有机–矿物耦合视角下深层海相龙马溪组页岩孔隙非均质性研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Pore Heterogeneity in Deep Marine Longmaxi Shales: Insights from Organic–Mineral Coupling

　　

四川盆地南部深层海相龙马溪组页岩即使在同一地层目标内也表现出显著的孔隙非均质性，但孔隙尺度的控制因素仍不确定。研究人员整合了大面积高分辨率扫描电子显微镜（SEM）、自动矿物填图与定量图像分析，对来自四口深井的17件龙111岩心样品进行了研究，以评价有机质（OM）类型、有机质丰度、矿物组构与SEM可见孔隙发育之间的关系。有机质 hosted 孔隙占分割孔隙面积的70–97%。SEM导出的总孔隙面积比为0.23%–2.39%，图像导出的有机质表观转化率（ATR）为2.40%–18.78%。迁移型焦沥青（PB2）通常含较粗孔隙，且ATR高于原位焦沥青（PB1），尽管在某些高总有机碳（TOC）页岩中该差异减弱。有机质 hosted 孔隙发育随TOC呈非线性变化，通常在中等TOC时最为有利。总体石英含量与孔隙发育无系统关系，而富碳酸盐组构与有机质赋存受限及孔隙保存较差相关。这些观察表明，孔隙发育反映了有机质丰度与赋存、焦沥青类型、可用容纳空间及矿物骨架支撑的耦合效应。研究人员提出三种端元构型，包括骨架支撑型、有机质连通型和碳酸盐限制型，以解释目标层段内的孔隙非均质性。结果表明，有机质–矿物空间关系为理解深层页岩孔隙非均质性提供了超出总体TOC和矿物组成之外的额外信息。

研究背景方面，四川盆地南部下志留统龙马溪组是页岩气勘探开发的重要目标层，商业开发已逐步延伸至3500 m以深。然而，储层孔隙度和含气量在不同构造区块、井和层段之间存在差异，这种区域变异性通常被归因于沉积相、构造背景、地层压力和保存条件的差异。但即使在构造背景相对稳定、甚至在同一富有机质硅质目标层段内，显著的非均质性仍然存在，此时这些一级地质属性大致可比。因此，总体储层参数可能掩盖了微纳米级孔隙在丰度、尺寸分布和连通性上的差异，而这些差异控制着流体的储存和流动能力。有机质 hosted 孔隙是许多黑色页岩纳米级孔隙系统的重要组成部分，其形成与有机质生烃和热演化密切相关，而埋藏压实、构造变形和矿物沉淀可改造其保存。孔隙发育也因有机质类型而异，前人研究表明SEM可见孔隙在固体沥青或焦沥青中通常比在结构化干酪根中更发育。然而，即使在单一成熟页岩中，单个固体沥青或焦沥青域也可表现出显著不同的孔隙结构，导致这种非均质性的过程在狭窄定义的目标层段内仍未充分解析。此外，周围矿物骨架对有机质 hosted 孔隙发育也很重要，刚性富石英组合可通过抵抗机械压实支持孔隙保存，而富黏土基质通常更易变形；碳酸盐矿物可根据其丰度、结构和赋存方式支持或限制孔隙保存。这些矿物效应不能脱离有机质演化独立考虑，因为生烃、运移、次生有机质就位和裂解均发生在演化的矿物骨架内。尽管有机–无机相互作用及其与孔隙发育的协同演化在页岩系统中日益受到认识，但大多数前人研究比较不同岩相或地层段，有机质性质和矿物组构如何在同一页岩岩相段内共同影响孔隙发育仍知之甚少。基于此，本研究考察四川盆地南部泸州地区四口深井下志留统龙马溪组底部成员（龙111段）页岩样品，采用大面积高分辨率SEM图像、自动矿物图和定量图像分析，旨在：（1）记录不同有机质类型间有机质 hosted 孔隙的差异；（2）评价有机质丰度、空间赋存、矿物组构与SEM可见孔隙发育之间的关联；（3）建立观测到的孔隙非均质性的有机–无机耦合框架。与先前关注有机质 hosted 孔隙度和焦沥青非均质性的研究不同，本研究聚焦不同焦沥青类型间孔隙发育差异在样品间的变化及其与有机质和矿物空间配置的关系，通过将比较限定于一个地层目标，以更好地理解孔隙尺度非均质性并为深层页岩系统储层评价提供额外见解。

研究人员开展研究采用的关键技术方法包括：大面积高分辨率扫描电子显微镜（SEM）成像，每个样品采集约450×450 μm2的拼接镶嵌图，像素尺寸4 nm；自动矿物填图（MaipSCAN v1），结合背散射电子（BSE）成像与能量色散X射线光谱（EDS）识别矿物相并量化矿物组合；基于阈值分割、人工校正和规则分类的定量图像分析工作流，用于分割孔隙和微裂缝并分类为有机质 hosted 孔隙、矿物 hosted 孔隙、有机质 hosted 微裂缝或矿物 hosted 微裂缝。样品队列来源为泸州地区四口深井（L1–L4）龙111段17件岩心样品，现埋深约3450–4322 m，地层压力系数2.0–2.3，等效镜质体反射率（EqR?）2.8–3.3%。

研究结果方面，矿物组成、赋存与有机质丰度：龙111页岩以石英为主，含少量钠长石、钾长石、方解石、白云石、铁白云石、伊利石、绿泥石和黄铁矿；石英含量36.69–87.18 wt.%，碳酸盐和黏土含量在17件样品间变化较大；大面积矿物图揭示主要矿物相赋存差异，石英主要以细粒至微晶集合体形式出现且局部 interconnected，碳酸盐矿物主要以分散自形至半自形颗粒和块状集合体形式出现，黏土矿物主要以细鳞片或集合体形式出现于石英和碳酸盐颗粒之间；图像导出TOC约2–8 wt.%，四口井均值均超过3.0 wt.%，井内和井间均存在显著变化。不同孔隙类型特征：大面积高分辨率SEM镶嵌图揭示有机质 hosted 孔隙和矿物 hosted 孔隙两大类及局部发育的微裂缝；有机质 hosted 孔隙广泛分布，呈圆形、椭圆形、不规则或海绵状形态，根据宿主有机质赋存与动物碎屑、原位焦沥青（PB1）或迁移型焦沥青（PB2）相关；动物碎屑主要以笔石衍生有机碎片形式出现，呈拉长带状、局部堆叠的有机质域，可见孔隙少于焦沥青；PB1形成相对较大、不规则、被矿物基质包围的有机质域，主要含小而相对均匀的纳米级孔隙；PB2常以孔隙或裂缝充填有机质形式出现，孔隙分布非均质性更大、孔径范围更宽、孔隙形态更不规则；矿物 hosted 孔隙包括粒间和粒内类型，粒间孔隙常出现于矿物颗粒间或黏土矿物集合体内，呈不规则至缝状形态，粒内孔隙局部出现于长石、碳酸盐和黄铁矿颗粒内，部分具溶蚀成因的不规则边缘；微裂缝出现于有机质域和矿物基质内，常沿矿物边界、贯穿单个颗粒或出现于有机质域内及邻侧。孔隙发育的定量非均质性：总SEM导出孔隙面积比0.23%–2.39%，有机质 hosted 孔隙约占分割孔隙面积的70–97%，矿物 hosted 孔隙约占2–23%，微裂缝约占1–13%；L4井平均总SEM导出孔隙面积比最高（1.79%）和有机质 hosted 孔隙面积比最高（1.58%），ATR为10.39–18.78%；L1井平均总孔隙面积比第二高（1.14%）和有机质 hosted 孔隙面积比第二高（0.92%）但平均ATR最低（8.39%），个别值5.59–9.83%；L2井平均总孔隙面积比和有机质 hosted 孔隙面积比分别为0.94%和0.79%，ATR范围较宽为2.40–14.51%；L3井平均总孔隙面积比最低（0.81%）和有机质 hosted 孔隙面积比最低（0.66%），平均ATR为9.33%；有机质 hosted 孔隙面积比与ATR缺乏平行变化表明总有机质 hosted 孔隙面积反映有机质丰度和有机质内可见孔隙发育程度两者；有机质 hosted 孔隙主要集中在约10–100 nm，L4井样品显示延伸至约200 nm的更宽贡献；矿物 hosted 孔隙跨越更宽尺寸范围，有些分布峰值在数十纳米，另一些接近100–300 nm或局部达微米级，其总孔隙面积贡献显著低于有机质 hosted 孔隙；鉴于4 nm像素尺寸，小于约10 nm的孔隙不能可靠分辨，因此被排除在定量计算之外。矿物组成与有机质 hosted 孔隙发育的关系：总体石英含量与有机质 hosted 孔隙面积比或ATR无一致关系；部分富碳酸盐样品两者值均较低，而黏土含量与孔隙发育无清晰关联；在相似TOC样品中，碳酸盐丰度增加伴随多孔有机质占据空间减少，例如TOC 3.5–3.9 wt.%且碳酸盐<15 wt.%的样品在石英主导基质中含丰富多孔有机质，而TOC相似（3.26 wt.%）但碳酸盐40.6 wt.%的样品有机质 hosted 孔隙发育较差。有机质性质与有机质 hosted 发育的关系：有机质 hosted 孔隙面积比和ATR总体上从低至中等图像导出TOC增加，但若干TOC高于约5 wt.%的样品值较低；二次回归对有机质 hosted 孔隙面积比的拟合优于线性回归（R2=0.513对0.184）；样品级配对比较进一步表明，在有配对测量的样品中PB2平均ATR高于PB1，平均差异4.42个百分点（95% CI：2.51–6.33），但该差异幅度在样品间变化较大；在中等TOC样品15（3.50 wt.%）中，PB2含丰富100–300 nm范围孔隙且比PB1粗，而在高TOC样品3（7.64 wt.%）中，PB1和PB2均显示更细的孔径分布且对比不明显。

讨论部分总结：矿物骨架对有机质 hosted 孔隙保存的影响方面，研究硅质龙马溪页岩含丰富石英，主要以细粒至微晶集合体形式出现，该结构被广泛解释为自生成因且部分源自早期成岩过程中的生物硅；这种富石英骨架可通过抵抗压实和维持后续烃类就位的容纳空间有利于孔隙保存；然而在本数据集中，总体石英含量与有机质 hosted 孔隙面积比或ATR均无清晰关系，因此石英可能提供普遍支撑骨架，但其总体丰度本身不能解释 broadly 硅质矿物学样品间有机质 hosted 孔隙发育的变化；碳酸盐矿物根据其赋存和胶结程度对孔隙发育有对比性影响，单个碳酸盐颗粒可提供机械支撑，而丰富碳酸盐晶体和胶结物可占据粒间空间并限制有机质赋存，这有助于解释观测到的碳酸盐相关孔隙发育差异；此外，岩相学比较为碳酸盐相关有机质 hosted 孔隙发育下降提供微观结构背景，在相对贫碳酸盐样品中多孔有机质常出现于富石英域之间，而在富碳酸盐样品中有机质主要被限制在块状碳酸盐晶体间的狭窄空间且含较少可见孔隙，这种受限空间可能限制迁移烃类的聚集和次生有机质内孔隙的后续发育；碳酸盐胶结时间可能进一步影响该过程，龙马溪页岩前人研究识别出不同世代碳酸盐矿物，包括早期方解石和白云石以及更深埋藏期间白云石上的铁白云石增生，烃类运移前的碳酸盐胶结可减少迁移有机质可用空间，而后期铁白云石增生可占据残余孔隙并改造围绕现有有机质的矿物骨架，两种过程均可能促成富碳酸盐组构中有机质的受限赋存和较差孔隙发育，但碳酸盐胶结与烃类就位的相对时间不能仅从现有二维观察确定；在本数据集中，黏土含量与有机质 hosted 孔隙发育无类似清晰关联，因此与碳酸盐丰度的更强关联可能反映这些矿物占据页岩基质空间方式的差异；总体而言，SEM观察表明矿物的赋存和空间配置尤其是碳酸盐颗粒和胶结物对控制多孔有机质的容纳和保存很重要。有机质类型和丰度对孔隙发育的控制方面，尽管有机质 hosted 孔隙在所有考察样品中主导孔隙系统，但其发育并非有机质丰度的单调函数，龙马溪组和其他含气页岩中已报道TOC与孔隙发育之间的类似非线性关系，前人研究将这种模式归因于有机质 hosted 孔隙生成、热演化、压实和矿物骨架支撑的综合效应，因此本数据表明TOC单独不足以预测SEM可见有机质 hosted 孔隙发育；焦沥青类型间的差异为非线性TOC关系提供进一步见解，在考察的龙马溪页岩中迁移型焦沥青（PB2）通常含较大SEM可见孔隙且ATR高于共存的原位焦沥青（PB1），早期研究记录了固体沥青或焦沥青类型间显著的结构和孔隙非均质性并将部分变异性与烃类运移和色谱分馏产生的组成差异相联系，本观察进一步表明PB1与PB2之间的对比与有机质丰度和空间组织协同变化；四口井中高度多孔海绵状有机质在TOC 2–5 wt.%样品中比在TOC>5 wt.%样品中更常见，这些观察共同表明在本数据集中PB1与PB2之间的孔隙非均质性在低至中等TOC时最为显著；一种可能解释是机质丰度增加改变有机–矿物骨架的空间组织和力学行为，在中等有机质丰度下焦沥青常以被机械刚性矿物颗粒如石英包围的离散域形式出现，在更高丰度下有机质域可能变得更侧向连续并占据局部承载骨架更大比例，由于成熟有机质弹性模量通常显著低于刚性矿物如石英，连续有机质域在深埋藏期间可能更易变形，这种变形可降低较大有机质 hosted 孔隙的保存并促成某些高TOC样品中观测到的更细孔径分布；裂缝辅助排烃可为某些高TOC样品中孔隙发育降低提供额外解释，生烃和运移可促进微裂缝形成并创建排烃通道，本研究中微裂缝常沿有机质边界出现并在高TOC样品3（L1井）中局部延伸穿过有机质域；为减少富碳酸盐矿物组构的潜在影响，在碳酸盐含量低于25 wt.%的13件样品中考察了TOC、微裂缝面积比例和ATR之间的关系，在20和30 wt.%替代 cutoff 下正TOC–微裂缝和负微裂缝–ATR关系仍然存在，尽管前者在较高 cutoff 时变弱，因此25 wt.% cutoff 被视为探索性标准而非地质阈值；这些模式与增强的裂缝辅助排烃减少可供后续二次裂解和孔隙形成的更易流动、富脂肪族烃类滞留的可能性一致，但不能证明。有机–无机耦合对有机质 hosted 孔隙发育的控制方面，尽管迁移型焦沥青（PB2）通常比原位焦沥青（PB1）表现出更大孔隙发育，但该差异幅度取决于有机质丰度和周围矿物骨架，因此观测到的非均质性被解释为有机演化与无机成岩耦合作用的产物而非任一因素单独作用；基于这些二维观察，提出三种端元耦合构型作为解释观测孔隙非均质性的工作假说而非经验证的孔隙形成和保存模型；在骨架支撑型构型中，中等且相对分散的有机质出现于微晶石英主导骨架中且碳酸盐占据有限，残余粒间容纳空间允许迁移有机质就位，而刚性矿物颗粒如石英有助于保存后续裂解期间生成的孔隙，在这些条件下PB2更大孔隙发育表现最清晰，产生相对较高ATR和较粗有机质 hosted 孔隙；在有机质连通型构型中，更连续的有机质提供丰富成孔物质但也形成机械顺应性域，在深埋藏期间可能变形，局部裂缝可进一步促进排烃并减少可供后续孔隙生成的物质，这些效应与某些富有机质样品中更细孔隙和PB1与PB2之间较小对比一致；在碳酸盐限制型构型中，丰富碳酸盐占据残余粒间空间并将有机质限制在碳酸盐颗粒和胶结物之间的狭窄空间，PB2相关孔隙发育表达较差，导致低ATR和发育差的有机质 hosted 孔隙；这些端元说明对比性有机质–矿物空间配置如何在同一地层目标内产生不同孔隙系统；尽管考察样品现埋深不同，但它们共享大致相似的区域构造和热背景，具过成熟有机质和有利于孔隙保存的超压条件，值得注意的是在单个井内狭窄深度区间（如L2井）也出现相当大孔隙非均质性，表明埋深本身不能解释观测到的差异，然而井特定埋藏史和压实效应也可能促成孔隙发育，在本数据集中不能与有机–矿物相互作用完全分离；所提出的耦合框架提供可能补充深层页岩储层质量评价的孔隙尺度视角，区域勘探框架通常强调有机质 richness、硅质矿物学、总体孔隙度、压力和保存条件及有效页岩厚度的有利组合，这些参数有助于识别区域有利层段，但可能不能解释已经富有机质和富石英目标内的储层质量变化；本结果表明有利有机质 hosted 孔隙发育需要成孔倾向有机质尤其是迁移型焦沥青以及矿物骨架的足够容纳空间和机械支撑，在所考察龙马溪页岩中该组合表现为中等有机质丰度、微晶石英支撑骨架和有限碳酸盐占据残余粒间空间；由于所报道指标为二维图像基指标，它们应补充而非替代总体孔隙度和储层尺度测量。

结论部分翻译：本研究通过整合大面积SEM成像、自动矿物填图和定量图像分析，考察了四川盆地南部四口井同一地层段（龙111段）17件深层龙马溪页岩样品的孔隙非均质性，主要结论如下：（1）有机质 hosted 孔隙发育在样品间变化显著，不能仅由有机质丰度或总体矿物组成解释；总SEM导出孔隙面积比0.23%–2.39%，有机质ATR 2.40%–18.78%；有机质 hosted 孔隙约占分割孔隙面积的70–97%，但其发育并不随图像导出TOC一致增加；迁移型焦沥青（PB2）通常比原位焦沥青（PB1）含更粗和更广泛发育的孔隙，尽管该对比幅度在样品间变化；这些差异表明有机质类型和赋存对理解孔隙非均质性很重要。（2）周围矿物骨架也起重要作用；尽管总体石英含量与孔隙发育无清晰关系，富石英骨架可在埋藏期间为多孔有机质提供机械支撑；相反，富碳酸盐组构通常将有机质限制在矿物颗粒间剩余空间并与较差的有机质 hosted 孔隙发育相关；这些观察表明矿物的赋存和空间配置而非矿物丰度本身影响有机质可用空间及其孔隙保存。（3）有机质与矿物的空间关系有助于解释同一地层段内孔隙发育差异，即使在岩相和区域保存条件大致相似的情况下；多孔有机质常出现于富石英域之间，而在富碳酸盐组构中有机质主要被限制在狭窄残余空间且含较少可见孔隙；结合有机质丰度和赋存差异，这些观察构成三种概念构型的基础：骨架支撑型、有机质连通型和碳酸盐限制型；这些构型为大致相似地质条件下孔隙非均质性提供可能解释，尽管其 underlying 过程不能仅从二维SEM观察完全确定。