中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及勘探方向

高 波，劉忠寶，舒志國(guó)，劉皓天，王濡岳，金治光，王冠平

[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 頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 4.中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，湖北 武漢 430223；5.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 6.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083]

頁(yè)巖氣具有自生自儲(chǔ)、低孔特低滲和大面積連續(xù)分布的特點(diǎn)。頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征對(duì)于揭示頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙特征、儲(chǔ)集性能、頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)及滲流機(jī)理都具有重要作用。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者借鑒美國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層表征方法，在四川盆地海相頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)了微米-納米級(jí)孔隙[1]，并迅速以下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖為主要對(duì)象開(kāi)展了頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)觀測(cè)、孔隙分類、連通性及其與北美地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層特征對(duì)比等研究[2-9]，提出了頁(yè)巖中固態(tài)的孔隙載體控制著孔隙結(jié)構(gòu)，有機(jī)質(zhì)及有機(jī)質(zhì)孔的存在是其不同于常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的關(guān)鍵，有機(jī)質(zhì)孔是頁(yè)巖氣最主要儲(chǔ)集空間的認(rèn)識(shí)[10]。下寒武統(tǒng)作為中國(guó)四川盆地及其周緣志留系頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重要接替層系之一，近幾年雖在川西南的威遠(yuǎn)及井研-犍為地區(qū)、黔南黃平及鄂西宜昌地區(qū)也獲得了頁(yè)巖氣流，但整體勘探程度很低。與志留系相比，下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度大、熱演化程度高(鏡質(zhì)體反射率Ro普遍大于3.0%)[11]、分布面積廣，是中國(guó)乃至全球開(kāi)展古老層系海相頁(yè)巖氣勘探研究的重要領(lǐng)域。為此，本文以中上揚(yáng)子為研究區(qū)，通過(guò)沉積巖石學(xué)和層序地層學(xué)研究，明確了下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的成因類型。在此基礎(chǔ)上，充分利用全巖X衍射、氦氣孔滲、高壓壓汞-氮?dú)馕铰?lián)合孔徑測(cè)定、氬離子拋光-掃描電鏡及聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)等多種技術(shù)手段，對(duì)下寒武統(tǒng)不同類型頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙特征進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了下寒武統(tǒng)與下志留統(tǒng)頁(yè)巖儲(chǔ)層的差異性，并探討了其形成影響因素。結(jié)合下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣形成地質(zhì)條件，提出了勘探方向建議。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

中上揚(yáng)子地區(qū)面積50×104km2(圖1)，其構(gòu)造-沉積旋回隸屬于揚(yáng)子板塊的構(gòu)造演化。寒武紀(jì)早期，揚(yáng)子古克拉通進(jìn)入擴(kuò)張期，其南緣的湘桂克拉通邊緣盆地屬大陸坡或下斜坡的深盆環(huán)境。在現(xiàn)今的中上揚(yáng)子一帶，則表現(xiàn)為伸展環(huán)境下的克拉通內(nèi)拗陷沉積，并于早寒武世早期(筇竹寺期)達(dá)到最大海侵，廣泛沉積了黑色頁(yè)巖；早寒武世中期(滄浪鋪期)，盆地沉降機(jī)制由伸展作用轉(zhuǎn)變?yōu)橐詿岢两底饔脼橹?，地貌上的?凹格局消失；隨著沉積速率增大和海平面下降、海水變淺，早寒武世晚期(龍王廟期)大部分地區(qū)沉積水體進(jìn)一步變淺，且趨于穩(wěn)定，廣泛發(fā)育一套碳酸鹽巖臺(tái)地相沉積。

下寒武統(tǒng)具有地層分區(qū)多，地層名稱復(fù)雜、多樣的特點(diǎn)，其主要地層分區(qū)及各組之間對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。其中，早寒武世梅樹(shù)村階以Anabarites-Protohertzina-Arthrochites，Siphogonuchites-Paragloborilus和Lapworthella-Tannuolina-Sinoscachites小殼化石為特征；筇竹寺階(筇竹寺組中、上部)以Parabadiella-Mianxiandiscus和Eoredlichia-Wutinggaspis三葉蟲(chóng)組合帶為標(biāo)志；滄浪鋪階(滄浪鋪組)以Yunnanaspis-Yiliangella三葉蟲(chóng)組合帶為標(biāo)志[12]。黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育于早寒武世筇竹寺期。

圖1 研究區(qū)平面位置Fig.1 Location of the study area

表1 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)地層分區(qū)及劃分對(duì)比Table 1 Stratigraphical division and correlation of the Lower Cambrian in the Middle-Upper Yangtze area

2 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖成因類型及特征

研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖全巖X衍射測(cè)試和巖石薄片鑒定分析結(jié)果表明，頁(yè)巖礦物成分以石英和粘土礦物為主，局部發(fā)育碳酸鹽礦物；硅質(zhì)來(lái)源有碎屑石英顆粒(粉砂)和生物成因硅質(zhì)(硅質(zhì)放射蟲(chóng)、海綿、藻類等)兩種類型。查明不同地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖之間的差異，是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣勘探潛力的重要基礎(chǔ)。一般來(lái)講，頁(yè)巖的物質(zhì)(有機(jī)、無(wú)機(jī))組成主要受控于原始構(gòu)造-沉積環(huán)境。因此，本次通過(guò)典型露頭剖面與鉆井巖心觀察、巖石薄片與氬離子拋光-掃描電鏡分析，識(shí)別出了5類沉積相標(biāo)志，包括層理構(gòu)造、黃鐵礦、結(jié)核體、上升流作用產(chǎn)物及古生物化石[13]。以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展單井相及連井沉積相對(duì)比分析。結(jié)合頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度、厚度及構(gòu)造-古地貌特征，建立了早寒武世筇竹寺期富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積成因模式(圖2)，并刻畫了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的平面展布特征(圖3)。從沉積成因角度識(shí)別出3種類型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，即棚內(nèi)拉張槽型、陸架邊緣斜坡型和臺(tái)地前緣斜坡型。其中，棚內(nèi)拉張槽型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要分布在四川盆地西部地區(qū)，呈南北向條帶狀展布，主要受基底斷裂幕式塹壘式活動(dòng)與強(qiáng)迫海侵作用共同控制；陸架邊緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要分布在四川盆地外的東南部地區(qū)，主要受海侵與上升洋流作用控制；而臺(tái)地前緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要分布在東部宜昌地區(qū)，其主要為受淹沒(méi)型古碳酸鹽巖臺(tái)地控制的呈環(huán)邊分布的較深水斜坡相沉積。

圖2 中上揚(yáng)子地區(qū)早寒武世筇竹寺期富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積發(fā)育模式Fig.2 The development model of the organic-rich shale during the Qiongzhusi sedimentary period in the Early Cambrian,Middle-Upper Yangtze area

圖3 中上揚(yáng)子地區(qū)早寒武世筇竹寺期沉積相展布Fig.3 Sedimentary facies distribution of the Early Cambrian Qiongzhusi Formation in the Middle-Upper Yangtze area

2.1 棚內(nèi)拉張槽型

頁(yè)巖巖性以富含粉砂質(zhì)及粘土礦物為特點(diǎn)，有機(jī)碳含量(TOC)介于0.4%～3.4%，平均值為1.1%。巖性組合以紋層狀粉砂質(zhì)頁(yè)巖與炭質(zhì)頁(yè)巖互層為主(圖4a，b)?？v向上表現(xiàn)為多層分布，厚度由中部向東、西兩側(cè)減薄的特點(diǎn)，如西側(cè)的JY1井筇竹寺組共發(fā)育4套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段[14]，其上部產(chǎn)氣頁(yè)巖段TOC大于1%的厚度為14 m，TOC大于2%的厚度僅有5 m。多套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的沉積主要受早期基底斷裂拉張幕式塹壘式活動(dòng)控制，受多期拉張裂陷作用，發(fā)生強(qiáng)迫式快速海侵，導(dǎo)致沉積水體突然加深，陸源碎屑砂質(zhì)供給不充分，加之平面上呈南北帶狀展布，形成相對(duì)閉塞、缺氧環(huán)境，有利于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的發(fā)育。該類型為淺水陸棚沉積環(huán)境背景下，受構(gòu)造-沉積雙重作用控制的相對(duì)深水沉積。

2.2 陸架邊緣斜坡型

頁(yè)巖巖性以富含硅質(zhì)為特點(diǎn)，TOC介于2.2%～9.5%，平均值為6.3%。巖性組合主要為硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖(圖4c，d)或兩者互層發(fā)育。縱向上表現(xiàn)為大套連續(xù)、厚層分布，如黔南地區(qū)HY1井九門沖組頁(yè)巖TOC大于4%的厚度可達(dá)90 m，為遠(yuǎn)離碎屑物源區(qū)的深水陸棚沉積。從沉積物沉積類型來(lái)看，沉積水體深度明顯較棚內(nèi)拉張槽型大，由于上升洋流作用發(fā)育，藻類等生物繁盛，有機(jī)質(zhì)含量高。該類型為淺水陸架邊緣斜坡沉積背景下，受古地貌及海侵作用控制的深水陸棚相沉積。

2.3 臺(tái)地前緣斜坡型

頁(yè)巖巖性以富含灰質(zhì)為特點(diǎn)，TOC介于0.52%～5.96%，平均值為3.42%。巖性組合主要為灰質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖(圖4e，f)或兩者互層發(fā)育?？v向上同樣表現(xiàn)為較為連續(xù)的厚層分布，如宜昌地區(qū)YD2井水井沱組頁(yè)巖TOC大于2%的厚度約為24 m，為靠近水下碳酸鹽巖古隆起的臺(tái)地前緣斜坡相沉積，沉積水深適中，水體清澈，利于藻類等生物發(fā)育，故有機(jī)質(zhì)相對(duì)也較為富集。該類型為受淹沒(méi)型古碳酸鹽巖臺(tái)地控制的呈環(huán)邊型分布的較深水斜坡相沉積。

圖4 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)不同類型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖巖石薄片鏡下特征Fig.4 Microscopic characteristics of the Lower Cambrian organic-rich shale thin sections in the Middle-Upper Yangtze areaa.棚內(nèi)拉張槽型紋層狀粉砂質(zhì)頁(yè)巖，單偏光，JY1井，筇竹寺組，埋深3 309.10 m；b.棚內(nèi)拉張槽型炭質(zhì)頁(yè)巖，單偏光，JY1井，筇竹寺組，埋深3 285.75 m；c.陸架邊緣斜坡型硅質(zhì)頁(yè)巖，單偏光，HY1井，九門沖組，埋深2 376.21 m；d.陸架邊緣斜坡型炭質(zhì)頁(yè)巖，單偏光，HY1井，九門沖組，2 402.80 m；e.臺(tái)地前緣斜坡型灰質(zhì)頁(yè)巖，單偏光，YD2井，水井沱組，埋深1 719.50 m；f.臺(tái)地前緣斜坡型炭質(zhì)頁(yè)巖，單偏光，YD2井，水井 沱組，埋深1 700.70 m

3 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙特征及影響因素

3.1 頁(yè)巖孔隙類型及差異

采用氬離子拋光掃描電鏡進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)表征，是目前開(kāi)展孔隙類型識(shí)別與劃分最為直觀和有效的技術(shù)方法。大量研究表明，志留系龍馬溪組頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔和無(wú)機(jī)礦物質(zhì)孔均較發(fā)育，但由于中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖熱演化程度高，儲(chǔ)層更加致密，對(duì)其微觀孔隙的表征一直未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，尤其是對(duì)于有機(jī)質(zhì)孔隙的圖像表征，僅在極少數(shù)頁(yè)巖樣品中發(fā)現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)孔。本次研究選取不同類型的頁(yè)巖樣品，通過(guò)高精度顯微鏡將觀察倍數(shù)提高至8萬(wàn)、10萬(wàn)倍，較好地獲得了下寒武統(tǒng)頁(yè)巖微觀孔隙特征圖像。

大量頁(yè)巖樣品的氬離子拋光-掃描電鏡觀察分析表明，研究區(qū)下寒武統(tǒng)不同類型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖微觀孔隙類型及特征存在明顯差異(圖5)。棚內(nèi)拉張槽型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙以粒間孔和粘土礦物層間孔為主，形態(tài)多呈三角形、多邊形及狹縫形；其次為有機(jī)粘土復(fù)合體內(nèi)有機(jī)質(zhì)孔，形態(tài)多呈不規(guī)則形。陸架邊緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖以固體瀝青內(nèi)有機(jī)質(zhì)孔為主，且孔徑明顯較小，一般幾至30 nm為主，無(wú)機(jī)礦物質(zhì)孔基本不發(fā)育[15]。而臺(tái)地前緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要以有機(jī)質(zhì)孔和方解石粒內(nèi)溶蝕孔為主，其次為粒間孔，各類孔隙孔徑大小不一。

眾所周知，與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，頁(yè)巖儲(chǔ)層的特殊之處在于發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，且目前普遍認(rèn)為有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育對(duì)于頁(yè)巖氣的富集具有至關(guān)重要的作用。為了進(jìn)一步揭示研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖有機(jī)孔的分布特征，本次選取棚內(nèi)拉張槽型炭質(zhì)頁(yè)巖和陸架邊緣斜坡型硅質(zhì)頁(yè)巖，采用聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)進(jìn)一步開(kāi)展有機(jī)質(zhì)孔在三維空間內(nèi)發(fā)育特征及定量研究與對(duì)比(圖6)?？紫督Y(jié)構(gòu)定量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)孔隙體積一般介于103～1503nm3；其中，孔隙體積介于103～203nm3的孔隙數(shù)量占56.92%，孔隙體積介于203～503nm3的孔隙數(shù)量占33.76%，孔隙體積介于503～1003nm3的孔隙數(shù)量占7.69%，孔隙體積介于1003～1503nm3的孔隙數(shù)量占1.16%，孔隙體積大于1503nm3的孔隙數(shù)量占0.47%。陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)孔隙體積一般介于53～503nm3；其中，孔隙體積介于53～103nm3的孔隙數(shù)量占21.03%，孔隙體積介于103～203nm3的孔隙數(shù)量占51.89%，孔隙體積介于203～503nm3的孔隙數(shù)量占24.50%；孔隙體積大于503nm3的孔隙極少。從有機(jī)質(zhì)孔的長(zhǎng)軸與短軸比來(lái)看，棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)孔孔徑長(zhǎng)軸/短軸比介于1～5.88；其中，長(zhǎng)軸/短軸比介于1.0～1.5的孔隙占總孔隙數(shù)量的45.57%，長(zhǎng)軸/短軸比介于1.5～3.0的孔隙占50.11%，長(zhǎng)軸/短軸比大于3.0的孔隙占4.32%。陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)孔孔徑長(zhǎng)軸/短軸比介于1～34；其中，長(zhǎng)軸/短軸比介于1.0～1.5的孔隙占總孔隙數(shù)量的28.20%，長(zhǎng)軸/短軸比介于1.5～3.0的孔隙占11.98%，長(zhǎng)軸/短軸比大于3.0的孔隙占59.82%(圖7)。上述分析表明，陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖孔隙長(zhǎng)軸/短軸比明顯大于棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖，即前者有機(jī)質(zhì)孔的形狀更扁平，這很可能與其保存條件差、天然氣散失而造成有機(jī)質(zhì)孔坍塌有關(guān)。

圖5 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)不同類型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙鏡下特征Fig.5 Microscopic characteristics of the different Lower Cambrian organic-rich shale pores in the Middle-Upper Yangtze areaa.石英顆粒間有機(jī)質(zhì)內(nèi)發(fā)育大量超微孔隙，陸架邊緣斜坡型硅質(zhì)頁(yè)巖，HY1井，九門沖組，埋深2 402.80 m；b.苺狀黃鐵礦集合體晶間有機(jī)質(zhì)內(nèi)發(fā)育微孔隙，陸架邊緣斜坡型硅質(zhì)頁(yè)巖，HY1井，九門沖組，埋深2 402.80 m；c.有機(jī)粘土復(fù)合體，不規(guī)則形有機(jī)質(zhì)孔隙較發(fā)育，棚內(nèi)拉張槽型炭質(zhì)頁(yè)巖，JY1井，筇竹寺組，埋深3 309.10 m；d.粘土礦物層間孔隙，殘余孔隙形態(tài)呈狹縫形、三角形，棚內(nèi)拉張槽型炭質(zhì)頁(yè)巖，JY1井，筇竹寺組，埋深3 300.05 m；e.有機(jī)質(zhì)孔，橢圓形、不規(guī)則形均有，臺(tái)地前緣斜坡型炭質(zhì)頁(yè)巖，YD2井，水井沱組，埋深1 711.40 m；f.無(wú)機(jī) 礦物顆粒粒內(nèi)孔，大小不一，臺(tái)地前緣斜坡型炭質(zhì)頁(yè)巖，YD2井，水井沱組，埋深1 728.00 m

圖6 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)陸架邊緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖三維孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.6 Characteristics of 3D pore structure of the Lower Cambrian organic-rich shale of shelf-margin type in the Middle-Upper Yangtze areaa.頁(yè)巖三維重構(gòu)圖；b.有機(jī)質(zhì)孔連通性圖(相同顏色代表連通的孔隙)

3.2 頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

以巖心觀察描述為基礎(chǔ)，選取不同類型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品開(kāi)展高壓壓汞-氮?dú)馕铰?lián)合孔徑測(cè)定分析。結(jié)果表明，棚內(nèi)拉張槽型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖以介孔(孔徑=2～50 nm)和微孔(孔徑<2 nm)為主，平均占比分別為58.59%和27.08%，其次為大孔(孔徑>50 nm)，平均占比達(dá)14.33%(圖8a)；臺(tái)地前緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖與棚內(nèi)拉張槽型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖相比，介孔和微孔占比均有所減小，而大孔比例明顯增加(圖8b)；陸架邊緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖以介孔和微孔為主，占比分別為62.5%和33.5%，孔徑大于50 nm的大孔基本不發(fā)育(圖8c)。但整體而言，下寒武統(tǒng)頁(yè)巖與下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖相比，對(duì)孔隙度貢獻(xiàn)最大的介孔占比明顯降低(圖8d)。高壓壓汞-吸附聯(lián)合孔徑測(cè)定對(duì)于全孔隙結(jié)構(gòu)表征的實(shí)現(xiàn)，較好地刻畫出了不同類型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖各孔徑孔隙的占比及其差異。

圖7 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)不同類型頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔長(zhǎng)軸/短軸比特征Fig.7 Characteristics of long axis/short axis ratio of organic pores in the Lower Cambrian shale of different types in the Middle-Upper Yangtze areaa.棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖，JY1井，筇竹寺組，埋深3 290.80 m；b.陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖，HY1井，九門沖組，埋深2 390.00 m

圖8 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖高壓壓汞-氮?dú)馕铰?lián)合測(cè)定孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.8 Pore structure characteristics of the Cambrian shale jointly tested by high pressure mercury injection and nitrogen adsorption in the Middle-Upper Yangtze areaa.棚內(nèi)拉張槽型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，JY1井，筇竹寺組；b.臺(tái)地前緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，YD2井，水井沱組；c.陸架邊緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，HY1井，九門沖組；d.涪陵頁(yè)巖氣田龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，J1井，龍馬溪組

3.3 頁(yè)巖孔隙發(fā)育影響因素

上述分析可以看出，下寒武統(tǒng)頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育粘土礦物層間孔、粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔等多種孔隙，但不同成因類型的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙類型及孔隙結(jié)構(gòu)存在差異，可見(jiàn)影響頁(yè)巖孔隙發(fā)育的因素具復(fù)雜性。綜合分析認(rèn)為，其整體受頁(yè)巖礦物組成、有機(jī)質(zhì)豐度、熱演化程度及保存條件等多種因素控制。

3.3.1 礦物組成

頁(yè)巖中的各種礦物是其各類孔隙賦存的主要載體，粘土礦物及各類脆性礦物含量的多少，直接影響其抗壓實(shí)能力的強(qiáng)弱。一般而言，高脆性礦物含量的頁(yè)巖易形成剛性骨架，抗壓實(shí)能力強(qiáng)，使礦物粒間孔、晶間孔得以保存；而高粘土礦物含量的頁(yè)巖在上覆壓力作用下，容易發(fā)生塑性形變，使各類孔隙空間減小，甚至消失。對(duì)于研究區(qū)下寒武統(tǒng)3種類型的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，其礦物組成各有其特點(diǎn)，以JY1為代表的棚內(nèi)拉張槽型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖粘土礦物含量高，平均可達(dá)40%左右；盡管其抗壓實(shí)能力相對(duì)弱，但由于黃鐵礦、石英顆粒等剛性顆?；祀s于粘土礦物中，起到一定支撐作用；加之部分粘土礦物晶片的雜亂堆積，故仍較好地保存了一定量的粘土礦物層間孔及粒間孔。以YD2井為代表的臺(tái)地前緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中由于含有一定量的方解石，發(fā)育粒內(nèi)溶蝕孔。以HY1井為代表的陸架邊緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖硅質(zhì)含量較高，抗壓實(shí)能力強(qiáng)，孔隙度與石英含量之間呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)，而與粘土礦物含量呈現(xiàn)出較好的負(fù)相關(guān)(圖9)，表明石英顆粒可構(gòu)成剛性格架，增強(qiáng)頁(yè)巖的抗壓實(shí)能力，有利于頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔的形成及保存?？梢?jiàn)，盡管不同類型的頁(yè)巖礦物組成及含量存在一定的差異，但其仍然是頁(yè)巖各類孔隙發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)是有機(jī)質(zhì)孔的載體，也是有機(jī)質(zhì)孔形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，TOC是影響頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度的重要因素。此外，TOC與頁(yè)巖的吸附能力也密切相關(guān)。一般來(lái)講，TOC越高，頁(yè)巖比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)。研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖TOC與比表面積的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.85左右。從頁(yè)巖TOC與孔隙度的關(guān)系來(lái)看，與四川盆地五峰組-龍馬溪組下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖TOC與孔隙度具有較好正相關(guān)關(guān)系不同[16]，下寒武統(tǒng)頁(yè)巖TOC與孔隙度兩者之間無(wú)明顯相關(guān)性，揭示影響下寒武統(tǒng)頁(yè)巖孔隙度的因素較多、且較為復(fù)雜。下寒武統(tǒng)頁(yè)巖孔隙度并未隨著TOC增大而增大，反而在TOC大于5%后孔隙度具有一定降低趨勢(shì)(圖10)，這與Milliken等[17]和王濡岳等[18]對(duì)過(guò)高TOC頁(yè)巖孔隙度出現(xiàn)降低的研究結(jié)果相一致。由于有機(jī)質(zhì)具有較好的塑性，抗壓實(shí)能力較低，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖(TOC=5%～6%)巖石組構(gòu)更易于壓實(shí)，不利于有機(jī)質(zhì)孔隙保存。陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖TOC多大于5%，但其孔隙度大于4%的樣品點(diǎn)少于棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖和臺(tái)地前緣斜坡型頁(yè)巖，結(jié)合前文對(duì)各類頁(yè)巖孔隙發(fā)育特征分析，可能主要是由于陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖TOC高，在生-排烴高峰期，早期無(wú)機(jī)礦物粒間孔隙被液態(tài)烴充填，導(dǎo)致頁(yè)巖粒間孔不發(fā)育，巖石組構(gòu)也更易于壓實(shí)，后期隨著液態(tài)烴的裂解成氣作用，形成較多的納米級(jí)有機(jī)孔。相對(duì)而言，棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖和臺(tái)地前緣斜坡型頁(yè)巖雖然TOC不如陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖高，但其除了發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔外，還殘存一定量的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)孔，使得其總孔隙度相對(duì)較大。

圖9 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖礦物含量與孔隙度關(guān)系Fig.9 The relationship of mineral content and porosity in the Lower Cambrian shale of shelf-margin type in the Middle-Upper Yangtze areaa.石英礦物含量與孔隙度關(guān)系；b.粘土礦物含量與孔隙度關(guān)系

圖10 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖TOC與孔隙度關(guān)系Fig.10 The relationship between TOC and porosity of the Lower Cambrian shale in the Middle-Upper Yangtze area

3.3.3 熱演化程度

有機(jī)質(zhì)孔隙是由頁(yè)巖中干酪根在熱降解和熱裂解作用中形成，或是由其生成并經(jīng)過(guò)短距離運(yùn)移到粒間孔、晶間孔及微裂縫中的液態(tài)烴經(jīng)過(guò)裂解作用生成氣態(tài)烴后形成的次生孔隙。因此，頁(yè)巖熱演化程度過(guò)低或過(guò)高，都不利于有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育。國(guó)內(nèi)外海相頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐也已證實(shí)，適中的熱演化程度是控制有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育和頁(yè)巖氣富集的重要因素。研究表明[19-22]，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙度在大量生氣階段(Ro值在1.3%～2.0%)總體上隨有機(jī)質(zhì)成熟度升高而增加；但當(dāng)Ro值大于2.0%以后，有機(jī)質(zhì)孔隙度總體上隨成熟度增高而降低。對(duì)研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖而言，Ro值普遍在3%左右，甚至更高，均已進(jìn)入過(guò)成熟階段；但相比而言，臺(tái)地前緣斜坡型頁(yè)巖(Ro=2.6%)與棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖(Ro=2.9%)較陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖熱演化程度(Ro=3.1%)要低，因此有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度也略好。

3.3.4 保存條件

保存條件對(duì)于頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力具有重要影響，主要體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)孔內(nèi)天然氣的散失會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔坍塌變形，孔隙空間減小，甚至彌合消失。研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，不同地區(qū)構(gòu)造演化史差異大，形成的斷裂及裂縫具有多種類型、多期次疊加的特點(diǎn)，頁(yè)巖氣保存條件較為復(fù)雜[23-26]。構(gòu)造裂縫的大量發(fā)育及頂、底板條件變差是導(dǎo)致頁(yè)巖氣散失的兩個(gè)重要因素。目前，上述3種類型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的實(shí)際鉆探情況也證實(shí)了保存條件對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)集性能的重要性。位于黔南坳陷的HY1井下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖鉆井巖心高角度裂縫與擦痕面較為發(fā)育，且缺乏有效的底板條件，揭示其保存條件較差，并導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)孔雖然數(shù)量較多，但孔徑較小，以狹窄型孔隙為主，這與位于四川盆地川南地區(qū)保存條件較好的JY1井富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的孔隙特征存在較大差異。

4 頁(yè)巖氣勘探方向

盡管中國(guó)南方下寒武統(tǒng)頁(yè)巖熱演化程度高，因遭受多期次的構(gòu)造隆升、剝蝕及斷裂作用，使得四川盆地以外地區(qū)整體保存條件欠佳，但從頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的角度，仍存在一些相對(duì)儲(chǔ)集能力較好的頁(yè)巖類型及地區(qū)，如棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖和臺(tái)地前緣斜坡型頁(yè)巖，其平均孔隙度均可達(dá)到3%以上，且目前已在這2種類型頁(yè)巖的鉆探試采過(guò)程中獲得高產(chǎn)頁(yè)巖氣流。這2種類型頁(yè)巖分布區(qū)，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，保存條件相對(duì)較好，且熱演化程度相對(duì)較低，有利于有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育和頁(yè)巖氣的保存。因此，今后對(duì)于下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣的勘探，在四川盆地內(nèi)部應(yīng)關(guān)注棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖分布區(qū)，在縱向上尤其應(yīng)關(guān)注最上部的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段；而在四川盆地外部，需關(guān)注熱演化程度較低、有機(jī)質(zhì)豐度較高和保存條件相對(duì)較好的臺(tái)地前緣斜坡型頁(yè)巖(圖11)。在陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖發(fā)育區(qū)，要關(guān)注熱演化程度相對(duì)較低(Ro<3.5%)、TOC適中(TOC=5%～6%)及斷裂不發(fā)育的地區(qū)。

圖11 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)分布Fig.11 The distribution of play fairway in the exploration of the Lower Cambrian shale gas in the Middle-Upper Yangtze area

5 結(jié)論

1) 下寒武統(tǒng)主要發(fā)育棚內(nèi)拉張槽型、陸架邊緣斜坡型及臺(tái)地前緣斜坡型3種成因類型的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。棚內(nèi)拉張槽型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙以粒間孔和粘土礦物層間孔為主，其次為有機(jī)質(zhì)孔；臺(tái)地前緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要以有機(jī)質(zhì)孔和方解石粒內(nèi)溶蝕孔為主；而陸架邊緣斜坡型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖以有機(jī)質(zhì)孔為主，無(wú)機(jī)礦物質(zhì)孔不發(fā)育。

2) 下寒武統(tǒng)頁(yè)巖孔隙發(fā)育受頁(yè)巖礦物組成、有機(jī)質(zhì)豐度、熱演化程度及保存條件等多種因素控制。結(jié)合保存條件及探井油氣發(fā)現(xiàn)等綜合分析來(lái)看，下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣勘探在四川盆地內(nèi)部應(yīng)關(guān)注棚內(nèi)拉張槽型頁(yè)巖，尤其是筇竹寺組上部的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段；而在四川盆地外部，要關(guān)注熱演化程度較低、保存條件相對(duì)較好的臺(tái)地前緣斜坡型頁(yè)巖分布區(qū)，以及熱演化程度和TOC適中(Ro<3.5%，TOC=5%～6%)、保存條件較好的陸架邊緣斜坡型頁(yè)巖發(fā)育區(qū)。