泥巖成巖作用研究進(jìn)展與展望

趙建華，金之鈞

1.深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580

2.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580

3.北京大學(xué)能源研究院，北京 100871

4.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

0 引言

早在20 世紀(jì)70 年代就開始了成巖作用對砂巖和碳酸鹽巖儲層影響的研究[1-3]，經(jīng)歷了近50 年的發(fā)展，已在多方面開展了廣泛的研究，特別是在含油氣盆地儲層成巖作用、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)成巖演化等領(lǐng)域都取得了令人矚目的進(jìn)展[2,4-10]，逐漸從早期的定性描述向建立數(shù)學(xué)模型定量預(yù)測儲層質(zhì)量轉(zhuǎn)變[11-14]，極大地推動了油氣勘探和開發(fā)進(jìn)展。與砂巖和碳酸鹽巖相比，泥巖粒度小，觀察難度大，同時(shí)受微觀實(shí)驗(yàn)條件的限制，其沉積和成巖作用是沉積學(xué)界乃至于地質(zhì)學(xué)界研究薄弱領(lǐng)域[15]。泥巖成巖作用是當(dāng)今非常規(guī)油氣沉積學(xué)研究比較活躍的前沿領(lǐng)域之一，特別是在頁巖油氣勘探開發(fā)中對成巖作用的時(shí)空分布和發(fā)育規(guī)律已經(jīng)提出了愈來愈高的要求[16]。目前，頁巖油氣革命深刻地改變著油氣勘探理念，石油工業(yè)正處于從常規(guī)到非常規(guī)轉(zhuǎn)換的新階段，而泥頁巖勢必成為非常規(guī)油氣研究的主角，這將極大地推進(jìn)對泥巖成巖作用的探索[17-21]。

頁巖油氣作為源—儲一體型資源，其成巖作用不僅控制著油氣的生成和運(yùn)移，同時(shí)對物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)、儲層物性和力學(xué)性質(zhì)都具有重要的影響，據(jù)此本文所涉及的“泥巖”研究范疇是指與頁巖油氣有關(guān)的“源—儲”巖系。近十幾年來，掃描電鏡等新技術(shù)的應(yīng)用，揭開了泥巖納米級尺度結(jié)構(gòu)的面紗[22]，發(fā)現(xiàn)了大量自生礦物（膠結(jié)和交代）的存在，追蹤到了有機(jī)質(zhì)不同演化階段的性質(zhì)，加深了泥巖中有機(jī)和無機(jī)成巖作用及其對儲層質(zhì)量控制的理解。研究進(jìn)展概括起來主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）無機(jī)礦物成巖演化；2）有機(jī)質(zhì)成巖演化與有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育；3）泥巖成巖作用的驅(qū)動機(jī)制及其物性響應(yīng)；4）泥巖成巖作用對力學(xué)性質(zhì)的影響。值得指出的是，越來越多的研究表明，簡單地套用經(jīng)典的成巖模式已經(jīng)困擾了泥巖成巖作用的深入研究，也難以解釋不斷深入研究和勘探實(shí)踐所遇到的各種地質(zhì)現(xiàn)象。泥巖成巖作用系統(tǒng)是一個(gè)涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。本文圍繞這一領(lǐng)域，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展，重點(diǎn)討論泥巖成巖過程中有機(jī)和無機(jī)組分的演化過程和驅(qū)動機(jī)制相關(guān)進(jìn)展。

1 礦物成巖演化

礦物特別是脆性礦物控制著巖石的可壓裂性，是頁巖油氣能否商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，典型的頁巖油氣儲層內(nèi)黏土礦物并不是主要礦物類型，而是以石英、長石及碳酸鹽礦物及其混合為主導(dǎo)。隨著微束分析技術(shù)的進(jìn)步，礦物微觀結(jié)構(gòu)、來源和成因機(jī)制的研究逐漸成為泥巖成巖作用研究的熱點(diǎn)。泥巖成巖作用類型多樣，同時(shí)涉及到有機(jī)質(zhì)的成巖演化，導(dǎo)致成巖作用的研究異常復(fù)雜，下面就目前泥巖中研究相對集中的幾種主要礦物的成巖演化過程加以總結(jié)論述。

石英作為富有機(jī)質(zhì)泥巖中的主要的脆性組分，除了陸源成因外，在成巖過程中形成的各種類型的自生石英組分也是不容忽視的，其含量可遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸源供給的碎屑石英[23]。更重要的是由于不同成因石英形成時(shí)間、結(jié)晶習(xí)性和賦存方式（孔隙充填、交代結(jié)構(gòu)、次生加大）的差異，其帶來的儲層物性和力學(xué)性質(zhì)的響應(yīng)也必然具有差異性，這將直接影響頁巖含油氣量和水力壓裂儲層改造的實(shí)施效果。一些學(xué)者通過掃描電鏡—陰極發(fā)光、主微量元素分析等手段研究發(fā)現(xiàn)，美國Chattanooga 頁巖、Barnett 頁巖、Moway 頁巖和龍馬溪頁巖中硅質(zhì)生物骨架的溶解再沉淀形成了充填粒間孔隙/生物腔體的微晶自生石英[19,24]（圖1）；M?re 和V?ring 盆地白堊系泥巖中黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中釋放的硅質(zhì)沉淀形成了板片狀自生石英[25]；碎屑石英顆粒的壓溶作用和黏土礦物轉(zhuǎn)化過程導(dǎo)致了美國Haynesville 頁巖中石英次生加大邊的廣泛發(fā)育[26]；生物和熱液作用共同提供了三塘湖盆地二疊系頁巖中粉砂級石英顆粒形成的硅質(zhì)來源[27]。其中生物成因和黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的自生石英在近幾年頁巖油氣儲層的研究中受到廣泛關(guān)注，是頁巖中自生石英形成的主要機(jī)制[28-29]。在低溫條件下（＜50 ℃）受動力學(xué)障礙的影響，自生石英的成核和生長受到限制[30]，當(dāng)孔隙流體中硅的濃度達(dá)到蛋白石的飽和度時(shí)，通常以燧石和玉髓的形式沉淀[31-34]。當(dāng)溫度超過50 ℃，流體中硅的濃度低于蛋白石的飽和度時(shí)，石英成核和生長表現(xiàn)出阿侖尼烏斯（Arrhenius）行為，由于需要以先前存在的干凈石英表面作為成核部位，使得這一過程復(fù)雜化[35-39]。自生石英形成還受到晶體的控制，一旦生長最慢的晶面控制了晶體表面，生長速度就會減慢，在泥巖中由于成核表面非常小，最慢的生長速度可能支配大多數(shù)晶體的生長過程[40-41]。黏土礦物能夠抑制蛋白石-A向蛋白石-CT轉(zhuǎn)化[42]，而方解石具有促進(jìn)蛋白石-CT的成核速度，從而加速其向石英轉(zhuǎn)化[43]。堿性環(huán)境有利于蛋白石-CT的形成[44]，同時(shí)也利于早期形成的石英交代碳酸鹽礦物[45]。最近，Milliken[40]基于質(zhì)量平衡理論對比分析了富含硅質(zhì)生物與富含陸源碎屑的泥巖中自生石英的形成差異，強(qiáng)調(diào)石英沉淀的成核點(diǎn)和形成石英膠結(jié)物的孔隙空間受壓實(shí)狀態(tài)的限制。富含生物硅質(zhì)的泥巖易于在早成巖低溫階段形成微晶石英；而富含陸源碎屑的泥巖由于缺少硅質(zhì)生物組分，自生石英主要形成于高溫階段，此時(shí)受壓實(shí)作用的影響，成核部位和空間限制了自生石英的形成，并且對黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中釋放的硅質(zhì)是否最終以石英的形式沉淀提出了質(zhì) 疑。Longmanet al.[24,46]，Stolperet al.[46]在泥盆 紀(jì)Woodford 頁巖和白堊紀(jì)Mowry 頁巖中發(fā)現(xiàn)了大量的與寒武系A(chǔ)thel 石英巖相似納米級硅球（圖1c，e～f），認(rèn)為這一硅化過程中納米級的硅球形成與微生物特別是硫酸鹽還原菌的活動有關(guān)，但是這一時(shí)期硅質(zhì)的來源依舊是一個(gè)謎題。由此可見，泥巖中自生石英的成因機(jī)制仍然存在諸多爭論，亟待下一步深入攻關(guān)研究，這對于深化泥巖成巖作用具有重要意義。

圖1 泥巖中自生石英典型特征（a）龍馬溪頁巖中發(fā)育大量放射蟲化石，石柱冷水溪剖面，四川盆地；（b）Barnett頁巖（密西西比紀(jì)）中石英交代海綿骨針,s見少量白云石，d德克薩斯州，福特沃斯盆地[19]；（c）Woodford頁巖（密西西比紀(jì)）中納米級自生石英顆粒（紅色三角）和片狀自生石英（黃色三角），德克薩斯州，二疊紀(jì)盆地[24]；（d）龍馬溪頁巖中微米級自生石英聚集體（紅色三角），JY2井，四川盆地；（e），（f）Mowry頁巖（白堊紀(jì)）納米級石英晶體和黃鐵礦，懷俄明州，粉河盆地[24]Fig.1 Typical authigenic quartz in mudstones

方解石膠結(jié)、交代和重結(jié)晶現(xiàn)象在泥巖中普遍存在（圖2），其中針對成巖過程中方解石重結(jié)晶和脈體成因機(jī)制的研究一直以來受到了廣泛的關(guān)注[47-51]。鈣質(zhì)生物組分（有孔蟲）、藻類周期性勃發(fā)形成的碳酸鹽季節(jié)性沉積、生物作用、化學(xué)作用和機(jī)械破碎、磨蝕作用形成的灰泥溶解提供了成巖過程中形成重結(jié)晶方解石的主要物質(zhì)來源。亮晶方解石通常出現(xiàn)在富有機(jī)質(zhì)泥巖中，并主要分布在有機(jī)質(zhì)紋層邊緣，指示亮晶方解石與有機(jī)質(zhì)生烴作用的密切關(guān)系（圖2a）。有機(jī)質(zhì)生烴過程中形成的CO2溶解和有機(jī)酸會使得碳酸鹽礦物溶解[52]，形成的流體在壓力梯度或濃度梯度下通過滲透或擴(kuò)散的方式在孔隙及裂縫中短距離運(yùn)移，同時(shí)解除Mg2+的束縛，使得碳酸鹽礦物就近沉淀結(jié)晶，形成粒狀方解石晶體[53-54]。在全球不同時(shí)代的沉積盆地中（寒武紀(jì)—古近紀(jì)），纖維狀方解石脈在海相和陸相泥巖層系中廣泛發(fā)育[51]。纖維狀方解石脈體一種是平行于層理、晶體延長方向垂直于邊緣，以中線為軸對稱分布，這種構(gòu)造早在19世紀(jì)20年代就被學(xué)者們觀察到，尤其是在泥巖中發(fā)育十分常見，被稱作“牛排”構(gòu)造（Beef）[55]；另一種類型被稱為疊錐狀結(jié)構(gòu)（Cone-in-cone），是指單獨(dú)具有厘米級并且可以形成聚集體的圓錐結(jié)構(gòu)[56]。纖維狀方解石主要形成于成巖階段，與由構(gòu)造作用、孔隙流體壓力和巖石組構(gòu)共同作用產(chǎn)生的順層裂縫，以及方解石結(jié)晶生長過程密切相關(guān)。然而，針對方解石脈體的形成時(shí)間仍然存在不同觀點(diǎn)，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為形成于烴源巖生油階段方解石晶體充填裂縫[57-58]，但在方解石脈體內(nèi)部缺少油氣包裹體廣泛發(fā)育的佐證，部分方解石脈體的同沉積變形特征說明也可能形成于早成巖階段[51]。近年來由方解石重結(jié)晶作用控制脈體形成的觀點(diǎn)屢被提及[57-58]，認(rèn)為纖維狀礦物的結(jié)晶動力是改變巖石局部應(yīng)力狀態(tài)的重要因素[59-61]。Bonset al.[62]基于溶質(zhì)濃度變化與應(yīng)力關(guān)系建立了結(jié)晶動力的數(shù)學(xué)模型，并取得了物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬的證實(shí)[63-65]，甚至證明了方解石脈體可以在沒有裂縫存在的條件下形成。

圖2 泥巖成巖過程中形成的方解石（a）紋層狀灰質(zhì)泥巖中泥晶方解石重結(jié)晶形成亮晶方解石，古近系沙四上，NX55井,渤海灣盆地；（b）疊錐結(jié)構(gòu)方解石脈體（Cone in cone），古近系沙四上，NX55井，渤海灣盆地；（c）重結(jié)晶方解石顆粒，古近系沙四上，NX55井，渤海灣盆地；（d）早成巖階段形成的方解石膠結(jié)，龍馬溪頁巖，WY1井，四川盆地Fig.2 Diagenetic calcite in mudstones

黏土礦物是與油氣勘探關(guān)系最為密切的礦物類型之一，早在20世紀(jì)40～50年代，美國黏土礦物學(xué)家Grim和化學(xué)家Brooks就指出了酸性黏土礦物對有機(jī)質(zhì)的生烴反應(yīng)有催化作用[66-67]。隨后，黏土礦物成巖演化及其與有機(jī)質(zhì)之間的相互作用得到了廣泛的關(guān)注[68-69]。蒙脫石經(jīng)歷伊蒙混層（R0-R1-R3）最終轉(zhuǎn)化成伊利石是最為熟知的泥巖成巖作用類型，但是關(guān)于這個(gè)過程的轉(zhuǎn)化機(jī)制依舊存在爭議。固態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制認(rèn)為結(jié)構(gòu)層內(nèi)及層間化學(xué)成分漸變，涉及到蒙脫石夾層固定K+，同時(shí)硅氧四面體中Si4+被Al3+置換[70-74]。溶解重結(jié)晶機(jī)制認(rèn)為蒙脫石逐漸溶解，生成數(shù)量不斷增加的伊利石晶體[75-77]。不管哪種轉(zhuǎn)化機(jī)制，對于蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化各個(gè)階段的溫度基本達(dá)成共識，蒙脫石開始向伊蒙混層轉(zhuǎn)化的溫度范圍是70 °C～95 ℃[78-79]，Merrimanet al.[80]認(rèn)為在20 °C～200°C之間大約95%蒙脫石轉(zhuǎn)化成伊利石。這一過程除了與溫度有關(guān)外，還受控于層間溶液的化學(xué)成分和地層壓力等條件。李穎莉等[81]通過熱模擬實(shí)驗(yàn)分析了有機(jī)質(zhì)對黏土礦物轉(zhuǎn)化的影響，認(rèn)為蒙脫石伊利石化過程對應(yīng)兩種轉(zhuǎn)化機(jī)制，在200 ℃～350 ℃范圍內(nèi)，層間有機(jī)質(zhì)的支撐作用使得此階段對應(yīng)固態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制；而400 °C～600 ℃區(qū)間，層間有機(jī)質(zhì)排出，推測有機(jī)質(zhì)以有機(jī)酸的形式，造成晶體穩(wěn)定性變差，硅氧四面體及鋁氧四面體部分溶解，初步認(rèn)為此階段為溶解—重結(jié)晶機(jī)制。然而，Wilsonet al.[82]通過對北美古生代—新生代泥巖中黏土礦物的研究，對中生代以前地層中的伊利石和高有序度伊蒙混層是否由蒙脫石轉(zhuǎn)化而來提出了質(zhì)疑，并指出泥巖中自生伊利石的形成并不一定以蒙脫石為前體。因此，關(guān)于黏土礦物在成巖過程中的演化依舊存在諸多未解決的謎題。

黃鐵礦是富有機(jī)質(zhì)泥巖中普遍發(fā)育的礦物，不同形態(tài)的黃鐵礦在沉積和成巖階段均可形成。在現(xiàn)代硫化水體環(huán)境中，草莓狀黃鐵礦（<10 μm）可以在氧化還原界面之下的海水中迅速生成，并沉降到海底。成巖過程中形成的黃鐵礦主要與微生物硫酸鹽還原和熱化學(xué)硫酸鹽還原作用、鐵還原作用和有機(jī)質(zhì)氧化作用等過程相關(guān)[83]。草莓狀黃鐵礦的形成和形態(tài)對氧化還原條件敏感，常常被用來指示沉積環(huán)境，自被發(fā)現(xiàn)以來，近百年的時(shí)間里科學(xué)家對其形成機(jī)制的研究熱情從未消減[16,84-87]。但是，對于莓球狀黃鐵礦的成因一直存在“生物成因”和“非生物成因”之爭，本文不再贅述。早成巖階段，沉積物與水界面以下硫酸鹽還原速率高，孔隙水中FeS 和FeS2均達(dá)到飽和，草莓狀黃鐵礦通過中間產(chǎn)物FeS 在孔隙流體中沉淀；隨著鐵離子的消耗以及硫酸鹽還原速率的降低，孔隙水中FeS 濃度降低，處于未飽和狀態(tài)，此時(shí)自形黃鐵礦晶體直接沉淀[86-88]。自然界中，封閉的成巖環(huán)境和較慢的反應(yīng)速率更有利于自形黃鐵礦的形成[86]。成巖過程中草莓狀黃鐵礦通過內(nèi)部微晶的連續(xù)生長，可形成自形黃鐵礦[89]。熱化學(xué)硫酸鹽還原作用形成的黃鐵礦晶體通常較大，同時(shí)還會導(dǎo)致早期形成的黃鐵礦發(fā)生重結(jié)晶作用并交代其他礦物（圖3）[90-91]。黃鐵礦是當(dāng)前地球科學(xué)和微生物學(xué)交叉研究的典型礦物之一，成巖過程中形成的黃鐵礦記錄了有機(jī)—無機(jī)相互作用的重要信息，但是對于黃鐵礦的成因機(jī)制以及在成巖過程中的演化方面的研究有待加強(qiáng)。隨著現(xiàn)代微束技術(shù)的進(jìn)步，特別是納米粒子探針分析技術(shù)在顯著提高空間分辨能力的同時(shí)，兼具高的分析精度[92-94]，有望在揭示泥巖中黃鐵礦在成巖過程中的演化機(jī)制中發(fā)揮重要作用。

2 有機(jī)質(zhì)成巖演化與有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育

有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)現(xiàn)改變了人們對頁巖儲集空間的認(rèn)識[95]，同時(shí)極大地促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)成巖演化的研究。Tissotet al.[96]總結(jié)了不同類型干酪根的演化路徑及不同階段的產(chǎn)物。有機(jī)質(zhì)孔是頁巖氣儲層重要的孔隙類型，其發(fā)育受控于有機(jī)質(zhì)類型、含量、成熟度及其與礦物的組合關(guān)系等因素[18,97]。目前，有機(jī)質(zhì)孔隙的演化可總結(jié)為以下幾個(gè)階段：在未成熟階段，繼承性的孔隙通常存在于結(jié)構(gòu)有機(jī)質(zhì)和部分無定形有機(jī)質(zhì)的原始結(jié)構(gòu)中[6,98-99]（圖4a，b）。在成熟階段早期，干酪根降解形成的烴類充填在干酪根原始的結(jié)構(gòu)孔隙中，只有當(dāng)形成的烴類超過了干酪根的吸附能力（Ro約為0.8%），烴類才會從干酪根中排出[100-101]（圖4c）。伴隨著成熟度的增加，這個(gè)過程中干酪根分子結(jié)構(gòu)會重新調(diào)整（體積收縮、密度增加），同時(shí)干酪根中的孔隙會再度出現(xiàn)[6]。在高成熟和過成熟階段，干酪根和液態(tài)石油裂解生氣，在形成的固體瀝青中大量發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔[102-103]（圖4d）。國內(nèi)外大量的高成熟—過成熟頁巖中，固體瀝青中的孔隙提供了主要的有機(jī)質(zhì)孔，貢獻(xiàn)了主要的孔隙度[18,104]。總體上，有機(jī)質(zhì)的熱演化和烴類的形成被認(rèn)為是控制富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙度形成和演化的主要因素，但是有機(jī)質(zhì)成熟度和孔隙度之間并不是一個(gè)簡單的線性關(guān)系[105-106]（圖5）。比如，在相同的成熟度條件下，有機(jī)質(zhì)類型的差異會導(dǎo)致不同的有機(jī)質(zhì)孔隙演化模式。有機(jī)質(zhì)的含量及其與礦物骨架之間的配置關(guān)系也是影響有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的重要因素，脆性礦物骨架能夠?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)提供堅(jiān)固的支撐條件，降低有機(jī)質(zhì)的壓實(shí)程度，有利于有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育；與黏土礦物結(jié)合形成的有機(jī)黏土復(fù)合結(jié)構(gòu)，受黏土礦物催化作用的影響，有機(jī)質(zhì)孔通常較為發(fā)育[107]。

圖3 泥巖中黃鐵礦典型特征（a）泥巖中不同粒徑的草莓狀、自形和他形黃鐵礦，龍馬溪頁巖，WY1，四川盆地；（b）密集分布的草莓狀黃鐵礦和分散狀自形晶體，龍馬溪頁巖，YY1，四川盆地；（c）黃鐵礦交代放射蟲，龍馬溪頁巖，HY1，湘鄂西地區(qū)；（d）草莓狀和自形黃鐵礦自生加大邊，寒武紀(jì)Alum頁巖，瑞士[91]Fig.3 Typical features of pyrite in mudstones

圖4 不同成熟度泥巖中有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征（a）Monterey泥巖中無定形有機(jī)質(zhì)發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)孔（箭頭），＜0.35%Ro[6]；（b）Wilcox泥巖中有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量的蠕蟲狀孔隙，0.51%Ro[99]；（c）鄂爾多斯盆地長7段泥巖中有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征,1.12%Ro[101]；（d）Woodford 頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征，1.67%Ro[102]；（e）四川盆地龍馬溪頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征，2.67%Ro，JY2；（f）四川盆地寒武紀(jì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征，3.09%Ro，HY1Fig.4 Organic matter pore development characteristics in mudstones with different maturity

有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育受控于多種因素，不同因素的疊合配置會導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔形成演化的多樣性。此外，Hackleyet al.[105]所指出的，在儲層溫度和壓力條件下，有機(jī)質(zhì)孔的存在尚未得到證實(shí)，目前關(guān)于有機(jī)質(zhì)孔的觀點(diǎn)都是在地表?xiàng)l件下進(jìn)行分析而得出的。因此，隨著成巖演化和有機(jī)質(zhì)的成熟，有機(jī)質(zhì)孔隙演化機(jī)制和控制作用的研究仍是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的工作。

3 泥巖成巖作用的驅(qū)動機(jī)制及其物性響應(yīng)

成巖作用的驅(qū)動機(jī)制及其演化路徑是成巖作用研究最重要的理論基礎(chǔ)和永恒的主題[108]。泥巖成巖作用受物理、化學(xué)和生物因素演變的制約，成巖作用驅(qū)動機(jī)制受實(shí)際地質(zhì)條件與復(fù)合因素的疊加影響而復(fù)雜多變。

圖5 成巖過程中礦物、有機(jī)質(zhì)和孔隙演化[79,106]Fig.5 Mineral, organic matter, and pore evolution during diagenesis[79,106]

早期成巖作用階段，有機(jī)質(zhì)在微生物作用下發(fā)生的氧化降解是成巖過程的主要驅(qū)動力[109]，區(qū)別于地表其他自然沉積過程的一個(gè)顯著特點(diǎn)是微生物幾乎參與了所有的成巖過程，因而是典型的生物地球化學(xué)過程。有機(jī)質(zhì)分解過程釋放二氧化碳、甲烷、氫分子、乙酸等低分子有機(jī)酸導(dǎo)致孔隙水化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而打破原始礦物與孔隙水之間的化學(xué)平衡，促使礦物溶解以及次生礦物的沉淀，引發(fā)多種有機(jī)—無機(jī)反應(yīng)[10,110-112]。有機(jī)—無機(jī)相互作用遵循有機(jī)質(zhì)依次被氧化的基本理論，不同沉積環(huán)境中各主要氧化劑的優(yōu)勢還原作用具有分帶特征[10]。多種次生礦物在這一過程中形成，如磷酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、硫化物、納米級硅球、氧化鈦等[113-116]。從早期成巖過程中繼承下來的特征會影響中期和晚期成巖作用的進(jìn)程，從而影響非常規(guī)油氣儲層的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)[16]。

中期和晚期成巖作用階段，溫度和壓力的驅(qū)動作用是目前成巖作用理論認(rèn)識比較成熟的領(lǐng)域[117-119]。有機(jī)質(zhì)演化和礦物之間轉(zhuǎn)化都是在熱力學(xué)驅(qū)動下達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過程。有機(jī)質(zhì)生烴和黏土礦物的轉(zhuǎn)化過程及其引起的一系列化學(xué)反應(yīng)是泥巖典型的成巖作用特征。有機(jī)質(zhì)生烴作用不僅可以提供油氣初次運(yùn)移的動力，形成油氣初次運(yùn)移的路徑，殘留的瀝青可為有機(jī)質(zhì)孔隙形成提供載體[18]；同時(shí)，生烴過程中產(chǎn)物對礦物的溶解和沉淀也具有重要的影響。泥巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)生烴、黏土礦物脫水以及流體熱膨脹作用產(chǎn)生超壓會導(dǎo)致超壓縫的形成，從而為油氣的運(yùn)移提供了通道，同時(shí)也為礦物生長提供了空間。此外，壓力對有機(jī)質(zhì)的演化也會產(chǎn)生復(fù)雜的影響[120]，郝芳[121]指出超壓對有機(jī)質(zhì)演化的抑制程度與有機(jī)質(zhì)類型和含量、超壓發(fā)育的時(shí)間和幅度、超壓地層中地層水的含量等因素有關(guān)。

原始沉積組分控制泥巖成巖演化路徑，從而影響泥巖的孔隙演化。泥質(zhì)松散沉積物初始的孔隙度可達(dá)75%～80%，受壓實(shí)作用影響，在埋藏50 m 的范圍內(nèi)孔隙度迅速降低[122]，埋藏達(dá)到300 m時(shí)脫水作用終止孔隙度減少至一半[123]。早期成巖作用階段形成的自生礦物盡管降低了孔隙度，但是可以有效抑制后期的壓實(shí)作用（圖6），特別是硅質(zhì)泥巖中自生納米級硅球聚集體內(nèi)部可保留接近15%的孔隙度[45]。中期和晚期成巖作用階段是生烴過程中形成酸性流體溶蝕不穩(wěn)定礦物形成溶蝕孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的主要階段，長石、碳酸鹽礦物、生物骨架等組分遭受溶蝕后可形成粒內(nèi)、粒間及鑄模孔，從而增加頁巖孔隙度[18]。溶蝕孔隙在以碳酸鹽礦物為主的紋層狀泥巖中可以作為重要的存儲和運(yùn)移油氣的孔隙類型[124-125]。有機(jī)質(zhì)生烴是形成有機(jī)質(zhì)孔的主要機(jī)制，Woodford頁巖中有機(jī)質(zhì)面孔率可達(dá)50%[17]，是大部分頁巖氣儲層的主要孔隙類型。此外，在成巖過程中，受壓力和應(yīng)力的影響，形成的不同尺度的裂縫不僅可以儲存油氣，也可以作為油氣運(yùn)移的主要通道，極大地改善了泥巖儲層的滲透性。

圖6 硅質(zhì)頁巖成巖演化及其孔隙發(fā)育模式[27]Fig.6 Diagenetic evolution and pore development model of siliceous shale[27]

泥巖成巖作用的驅(qū)動機(jī)制及其物性響應(yīng)的研究不僅在完善成巖理論方面具有意義，在指導(dǎo)頁巖油氣勘探開發(fā)上同樣具有重要的實(shí)踐價(jià)值。受控于復(fù)雜的實(shí)際地質(zhì)條件，特別是中期和晚期成巖作用階段物質(zhì)的傳輸過程及其傳輸機(jī)制研究的限制，成巖作用的驅(qū)動機(jī)制和演化路徑研究相對薄弱，成巖作用對泥巖孔隙演化的控制機(jī)制異常復(fù)雜，相關(guān)研究仍然是該領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展的主流。

4 泥巖成巖作用對力學(xué)性質(zhì)的影響

泥巖的力學(xué)性質(zhì)是決定壓裂效果的關(guān)鍵因素，受控于礦物組成和巖石的微觀結(jié)構(gòu)。目前大多數(shù)關(guān)于頁巖力學(xué)性質(zhì)的研究主要基于礦物的組成，認(rèn)為脆性礦物含量越高，則巖石的脆性越強(qiáng)；但是脆性礦物的含量（脆性指數(shù)）與巖石的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)（楊氏模量和泊松比）并沒有非常好的相關(guān)性。相同礦物組成的巖石，力學(xué)性質(zhì)會表現(xiàn)出較大的差異，造成這種現(xiàn)象的內(nèi)在因素是成巖作用（壓實(shí)、膠結(jié)、重結(jié)晶等）導(dǎo)致的巖石微觀結(jié)構(gòu)的差異，涉及到顆粒和孔隙的再排列[126]。Hall[127]對比了兩種不同成巖演化路徑的泥巖力學(xué)性質(zhì)的差異（Marcellus 和Woodford 泥巖），指出陸源石英，以及成巖過程中黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的石英對泥巖脆性的貢獻(xiàn)有限，而早成巖作用階段生物成因的石英膠結(jié)極大地提高了泥巖的脆性（圖7）。值得注意的是，成巖演化過程不僅僅是單方向的增加巖石的脆性，沉積盆地中泥巖的脆性和延性隨著壓力和溫度條件的變化可以相互轉(zhuǎn)化。圍壓與巖石變形機(jī)制的三軸實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著圍壓的增加，巖石出現(xiàn)了由脆性向延性轉(zhuǎn)變的特征，并得到了不同巖性的轉(zhuǎn)化臨界圍壓值[128-130]。袁玉松等[131]依據(jù)名義固結(jié)壓力、OCR 門限值和脆—延轉(zhuǎn)化臨界圍壓確定了四川盆地川東鄂西地區(qū)龍馬溪組頁巖脆性帶底界深度介于1 940～2 763 m，延性帶頂界深度大約為4 470±230 m，并指出脆延轉(zhuǎn)化帶是頁巖氣勘探開發(fā)的最佳深度帶。巖石發(fā)生脆延轉(zhuǎn)化是多方面因素共同作用的結(jié)果，除壓力外巖石的力學(xué)性質(zhì)、流動特性、巖石的物理性質(zhì)，特別是成巖演化過程中巖石微觀結(jié)構(gòu)的變化等對巖石脆延特性轉(zhuǎn)化都具有重要的影響，巖石脆延特性轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究仍然是薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。

圖7 美國典型泥巖脆性指數(shù)與楊氏模量相關(guān)關(guān)系[127]Fig.7 Plot of brittleness and Young’s modulus of typical American mudstones[127]

5 泥巖成巖作用研究展望

5.1 多場耦合控制下的泥巖成巖作用系統(tǒng)

成巖作用系統(tǒng)是指不同尺度上一系列在成因上密切關(guān)聯(lián)的成巖作用產(chǎn)物及其形成環(huán)境的總和，一定的成巖系統(tǒng)具備確定的成巖作用組合和時(shí)空范圍[132]。成巖作用的研究應(yīng)納入盆地動力學(xué)演化框架內(nèi)，基于盆地沉積層序、地層格架、埋藏、構(gòu)造及流體分析。按照李忠等[132]提出的成巖作用系統(tǒng)劃分方案，泥巖成巖作用系統(tǒng)是介于層內(nèi)域—層序域內(nèi)的一套穿時(shí)成巖作用系統(tǒng)，由于泥巖的礦物組成復(fù)雜導(dǎo)致成巖演化路徑差異明顯，可進(jìn)一步劃分為紋層、巖相和巖相組合三個(gè)尺度。隨著成巖作用驅(qū)動機(jī)制的深入探索，不同尺度成巖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和動力學(xué)過程研究有助于深入理解不同尺度的成巖地質(zhì)模型及動力學(xué)模型時(shí)空分布，推進(jìn)泥巖成巖作用系統(tǒng)的發(fā)展。盆地動力學(xué)過程即構(gòu)造活動、溫壓場及其演化歷史對成巖反應(yīng)、物質(zhì)輸運(yùn)與再配置的認(rèn)識必須從盆地動力學(xué)角度考察和研究[108]。溫度、壓力、應(yīng)力場耦合下的成巖作用研究必將為成巖作用研究的一個(gè)主流。溫度是伴隨整個(gè)成巖演化過程，是有機(jī)質(zhì)生烴和礦物轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力。壓力—應(yīng)力耦合通過改變巖石的孔隙彈性響應(yīng)和流體的滲透力來改變地層局部的差異應(yīng)力大小和主應(yīng)力方向，影響裂縫發(fā)育的類型和產(chǎn)狀，從而影響流體的傳輸路徑及相應(yīng)的成巖作用進(jìn)程，二者往往是協(xié)同演化、相互影響的[133]，這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)發(fā)展出構(gòu)造—成巖作用這一交叉學(xué)科[134]。此外，壓力—應(yīng)力—溫度耦合也是控制泥巖力學(xué)性質(zhì)變化的重要因素。因此，隨著對泥巖成巖作用重要性認(rèn)識的加強(qiáng)，亟待開展多場耦合控制下泥巖成巖作用系統(tǒng)的研究。

5.2 有機(jī)—無機(jī)相互作用下的泥巖成巖作用系統(tǒng)

泥巖中有機(jī)—無機(jī)相互作用對成巖作用的進(jìn)程也具有重要的控制作用，逐漸引起了人們的重視[53,135]。有機(jī)—無機(jī)相互作用成巖體系在19 世紀(jì)70～80年代就已經(jīng)開展了比較深入的研究，并在砂巖和碳酸鹽巖儲層中得以有效應(yīng)用[1,8,136]。泥巖中有機(jī)質(zhì)生烴演化和礦物組分成巖作用研究相對較為成熟，但成巖過程中有機(jī)—無機(jī)相互作用機(jī)制不清楚，特別是不同尺度下有機(jī)和無機(jī)組分的協(xié)同演化路徑及控制因素尚不明確。早期成巖作用是典型的物理—化學(xué)—生物作用過程，對于泥巖中有機(jī)質(zhì)降解過程、微生物作用、成巖演化路徑及數(shù)學(xué)模型建立等方面都缺乏深入而系統(tǒng)的研究。中期和晚期成巖作用階段，有機(jī)質(zhì)熱解產(chǎn)生的流體化學(xué)—礦物體系對成巖作用的制約機(jī)制和分布特征仍然不清，有待深入。因此，在今后的研究中多場耦合、不同尺度有機(jī)—無機(jī)相互作用影響下泥巖成巖作用驅(qū)動機(jī)制和流體巖石相互作用效應(yīng)研究是泥巖成巖作用系統(tǒng)重要的發(fā)展方向。

6 結(jié)語

泥巖成巖作用是當(dāng)今非常規(guī)油氣沉積學(xué)研究的一個(gè)涉及多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。高新技術(shù)的不斷發(fā)展、研究尺度的不斷精細(xì)和新資料的不斷獲取，為這一領(lǐng)域的研究奠定了重要基礎(chǔ)。泥巖成巖作用研究將不斷補(bǔ)充完善盆地成巖作用系統(tǒng)，并繼續(xù)為非常規(guī)油氣資源的勘探和開發(fā)提供理論支撐。多場耦合下不同尺度有機(jī)—無機(jī)相互作用影響下泥巖成巖作用驅(qū)動機(jī)制和流體巖石相互作用效應(yīng)研究預(yù)示了深遠(yuǎn)和廣泛的發(fā)展前景。

致謝 本文在研究過程中得到劉可禹、金振奎、胡宗全、邱振、馬存飛、余寬宏等老師和專家的幫助，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李忠研究員在本文成文過程中給予了指導(dǎo)，在此向他們表示衷心感謝。