川南龍馬溪組頁(yè)巖孔隙特征及其影響因素

楊 豪

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610000）

隨著世界能源需求問(wèn)題的日益突出，頁(yè)巖氣作為一種清潔能源，在近年來(lái)獲得重大勘探突破。四川盆地蘊(yùn)藏豐富的頁(yè)巖氣資源，尤其是川南地區(qū)，頁(yè)巖氣資源潛力達(dá)10萬(wàn)億~15萬(wàn)億方，是勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)，已經(jīng)探明涪陵氣田，長(zhǎng)寧氣田，威遠(yuǎn)氣田等幾個(gè)頁(yè)巖氣田。頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)天然氣，具有“生—儲(chǔ)—聚”三位一體的特征，頁(yè)巖既是源巖，也是儲(chǔ)層，同時(shí)也是蓋層?？紫抖仁琼?yè)巖非常重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，它不僅能決定頁(yè)巖的含氣量和儲(chǔ)氣能力，也能衡量頁(yè)巖氣開(kāi)采價(jià)值。對(duì)頁(yè)巖孔隙的深入研究可以為頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)建議，儼然已經(jīng)成為當(dāng)前頁(yè)巖氣地質(zhì)勘探理論的研究基礎(chǔ)和熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)主要位于四川盆地南部的長(zhǎng)寧地區(qū)，大地構(gòu)造位置上處于揚(yáng)子板塊中南緣、四川盆地川西南古隆起構(gòu)造帶-川南低緩背斜構(gòu)造帶，其南及東南緊鄰黔中古陸。四川盆地是一個(gè)海陸相疊合盆地，它的形成經(jīng)歷了漫長(zhǎng)且復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，志留紀(jì)龍馬溪組地層沉積早期，冰川消融，全球海平面上升，發(fā)生大范圍海侵，為深水陸棚-滯留盆地沉積體系，屬于大面積缺氧還原環(huán)境，龍馬溪組地層為本文研究目標(biāo)層位，沉積了一套黑色頁(yè)巖，巖石類型主要為硅質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖及黏土質(zhì)泥頁(yè)巖等，是勘探開(kāi)發(fā)的有利層位。

2 孔隙特征

孔隙是頁(yè)巖氣的運(yùn)移通道和儲(chǔ)集空間。頁(yè)巖作為一種非常規(guī)油氣儲(chǔ)層，多孔是其典型特征，相比于砂巖儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，頁(yè)巖儲(chǔ)層較為致密，它的儲(chǔ)集空間更小，滲透率較低，多見(jiàn)納米級(jí)別孔隙，類型也更加復(fù)雜。對(duì)于頁(yè)巖的孔隙分類，方案不一，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）根據(jù)孔徑的大小將孔隙劃分為微孔（＜2nm）、介孔（2~50nm）和宏孔（＞50nm）三大類，該分類方案在頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙定量描述方面應(yīng)用最為廣泛。目前較為主流的方案為根據(jù)成因?qū)⑵浞譃闊o(wú)機(jī)孔、有機(jī)孔和微裂縫三大類及若干亞類。目的層位頁(yè)巖雖然孔隙度極低，但在高分辨率SEM圖像下幾乎發(fā)育分類中上述各種類型微、介、宏等孔隙。

2.1 無(wú)機(jī)孔

無(wú)機(jī)孔是指與頁(yè)巖中碎屑礦物相關(guān)的孔隙，根據(jù)孔隙發(fā)育在頁(yè)巖物相系統(tǒng)內(nèi)不同成分位置。其中無(wú)機(jī)孔隙分為碎屑質(zhì)孔隙和礦物基質(zhì)孔隙，再根據(jù)孔隙產(chǎn)狀類型的不同，將碎屑質(zhì)孔隙細(xì)分為粒內(nèi)孔隙、粒緣孔隙和粒間孔隙，其中粒內(nèi)孔隙還包括鑄模孔隙和體腔孔隙等；將礦物基質(zhì)孔隙分為晶內(nèi)孔隙、晶緣孔隙和晶間孔隙，其中晶內(nèi)孔隙又可細(xì)分為結(jié)核內(nèi)晶間孔隙、解理面孔隙、生物灰泥體腔孔隙、晶體鑄?？紫兜龋чg孔隙還包括片間孔隙。

2.1.1 碎屑質(zhì)孔隙

碎屑質(zhì)孔隙主要發(fā)育粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙和粒緣孔隙，可見(jiàn)體腔孔隙，鑄模孔隙不發(fā)育?！傲！奔创硭樾假|(zhì)顆粒，包括石英、長(zhǎng)石、云母顆粒以及晶型較好的黃鐵礦等。粒間孔隙主要有碎屑石英和方解石粒間孔隙，被有機(jī)質(zhì)充填；碎屑質(zhì)石英、長(zhǎng)石顆粒與黃鐵礦粒間孔隙，被有機(jī)質(zhì)充填。粒內(nèi)孔隙主要有方解石發(fā)生去白云石化作用，形成粒內(nèi)溶蝕孔；長(zhǎng)石、黃鐵礦顆粒粒內(nèi)溶蝕形成粒內(nèi)孔隙。如圖1A為的碎屑石英和方解石粒間孔隙，被有機(jī)質(zhì)充填；圖1B為碎屑質(zhì)草莓狀黃鐵礦粒內(nèi)孔。

圖1 龍馬溪組頁(yè)巖碎屑質(zhì)孔隙

2.1.2 礦物基質(zhì)孔隙

礦物基質(zhì)孔隙主要發(fā)育晶間孔隙、晶緣孔隙，有時(shí)可見(jiàn)少量結(jié)核內(nèi)孔隙?！熬А奔创砦⒕ьw粒，自生礦物顆粒、重結(jié)晶礦物顆粒以及黃鐵礦集合體等。晶緣孔隙在整個(gè)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層中普遍發(fā)育，主要有微晶石英晶緣宏孔隙和微晶方解石晶緣介孔隙，部分被有機(jī)質(zhì)充填。晶間孔隙在整個(gè)研究層段普遍發(fā)育，主要有石英晶間孔隙、微晶方解石和石英晶間宏孔，局部被有機(jī)質(zhì)或有機(jī)質(zhì)和黏土礦物的混合物充填。如圖2A所示的石英晶間孔隙，被有機(jī)質(zhì)充填；圖2B為方解石晶緣孔隙，局部被少量有機(jī)質(zhì)充填。

圖2 龍馬溪組頁(yè)巖礦物基質(zhì)孔隙

2.2 有機(jī)孔

有機(jī)孔是指發(fā)育在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙，是生成頁(yè)巖氣留下的痕跡，有較強(qiáng)的儲(chǔ)集油氣功能。有機(jī)孔在龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層中發(fā)育程度較高，研究層段中存在最多的為海綿狀有機(jī)質(zhì)孔隙，其形成原因是在有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)生烴排烴作用而形成的納米級(jí)多微孔，形狀弱似海綿狀。如圖3A、B所示的海綿狀有機(jī)孔。

圖3 龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)孔

2.3 微裂縫

礦物內(nèi)微裂縫主要指方解石、黏土礦物等在壓實(shí)作用下，礦物發(fā)生破裂形成微裂縫。微裂縫的形成一般與應(yīng)力相關(guān)，可以提高頁(yè)巖的滲透率及作為頁(yè)巖氣的運(yùn)移通道，是頁(yè)巖氣高產(chǎn)的主要因素。在顯微鏡下通過(guò)薄片觀察，研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的成巖收縮縫普遍發(fā)育，在薄片內(nèi)定向排列，形狀大多細(xì)長(zhǎng)，收縮縫內(nèi)充填有有機(jī)質(zhì)、水云母、黏土質(zhì)、玉髓等礦物。如圖4A所示被方解石、長(zhǎng)石及石英充填的微裂縫，圖4B所示的被團(tuán)狀有機(jī)質(zhì)和白云母充填的微裂縫。

圖4 龍馬溪組頁(yè)巖微裂縫

3 孔隙發(fā)育的影響因素

3.1 總有機(jī)碳含量（TOC）

頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力與總有機(jī)碳含量（TOC）密切相關(guān)，它也是影響有機(jī)孔發(fā)育的主要因素，在一定范圍內(nèi)，有機(jī)孔的數(shù)量與TOC呈正相關(guān)。但有機(jī)孔的發(fā)育程度并非隨著TOC的增加而無(wú)限增加，相關(guān)研究表明，當(dāng)TOC小于等于5.5% 時(shí)，促進(jìn)有機(jī)孔發(fā)育，而當(dāng)TOC大于5.5%時(shí)，有機(jī)孔的發(fā)育程度不再增加、甚至出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。在對(duì)川南地區(qū)龍馬溪組黑色頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖孔隙發(fā)育程度隨著TOC的增加表現(xiàn)出先增加后略微降低的現(xiàn)象。這可能是因?yàn)楫?dāng)TOC含量過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)育機(jī)械壓實(shí)作用，導(dǎo)致其壓縮變形，抑制發(fā)育。

3.2 有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）

有機(jī)質(zhì)是有機(jī)孔的載體，其成熟度（Ro）是影響有機(jī)孔發(fā)育的又一個(gè)重要因素。在不同熱演化階段，有機(jī)孔發(fā)育程度也不同。對(duì)川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行熱演化實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)得其有機(jī)質(zhì)成熟度分布于1.97%~2.23%，處于高-過(guò)成熟階段，該階段內(nèi)頁(yè)巖生成大量頁(yè)巖氣，納米級(jí)別的有機(jī)孔大量發(fā)育，從而形成頁(yè)巖氣重要的儲(chǔ)集空間，其中，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根更容易產(chǎn)生有機(jī)孔。但隨著熱演化程度進(jìn)一步提高，高度成熟的有機(jī)質(zhì)會(huì)對(duì)有機(jī)孔進(jìn)行破壞。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)成熟度到達(dá)1.5%~3%時(shí)，孔隙的發(fā)育程度最強(qiáng)。

3.3 礦物組成

頁(yè)巖的礦物組成類型對(duì)孔隙的發(fā)育也有較大影響，主要包括黏土礦物和脆性礦物。據(jù)研究，龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度與黏土礦物含量呈正相關(guān)，與黏土礦物相關(guān)的孔隙既可以發(fā)育在黏土礦物層間，也可發(fā)育在黏土礦物與其他礦物的接觸面之間，并且黏土礦物含量與有機(jī)碳含量也呈正相關(guān)性，再次印證了黏土礦物與有機(jī)質(zhì)在頁(yè)巖孔隙發(fā)育方面為相互促進(jìn)作用。脆性礦物中石英、長(zhǎng)石，尤其是生物成因硅富集對(duì)孔隙的保存也具有重要的控制作用，孔隙度隨著脆性礦物含量的增加而增加，有非常好的正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖孔隙較為發(fā)育，通過(guò)鏡下薄片觀察及掃描電鏡，可識(shí)別出三種基本的孔隙類型：無(wú)機(jī)孔、有機(jī)孔及微裂縫。其中，無(wú)機(jī)孔多發(fā)育在礦物內(nèi)部或邊緣，形態(tài)不一；有機(jī)孔最為發(fā)育，多呈海綿狀；微裂縫順層分布，多呈條帶狀。

龍馬溪組頁(yè)巖孔隙的發(fā)育程度受到總有機(jī)碳含量（TOC）、有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）、黏土礦物和脆性礦物含量等因素的影響。其中，當(dāng)TOC含量小于5.5%，Ro介于1.5%~3%時(shí)，對(duì)有機(jī)孔的發(fā)育具有促進(jìn)作用；孔隙度與黏土礦物和脆性礦物的含量呈正相關(guān)。