第六届非常规油气地质评价暨新能源学术研讨会
6th Symposium on Unconventional Oil and Gas Geological Evaluation and New Energy

极高演化页岩的有机质结构和孔隙结构特征

——有机质石墨化对孔隙结构影响的启示

余锐1  侯宇光1* 陈振宏2 何生1 翟刚毅3 王成1 李俊杰1

（1. 中国地质大学（武汉），构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；2、中国石油天然气股份有限公司，勘探开发研究院， 北京 100083；3. 中国地质调查局，油气资源调查中心，北京 100083）

近年来，南方海相高演化页岩深受关注，有机质结构的变化对有机质孔隙的发育、吸附性能力高低和含气性优劣的具有极其重要的作用。前人研究显示，Ro值在3.5%左右时，有机质孔隙度存在一个先升高再降低的拐点，表明页岩进入高热演化阶段后，有机质孔隙度将会随热演化程度的升高而降低并认为有机质石墨化是高演化页岩有机质孔隙大幅减少的主要原因。然而，尚缺乏对石墨化页岩的孔隙结构开展针对性研究，阻碍了人们对石墨化与有机质孔隙演化规律的理解。本文试图利用激光拉曼、场发射高分辨率透射电镜（TEM）、N2吸附、CO2吸附、扫描电子显微镜（SEM）等技术手段，通过对极高演化页岩（Ro>8%）进行有机质结构表征和孔隙结构刻画，综合分析页岩有机质石墨化与孔隙发育的成因联系，旨在为揭示页岩有机质石墨化对有机质孔隙结构的影响打下基础。

样品取自北京周口店地区房山复式岩体南部的受低温热变质作用影响的二叠系碳质页岩层段。样品的TOC含量处于0.32%-1.25%之间，石英富集，粘土矿物以伊利石为主，还含有白云母、微斜长石和钠长石等低温变质矿物。拉曼参数显示研究区样品已进入石墨化阶段，计算得出其石墨化度位于59%-88%之间，有机质结构以芳香体系占优，而无定形碳、脂肪族及脂肪族侧链已脱落殆尽。TEM分析照片显示，样品有机质的碳层比较平直，条纹长度较大、定向性较好，形成许多堆垛结构，且分布较为密集，片层间距较小（分布在0.336-0.355nm之间），其最小碳层间距所对应的石墨化度可高达89.5%，芳香片层的结晶度和局部有序度很高。气体吸附实验结果表明，样品多为狭缝型及裂口型孔，总比表面积偏低（1.87-7.55m²/g），主要由微孔贡献，而孔隙体积主要由介孔和宏孔贡献，TOC 与介孔、宏孔的孔径呈现较好的相关性，而与微孔体积相关性较差。SEM分析显示，大部分有机质已经具有石墨烯片层特征，可见“折叠状”有机质片层；有机质中布满呈“鱼鳞状”、“水泡状”规律分布的圆形纳米孔，孔径主要分布在50-70nm之间；在叠加有机质片层中，可见“孔中孔”；与无机矿物相接处发育有较大的有机质“周缘孔隙”，部分有机质中可见直径较大（2-10um）、圆度高的孔隙；无机矿物间则发育较多微裂缝。

主要认识如下：（1）高石墨化程度页岩仍以有机质孔隙为主，有机碳含量仍是影响石墨化页岩孔隙结构的重要因素；然而，相较于南华北盆地同层位的低演化页岩，其有机质孔隙以中到大孔为主，孔径分布更加集中，孔隙形态更均匀、圆度更高。（2）房山复式岩体侵入带来极高的热作用，导致有机质大量被消耗、有机质微孔大幅降低，残余有机质的缩聚作用导致矿物和其之间发育“周缘孔隙”，部分微孔和中孔可能会转化为大孔；快速生烃作用会造成孔隙压力突增，导致有机质孔隙发生破裂，形成较大的孔隙和微裂缝；有机质石墨化导致有机质结构的高度有序化和致密化，可能是促使有机质孔隙排列更加有序、结构更加均匀的主要原因。

作者简介：余锐，女，1999年4月生，湖北省十堰市人，硕士研究生，主要从事页岩油气储层及资源评价方面的研究，湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号，中国地质大学（武汉），430000，15827317475，1023565994@qq.com。