頁(yè)巖組分對(duì)五峰-龍馬溪組與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙發(fā)育差異的影響
——以渝東南焦頁(yè)1井與湘西北慈頁(yè)1井為例

謝志濤，胡海燕，袁浩莆，劉冀蓬，王 濤，劉立航

1.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430100；2.長(zhǎng)江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430100；3.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢430100；4.西部鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院，新疆克拉瑪依834000

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣勘探研究工作的深入，廣泛發(fā)育著富含有機(jī)質(zhì)的上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組（筇竹寺組、水井沱組）的中上揚(yáng)子地區(qū)已成為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)［1-4］.但目前只有五峰－龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)入了工業(yè)性開(kāi)發(fā)階段，牛蹄塘組頁(yè)巖仍處于勘探研究階段［5］.作為中上揚(yáng)子地區(qū)最具潛力的兩套頁(yè)巖氣層，研究頁(yè)巖組分對(duì)五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙發(fā)育的影響，并以此選擇針對(duì)性方案來(lái)指導(dǎo)牛蹄塘組頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)，則是未來(lái)的工作中的關(guān)鍵問(wèn)題.為此，本文綜合鉆測(cè)井資料、地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)與X射線全礦物衍射數(shù)據(jù)，分析頁(yè)巖各組分對(duì)焦頁(yè)1井五峰－龍馬溪組與慈頁(yè)1井牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙發(fā)育的影響，研究造成頁(yè)巖孔隙差異的組分，以期為牛蹄塘組頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù).

1 區(qū)域地質(zhì)特征

中上揚(yáng)子地區(qū)隸屬于華南地區(qū)揚(yáng)子地層區(qū)與江南分區(qū)，東與華夏地塊相接，西與龍門(mén)山構(gòu)造帶、松潘甘孜造山帶、三江造山帶相連，北至秦嶺－大別山構(gòu)造帶與華北陸塊連接，南到湘黔貴地塊桂中凹陷［6］.先后發(fā)生的加里東運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)等4次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造成了中上揚(yáng)子地區(qū)多期次、多樣式的復(fù)雜陸內(nèi)復(fù)合構(gòu)造系統(tǒng)（圖1a）.

渝東南研究區(qū)位于八面山隔擋構(gòu)造帶內(nèi).焦頁(yè)1井目的層五峰－龍馬溪組在低能、欠補(bǔ)償、缺氧的局限海域沉積環(huán)境中發(fā)育一套大規(guī)模海相頁(yè)巖，五峰－龍馬溪組自下而上由深水陸棚沉積環(huán)境過(guò)渡到淺水陸棚沉積環(huán)境［7-8］（圖1b）.

湘西北研究區(qū)位于雪峰基底隆升構(gòu)造帶內(nèi).慈頁(yè)1井目的層牛蹄塘組在低能、缺氧的還原環(huán)境中沉積了一套夾黑色硅質(zhì)巖、石煤、磷結(jié)核的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，炭質(zhì)含量較高［9-10］（圖1c）.

2 樣品選取

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與沉積相圖（據(jù)文獻(xiàn)［6－7，9］）Fig.1 Tectonic and sedimentary facies maps of the study area（From References［6－7，9］）

渝東南焦石壩地區(qū)目的層段五峰－龍馬溪組是目前我國(guó)最為優(yōu)質(zhì)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層［11-12］.焦頁(yè)1井在五峰－龍馬溪組進(jìn)尺88.00 m（2327.00～2415.00 m），取心84.77 m，自下而上劃分為9個(gè)小層［13-14］.通過(guò)對(duì)焦頁(yè)1井五峰－龍馬溪組中8個(gè)小層取樣.獲得12個(gè)頁(yè)巖樣品，根據(jù)中石化勘探分公司的頁(yè)巖樣品實(shí)驗(yàn)分析：總有機(jī)碳含量（TOC）0.53%～6.45%，平均2.66%，下部深水陸棚相有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量較高，基本大于平均值；鏡質(zhì)體反射率（Ro）2.20%～3.13%，平均2.65%，屬于過(guò)成熟演化階段.根據(jù)中石化勘探分公司的全礦物衍射分析（X射線衍射）實(shí)驗(yàn)：石英含量27.02%～48.43%，鉀長(zhǎng)石1.41%～5.77%，斜長(zhǎng)石5.75%～11.82%，方解石0～12.27%，白云石0～10.63%，黃鐵礦2.70%～5.13%，黏土礦物含量27.04%～54.12%（圖2a）.12個(gè)樣品中，6個(gè)為淺水陸棚相樣品，6個(gè)為深水陸棚相樣品.其中2個(gè)屬于含硅黏土質(zhì)頁(yè)巖相，3個(gè)屬于含黏土/硅混合質(zhì)頁(yè)巖相，7個(gè)屬于含黏土硅質(zhì)頁(yè)巖相，基本涵蓋目的層段五峰－龍馬溪組頁(yè)巖巖相類型，符合對(duì)比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

湘西北慈利地區(qū)目的層牛蹄塘組是中上揚(yáng)子地區(qū)另一套分布廣泛的富有機(jī)質(zhì)海相頁(yè)巖，其頁(yè)巖氣參數(shù)井——慈頁(yè)1井在下寒武統(tǒng)牛蹄塘組地層鉆遇良好氣顯示段81 m，在2264.42～2827.64 m井段取心97.30 m.通過(guò)對(duì)慈頁(yè)1井牛蹄塘組4個(gè)小層取樣，獲得8個(gè)樣品，根據(jù)中石化勘探分公司的頁(yè)巖樣品實(shí)驗(yàn)分析：TOC含量1.70%～6.19%，平均2.46%；鏡質(zhì)體反射率平均3.42%，達(dá)到過(guò)成熟演化階段.與五峰－龍馬溪組相似，總有機(jī)碳含量隨深度增加而增加.根據(jù)中石化勘探分公司的全礦物衍射分析（X射線衍射）實(shí)驗(yàn)：石英含量38.93%～68.21%，鉀長(zhǎng)石0.86%～9.92%，斜長(zhǎng)石2.86%～12.04%，方解石0～3.10%，白云石1.98%～8.92%，黃鐵礦0.88%～4.10%，黏土礦物含量14.82%～40.97%（圖2b）.8個(gè)樣品中，主要沉積環(huán)境為缺氧還原環(huán)境，其中5個(gè)屬于含黏土硅質(zhì)頁(yè)巖相，2個(gè)屬于混合硅質(zhì)頁(yè)巖相，1個(gè)屬于硅質(zhì)頁(yè)巖相，基本涵蓋目的層段牛蹄塘組頁(yè)巖巖相類型，符合對(duì)比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

3 五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙差異化影響因素

圖2 研究區(qū)頁(yè)巖樣品全礦物含量Fig.2 Total mineral contents of shale samples in the study area

圖3 目的層頁(yè)巖樣品累計(jì)孔體積與累計(jì)孔比表面積Fig.3 Accumulative pore volume and specific surface area of shale samples from target layers

將樣品研磨至60～80目進(jìn)行篩選，110℃條件下抽真空，持續(xù)脫氣12 h，然后通過(guò)0℃下CO2吸附、－196.15℃（77 K）N2吸附、高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，借助非定域密度函數(shù)方程、驟冷固體密度函數(shù)方程、Washburn-Yong-Duper方程，計(jì)算目的層樣品的全孔徑分布曲線，利用數(shù)學(xué)方法微分曲線獲得目的層樣品的累計(jì)孔體積與累計(jì)比表面積數(shù)據(jù)［15-18］（圖3）.結(jié)果顯示，焦頁(yè)1井五峰－龍馬溪組頁(yè)巖樣品中大孔體積分?jǐn)?shù)最大，中孔次之，微孔最小，平均總孔體積在37.04×10－3cm3/g；而慈頁(yè)1井牛蹄塘組頁(yè)巖樣品則以微孔、中孔體積為主，大孔的體積分?jǐn)?shù)最低，平均總孔體積在10.33×10－3cm3/g.五峰－龍馬溪組頁(yè)巖孔隙比表面積以微孔為主，中孔次之，大孔的比表面積最小，平均總孔比表面積在22.90 m2/g；牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙比表面積同樣以微孔為主，中孔、大孔比表面積依次降低，平均總孔比表面積為16.98 m2/g.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙發(fā)育遠(yuǎn)低于五峰－龍馬溪組，集中表現(xiàn)為大孔體積發(fā)育差異，這會(huì)影響牛蹄塘組氣滲通道的連通性，但微孔的發(fā)育相差遠(yuǎn)小于中孔、大孔的差距.從頁(yè)巖氣的賦存機(jī)理上看，頁(yè)巖氣吸附氣主要賦存于微孔表面［19-20］，五峰－龍馬溪組微孔平均比表面積為15.25 m2/g，牛蹄塘組微孔平均比表面積為13.68 m2/g，表明牛蹄塘組較五峰－龍馬溪組亦有充足的頁(yè)巖氣吸附空間.鉆井資料顯示，牛蹄塘組歷史埋藏更深，壓實(shí)作用更加劇烈，這是影響牛蹄塘組孔隙發(fā)育的一個(gè)主要宏觀因素.有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中影響孔隙發(fā)育的因素有很多，除歷史埋藏外還有頁(yè)巖中的各組分，如TOC、礦物組分.

3.1 TOC對(duì)頁(yè)巖孔隙發(fā)育差異的影響

除個(gè)別樣品外，五峰－龍馬溪組頁(yè)巖樣品中，TOC與微孔、中孔總孔體積呈現(xiàn)出較強(qiáng)的明顯正相關(guān)關(guān)系，與大孔總孔體積的相關(guān)性不明顯；與微孔總孔比表面積、中孔總孔比表面積同樣呈現(xiàn)出較強(qiáng)的明顯正相關(guān)關(guān)系，與大孔總孔比表面積表現(xiàn)出較強(qiáng)的不明顯正相關(guān)關(guān)系（圖4a、b）.而牛蹄塘組頁(yè)巖中TOC只與微孔總孔體積、微孔總孔比表面積有較強(qiáng)的明顯正相關(guān)關(guān)系，與中孔、大孔之間的正相關(guān)性不明顯（圖4c、d）.這表明TOC對(duì)有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中的微孔發(fā)育有較好的促進(jìn)作用，這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)在熱解生烴過(guò)程中，由于有機(jī)質(zhì)的消耗而形成有機(jī)質(zhì)微孔的緣故［21-22］.TOC對(duì)五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組間孔隙差異的影響體現(xiàn)在微孔發(fā)育上，在均處于過(guò)成熟演化階段條件下，五峰－龍馬溪組頁(yè)巖樣品的TOC平均值為2.66%，略高于牛蹄塘組頁(yè)巖樣品的平均值2.46%，這是二者微孔發(fā)育差異的一個(gè)重要因素.

3.2 礦物組分對(duì)頁(yè)巖孔隙發(fā)育差異的影響

頁(yè)巖礦物受沉積環(huán)境與成巖過(guò)程的控制，組分繁復(fù)［23-24］.通過(guò)全巖礦物X衍射分析，將樣品中的礦物組分劃分為石英、長(zhǎng)石（鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石）、碳酸鹽礦物（方解石、白云石）、黃鐵礦等剛性礦物與黏土礦物等塑性礦物，分類進(jìn)行分析.

3.2.1 石英

石英屬于剛性礦物，在焦頁(yè)1井五峰－龍馬溪組樣品中，除個(gè)別樣品外，表現(xiàn)為與微孔、中孔的總孔體積、總孔比表面積有明顯的正相關(guān)關(guān)系，與大孔總孔比表面積有不明顯的正相關(guān)關(guān)系，與大孔的總孔體積相關(guān)性則不明顯（圖5a、b）；在慈頁(yè)1井牛蹄塘組樣品中，除個(gè)別樣品外，石英與微孔、大孔的總孔體積和微孔、中孔總孔比表面積表現(xiàn)為明顯的正相關(guān)關(guān)系，而與中孔的總孔體積相關(guān)性不明顯，與大孔總孔比表面積有不明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖5c、d）.五峰－龍馬溪組中石英含量與TOC有較明顯的正相關(guān)關(guān)系，而牛蹄塘組與TOC的相關(guān)性極差（圖5q），這表明焦頁(yè)1井中石英的生物成因貢獻(xiàn)較大，而慈頁(yè)1井中石英的生物成因貢獻(xiàn)較小.綜上說(shuō)明石英礦物對(duì)頁(yè)巖中微孔的發(fā)育有一定的促進(jìn)作用，這是因?yàn)橥练e石英礦物可以抑制壓實(shí)過(guò)程對(duì)原生孔隙的壓實(shí)強(qiáng)度，一定程度上保存原生孔隙，并發(fā)育顆粒邊緣孔隙［25］.而慈頁(yè)1井與焦頁(yè)1井中石英礦物含量與中孔、大孔發(fā)育的差異表明不同成因的石英礦物對(duì)孔隙發(fā)育的影響不同，非生物成因石英可能對(duì)大孔的發(fā)育更為有利.五峰－龍馬溪組樣品中石英的平均含量為37.29%，略高于牛蹄塘組樣品中34.90%的，且生物成因貢獻(xiàn)的石英含量相對(duì)較多，更加有利于微孔、中孔的保護(hù)，這是造成牛蹄塘組微孔、中孔發(fā)育略差于五峰－龍馬溪組的一個(gè)重要因素.

圖4 TOC與目的層樣品孔隙的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation between TOC and sample pore of target layers

圖5 剛性礦物組分與目的層樣品孔隙及TOC相關(guān)性分析Fig.5 Correlation between rigid mineral components and sample pore of target layers

3.2.2 長(zhǎng)石

長(zhǎng)石（鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石）屬于剛性礦物，同樣在一定程度上起著抑制壓實(shí)過(guò)程對(duì)原生孔隙破壞的作用.在焦頁(yè)1井五峰－龍馬溪組樣品中，表現(xiàn)為與微孔、中孔的總孔體積、總孔比表面積較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大孔的總孔比表面積不明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大孔的總孔體積的相關(guān)性不明顯（圖5e、f）；在慈頁(yè)1井牛蹄塘組樣品中，除個(gè)別樣品外，表現(xiàn)為與中孔的總孔體積、總孔比表面積較明顯的負(fù)相關(guān)性，與大孔的總孔比表面積有不明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與微孔的總孔體積、總孔比表面積及大孔的總孔體積無(wú)明顯相關(guān)性（圖5g、h）.表明在這兩套地層中，長(zhǎng)石未起到保護(hù)孔隙的作用，這可能是因?yàn)樵陧?yè)巖樣品中，隨著長(zhǎng)石相對(duì)含量的增加，黏土礦物的相對(duì)含量也在增加，且大于長(zhǎng)石的增加量，而黏土礦物的易壓實(shí)收縮孔隙強(qiáng)度強(qiáng)于長(zhǎng)石對(duì)孔隙的保護(hù)強(qiáng)度，導(dǎo)致了微孔、中孔的總孔體積與總孔比表面積的降低.五峰－龍馬溪組樣品中，鉀長(zhǎng)石平均含量為2.17%，斜長(zhǎng)石平均含量為7.15%，略高于牛蹄塘組樣品中鉀長(zhǎng)石的平均含量1.39%、斜長(zhǎng)石平均含量6.67%，表明五峰－龍馬溪組樣品抵擋黏土礦物壓實(shí)收縮孔隙影響的強(qiáng)度也略高于牛蹄塘組樣品.這是造成兩套地層孔隙差異的另一因素.

3.2.3 碳酸鹽礦物

碳酸鹽礦物（方解石、白云石）屬于脆性/剛性礦物.在焦頁(yè)1井五峰－龍馬溪組樣品中，表現(xiàn)為與微孔的總孔體積、總孔比表面積有明顯的正相關(guān)關(guān)系，與中孔的總孔體積、總孔比表面積有較明顯的正相關(guān)關(guān)系，與大孔的總孔比表面積有不明顯的正相關(guān)關(guān)系，與大孔的總孔體積相關(guān)性則不明顯（圖5i、j）；在慈頁(yè)1井牛蹄塘組樣品中，與微孔的相關(guān)性不明確，只與中孔、大孔的總孔比表面積有不明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖5k、l）.這是因?yàn)樘妓猁}礦物雖屬脆性礦物，對(duì)孔隙起著一定程度的保護(hù)作用，但較于石英、長(zhǎng)石顆粒來(lái)說(shuō)穩(wěn)定性弱，保護(hù)強(qiáng)度低，當(dāng)含量較低時(shí)，這種保護(hù)作用則不明顯.這是影響五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙差異的另一因素.

3.2.4黃鐵礦

黃鐵礦屬于剛性礦物，在焦頁(yè)1井五峰－龍馬溪組樣品中，表現(xiàn)為與中孔的總孔體積有良好的明顯正相關(guān)關(guān)系，與微孔、大孔的總孔體積有較差的正相關(guān)關(guān)系，與微孔、中孔的總孔比表面積有良好的正相關(guān)關(guān)系，與大孔的總孔比表面積有不明顯的正相關(guān)性（圖5m、n）；在慈頁(yè)1井牛蹄塘組樣品中，除個(gè)別樣品外，表現(xiàn)為與微孔、大孔的總孔體積和微孔的總孔比表面積有明顯的正相關(guān)關(guān)系，與中孔的總孔體積、總孔比表面積無(wú)明顯相關(guān)性（圖5o、p）.表明黃鐵礦屬于剛性礦物，對(duì)微孔、大孔的保護(hù)作用依然有效，在強(qiáng)壓實(shí)作用下，可以有效地保護(hù)孔隙，但隨著埋藏深度、壓實(shí)強(qiáng)度的增加而減弱，隨黃鐵礦含量的降低而降低.牛蹄塘組頁(yè)巖中普遍低于五峰－龍馬溪組的黃鐵礦含量是造成其大孔弱發(fā)育的一個(gè)重要因素.

3.2.5 黏土礦物

黏土礦物是頁(yè)巖中的重要礦物成分，盡管其所包含的礦物種類繁多，對(duì)礦物晶間與顆粒間孔隙的影響范圍不盡相同，但共有特性依然存在，即強(qiáng)塑性.黏土礦物只有在埋藏較淺，壓實(shí)作用強(qiáng)度較小時(shí)，才能為儲(chǔ)層孔隙發(fā)育提供一定的貢獻(xiàn).在焦頁(yè)1井五峰－龍馬溪組樣品中，黏土礦物表現(xiàn)為與微孔、中孔的總孔體積、總孔比表面積有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大孔的總孔比表面積有不明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大孔的總孔體積相關(guān)性則不明顯（圖6a、b）；在慈頁(yè)1井牛蹄塘組樣品中，表現(xiàn)為與微孔、中孔、大孔的總孔體積均有一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與微孔、中孔總孔比表面積有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大孔總孔比表面積有不明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖6c、d）.表明黏土礦物對(duì)大孔的孔隙結(jié)構(gòu)影響微弱，而蒙脫石、伊蒙混層形成的微孔與伊利石、綠泥石形成的微孔－中孔在較大埋深下由于黏土礦物較強(qiáng)塑性的緣故不能對(duì)儲(chǔ)層孔隙提供有效貢獻(xiàn)，這是造成兩套地層微孔、中孔發(fā)育差異的重要因素.

4 結(jié)論

（1）渝東南五峰－龍馬溪組與湘西北牛蹄塘組的孔隙發(fā)育差異主要集中在中孔與大孔，孔隙的發(fā)育程度影響了牛蹄塘組頁(yè)巖的氣流通道.基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組均能為頁(yè)巖氣提供足夠的吸附表面.

圖6 黏土礦物含量與目的層樣品孔隙相關(guān)性分析Fig.6 Correlation between clay mineral content and sample pore of target layers

（2）焦頁(yè)1井與慈頁(yè)1井鉆、測(cè)井資料揭示，牛蹄塘組較五峰－龍馬溪組經(jīng)歷了更深的歷史埋深，強(qiáng)烈的壓實(shí)作用收縮了牛蹄塘組中的部分孔隙，造成了牛蹄塘組與五峰－龍馬溪組頁(yè)巖氣賦存空間的差異.

（3）五峰－龍馬溪組頁(yè)巖與牛蹄塘組頁(yè)巖中TOC均與微孔發(fā)育有良好的正相關(guān)關(guān)系，表明有機(jī)質(zhì)孔對(duì)儲(chǔ)層整體孔隙發(fā)育提供了一定貢獻(xiàn)，證明了五峰－龍馬溪組頁(yè)巖中略高于牛蹄塘組頁(yè)巖的TOC相對(duì)發(fā)育了更多的孔隙空間.

（4）根據(jù)剛性礦物與孔隙發(fā)育的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)石英、黃鐵礦等硬度較大、抗機(jī)械壓實(shí)能力強(qiáng)的剛性礦物可以有效地保留原生孔隙、粒間孔的孔隙形態(tài)，保存微孔.石英因生物成因貢獻(xiàn)的含量不同而對(duì)中孔、大孔的保護(hù)程度不一，黃鐵礦則可以根據(jù)含量的多寡為大孔提供一定程度的保護(hù)，而長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物等硬度稍弱、含量較低的礦物與孔隙發(fā)育的相關(guān)性較混亂，表明不同剛性礦物對(duì)孔隙發(fā)育的貢獻(xiàn)不一.根據(jù)化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性強(qiáng)弱與礦物含量，五峰－龍馬溪組中較高含量的剛性礦物形成了強(qiáng)于牛蹄塘組的剛性礦物格架，為儲(chǔ)層孔隙發(fā)育提供了更有利的貢獻(xiàn).

（5）黏土礦物多發(fā)育狹縫狀礦物孔隙，根據(jù)其塑性易壓實(shí)的特征，在牛蹄塘組更強(qiáng)的壓實(shí)作用下很難保留孔隙空間，為儲(chǔ)層孔隙發(fā)育提供有利貢獻(xiàn).