湘西地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖孔隙發(fā)育特征及影響因素

司陳洋，譚靜強(qiáng)，王張虎，馬嘯

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙，410083；2.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢，430199)

頁巖氣作為一種清潔、高效的非常規(guī)能源，近年來受到諸多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-5]。采用水力壓裂和水平井鉆井技術(shù)，我國在南方海相頁巖氣勘探開發(fā)取得很多成果[6-8]。富有機(jī)質(zhì)頁巖屬于層狀細(xì)粒泥質(zhì)巖，通常具有低孔隙度和低滲透率等特點(diǎn)[9-11]。頁巖氣藏的形成和富集程度與孔隙發(fā)育密切相關(guān)，孔隙類型和結(jié)構(gòu)的差異常導(dǎo)致頁巖氣藏具有不同的儲集模式和儲集能力[12]，因此，研究孔隙結(jié)構(gòu)特征對于評價頁巖氣的成藏模式具有重要意義[13-14]。湘西地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖具有厚度大、埋藏適中、有機(jī)質(zhì)豐度高及熱演化程度高等特點(diǎn)，具有較大的頁巖氣勘探開發(fā)潛力[15-16]。XI等[17-18]發(fā)現(xiàn)牛蹄塘組頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，有利于水力壓裂，受總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC)影響，孔隙結(jié)構(gòu)具有明顯的分形特征。秦明陽等[19]認(rèn)為牛蹄塘組頁巖發(fā)育大量有機(jī)孔、無機(jī)孔和少量微裂縫，其中有機(jī)孔最發(fā)育，石英、黏土礦物和TOC 控制了各類孔隙的發(fā)育。前人對湘西地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及其影響因素進(jìn)行了研究，但對不同巖相頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)差異及巖相類型對于頁巖孔隙發(fā)育的影響研究較少。頁巖儲層按礦物組成可分為硅質(zhì)、泥質(zhì)、鈣質(zhì)和混合質(zhì)頁巖巖相，每種巖相可進(jìn)一步再細(xì)分為4 種頁巖巖相[6]。由于沉積環(huán)境和沉積過程存在差異，不同巖相頁巖的礦物組成不同，形成的原生孔隙也不同，具有不同的儲層空間特征[9,20]，因此，深入分析不同巖相頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)差異，探究巖相類型對頁巖孔隙發(fā)育的影響對勘探開發(fā)具有指導(dǎo)意義。頁巖孔隙結(jié)構(gòu)由于受孔隙寬度、長度、形態(tài)、連通性以及分布不均勻等因素影響而十分復(fù)雜。研究者多采用定性與定量相結(jié)合的分析方法，聯(lián)合多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征。定性分析方法包括場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、小角度中子散射(SANS)和納米CT 掃描等，可以直觀地觀測頁巖孔隙發(fā)育特征[21-25]。定量分析方法包括氦氣膨脹法、低壓氮?dú)?N2)吸附、低壓二氧化碳(CO2)吸附和高壓壓汞(MICP)等，可以明確頁巖孔隙體積、比表面積和孔徑分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)[26-29]。本文選取湘西地區(qū)Xb1井寒武系牛蹄塘組頁巖樣品進(jìn)行研究，通過X 射線衍射分析(XRD)、低壓氣體(CO2和N2)吸附和氬離子拋光—場發(fā)射掃描電鏡等方法，結(jié)合分形分析[27]，對牛蹄塘組不同巖相頁巖孔隙發(fā)育特征及影響因素進(jìn)行研究，以便為湘西地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖儲層研究提供參考。

1 地質(zhì)背景

埃迪卡拉紀(jì)—寒武紀(jì)轉(zhuǎn)換期間，華南地區(qū)是位于北半球中緯度的一個孤立的克拉通[30]，由揚(yáng)子板塊和華夏板塊組成(圖1(a))。揚(yáng)子板塊自西北到東南向由碳酸鹽臺地、過渡相和斜坡—盆地等沉積相帶組成[31-32]。寒武紀(jì)早期，由于Rodinia 超大陸裂解，揚(yáng)子板塊進(jìn)入裂谷期，海平面快速上升，可容空間擴(kuò)大。在裂谷期，揚(yáng)子板塊發(fā)育了東南向的被動大陸邊緣，發(fā)育地塹式和地壘式沉積盆地，稱為南華盆地。南華盆地屬于陸內(nèi)海盆，西起云南、廣西，東經(jīng)貴州、湖南、江西，一直延伸至浙江北部區(qū)域[33]。受521 Ma 時全球性海侵事件的影響，華南地區(qū)廣泛發(fā)育一套海相的富有機(jī)質(zhì)頁巖[34]。早寒武世受深水缺氧環(huán)境的影響，沉積物主要為黑色頁巖(包括碳質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖)。早寒武世晚期，隨著海平面下降，氧化的水體逐漸從淺水地區(qū)擴(kuò)張，沉積巖開始轉(zhuǎn)變?yōu)樯百|(zhì)頁巖和泥巖[35]。

湘西地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖沉積厚度大，成熟度高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。本文選取寒武紀(jì)早期位于斜坡相的頁巖氣井Xb1 井(經(jīng)度109°49′15″，緯度28°23′03″)為研究對象。Xb1 井為湖南省煤田地質(zhì)局在湖南省吉首縣鉆探的1口頁巖氣井，靠近湘西復(fù)向斜，從下至上可見留茶坡組、牛蹄塘組和石牌組(圖1(b))。牛蹄塘組地層根據(jù)巖性可分為3段，自下而上為牛一段、牛二段和牛三段。牛一段地層為灰黑色鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r夾有薄層硅質(zhì)巖，厚約20 m；牛二段地層為黑色硅質(zhì)頁巖和碳質(zhì)頁巖，厚約46 m；牛三段地層為黑色頁巖、砂質(zhì)頁巖，厚約80 m。研究區(qū)目標(biāo)層段富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度達(dá)140～150 m，是南方海相頁巖氣勘探的重要層位。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

本次研究共采集Xb1井18塊鉆孔巖心樣品，樣品深度為1 887.2～2 035.2 m，大致均勻分布在牛蹄塘組(圖1[34,36])。對18 塊樣品有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測定，對全巖及黏土礦物進(jìn)行X射線衍射分析等。

圖1 埃迪卡拉紀(jì)—寒武紀(jì)過渡期揚(yáng)子板塊巖相古地理圖(據(jù)文獻(xiàn)[36]修改)及Xb1井巖性柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[34]修改)Fig.1 Lithofacies palaeogeography map of the Yangtze plate in the Ediacaran—Cambrian transition period (modified by Ref.[36]) and the lithologic histogram of Xb1 well(modified by Ref.[34])

利用LECO CS 744 碳硫分析儀測量樣品中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。首先，將樣品研磨至粒度約為0.15 mm，測試前將樣品置于稀鹽酸中去除碳酸鹽礦物，然后，用蒸餾水洗滌，于80 ℃下干燥12 h。

樣品全巖及黏土礦物組分由BRUKER D8 ADVANCE X 射線衍射儀按照SY/T 5463—2010 測定。將樣品研磨至粒度約0.075 mm，取適量均勻放置在帶有凹槽的玻璃片上并壓平。測試電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描角度2θ為5°～70°，掃描速度為2°/min。

采用Micromeritics ASAP 2460比表面積和孔體積分析儀對二氧化碳和氮?dú)膺M(jìn)行吸附測試。所有樣品經(jīng)過篩分，粒度為0.18～0.25 mm，在120 ℃真空條件下脫氣12 h。二氧化碳吸附測試溫度為0 ℃(根據(jù)GB/T 21650.3—2011)，相對壓力(P/P0，P為平衡壓力，P0為飽和蒸汽壓力)范圍為0.000 07～0.018 00，對頁巖微孔(孔徑為0.4～0.9 nm)的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。氮?dú)馕綔y試溫度為-195.8 ℃(根據(jù)SY/T 6154—1995)，相對壓力(P/P0)范圍為0.005～0.995，得到頁巖中孔(孔徑為2～50 nm)和宏孔(孔徑＞50 nm)的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)[37]。完成實(shí)驗(yàn)后，結(jié)合非局域密度泛函理論(NLDFT)和密度泛函理論(DFT)模型解釋得到比表面積和孔體積等相關(guān)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)[38]。

利用MIRA3 LMH FE-SEM 場發(fā)射掃描電鏡觀察頁巖孔隙的形態(tài)、分布和連通性等發(fā)育特征。觀察儀器放大倍數(shù)可達(dá)20 萬倍，加速電壓調(diào)整范圍為1～30 kV，工作距離為6～8 mm。在進(jìn)行二次電子(SE)成像觀察時，可以通過優(yōu)化加速電壓和掃描速度來獲得清晰的掃描圖像。觀察前，挑選Xb1井典型頁巖樣品制成長×寬×高為1.0 cm×0.5 cm×0.3 cm的長方體，然后，利用氬離子拋光儀對樣品進(jìn)行拋光處理。在樣品表面鍍金以增強(qiáng)其導(dǎo)電性，再使用導(dǎo)電黏合劑將其固定在加載臺上[39-40]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(TOC)為1.30%～9.63%，平均為4.24%。其中牛一段和牛二段底部TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯比其他層段的高(表1)。牛蹄塘組頁巖熱演化程度較高，有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)大于2.0%[41]。礦物組分分析結(jié)果表明，頁巖樣品主要由石英、長石、碳酸鹽、黃鐵礦和黏土礦物組成，以石英為主，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.7%。黏土礦物以伊利石和綠泥石為主，牛三段質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著深度加大呈逐漸下降趨勢。

表1 牛蹄塘組頁巖TOC及礦物組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 TOC and mineral composition mass fraction of Niutitang Formation shale %

頁巖巖相劃分主要根據(jù)沉積學(xué)、礦物學(xué)和古生物學(xué)確定[42]。本研究采用礦物組作為參考因素[43]，牛蹄塘組各層段的巖相劃分如圖2所示。根據(jù)硅質(zhì)、碳酸鹽和黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，頁巖巖相可分為4 類：硅質(zhì)頁巖(硅質(zhì)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%)、鈣質(zhì)頁巖(碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%)、泥質(zhì)頁巖(黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%)和混合質(zhì)頁巖(硅質(zhì)、碳酸鹽和黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)都小于50%)。根據(jù)XRD 測試結(jié)果，研究區(qū)可劃分出4 種頁巖巖相，分別為硅質(zhì)頁巖巖相、含泥硅質(zhì)頁巖巖相、混合硅質(zhì)頁巖巖相和鈣質(zhì)頁巖巖相。

圖2 牛蹄塘組頁巖巖相劃分Fig.2 Lithofacies division of Niutitang Formation shale

3.2 場發(fā)射掃描電鏡觀察

目前對頁巖儲層孔隙的分類方案眾多[44-46]，本次研究將湘西地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖孔隙劃分為有機(jī)孔、無機(jī)孔和微裂縫三大類，其中，無機(jī)孔又分為粒間孔和粒內(nèi)孔。

3.2.1 有機(jī)孔

有機(jī)孔一般認(rèn)為是在富有機(jī)質(zhì)頁巖高熱演化階段形成的，它們是含氣頁巖的主要儲氣空間，對頁巖氣的富集和運(yùn)移具有重要作用[13,45,47]。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖有機(jī)孔發(fā)育程度變化較大，在牛二段下部和牛三段富有機(jī)質(zhì)頁巖中可觀察到較多有機(jī)孔(圖3)。有機(jī)孔以海綿狀、氣泡狀或其他不規(guī)則形態(tài)分布在有機(jī)質(zhì)中，孔徑范圍主要為5～200 nm(圖3(a)～(d))。有機(jī)孔除了分布在單獨(dú)的有機(jī)質(zhì)中外，還觀察到發(fā)育在充填黃鐵礦晶間孔的有機(jī)質(zhì)中(圖3(b)和(c))。此外，不同巖相有機(jī)孔發(fā)育程度也不同，硅質(zhì)頁巖較含泥硅質(zhì)頁巖、混合硅質(zhì)頁巖和鈣質(zhì)頁巖有機(jī)孔更發(fā)育。

3.2.2 無機(jī)孔

無機(jī)孔是在礦物顆粒和晶體堆積、壓實(shí)過程中，礦物顆粒和晶體堆積不緊密所形成的，常出現(xiàn)在剛性和塑性顆粒之間[48]。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖無機(jī)孔比較發(fā)育，類型包括粒間孔和粒內(nèi)孔。

1) 粒間孔。粒間孔是礦物顆粒之間的原生孔隙經(jīng)過沉積和成巖壓實(shí)作用后剩余的空間，多存在于抗壓實(shí)能力較強(qiáng)的剛性礦物顆粒間。鏡下可觀察到有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒之間的扁平狀、橢圓形孔隙，孔徑為20～100 nm(圖3(e))。石英與碳酸鹽礦物顆粒間發(fā)育溶蝕性粒間孔，呈狹縫形，孔徑為10～200 nm(圖3(f))。

2) 粒內(nèi)孔。粒內(nèi)孔主要指礦物顆?；蚓w內(nèi)形成的次生孔隙，包括黃鐵礦晶間孔及溶蝕孔，溶蝕孔常見于長石或碳酸鹽礦物中。鏡下觀察黃鐵礦呈常見草莓狀、微球粒狀，研究區(qū)牛蹄塘組中下部常見黃鐵礦零星分布，其晶間孔多被有機(jī)質(zhì)充填，連通性較差(圖3(b))。脆性礦物顆粒內(nèi)發(fā)育溶蝕孔，呈近圓形或橢圓形，孔徑為50～200 nm(圖3(g))。

3.2.3 微裂縫

微裂縫是頁巖氣運(yùn)移的重要途徑，但在場發(fā)射掃描電鏡圖像中，天然微裂縫較少見。在鏡下觀察到黏土礦物脫水收縮形成卷曲狀、絲縷狀的層間縫，縫長受黏土礦物集合體大小控制，縫寬為10～500 nm(圖3(h))。脆性礦物顆粒在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破裂也會形成微裂縫，縫寬為10 nm至1 μm(圖3(i))。

圖3 牛蹄塘組頁巖孔隙發(fā)育特征Fig.3 Pore development characteristics of Niutitang Formation shale

3.3 CO2吸附特征

根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)學(xué)會(IUPAC)的分類標(biāo)準(zhǔn)[49]，牛蹄塘組頁巖CO2吸附曲線屬于I 型吸附曲線，是微孔填充式吸附(圖4)。觀察CO2吸附曲線發(fā)現(xiàn)，頁巖的吸附量隨著相對壓力(P/P0)的增加而增加，但硅質(zhì)頁巖的吸附量明顯高于其他巖相頁巖的吸附量，表明硅質(zhì)頁巖相較于其他巖相頁巖具有更多的微孔。此外，硅質(zhì)頁巖TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍比其他巖相頁巖的高，這與HU等[28]的研究結(jié)果“CO2吸附量與TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)”一致。利用DFT 模型分析微孔孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)[38]，頁巖的微孔體積為0.000 69～0.006 91 cm3/g，平均為0.002 72 cm3/g；微孔比表面積為4.76～34.16 m2/g，平均為13.63 m2/g(表2)。頁巖的微孔體積對總孔體積的貢獻(xiàn)很小(平均占比為8.15%)，但微孔比表面積對總比表面積貢獻(xiàn)最大(平均占比為70.19%)，表明微孔的孔隙結(jié)構(gòu)最復(fù)雜。

圖4 牛蹄塘組不同巖相頁巖CO2吸附曲線Fig.4 CO2 adsorption curves of different lithofacies shale in Niutitang Formation

3.4 N2吸附特征

按照國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)分類，牛蹄塘組不同巖相頁巖的N2吸附-脫附曲線均為IV 型等溫吸附線，具有回滯環(huán)，表明孔徑分布較廣(圖5)[50]。吸附線在相對壓力(P/P0)為0.1 附近的吸附屬于單分子層吸附，具有一定吸附量，表明頁巖存在微孔；當(dāng)P/P0為0.42～0.90 間時出現(xiàn)回滯環(huán)，表明頁巖發(fā)育介孔；當(dāng)P/P0大于0.9時，吸附量迅速上升，表明頁巖中存在一定數(shù)量的宏孔[27]。根據(jù)IUPAC 對滯后環(huán)的分類[47]，硅質(zhì)頁巖的滯后環(huán)與H2型和H3型的滯后環(huán)類似(圖5(a))，表明有機(jī)孔和礦物型孔都發(fā)育，為窄頸寬體的墨水瓶狀孔隙和平行板狀、狹縫狀孔隙。鈣質(zhì)頁巖、混合硅質(zhì)頁巖和含泥硅質(zhì)頁巖的滯后環(huán)均為H3型(圖5(b)～(d))，表明這3種巖相頁巖主要發(fā)育礦物型孔隙，以平行板狀、狹縫狀孔隙為主。硅質(zhì)頁巖的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，導(dǎo)致其回滯環(huán)也最明顯[51]。此外，硅質(zhì)頁巖的吸附量明顯高于鈣質(zhì)頁巖、混合硅質(zhì)頁巖和含泥硅質(zhì)頁巖的吸附量，進(jìn)一步表明巖相對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度有重要影響。

圖5 牛蹄塘組不同巖相頁巖N2吸附-脫附曲線Fig.5 N2 adsorption-desorption curves of different lithofacies shale in Niutitang Formation

利用NLDFT模型計(jì)算介孔和宏孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)[38]，頁巖的介孔體積為0.010 79～0.051 59 cm3/g，平均為0.02 456 cm3/g；介孔比表面積為1.72～20.42 m2/g，平均為5.65 m2/g(表2)。頁巖的宏孔體積為0.001 41～0.009 63 cm3/g，平均為0.004 35 cm3/g；宏孔比表面積為0.05～0.26 m2/g，平均為0.14 m2/g。頁巖的介孔體積對總孔體積貢獻(xiàn)最大(平均占比為77.72%)，宏孔體積和比表面積對總孔體積和總比表面積貢獻(xiàn)均很小(平均占比分別為14.13%和0.91%)。不同巖相頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)差異需要進(jìn)一步研究。

表2 牛蹄塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Pore structure parameters of Niutitang Formation shale

3.5 分形維數(shù)分析

頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)具有明顯的非均質(zhì)性，可以借助分形維數(shù)(D)來定量表征頁巖孔隙表面粗糙程度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性[27,40]。利用FHH 模型，依據(jù)氮?dú)馕?脫附曲線中不同平衡壓力下的吸附體積來計(jì)算分形維數(shù)D[52-53]：

其中：V為平衡壓力P下的氣體吸附量；V0為單層氣體飽和吸附量；K為分形維數(shù)D的相關(guān)系數(shù)；P為平衡壓力；P0為飽和蒸汽壓力；C為常數(shù)。

前人根據(jù)N2吸附曲線中相對壓力(P/P0)為0～0.5計(jì)算分形維數(shù)D1，這一階段為單層吸附，受范德華力控制[27,51,54]；在相對壓力(P/P0)為0.5～1.0 時計(jì)算分形維數(shù)D2，這一階段為多層吸附，受毛細(xì)管冷凝控制。PYUN 等[55]將D1定義為孔隙表面的分形維數(shù)，將D2定義為孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)。D1和D2越趨近于3，則表面孔隙表面越粗糙和孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，即孔隙的非均質(zhì)性越強(qiáng)[53]。根據(jù)N2吸附曲線的數(shù)據(jù)，作出lnV和ln[ln(P0/P)]的擬合曲線，如圖6所示，可見其分段曲線有很高的擬合度?？紫斗中尉S數(shù)見表3。從表3可見：頁巖樣品的D1為2.494 2～2.664 4，平均 為2.574 3；D2為2.583 9～2.766 4，平均為2.662 7。總體上，D2＞D1，說明牛蹄塘組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度大于孔隙表面復(fù)雜程度。

表3 基于FHH模型的孔隙分形維數(shù)計(jì)算值Table 3 Calculation of pore fractal dimension based on FHH model

圖6 lnV與ln[ln(P0/P)]的擬合曲線Fig.6 Fitted curves of lnV and ln[ln(P0/P)]

4 討論

4.1 不同巖相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)差異

4.1.1 孔隙體積和比表面積

頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)的形式存儲在頁巖孔隙中，孔隙體積是評價游離頁巖氣的重要參數(shù)，較高的比表面積有利于提供更多的頁巖氣吸附點(diǎn)位。牛蹄塘組硅質(zhì)頁巖的總孔體積平均為0.040 57 cm3/g，總比表面積平均為27.89 m2/g；鈣質(zhì)頁巖的總孔體積平均為0.021 08 cm3/g，總比表面積平均為10.96 m2/g；混合硅質(zhì)頁巖的總孔體積平均為0.025 60 cm3/g，總比表面積平均為11.14 m2/g；含泥硅質(zhì)頁巖的總孔體積平均為0.027 49 cm3/g，總比表面積平均為10.85 m2/g(表2)。硅質(zhì)頁巖的孔隙體積和比表面積顯著比其他3種巖相頁巖的高，表明硅質(zhì)頁巖可能存在更好的頁巖氣存儲和吸附空間。

通過統(tǒng)計(jì)得到各巖相頁巖微孔、介孔和宏孔的孔隙體積及比表面積占比，見圖7。從圖7可以看到不同巖相頁巖的微孔、介孔及宏孔分布特征十分相似，各巖相頁巖的介孔體積占總孔隙體積比例最大，微孔比表面積在總比表面積中占比最大。與其他巖相頁巖相比，硅質(zhì)頁巖微孔體積和微孔比表面積占比最高，表明其微孔更發(fā)育。含泥硅質(zhì)頁巖的微孔體積和微孔比表面積相較于其他巖相頁巖占比最低，但介孔體積和介孔比表面積占比相對更高，說明黏土礦物增加導(dǎo)致介孔所占孔隙比例增加，與黏土礦物相關(guān)的孔隙的孔徑主要在介孔范圍內(nèi)。因此，探究影響頁巖孔隙體積和比表面積的因素時，有必要考慮礦物成分。

圖7 牛蹄塘組不同巖相頁巖微孔、介孔和宏孔的孔隙體積及比表面積占比Fig.7 Pore volume and specific surface area ratio of micropores,mesoporous pores and macropores in different lithofacies shale of Niutitang Formation

4.1.2 孔徑分布

基于低壓CO2吸附和低壓N2吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制牛蹄塘組各巖相頁巖典型樣品的孔隙體積和比表面積與孔徑分布圖，以反映不同孔徑的孔隙分布特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征，見圖8。從圖8可見：不同巖相頁巖的孔隙體積在0.5～0.6，2～4 和10～20 nm 處呈現(xiàn)相似的多峰分布特征，比表面積在0.5～0.6，0.8～0.9 和10～20 nm 處呈現(xiàn)相似的多峰分布特征。這同樣論證了介孔是孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者，微孔是比表面積的主要貢獻(xiàn)者。此外，硅質(zhì)頁巖的孔隙體積和比表面積分布峰值明顯比其他3種巖相頁巖的高。

圖8 牛蹄塘組不同巖相頁巖孔徑分布特征Fig.8 Pore size distribution characteristics of different lithofacies shale in Niutitang Formation

4.1.3 分形特征

頁巖微觀孔隙具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性[56]。分形維數(shù)D1表征孔隙表面的粗糙程度，反映了孔隙形貌的復(fù)雜多樣性。分形維數(shù)D2反映了孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，包括孔徑的不均一性和孔隙類型的多樣性等。牛蹄塘組硅質(zhì)頁巖D1平均值為2.594 0，D2平均值為2.695 5；鈣質(zhì)頁巖D1平均值為2.528 7，D2平均值為2.629 3；混合硅質(zhì)頁巖D1平均值為2.587 8，D2平均值為2.654 2；含泥硅質(zhì)頁巖D1平均值為2.551 6，D2平均值為2.620 4(圖9)。硅質(zhì)頁巖的分形維數(shù)略高于其他3種巖相頁巖的分形維數(shù)，表明硅質(zhì)頁巖的孔隙體系非均質(zhì)性最強(qiáng)。相較于其他3種巖相頁巖，硅質(zhì)頁巖的有機(jī)孔更發(fā)育，而在頁巖成熟生烴過程中，有機(jī)孔的形成演化是一個復(fù)雜的過程，有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)、形態(tài)和發(fā)育位置都會導(dǎo)致有機(jī)孔不均一[44,57]，使得頁巖孔隙結(jié)構(gòu)和表面更復(fù)雜。

圖9 牛蹄塘組不同巖相頁巖的分形維數(shù)Fig.9 Shale fractal dimensions of different lithofacies in Niutitang Formation

4.2 頁巖孔隙發(fā)育影響因素

頁巖儲層孔隙發(fā)育受巖相類型影響，本次研究主要結(jié)合不同巖相頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、礦物組成對湘西地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖孔隙發(fā)育影響因素進(jìn)行分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，介孔對于孔隙體積的貢獻(xiàn)(平均占比77.72%)和微孔對于比表面積的貢獻(xiàn)(平均占比70.19%）相當(dāng)大，因此，本文主要對微孔與介孔進(jìn)行研究。

4.2.1 TOC

有機(jī)孔是頁巖的重要孔隙類型，主要來源于干酪根，而TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)是有機(jī)孔發(fā)育的關(guān)鍵因素。TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系如圖10所示，可見牛蹄塘組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系。其中，頁巖微孔體積和微孔比表面積與TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.881 5 和0.863 6(圖10(a)和10(c))。這一點(diǎn)與HU等[28,40,42,48,58]的研究結(jié)果一致，表明有機(jī)質(zhì)對牛蹄塘組頁巖孔隙發(fā)育具有積極作用，微孔主要在有機(jī)質(zhì)中發(fā)育。頁巖介孔體積和介孔比表面積與TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也具有一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.441 3和0.406 1(圖10(b)和10(d))，表明有機(jī)質(zhì)中也發(fā)育一定數(shù)量的介孔，但介孔中應(yīng)該也存在相當(dāng)數(shù)量的無機(jī)孔。牛蹄塘組頁巖熱演化程度高且處于晚成巖階段，有機(jī)質(zhì)生烴作用減緩，不能維持原有有機(jī)孔形態(tài)，壓實(shí)作用使得頁巖宏孔向介孔和微孔轉(zhuǎn)化，有機(jī)孔孔體積變小[48]?？傮w來說，微孔與w(TOC)的關(guān)系比介孔與w(TOC)的關(guān)系更為密切。

圖10 TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系Fig.10 Relationships between TOC content and pore structure parameters

牛蹄塘組不同巖相頁巖TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異，通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的硅質(zhì)頁巖對孔隙體積和比表面積貢獻(xiàn)最大。鈣質(zhì)頁巖、混合硅質(zhì)頁巖和含泥硅質(zhì)頁巖的TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍偏低，對孔隙體積和比表面積的貢獻(xiàn)較小。這也與“場發(fā)射掃描電鏡觀察到硅質(zhì)頁巖的有機(jī)孔更為發(fā)育而鈣質(zhì)頁巖、混合硅質(zhì)頁巖和含泥硅質(zhì)頁巖有機(jī)孔不太發(fā)育”相一致(圖3)。此外，硅質(zhì)頁巖與其他3種巖相頁巖在微孔孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異性要高于在介孔孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異性。因此，不同的頁巖巖相和TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對孔隙體積和比表面積的貢獻(xiàn)不同。

4.2.2 礦物組成

頁巖中石英的來源不同對孔隙發(fā)育的影響不同。MA等[54,59-61]的研究表明，碎屑成因石英對孔隙發(fā)育影響較小，而自生成因石英對孔隙發(fā)育具有促進(jìn)作用。自生石英膠結(jié)作用形成的剛性骨架可以保護(hù)原生粒間孔隙不被壓實(shí)，并促進(jìn)有機(jī)孔的形成[42,62]。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖石英與微孔體積和比表面積呈微弱的正相關(guān)性，與介孔體積和比表面積無明顯相關(guān)性(圖11(a)和圖11(b))。表明牛蹄塘組頁巖硅質(zhì)來源較復(fù)雜，有一部分為生物成因，可以提供部分有機(jī)孔以及脆性礦物的粒間孔。硅質(zhì)頁巖的石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，這與前面討論的其微孔體積和微孔比表面積均比其他3種巖相頁巖相的高相一致?？傮w來說，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖石英對于孔隙發(fā)育的影響較小，對于微孔發(fā)育有一定的建設(shè)性作用。

黏土礦物是頁巖重要的礦物組分，它對不同巖相頁巖孔隙的發(fā)育同樣有一定影響。值得注意的是，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)呈一定負(fù)相關(guān)性或不相關(guān)性(圖11(c)和(d))。這與YANG等[42,63-65]的研究結(jié)果不同，黏土礦物與層間孔、粒間孔和微裂縫密切相關(guān)，會增加一定的孔隙體積和比表面積。從表1可發(fā)現(xiàn)：黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，而TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(圖10)，由此推測有機(jī)質(zhì)可能影響?zhàn)ね恋V物與孔隙體積和比表面積的相關(guān)關(guān)系。南方牛蹄塘組頁巖自上而下呈現(xiàn)陸源碎屑和黏土礦物減少、有機(jī)質(zhì)增多的趨勢，這是水體由淺變深的沉積剖面特征，故TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[66]。消除有機(jī)質(zhì)對孔隙結(jié)構(gòu)的影響，圖11(e)顯示黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與單位TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的介孔體積呈明顯正相關(guān)性，與單位TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微孔體積無明顯相關(guān)性，這表明黏土礦物中發(fā)育一定數(shù)量的介孔。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與單位TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比表面積呈較弱正相關(guān)性(圖11(f))。因?yàn)檠芯繀^(qū)牛蹄塘組頁巖埋深較大，處于成巖階段晚期，蒙脫石基本都轉(zhuǎn)化為伊利石[48,51]，而伊利石相較于其他黏土礦物其表面積最低[67]，所以，黏土礦物對于孔隙比表面積的貢獻(xiàn)較小。此外，含泥硅質(zhì)頁巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，集中分布在牛三段(表1)，可以推測牛三段含泥硅質(zhì)頁巖可能發(fā)育更多與黏土礦物相關(guān)的孔隙，且主要為介孔。

4.3 頁巖氣勘探層段優(yōu)選

根據(jù)礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可將研究區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖劃分為硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、混合硅質(zhì)頁巖和含泥硅質(zhì)頁巖共4 種頁巖巖相。在這4種頁巖巖相中，硅質(zhì)頁巖TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，主要發(fā)育在牛一段和牛二段底部。通過場發(fā)射掃描電鏡觀察得知，硅質(zhì)頁巖的有機(jī)質(zhì)分布廣，有機(jī)孔最發(fā)育，無機(jī)孔則在各類巖相頁巖中均有分布?？紫扼w積和比表面積是評價頁巖儲層儲集能力的重要參數(shù)。硅質(zhì)頁巖的孔隙體積和比表面積顯著比其他3種巖相頁巖的高，表明其存在更好的頁巖氣存儲和吸附空間。通過分形維數(shù)計(jì)算同樣發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)頁巖的分形維數(shù)最高，有機(jī)孔發(fā)育，且有機(jī)微孔表面粗糙，可以為氣體分子提供更多的吸附點(diǎn)位，增強(qiáng)頁巖的儲集能力。在影響頁巖孔隙發(fā)育的因素中，TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)占主導(dǎo)地位，與孔隙結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)都呈良好的線性關(guān)系。TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是硅質(zhì)頁巖，其孔隙最發(fā)育?？梢姡芯繀^(qū)牛蹄塘組硅質(zhì)頁巖是優(yōu)勢頁巖巖相，牛一段和牛二段底部可能是理想的頁巖氣勘探場所。

5 結(jié)論

1) 湘西地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，平均為4.24%。根據(jù)礦物組成可劃分4 種巖相即硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、混合硅質(zhì)頁巖和含泥硅質(zhì)頁巖。頁巖孔隙類型主要包括有機(jī)孔、無機(jī)孔和微裂縫，硅質(zhì)頁巖中有機(jī)孔最發(fā)育。

2) 牛蹄塘組頁巖介孔體積占孔隙體積比例最大(平均占比為77.72%)，微孔比表面積占比表面積的比例最大(平均占比為70.19%)。不同巖相頁巖的孔徑分布特征相似，但硅質(zhì)頁巖的孔隙體積和比表面積顯著比其他3種巖相頁巖的高。相較于其他3種巖相頁巖，硅質(zhì)頁巖的分形維數(shù)更高，孔隙體系非均質(zhì)性更強(qiáng)。

3) 牛蹄塘組的頁巖巖相通過TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和礦物組成影響孔隙結(jié)構(gòu)。TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)是控制牛蹄塘組頁巖孔隙發(fā)育的主要因素，特別體現(xiàn)在對微孔和中孔發(fā)育的控制；石英對微孔發(fā)育有一定積極作用，黏土礦物中發(fā)育一定數(shù)量的介孔，但整體上礦物組成對孔隙發(fā)育影響較小。

4) 牛蹄塘組硅質(zhì)頁巖是優(yōu)勢頁巖巖相，其有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)孔發(fā)育，孔隙體積和比表面積均顯著比其他3種巖相頁巖的高。牛一段和牛二段底部可能是理想的頁巖氣勘探場所。