生物地層格架下湘西北地區(qū)五峰組—龍馬溪組孔隙結(jié)構(gòu)特征

漆 洋，呂春研，王宇慧，唐書(shū)恒，郗兆棟

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；2.海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.非常規(guī)天然氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引 言

中國(guó)南方下古生界頁(yè)巖具有分布范圍廣，厚度大，有機(jī)質(zhì)成熟度高，含氣量大等特點(diǎn)[1-3]。頁(yè)巖作為一種非均質(zhì)多孔介質(zhì)的非常規(guī)儲(chǔ)層，具有復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)，發(fā)育大量的納米級(jí)孔隙。頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集、滲流等過(guò)程受孔隙結(jié)構(gòu)制約，并影響頁(yè)巖的含氣性、儲(chǔ)量估算和開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)，使預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣的空間分布和有效性存在困難，因此研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)十分必要。

頁(yè)巖的孔隙及其喉道形態(tài)多樣且大小不一，單一測(cè)試方法不能夠全面而直觀地表征頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，因此需要綜合多種實(shí)驗(yàn)手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)、分形特征、控制因素等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究[4-7]，并形成了系統(tǒng)的頁(yè)巖氣孔隙研究方法。通常使用高分辨率掃描電鏡等直接觀測(cè)法并結(jié)合低溫氮?dú)馕?、高壓壓汞等定量手段，綜合表征頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)。然而影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的因素眾多，且不同類型頁(yè)巖甚至沉積于不同地區(qū)同一類型頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)均存在極強(qiáng)的非均質(zhì)性。南方海相頁(yè)巖五峰組—龍馬溪組是當(dāng)前頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)層位，但在生物地層劃分的基礎(chǔ)上開(kāi)展頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征評(píng)價(jià)的研究目前還鮮有報(bào)道。

本文以湘西北地區(qū)五峰組—龍馬溪組為研究對(duì)象，通過(guò)掃描電鏡對(duì)頁(yè)巖孔隙形態(tài)特征進(jìn)行微觀觀察，同時(shí)依托低溫氮?dú)馕揭约案邏簤汗瘜?shí)驗(yàn)對(duì)湘西北地區(qū)頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征，探討生物地層格架下控制頁(yè)巖孔隙發(fā)育的主要因素，以期對(duì)評(píng)價(jià)湘西北地區(qū)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)潛力提供一定的指導(dǎo)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

圖1 上揚(yáng)子地臺(tái)五峰組—龍馬溪組巖相古地理圖及目標(biāo)井位(據(jù)文獻(xiàn)[9]修改)Fig.1 Lithofacies paleogeographic map and target well location of Wufeng-Longmaxi formations in the upper Yangtze platform (modified from reference [9])

首先選取SY-3井連續(xù)深度五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖樣品，使用Rigaku SmartLab9 X射線衍射儀進(jìn)行全巖X衍射定量分析，對(duì)其中部分樣品進(jìn)行TOC含量和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析。部分樣品研磨成60～80目粉末，使用Micromeritics ASAP 2460比表面與孔隙度分析儀在77.3 K條件下進(jìn)行低溫氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)測(cè)定，BJH吸附累積孔體積測(cè)量的孔徑范圍為1.7～300.0 nm；比表面積選用多點(diǎn)BET模型線性回歸得到；孔徑分布選用BJH模型計(jì)算得到。此外，重點(diǎn)選取位于龍馬溪組底部及五峰組樣品進(jìn)行高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，得到累計(jì)進(jìn)汞量隨孔徑的變化曲線。以上測(cè)試均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié) 果

2.1 生物地層特征

本項(xiàng)目組基于筆石、GR測(cè)井曲線及巖相學(xué)特征將研究區(qū)中SY-3井五峰組—龍馬溪組劃分為8個(gè)筆石帶(圖2，具體劃分依據(jù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9])。研究區(qū)LM1筆石帶由于湘鄂水下高地的隆升而缺失，且WF2—LM4具有較高的有機(jī)質(zhì)和脆性礦物含量，因此認(rèn)為WF2、WF3、WF4、LM2—LM3、LM4有良好的生烴潛力和可壓裂性。本文在生物地層格架劃分的基礎(chǔ)上結(jié)合五峰組—龍馬溪組的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其影響因素，將8個(gè)筆石帶合并為3個(gè)筆石帶，分別為L(zhǎng)M5—LM7、WF4—LM4、WF2—WF3(下文將詳述)，進(jìn)一步明確其儲(chǔ)集能力，尋找有利儲(chǔ)層。

圖2 SY-3井五峰組—龍馬溪組生物地層格架的劃分(據(jù)文獻(xiàn)[9]修改)Fig.2 Division of biostratigraphic framework of the Wufeng-Longmaxi formations in well SY-3 (modified from reference [9])

總體來(lái)看，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組石英最為富集，平均含量為50.12%；其次是黏土礦物，平均含量為29.43%。相比于四川盆地焦石壩等成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)的區(qū)塊，研究區(qū)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度偏低[10-11]，TOC平均含量為1.02%(表1)。此外，頁(yè)巖樣品也含有鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石和白云石等自生礦物以及黃鐵礦、赤鐵礦等多種含金屬礦物。其中，LM5—LM7的石英平均含量為38.58%，黏土礦物平均含量為50.78%，TOC平均含量為0.28%。WF4—LM4的石英平均含量為47.35%，黏土礦物平均含量為26.20%，TOC平均含量為1.27%。WF2—WF3的石英平均含量為69.25%，黏土礦物平均含量為16.95%，TOC平均含量為1.08%。可以看出，LM5—LM7的黏土礦物含量最高，WF4—LM4的TOC含量最高，WF2—WF3的石英含量最高，總體上呈現(xiàn)從LM5—LM7到WF2—WF3石英含量增加，黏土礦物含量減少，TOC含量先增后減的趨勢(shì)。

2.2 孔隙類型

利用掃描電鏡(SEM)電子成像技術(shù)可以直觀地展現(xiàn)頁(yè)巖孔隙的賦存狀態(tài)。Loucks等[12]將頁(yè)巖孔隙劃分為三種類型，分別為粒間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組三類孔隙均有發(fā)育，但不同筆石帶孔隙類型的發(fā)育程度存在明顯差異。

表1 研究區(qū)不同筆石帶五峰組—龍馬溪組有機(jī)碳及礦物組分含量

圖3 研究區(qū)頁(yè)巖樣品孔隙特征掃描電鏡圖像Fig.3 SEM images of pore characteristics of shale samples from the study area(a)石英間發(fā)育的粒間孔；(b)黃鐵礦間發(fā)育的粒間孔；(c)有機(jī)質(zhì)中發(fā)育的有機(jī)質(zhì)孔；(d)脆性礦物基質(zhì)中發(fā)育的粒內(nèi)孔；(e)黏土礦物間被有機(jī)質(zhì)充填的粒間孔；(f)石英間被有機(jī)質(zhì)充填的粒間孔

總體來(lái)看，五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔多為橢圓形、圓形和蜂窩狀，孔徑以數(shù)百納米為主，具有一定的連通性(圖3(c))。粒內(nèi)孔主要發(fā)育于礦物基質(zhì)中，受溶解作用等成巖作用控制(圖3(d))。黏土礦物由于其塑性較強(qiáng)，易受壓實(shí)作用而彎曲變形，所形成的粒間孔形態(tài)多為彎曲的狹縫狀、長(zhǎng)條狀，但易被有機(jī)質(zhì)充填(圖3(e))；石英和黃鐵礦顆粒形成的粒間孔多呈棱角狀(圖3(a)和(b))，但石英形成的部分粒間孔易被有機(jī)質(zhì)充填(圖3(f))。

LM5—LM7黏土礦物含量高，常見(jiàn)伊利石及伊蒙混層間形成的狹長(zhǎng)彎曲的大孔，但部分粒間孔被有機(jī)質(zhì)充填。WF4—LM4有機(jī)質(zhì)含量高，發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)孔，但同時(shí)常見(jiàn)有機(jī)質(zhì)充填粒間孔。WF2—WF3石英含量高，石英粒間孔最為常見(jiàn)，但部分石英粒間孔被黏土礦物和有機(jī)質(zhì)充填。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

基于Kelvin公式得到的滯后回環(huán)模型解釋了吸附等溫曲線與脫附等溫曲線形成滯后回環(huán)是由于吸附脫附時(shí)的飽和壓力不同。根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)IUPAC分類標(biāo)準(zhǔn)，將吸附—脫附等溫曲線按滯后回環(huán)的形態(tài)不同分為4種[13-14](圖4)。H1滯后回環(huán)吸附與脫附曲線幾乎垂直且平行，多出現(xiàn)在兩端都開(kāi)放的毛細(xì)孔中；H2滯后回環(huán)脫附曲線比吸附曲線陡峭，多出現(xiàn)在帶細(xì)瓶頸的墨水瓶狀孔中；H3滯后回環(huán)吸附分支曲線的吸附量隨著壓力的增加而增加，沒(méi)有明顯的極限吸附量，表明多為由片狀顆粒組成的平行板狀孔和楔狀孔；H4滯后回環(huán)吸附與脫附曲線幾乎水平且平行，多為狹縫型孔[6,15]。

機(jī)場(chǎng)航空業(yè)務(wù)以及非航空業(yè)務(wù)的收費(fèi)項(xiàng)目在管理上需要采用不同的管理方式，一般對(duì)于航空性的業(yè)務(wù)在收費(fèi)的過(guò)程中都是嚴(yán)格按照政府的指導(dǎo)價(jià)進(jìn)行收費(fèi)的，而非航空性業(yè)務(wù)則主要是根據(jù)市場(chǎng)的調(diào)節(jié)價(jià)進(jìn)行收費(fèi)。通過(guò)本次對(duì)機(jī)場(chǎng)收費(fèi)項(xiàng)目以及具體收費(fèi)的調(diào)整，二、三類的機(jī)場(chǎng)收費(fèi)仍然需要以政府的指導(dǎo)價(jià)格為標(biāo)準(zhǔn)，這種收費(fèi)方式和管理方式更加科學(xué)合理。對(duì)于需要通過(guò)市場(chǎng)調(diào)節(jié)進(jìn)行收費(fèi)的項(xiàng)目，一般都具有較強(qiáng)的市場(chǎng)性特征，在作業(yè)成本法的實(shí)施中具有可進(jìn)行對(duì)比的市場(chǎng)標(biāo)桿，對(duì)機(jī)場(chǎng)作業(yè)績(jī)效的分析具有積極的作用，而且能夠有效控制作業(yè)的成本。

圖4 滯后回環(huán)的分類(據(jù)文獻(xiàn)[13]修改)Fig.4 Types of hysteresis loops (modified from reference [13])

在筆石帶劃分的基礎(chǔ)上，分析氮?dú)馕健摳角€的形態(tài)特征，如圖5所示，LM5—LM7、WF4—LM4和WF2—WF3的曲線形態(tài)各不相同，曲線形態(tài)指示了頁(yè)巖中不同形態(tài)納米孔的發(fā)育程度。

圖5 不同筆石帶頁(yè)巖樣品的氮?dú)馕?脫附曲線特征Fig.5 Characteristics of nitrogen adsorption-desorption curves of shale samples in the different graptolitezones

LM5—LM7吸附—脫附曲線在相對(duì)壓力為0.5左右時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，形成的滯后回環(huán)兼具H3和H4型的特征(圖5(a))，表明LM5—LM7頁(yè)巖形成的孔隙形態(tài)主要為楔形孔和狹窄的平行板狀孔。WF4—LM4吸附—脫附曲線在相對(duì)壓力為0.5左右時(shí)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，滯后回環(huán)形態(tài)介于H2和H3之間(圖5(b))，表明WF4—LM4頁(yè)巖的孔隙多為楔形孔和帶細(xì)瓶頸的墨水瓶狀孔[16]。WF2—WF3頁(yè)巖樣品氮?dú)獾淖畲笪搅棵黠@低于上述兩個(gè)筆石帶，且吸附—脫附曲線幾乎重合，滯后回環(huán)很窄，與H4型相當(dāng)(圖5(c))，表明WF2—WF3樣品孔隙形態(tài)以狹縫型孔為主，孔隙發(fā)育較差。

頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑大小從微孔到大孔均有分布[17]，本文采用IUPAC的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將納米級(jí)頁(yè)巖孔隙劃分為微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(>50nm)三種類型?？讖椒植疾捎肂JH法進(jìn)行計(jì)算，基于Kelvin毛細(xì)管凝聚理論的測(cè)試模型，當(dāng)孔徑坐標(biāo)用孔徑的常用對(duì)數(shù)表示時(shí)，孔隙體積對(duì)孔徑的常用對(duì)數(shù)的導(dǎo)數(shù)(dV/dlgD)與孔徑(D)的關(guān)系可以表征孔徑的分布特征。

圖6 不同筆石帶的氮?dú)馕胶兔摳椒种У目讖椒植记€Fig.6 Pore size distribution curves of nitrogen adsorption and desorption branches in the different graptolitezones

每個(gè)筆石帶分別選取了一個(gè)具有代表性的樣品利用BJH法繪制了吸附和脫附分支的孔徑分布曲線，如圖6所示。三個(gè)筆石帶采用BJH法計(jì)算的脫附分支孔徑分布曲線在4 nm左右處均出現(xiàn)了一個(gè)明顯的峰值，但在由吸附分支計(jì)算得到的孔徑分布曲線上并不存在，這是由于發(fā)生毛細(xì)管凝結(jié)和蒸發(fā)時(shí)的液體狀態(tài)不同，這種現(xiàn)象被稱為抗拉強(qiáng)度效應(yīng)(TSE)。如果不考慮脫附分支中的TSE現(xiàn)象，會(huì)使孔徑分布曲線的孔徑在4 nm左右集中分布[18]，從而掩蓋了其它孔徑孔隙，不能真實(shí)地反映頁(yè)巖孔徑的分布特征。Clarkson等[19]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于頁(yè)巖，基于吸附分支計(jì)算的孔徑分布曲線與SANS/USANS的結(jié)果接近，因此本文采用吸附分支來(lái)研究孔徑分布曲線的特征。

圖7 基于BJH法對(duì)吸附分支計(jì)算得到的不同筆石帶孔徑分布曲線Fig.7 Pore size distribution curves of the different graptolite zones calculated by the BJH method

研究區(qū)頁(yè)巖不同筆石帶的孔徑分布特征如圖7所示。LM5—LM7的峰值在3 nm左右，在3～4 nm之間出現(xiàn)了明顯下降，但在5 nm后dV/dlgD迅速增加，表明LM5—LM7中孔發(fā)育較少且存在部分大孔(圖7(a))。WF4—LM4的孔隙孔徑主要分布于3 nm處，在2～10 nm孔徑范圍內(nèi)部分樣品出現(xiàn)多個(gè)峰值，在3～10 nm孔徑范圍內(nèi)的dV/dlgD隨孔徑的增大而減小，且在10 nm后曲線增長(zhǎng)緩慢，育較差(圖7(b))。WF2—WF3頁(yè)巖樣品的dV/dlgD值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前兩個(gè)筆石帶，表明WF2—WF3孔隙發(fā)育較差(圖7(c))。

在劃分筆石帶的基礎(chǔ)上，選取WF4—LM4以及WF2—WF3的部分樣品進(jìn)行高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，繪制了不同筆石帶的累計(jì)進(jìn)汞量隨孔徑的變化曲線(圖8)，橫坐標(biāo)孔徑使用常用對(duì)數(shù)處理，其曲線形態(tài)能夠反映孔隙的發(fā)育特征以及孔隙之間的連通性。

WF4—LM4的進(jìn)汞曲線在初始階段迅速增大(圖8(a))，大于10 μm的孔隙有大量汞侵入，表明該筆石帶樣品大孔和微裂隙十分發(fā)育。隨著汞的注入，進(jìn)汞速率逐漸降低，但進(jìn)汞曲線在2 μm左右斜率略微增大，此時(shí)的孔隙需要增加進(jìn)汞壓力才能通入，表明連通性較差。在進(jìn)汞量最高時(shí)，曲線趨近于水平，此時(shí)幾乎沒(méi)有汞進(jìn)入樣品，表明這些頁(yè)巖中幾乎不含有微孔或小孔徑中孔。退汞曲線平緩，表明還有大量的汞仍被困在孔隙中。

圖8 不同筆石帶頁(yè)巖樣品的累積進(jìn)汞量與孔徑的關(guān)系Fig.8 Relationship between cumulative mercury intake and pore size of shale samples in the different graptolitezones

WF2—WF3的累積進(jìn)汞量隨孔徑的減小而增大，曲線的斜率隨孔徑的減小而減小，曲線沒(méi)有明顯的平臺(tái)，且最大進(jìn)汞量略低于WF4—LM4樣品，退汞曲線呈下降趨勢(shì)(圖8(b))。這些特征反映了WF2—WF3孔隙之間的連通性較好，但孔隙含量較小。

3 討 論

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)特征

頁(yè)巖氣常以吸附態(tài)賦存于孔隙的表面，因此比表面積常?？梢员碚黜?yè)巖儲(chǔ)層的吸附能力，是衡量頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)?？紫扼w積的大小往往影響游離氣的含量，也是衡量孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)?？傮w來(lái)看，SY-3井的BET比表面積平均為5.451 8 m2/g，孔隙體積平均為0.011 0 cm3/g(表2)。研究區(qū)頁(yè)巖比表面積和孔隙體積貢獻(xiàn)最大的是中孔，中孔的比表面積平均占總比表面積的78.88%，中孔孔隙體積占總孔隙體積的62.71%；微孔也貢獻(xiàn)了一部分比表面積，平均占總比表面積的15.57%，但微孔貢獻(xiàn)的孔隙體積最小，僅占3.80%；大孔貢獻(xiàn)的比表面積最少，僅占5.55%，但大孔貢獻(xiàn)的孔隙體積僅次于中孔，平均占總孔隙體積的33.49%(圖9)。

圖9 研究區(qū)頁(yè)巖樣品不同孔徑比表面積、孔隙體積的百分含量分布Fig.9 Percentage distribution of specific surface area and pore volume of shale samples with the different pore sizes in the study area

總體來(lái)看，LM5—LM7孔隙體積和平均孔徑最大，表明LM5—LM7主要發(fā)育較大孔徑孔隙。WF4—LM4孔徑與WF2—WF3分布特征相似，但WF4—LM4的比表面積和孔隙體積均遠(yuǎn)大于WF2—WF3，表明WF4—LM4主要發(fā)育小孔徑孔隙且孔隙含量遠(yuǎn)大于WF2—WF3。

LM5—LM7平均孔徑與BET比表面積和BJH孔隙體積均呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，BJH孔隙體積與BET比表面積呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖10(a)—(c))，與郗兆棟等[5]研究沁水盆地海陸過(guò)渡相頁(yè)巖時(shí)的相關(guān)性幾乎一致，表明中孔對(duì)頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)最大。因?yàn)橹锌淄粌H能提供比表面積，也能提供一定的孔隙體積。WF4—LM4平均孔徑和BET比表面積與BJH孔隙體積呈弱相關(guān)性(圖10(d)和(e))，BJH孔隙體積與BET比表面積呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖10(f))，這是由于較大孔徑孔隙發(fā)育較少，大孔能提供較多的孔隙體積，但對(duì)比表面積貢獻(xiàn)較小，因此比表面積與孔徑呈現(xiàn)較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系而孔隙體積與孔徑呈現(xiàn)較弱的正相關(guān)關(guān)系，所以WF4—LM4孔隙以中孔為主。WF2—WF3平均孔徑與BET比表面積呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與BJH孔隙體積幾乎沒(méi)有相關(guān)性，BJH孔隙體積與BET比表面積的相關(guān)性也弱于LM5—LM7和WF4—LM4(圖10(g)—(i))，表明WF2—WF3孔隙類型復(fù)雜，三種類型的孔隙均有發(fā)育，且以微孔為主。

表2 不同筆石帶的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖10 不同筆石帶頁(yè)巖孔隙BET比表面積、BJH累積孔隙體積及平均孔徑的相關(guān)性Fig.10 Correlation of BET specific surface area, BJH cumulative pore volume and average pore size of shale pores in the different graptolite zones

3.2 有機(jī)質(zhì)與礦物組分

LM5—LM7和WF4—LM4的TOC含量與頁(yè)巖的BET比表面積、BJH吸附累積孔隙體積均有一定的正相關(guān)關(guān)系(圖11(a)—(d))，TOC含量越高，頁(yè)巖的孔隙體積和比表面積越大，表明TOC含量是控制LM5—LM7和WF4—LM4孔隙發(fā)育的重要因素之一。WF2—WF3的TOC含量與BET比表面積無(wú)明顯相關(guān)性，與BJH吸附累積孔隙體積呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖11(e)和(f))，表明有機(jī)質(zhì)同樣是影響WF2—WF3孔隙發(fā)育的因素之一。盡管WF2—WF3富集有機(jī)質(zhì)且發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，但常見(jiàn)粒間孔被有機(jī)質(zhì)充填的現(xiàn)象。此外，TOC含量與平均孔徑之間存在良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖12)，表明由有機(jī)質(zhì)發(fā)育的有機(jī)質(zhì)孔主要以小孔徑孔隙為主，而小孔徑孔隙提供的孔隙體積相當(dāng)有限。相比于LM5—LM7和WF4—LM4，WF2—WF3埋藏較深，可能導(dǎo)致部分有機(jī)質(zhì)孔隙的閉合?？梢?jiàn)，WF2—WF3的TOC含量雖然對(duì)頁(yè)巖孔隙的發(fā)育具有重要影響，但同時(shí)還受礦物組分、有機(jī)質(zhì)賦存特征及成巖作用的綜合影響。

圖11 不同筆石帶TOC含量與BET比表面積、BJH吸附累積孔隙體積的關(guān)系 Fig.11 Relationship between TOC content and BET specific surface area and BJH adsorbed cumulative porevolume in the different graptolite zones

石英與黏土礦物是研究區(qū)頁(yè)巖主要的礦物組分，各筆石帶黏土礦物與石英含量和BET比表面積、BJH吸附累積孔隙體積的關(guān)系如圖13和圖14所示。LM5—LM7的BET比表面積、BJH吸附累積孔隙體積與黏土礦物含量呈良好的正相關(guān)關(guān)系，而與石英含量呈一定的負(fù)相關(guān)性。WF4—LM4和WF2—WF3黏土礦物含量與石英含量與BET比表面積、BJH吸附累積孔隙體積均無(wú)明顯的相關(guān)性。因此，不同筆石帶存在孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育差異的部分原因在于礦物組分發(fā)生了明顯的變化。

LM5—LM7以黏土礦物為主，在鏡下可見(jiàn)大量的粒間孔隙，黏土礦物含量越高，頁(yè)巖孔隙的孔徑越大(圖15)，表明黏土礦物可以提供一定的孔隙體積。WF4—LM4和WF2—WF3富集石英而貧黏土，但大部分石英粒間孔隙被有機(jī)質(zhì)及黏土礦物所充填，因此對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的貢獻(xiàn)。相比于黏土礦物，石英具有更大的脆性，有利于提高巖石的可壓裂性，在水力壓裂過(guò)程中有利于裂縫的發(fā)育[20]。

圖12 TOC含量與平均孔徑的關(guān)系Fig.12 Relationship between TOC content and average pore size

圖13 不同筆石帶黏土礦物含量與BET比表面積、BJH吸附累積孔隙體積的關(guān)系 Fig.13 Relationship between clay mineral content and BET specific surface area and BJH adsorbed accumulated pore volume in the different graptolite zones

3.3 生物地層對(duì)孔隙發(fā)育的約束

不同筆石帶具有不同的孔隙結(jié)構(gòu)及其影響因素，因而導(dǎo)致各筆石帶儲(chǔ)集能力差異的原因主要是沉積環(huán)境。沉積環(huán)境的不同使得不同筆石帶具有不同的有機(jī)質(zhì)豐度、礦物組分及成巖作用[21-22]，進(jìn)一步導(dǎo)致其孔隙結(jié)構(gòu)的差異。

圖14 不同筆石帶石英含量與BET比表面積、BJH吸附累積孔隙體積的關(guān)系Fig.14 Relationship between quartz content and BET specific surface area and BJH adsorbed accumulated pore volume in the different graptolite zones

WF2—WF3主要沉積于凱迪階，由于火山活動(dòng)的影響使得頁(yè)巖沉積時(shí)水體表面具有較高的古生產(chǎn)力[23-24]，硅質(zhì)含量較高，但水體深度相對(duì)較淺，以貧氧化環(huán)境為主，不利于有機(jī)質(zhì)的保存[25]，石英粒間孔隙大部分被有機(jī)質(zhì)所充填，因此WF2—WF3發(fā)育的有效孔隙很少。WF4—LM4沉積于赫南特階和魯?shù)るA，此時(shí)水體深度明顯增加，以還原環(huán)境為主[26]，有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步富集，發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)孔。LM5—LM7沉積于魯?shù)るA和埃隆階，此時(shí)湘鄂水下高地的隆升使得水體變淺，以氧化環(huán)境為主[27]，同時(shí)伴隨有大量的陸源碎屑輸入，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，因此以黏土礦物粒間孔隙為主，但黏土礦物遭受壓實(shí)作用易彎曲變形，孔隙不易保存。

圖15 黏土礦物含量與平均孔徑的關(guān)系Fig.15 Relationship between clay mineral content and average pore size

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)LM5—LM7筆石帶富集黏土礦物，主要發(fā)育黏土礦物間形成的狹長(zhǎng)彎曲的大孔，但部分孔隙被有機(jī)質(zhì)充填。WF4—LM4筆石帶富集有機(jī)質(zhì)，主要發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)孔，但有機(jī)質(zhì)也容易充填其他孔隙。WF2—WF3筆石帶富集石英，主要發(fā)育石英粒間孔，但部分石英粒間孔被黏土礦物和有機(jī)質(zhì)充填。

(2)研究區(qū)LM5—LM7頁(yè)巖形成的孔隙形態(tài)主要為楔形孔和平行板狀縫形孔，主要發(fā)育較大孔徑孔隙。WF4—LM4頁(yè)巖的孔隙主要為楔形孔和帶細(xì)瓶頸的墨水瓶狀孔，主要發(fā)育較小孔徑孔隙。WF2—WF3樣品孔隙形態(tài)以狹窄的縫形孔為主，孔隙發(fā)育復(fù)雜且含量較少。

(3)沉積環(huán)境通過(guò)影響不同筆石帶的有機(jī)質(zhì)豐度、礦物組分及成巖作用來(lái)控制孔隙發(fā)育。TOC含量對(duì)LM5—LM7和WF4—LM4孔隙發(fā)育具有有利影響，但對(duì)WF2—WF3無(wú)顯著影響，WF2—WF3孔隙發(fā)育受礦物組分、有機(jī)質(zhì)賦存特征及成巖作用等共同影響。黏土礦物含量對(duì)LM5—LM7孔隙發(fā)育有重要影響，但對(duì)于WF4—LM4和WF2—WF3的影響并不顯著。石英對(duì)于各筆石帶的孔隙發(fā)育的影響并不顯著，但石英具有更大的脆性，可提高巖石的可壓裂性，在水力壓裂過(guò)程中有利于裂縫的發(fā)育。