天然气地球科学 >

2021 , Vol. 32 >Issue 4: 611 - 622

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.01.003

非常规天然气

湘鄂西地区志留系龙马溪组页岩微观孔隙结构特征及定量表征

  • 徐洁 , 1, 2, 3 ,
  • 郭维华 4 ,
  • 刘皓天 5 ,
  • 秦臻 1, 3 ,
  • 孟强 1 ,
  • 陶辉飞 , 1
展开
  • 1. 中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省油气资源研究重点实验室，甘肃 兰州 730000
  • 2. 兰州城市学院培黎石油工程学院，甘肃 兰州 730000
  • 3. 中国科学院大学，北京 100049
  • 4. 中国石油勘探开发研究院西北分院，甘肃 兰州 730000
  • 5. 中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北 武汉 430000
陶辉飞(1983-)，男，江西抚州人，副研究员，博士，主要从事沉积地质学研究.E-mail：.

徐洁（1982-），女，四川乐山人，博士研究生，主要从事页岩储层研究.E-mail：.

收稿日期: 2020-11-09

  修回日期: 2020-12-30

  网络出版日期: 2021-04-09

收起

Micro-pore structure characteristics and quantitative characterization of Silurian Longmaxi shale in western Hubei and Hunan areas

  • Jie XU , 1, 2, 3 ,
  • Wei-hua GUO 4 ,
  • Hao-tian LIU 5 ,
  • Zhen QIN 1, 3 ,
  • Qiang MENG 1 ,
  • Hui-fei TAO , 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Petroleum Resources，Northwest Institute of Eco⁃Environment and Resources Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
  • 2. Peili Petroleum Engineering College，Lanzhou City University，Lanzhou 730000，China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
  • 4. Research Institute of Petroleum Exploration & Development⁃Northwest，PetroChina，Lanzhou 730000，China
  • 5. Exploration and Development Research Institute，SINOPEC，Jianghan Oilfield Company，Wuhan 430000，China

Received date: 2020-11-09

  Revised date: 2020-12-30

  Online published: 2021-04-09

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The Natural Science Foundation of Gansu Province, China(18JR3RA396)

the National Natural Science Foundation of China(41903013)

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本文亮点

湘鄂西地区为南方海相页岩气勘探开发潜力区之一，志留系龙马溪组是其有利的页岩气层段。利用氩离子抛光—扫描电镜、低温低压氮气和二氧化碳吸附等实验对该区4口取心井的页岩样品孔隙结构进行了定性和定量的联合表征。实验结果表明：该区页岩发育有粒间孔、粒内孔、有机孔、有机质—黏土矿物复合孔以及解理缝，其中最为发育的是黏土矿物与自生矿物相间的粒间孔、有机质—黏土矿物复合孔以及有机孔。页岩样品比表面积为8.038~24.552 m2/g，平均为13.769 m2/g，BJH孔径中孔直径为8.21~13.79 nm，平均为10.43 nm，其中LY1井孔径最大为11 nm，是该井有构造缝发育所致。

本文引用格式

徐洁 , 郭维华 , 刘皓天 , 秦臻 , 孟强 , 陶辉飞 . 湘鄂西地区志留系龙马溪组页岩微观孔隙结构特征及定量表征[J]. 天然气地球科学, 2021 , 32(4) : 611 -622 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.01.003

Highlights

The western Hubei and Hunan areas are one of the potential areas for marine shale gas exploration and development in the south，while the Lower Silurian Longmaxi Formation is one of the favorable shale gas intervals. In this study， the pore structures of shale samples from four coring wells in this area were characterized qualitatively and quantitatively by FE-SEM， low-temperature and low-pressure N2 and CO2 isothermal adsorption experiments.The experimental results show that there are abundant of interparticle pores， intraparticle pores， organic pores， compound pores of organic-clay minerals， as well as cleavage cracks in the shale， among which the most developed are interparticle pores of clay minerals and autogenous minerals， compound pores of organic-clay minerals and organic pores.The specific surface area of the shale is from 8.038 m2/g to 24.552 m2/g， with an average of 13.769 m2/g. The median diameter of the BJH pore diameter is from 8.21 nm to 13.79 nm， with an average of 10.43 nm. The largest pore diameter of Well LY1 is 11 nm， which is caused by the development of structural fractures in the well.

0 引言

至2018年，我国页岩气年产量达到108×108 m3，其产量主要来自于四川盆地奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩［1-2］。2011年，国土资源部开展了对全国页岩气资源的调查评价，认为湘鄂西地区为南方海相页岩气勘探开发潜力区之一，志留系龙马溪组也是其有利的页岩气层段［3］。
页岩气作为一种非常规天然气，以吸附态存储于页岩有机质或无机矿物的表面，或以游离态存储于页岩孔隙或裂缝中，又或以极少的溶解态存储于干酪根和沥青中［4-5］。因此，页岩孔隙体积与孔隙结构成为评价烃源岩储层质量的重要参数，并受到了国内外学者们的广泛关注和研究［6-10］。
相较于常规油气储层，页岩储层具有低孔隙度、超低渗透率、复杂孔隙类型和较广的孔隙分布范围（纳米—微米级）等特征。对页岩储层的孔隙结构表征包括对其定性观察描述和定量计算。定性观察描述主要包括场发射扫描电镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）、离子束聚焦扫描电子显微镜（FIB-SEM）、纳米CT等方法［6-8］；定量计算主要利用流体注入，通过模型获取孔隙结构相关参数，主要方法包括高压压汞、低温低压氮气吸附和低温低压二氧化碳吸附［9-11］。总体而言，各种实验手段各有其利弊，不能采用一种技术就达到全面表征孔隙结构的目的，实际应用中一般采用定性和定量联合表征，以此达到对页岩储层孔隙类型和结构进行精细刻画的目的。
通过资料调研，湘鄂西地区的下志留统龙马溪组页岩的孔隙特征仍缺乏较为全面直观的认识，仅为某一口井或者某一小区块的孔隙表征，且研究手段单一。本文研究在湘鄂西地区选取了4口井共16个样品［图1（a）］采用定性和定量的方法对该区的龙马溪组页岩孔隙进行联合表征，以期对湘鄂西地区志留系龙马溪组富有机质页岩的孔隙结构有更深入的研究，为研究区龙马溪组页岩气勘探开发提供数据参考。
图1 湘鄂西地区区域构造图（a）、湘鄂西早志留世沉积相图（b）和龙马溪组岩性柱状图（c）

①中国石化江汉油田基础资料.内部资料，2015/2016.

Fig.1 Diagram of regional structure （a）， Lower Silurian sedimentary facies（b） and lithological column of the Lower Silurian（c） in western Hubei and Hunan areas

研究采用了氩离子抛光—扫描电镜对页岩孔隙形貌特征进行描述。在扫描电镜观察前，先对样品进行氩离子抛光处理，在有效去除页岩样品表面不平整后对样品的孔隙样貌进行直观观察与描述，并对常见基质成分进行区分。之后，采用低温低压氮气和二氧化碳吸附对页岩中小于1.083 nm的微孔以及在1.083~300 nm之间的微—中—大孔隙进行联合定量表征，所用仪器型号及相关方式方法见徐洁等［12］，此处不再赘述。

1 区域地质概况

湘鄂西区位于重庆市东部局部区域、湖南省西北部、湖北省西南部。东部为宜昌—澧县一线，南部可抵张家界、酉阳，西至建始—彭水一线，北达巴东兴山一带，为中扬子板块的中部褶皱带［图1（a）］［13-14］。
从元古代至今，中扬子板块主要经历了3个构造演化阶段，分别为元古代—晚三叠世的地台演化阶段、晚三叠世—晚侏罗世的盆地演化阶段，和晚侏罗世末—第四纪的褶皱变形阶段［15-16］。直至晚喜马拉雅运动期，湘鄂西因受太平洋板块、亚欧板块俯冲影响而发生挤压隆升，局部发生褶皱，从而形成现今背斜和向斜相间排列的构造格局［图1（a）］［15-16］。
早志留世龙马溪早期，受加里东运动影响，湘鄂西西区为前陆盆地的前渊坳陷，形成了深水陆棚沉积环境［图1（b）］，沉积了厚度为40~60 m的黑色、灰黑色的富有机质页岩和泥页岩［图1（c）］，这为页岩气的形成提供了物质基础。而恩施—来凤以东因受湘鄂西隆起影响，形成浅水陆棚沉积环境［图1（b）］，黑色富碳页岩不发育［17］。

2 储层基本特征

16个样品在进行孔隙测试前都分别进行了总有机碳和矿物组分分析，所用到的是CS902高频红外碳硫分析仪和Empyrean帕纳科锐影多功能X⁃射线衍射仪，测试结果见图2和图3。16个样品TOC含量为0.74%~8.18%，平均为2.87%，总体上16个样品的TOC含量以2%~4%为主（图2）。所取样品的矿物组分以石英和黏土矿物为主（图3），石英有24%~75%，平均为45.6%；黏土矿物有11%~60%，平均为39.8%。此外有一些少量方解石、钾长石、斜长石和黄铁矿，这4种矿物平均含量约为4.9%。
图2 龙马溪组页岩样品有机碳含量

Fig.2 The TOC of Longmaxi shale samples

图3 龙马溪组页岩样品矿物组成分布

Fig.3 The various mineral content of the Longmaxi shale samples

3 孔隙结构特征

在氩离子抛光扫描电镜图像中观察到的孔隙类型采用了LOUCKS等［18］所提出的孔隙分类方案，孔隙类型有粒内孔、粒间孔、有机质孔以及微裂缝。其中粒内孔包括草莓状黄铁矿晶间孔、黏土矿物集合体粒内孔、溶蚀孔、铸模孔等，粒间孔包括各种塑性矿物（如黏土矿物、粪球粒、有机质等）和脆性矿物（石英、长石、碳酸盐矿物、黄铁矿等）间的孔隙，这些粒间孔和粒内孔为无机孔；而有机质孔是指在原生有机质和固体沥青内所发育的各种形态的孔隙；裂缝型孔隙则包括构造缝、成岩收缩缝、层间页理缝等。在以孔隙大小所进行的孔隙分类则是采用了国际理论与应用化学联合会（IUPAC）［19］所提出的将纳米孔按照孔径大小将其分为了3类：微孔（d<2 nm）、中孔（2<d<50 nm）以及大孔（d>50 nm）。

3.1　成像特征

氩离子抛光扫描电镜图像显示研究区4口井的页岩发育有各种无机孔和有机质孔（图4，图5），裂缝型孔隙主要有解理缝、成岩收缩缝，还有个别样品发育有构造缝（图6）。
图4 湘鄂西页岩样品无机孔场发射—扫描电镜图片

（a）HY1-S07，粒内溶孔、有机质—黏土矿物复合孔、有机孔；（b）YZ1-S24，黄铁矿与黏土矿物粒间孔、黏土矿物内层间孔；（c）EY1-S14，粒内溶孔、粒间孔；（d）LY1-S10，粒内孔；（e）HY1-S04，粒内孔（粒内解理），粒间孔；（f）EY1-S06，粒内孔（粒内解理），粒间孔；（g）EY1-S14，黄铁矿晶间孔；（h）LY1-S20，粒间孔；（i）YZ1-S3O，粒间孔

Fig.4 Field emission scanning electron microscope images of the shale inorganic pores in western Hubei and Hunan areas

图5 湘鄂西页岩样品有机质与有机孔场发射—扫描电镜图片

（a）HY1-S04，有机质分布；（b）HY1-S04，有机质与少量有机孔；（c）HY1-S07，有机质—黏土矿物复合孔、粒内孔；（d）LY1-S17，有机孔、粒间孔；（e）HY1-S04，有机孔；（f）HY1-S07，有机质—黏土矿物复合孔、有机孔；（g）LY1-S20，有机孔、粒间孔；（h）YZ1-S06，有机孔；（i）EY1-S06，有机孔、粒间孔、粒内孔

Fig.5 Field emission scanning electron microscope images of the organic matter and organic pores in shale samples in western Hubei and Hunan areas

图6 湘鄂西页岩样品裂缝场发射—扫描电镜图片

（a）NY1-S06,粒间缝；（b）LY1-S20,解理缝；（c）LY1-S20，构造缝

Fig.6 Field emission scanning electron microscope images of the fissures in shale samples in western Hubei and Hunan areas

3.1.1 无机孔

（1）粒内孔。湘鄂西龙马溪组岩页粒内孔主要类型有颗粒部分溶解的粒内孔［图4（a）—图4（f）］和草莓状黄铁矿结核内晶间孔隙［图4（g）］，其中部分溶解的粒内孔更为常见。扫描电镜视域下，粒内孔孔径有几至几百纳米。孔径几至几十纳米的粒内孔主要在颗粒矿物内呈点状或椭圆状零星分布，此类孔隙连通性差［图4（c）］；有的点状或椭圆状孔隙连接起来则形成了宽几至十几纳米，长几十至三四百纳米的条状孔隙［图4（d）—图4（f）］，这些颗粒矿物内的条状孔隙平行排列，应为颗粒矿物的解理溶解，这类解理孔若与其他孔隙连通，则极大增加了页岩渗透能力。草莓状黄铁矿结核内晶间孔有的被固体沥青所充填［图4（g）］，未被充填时其孔隙孔径十几至几十纳米，连通性较好。
（2）粒间孔。粒间孔在湘鄂西区龙马溪组页岩中最为发育，在各井样品中均被观察到。其中在黏土矿物、小颗粒矿物、小颗粒黄铁矿混积处所发育的相互连通、孔径有几十至几百纳米的圆状、椭圆状、长条状、港湾状的粒间孔最为发育［图4（b），图4（e），图4（f），图4（h），图4（i）］。这类粒间孔与O′BRIEN［20-21］和BENNETT等［22］在黏土矿物集合体中所发现的片状黏土矿物的面和边缘定向接触发育“纸房构造”具有相似性。但在研究区可见，若片状黏土矿物间没有小颗粒矿物与其相间充填，则几乎不发育“纸房构造”［图5（g）］。此外，在一些刚性颗粒间发育一些长1~4 μm，宽几至十几纳米的边缘孔，而宽度较大的边缘孔内还有一些自生矿物充填［图4（c）］。

3.1.2 有机孔

有机质在页岩中以富集态和分散态散布于颗粒矿物和黏土矿物间［图5（a）］。富集态有机质碳元素含量很高，其质量百分数最高可达100%，所观察样品中最大有机质颗粒可达二十几微米［图5（a）］，但最为常见的富集态有机质粒径大多为几个微米［图5（a），图5（d），图5（e），图5（h），图5（g）］；在湘鄂西龙马溪组页岩中，以无定性状分散于黏土矿物间及表面、草莓状黄铁矿间、解理缝间的细小有机质更为常见［图5（a），图5（c），图5（d），图5（f），图5（i）］，其形态取决于孔隙形态。这些细小有机质有可能是无定性藻类，更大可能为固态沥青。
镜下观察，样品中颗粒较大的块状有机质（颗粒长度7~8 μm）其内部仅有少量孤立存在的小孔径孔隙［图5（a），图5（b）］，根据前人研究，这类有机质为原始沉积的有机质即固体干酪根［23］。此外，这类有机质在其边缘有较为密集的孔径约为20~100 nm的圆形、长条形有机孔发育，应该是其干酪根生成的液态烃就近在其与颗粒矿物间孔隙充填后，在受热分解排出烃后所形成的孔隙。在龙马溪页岩样品中也有较多形如图5（d）的长条状有机质也基本不发育有机孔，据MA等［24］，这类有机质为笔石表皮，而这类皮层组织孔隙不发育。
在电镜视域下，除上述少量有机质不发育有机孔外，湘鄂西页岩大多有机质都发育有机孔中—大孔径有机孔。颗粒稍大的有机质在TOC含量大于3%的页岩中较为常见［图5（e），图5（h）］。若其内部仅有自生矿物颗粒充填，其内发育的有机孔孔径分布较窄，以10~100 nm为主，呈圆状、港湾状、条状［图5（e）］。仔细观察条状和港湾状孔隙，发现是由多个圆状孔隙连通所致，认为是有机质多期排烃所致。若其内充填有较多自生矿物，则其孔径分布较宽，5~400 nm不等［图5（h）］。对于TOC含量低于3%的龙马溪组页岩样品，细小有机质更为常见，若充填于大量颗粒矿物和少量黏土矿物间，所发育的有机孔孔径分布以10~200 nm为主［图5（g），图5（i）］。在龙马溪组页岩中，最为引入注意的是黏土矿物与有机质复合物中的有机质—黏土矿物复合孔，这类孔隙不仅多，而且孔隙孔径大，呈现出有机孔与黏土矿物层间孔相互叠加并连通的特征。

3.1.3 裂缝

有机质受热收缩形成的裂缝在湘鄂西4口井页岩样品中极少发育，在LY1井有见构造缝，而在4口井样品中最为常见的裂缝类型则是解理缝以及由粒间孔彼此连接起来所形成的粒间缝（图6）。在LY1-20样品中的构造缝长度可达20 μm，其余样品中所出现的解理缝和粒间缝一般为几个微米。

3.2　低温氮气吸附特征

氮气吸附—脱附曲线在一定程度上能反映页岩样品的孔隙特征［10］。实验样品的曲线都呈反“S”特征（图7），与SING［19］所提出的经典吸附—脱附曲线［12］Ⅳ型相同（图8）：在低压段（0<P/P 0<0.3），曲线呈现缓慢上升，说明其有一定的微孔发生单分子吸附；随着压力升高（0.3<P/P 0<0.8），吸附量呈现缓慢增加，是中孔发生多分子层吸附的结果；在曲线后半段（0.8<P/P 0<1），吸附量随相对压力的增加而快速增大，且接近饱和蒸汽压时也未达到吸附饱和，说明这些页岩样品含有一定量的大孔。此外，除LY1-S20样品，所有样品的脱附曲线与吸附曲线在中等压力间所出现的滞留环特征均介于SING［19］所提出的H2型和H3型（图7，图8）之间，即代表这4口井页岩样品均含有墨水瓶状孔和由板状颗粒聚集所形成的裂隙孔。LY1-S20的滞留环特征更偏向于H3型，从图4（h）和图5（g）可以看出该样品发育的墨水瓶状孔与其余样品发育基本相同，而造成此样品的吸附量极大增加以及吸附—脱附曲线的形态特征应该是由于该样品所发育的构造缝［图6（c）］，构造缝的存在极大提高了样品的吸附量和渗透性。
图7 湘鄂西部分页岩样品低温氮气吸附—脱附曲线

Fig.7 Low pressure N2 adsorption and desorption isotherms of shale samples in western Hubei and Hunan areas

图8 物理吸附等温线与滞留环类型［19］

（a）曲线类型 （b）滞留环类型

Fig.8 Types of physisorption isotherms and hysteresis loops［19］

3.3　低温二氧化碳吸附特征

实验样品的二氧化碳吸附曲线及数据分别见表1和图9，其吸附曲线与SING［19］中的I型—微孔介质吸附曲线相符（图8）。4口井页岩样品的最大二氧化碳吸附量为2.40~4.62 cm3/g，平均为3.00 cm3/g。其中，YZ1井平均最大二氧化碳吸附量为2.75 cm3/g，EY1井平均为2.94 cm3/g， LY1井平均为3.44 cm3/g， HY1井平均为2.68 cm3/g，说明LY1井小于1.083 nm的微孔更为发育。
表1 湘鄂西页岩样品孔隙结构参数测定结果

Table 1 Results of pore structure of shale samples in western Hubei and Hunan areas

样品名 N2吸附 CO2吸附 N2 & CO2吸附

BET表面积

/（m2/g）

 BJH孔直径/nm BJH孔体积/（cm3/100 g） 最大吸附量 /（cm3/g） 微孔表面积 /（m2/g） 微孔体积/ （cm3/100 g) 最大吸附量 /（cm3/g） 微孔体积 /% 中孔体积 /% 大孔体积 /% 总孔体积/（cm3/100 g）
YZ1-S30 18.19 11.62 4.30 28.70 22.93 0.179 2.82 19.16 52.68 28.16 2.40
YZ1-S24 12.62 10.70 2.33 16.23 22.66 0.146 2.61 30.89 36.91 32.20 1.29
YZ1-S18 17.74 10.17 3.24 22.46 24.91 0.220 3.06 35.64 34.47 29.89 1.56
YZ1-S12 10.60 11.38 1.53 11.56 22.17 0.156 2.67 34.13 33.80 32.08 1.33
YZ1-S06 11.05 8.84 1.73 12.14 21.65 0.147 2.59 45.97 38.83 15.20 0.78
EY1-S14 12.50 9.78 2.18 15.17 23.84 0.122 2.59 33.00 50.05 16.96 1.16
EY1-S10 15.64 10.81 2.79 19.68 23.89 0.154 2.78 34.30 37.61 28.09 1.40
EY1-S06 10.48 10.51 1.94 13.49 26.20 0.083 2.81 29.89 47.19 22.92 0.95
EY1-S02 24.55 8.38 3.87 26.80 29.38 0.229 3.59 32.01 54.00 13.99 2.25
LY1-S25 12.82 11.54 2.16 15.64 27.96 0.154 3.21 28.87 36.38 34.75 1.67
LY1-S20 21.57 13.79 6.18 40.89 29.46 0.297 3.67 14.38 46.38 39.24 4.01
LY1-S17 11.48 10.78 2.26 15.55 23.44 0.166 2.84 31.88 40.18 27.94 1.15
LY1-S15 9.99 10.68 1.76 12.42 25.08 0.147 2.84 29.52 36.47 34.01 1.18
LY1-S10 12.34 8.21 2.13 14.25 37.41 0.363 4.62 47.69 39.60 12.71 1.12
HY1-S07 8.04 11.16 2.24 14.42 21.91 0.070 2.40 13.16 51.62 35.21 1.02
HY1-S04 10.68 8.48 1.85 12.49 25.55 0.141 2.96 31.17 49.71 19.12 1.03
图9 湘鄂西页岩样品低温二氧化碳吸附曲线

Fig.9 Low pressure CO2 adsorption isotherms of shale samples in western Hubei and Hunan areas

3.4　孔隙结构特征

16个页岩样品由氮气吸附计算的比表面积为8.038~24.552 m2/g，平均为13.769 m2/g。其中YZ1井页岩样品比表面积平均为14.041 m2/g，EY1井比表面积平均为15.794 m2/g，LY1井比表面积平均为13.641 m2/g，HY1井比表面积平均为9.359 m2/g。比表面积主要由微—中孔贡献［9，25］，由以上数据说明湘鄂西4口井中EY1井微中孔更为发育。此外，这些样品的中孔直径为8.21~13.79 nm，平均为10.43 nm，其中LY1井中孔直径最大，平均为11 nm。与四川盆地的龙马溪组页岩相比［25］，湘鄂西龙马溪组页岩的微孔含量偏少，中孔含量更高。
联合二氧化碳和氮气吸附数据中DFT模型计算出页岩样品的微—中—大孔体积和总体积，并分别计算出微—中—大孔体积在总体积中的占比（表1）。结果显示页岩样品微孔体积占比13.16%~47.69%，平均为30.73%；中孔体积占比33.8%~54%，平均为42.87%；大孔体积占比12.71%~39.24%，平均为26.4%。可以看出4口井的龙马溪组页岩样品的孔体积主要由微孔和中孔所贡献。

4 孔隙结构发育影响因素

4.1　有机质

有机质对有机孔发育的影响因素包括成熟度（R O）、总有机碳含量（TOC）以及有机质类型等。有机孔是成熟页岩储集空间的重要组成部分，是有机质热演化生烃过程中所形成的产物［18，26-27］。页岩进入成熟阶段后（R O>0.6%），有机质随着成熟度增加而不断消耗转化为烃类，有机孔随之增多［26，28-29］。同一区域同一地层的成熟—过成熟页岩中，孔隙体积与总有机碳总体呈现正相关关系［11，25-26］。此外，不同有机质具有不同的生烃能力，Ⅰ、Ⅱ型干酪根更易于生油并形成具有较大孔径的有机孔，而Ⅲ型干酪根易于生气形成较多较小孔径的有机孔［27，30］。
如上文所述，湘鄂西地区龙马溪组页岩除极少量的固体干酪根及长条状笔石表皮几乎不发育中—大孔径有机孔外，其余有机质在扫描电镜视域下有机孔发育良好，这应与该地区干酪根类型以Ⅱ1型为主有关［31］。页岩进入生油窗后（R O=0.5%~1.3%），这些富氢富脂的有机质受热解作用形成了较多的液态烃，一部分从页岩中排出进入适当的储层实现了油气的初次运移，另一部分则充填于排出液态烃所形成的有机孔内，充注于页岩中丰富的粒间、粒内孔中，吸附于黏土矿物的表面；页岩进入高—过成熟阶段（R O>1.3%），随着长链烃和沥青的二次裂解，原有有机孔得以重现，气态烃排出的同时形成新的微孔，有机质内呈现出丰富的小—中—大孔径有机孔［26，28，30］。
将页岩样品TOC与其孔隙体积进行拟合，结果表明该区页岩样品二氧化碳最大吸附量与总有机碳有较强正相关关系、微孔体积与总有机碳的正相关关系较前者减弱，与大孔体积有较弱反比关系（图10）。二氧化碳吸附用于测量小于1.083 nm的微孔，因此从其吸附量与总有机碳的相关性判断：小于1.083 nm的微孔应该主要是有机孔；但微孔体积与总有机碳的相关性降低说明1.083~2 nm的微孔除有机孔外，应该还有一些无机孔做贡献。中孔体积占比与有机孔关系不明确，虽然从镜下观察研究区页岩样品中有机孔中—大孔很发育，但由于其总有机碳含量主要分布在2%~3%之间，其量小故而对孔体积的贡献少。随有机质含量增多，大孔体积占比与其出现较弱负相关关系应该是有机质充填于无机矿物孔隙中占据了一定量的大孔；同时有机质的抗压能力、低塑性强，导致有机质含量较高的页岩在地层压力下被压得更为紧实；此外，总有机碳含量越高，页岩中不发育中—大有机孔的有机质含量就越多。
图10 总有机碳含量与孔隙体积关系

Fig.10 Plots of the TOC and pore volume

4.2　矿物组成

图4以及中—大孔孔体积与总有机质关系均表明研究区页岩发育有丰富的无机孔。研究区有少量溶蚀孔发育（图4），应该与该区页岩发育长石有关，但是长石与孔体积并无相关性，可能是在此次实验样品中的长石含量本身并不高，因此溶蚀孔于孔体积无太大贡献。无机孔中最为发育的是由黏土矿物与其他矿物相间所形成的粒间孔。此外，还发育一些由黏土矿物与充填于黏土矿物层间孔或吸附于表层的有机质所形成的有机质—黏土矿物复合孔，因为这类孔隙的发育是黏土矿物与有机质共同作用的结果，故而在此讨论。
在扫描电镜视域下，黏土矿物与颗粒矿物的粒间孔在各个样品中均发育良好，但是黏土矿物含量与孔体积却无简单的线性关系（图11），呈现的是黏土矿物含量与微孔没有相关性，而中、大孔体积占比与黏土矿物含量在黏土矿物含量30%~40%间存在一个此消彼长的关系，即中孔体积随黏土矿物含量的增多呈先减小后增大，而大孔体积则是随其增多先增大后减小，这既与电镜观察相符又是黏土矿物物理性质的体现。
图11 黏土矿物含量与孔隙体积关系

Fig.11 Plots of clay mineral content and pore volume

在成岩作用中—晚期中，蒙脱石向伊利石转化，片状伊利石呈长条状，成层好［32］，与此同时形成了丰富的层间孔。在矿物转化过程中伴随有自生石英形成，并充填于部分黏土矿物层间孔内［33］，这些自生石英起到了抑制压实的作用，使得黏土矿物层间孔得到有效保存，并且这些孔隙如镜下观察以大孔为主。随黏土矿物越来越多时，由于黏土矿物属于软性矿物，在地层压力下逐渐被压紧，孔隙孔径逐渐减小，由大孔逐渐变为中孔。
此外，有机质—黏土矿物复合孔的形成与龙马溪组页岩黏土矿物含量较高密不可分，黏土矿物在转换中能形成较多的黏土矿物层间孔，同时由于其较强的吸附能力使得龙马溪组较多的液态烃在初次运移时不仅充填于黏土矿物层间孔内，还吸附于黏土矿物的表面，随着成熟度的升高，固态沥青受热分解形成有机孔，而黏土矿物对生排烃的催化作用［34］使得这些固态沥青更为有效的分解，因此形成更多大小孔径不一的孔隙。

5 结论

利用氩离子抛光—扫描电镜、低温低压氮气和二氧化碳吸附对湘鄂西地区龙马溪组页岩孔隙特征进行了研究，该区龙马溪组页岩具有如下特征：
（1）研究区龙马溪组页岩发育有丰富孔隙类型，包括溶蚀粒内孔、黏土矿物层间孔、黄铁矿晶间孔、黏土矿物与颗粒矿物相间的粒间孔、有机质孔、有机质—黏土矿物复合孔，以及解理缝和少量的构造缝。
（2）研究区页岩样品比表面积为8.038~24.552 m2/g，平均为13.769 m2/g，四口井中龙马溪组页岩BJH孔径中孔直径为8.21~13.79 nm，平均为10.43 nm，其中LY1井中孔直径最大，平均为11 nm。总体该区页岩以微—中孔为主，对比四川盆地龙马溪组页岩，湘鄂西龙马溪组页岩微孔含量偏低，中孔偏多。
（3）对研究区页岩孔隙影响因素分析认为：研究区页岩微孔主要发育于有机质中，在镜下观察虽然有机孔以中—大孔为主，但随总有机碳含量的增加页岩大孔体积减少，这是其抗压能力差，且不发育中—大孔的固态干酪根以及笔石表皮变多所致；黏土矿物与颗粒矿物层间孔的发育是矿物转化过程中伴随有自生颗粒矿物的生成抑制压实作用的结果，而有机质—黏土矿物复合孔是黏土矿物对有机质催化作用的结果。

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