中上揚(yáng)子地區(qū)寒武系頁巖儲層特征及其主控因素探討

邵德勇,張 瑜,宋 輝,孟 康,羅 歡,李艷芳,吳陳君,唐 玄,張同偉

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.蘭州大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;3.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640;4.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430100;5.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院,北京 100083;6.德州大學(xué) 奧斯汀分校 杰克遜地球科學(xué)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)地質(zhì)局，美國 德州 78713)

隨著水平鉆井和水力體積壓裂等工程技術(shù)的應(yīng)用和突破,頁巖氣已成為可有效開發(fā)的非常規(guī)石油天然氣資源,其資源潛力巨大,是未來重要的接替能源。近十多年來,我國大力推進(jìn)南方下古生界海相頁巖氣的勘探和開發(fā),并在四川盆地及周緣地區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖地層取得了重大突破,先后形成涪陵、長寧—威遠(yuǎn)、富順—永川和昭通4大工業(yè)化生產(chǎn)示范區(qū),成為北美之外第1個實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開采的國家[1-3]。截至2020年,我國頁巖氣探明地質(zhì)儲量和年產(chǎn)氣量分別突破了2×1012m3和200×108m3[4]。與五峰組—龍馬溪組頁巖相比,下寒武統(tǒng)筇竹寺組及其同時代頁巖(牛蹄塘組、水井沱組等)橫跨上、中、下?lián)P子地區(qū),有機(jī)質(zhì)豐度高、地層厚度大、有機(jī)質(zhì)類型好,是我國頁巖氣最具勘探潛力的目的層位之一,也是繼五峰組—龍馬溪組之后未來重要的接替領(lǐng)域[2, 5-7]。從已有的關(guān)于五峰組—龍馬溪組頁巖或北美海相頁巖勘探實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和頁巖氣成藏地質(zhì)條件的理論來評價,我國南方寒武系頁巖具有非常優(yōu)越的頁巖氣形成和聚集條件[7-10],預(yù)測頁巖氣地質(zhì)資源量高達(dá)35.16×1012m3[11]。

然而,已有鉆井資料顯示,中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖含氣量普遍低于五峰組—龍馬溪組頁巖,且在不同地區(qū)含氣量、試氣效果與產(chǎn)能差異很大[1, 7, 12-15]。盡管下寒武統(tǒng)頁巖氣地質(zhì)資源量巨大,但由于勘探開發(fā)程度低,尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)意義上的突破。目前已在威遠(yuǎn)、井研—犍為、宜昌和漢中等少數(shù)地區(qū)的個別單井獲得不同程度的工業(yè)氣流。近日,西南石油分公司部署的金石103HF井獲天然氣產(chǎn)量25.86×104m3/d的高產(chǎn)工業(yè)氣流，評價落實(shí)地質(zhì)資源量達(dá)3 878×108m3，標(biāo)志著我國在寒武系筇竹寺組地層取得頁巖氣勘探的重大突破。但南方地區(qū)含氣程度普遍偏低,甚至不含氣或高含N2、CO2等非烴氣體[1, 2, 7, 12-17]。通過對比下寒武統(tǒng)筇竹寺組和五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏關(guān)鍵要素,發(fā)現(xiàn)前者盡管擁有優(yōu)越的頁巖氣形成物質(zhì)條件,但其儲集物性相對較差,孔隙度顯著小于后者,特別是有機(jī)孔普遍欠發(fā)育或不發(fā)育[2, 7]。這也被認(rèn)為是造成我國南方寒武系頁巖低含氣量的主要原因。本文通過梳理近5年該團(tuán)隊(duì)對中上揚(yáng)子地區(qū)寒武系頁巖儲層特征的深入研究,并結(jié)合前人成果,探討寒武系頁巖中有機(jī)孔形成、演化和保存機(jī)理,不僅對寒武系頁巖氣儲層評價和成藏富集機(jī)理研究具有實(shí)際意義,而且對于指導(dǎo)我國高-過成熟海相頁巖氣勘探和資源評價具有重要指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

中上揚(yáng)子地區(qū)泛指川、渝、黔、滇、鄂、湘等所屬區(qū)域,面積約為50×104km2,不僅是我國常規(guī)天然氣的主要產(chǎn)區(qū),也是近十年來海相頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。

早寒武世,伴隨Rodinia大陸的持續(xù)裂解和海侵作用,上升的海水幾乎覆蓋了整個揚(yáng)子碳酸鹽臺地,使其處于被動大陸邊緣的淺海環(huán)境[18-19]。中上揚(yáng)子由于地勢整體呈西北高、東南低的特征,因此，揚(yáng)子海沿著東南方向水體逐漸加深,從西北到東南方向依次發(fā)育濱海岸、淺水陸棚、深水陸棚、陸棚邊緣斜坡和深水盆地等相帶[20]。與此同時,在區(qū)域拉張活動控制背景下,揚(yáng)子板內(nèi)發(fā)育呈南北走向的綿陽—長寧裂陷槽和鄂西裂陷槽[21],共同控制著寒武世早期中上揚(yáng)子隆凹相間的古地理格局(見圖1)。該沉積期內(nèi)海侵帶來的富營養(yǎng)上升洋流造成了海洋生產(chǎn)力的大幅提高，以及在大洋底層形成相對穩(wěn)定的缺氧環(huán)境,使得揚(yáng)子地臺廣泛沉積了一套富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖。這套黑色頁巖不僅是我國南方下古生界常規(guī)油氣的主力烴源巖,同時也是非常規(guī)頁巖氣勘探的重要目標(biāo)層系。

2018—2022年期間,作者團(tuán)隊(duì)在已開展工作總結(jié)和資料調(diào)研基礎(chǔ)上,針對中上揚(yáng)子不同地區(qū)寒武系地層開展了多次露頭剖面和鉆井巖心剖面的野外現(xiàn)場考察和樣品采集工作,并參考中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心提出的頁巖氣成藏模式——“古老隆起邊緣控藏模式”[22],結(jié)合寒武系黑色頁巖在空間上的展布特征以及頁巖氣勘探實(shí)踐效果,對位于黃陵隆起東南緣的宜昌地區(qū)(鄂西裂陷槽)、漢南古隆起南緣的陜南漢中地區(qū)、川中隆起附近的威遠(yuǎn)地區(qū)(綿陽—長寧裂陷槽)和渝湘黔深水陸棚-斜坡帶(熱水沉積區(qū))的黔北開陽、甕安地區(qū)等10余個野外露頭剖面或巖心鉆井進(jìn)行了系統(tǒng)采樣,研究了不同沉積相帶寒武系頁巖有機(jī)孔的形成、演化和保存機(jī)理。

圖1 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)巖相古地理及剖面位置(據(jù)文獻(xiàn)[15, 23-24]修改)Fig.1 Paleo-geographic map of the Middle-Upper Yangtze region in the Lower Cambrian period and profile location

2 中上揚(yáng)子地區(qū)寒武系頁巖儲層特征

2.1 有機(jī)碳(TOC)含量

露頭和鉆井巖心資料表明,中上揚(yáng)子不同地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組及其同時代頁巖TOC含量在橫向上波動很大,尤其是富有機(jī)質(zhì)頁巖層段(見圖2)。其中,位于鄂西裂陷槽和湘黔深水陸棚-斜坡帶的下寒武系水井沱組/牛蹄塘組頁巖的TOC含量顯著偏高,EYY1井、ZK003井、ZK909鉆孔和甕安剖面富有機(jī)質(zhì)層段TOC含量平均值分別高達(dá)4.0%、5.7%、3.8%和5.3%,同時，TOC>1%的富有機(jī)質(zhì)頁巖層段的厚度也相對較大，為80～100 m。而位于綿陽—長寧裂陷槽邊緣和漢中隆起附近的筇竹寺組頁巖TOC含量普遍相對偏低,W001-4井、SNY1井和楊壩剖面TOC含量平均值分別為2.1%、2.2%和2.4%,富有機(jī)質(zhì)頁巖層段厚度明顯減小,僅為20～40 m。因此,中上揚(yáng)子地區(qū)從東南緣深水陸棚-斜坡帶(熱水沉積區(qū))沿著海侵方向,向陸內(nèi)西北方向延伸發(fā)育淺水陸棚、濱海岸、碳酸鹽臺地,下寒武統(tǒng)筇竹寺組及其同時代頁巖的TOC含量逐漸降低,富有機(jī)質(zhì)頁巖層段的沉積厚度通常顯著減小,但同時受到綿陽—長寧裂陷槽和湘鄂西裂陷槽的重要控制[15, 21]。研究表明,黑色頁巖的發(fā)育和分布在中上揚(yáng)子不同地區(qū)的強(qiáng)烈波動,除了受氧化-還原條件、陸源輸入和古海洋生產(chǎn)力等關(guān)鍵因素控制外,中上揚(yáng)子地區(qū)東南緣深水陸棚-斜坡帶和鄂西裂陷槽上升洋流和/或海底熱液對有機(jī)質(zhì)的富集也起到了顯著的促進(jìn)作用[19, 25]。

圖2 中上揚(yáng)子不同地區(qū)寒武系剖面有機(jī)質(zhì)豐度變化對比情況Fig.2 Comparison of changes in OM abundance in the Cambrian profiles in different areas of the Middle-Upper Yangtze region

在縱向上,寒武系剖面富有機(jī)質(zhì)頁巖層段表現(xiàn)出明顯的二分段性,特別是寒武系頁巖氣獲得突破的鄂西宜昌地區(qū)。以ZK003井為例,研究區(qū)水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖下段(一段)以碳質(zhì)頁巖為主,含灰?guī)r/鈣質(zhì)頁巖夾層,TOC含量為1.8%～11.5%,平均值為5.7%;而富有機(jī)質(zhì)頁巖上段(二段)則以灰黑色頁巖為主,TOC含量為0.7%～5.3%,平均值為2.7%,相對低于一段[26-27]。結(jié)合主、微量元素分析和巖石薄片鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖一、二段在礦物組成和成因來源以及成烴生物組合等幾個重要方面均存在較大差異,這主要受早寒武世海洋沉積環(huán)境演變的控制[26-27]。通過結(jié)合宜昌地區(qū)EYY1井和黔北開陽地區(qū)ZK-909鉆孔剖面對比研究,下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖表現(xiàn)出相似的分段性特征[28]。可見,中上揚(yáng)子地區(qū)寒武系剖面富有機(jī)質(zhì)頁巖層段的二分段性具有重要的地質(zhì)意義。

2.2 礦物組成和巖相特征

XRD測試結(jié)果顯示,中上揚(yáng)子不同地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖在礦物組成和巖相上也存在較大差異(見圖3)。其中,位于鄂西裂陷槽的宜昌地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖以石英、黏土和碳酸鹽礦物為主,含有相對少量的長石和黃鐵礦等。以EYY1井為例,水井沱組頁巖石英含量為13%～55%,平均值為41%,黏土礦物、碳酸鹽礦物(白云石+方解石)、長石和黃鐵礦等其他礦物平均含量分為24%、23%、9%和3%等[29]。研究表明,水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖中生物成因石英占比大,主要來源于海綿骨針、放射蟲、絮狀/紡錘狀硅質(zhì)集合體等,并且在一、二段表現(xiàn)出很大的差異性,二段陸源碎屑石英含量明顯高于一段[26];而相對高含量的碳酸鹽礦物則可能與宜昌地區(qū)北東方向發(fā)育的碳酸鹽臺地內(nèi)碎屑物質(zhì)的輸入有關(guān)[30]。參考近年來提出的石英+長石-黏土-碳酸鹽礦物三端元法劃分方案[31],EYY1井水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖可進(jìn)一步劃分為硅質(zhì)頁巖、過渡型頁巖和鈣質(zhì)頁巖3類主要巖相。

湘黔深水陸棚-斜坡帶下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖則以石英和黏土礦物為主,含少量長石、碳酸鹽礦物、黃鐵礦等。以ZK909鉆孔為例,牛蹄塘組頁巖石英礦物含量為34%～55%,平均值為42%,黏土含量為23%～45%,平均值為33%,兩者在剖面上呈此消彼長的關(guān)系[28]。長石、碳酸鹽礦物(方解石+白云石)、黃鐵礦礦物平均含量分別為12%、7%和6%。巖相上,湘黔深水陸棚-斜坡帶下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖則以硅質(zhì)頁巖和過渡型頁巖為主,碳酸鹽礦物含量較低,石英含量相對更高,可能與生物成因石英的貢獻(xiàn)和/或熱液活動有關(guān)[28, 32]。

圖3 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖礦物組成(據(jù)文獻(xiàn)[28-29]修改)Fig.3 Mineral composition of the Lower Cambrian organic-rich shales in the Middle-Upper Yangtze region

相比之下,位于長寧—綿陽裂陷槽邊緣和漢南古隆起附近地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和牛蹄塘組頁巖在礦物組成上則具有非常高的長英質(zhì)礦物含量和異常低的碳酸鹽礦物含量,這應(yīng)與沉積區(qū)靠近古陸而具有顯著高的陸源輸入有關(guān)[29]。其中,W001-4井筇竹寺組頁巖中石英含量為6%～65%,平均值為34%,黏土礦物含量為12%～40%,平均值為26%,長石含量為0%～29%,平均值為19%,白云石、方解石和黃鐵礦等其他礦物平均含量分別為6%、5%和7%等;SNY1井牛蹄塘組頁巖中石英含量為38%～58%,平均值為45%,黏土礦物含量為17%～41%,平均值為27%,長石含量為12%～33%,平均值為22%,方解石、白云石和黃鐵礦平均含量分別為3%、1%和2%等。與上述兩個地區(qū)相比,長寧—綿陽裂陷槽邊緣和漢南古隆起附近地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖在巖相上則以硅質(zhì)頁巖為主,與四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖相似。

2.3 孔隙特征

近十多年來,國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡、N2/CO2低溫吸附、小角散射等各種孔隙表征方法對富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙開展了大量工作,并取得了一系列重要研究進(jìn)展[33-38]。尤其是關(guān)于泥頁巖中有機(jī)質(zhì)微納米級孔隙的掃描電子顯微鏡成像，以及對有機(jī)孔作為非常規(guī)頁巖氣主要儲集空間的認(rèn)識。

通過氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡大量觀察發(fā)現(xiàn)[28-29, 39-40],中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育孔隙具有很強(qiáng)非均質(zhì)性,尤其是有機(jī)孔的發(fā)育情況(見圖4)。具體表現(xiàn)如下:①按照有機(jī)質(zhì)類型劃分,研究區(qū)頁巖中有機(jī)質(zhì)包括運(yùn)移有機(jī)質(zhì)(熱解瀝青)和原生有機(jī)質(zhì)(殘余干酪根)2個組成部分,并且運(yùn)移有機(jī)質(zhì)發(fā)育有機(jī)孔情況顯著優(yōu)于原生有機(jī)質(zhì),前者發(fā)育有機(jī)孔數(shù)量往往較多,其孔徑也相應(yīng)較大(見圖4A～4C)[28-29]。但需要指出的是,由于這兩種類型有機(jī)質(zhì)在高-過成熟階段的演化特征趨同,均沿著碳化甚至石墨化方向進(jìn)行,因此，在大多數(shù)情況下,很難在掃描電鏡下區(qū)分寒武系頁巖中有機(jī)孔的發(fā)育載體是運(yùn)移有機(jī)質(zhì)還是原生有機(jī)質(zhì)[41]，這也是近年來非常規(guī)頁巖儲層研究中的一個難點(diǎn)。②依據(jù)頁巖微觀組構(gòu)、有機(jī)質(zhì)賦存形式和有機(jī)孔發(fā)育非均質(zhì)性3者之間的內(nèi)在聯(lián)系[41],下寒武統(tǒng)頁巖中有機(jī)孔的類型可進(jìn)一步劃分為脆性礦物粒間有機(jī)質(zhì)孔隙、黃鐵礦集合體晶間有機(jī)質(zhì)孔隙、礦物顆粒內(nèi)有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì)孔隙等[29, 39],并且以黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì)孔隙最為發(fā)育(見圖4D～4H),其次為脆性礦物粒間有機(jī)質(zhì)孔隙(見圖4B～4C),而孤立的條帶狀有機(jī)質(zhì)(干酪根)往往不發(fā)育孔隙(見圖4A)[28]。③不同巖相頁巖有機(jī)孔發(fā)育情況存在差異,其中，硅質(zhì)頁巖發(fā)育孔隙情況相對優(yōu)于鈣質(zhì)頁巖,過渡型頁巖則主要介于兩者之間(見圖4A～4E)[29];④在同一剖面上, 富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育孔隙特征與TOC含量變化相似,具有明顯的二分段性,其中，中等TOC含量的富黏土礦物層段(二段/上段)發(fā)育有機(jī)孔情況相對優(yōu)于高TOC含量的貧黏土礦物層段(一段/下段)(見圖4H～4I)[27-28]。這也與前人在中上揚(yáng)子不同地區(qū)的N2吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致[42-44],下寒武統(tǒng)頁巖比表面積和孔體積與黏土礦物含量呈一定的正相關(guān)關(guān)系,而這和志留系龍馬溪組頁巖孔隙參數(shù)與石英含量呈正相關(guān)的特征恰好相反。⑤無機(jī)礦物孔隙對寒武系頁巖總孔隙度有顯著貢獻(xiàn)[15]。無機(jī)礦物孔隙具體包括脆性礦物粒間孔、碳酸鹽礦物粒內(nèi)孔、黏土礦物層間孔和草莓狀黃鐵礦晶間孔等,并以黏土礦物層間孔和脆性礦物粒間孔為主。需要指出的是，粒內(nèi)孔通常在鈣質(zhì)頁巖中相對發(fā)育,與白云石、方解石等碳酸鹽礦物發(fā)生溶蝕有關(guān)。⑥從區(qū)域上來看,宜昌等寒武系頁巖氣勘探突破區(qū)的頁巖儲集物性較好,孔隙相對發(fā)育[15, 24]。具體對比結(jié)果顯示,鄂西宜昌地區(qū)水井沱組頁巖孔隙以有機(jī)孔和碳酸鹽礦物溶蝕孔為主,其次為粒間孔,孔徑大于50 nm的大孔較發(fā)育;四川威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組頁巖孔隙以粒間孔和黏土礦物層間孔為主,其次為與黏土礦物伴生的有機(jī)質(zhì)孔隙,以介孔和微孔為主。相比之下, 渝湘黔地區(qū)牛蹄塘組頁巖發(fā)育少量的有機(jī)孔,但其孔徑明顯變小(<30 nm),并且無機(jī)礦物孔隙相對不發(fā)育[40]。

A 原生有機(jī)質(zhì),EYY1井,TOC=3.64%,鈣質(zhì)頁巖;B 運(yùn)移有機(jī)質(zhì)(脆性礦物粒間孔充填有機(jī)質(zhì)),EYY1井,TOC=3.64%,鈣質(zhì)頁巖;C 運(yùn)移有機(jī)質(zhì)(黃鐵礦晶間孔充填有機(jī)質(zhì)),EYY1井,TOC=1.34%,鈣質(zhì)頁巖;D 黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì),EYY1井,TOC=2.09%,過渡型頁巖;E 黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì),EYY1井,TOC=2.87%,硅質(zhì)頁巖;F 黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì),SNY1井,TOC=1.74%,硅質(zhì)頁巖;G 黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì),W001-4井,TOC=0.78%,硅質(zhì)頁巖;H 黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì),ZK909井,TOC=3.66%,黏土礦物含量=34%;I 黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì),ZK909井,TOC=6.67%,黏土礦物含量=23%。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)頁巖發(fā)育孔隙特征(據(jù)文獻(xiàn)[29, 43]修改)Fig.4 Pore characteristics of different organic-rich shales from the Lower Cambrian Fm. in the Middle-Upper Yangtze region

需要指出的是,中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙整體相對欠發(fā)育,并往往以孔徑較小的海綿狀有機(jī)孔為主,微孔和介孔占主導(dǎo),顯著區(qū)別于四川盆地五峰組—龍馬溪組極為發(fā)育的連通型氣泡狀有機(jī)孔。He孔隙度測試、N2/CO2低溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步表明,下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙度一般為0.40%～7.82%,平均值為2.43%,僅為五峰組—龍馬溪組頁巖儲層(2.0%～9.2%,平均值為4.9%)的二分之一左右,并且前者的比表面積和孔徑也顯著小于后者[2, 28, 43, 45]。

3 寒武系頁巖有機(jī)孔欠發(fā)育的演化機(jī)制探討

3.1 下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙發(fā)育與TOC含量的關(guān)系

有機(jī)質(zhì)豐度是評價烴源巖質(zhì)量好壞的關(guān)鍵參數(shù),在非常規(guī)頁巖油氣系統(tǒng)中,有機(jī)質(zhì)作為泥頁巖的重要組成部分,不僅為頁巖油氣的生成提供了物質(zhì)基礎(chǔ),同時也為頁巖油氣的保存和富集提供了重要儲集空間[33, 36, 46]。近年來大量勘探開發(fā)實(shí)踐進(jìn)一步證實(shí),四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集差異與有機(jī)質(zhì)豐度相關(guān),頁巖含氣量、孔隙度與TOC含量3者之間具有良好的正相關(guān)性[10, 28, 47]。

與五峰組—龍馬溪組頁巖相比,中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖在橫向和縱向上TOC含量波動較大。近年來不少研究發(fā)現(xiàn)[48-51],研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖孔隙度并非隨TOC含量增加而單調(diào)增大,而是與TOC含量之間呈現(xiàn)明顯的分段式關(guān)系(見圖5)。其中,以湘黔深水陸棚-斜坡帶的TX-1井和TM-1井為例,當(dāng)TOC<6.5%時,頁巖孔隙度與TOC含量之間具有良好的正相關(guān)關(guān)系。這表明有機(jī)質(zhì)豐度是影響下寒武統(tǒng)黑色頁巖孔隙的主控因素之一,有機(jī)孔對總孔隙度具有顯著貢獻(xiàn)。但是,當(dāng)TOC> 6.5%時,下寒武統(tǒng)黑色頁巖的孔隙度不但沒有隨 TOC 含量的繼續(xù)增加而增大,反而呈現(xiàn)顯著下降趨勢。類似現(xiàn)象在其他時代頁巖地層中也有相關(guān)報(bào)道。例如,Milliken等學(xué)者通過對美國Marcellus頁巖研究，首次發(fā)現(xiàn)該套頁巖孔隙度在TOC值大于5.6%以后,頁巖孔隙度隨TOC含量的繼續(xù)增高開始降低,并解釋高TOC含量的富有機(jī)質(zhì)頁巖巖石組構(gòu)更容易被壓實(shí),不利于孔隙保存,或可能含有更高比例的惰質(zhì)組等低生烴潛力的顯微組分[36]。中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖有機(jī)質(zhì)類型以I型或II型為主[52],具有高的生烴潛力,但是地質(zhì)歷史時期其最大埋深普遍超過6.5 km[53]。因此，國內(nèi)部分學(xué)者認(rèn)為,盆地埋藏過程中的機(jī)械壓實(shí)作用可能是導(dǎo)致下寒武統(tǒng)黑色頁巖孔隙普遍相對欠發(fā)育的主要原因[9, 50, 54-55]。

A 五峰組—龍馬溪組;B 牛蹄塘組圖5 富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙度與TOC含量的關(guān)系(據(jù)文獻(xiàn)[47, 49]修改)Fig.5 Relationship between porosity and TOC content from organic-rich shales

然而,下寒武統(tǒng)黑色頁巖孔隙度隨TOC含量增加呈先增大后減小的趨勢,在中上揚(yáng)子不同地區(qū)變化差異較大。馬子杰等[29]通過對鄂西裂陷槽、長寧—綿陽裂陷槽附近和漢南隆起邊緣地區(qū)的3口鉆井進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),EYY1井和W001-4井水井沱組和筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)面孔率隨TOC含量增加其峰值拐點(diǎn)TOC值分別出現(xiàn)在3.0%和1.0%附近,均顯著低于湘黔深水陸棚-斜坡帶的TX-1井和TM-1井。并且,位于漢南隆起邊緣的SNY1井牛蹄塘組頁巖TOC含量主體介于0%～3%之間,其有機(jī)質(zhì)面孔率與TOC含量呈現(xiàn)單調(diào)的正相關(guān)關(guān)系。由此可見,研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖發(fā)育孔隙情況復(fù)雜,主控因素更是尚未明確。

3.2 下寒武統(tǒng)頁巖孔隙發(fā)育與成熟度的關(guān)系

自Loucks 等學(xué)者利用氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡技術(shù)首次觀察發(fā)現(xiàn)了美國Barnett頁巖中發(fā)育豐富的納米級有機(jī)孔[33]以來,國內(nèi)外學(xué)者針對有機(jī)質(zhì)發(fā)育孔隙的形成機(jī)理和發(fā)育時間開展了大量研究,并且明確頁巖中有機(jī)孔的發(fā)育與有機(jī)質(zhì)熱演化和油氣形成階段密切相關(guān)[33, 35, 56-59]。特別是當(dāng)鏡質(zhì)體反射率Ro值高于0.9%時,有機(jī)質(zhì)進(jìn)入生油高峰,由于早期形成的液態(tài)烴開始裂解,頁巖中納米級的海綿狀有機(jī)孔開始大量發(fā)育[60-61]。通常情況下,頁巖中有機(jī)孔的孔徑和數(shù)量隨著成熟度的升高而顯著增大和增加[60-62]。但需要指出的是,迄今為止,有利于有機(jī)孔發(fā)育對應(yīng)的成熟度上限并不十分清楚。

對下寒武統(tǒng)頁巖而言,有機(jī)質(zhì)熱演化已進(jìn)入過成熟階段,但是不同地區(qū)其熱演化程度仍然存在較大差異[2, 10, 16, 63]。通過對我國南方不同鉆井巖心樣品的成熟度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比發(fā)現(xiàn)[16],位于綿陽—長寧裂陷槽附近的威遠(yuǎn)—犍為地區(qū)和湘黔深水陸棚-斜坡帶(熱水沉積區(qū))已經(jīng)進(jìn)入過成熟晚期,其中，威遠(yuǎn)—犍為地區(qū)等效鏡質(zhì)體反射率(EqRo值)主體為3.20%～3.60%,平均值為3.30%;滇黔北地區(qū)EqRo值為4.08%～4.44%,平均值為4.30%,而黔西地區(qū)更是高達(dá)4.5%。相比之下,鄂西宜昌地區(qū)和陜南漢中地區(qū)受黃陵、漢南古隆起的影響,EqRo值相對比較接近,分別為2.17%～2.72%和2.04%～3.14%,平均值為2.69%和2.66%,較前兩者熱演化程度低,整體處于過成熟早-中期[21, 64-65]。而我們從研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖發(fā)育孔隙情況來看,位于鄂西宜昌地區(qū)的EYY1井和陜南漢中地區(qū)的SNY1井目標(biāo)層頁巖有機(jī)孔發(fā)育情況相對優(yōu)于四川威遠(yuǎn)地區(qū)的W001-4井,而成熟度最高的黔北地區(qū)ZK909井有機(jī)孔發(fā)育情況則最差[28-29]。因此,過高的熱演化程度也被認(rèn)為可能對頁巖孔隙網(wǎng)絡(luò)具有破壞作用,不利于有機(jī)孔的保存。

通過進(jìn)一步對比北美和我國4套典型海相頁巖孔隙度與成熟度的關(guān)系,可以看出,美國中泥盆統(tǒng)Marcellus頁巖和我國下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖較上泥盆統(tǒng)Woodford頁巖和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖具有相對高的成熟度,當(dāng)EqRo>3.0%以后,前兩套頁巖孔隙度隨成熟度增加呈現(xiàn)一定的下降趨勢(見圖6)。這與前面報(bào)道的結(jié)果也一致。而事實(shí)上,鄒才能等和王道富等學(xué)者通過對威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組(EqRo=3.2%～3.6%)和龍馬溪組(EqRo=2.3%～2.8%)頁巖樣品開展氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),筇竹寺組頁巖受有機(jī)質(zhì)碳化影響,有機(jī)孔邊界模糊不清或呈弧形,開始出現(xiàn)塌陷和充填現(xiàn)象,孔徑變小,有機(jī)質(zhì)面孔率僅為4.6%～10.6%,而龍馬溪組頁巖不僅有機(jī)孔數(shù)量眾多,且形態(tài)輪廓清晰,較少出現(xiàn)充填現(xiàn)象,有機(jī)質(zhì)面孔率高達(dá)11.9%～23.9%[3,66]。近年來,不少學(xué)者也提出過高成熟度使頁巖中有機(jī)質(zhì)發(fā)生碳化,甚至趨于石墨化,有機(jī)孔因發(fā)生塌陷和被充填而銳減,是中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖有機(jī)孔相對欠發(fā)育的重要原因之一[1-3, 12, 66]。并且,肖賢明等[10]學(xué)者進(jìn)一步提出把EqRo>3.5%的區(qū)域作為我國南方寒武系頁巖氣勘探的高風(fēng)險區(qū),而由于古隆起邊緣熱演化程度相對較低,中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在結(jié)合近年來頁巖氣勘探實(shí)踐的基礎(chǔ)上創(chuàng)新提出了寒武系獨(dú)特的頁巖氣成藏模式——古老隆起邊緣控藏模式[22]。

圖6 富有機(jī)質(zhì)海相頁巖孔隙度隨成熟度變化(據(jù)文獻(xiàn)[67]修改)Fig. 6 Variations in porosity with maturity for organic-rich shales

3.3 排烴對下寒武統(tǒng)頁巖孔隙發(fā)育的影響

除了前兩種觀點(diǎn)外,張同偉等[7, 15]學(xué)者提出,排烴效率高、殘余油量小,是可能導(dǎo)致中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖中有機(jī)孔相對欠發(fā)育和含氣量低的關(guān)鍵原因。四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組具有相對良好的構(gòu)造保存條件,生油窗相當(dāng)數(shù)量的生成油被滯留在頁巖孔隙網(wǎng)絡(luò),因此,在后期高-過成熟階段進(jìn)一步裂解形成大量的頁巖氣,與此同時，熱解瀝青發(fā)育豐富的氣泡狀有機(jī)孔作為主要儲集空間[7, 46, 68]。然而,與五峰組—龍馬溪組頁巖相比,下寒武統(tǒng)黑色頁巖時代更老,經(jīng)歷了更為復(fù)雜的構(gòu)造活動和地質(zhì)事件。其中,晚震旦世—早寒武世沉積期發(fā)生的桐灣運(yùn)動在中上揚(yáng)子地區(qū)廣泛發(fā)育,下寒武統(tǒng)與下伏地層震旦系燈影組之間形成的不整合面為富有機(jī)質(zhì)頁巖在生油窗發(fā)生大規(guī)模的排烴和油氣散失提供了重要的運(yùn)移通道[1, 14, 51, 69]。2013年,中石油在四川盆地川中隆起發(fā)現(xiàn)安岳震旦系—寒武系特大型常規(guī)氣田,筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁巖作為烴源巖,鄰近燈影組碳酸鹽巖縫洞型白云巖作為儲集層[70],為上述推論提供了重要證據(jù)。除此之外,威遠(yuǎn)、丁山、南江、漢中等多個地區(qū)露頭或鉆井資料表明,下寒武統(tǒng)黑色頁巖下伏的燈影組白云巖發(fā)育古風(fēng)化殼,瀝青廣泛、密集分布(見圖7),也指示了下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖在生油窗曾發(fā)生了大規(guī)模排烴過程[71]。而頁巖中滯留油裂解形成的熱解瀝青(運(yùn)移有機(jī)質(zhì))是有機(jī)孔發(fā)育的主要載體[56, 72-74],盡管近年來也認(rèn)識到有機(jī)孔在干酪根(原生有機(jī)質(zhì))中也廣泛存在[75]。因此,構(gòu)造保存條件相對較差、排烴效率高、頁巖中殘余油量小,也可能是導(dǎo)致中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組及其同時代頁巖在后期高-過成熟階段油裂解形成氣量小、熱解瀝青含量低、孔隙相對欠發(fā)育的關(guān)鍵因素之一[7, 15]。

A SNY1井燈影組巖心;B 南江楊壩剖面燈影組露頭剖面圖7 震旦系燈影組白云巖分布瀝青特征Fig.7 Characteristics of bitumen distributed in Sinian Dengying Formation dolomites

另一方面,前文提到,研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖TOC含量和孔隙度特征在剖面上具有二分段性,也進(jìn)一步支持了這一推論。其中,張六六等通過對湖北宜昌地區(qū)ZK003井水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖一、二段開展巖石小柱體吸水實(shí)驗(yàn)、He孔隙度測試等相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖一段TOC含量比二段要高,但是其孔隙度、吸水量、吸水速率卻明顯低于二段[27, 45]。而利用氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖一、二段在礦物組成和有機(jī)孔發(fā)育方面存在顯著差異,其中，二段具有較高含量的黏土礦物,并且有機(jī)孔發(fā)育情況相對優(yōu)于一段,以與黏土礦物伴生有機(jī)質(zhì)孔隙為主。吳陳君等[28]通過對黔北地區(qū)ZK909井牛蹄塘組黑色頁巖深入研究時同樣發(fā)現(xiàn),剖面下段高TOC含量的貧黏土頁巖段比表面積和孔體積相對較小,有機(jī)孔欠發(fā)育,而剖面上段富含黏土礦物的中等TOC 含量頁巖段比表面積和孔體積整體較高,有機(jī)質(zhì)以有機(jī)質(zhì)-黏土礦物復(fù)合體形式賦存,有機(jī)孔相對發(fā)育。因此,引起下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖上、下段(一、二段)孔隙發(fā)育差異的原因很可能與生油窗排烴效率差異有關(guān)。下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖下段/一段TOC含量高,生烴潛力大,并且與下伏震旦系燈影組不整合面距離近,因此排烴效率高,生油窗大量生成油氣被排出,殘余油量小,進(jìn)而導(dǎo)致高-過成熟階段富有機(jī)質(zhì)頁巖中熱解瀝青含量低,有機(jī)孔相對不發(fā)育,有機(jī)質(zhì)類型則以原生有機(jī)質(zhì)為主,總孔隙度小;而富有機(jī)質(zhì)頁巖上段/二段TOC含量中等,黏土礦物高,層間孔發(fā)育,生油窗吸附大量生成油滯留在孔隙網(wǎng)絡(luò),并且該層段頂板發(fā)育低TOC泥巖和泥灰?guī)r,封閉性好,與此同時,下伏的富有機(jī)質(zhì)頁巖下段/一段由于更高的TOC含量和生烴量,從而構(gòu)成烴濃度封閉,以相對高的烴濃度阻滯上覆地層生成的油氣向下運(yùn)移,進(jìn)而導(dǎo)致上段中等TOC含量的富有機(jī)質(zhì)頁巖層段具有相對低的排烴效率,并在更高熱演化條件下二次裂解成氣,熱解瀝青含量高,有機(jī)孔相對發(fā)育。此外,下段富有機(jī)質(zhì)頁巖層系內(nèi)發(fā)育的旋回性泥灰?guī)r或鈣質(zhì)夾層可能也起到了一定的隔擋效應(yīng),相對限制了上段形成油氣在垂向上的大量運(yùn)移和散失。這也部分解釋了研究區(qū)頁巖孔隙度在TOC大于某一門限值范圍時，隨TOC含量的繼續(xù)增加反而呈減小趨勢的原因。因此,與高TOC含量的富有機(jī)質(zhì)頁巖下段/一段相比,中等TOC含量、富黏土礦物的富有機(jī)質(zhì)頁巖上段/二段可能為寒武系頁巖氣勘探的更有利層段/甜點(diǎn)段。這一認(rèn)識與目前宜昌地區(qū)已獲得勘探突破的宜地2井水井沱組富有機(jī)質(zhì)頁巖層含氣量在縱向上的變化特征相一致[76]。

4 結(jié)語

中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖TOC含量、礦物組成和巖相在橫向和縱向上波動較大。研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙相對欠發(fā)育,以孔徑較小的海綿狀有機(jī)孔為主,微孔和介孔占主導(dǎo),但具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性。整體上,下寒武統(tǒng)頁巖孔隙度隨TOC含量的增加呈先增大后減小趨勢,盡管在不同地區(qū)存在差異,但總地指示了高TOC含量的富有機(jī)質(zhì)頁巖巖石組構(gòu)容易被壓實(shí),不利于孔隙的保存。與此同時,下寒武統(tǒng)頁巖中有機(jī)孔的演化還受到成熟度的控制。其中,位于過成熟早-中期(EqRo=2.0%～3.0%)的鄂西宜昌地區(qū)和陜南漢中地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖有機(jī)孔發(fā)育情況相對優(yōu)于過成熟晚期(EqRo=3.0%～3.5%)的四川威遠(yuǎn)地區(qū),而成熟度最高(EqRo>4.0%)的黔北地區(qū)有機(jī)孔發(fā)育情況則最差。除此之外,下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙發(fā)育特征與礦物組成、TOC含量在宜昌地區(qū)ZK003井、EYY1井和貴州開陽地區(qū)ZK909鉆孔等多個研究剖面上均具有二分段性。其中，中等TOC含量的富有機(jī)質(zhì)頁巖二段(上段)發(fā)育孔隙以與黏土礦物伴生的有機(jī)質(zhì)孔隙為主,相對優(yōu)于高TOC含量的富有機(jī)質(zhì)頁巖一段(下段)。近年來筆者團(tuán)隊(duì)提出的下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖一、二段在生油窗的排烴效率差異,不僅解釋了其孔隙發(fā)育差異的原因,而且研究結(jié)果也為寒武系頁巖優(yōu)質(zhì)儲層篩選及頁巖氣勘探的“甜點(diǎn)段”預(yù)測提供了重要參考。