彭鈺潔，朱炎銘

(1.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

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擠壓應(yīng)力對川東渝南龍馬溪組頁巖孔隙的影響

彭鈺潔1，2，朱炎銘1，2

(1.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

湘西渝南隔槽式褶皺向川東隔擋式褶皺推進，地層具有遞進衰減變形的特征，所受擠壓應(yīng)力逐漸衰減。為探究擠壓力強弱對頁巖孔隙的影響程度，應(yīng)用高壓壓汞法和低溫液氮法測定了川東渝南不同地區(qū)龍馬溪組頁巖樣品的孔隙特征。研究表明：強烈的擠壓應(yīng)力會加劇孔隙壓實及黏土礦物轉(zhuǎn)化，對大孔及微裂隙的破壞明顯；擠壓應(yīng)力造成地層隆升，導致頁巖地層受熱，生烴時間產(chǎn)生差異，微孔、介孔發(fā)育受影響；滑脫面和儲層超壓在一定程度上加劇或緩沖擠壓應(yīng)力對頁巖儲層的破壞。受擠壓應(yīng)力改造后的頁巖儲層能較好地控制油氣的擴散及滲流，且微、介孔的發(fā)育可為頁巖氣吸附提供大量空間，影響頁巖氣的賦存富集。該研究結(jié)合中上揚子地臺構(gòu)造應(yīng)力學特征及頁巖儲層特征，為研究南方海相頁巖的賦存富集提供了科學依據(jù)。

擠壓應(yīng)力；孔隙特征；頁巖儲層；龍馬溪組；川東渝南

0 引 言

中國南方經(jīng)歷多期原型盆地并列疊加，其中四川盆地是疊覆于上揚子碳酸鹽巖臺地之上的前陸盆地[1]，中生代受江南隆起的陸內(nèi)造山運動發(fā)生SE—NW向的擠壓遞進運移[2]，導致地層遞進衰減變形，形成湘西—川東構(gòu)造帶，該遞進推置發(fā)展模式在逆沖-推覆構(gòu)造中較為常見[3]。早燕山期，板塊俯沖造成的擠壓應(yīng)力波及齊岳山東側(cè)，形成湘西渝南NE向褶皺帶；晚燕山期擠壓應(yīng)力前鋒沖斷-褶皺構(gòu)造影響至華鎣山一帶，形成近EW向的斷褶構(gòu)造帶。前人研究普遍認為，薄皮、厚皮構(gòu)造及層間滑脫是湘西渝南—川東褶皺樣式差異的主要成因。板塊碰撞的擠壓推覆應(yīng)力引起揚子板塊西部的板內(nèi)變形，形成一系列背、向斜相間的褶皺以及相關(guān)逆沖疊瓦推覆構(gòu)造[4]，其中齊岳山深大基底斷裂帶控制影響構(gòu)造格局，分隔東西兩側(cè)褶皺樣式分別為隔槽式和隔擋式褶皺。且隨著擠壓推覆力在地層內(nèi)的逐步傳遞和消耗，褶皺運動的疊加次數(shù)自南東向北西逐漸遞減，在逆沖前緣新生出隔檔式褶皺，而逆沖后緣則由于滑脫面不斷增多和疊加而演變成隔槽式褶皺[2]。以上研究已普遍認同：湘西渝南隔槽式褶皺帶、川東隔擋式褶皺帶是系統(tǒng)性的陸內(nèi)變形的產(chǎn)物，地層擠壓應(yīng)力從南東向北西逐漸衰減，導致褶皺運動的期次逐漸遞減，形成渝南川東2種不同的褶皺樣式。因此，以不同地區(qū)龍馬溪組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，探討了擠壓應(yīng)力強弱對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響，為頁巖氣儲層研究提供理論依據(jù)。

1 實驗與樣品

通過野外露頭和剖面實測發(fā)現(xiàn)，中上揚子地臺下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖廣泛發(fā)育且?guī)r性穩(wěn)定，有機質(zhì)含量高。采集川南、渝東各地的龍馬溪組底部黑色頁巖段樣品，其中用酉陽、彭水的樣品來表征擠壓推覆后端受強烈擠壓力影響的頁巖儲層；用巫溪雙河、石柱、綦江、宜賓的樣品來表征擠壓推覆前端擠壓力逐漸衰弱影響的頁巖儲層。樣品按照國家標準對其進行破碎及篩分之后，應(yīng)用高壓壓汞法和低溫液氮吸附法對頁巖儲層進行測試和分析。其中壓汞實驗依據(jù)GB/T-21650.1-2008由AutoPore IV 9500壓汞儀測試完成，通過液態(tài)汞被壓入樣品孔隙中的汞體積與孔徑來分析樣品中的孔隙結(jié)構(gòu)。低溫液氮實驗依據(jù)GB/T19587-2004由美國麥克公司生產(chǎn)的TriStar II 3020 Version 2.00型全自動比表面積和孔隙分析儀完成，可得到樣品孔隙比表面積和孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 孔隙特征

2.1 高壓壓汞實驗

高壓壓汞實驗顯示研究區(qū)酉陽、彭水、巫溪雙河、綦江、宜賓龍頭SIL地層樣品孔隙度為1.644 3%～3.555 2%，且從SE向NW隨著擠壓力度的減小孔隙度有逐漸增大的趨勢。按照孔徑分類，可將頁巖孔隙分為微孔(孔徑小于2 nm)、介孔(孔徑為2～50 nm)和宏孔(孔徑大于50 nm)，宏孔范圍內(nèi)將小于1 000 nm定義為中孔，大于1 000 nm定義為大孔。

研究區(qū)進退汞曲線明顯不重合(圖1a)，退汞曲線的滯后現(xiàn)象說明樣品頁巖孔隙度偏低且孔隙結(jié)構(gòu)復雜。酉陽和彭水樣品的壓汞曲線孔隙后環(huán)較窄，進退汞體積相差較小，孔隙連通性一般，開放孔較少，不利于頁巖氣的解吸及擴散；綦江、巫溪、宜賓樣品的壓汞曲線孔隙后環(huán)較寬，進退汞體積相差較大，孔隙彼此連通性較好。綦江、巫溪雙河、宜賓龍頭的退汞高效孔徑段集中在介孔、中孔，間接說明其介孔、中孔的連通性較好。且微米級別的宏孔進汞量低于微孔、介孔的進汞量，說明孔徑為0.1～10.0 μm的孔隙發(fā)育較少，而納米級孔隙發(fā)育較多，宜賓、長寧、綦江及南川等地的微孔及介孔含量平均高達75.78%，其中帶*樣品來自文獻[5](圖1b)。

圖1 龍馬溪組樣品進退汞量與孔徑的關(guān)系及孔徑分布比例

2.2 低溫液氮吸附實驗

低溫液氮吸附實驗與壓汞實驗相比，可更有效地表征微、介孔的發(fā)育特征，其精度可達0.35 nm。實驗得到的等溫升壓吸附曲線及降壓脫附曲線呈反S型，說明吸附單分子層向多分子層吸附的逐漸轉(zhuǎn)變，且單層吸附時間短，相對壓力達到0.2時曲線已基本進入穩(wěn)定上升階段。吸附過程中的毛細凝聚現(xiàn)象使樣品在相對壓力接近1.0時仍未達到吸附飽和，這說明樣品中存在一定的中孔及大孔。實驗過程中，彭水、酉陽、WX-33井、WX-47井的脫附曲線較陡，說明樣品孔徑分布廣，微孔、介孔都較為發(fā)育，孔隙由無規(guī)則無定形的孔、板、片狀等多種形態(tài)孔隙組成，有利于頁巖氣的吸附賦存，運移通道也更為順暢。但石柱和巫溪WX-16井的脫附曲線較為平緩，未出現(xiàn)劇烈下降的現(xiàn)象，說明其孔隙組成中孔徑分布較窄，總體微孔占比例較大，而介孔、中孔含量較少，利于頁巖氣的吸附保存，但不利于頁巖氣的轉(zhuǎn)移擴散。

3 結(jié)果討論

3.1 壓實作用

水平構(gòu)造擠壓應(yīng)力可引起最大主應(yīng)力方向為水平方向的橫向沉積壓實作用，加劇地層壓實程度，顆粒排列緊密，孔隙度明顯下降。中上揚子地臺龍馬溪組主要發(fā)育黑色頁巖，地層塑性程度較高，塑性顆粒易受擠壓變形而充填到粒間孔中加劇了孔隙的損失。另外，強烈的擠壓與變質(zhì)作用使黏土礦物逐漸脫水，礦物晶體變粗大，層間顆粒更為緊密，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，導致孔隙度下降。壓汞實驗發(fā)現(xiàn)，在逆沖推覆后端擠壓力強烈，地層被破壞明顯，孔隙、孔容明顯減少，酉陽及彭水的樣品在該環(huán)境下總孔隙體積僅剩0.007 9、0.007 8 mL/g；而在逆沖推覆前端，擠壓應(yīng)力經(jīng)過長距離的傳遞，加之齊岳山斷裂對擠壓應(yīng)力的損耗，使擠壓力到達齊岳山以西時已嚴重衰減，孔隙保存較好，巫溪雙河、綦江、宜賓龍頭的總孔隙體積分別為0.013 3、0.021 6、0.016 7 mL/g。且擠壓力對孔隙的破壞主要集中在大孔及微裂縫，尤其在1 000～10 000 nm的孔徑階段更為明顯(圖1b)。綦江地區(qū)大孔微裂縫含量較多，可能與其緊靠齊岳山斷裂帶有一定關(guān)系。

3.2 隆升作用

擠壓作用使齊岳山東西兩側(cè)的構(gòu)造隆升及生烴演化有明顯差距，參考前人對埋藏生烴史的研究，發(fā)現(xiàn)彭水地區(qū)龍馬溪組地層埋藏大于5 000 m的時間有110 Ma[6]，而焦石壩地區(qū)有155 Ma[7]，且彭水地區(qū)地層受強烈的擠壓發(fā)生多次褶皺疊加，總隆升量達到4 500 m使彭水地區(qū)龍馬溪組地層埋藏時間短，有機質(zhì)未能接受充分的熱演化變質(zhì)被迅速抬升。據(jù)此分析，齊岳山東側(cè)頁巖地層受熱生烴程度、有機碳含量弱于齊岳山西側(cè)，液氮實驗分析其孔隙差異，發(fā)現(xiàn)50 nm以下微、介孔累計孔容含量從大到小依次為巫溪、石柱、彭水、酉陽(圖2a)，且總有機碳含量與微、介孔相關(guān)性較好，其中，渤海灣盆地陸相頁巖樣品來自田華[8](圖2b)，有機質(zhì)在生烴過程中體積縮小可形成大量蜂窩狀納米孔，且樣品有機碳含量越多、成熟度越高，可釋放更多的烴類氣體，形成更多的微、介孔，這也解釋了圖2a中巫溪2井樣品深度越深其微孔含量越多的現(xiàn)象。圖2b中宜賓龍頭及巫溪雙河的樣品的TOC含量為1.3%～1.9%，與酉陽、彭水樣品相近，但酉陽、彭水樣品的微、介孔含量明顯低于宜賓、巫溪，這主要是由于擠壓力過強導致地層過早抬升、有機質(zhì)成熟度不高造成。

圖2 龍馬溪組頁巖微、介孔含量與有機碳含量的相關(guān)性

3.3 滑脫面對孔隙的影響

中上揚子地區(qū)的沉積層序分布具有一定的不均衡性，湘西渝南地區(qū)缺失上三疊統(tǒng)至侏羅系的多套泥巖陸相碎屑巖，僅含一套志留系泥頁巖層；川東區(qū)域含有多套泥頁巖層，層間統(tǒng)一性差，黏聚力差異大，屬于柔性基地[9]，這導致川東的軟弱巖層在擠壓過程中變形更為強烈，形成多套滑脫層，其中控制形成隔擋式褶皺的主滑脫層位于下二疊統(tǒng)，志留系龍馬溪組地層埋藏于滑脫層下，未發(fā)生明顯的褶皺卷起，層內(nèi)孔隙得以良好的保存。而湘西渝南地區(qū)的巖性差異變化小，層間黏聚力差異小，擠壓褶皺作用帶動更厚地層卷入，滑脫層發(fā)育較深，主滑脫層位于寒武系地層，由此龍馬溪組地層卷入褶皺，孔隙破壞嚴重?；搶拥拇嬖谑怯绊懙貙涌紫侗黄茐某潭鹊闹匾蛩兀搶右陨蠋r層受褶皺變形程度更大，孔隙破壞程度更大，滑脫面的存在對于擠壓效力有放大作用；而滑脫層以下巖層卻可以在擠壓應(yīng)力下受到保護。

3.4 異常超壓

研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組頁巖孔隙度整體偏低，壓實明顯。由于上覆地層壓力和擠壓應(yīng)力過大，頁巖骨架難以承受，被迫將部分壓力轉(zhuǎn)由骨架中孔隙內(nèi)的氣體承受，加之大量天然氣的聚集均造成儲層的異常高壓。南方龍馬溪組頁巖TOC含量偏高、成熟度較大，尤其在齊岳山以西地區(qū)受長時間埋藏和熱演化作用該特點更為明顯，在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)頁巖中發(fā)育大量孔徑為1～200 nm的有機質(zhì)孔。頁巖氣在這些孔隙中受壓力封堵，難以逸散，并承擔部分壓力以減少頁巖骨架的坍塌可能性，在一定程度上保護了頁巖孔隙，這也是宜賓、綦江、南川等地微、介孔比例高達75.78%的原因之一。

4 擠壓力對頁巖儲層的地質(zhì)意義

齊岳山東側(cè)隔槽式褶皺中宏孔占36.27%，孔容平均為0.002 85 mL/g，而西側(cè)褶皺中宏孔占28.92%，孔容達到0.005 00 mL/g，擠壓力造成的齊岳山東西兩側(cè)宏孔孔容相對壓實率高達43%。宏孔尤其是微裂縫的壓實能極大程度地控制和阻礙油氣的逸散，也在一定程度上封堵先期未完全成熟的烴類物質(zhì)，使其有機會接受更高程度的熱變質(zhì)，提高油氣生烴能力及儲層保存能力。其次，由于擠壓力導致齊岳山以東地層多次疊合，隆升明顯，有機質(zhì)難以得到充分的熱演化變質(zhì)，再加之TOC含量的差異，最終導致渝南湘西地區(qū)生烴量低于川東地區(qū)，有機質(zhì)孔也發(fā)育較少。渝南微、介孔平均比例為63.73%，平均孔容為0.004 99 mL/g，川東微、介孔比例達到71.08%，平均孔容達到0.012 20 mL/g，且渝南中孔容占63.73%的微、介孔提供了2.069 5 m2/g的比表面積，川東中孔容占71.08%的微、介孔提供了4.559 3 m2/g的比表面積，由此可見，微、介孔提供主要的比表面積。川東南地區(qū)有機質(zhì)的高度演化釋放出大量頁巖氣，在有機質(zhì)變質(zhì)后收縮形成大量有機質(zhì)孔，為這些氣體的保存提供了賦存點，有助于油氣在孔隙中更多的吸附保存，這是導致川東南地區(qū)頁巖氣保存及產(chǎn)量優(yōu)于渝南湘西的主要原因。

5 結(jié) 論

(1) 擠壓力從南東向北西推進并逐漸減弱導致褶皺運動的期次逐漸遞減。強烈的擠壓應(yīng)力通過促進壓實和黏土作用轉(zhuǎn)變影響大孔、微裂縫的發(fā)育；通過控制構(gòu)造隆升影響有機質(zhì)受熱程度，造成生烴量及有機質(zhì)孔發(fā)育的差異，同時滑脫面和儲層異常超壓亦影響到孔隙的保存。

(2) 大孔及微裂隙的減弱會控制和阻礙油氣的逸散，并封堵未完全成熟的烴類物質(zhì)以接受更高演化，釋放更多油氣；有機質(zhì)的充分受熱提高了生烴量，并形成大量有機質(zhì)孔，為頁巖氣賦存提供空間和吸附點。

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編輯 王 昱

20151012；改回日期：20151227

國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“中國南方古生界頁巖氣賦存富集機理和資源潛力評價”(2012CB214702)；國家自然科學基金“中上揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖微孔結(jié)構(gòu)演變與頁巖氣成藏效應(yīng)”(41272155)

彭鈺潔(1993-)，女，2014年畢業(yè)于中國石油大學(華東)資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)為中國礦業(yè)大學礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向為非常規(guī)油氣地質(zhì)。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.032

TE122.1

A

1006-6535(2016)02-0132-04