔徑為10～500nm。由圖5b可見充填于溶蝕孔隙中的柱狀石膏和粒狀黃鐵礦，孔徑為100～2500nm。

3.4 粒間孔

粒間孔隙的典型特征是礦物顆粒間的孔隙構(gòu)成了連通的體系，這種孔隙可以存在于黏土礦物骨架中也可以存在于較大的礦物晶體堆積體中。圖6為掃描電鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡二次電子成像觀察到的泥頁巖中礦物顆粒間的孔隙。由圖6a可見掃描電鏡下觀察到的泥頁巖樣品中單晶立方體黃鐵礦和單晶球體黃鐵礦之間的孔隙，孔徑為1～5μm。由圖6b掃描電鏡照片可見，礦物顆粒堆積形成了尺寸在5μm左右的粒間孔隙，其中充填了金紅石單體堆積而成的網(wǎng)狀金紅石集合體，金紅石單體之間形成粒間孔隙，孔徑大小為45～1500nm。圖6c中黏土礦物顆粒間孔隙構(gòu)成了連通的體系，孔徑大小為30～180nm。圖6d是圖6c的局部放大，該區(qū)域孔徑大小為30～80nm。

3.5 晶內(nèi)孔

晶內(nèi)孔指存在于晶體內(nèi)部的孔隙，可能由成巖過程中晶體發(fā)育不完全或后期溶蝕作用導(dǎo)致，晶體生長缺陷產(chǎn)生的原因與晶體的生成條件、晶體內(nèi)原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。圖7為場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下二次電子成像觀察到的方解石晶體內(nèi)部孔隙。圖7a中黃線標(biāo)出的黑灰色區(qū)域?qū)?yīng)的元素能譜見圖9d，元素能譜顯示鈣、氧、碳元素含量較高，筆者據(jù)此判斷該礦物為方解石。

3.6 微裂縫

泥頁巖樣品中發(fā)育大量微米—納米級(jí)微裂縫（見圖8），主要有充填縫（見圖8a）、溶蝕縫（見圖8b）以及黏土礦物層間縫（見圖8c）等3類。圖8a為樣品中被方解石半充填形成的泥質(zhì)裂縫，剩余縫寬1～3m。圖8b為泥質(zhì)中溶蝕裂縫，縫寬3～5m，其成因與溶蝕孔隙相似。圖8c為泥頁巖中薄片狀伊利石層間裂縫，縫寬8～50nm。圖8d為利用二次電子成像觀察到的樣品中亞微米級(jí)（納米級(jí)）微裂縫的平面分布，縫寬120～400nm，這些較大規(guī)模的裂縫與其他孔隙相連組成裂縫網(wǎng)絡(luò)-孔隙系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，正是這種連通系統(tǒng)為烴源巖生成的油氣向外排驅(qū)提供了有效通道，同時(shí)也為滯留在泥頁巖中的部分油氣提供了有效的儲(chǔ)集空間，從而形成頁巖氣、頁巖油。

4 結(jié)論

利用掃描電鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡二次電子成像技術(shù)對(duì)松遼盆地主要生油層白堊系青山口組泥頁巖中發(fā)育的孔隙和微裂縫進(jìn)行了系統(tǒng)的成像觀察，發(fā)現(xiàn)該套頁巖中主要發(fā)育了5種類型孔隙即基質(zhì)晶間孔、有機(jī)質(zhì)孔、溶蝕孔、粒間孔、晶內(nèi)孔及微米—亞微米級(jí)（納米級(jí)）微裂縫，微裂縫包括充填縫、溶蝕縫及層間縫。各種類型孔隙與微裂縫伴生發(fā)育，并可能彼此連通。這種復(fù)雜微裂縫網(wǎng)絡(luò)-孔隙系統(tǒng)的存在為油氣從烴源巖向外排驅(qū)提供了有效通道，同時(shí)也為滯留在泥頁巖中的部分油氣提供了有效的儲(chǔ)集空間。該套地層中各類型孔隙尺寸為納米—微米級(jí)，可能主要受頁巖基質(zhì)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成、有機(jī)質(zhì)類型以及有機(jī)質(zhì)的熱演化程度等因素的影響。

致謝：感謝中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究中心朱如凱博士、劉可禹總地質(zhì)師，清華大學(xué)閆永杰高級(jí)工程師，北京大學(xué)張波博士在本次研究中給予的幫助。

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　　（本文作者：黃振凱^1,2,3，陳建平^1,2,3，薛海濤⁴，王義軍⁵，王民⁴，鄧春萍^1,2,31. 提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中國石油勘探開發(fā)研究院；3. 中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4. 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；5. 大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）