川東南五峰組—龍馬溪組與黔東南牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征對(duì)比分析與差異性探討

王濡岳，胡宗全，聶海寬，劉忠寶，陳 前，高 波，劉光祥，龔大建

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石化 頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 4.銅仁中能天然氣有限公司，貴州 銅仁 554300)

頁(yè)巖氣是生成并儲(chǔ)集于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系內(nèi)，以吸附及游離態(tài)為主要賦存方式的一種源、儲(chǔ)一體的天然氣成藏系統(tǒng)[1-2]。涪陵頁(yè)巖氣田的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)重大突破，對(duì)我國(guó)非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到了重要引領(lǐng)示范作用。下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖物質(zhì)基礎(chǔ)良好，分布面積廣泛，在川西南金頁(yè)1井、黔南HY1井、黔東南TX1井和中揚(yáng)子顎宜頁(yè)1井等頁(yè)巖氣探井壓裂測(cè)試中均獲得頁(yè)巖氣流，揭示了較好的頁(yè)巖氣資源潛力[3]。

頁(yè)巖儲(chǔ)層特征受有機(jī)—無(wú)機(jī)礦物組分及其演化、構(gòu)造和成巖等作用共同控制，非均質(zhì)性較強(qiáng)，不同地質(zhì)條件下儲(chǔ)層特征差異明顯。下寒武統(tǒng)與下志留統(tǒng)頁(yè)巖儲(chǔ)層特征存在較大差異。前人研究認(rèn)為下寒武統(tǒng)頁(yè)巖總體成熟度較高，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙發(fā)育尺度與規(guī)模、含氣量與地層壓力系數(shù)較低，保存條件相對(duì)較差[4-12]。本文以川東南JY1井五峰組—龍馬溪組和黔東南TX1井牛蹄塘組頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過(guò)礦物學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)、孔隙結(jié)構(gòu)、甲烷吸附性、巖石力學(xué)和裂縫發(fā)育特征等方面的資料，對(duì)比分析2套頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育特征及其差異性，以期為我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

JY1井位于重慶涪陵焦石壩地區(qū)，位于四川盆地東南緣(圖1)，五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主體為深水陸棚沉積，以黑色含硅黏土質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖為主，富含筆石化石[13]。TX1井位于上揚(yáng)子板塊東南緣黔東南地區(qū)(圖1)，早寒武世為被動(dòng)大陸邊緣深水陸棚沉積，牛蹄塘組以黑色硅質(zhì)頁(yè)巖為主[3-4]。四川盆地及其周緣地區(qū)經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山和喜馬拉雅多期運(yùn)動(dòng)，其中燕山和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)對(duì)古生界海相頁(yè)巖層系的分布、埋深與保存條件等具有重要影響。四川盆地燕山運(yùn)動(dòng)期抬升時(shí)間較晚[5]，構(gòu)造變形與抬升幅度較小，川東南地區(qū)構(gòu)造樣式以隔擋式褶皺為主；湘鄂西—黔北地區(qū)燕山運(yùn)動(dòng)期抬升時(shí)間早、構(gòu)造改造強(qiáng)烈，構(gòu)造樣式以隔槽式褶皺為主。因此，川東南盆外地區(qū)頁(yè)巖氣的生成、富集與保存演化過(guò)程更為復(fù)雜。

圖1 川東南和黔東南地區(qū)位置與關(guān)鍵頁(yè)巖氣井地質(zhì)特征Fig.1 Location and geological features of key shale gas wells in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

2 頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育特征

2.1 巖石學(xué)與有機(jī)地化特征

五峰組—龍馬溪組下段以石英和黏土礦物為主(圖2a)，石英含量介于18.4%～70.6%，平均37.3%；黏土礦物含量介于16.6%～62.8%，平均40.9%；碳酸鹽礦物含量較低，方解石與白云石含量均值分別為3.7%和6.2%；黃鐵礦含量平均2.6%。自下而上石英逐漸降低而黏土含量逐漸增加，下部38 m主力產(chǎn)層石英含量普遍高于40%。牛蹄塘組石英含量介于14.2%～86.3%，平均55.1%；黏土礦物含量介于3.0%～35.3%，平均18.1%；碳酸鹽礦物以白云石為主，平均7.3%；黃鐵礦含量較高，平均8.8%(圖2b)。2套頁(yè)巖礦物組分對(duì)比表明，牛蹄塘組石英與黃鐵礦含量明顯高于五峰組—龍馬溪組，脆性礦物含量普遍大于70%，黏土礦物含量?jī)H為龍馬溪組頁(yè)巖的一半，具有較好的儲(chǔ)層改造潛力。

巖相特征顯示，五峰組—龍馬溪組自下而上依次主要發(fā)育硅質(zhì)頁(yè)巖、含黏土硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖和含粉砂黏土質(zhì)頁(yè)巖，對(duì)應(yīng)水體的變淺、陸源碎屑的增加及生物成因硅的減少(圖3a-d)。牛蹄塘組以硅質(zhì)頁(yè)巖為主，自下而上巖性變化與五峰組—龍馬溪組相似，但陸源碎屑與黏土含量較低，自生燧石條帶發(fā)育，碳質(zhì)與硅質(zhì)含量較高(圖3e-h)。

圖2 川東南五峰組—龍馬溪組與黔東南牛蹄塘組礦物組分特征Fig.2 Mineral composition in the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

圖3 川東南五峰組—龍馬溪組與黔東南牛蹄塘組頁(yè)巖巖相特征Fig.3 Lithofacial characteristics of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

有機(jī)地球化學(xué)方面，五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅰ—Ⅱ1混合型，牛蹄塘組為Ⅰ型；JY1井五峰組—龍馬溪組下段w(TOC)=0.55%～5.89%，平均2.54%，主力產(chǎn)層TOC含量普遍大于3%；TX1井牛蹄塘組w(TOC)=0.36%～10.49%，平均4.60%，含氣層段普遍大于4%(圖4a)。海相頁(yè)巖TOC與石英含量具有良好正相關(guān)性，生物成因硅為硅質(zhì)的重要來(lái)源。五峰組—龍馬溪組與牛蹄塘組TOC與石英含量關(guān)系較為相似(圖4b)，表明二者的沉積、成巖與演化過(guò)程具有一定相似性與可對(duì)比性。

2.2 孔隙發(fā)育特征

五峰組—龍馬溪組主要發(fā)育有機(jī)孔、黏土礦物孔、脆性礦物孔和微裂縫4類(lèi)微觀儲(chǔ)集空間，其中有機(jī)孔為最主要儲(chǔ)集空間。掃描電鏡照片顯示，龍馬溪組黏土礦物孔發(fā)育程度隨黏土含量的下降而降低，上部富黏土段黏土粒間孔發(fā)育程度高(圖5a)，孔徑可達(dá)微米級(jí)；中下部有機(jī)孔發(fā)育程度高，遷移有機(jī)質(zhì)(固體瀝青，生油期原油充注粒間孔縫滯留形成)內(nèi)部有機(jī)孔發(fā)育程度明顯強(qiáng)于原地有機(jī)質(zhì)(筆石、動(dòng)物碎屑等)[1]。遷移有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙呈圓形、橢圓形及不規(guī)則狀，孔徑較大，部分可達(dá)微米級(jí)，原地有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙常呈橢圓形和短條形，孔徑以納米級(jí)為主(圖5b-d)。

圖4 川東南五峰組—龍馬溪組和黔東南牛蹄塘組頁(yè)巖TOC含量分布及其與石英含量關(guān)系Fig.4 Distribution of TOC content and correlations between TOC and quartz contents of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

圖5 川東南JY1井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 FE-SEM images of pores in the Wufeng-Longmaxi shale from well JY1 in southeastern Sichuan Basin

石英等剛性礦物顆粒對(duì)巖石骨架具支撐作用，抗壓實(shí)能力強(qiáng)，其內(nèi)部有機(jī)孔發(fā)育程度強(qiáng)于黏土礦物間有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙(圖5d-f)。此外，龍馬溪組微裂縫發(fā)育，常發(fā)育在有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒邊緣，可達(dá)微米級(jí)，對(duì)有機(jī)孔的連通與頁(yè)巖氣的滲流具有重要作用(圖5g)。與龍馬溪組相比，五峰組有機(jī)孔圓度與發(fā)育程度有所降低，孔徑普遍為納米級(jí)，有機(jī)質(zhì)邊緣以及與礦物顆粒伴生有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙發(fā)育程度較高(圖5h)。此外，五峰組可見(jiàn)部分有機(jī)—無(wú)機(jī)礦物團(tuán)塊發(fā)生揉皺破碎，具碎裂結(jié)構(gòu)，粒間孔縫發(fā)育，孔徑可達(dá)微米級(jí)(圖5i)?？傮w而言，五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)面孔率為10%～50%，平均30%，自上而下，大孔徑無(wú)機(jī)孔數(shù)量降低，大孔徑有機(jī)孔數(shù)量隨TOC含量的增加而增加，總孔隙度逐漸增大。

牛蹄塘組掃描電鏡下微觀孔隙孔徑主要分布在0.01～5 μm，粒間孔發(fā)育程度高，可達(dá)微米級(jí)(圖6)，有機(jī)孔發(fā)育程度較低，孔徑普遍小于30 nm(圖6b，c)，與龍馬溪組差異較大。受控于較強(qiáng)熱演化(有機(jī)質(zhì)收縮)、壓實(shí)與構(gòu)造作用，有機(jī)質(zhì)與石英、黃鐵礦等剛性顆粒間常發(fā)育碎裂—碎粉狀稀疏礦物團(tuán)塊(圖6d-f)，其內(nèi)粒間孔縫發(fā)育，可達(dá)微米級(jí)，礦物團(tuán)塊成分以有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)為主(圖6g)，發(fā)育規(guī)模大于五峰組(圖5i)。高TOC含量頁(yè)巖碎裂化礦物團(tuán)塊發(fā)育程度高，為薄弱帶，易溝通串聯(lián)形成層內(nèi)與層間滑脫裂縫，裂縫面碎裂化礦物粒間孔發(fā)育(圖6h)，能有效改善儲(chǔ)層孔滲能力。此外，碳酸鹽礦物內(nèi)可見(jiàn)納米至微米級(jí)解理與溶蝕孔，對(duì)基質(zhì)與裂縫的孔滲能力具有一定程度的貢獻(xiàn)(圖6i)。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

低溫氮?dú)馕教卣黠@示(圖7)，貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖總體具有H3和H4型曲線(xiàn)形態(tài)[14]，即平行板狀與狹縫狀孔，對(duì)應(yīng)富黏土頁(yè)巖內(nèi)以片狀黏土粒間孔為主；隨TOC含量增加，吸附量與回滯環(huán)面積均逐漸增加，曲線(xiàn)類(lèi)型以H2型為主，對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)內(nèi)部以墨水瓶狀孔隙為主。TOC及有機(jī)孔含量越高，墨水瓶效應(yīng)越顯著[14]。龍馬溪組吸附量與回滯環(huán)面積明顯大于牛蹄塘組，反映其具有更大的孔容與更多的墨水瓶狀有機(jī)孔；而五峰組則具有部分H3型曲線(xiàn)形態(tài)，平板狀孔數(shù)量有所上升；同時(shí)，牛蹄塘組TOC含量為6.8%樣品的吸附量降低(圖7)。

圖6 黔東南TX1井牛蹄塘組頁(yè)巖掃描電鏡照片a.黏土礦物粒間孔發(fā)育程度大于有機(jī)孔；b.有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙發(fā)育程度低，邊緣收縮孔縫發(fā)育；c.有機(jī)孔普遍小于30 nm；d.與有機(jī)質(zhì)伴生的碎裂狀礦物團(tuán)塊，有機(jī)質(zhì)邊緣收縮縫發(fā)育；e，f.剛性礦物與有機(jī)質(zhì)邊緣碎裂化礦物團(tuán)塊大量發(fā)育；g.碎裂化礦物團(tuán)塊成分以有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)為主；h.滑脫縫面粒間孔發(fā)育；i.碳酸鹽礦物內(nèi)部解理與溶蝕孔Fig.6 FE-SEM images of pores in the Niutitang shale from well TX1 in southeastern Guizhou area

圖7 川東南五峰組—龍馬溪組與黔東南牛蹄塘組頁(yè)巖氮?dú)馕交鼐€(xiàn)特征Fig.7 Nitrogen adsorption and desorption isotherms of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

五峰組—龍馬溪組TOC含量與孔隙度、孔容以及比表面均具有良好正相關(guān)關(guān)系；牛蹄塘組則具分段式關(guān)系，當(dāng)w(TOC)>6%，頁(yè)巖孔隙度、孔容與比表面出現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖8a-c)，且?guī)r心與核磁共振測(cè)井孔隙度差異顯著(圖8a)。平均孔徑與TOC含量以及比表面負(fù)相關(guān)(圖8d，e)，表明有機(jī)質(zhì)內(nèi)小于5 nm孔隙大量發(fā)育，五峰組—龍馬溪組平均孔徑普遍大于5 nm，牛蹄塘組普遍小于3～4 nm，單位孔體積具有更大比表面積，利于吸附。根據(jù)Frenkel-Halsey-Hill分形理論，相對(duì)吸附壓力0.5～1區(qū)間內(nèi)分形維數(shù)D2能夠反映儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)特征[15]，其值越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。2套頁(yè)巖TOC含量與D2均具有良好正相關(guān)關(guān)系，五峰組—龍馬溪組D2值位于2.8附近[6]，牛蹄塘組D2值普遍大于2.9(圖8f)，孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

2.4 甲烷吸附特征

蘭氏體積與蘭氏壓力分別反映最大吸附量及甲烷與吸附介質(zhì)間親和力，蘭氏壓力越低，氣體越容易吸附；蘭氏壓力越高，吸附氣越容易解吸。甲烷等溫吸附結(jié)果顯示，吸附量總體隨TOC含量與壓力的增加而增大，牛蹄塘組吸附量普遍大于五峰組—龍馬溪組(圖9a，b)。TOC含量與蘭氏體積具有良好正相關(guān)關(guān)系(圖9c)，表明有機(jī)質(zhì)對(duì)甲烷具有極強(qiáng)的親和力，但當(dāng)w(TOC)>6%時(shí)，牛蹄塘組蘭氏體積增加幅度有限，這與TOC含量與孔隙度、孔容以及比表面間關(guān)系類(lèi)似(圖8a-c)。

五峰組—龍馬溪組和牛蹄塘組蘭氏壓力和蘭氏體積間關(guān)系具有較大差異(圖9d)，五峰組—龍馬溪組蘭氏壓力與蘭氏體積負(fù)相關(guān)，即隨TOC含量和比表面的增加，平均孔徑逐漸降低，吸附勢(shì)增加，更利于甲烷吸附。牛蹄塘組蘭氏壓力與蘭氏體積呈大體正相關(guān)，隨TOC含量與比表面積的增加和平均孔徑的降低，牛蹄塘組吸附能力增加的同時(shí)解吸能力也不斷增加。該現(xiàn)象與變形/變質(zhì)作用對(duì)煤吸附與解吸能力的增強(qiáng)相似，即構(gòu)造煤吸附性與解吸速率明顯高于原生結(jié)構(gòu)煤，構(gòu)造變形通過(guò)改變煤的孔裂隙結(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)增大Ro，提高吸附與解析能力[16]。牛蹄塘組碎裂—碎粉狀有機(jī)—無(wú)機(jī)礦物團(tuán)塊在基質(zhì)與裂縫擦痕面大量發(fā)育(圖6)，與構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)相似，碎裂化礦物團(tuán)塊不僅具有較大比表面積與甲烷吸附性，而且具有更強(qiáng)的解吸能力，使牛蹄塘組具有蘭氏體積與蘭氏壓力雙高特征，更利于氣體的吸附與解吸。

圖8 川東南五峰組—龍馬溪組與黔東南牛蹄塘組TOC含量及礦物含量與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間關(guān)系Fig.8 Correlations among TOC,mineral contents and pore structure parameters of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

圖9 川東南五峰組—龍馬溪組與黔東南牛蹄塘組頁(yè)巖甲烷吸附特征及參數(shù)間相互關(guān)系Fig.9 Characteristics and relationships of methane sorption parameters and TOC content of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

川東南五峰組—龍馬溪組與黔東南牛蹄塘組相比，雖構(gòu)造改造強(qiáng)度相對(duì)較弱，但在相同TOC含量和濕度等條件下，焦石壩地區(qū)JY1井與武隆地區(qū)LY1井五峰組的蘭氏體積與蘭氏壓力均大于龍馬溪組，且LY1井(常壓、構(gòu)造改造強(qiáng)于JY1井)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖的蘭氏體積與蘭氏壓力普遍大于JY1井，體現(xiàn)出隨構(gòu)造改造作用的增強(qiáng)，頁(yè)巖甲烷吸附與解析能力均得到一定程度的增加。

3 頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育特征差異性分析

3.1 儲(chǔ)集空間

對(duì)于五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖，遷移有機(jī)質(zhì)內(nèi)有機(jī)孔是主要儲(chǔ)集空間，有機(jī)孔占總孔隙度的50%～60%[2]。牛蹄塘組有機(jī)孔發(fā)育程度較低且連通性較差[4,17]，有機(jī)孔在總孔隙中占比低于五峰組—龍馬溪組，礦物粒間、粒內(nèi)孔縫，尤其是以碳質(zhì)和硅質(zhì)為主的碎裂化礦物團(tuán)塊粒間孔為重要孔隙來(lái)源。該差異可能受有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、成熟度、成巖及構(gòu)造保存等因素共同影響。

有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度高的頁(yè)巖通常具有Ⅱ型有機(jī)質(zhì)和適度的Ro[4]，Ⅱ型有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，有機(jī)孔產(chǎn)率高于Ⅰ型有機(jī)質(zhì)[7]，如Barnet、Fayetteville、Marcellus、Woodford、Lewis、Eagle Ford、龍馬溪組和龍?zhí)督M頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅱ型、Ⅰ—Ⅱ混合型或Ⅱ—Ⅲ混合型，Ro總體介于1.1%～2.5%。過(guò)低或過(guò)高熱演化程度均不利于有機(jī)孔發(fā)育，牛蹄塘組以Ⅰ型干酪根為主，Ro普遍大于2.5%，處于過(guò)成熟與晚成巖后期—極低變質(zhì)階段，有機(jī)質(zhì)生、排烴潛力極低，甚至發(fā)生碳化，加之較強(qiáng)成巖與壓實(shí)作用，易使有機(jī)孔隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)生萎縮與閉合，有機(jī)孔發(fā)育與保存程度低。

構(gòu)造演化與保存條件對(duì)頁(yè)巖有機(jī)孔的發(fā)育也具有重要影響。地層超壓通常指示有利保存條件，對(duì)頁(yè)巖氣富集、保存和初始產(chǎn)量影響顯著。JY1井與TX1井分別位于齊岳山斷裂兩側(cè)川東隔擋式褶皺帶與湘鄂西隔槽式褶皺帶，構(gòu)造樣式與構(gòu)造演化差異顯著：川東地區(qū)燕山期抬升剝蝕時(shí)間晚，改造強(qiáng)度低，三疊系膏鹽巖蓋層分布廣泛，地層普遍超壓；湘鄂西地區(qū)抬升剝蝕時(shí)間早，后期改造強(qiáng)烈，地層普遍常壓。超壓與弱構(gòu)造改造下龍馬溪組有機(jī)孔圓度與發(fā)育程度高，大孔徑有機(jī)孔大量發(fā)育(圖5d，e)，利于游離氣富集；五峰組緊鄰臨湘組灰?guī)r，構(gòu)造變形與裂縫發(fā)育程度強(qiáng)于上部龍馬溪組，受構(gòu)造與泄壓影響，有機(jī)孔圓度與發(fā)育程度降低(圖5h)。常壓(強(qiáng)泄壓)與強(qiáng)改造條件下牛蹄塘組有機(jī)孔發(fā)育程度低，孔徑小，高熱演化與強(qiáng)改造作用促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)收縮及其伴生碎裂化礦物與裂縫的發(fā)育，甲烷吸附/解吸能力更強(qiáng)，無(wú)機(jī)孔縫在總孔隙中占比較高(圖6)。

3.2 儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)耦合性

TOC與石英含量的正相關(guān)性使高TOC含量伴隨高石英含量，較強(qiáng)的抗壓實(shí)能力利于有機(jī)孔的發(fā)育與保存。高石英含量使頁(yè)巖具有高脆性，利于改造，加之較高的壓力系數(shù)，使涪陵地區(qū)具有“五性一體”頁(yè)巖氣富集特征[2]。對(duì)于牛蹄塘組，當(dāng)w(TOC)>6%，彈性模量隨TOC含量增加出現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖10a)，頁(yè)巖塑性顯著增加，裂縫總量降低，巖石更易被壓實(shí)[4,18-19]，造成孔徑的降低與狹窄孔喉的閉合，使TOC含量與儲(chǔ)層參數(shù)間出現(xiàn)分段式關(guān)系。

受控于南方多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，頁(yè)巖裂縫孔隙不同程度發(fā)育，對(duì)頁(yè)巖氣富集與開(kāi)發(fā)具有重要影響。TOC含量與層間縫的正相關(guān)性以及與脆性的分段式關(guān)系(圖10)使頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征存在顯著差異：(1)當(dāng)TOC、石英含量和脆性三者間為正相關(guān)關(guān)系時(shí)，對(duì)應(yīng)五峰組—龍馬溪組和牛蹄塘組w(TOC)<6%階段，隨TOC與石英含量的增加，頁(yè)巖TOC含量、有機(jī)孔(五峰組—龍馬溪組)/無(wú)機(jī)孔(牛蹄塘組)、脆性和裂縫具有良好耦合與協(xié)同發(fā)育特征，不同類(lèi)型裂縫發(fā)育，構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(圖11a-d)；(2)當(dāng)w(TOC)>6%，牛蹄塘組脆性降低，構(gòu)造縫數(shù)量下降使裂縫總量降低，但TOC含量與層間縫的正相關(guān)性促進(jìn)層間(超壓)縫及其后生滑脫縫的發(fā)育(圖10，11h)；同時(shí)，高TOC含量頁(yè)巖黏聚力和內(nèi)摩擦角較低，更易發(fā)育具有擦痕、階步等特征的低角度滑脫縫與高角度壓扭/張扭性裂縫(圖11e-h)[18]，此類(lèi)裂縫通常未充填或?yàn)樗榱鸦V物充填，裂縫有效性高，對(duì)頁(yè)巖吸附/解吸能力與孔滲均具有重要貢獻(xiàn)(圖6h)。受巖石力學(xué)層的控制，地層厚度越大，裂縫密度越低，裂縫尺度增加；層厚越小，裂縫密度越大，裂縫尺度隨之減小[20-21]，因此位于牛蹄塘組中部8～10 m高TOC含量較強(qiáng)塑性層段裂縫尺度較小，避免了大規(guī)模高角度穿層裂縫的發(fā)育，利于應(yīng)力的釋放與頁(yè)巖氣的保存。此外，牛蹄塘組w(TOC)>6%時(shí)，隨TOC含量增加，巖心與核磁共振測(cè)井孔隙度呈相反變化趨勢(shì)(圖8a)，二者差值可達(dá)3%，與川南地區(qū)N211井五峰組—龍馬溪組類(lèi)似[22]，表明裂縫孔隙對(duì)儲(chǔ)層物性改善顯著。該現(xiàn)象可能受巖心測(cè)試取樣條件(如避開(kāi)裂縫段)和儀器檢測(cè)范圍等因素影響，使牛蹄塘組真實(shí)孔隙度被低估。

3.3 不同地質(zhì)條件與演化階段儲(chǔ)層發(fā)育模式

綜合上述分析，隨熱演化、成巖、構(gòu)造(與泄壓)作用的增強(qiáng)，龍馬溪組、五峰組及牛蹄塘組代表不同地質(zhì)條件與演化階段儲(chǔ)層發(fā)育特征，以JY1井(壓力系數(shù)1.5)和TX1井(壓力系數(shù)1.0)為例：(1)超壓、弱構(gòu)造改造與適度熱演化程度條件下龍馬溪組儲(chǔ)集空間以遷移有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙為主，筆石等原地有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙發(fā)育程度低，石英等剛性礦物顆粒的支撐利于有機(jī)孔的發(fā)育與保存(圖12a)；(2)超壓、中等構(gòu)造改造(弱泄壓)條件下五峰組儲(chǔ)集空間以有機(jī)孔為主，有機(jī)孔發(fā)育程度低于龍馬溪組，與礦物伴生有機(jī)質(zhì)及有機(jī)質(zhì)邊緣孔隙發(fā)育，裂縫與碎裂化礦物發(fā)育程度有所提高(圖12b)，甲烷吸附/解吸能力增強(qiáng)，無(wú)機(jī)孔占比上升；(3)常壓(強(qiáng)泄壓)、強(qiáng)改造與過(guò)高熱演化條件下，牛蹄塘組孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有機(jī)孔發(fā)育程度低，孔徑較小，有機(jī)質(zhì)收縮及其伴生碎裂化礦物與裂縫發(fā)育程度高，無(wú)機(jī)孔占比較大(圖12c)，甲烷吸附與解吸能力更強(qiáng)。(4)當(dāng)w(TOC)>6%，頁(yè)巖塑性增強(qiáng)，黏聚力與內(nèi)摩擦角降低，碎裂化礦物團(tuán)塊等薄弱帶易在成巖與構(gòu)造作用下串聯(lián)、溝通，形成大量層間滑脫縫與壓扭/張扭性裂縫(圖11e-h，12d)，裂縫孔隙發(fā)育，顯著改善儲(chǔ)層孔滲性。

圖10 黔東南牛蹄塘組頁(yè)巖TOC與脆性及層間方解石充填縫發(fā)育程度關(guān)系Fig.10 Correlations among TOC content,Young’s elastic modulus and interlayer fractures with calcite cements of Niutitang shale in southeastern Guizhou area

圖11 川東南與黔東南地區(qū)不同耦合條件下頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征a，b.高角度與水平方解石充填縫發(fā)育，見(jiàn)2條壓扭性縫；c.高角度與水平方解石充填縫；d.多組高角度裂縫構(gòu)成“葉脈狀”網(wǎng)絡(luò)，見(jiàn)水平滑脫縫；e，f.高角度壓扭性縫及擦痕面密集發(fā)育，碎裂化泥質(zhì)充填，w(TOC)>6%；g，h.壓扭性與滑脫裂縫常利用早期方解石充填縫面，w(TOC)>6%Fig.11 Fracture characteristics in different coupling conditions of reservoir parameters in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

圖12 川東南五峰組—龍馬溪組與黔東南牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間發(fā)育特征模式Fig.12 Pattern diagram of reservoir space in the Wufeng,Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

4 結(jié)論

(1)川東南五峰組—龍馬溪組主力產(chǎn)層儲(chǔ)集空間以遷移有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙為主，有機(jī)孔徑較大，達(dá)數(shù)百納米至微米級(jí)，自生石英等剛性礦物支撐作用利于有機(jī)孔的發(fā)育與保存。黔東南牛蹄塘組有機(jī)孔發(fā)育程度較低，孔徑普遍小于30 nm，孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，甲烷吸附與解吸能力更強(qiáng)，碎裂化有機(jī)—無(wú)機(jī)礦物團(tuán)塊普遍發(fā)育，其內(nèi)部粒間孔縫為重要儲(chǔ)集空間。五峰組有機(jī)—無(wú)機(jī)孔隙與裂縫發(fā)育特征介于龍馬溪組與牛蹄塘組之間。

(2)TOC含量對(duì)孔隙與裂縫發(fā)育均具有重要控制作用。當(dāng)w(TOC)<6%時(shí)，五峰組—龍馬溪組與牛蹄塘組TOC含量、脆性、有機(jī)孔/碎裂化礦物粒間孔與裂縫協(xié)同發(fā)育；當(dāng)w(TOC)>6%時(shí)，塑性增強(qiáng)使裂縫總量降低，低黏聚力、低內(nèi)摩擦角與層間縫的發(fā)育利于具有擦痕面的滑脫與壓扭/張扭性裂縫的發(fā)育，裂縫有效性與儲(chǔ)集空間得到顯著改善。

(3)龍馬溪組、五峰組和牛蹄塘組體現(xiàn)不同地質(zhì)條件下儲(chǔ)層演化的階段性特征，即隨有機(jī)質(zhì)熱演化、成巖和構(gòu)造(與泄壓)作用的增強(qiáng)，有機(jī)孔規(guī)模與占比逐漸減小，而孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、甲烷吸附/解吸能力和無(wú)機(jī)孔縫發(fā)育程度均逐漸增大。

致謝：本論文編寫(xiě)過(guò)程中，得到了中國(guó)石化勘探分公司、江漢油田分公司和銅仁中能天然氣有限公司的協(xié)助和支持，在此表示衷心感謝！