王道富 王玉滿 董大忠 王世謙 黃金亮 黃勇斌 王淑芳 李新景

1．中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 2．中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 3．中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦

四川盆地南部下寒武統(tǒng)筇竹寺組是我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域之一［1－4］。近幾年來(lái)，地質(zhì)工作者圍繞該層系開(kāi)展了頁(yè)巖氣資源調(diào)查與選區(qū)評(píng)價(jià)工作，在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖分布、沉積環(huán)境、巖石學(xué)特征、儲(chǔ)集空間類(lèi)型、納米級(jí)孔隙特征、含氣量等儲(chǔ)層研究方面取得了一些重要認(rèn)識(shí)［1－9］，總體上認(rèn)為：川南筇竹寺組黑色頁(yè)巖形成于海侵體系域的深水陸棚區(qū)，厚度一般介于40～220m（其中TOC＞2%頁(yè)巖集中段厚度介于20～100m），分布面積為4．2×104km2，基質(zhì)孔隙和裂縫發(fā)育，含氣量與北美頁(yè)巖氣層相比處于中—低水平［1，3－6，8］。這些成果和認(rèn)識(shí)從宏觀層面對(duì)開(kāi)展高—過(guò)成熟海相頁(yè)巖氣戰(zhàn)略選區(qū)和資源評(píng)價(jià)工作提供了重要地質(zhì)依據(jù)，但受勘探程度低、實(shí)驗(yàn)手段少和資料掌握程度有限等多種因素的制約，筇竹寺組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究深度遠(yuǎn)不及下志留統(tǒng)龍馬溪組，有關(guān)其儲(chǔ)集空間定量表征的成果更鮮見(jiàn)報(bào)道。

儲(chǔ)集空間表征是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容，也是開(kāi)展頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)機(jī)理研究的基礎(chǔ)性工作。目前，頁(yè)巖儲(chǔ)集空間表征主要通過(guò)應(yīng)用高精度電子顯微鏡觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試、地球物理探測(cè)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析等手段，識(shí)別頁(yè)巖孔隙類(lèi)型，多尺度描述孔隙尺寸與連通性，測(cè)定孔隙度、比表面積、滲透率等參數(shù)，了解孔隙演化趨勢(shì)［4－6，10－20］，為衡量和評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層優(yōu)劣提供科學(xué)依據(jù)。

筆者所在的課題組曾對(duì)川南龍馬溪組頁(yè)巖開(kāi)展了儲(chǔ)集空間定量表征研究，通過(guò)建立頁(yè)巖三層巖石物理模型（即脆性礦物層、黏土層和有機(jī)質(zhì)層三層模型）及其孔隙度數(shù)學(xué)模型［11］，對(duì)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段基質(zhì)孔隙構(gòu)成和裂縫發(fā)育狀況進(jìn)行了定量表征，揭示了龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的四大特征［11］。這些成果和認(rèn)識(shí)對(duì)開(kāi)展筇竹寺組相關(guān)研究具有重要的指導(dǎo)意義。

本文以川南筇竹寺組A井、B井兩口鉆井資料為基礎(chǔ)（圖1），借鑒龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間定量表征的方法和思路［11］，應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析法、高精度電子顯微鏡、地球物理測(cè)井等技術(shù)，依據(jù)頁(yè)巖巖礦、地化、物性等實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)筇竹寺組黑色頁(yè)巖（TOC＞1%，下同）基質(zhì)孔隙度構(gòu)成和裂縫發(fā)育狀況進(jìn)行了定量分析和評(píng)價(jià)，并通過(guò)與龍馬溪組頁(yè)巖納米級(jí)孔隙系統(tǒng)的對(duì)比分析，對(duì)筇竹寺組頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度的影響因素進(jìn)行了探索研究，以期為深化頁(yè)巖氣富集機(jī)理研究提供地質(zhì)依據(jù)。

1 頁(yè)巖基質(zhì)孔隙定量表征

1．1 基質(zhì)孔隙類(lèi)型

圖1 川南下寒武統(tǒng)筇竹寺組下段黑色頁(yè)巖分布圖

關(guān)于筇竹寺組、龍馬溪組等海相頁(yè)巖基質(zhì)孔隙類(lèi)型，王玉滿、董大忠等已經(jīng)在相關(guān)文獻(xiàn)中進(jìn)行了成因分類(lèi)和詳細(xì)描述［10－11］，總體認(rèn)為基質(zhì)孔隙包括殘余原生孔隙、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔、黏土礦物層間孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙等4種成因類(lèi)型，其中黏土礦物層間孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙是頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的特色和重要組成部分［1，10－11］。根據(jù)頁(yè)巖內(nèi)孔隙的賦存狀態(tài)，可將基質(zhì)孔隙進(jìn)一步歸納為脆性礦物內(nèi)微孔隙、有機(jī)質(zhì)微孔隙、黏土礦物層間微孔隙，這是海相頁(yè)巖儲(chǔ)集空間定量表征的重要依據(jù)［11］。

1．2 基質(zhì)孔隙度數(shù)學(xué)模型

頁(yè)巖儲(chǔ)集空間表征的重點(diǎn)是建立巖石物理模型及相應(yīng)的孔隙度計(jì)算方法。王玉滿、董大忠等建立了龍馬溪組頁(yè)巖三層巖石物理模型和基質(zhì)孔隙度數(shù)學(xué)模型，該巖石物理模型即為脆性礦物（石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦等）、有機(jī)質(zhì)和黏土礦物（伊利石和綠泥石）三層結(jié)構(gòu)模型，反映了三者對(duì)頁(yè)巖基質(zhì)孔隙空間的貢獻(xiàn)，詳細(xì)內(nèi)容可參見(jiàn)本文參考文獻(xiàn) ［11］，這里僅引述該模型的孔隙度計(jì)算公式［11］：

式中ρ表示頁(yè)巖巖石密度，t／m3，可以通過(guò)應(yīng)用巖石物理力學(xué)試驗(yàn)或壓汞法測(cè)試獲得；A表示礦物質(zhì)量百分含量，其中ABri、AClay、ATOC分別表示脆性礦物、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)三者的質(zhì)量百分含量，可通過(guò)X射線衍射全巖分析獲得［11］；V表示每層巖石單位質(zhì)量孔隙體積，m3／t；φ表示頁(yè)巖孔隙度，其中VBri、VClay、VTOC分別表示脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì)三者單位質(zhì)量?jī)?nèi)微孔隙體積（即3種物質(zhì)單位質(zhì)量對(duì)孔隙的貢獻(xiàn)），在沉積環(huán)境、巖石學(xué)、地球化學(xué)、成巖作用等地質(zhì)條件相似的地區(qū)或?qū)酉担梢哉J(rèn)為VBri、VClay、VTOC保持在某一定值，但在不同地區(qū)、不同層系和不同巖相段差異較大，因此針對(duì)特定的頁(yè)巖段，必須選擇刻度區(qū)進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算［11］；φ表示頁(yè)巖孔隙度，可由氦氣法、液氮法等實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得［11］。

在上述參數(shù)中，VBri、VClay、VTOC是孔隙度計(jì)算模型中的關(guān)鍵參數(shù)，也是建立不同頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度模型的基礎(chǔ)。王玉滿、董大忠等以四川盆地南部長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組為刻度區(qū)，計(jì)算獲得了龍馬溪組黑色頁(yè)巖段的VBri、VClay、VTOC值（分別為0．007 9m3／t、0．039m3／t、0．138m3／t），為該頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的定量計(jì)算提供了重要依據(jù)［11］。

筇竹寺組黑色頁(yè)巖為廣海深水陸棚相泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，與龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在巖相、巖石礦物組成、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型和豐度、孔隙類(lèi)型等方面具有相似性［2－4，7－10］。因此，表征龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的巖石物理模型及其孔隙度計(jì)算公式同樣適用于筇竹寺組，這也是筆者進(jìn)行本項(xiàng)研究的重要理論依據(jù)。

1．3 模型關(guān)鍵參數(shù)刻度與檢驗(yàn)

依據(jù)上述模型分析，要建立適合筇竹寺組黑色頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度計(jì)算模型，必須首先選擇合適的刻度區(qū)對(duì)該頁(yè)巖的VBri、VClay、VTOC值進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算。根據(jù)龍馬溪組刻度區(qū)的選擇標(biāo)準(zhǔn)［11］，筇竹寺組刻度區(qū)的選擇需遵循2個(gè)原則：①區(qū)內(nèi)黑色頁(yè)巖規(guī)模分布，在南方筇竹寺組頁(yè)巖分布區(qū)具有典型性和代表性；②區(qū)內(nèi)筇竹寺組勘探和地質(zhì)認(rèn)識(shí)程度相對(duì)較高，資料比較豐富。川南筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段主要分布于該地層下部，厚度一般為20～100m，且區(qū)域分布穩(wěn)定（圖1），在威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧兩個(gè)區(qū)塊擁有豐富的鉆井資料［2－3］，地質(zhì)認(rèn)識(shí)相對(duì)成熟，具備刻度區(qū)的基本條件。威遠(yuǎn)A井和長(zhǎng)寧B井是近期鉆探且以筇竹寺組為目的層的頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)井，揭示了筇竹寺組黑色頁(yè)巖的主要地質(zhì)信息，是本項(xiàng)研究的重要資料基礎(chǔ)。

筆者在威遠(yuǎn) A井2 796．60～2 796．72m、2 788．17～2 788．32m和2 707．59～2 707．68m 挑選3個(gè)黑色頁(yè)巖樣品（對(duì)應(yīng)的TOC分別為3．08%、1．73%、1．23%），對(duì)孔隙度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行刻度（表1）。首先，根據(jù)3個(gè)深度點(diǎn)的巖礦、TOC和孔隙度等測(cè)試資料和孔隙度計(jì)算模型建立三元一次方程組，然后解方程組計(jì)算獲得VBri、VClay、VTOC這3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，筇竹寺組黑色頁(yè)巖VBri、VClay、VTOC值 分 別 為0．000 2m3／t、0．022m3／t、0．069m3／t（表1）。這表明，筇竹寺組頁(yè)巖3種物質(zhì)單位質(zhì)量所產(chǎn)生的孔隙體積為有機(jī)質(zhì)最大、黏土礦物次之、脆性礦物最小。

表1 威遠(yuǎn)A井筇竹寺組3個(gè)采樣點(diǎn)參數(shù)表

根據(jù)VBri、VClay、VTOC的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合巖石礦物測(cè)試數(shù)據(jù)，筆者對(duì)威遠(yuǎn)A井2 630～2 819m頁(yè)巖段的32個(gè)深度點(diǎn)（對(duì)應(yīng)的TOC為0．5%～3．6%）進(jìn)行了孔隙度測(cè)算，并將計(jì)算孔隙度與該深度段的實(shí)測(cè)孔隙度進(jìn)行對(duì)比（圖2）。對(duì)比結(jié)果表明，上述32個(gè)深度點(diǎn)的計(jì)算孔隙度與該井段實(shí)測(cè)孔隙度吻合，從而證實(shí)所選擇的3個(gè)刻度點(diǎn)以及VBri、VClay、VTOC計(jì)算值符合筇竹寺組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的實(shí)際地質(zhì)狀況，可以作為分析筇竹寺組孔隙構(gòu)成的有效方法和地質(zhì)依據(jù)。

1．4 基質(zhì)孔隙構(gòu)成

川南筇竹寺組黑色頁(yè)巖主要為硅質(zhì)頁(yè)巖和粉砂質(zhì)頁(yè)巖。筆者應(yīng)用孔隙度數(shù)學(xué)模型和VBri、VClay、VTOC計(jì)算值，對(duì)威遠(yuǎn)A井32個(gè)深度點(diǎn)的基質(zhì)孔隙構(gòu)成進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果如表2、圖3所示。

圖2 威遠(yuǎn)A井筇竹寺組黑色頁(yè)巖段孔隙度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

表2 威遠(yuǎn)A井筇竹寺組與長(zhǎng)芯1井龍馬溪組黑色頁(yè)巖基質(zhì)孔隙構(gòu)成對(duì)比表

圖3 威遠(yuǎn)A井筇竹寺組黑色頁(yè)巖段孔隙度百分比構(gòu)成圖

筇竹寺組黑色頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度為1．4%～3．1%（圖2），約為龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段的1／3～1／2。在基質(zhì)孔隙中，有機(jī)質(zhì)孔隙占1．7%～43．2%（平均為18．6%），黏土礦物層間孔隙占53．9%～97．4%（平均為79%），脆性礦物孔隙占0．8%～3．1%（平均為2．4%）（圖3）。在2 794～2 819m 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段，巖性以黑色硅質(zhì)頁(yè)巖為主，微含鈣質(zhì)，TOC、黏土礦物和脆性礦物3者含量分別為2．4%～3．6%、14%～27%、72．8%～85．7%，計(jì)算的總孔隙度為1．4%～2．0%，其中有機(jī)質(zhì)孔隙占20%～43%（平均為34%），黏土礦物層間孔隙占53．9%～77．8%，脆性礦物孔隙僅占1．9%～3．1%（圖3）。

可見(jiàn)，筇竹寺組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間以黏土礦物層間孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙為主體，有機(jī)質(zhì)孔隙所占比例與龍馬溪組基本接近。這與龍馬溪組儲(chǔ)集空間的主體構(gòu)成相近［11］。

2 有關(guān)頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度影響因素的探討

經(jīng)過(guò)定量分析發(fā)現(xiàn)，筇竹寺組黑色頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的主體為黏土礦物層間孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙，與龍馬溪組相近，但兩套頁(yè)巖在基質(zhì)孔隙體積和兩種主要物質(zhì)產(chǎn)生孔隙體積的能力等方面則存在較大差異，主要表現(xiàn)為：筇竹寺組基質(zhì)孔隙體積遠(yuǎn)低于龍馬溪組，基質(zhì)孔隙度為后者的1／3～1／2；前者單位質(zhì)量黏土礦物產(chǎn)生的孔隙體積為后者的56%，單位質(zhì)量有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的孔隙體積為后者的50%。筆者通過(guò)對(duì)比分析認(rèn)為，導(dǎo)致筇竹寺組頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度大量減少的原因可能緣于以下兩個(gè)方面。

2．1 筇竹寺組頁(yè)巖成熟度過(guò)高，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)可能出現(xiàn)碳化，從而降低有機(jī)質(zhì)孔隙體積

在烴源巖熱演化進(jìn)程中，隨著熱成熟度升高，有機(jī)質(zhì)首先降解為干酪根，干酪根在隨后的變化過(guò)程中產(chǎn)出揮發(fā)性不斷增強(qiáng)、氫含量不斷增加、分子量逐漸變小的碳?xì)浠?物，最后形成甲烷氣［12，21－22］。隨著溫度的增加，干酪根不斷發(fā)生變化，其化學(xué)成分也隨之改變，逐漸轉(zhuǎn)變成低氫量的碳質(zhì)殘余物，并最終轉(zhuǎn)化為石墨（即碳化）［12，22］。目前的研究已證實(shí)，川南及周邊筇竹寺組在地質(zhì)歷史中經(jīng)歷過(guò)長(zhǎng)時(shí)期深埋（如長(zhǎng)寧筇竹寺組在中生界最大埋深達(dá)到9 000m），Ro值一般為2．7%～4．9%（平均為3．5%）［2，3，21］，且遠(yuǎn)高于龍馬溪組（Ro一般 為1．9%～3．2%，平均 為2．5%）［1，9，10，21］，表明該黑色頁(yè)巖處于高過(guò)成熟—極高成熟階段，具備出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)碳化的地質(zhì)條件。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)烴源巖在熱演化過(guò)程中的碳化現(xiàn)象研究較少，對(duì)干酪根在何種條件開(kāi)始碳化（即碳化門(mén)限）的認(rèn)識(shí)尚不清楚，并且缺乏判識(shí)有機(jī)質(zhì)碳化的有效地球化學(xué)方法。鑒于烴源巖碳化可能會(huì)導(dǎo)致電測(cè)曲線出現(xiàn)低—超低電阻響應(yīng)特征，筆者探索應(yīng)用電阻率測(cè)井響應(yīng)對(duì)筇竹寺組有機(jī)質(zhì)的碳化現(xiàn)象進(jìn)行定性分析，并結(jié)合高精度掃描電鏡觀察以了解有機(jī)質(zhì)碳化對(duì)有機(jī)質(zhì)孔隙的影響。

根據(jù)頁(yè)巖三層巖石物理模型［11］，筇竹寺組、龍馬溪組等海相頁(yè)巖由脆性礦物、黏土層和有機(jī)質(zhì)等導(dǎo)電性差異極大的3類(lèi)物質(zhì)組成。脆性礦物層由石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦等物質(zhì)組成，孔隙極少，一般認(rèn)為只有黃鐵礦具有導(dǎo)電性，但黃鐵礦因質(zhì)量百分含量一般低于10%且主要呈星點(diǎn)狀分布，因此對(duì)頁(yè)巖的導(dǎo)電性貢獻(xiàn)不大。黏土礦物主要由蒙脫石、伊蒙混層、伊利石、綠泥石等具有附加導(dǎo)電性的物質(zhì)組成，是形成碎屑巖低阻油氣層的主要介質(zhì)之一［23］。有機(jī)質(zhì)層一般不導(dǎo)電，但在極高成熟—變生階段因出現(xiàn)碳化現(xiàn)象則具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性。根據(jù)Barnett頁(yè)巖和我國(guó)東西部低阻油氣層電性特征，細(xì)粒碎屑巖的導(dǎo)電性主要為泥質(zhì)／黏土礦物所控制，處于有效生烴窗內(nèi)的有機(jī)質(zhì)和烴類(lèi)泥頁(yè)巖一般不導(dǎo)電。因此黑色頁(yè)巖電阻率一般隨著泥質(zhì)／黏土礦物增加而降低，隨有機(jī)質(zhì)豐度增加而升高［10，12，23］，例如：渤海灣地區(qū)古近系—新近系砂泥巖低阻油氣層一般含有20%～65%黏土礦物，其電阻率大多為5～20Ω·m，且隨著黏土礦物含量增加而降低［23］；川南龍馬溪組頁(yè)巖電阻率一般為8～40Ω·m，且總體隨著有機(jī)質(zhì)豐度增加而升高［10］。

筆者依據(jù)長(zhǎng)寧地區(qū)B井筇竹寺組黑色頁(yè)巖的巖礦、地化和測(cè)井響應(yīng)資料，建立了中下部4段合計(jì)厚度159m頁(yè)巖的電阻率與TOC、黏土礦物的關(guān)系圖表（圖4、表3），以了解哪種物質(zhì)是控制頁(yè)巖導(dǎo)電性的主要介質(zhì)。此項(xiàng)研究的結(jié)果顯示，筇竹寺組黑色頁(yè)巖電阻率與黏土礦物含量無(wú)明顯相關(guān)性，但與TOC呈良好的負(fù)相關(guān)性，具體描述如下：①1 730．88～1 831．825m 井段，厚度101m，黏土礦物含量為28．4%～48．1%，TOC不足1%（平均0．42%），有機(jī)質(zhì)總體較少，頁(yè)巖電阻率值一般為220～686Ω·m，顯然是黏土礦物的導(dǎo)電性在發(fā)揮主導(dǎo)作用，并且呈現(xiàn)高阻特征；②1 831．825～1 851．565m井段，厚度20m，黏土礦物含量保持穩(wěn)定（29．2%～44．5%），而有機(jī)質(zhì)含量開(kāi)始增加，TOC一般介于1．0%～2．2%（平均為1．3%），頁(yè)巖電阻率則下降至18～202Ω·m（多為10～100Ω·m），頁(yè)巖電性出現(xiàn)由高阻向低阻過(guò)渡特征，這表明有機(jī)質(zhì)導(dǎo)電性開(kāi)始顯現(xiàn)，其電阻率較黏土礦物低；③1 851．565～1 871．46m，厚度20m，黏土含量略有下降（一般為24．2%～43．7%），有機(jī)質(zhì)含量增至1．9%～3．3%，頁(yè)巖電阻率則快速下降至0．9～7．6Ω·m，表現(xiàn)為明顯的低阻特征，這說(shuō)明有機(jī)質(zhì)具有較低電阻率，并且開(kāi)始主導(dǎo)頁(yè)巖地層的導(dǎo)電性；④1 871．46～1 889．77m，厚度18m，黏土礦物含量下降至18%～40%（平均為25．1%），有機(jī)質(zhì)含量增加至2．2%～7．1%（平均為4．3%），頁(yè)巖電阻率則下降至0．1～1Ω·m，大大低于龍馬溪組頁(yè)巖和渤海灣地區(qū)低阻砂泥巖的電阻率，呈現(xiàn)超低電阻特征，這進(jìn)一步證實(shí)筇竹寺組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性（圖4、表3）。由此推測(cè)，川南筇竹寺組頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)可能出現(xiàn)了明顯的碳化現(xiàn)象，因而具有比黏土礦物更強(qiáng)的導(dǎo)電性，進(jìn)而導(dǎo)致富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段（TOC＞2%）具有低—超低電阻特征。

至于筇竹寺組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)碳化到何種程度，目前僅根據(jù)低—超低電阻特征還無(wú)法進(jìn)行定量計(jì)算，但根據(jù)電阻率與有機(jī)質(zhì)豐度的相關(guān)性以及電阻率值大小可以對(duì)有機(jī)質(zhì)碳化強(qiáng)弱進(jìn)行定性判斷。

圖4 長(zhǎng)寧地區(qū)筇竹寺組黑色頁(yè)巖電阻率與TOC、黏土礦物含量關(guān)系圖

表3 長(zhǎng)寧地區(qū)B井筇竹寺黑色頁(yè)巖巖礦與電阻率統(tǒng)計(jì)表

碳化不僅導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)產(chǎn)氣能力降低，微觀結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)電性變強(qiáng)，而且對(duì)有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育也會(huì)產(chǎn)生影響。鄒才能、董大忠、李新景等通過(guò)對(duì)威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組（Ro介于3．2%～3．6%）和龍馬溪組（Ro介于2．3%～2．8%）頁(yè)巖樣品開(kāi)展高倍電鏡（氬離子拋光處理后）觀察發(fā)現(xiàn)，在相近尺度（比例尺刻度值為1μm）的電鏡資料中，筇竹寺組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度較龍馬溪組頁(yè)巖差（圖5），主要表現(xiàn)為：受有機(jī)質(zhì)碳化影響，筇竹寺組有機(jī)質(zhì)孔隙出現(xiàn)明顯的塌陷和充填現(xiàn)象，邊界模糊不清或呈弧形，孔徑變小，其中大量直徑小于40nm的孔隙因完全充填而基本消失（圖5－b右），進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)內(nèi)微孔隙體積大幅度減少，測(cè)試面孔率僅4．6%～10．6%（圖5－b）；相反，龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙不僅數(shù)量多，且形態(tài)輪廓清晰（多呈菱形或多邊形），較少出現(xiàn)充填現(xiàn)象，測(cè)試面孔率為11．9%～23．9%（圖5－a）。鏡下分析表明，受有機(jī)質(zhì)碳化影響，筇竹寺組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的微孔隙體積明顯比龍馬溪組少，這與前面的計(jì)算結(jié)果（筇竹寺組的VTOC僅為龍馬溪組的1／2）相吻合。

圖5 威遠(yuǎn)A井筇竹寺和龍馬溪組黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙微觀特征對(duì)比圖（根據(jù)本文參考文獻(xiàn)［4］整理）

據(jù)此推斷，川南海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙并非總是隨著Ro增大而持續(xù)增加，當(dāng)Ro達(dá)到和超過(guò)3．2%～3．6%以后，隨著有機(jī)質(zhì)碳化程度的增加，有機(jī)質(zhì)孔隙逐漸減少。這與Woodford頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙變化特征基本一致［24－25］。Mark E．Curtis等學(xué)者通過(guò)對(duì)具有不同鏡質(zhì)體反射率的Woodford頁(yè)巖樣品開(kāi)展掃描電鏡觀察和孔隙度測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)該頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙在液態(tài)窗階段較少，進(jìn)入氣態(tài)窗后快速增加，且在Ro為3．6%時(shí)達(dá)到高峰，但隨后隨著Ro增加而減少［24］。

2．2 筇竹寺組成巖作用強(qiáng)，頁(yè)巖孔隙直徑整體變小，進(jìn)而導(dǎo)致基質(zhì)孔隙度降低

下寒武統(tǒng)筇竹寺組地層時(shí)代老，在川南地質(zhì)歷史中歷經(jīng)400～570Ma的深埋，總體處于成巖晚期—變生作用階段［26］。根據(jù)長(zhǎng)寧B井頁(yè)巖巖礦測(cè)試和電鏡觀察結(jié)果，筇竹寺組黏土礦物全部轉(zhuǎn)化為伊利石（相對(duì)含量為61%～70%，平均為67%）和綠泥石（相對(duì)含量為30%～39%，平均為33%），綠泥石以魚(yú)鱗片狀—針葉片狀（＜10μm）集合體賦存于伊利石表面，形成多層包膜并堵塞伊利石晶間孔。這表明，筇竹寺組已處于成巖晚期—變生階段，頁(yè)巖內(nèi)連通性孔隙體積少，致密化程度高。

頁(yè)巖孔縫發(fā)育且擁有較高的孔隙度和滲透率是形成頁(yè)巖氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的重要條件。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集空間和滲流通道的研究成果較多［4－5，10，12，25，27－31］，總體認(rèn)為頁(yè)巖孔徑分布復(fù)雜，既含有大量直徑介于2～50nm的中型孔隙，又含有一定數(shù)量直徑小于2nm的微孔隙和相當(dāng)數(shù)量直徑大于50 nm的大孔隙，如：北美主要產(chǎn)氣頁(yè)巖孔隙直徑一般為5～750nm，主體為8～100nm；我國(guó)南方下古生界海相頁(yè)巖孔隙直徑一般為5～900nm，主體為20～150 nm［4－5，10，12，25，27，30－31］?？梢?jiàn)，直徑超過(guò)10nm的孔縫是頁(yè)巖氣賦存的主要場(chǎng)所，其發(fā)育程度是形成孔隙度在2%以上的有效儲(chǔ)層的關(guān)鍵。對(duì)于直徑小于10nm的微孔，由于受測(cè)試技術(shù)精度的限制，目前對(duì)其在頁(yè)巖儲(chǔ)集性能中所起的作用還無(wú)法形成清晰的認(rèn)識(shí)，需要獲得更多證據(jù)后才能進(jìn)一步闡述。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注的是直徑超過(guò)10nm孔隙構(gòu)成及其對(duì)筇竹寺組頁(yè)巖儲(chǔ)層物性的影響。

高壓壓汞法是近幾年發(fā)展起來(lái)的針對(duì)致密性儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)定量表征的有效測(cè)試技術(shù)，可以測(cè)得直徑在幾個(gè)納米以上的頁(yè)巖孔喉大小和基質(zhì)孔隙度［31］。筆者應(yīng)用該壓汞法（實(shí)驗(yàn)中最高驅(qū)替壓力為200MPa，識(shí)別孔喉最小半徑為3．675nm）對(duì)川南及其周邊72個(gè)頁(yè)巖樣品（其中筇竹寺組33個(gè)、龍馬溪組39個(gè)）開(kāi)展了孔徑和孔隙度測(cè)試，并建立了測(cè)試樣品孔徑大小與基質(zhì)孔隙度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如表4和圖6所示。

表4 川南及周邊地區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組黑色頁(yè)巖基質(zhì)孔隙吼道直徑分布統(tǒng)計(jì)表

圖6 川南及周邊筇竹寺組和龍馬溪組黑色頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度與孔喉直徑關(guān)系圖

筇竹寺組頁(yè)巖樣品孔喉直徑均值一般介于7～105nm，樣品孔喉直徑分布頻率為低于20nm的樣品占9．1%，20～50nm的樣品占69．7%，50～80nm 的樣品占12．1%，80～110nm的樣品占9．1%，即直徑小于50nm的中小孔隙占78．8%，直徑大于50nm的大孔隙僅占21．2%。龍馬溪組頁(yè)巖孔喉直徑均值一般介于8～160nm，樣品孔喉直徑分布頻率為低于20 nm的樣品占5．1%，20～50nm的樣品占51．3%，50～80nm的樣品占17．9%，80～110nm的樣品占20．5%，大于110nm的樣品占5．1%，即直徑小于50 nm的中小孔隙占56．4%，直徑大于50nm的大孔隙占43．6%（為筇竹寺組的2倍）。兩套海相頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度與孔喉直徑均值都具有較好的正相關(guān)性（圖6），孔喉直徑均值為50nm以上、20～50nm和20nm以下的樣品分別具有2．7%～6．9%（平均為4．9%）、0．7%～3．6%（平均為2．1%）和1．0%～1．9%（平均為1．4%）的基質(zhì)孔隙度。這表明，要形成孔隙度在2%以上的有效頁(yè)巖儲(chǔ)層，孔喉直徑均值一般需要超過(guò)20nm；要形成孔隙度超過(guò)4%的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層，孔喉直徑均值需達(dá)到50nm以上?？梢?jiàn)，在頁(yè)巖納米級(jí)孔隙系統(tǒng)中，對(duì)基質(zhì)孔隙度貢獻(xiàn)最突出的是孔徑超過(guò)50 nm的大孔隙，其次是孔徑介于20～50nm的中孔，而貢獻(xiàn)最小的是孔徑低于20nm的微—小孔（對(duì)應(yīng)的孔隙度一般低于2%）；筇竹寺組頁(yè)巖以孔徑低于50nm的中小型孔隙為主，而孔徑超過(guò)50nm的大孔隙明顯少于龍馬溪組，這是導(dǎo)致該頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度明顯減少并低于龍馬溪組的重要原因之一。

根據(jù)筇竹寺組基質(zhì)孔隙構(gòu)成計(jì)算結(jié)果，黑色頁(yè)巖基質(zhì)孔隙主要賦存于黏土礦物層間和有機(jī)質(zhì)中，其中黏土礦物層間孔隙占54%～93%（平均為79%）。這表明，筇竹寺組頁(yè)巖的大孔隙以黏土礦物層間孔為主，這與龍馬溪組基質(zhì)孔隙特征［10－11］相似。因此，大孔隙的減少主要表現(xiàn)為連通性較好的黏土礦物層間孔隙的減少，這也是該頁(yè)巖黏土礦物產(chǎn)生孔隙的能力低于龍馬溪組的重要原因。

3 頁(yè)巖裂縫定量表征

目前，頁(yè)巖裂縫研究尚處于探索之中，表征的重要參數(shù)主要包括裂縫規(guī)模（長(zhǎng)度和寬度）、產(chǎn)狀、充填狀況以及裂縫密度等，其中裂縫規(guī)模和裂縫密度是判斷裂縫發(fā)育程度的重要量化指標(biāo)［20，27－28］。筆者根據(jù)前人的研究成果并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐［20，27－28，32－33］，按照裂縫的寬度可將其分為五級(jí)，即：微裂縫（縫寬小于0．1mm）、小裂縫（縫寬0．1～1mm）、中裂縫（縫寬1～10mm）、大裂縫（縫寬10～100mm）、巨裂縫（縫寬大于100mm）。

筆者以威遠(yuǎn)A井筇竹寺組頁(yè)巖為研究對(duì)象（表5），對(duì)其合計(jì)厚度164．32m 巖心段（埋深2 626～2 824．5m）進(jìn)行巖心觀察與描述，初步證實(shí)：該區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖以粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主，局部為粉砂巖夾層，整個(gè)巖心段裂縫發(fā)育，發(fā)現(xiàn)各種裂縫總計(jì)553條，裂縫密度在頂部和中下部較大，上部相對(duì)較小。裂縫發(fā)育特征具體表現(xiàn)為：在頂部2 626～2 633m井段，巖性主要為深灰色泥質(zhì)粉砂巖，裂縫極其發(fā)育，裂縫密度達(dá)到20條／m；在上部2 665～2 754m井段，巖性為灰黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾紋層狀粉砂巖，裂縫密度為0～4．2條／m；在中下部2 754～2 824．5m井段，巖性以粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主，夾薄層狀鈣質(zhì)粉砂巖，裂縫發(fā)育，密度大多為4．4～9．7條／m；裂縫規(guī)模以微型、小型裂縫為主，其中微縫215條、小縫324條、中—大縫14條，下部2 770～2 824．5m井段主要發(fā)育小型裂縫。

表5 威遠(yuǎn)A井筇竹寺組頁(yè)巖裂縫發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)表

裂縫不僅是碎屑巖儲(chǔ)層的重要儲(chǔ)滲空間，也是反映巖石脆性的重要指標(biāo)［11，19，29］。威遠(yuǎn)筇竹寺組頁(yè)巖主體為粉砂質(zhì)頁(yè)巖，石英含量為20．4%～58．1%（平均為41．2%），長(zhǎng)石含量為12．3%～36．2%（平均為24．1%），黏土礦物含量為14．5%～46．9%（平均為26．2%），巖石硬而脆，楊氏模量為1．898×104～4．31×104MPa（一般在2．0×104MPa以上），泊松比為0．12～0．29?？梢?jiàn)，筇竹寺組頁(yè)巖具有高脆性礦物含量以及高楊氏模量和低泊松比，脆性較好，在構(gòu)造應(yīng)力作用下易形成天然裂縫，因而對(duì)頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)具有重要意義。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)基質(zhì)孔隙和裂縫定量分析，處于高過(guò)成熟的筇竹寺組頁(yè)巖儲(chǔ)集條件具有如下特征。

1）脆性礦物、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)3者產(chǎn)生的單位質(zhì)量孔隙體積為有機(jī)質(zhì)最高、黏土礦物其次、脆性礦物最少。這表明，在質(zhì)量百分含量相同條件下，有機(jī)質(zhì)和黏土礦物對(duì)頁(yè)巖孔隙空間貢獻(xiàn)大。

2）有效儲(chǔ)層段孔隙度相對(duì)較小，僅為龍馬溪組的1／3～1／2，且孔隙構(gòu)成以黏土礦物層間孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙為主體，兩者約占基質(zhì)孔隙的90%以上。

3）黑色頁(yè)巖段孔隙度較小的原因主要表現(xiàn)為兩方面：①該頁(yè)巖熱成熟度過(guò)高，有機(jī)質(zhì)可能出現(xiàn)碳化，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔隙出現(xiàn)部分塌陷和充填；②該頁(yè)巖成巖作用強(qiáng)，導(dǎo)致大孔隙減少，巖石更加致密。

4）黑色頁(yè)巖段裂縫總體較發(fā)育，裂縫規(guī)模以微型、小型裂縫為主，裂縫密度在頂部和中下部較大，上部相對(duì)較小。裂縫發(fā)育狀況反映了筇竹寺組頁(yè)巖具有脆性礦物含量高、楊氏模量高、泊松比低、脆性好等特點(diǎn)。

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