劉世明，唐書恒，馬長政，楊 穎，譚富榮，張耀選，霍 婷

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083; 2.青海煤炭地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810001; 3.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038; 4.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項目管理中心，新疆 烏魯木齊 830002)

頁巖氣作為一種自生自儲的非常規(guī)天然氣資源，因其資源儲量豐富，分布廣泛，具有廣闊的勘探開發(fā)前景[1-3]。隨著四川盆地長寧—威遠(yuǎn)、涪陵等地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖氣勘探開發(fā)的成功突破[4-6]，陸相頁巖氣獲得了投資者及學(xué)者的重視[7-8]。頁巖氣儲集空間的研究發(fā)展迅速，已經(jīng)可以定性或定量分析儲層納米級孔隙和微裂縫的特征[9-10]。目前對海相頁巖氣儲層研究較為成熟，陸相頁巖氣儲層礦物特征及孔隙的主控因素等研究薄弱。柴北緣以往開展的頁巖氣地質(zhì)調(diào)查及研究工作，認(rèn)為中侏羅統(tǒng)發(fā)育多套陸相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，頁巖氣資源潛力較好[11-14]。近些年，魚卡凹陷施工的柴頁1井、YQ-1井、ZK11-8,ZK15-3,ZK19-3等多個鉆孔證實了石門溝組上段泥頁巖含氣性較好，具備保存條件，資源潛力大[15-16];然而，針對魚卡凹陷石門溝組上段泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)及儲層的研究較少[17-18]，且以往研究樣品都集中于單個鉆孔，具有一定的局限性。

本次樣品點分布在魚卡凹陷內(nèi)不同區(qū)域，在沉積環(huán)境及巖相分析的基礎(chǔ)上，利用有機(jī)地球化學(xué)測試、巖礦鑒定、掃描電鏡、X衍射、液氮吸附等測試實驗數(shù)據(jù)，分析魚卡凹陷石門溝組上段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)及儲層特征，探討其主控因素及展望頁巖氣資源潛力。

1 地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地是多期構(gòu)造疊置的一個大型沉積盆地，柴北緣是柴達(dá)木盆地4個一級構(gòu)造單元之一。印支運(yùn)動后期結(jié)束了柴達(dá)木海侵的歷史，湖泊出現(xiàn)，進(jìn)入陸相盆地演化階段;燕山運(yùn)動早期，柴北緣內(nèi)部各個凹陷的形態(tài)雛形基本呈現(xiàn)[19]，進(jìn)入早中侏羅世，廣泛沉積了厚層的細(xì)粒沉積物，為本次研究的主要目標(biāo)層。

魚卡凹陷屬于柴達(dá)木盆地北緣的二級構(gòu)造單元，位于柴達(dá)木盆地北緣中部，呈北西向展布，暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖分布面積約430 km2(圖1)。魚卡凹陷基底為元古界和奧陶系，中生界僅發(fā)育侏羅系和白堊系，受構(gòu)造演化和古地理環(huán)境氣候的控制，中侏羅統(tǒng)石門溝組為深灰色—灰黑色含煤及碎屑沉積，植物化石豐富，為一套中等—好的烴源巖。石門溝組上段泥頁巖埋深整體小于2 000 m，平均厚度達(dá)到55 m。頁巖氣參數(shù)井——柴頁1井石門溝組上段頁巖氣含氣量現(xiàn)場解吸為0.13～3.23 m3/t，YQ-1井解吸含氣量為0.13～0.4 m3/t，平均為0.26 m3/t;都顯示出石門溝組上段泥頁巖較好的含氣性。上侏羅統(tǒng)采石嶺組和紅水溝組為雜色和棕紅色泥質(zhì)巖、碎屑巖沉積，含較多的輪藻化石和葉肢介、介形蟲。

2 樣品采集與測試

本次在魚卡凹陷石門溝組上段共采集14件暗色泥頁巖樣品，嚴(yán)格按照頁巖氣采樣規(guī)范執(zhí)行[20]。其中鉆孔樣品9件，樣品新鮮;探槽樣品5件，采樣深度1.5～2.0 m，樣品質(zhì)量都大于1 kg。樣品巖性以黑色油頁巖、泥頁巖、炭質(zhì)泥巖為主。采樣位置及深度如圖1，2所示。樣品及時送至江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院徐州檢測中心進(jìn)行測試分析，利用EA2000型碳硫儀、OGE-VI巖石熱解分析儀、分別獲得了TOC含量,Ro,IH及Tmax數(shù)據(jù);利用 Panalytical X’Pert PRO MPD 型X 衍射儀對7件樣品進(jìn)行礦物含量分析，獲得了全巖及黏土礦物含量數(shù)據(jù);利用TESCAN-VEGALMU型掃描電子顯微鏡對7件樣品獲得了微孔隙照片;利用全自動比表面與孔隙度分析儀APSP2460對7件樣品進(jìn)行物性分析，獲得了孔隙度和比表面積數(shù)據(jù)。

圖1 魚卡凹陷石門溝組上段沉積相圖及泥巖厚度、TOC含量,Ro等值線(附采樣點)Fig.1 Sedimentary facies of upper member of Shimengou formation of Yuka sag and shale thickness contours,isograms of TOC content,Ro (with sampling location)

圖2 ZK7-9鉆孔巖相柱狀圖及采樣層位Fig.2 Lithofacies histogram and sampling horizon of ZK7-9 well

3 泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)碳含量

本次采集的泥頁巖樣品TOC含量在1.34%～12.84%，平均值為5.31%;多數(shù)樣品TOC含量在2%～6%(表1)。凹陷中部TOC含量較高，總體大于6.0%，向東西兩側(cè)逐漸降低(圖1)。魚卡凹陷石門溝組上段TOC含量達(dá)到了好烴源巖級別，具有良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

干酪根元素H/C比值為0.55～1.28，平均值為1.1;O/C比值為0.09～0.27，平均值為0.16。在范式圖解中落入Ⅱ2型區(qū)域，表明原始有機(jī)質(zhì)組分主要源于高等喬木和灌木，富氧、富碳而缺乏氫質(zhì)多環(huán)芳香烴結(jié)構(gòu)組分，如圖3所示。

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

泥頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro值為0.45%～1.00%，處于未成熟—成熟度階段。由于凹陷內(nèi)石門溝組上段泥頁巖西部埋深總體大于東部，凹陷東部整體處于低成熟階段，中西部泥頁巖進(jìn)入成熟熱演化階段(圖1)。

表1 魚卡凹陷泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)
Table 1 Organic geochemical parameters of shale in Yuka sag

樣品號巖性采樣位置TOC含量/%鏡質(zhì)組反射率Ro/%有機(jī)質(zhì)組分H/C比值O/C比組資料來源TCY-1油頁巖探槽樣1.34—1.040.26TCY-3油頁巖探槽樣2.11—0.900.25PY-1油頁巖探槽樣7.79—1.220.18PY-4油頁巖探槽樣3.24—0.990.24GY-1油頁巖探槽樣12.841.000.550.27YY-1泥巖鉆孔4.26—1.090.12YY-2泥巖鉆孔3.58—1.110.12本文YY-4泥巖鉆孔4.53—1.150.10EY-8頁巖鉆孔5.330.471.230.10EY-9頁巖鉆孔5.99———EY-10頁巖鉆孔5.46—1.280.10EY-11頁巖鉆孔5.87—1.250.10EY-12頁巖鉆孔5.500.451.250.09EY-13頁巖鉆孔6.520.491.240.09

圖3 泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型Fig.3 Shale organic matter type

4 泥頁巖儲層特征

4.1 巖性巖相

通過野外地質(zhì)調(diào)查，根據(jù)泥頁巖的巖性、結(jié)構(gòu)和沉積等特征，劃分出4種巖相類型，即油頁巖、黑色頁巖、黑色泥巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖。① 油頁巖:頁理發(fā)育，風(fēng)化后呈灰褐色、紙片狀，分布范圍廣，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，厚層狀為主，主要沉積于半深湖-深湖。② 黑色頁巖:發(fā)育水平層理，含黃鐵礦結(jié)核，可見植物莖干化石。常與油頁巖互層出現(xiàn)，分布較廣、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定、厚度大，主要沉積于半深湖—深湖。③ 黑色泥巖:發(fā)育水平層理和緩波狀層理，含大量植物化石。分布廣泛，厚度較大，常與粉砂質(zhì)泥巖互層。主要發(fā)育在三角洲前緣和濱淺湖環(huán)境。④ 灰黑色粉砂質(zhì)泥巖:單一厚層狀產(chǎn)出，主要發(fā)育在三角洲前緣和濱淺湖環(huán)境。

4.2 礦物組成

對石門溝組上段7個泥頁巖樣品開展了X衍射全巖及黏土礦物分析(圖4)。黏土礦物含量為34%～58%，平均為46.1%，以高嶺石和伊蒙混層為主，其次為伊利石和綠泥石，不含蒙脫石;石英含量42%～55%，平均為48.3%;碳酸鹽礦物含量在0～5%，平均為2.3%。礦物組分表現(xiàn)為兩低一高，即高硅質(zhì)礦物含量、高黏土礦物含量、低碳酸鹽礦物含量(圖4);碳酸鹽礦物含量較低可能與陸相沉積環(huán)境和當(dāng)時的沉積水介質(zhì)環(huán)境有關(guān)。

圖4 石門溝組上段泥頁巖儲層礦物成分條形圖和三角圖Fig.4 Bar chart and triangle chart of mineral composition of shale in upper member of Shimengou formation

4.3 物性特征

4.3.1孔隙度和滲透率

泥頁巖的孔隙度和滲透率性能差異是控制頁巖氣能否高產(chǎn)的重要參數(shù)之一[21]。美國主要產(chǎn)氣頁巖孔隙度為2.0%～14.0%[22-24]，滲透率多小于1×10-16m2，平均喉道半徑接近0.005 μm。康志宏等[14]2015年在魚卡凹陷ZK11-3鉆孔中測得石門溝組上段泥頁巖孔隙度為0.2%～1.8%，平均1.06%，滲透率為0.001×10-15～0.04×10-15m2，屬于典型的低孔低滲特征。

4.3.2泥頁巖吸附性及孔隙結(jié)構(gòu)

根據(jù)HOU等[25]對魚卡凹陷YQ-1井石門溝組上段泥頁巖甲烷等溫吸附測試結(jié)果，泥頁巖Langmuir體積為1.99～8.46 cm3/g，平均值為4.73 cm3/g。研究區(qū)泥頁巖甲烷吸附能力較好，主要是由于較高的黏土礦物含量。泥頁巖甲烷吸附能力受多種因素的影響，如有機(jī)質(zhì)含量、成熟度、有機(jī)質(zhì)類型、黏土礦物含量及孔隙結(jié)構(gòu)[26]。有機(jī)質(zhì)具有親氣的屬性和發(fā)育微孔，頁巖氣的吸附量隨TOC含量的增加而增加;黏土礦物對甲烷具有一定的吸附能力是因為發(fā)育了大量的孔隙。因此，孔隙結(jié)構(gòu)才是影響泥頁巖吸附氣含量的直接因素。

泥頁巖樣品低溫氮吸附實驗均有吸附回線產(chǎn)生，表明頁巖孔隙的開放程度較高。根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)及能否產(chǎn)生吸附回線可將其大致分為3類:第Ⅰ類為開放性透氣孔，包括兩端開口管狀孔及四邊開放的板狀狹縫孔等;第Ⅱ類為一端封閉的不透氣性孔，包括一端封閉的管狀孔、板狀狹縫孔、楔形孔等;第Ⅲ類孔較為特殊，雖一端封閉，但仍能產(chǎn)生吸附回線，且脫附分支急劇下降，以細(xì)頸瓶或墨水瓶狀孔為代表[27-29]。第Ⅰ類和第Ⅲ類孔能產(chǎn)生吸附回線，第Ⅱ類孔不能產(chǎn)生吸附回線。

本次樣品吸附回線根據(jù)其形態(tài)可劃分為兩類:第1類(圖5(a)～(d)):在p/p0<0.4時，吸附曲線與脫附曲線基本完全重合，反映在較小孔隙內(nèi)，多是一端封閉不透氣的Ⅱ類孔;p/p0>0.4時，脫附曲線和吸附曲線未能重合，脫附曲線p/p0在0.5附近發(fā)生陡降，吸附曲線則緩慢上升，并在p/p0接近1時出現(xiàn)陡升，表明較大孔隙范圍內(nèi)不存在大量墨水瓶孔，孔隙以四邊開放的板狀狹縫孔為主。第2類(圖5(e)～(g)):與第1類的區(qū)別為p/p0>0.4時，脫附曲線未出現(xiàn)陡降，表明在較大孔徑范圍內(nèi)，孔隙以開放性傾斜板狹縫孔為主。

圖5 泥頁巖樣品氮?dú)馕?脫附實驗曲線Fig.5 Experimental curve of nitrogen adsorption-desorption in shale samples

兩類曲線形態(tài)在高壓力范圍內(nèi)(0.8

4.3.3孔隙比表面積、體積與孔徑分布

本次樣品BET比表面積在4.939～22.347 m2/g，平均為16.55 m2/g;BJH總孔體積在33.5～61.4 μL/g，平均為51.40 μL/g;平均孔徑為10.761～27.710 nm，平均為14.128 nm(表2)。頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍比較寬泛，表明頁巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)。

表2 魚卡凹陷石門溝組上段頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)
Table 2 Pore structure parameters of shale from the upper member of Shimengou formation in Yuka sag

層位樣品編號BET比表面積/(m2·g-1)BJH總孔體積/(μL·g-1)平均孔徑/nm資料來源GY-116.59561.3514.788PY-44.93933.4727.710TCY-121.14557.0010.784石門溝組上段(J2s2)EY-922.34760.1210.761本文EY-1120.21860.7512.019YY-217.04746.7210.964YY-413.57640.2911.8719個樣品4.343～18.329/12.32719.086～38.307/30.2936.83～13.08/8.55邵龍義等[18]

樣品中孔徑分布如圖6所示，縱坐標(biāo)為dV/dlgD，表示孔體積對孔直徑對數(shù)值的微分，反映納米級孔隙的孔徑分布峰值情況。根據(jù)泥頁巖孔徑分布形態(tài)分為兩種類型。

圖6 單峰型和雙峰型孔徑曲線分布Fig.6 Single peak aperture curves and bimodal aperture curves distribution

(1)孔徑分布呈單峰(6(a))，分布曲線僅存在1個主峰，峰值范圍為160.08～230.43 nm，孔徑主要集中在3.41～4.90 nm，由于存在一定量的介孔、宏孔，造成孔徑分布曲線拖尾現(xiàn)象。

(2)孔徑分布呈雙峰(6(b))，分布曲線上存在一個主峰和一個次縫，主峰孔徑集中在3.41～4.89 nm，次縫孔徑在6.52～45.93 nm，也存在拖尾現(xiàn)象。

研究發(fā)現(xiàn)，樣品孔徑分布曲線與吸附回線具有較高的一致性，第1類回線與單峰曲線相對應(yīng)，第2類吸附回線與雙峰型曲線相對應(yīng)。由此可見，孔徑分布與孔隙結(jié)構(gòu)具有較高的相關(guān)性。

根據(jù)IUPAC對泥頁巖孔隙的分類方案[30]，將頁巖納米級孔隙劃分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)。依據(jù)本次實驗結(jié)果，石門溝組上段泥頁巖微孔、介孔和宏孔分別占總孔體積的2.85%,80.98%和16.17%;占比表面積23.44%,73.65%和2.92%。微孔雖然體積占比較小，但比表面積較大，說明微孔較發(fā)育;介孔為頁巖氣吸附和存儲的主要場所。圖7表明，研究區(qū)頁巖比表面積和孔隙體積呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，平均孔徑與比表面積和總孔體積均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。與鄂爾多斯盆地延長組陸相頁巖研究結(jié)果相似[31-32]，這種相關(guān)性說明介孔對陸相頁巖氣的儲存貢獻(xiàn)最大。然而，南方海相頁巖中這種相關(guān)性與陸相頁巖存在一定的差異[33]，主要與孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。海相頁巖中的納米級孔隙主要來源于大量有機(jī)質(zhì)孔，而有機(jī)質(zhì)孔大多以微孔為主，因此具有較高的比表面積和較低的儲存空間，頁巖氣以吸附氣為主。陸相頁巖孔隙既包含一定的干酪根納米孔，也含有較多的與礦物組分有關(guān)的，孔徑相對較大的孔隙(圖8)。介孔既能提供大量的孔隙空間，也可以貢獻(xiàn)較多的比表面積，因此，發(fā)育較多介孔的陸相頁巖儲集吸附氣和游離氣的能力均較強(qiáng)。

圖7 BET比表面積、BJH總孔體積、平均孔徑的關(guān)系Fig.7 Correlation between specific surface area of BET，total volume of BJH,average pore diameter of BJH

圖8 泥頁巖無機(jī)孔賦存形態(tài)與特征Fig.8 Morphological characteristics of inorganic pores in shale

4.4 儲集類型

魚卡凹陷中侏羅統(tǒng)石門溝組上段富有機(jī)質(zhì)頁巖的孔隙發(fā)育特征，儲集空間類型多樣，包括有機(jī)孔、無機(jī)孔和裂縫(表3)。

4.4.1無機(jī)孔

無機(jī)孔包括粒間孔、粒內(nèi)孔和溶蝕孔。溶蝕孔主要發(fā)育在石英、黏土礦物中(圖8(a));粒間孔通常發(fā)育于礦物顆粒接觸處，發(fā)育在黏土礦物與石英顆粒之間或片狀、絲狀黏土礦物中;礦物內(nèi)部發(fā)育有晶間孔(圖8(b))。粒內(nèi)孔發(fā)育于顆粒內(nèi)部，黏土礦物層中的粒內(nèi)孔最為發(fā)育，其中以伊蒙混層為主，黏土礦物中伊蒙混層層間孔發(fā)育(圖8(c));疊層狀的高嶺石層間孔縫發(fā)育(圖8(d))。無機(jī)孔特點是發(fā)育集中，膠結(jié)復(fù)雜，分選差，形態(tài)多樣，以多邊形和拉長的長條形狀為主。

4.4.2有機(jī)質(zhì)孔

泥頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙普遍存在，孔隙大小從幾納米到幾百納米不等，孔隙之間的連通性極好，有機(jī)質(zhì)孔隙大多數(shù)呈圓形、橢圓形，分散狀(圖9(b),(c));部分樣品中有機(jī)質(zhì)微裂縫發(fā)育(圖9(a),(d))。相較于無機(jī)孔中的溶蝕孔來說，發(fā)育于有機(jī)質(zhì)孔隙中的溶蝕孔較多。

表3 魚卡凹陷石門溝組上段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙分類
Table 3 Pore classification of organic-rich shale in the upper member of Shimengou formation in Yuka sag

孔隙類型孔徑分布特征粒間孔Nm～μm顆粒之間的孔隙,多發(fā)育于黏土礦物間無機(jī)孔粒內(nèi)孔nm沉積原生孔隙或受溶蝕作用等改造溶蝕孔Nm～μm礦物成巖或后期受溶蝕而形成的孔隙有機(jī)孔有機(jī)質(zhì)孔nm有機(jī)質(zhì)生烴形成于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙微裂縫μm～mm黏土礦物、有機(jī)質(zhì)受成巖構(gòu)造等應(yīng)力作用形成的孔裂隙裂縫層間頁理縫μm～mm頁巖在沉積時形成的平行層理構(gòu)造裂縫Mm～cm受構(gòu)造作用而形成的裂縫

4.4.3裂縫

裂縫包括微裂縫、層間頁理縫和構(gòu)造裂縫。微裂縫在頁巖氣體的滲流中具有重要作用，是連接微觀孔隙與宏觀裂縫的橋梁，其一般為微米級。有機(jī)質(zhì)顆粒和黏土礦物都可發(fā)育微裂縫，發(fā)育于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的微裂縫一般比較平直，裂隙較小，延伸不長(圖8(e),圖9(a),(d));黏土礦物內(nèi)的微裂縫發(fā)育寬度大，延伸長，礦物間微裂縫形態(tài)較多樣(圖8(e),(f),圖9(d))。存在微裂縫的區(qū)域，巖石脆性指數(shù)較高，易形成微裂縫網(wǎng)格，為油氣滲流的主要通道。

層間頁理縫指具剝離線理的平行層理紋層面間的孔縫，一般發(fā)育在強(qiáng)水動力條件下形成薄層頁巖中，頁巖間頁理為力學(xué)性質(zhì)薄弱的界面，極易剝離[34]。魚卡凹陷石門溝組上段頁巖中發(fā)育大量順層的頁理縫，縫寬小于0.3 mm，為頁巖氣富集提供了良好的儲集空間(圖8(d))。

構(gòu)造裂縫是由于局部構(gòu)造作用而形成的裂縫，按發(fā)育規(guī)?？煞譃榫扌土芽p、大型裂縫、中型裂縫、小型裂縫和微裂縫[35]。李浩涵等[36]通過對柴頁1井泥頁巖儲層研究，發(fā)現(xiàn)泥頁巖儲層構(gòu)造裂縫以中小型和微裂縫為主，縫寬1～5 mm，高角度縫長度可達(dá)5～15 cm，斷面可見相對滑動造成的鏡面構(gòu)造。

5 影響儲層因素的探討

5.1 有利的沉積環(huán)境

進(jìn)入中侏羅世石門溝組，隨著柴北緣西段冷湖、俄博梁地區(qū)持續(xù)抬升，魚卡凹陷湖水深度迅速加深，湖侵面達(dá)到最大[11]。古氣候逐漸溫暖濕潤，廣泛發(fā)育的湖泊相沉積，半深湖—深湖沉積環(huán)境為泥頁巖沉積提供了穩(wěn)定的沉積條件[37]，從而形成了魚卡凹陷內(nèi)較大范圍的油頁巖、頁巖、泥巖。泥頁巖厚度為10～170 m，平均55 m，大部分在50 m以上;其中北部地區(qū)泥頁巖較厚，部分地區(qū)泥頁巖達(dá)到60 m以上，最大厚度達(dá)到170 m;西部與東部地區(qū)泥巖頁相對較薄，厚度小于45 m(圖1)。

5.2 有利的礦物組合

從魚卡凹陷ZK11-3鉆孔石門溝組上段泥頁巖樣品測試數(shù)據(jù)分析可知[14]，脆性礦物含量與孔隙度的發(fā)育成正相關(guān)，脆性礦物含量越高，孔隙度相對越高(圖10)。雖然黏土礦物含量與孔隙度呈反相關(guān)，黏土礦物含量越高，泥頁巖的孔隙度越低，但黏土礦物往往比表面積較大，吸附能力較強(qiáng)，有利于頁巖氣以吸附態(tài)的儲存、聚集。因此，魚卡凹陷石門溝組上段泥頁巖中相對高脆性礦物、高黏土礦物特點，有利于頁巖氣以游離態(tài)或吸附態(tài)的形式聚集。

圖10 孔隙度和脆性礦物、黏土礦物的相關(guān)關(guān)系[14]Fig.10 Correlation between porosity and brittle minerals and clay minerals[14]

5.3 黏土礦物含量

樣品中黏土礦物含量與不同類型孔的孔體積相關(guān)性表明(圖11)，石門溝組上段泥頁巖中黏土礦物含量與介孔和總孔體積均呈良好的正相關(guān)性，與微孔體積無明顯的相關(guān)性。由此可知，黏土礦物含量對介孔的發(fā)育影響較大，但對宏孔的發(fā)育影響很小;由于液氮吸附實驗測試的孔徑都大于1 nm，掃描電鏡中反映出有機(jī)質(zhì)孔較為發(fā)育，所以黏土礦物含量對微孔的影響需要進(jìn)一步研究。由于介孔是孔體積的主要提供者，所以黏土礦物對總孔體積也有較大的影響。同時，石英含量較高會增強(qiáng)巖石的剛度，從而抵消壓實作用對于黏土礦物孔隙減少的影響，致使更多的黏土礦物孔隙得以保留。研究區(qū)泥頁巖熱演化程度較低，TOC含量與孔體積的相關(guān)關(guān)系明顯比黏土礦物的低，說明有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育較少，與礦物組分有關(guān)的介孔為頁巖氣的主要儲集空間。

圖11 泥頁巖黏土礦物含量與孔隙體積的關(guān)系Fig.11 Relationship between clay mineral content and pore volume of shale

5.4 有機(jī)碳含量及有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)孔隙是泥頁巖儲集空間的重要組成部分，干酪根生烴后在其內(nèi)部形成有機(jī)質(zhì)孔隙，在高氧化階段殘留瀝青裂解也能產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)孔[38]。TOC含量及有機(jī)質(zhì)成熟度對有機(jī)質(zhì)孔隙空間有一定的影響[39-40]。LOUCKS等[41]認(rèn)為，在Ro<0.6%時，干酪根中納米孔隙基本不發(fā)育，只有在高成熟階段干酪根才會有大量納米孔隙形成;CURTIS等[42]認(rèn)為在Ro<0.9%的干酪根中很少有納米孔隙形成，在Ro>1.23%時，干酪根才會發(fā)育大量的納米孔隙。石門溝組泥頁巖樣品Ro在0.45%～1.0%，在較低的成熟度制約下，泥頁巖中有機(jī)質(zhì)熱演化產(chǎn)生的納米級孔隙不發(fā)育。

圖12 泥頁巖TOC含量與孔隙體積的關(guān)系Fig.12 Relationship between TOC content and pore volume of shale

石門溝組上段泥頁巖TOC含量與孔體積關(guān)系表明，TOC含量與介孔、總孔體積具有弱正相關(guān)性，與微孔體積相關(guān)性不大(圖12)。干酪根密度較小，其體積分?jǐn)?shù)約是質(zhì)量分?jǐn)?shù)的兩倍，當(dāng)TOC含量較高時，豐富的有機(jī)質(zhì)占據(jù)了一定的空間，一方面會使能夠提供孔隙的組分含量相對減少，另一方面也可能會充填部分已有孔隙，造成對孔隙發(fā)育的不利影響[18];當(dāng)TOC含量過低時，極少的有機(jī)質(zhì)顯然很難對孔隙的發(fā)育構(gòu)成影響。ROSS 等[26]在對加拿大西部盆地泥頁巖儲層研究時發(fā)現(xiàn)，高成熟的泥盆系—密西西比系泥頁巖(Ro在1.6%～2.5%)孔體積與TOC含量有較好的正相關(guān)性;同盆地低成熟度的侏羅系泥頁巖(Ro在0.8%～1.3%)則沒有相關(guān)性，認(rèn)為可能與侏羅系泥頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育有關(guān)。以往研究表明[42-43]當(dāng)Ro值整體大于1%時，TOC含量與孔隙的發(fā)育呈正相關(guān);Ro值為1%附近時，TOC含量與孔隙的發(fā)育無明顯關(guān)系;有機(jī)質(zhì)在熱演化生烴過程中，隨著成熟度的升高，有機(jī)質(zhì)孔隙數(shù)量增多，比表面積和孔體積增大[39]。

6 結(jié) 論

(1)魚卡凹陷石門溝組上段是一套以半深湖—深湖相沉積為主的優(yōu)質(zhì)烴源巖，富含動、植物化石及菱鐵礦結(jié)核，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度大、分布連續(xù)，TOC含量為1.34%～12.84%，均值為5.3%;有機(jī)質(zhì)母源類型主要為Ⅱ2型;有機(jī)質(zhì)熱演化程度整體處于低成熟—成熟階段，Ro范圍為0.45%～1.0%;處于低成熟—成熟階段，烴源巖品質(zhì)較好。

(2)魚卡地區(qū)中侏羅統(tǒng)泥頁巖礦物組成以石英和黏土礦物為主，低孔低滲。微孔隙發(fā)育，主要包括粒間孔、溶蝕孔、粒內(nèi)孔等孔隙類型。介孔和總孔體積與黏土礦物含量呈正相關(guān)，與微孔體積無明顯的相關(guān)性;由于成熟度較低，有機(jī)質(zhì)納米孔隙不發(fā)育，TOC含量與介孔、總孔體積具有弱正相關(guān)性，與微孔體積相關(guān)性不大;孔隙結(jié)構(gòu)及孔徑分布與沉積環(huán)境有關(guān)。黏土礦物是泥頁巖中納米級孔隙的主要提供者，是孔隙發(fā)育的主要控制因素，TOC含量與沉積環(huán)境也會影響泥頁巖孔隙發(fā)育的程度。

(3)石門溝組上段泥頁巖孔徑分布曲線可分為單峰型和雙峰型，前者孔徑主要分布在3.41～4.90 nm，呈單峰狀，與第1類吸附回線對應(yīng);后者孔徑主要分布在3.41～4.89 nm和6.52～45.93 nm，呈雙峰狀，與第2類吸附回線對應(yīng)，孔徑分布與孔隙結(jié)構(gòu)具有較高的相關(guān)性;微孔和介孔作為主要的儲存空間。