頁巖組分對五峰-龍馬溪組與牛蹄塘組頁巖孔隙發育差異的影響
——以渝東南焦頁1井與湘西北慈頁1井為例

謝志濤，胡海燕，袁浩莆，劉冀蓬，王 濤，劉立航

1.長江大學 地球科學學院，湖北 武漢430100；2.長江大學 資源與環境學院，湖北 武漢430100；3.非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢430100；4.西部鉆探工程有限公司地質研究院，新疆克拉瑪依834000

0 引言

近年來，隨著我國南方海相頁巖氣勘探研究工作的深入，廣泛發育著富含有機質的上奧陶統五峰組－下志留統龍馬溪組、下寒武統牛蹄塘組（筇竹寺組、水井沱組）的中上揚子地區已成為頁巖氣勘探開發的熱點地區［1-4］.但目前只有五峰－龍馬溪組頁巖儲層進入了工業性開發階段，牛蹄塘組頁巖仍處于勘探研究階段［5］.作為中上揚子地區最具潛力的兩套頁巖氣層，研究頁巖組分對五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組頁巖孔隙發育的影響，并以此選擇針對性方案來指導牛蹄塘組頁巖氣勘探開發，則是未來的工作中的關鍵問題.為此，本文綜合鉆測井資料、地球化學實驗與X射線全礦物衍射數據，分析頁巖各組分對焦頁1井五峰－龍馬溪組與慈頁1井牛蹄塘組頁巖孔隙發育的影響，研究造成頁巖孔隙差異的組分，以期為牛蹄塘組頁巖氣勘探開發提供依據.

1 區域地質特征

中上揚子地區隸屬于華南地區揚子地層區與江南分區，東與華夏地塊相接，西與龍門山構造帶、松潘甘孜造山帶、三江造山帶相連，北至秦嶺－大別山構造帶與華北陸塊連接，南到湘黔貴地塊桂中凹陷［6］.先后發生的加里東運動、印支運動、燕山運動、喜馬拉雅運動等4次強烈的構造運動，造成了中上揚子地區多期次、多樣式的復雜陸內復合構造系統（圖1a）.

渝東南研究區位于八面山隔擋構造帶內.焦頁1井目的層五峰－龍馬溪組在低能、欠補償、缺氧的局限海域沉積環境中發育一套大規模海相頁巖，五峰－龍馬溪組自下而上由深水陸棚沉積環境過渡到淺水陸棚沉積環境［7-8］（圖1b）.

湘西北研究區位于雪峰基底隆升構造帶內.慈頁1井目的層牛蹄塘組在低能、缺氧的還原環境中沉積了一套夾黑色硅質巖、石煤、磷結核的富有機質頁巖，炭質含量較高［9-10］（圖1c）.

2 樣品選取

圖1 研究區地質構造與沉積相圖（據文獻［6－7，9］）Fig.1 Tectonic and sedimentary facies maps of the study area（From References［6－7，9］）

渝東南焦石壩地區目的層段五峰－龍馬溪組是目前我國最為優質的頁巖氣儲層［11-12］.焦頁1井在五峰－龍馬溪組進尺88.00 m（2327.00～2415.00 m），取心84.77 m，自下而上劃分為9個小層［13-14］.通過對焦頁1井五峰－龍馬溪組中8個小層取樣.獲得12個頁巖樣品，根據中石化勘探分公司的頁巖樣品實驗分析：總有機碳含量（TOC）0.53%～6.45%，平均2.66%，下部深水陸棚相有機質泥頁巖有機碳含量較高，基本大于平均值；鏡質體反射率（Ro）2.20%～3.13%，平均2.65%，屬于過成熟演化階段.根據中石化勘探分公司的全礦物衍射分析（X射線衍射）實驗：石英含量27.02%～48.43%，鉀長石1.41%～5.77%，斜長石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個樣品中，6個為淺水陸棚相樣品，6個為深水陸棚相樣品.其中2個屬于含硅黏土質頁巖相，3個屬于含黏土/硅混合質頁巖相，7個屬于含黏土硅質頁巖相，基本涵蓋目的層段五峰－龍馬溪組頁巖巖相類型，符合對比評價標準.

湘西北慈利地區目的層牛蹄塘組是中上揚子地區另一套分布廣泛的富有機質海相頁巖，其頁巖氣參數井——慈頁1井在下寒武統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.通過對慈頁1井牛蹄塘組4個小層取樣，獲得8個樣品，根據中石化勘探分公司的頁巖樣品實驗分析：TOC含量1.70%～6.19%，平均2.46%；鏡質體反射率平均3.42%，達到過成熟演化階段.與五峰－龍馬溪組相似，總有機碳含量隨深度增加而增加.根據中石化勘探分公司的全礦物衍射分析（X射線衍射）實驗：石英含量38.93%～68.21%，鉀長石0.86%～9.92%，斜長石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個樣品中，主要沉積環境為缺氧還原環境，其中5個屬于含黏土硅質頁巖相，2個屬于混合硅質頁巖相，1個屬于硅質頁巖相，基本涵蓋目的層段牛蹄塘組頁巖巖相類型，符合對比評價標準.

3 五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組頁巖孔隙差異化影響因素

圖2 研究區頁巖樣品全礦物含量Fig.2 Total mineral contents of shale samples in the study area

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

將樣品研磨至60～80目進行篩選，110℃條件下抽真空，持續脫氣12 h，然后通過0℃下CO2吸附、－196.15℃（77 K）N2吸附、高壓壓汞實驗，借助非定域密度函數方程、驟冷固體密度函數方程、Washburn-Yong-Duper方程，計算目的層樣品的全孔徑分布曲線，利用數學方法微分曲線獲得目的層樣品的累計孔體積與累計比表面積數據［15-18］（圖3）.結果顯示，焦頁1井五峰－龍馬溪組頁巖樣品中大孔體積分數最大，中孔次之，微孔最小，平均總孔體積在37.04×10－3cm3/g；而慈頁1井牛蹄塘組頁巖樣品則以微孔、中孔體積為主，大孔的體積分數最低，平均總孔體積在10.33×10－3cm3/g.五峰－龍馬溪組頁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.對比發現，牛蹄塘組頁巖孔隙發育遠低于五峰－龍馬溪組，集中表現為大孔體積發育差異，這會影響牛蹄塘組氣滲通道的連通性，但微孔的發育相差遠小于中孔、大孔的差距.從頁巖氣的賦存機理上看，頁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巖氣吸附空間.鉆井資料顯示，牛蹄塘組歷史埋藏更深，壓實作用更加劇烈，這是影響牛蹄塘組孔隙發育的一個主要宏觀因素.有機質頁巖中影響孔隙發育的因素有很多，除歷史埋藏外還有頁巖中的各組分，如TOC、礦物組分.

3.1 TOC對頁巖孔隙發育差異的影響

除個別樣品外，五峰－龍馬溪組頁巖樣品中，TOC與微孔、中孔總孔體積呈現出較強的明顯正相關關系，與大孔總孔體積的相關性不明顯；與微孔總孔比表面積、中孔總孔比表面積同樣呈現出較強的明顯正相關關系，與大孔總孔比表面積表現出較強的不明顯正相關關系（圖4a、b）.而牛蹄塘組頁巖中TOC只與微孔總孔體積、微孔總孔比表面積有較強的明顯正相關關系，與中孔、大孔之間的正相關性不明顯（圖4c、d）.這表明TOC對有機質頁巖中的微孔發育有較好的促進作用，這是因為有機質在熱解生烴過程中，由于有機質的消耗而形成有機質微孔的緣故［21-22］.TOC對五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組間孔隙差異的影響體現在微孔發育上，在均處于過成熟演化階段條件下，五峰－龍馬溪組頁巖樣品的TOC平均值為2.66%，略高于牛蹄塘組頁巖樣品的平均值2.46%，這是二者微孔發育差異的一個重要因素.

3.2 礦物組分對頁巖孔隙發育差異的影響

頁巖礦物受沉積環境與成巖過程的控制，組分繁復［23-24］.通過全巖礦物X衍射分析，將樣品中的礦物組分劃分為石英、長石（鉀長石、斜長石）、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，分類進行分析.

3.2.1 石英

石英屬于剛性礦物，在焦頁1井五峰－龍馬溪組樣品中，除個別樣品外，表現為與微孔、中孔的總孔體積、總孔比表面積有明顯的正相關關系，與大孔總孔比表面積有不明顯的正相關關系，與大孔的總孔體積相關性則不明顯（圖5a、b）；在慈頁1井牛蹄塘組樣品中，除個別樣品外，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為明顯的正相關關系，而與中孔的總孔體積相關性不明顯，與大孔總孔比表面積有不明顯的正相關關系（圖5c、d）.五峰－龍馬溪組中石英含量與TOC有較明顯的正相關關系，而牛蹄塘組與TOC的相關性極差（圖5q），這表明焦頁1井中石英的生物成因貢獻較大，而慈頁1井中石英的生物成因貢獻較小.綜上說明石英礦物對頁巖中微孔的發育有一定的促進作用，這是因為同沉積石英礦物可以抑制壓實過程對原生孔隙的壓實強度，一定程度上保存原生孔隙，并發育顆粒邊緣孔隙［25］.而慈頁1井與焦頁1井中石英礦物含量與中孔、大孔發育的差異表明不同成因的石英礦物對孔隙發育的影響不同，非生物成因石英可能對大孔的發育更為有利.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，且生物成因貢獻的石英含量相對較多，更加有利于微孔、中孔的保護，這是造成牛蹄塘組微孔、中孔發育略差于五峰－龍馬溪組的一個重要因素.

圖4 TOC與目的層樣品孔隙的相關性分析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相關性分析Fig.5 Correlation between rigid mineral components and sample pore of target layers

3.2.2 長石

長石（鉀長石、斜長石）屬于剛性礦物，同樣在一定程度上起著抑制壓實過程對原生孔隙破壞的作用.在焦頁1井五峰－龍馬溪組樣品中，表現為與微孔、中孔的總孔體積、總孔比表面積較明顯的負相關關系，與大孔的總孔比表面積不明顯的負相關關系，與大孔的總孔體積的相關性不明顯（圖5e、f）；在慈頁1井牛蹄塘組樣品中，除個別樣品外，表現為與中孔的總孔體積、總孔比表面積較明顯的負相關性，與大孔的總孔比表面積有不明顯的負相關關系，與微孔的總孔體積、總孔比表面積及大孔的總孔體積無明顯相關性（圖5g、h）.表明在這兩套地層中，長石未起到保護孔隙的作用，這可能是因為在頁巖樣品中，隨著長石相對含量的增加，黏土礦物的相對含量也在增加，且大于長石的增加量，而黏土礦物的易壓實收縮孔隙強度強于長石對孔隙的保護強度，導致了微孔、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，鉀長石平均含量為2.17%，斜長石平均含量為7.15%，略高于牛蹄塘組樣品中鉀長石的平均含量1.39%、斜長石平均含量6.67%，表明五峰－龍馬溪組樣品抵擋黏土礦物壓實收縮孔隙影響的強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1井五峰－龍馬溪組樣品中，表現為與微孔的總孔體積、總孔比表面積有明顯的正相關關系，與中孔的總孔體積、總孔比表面積有較明顯的正相關關系，與大孔的總孔比表面積有不明顯的正相關關系，與大孔的總孔體積相關性則不明顯（圖5i、j）；在慈頁1井牛蹄塘組樣品中，與微孔的相關性不明確，只與中孔、大孔的總孔比表面積有不明顯的正相關關系（圖5k、l）.這是因為碳酸鹽礦物雖屬脆性礦物，對孔隙起著一定程度的保護作用，但較于石英、長石顆粒來說穩定性弱，保護強度低，當含量較低時，這種保護作用則不明顯.這是影響五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組頁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1井五峰－龍馬溪組樣品中，表現為與中孔的總孔體積有良好的明顯正相關關系，與微孔、大孔的總孔體積有較差的正相關關系，與微孔、中孔的總孔比表面積有良好的正相關關系，與大孔的總孔比表面積有不明顯的正相關性（圖5m、n）；在慈頁1井牛蹄塘組樣品中，除個別樣品外，表現為與微孔、大孔的總孔體積和微孔的總孔比表面積有明顯的正相關關系，與中孔的總孔體積、總孔比表面積無明顯相關性（圖5o、p）.表明黃鐵礦屬于剛性礦物，對微孔、大孔的保護作用依然有效，在強壓實作用下，可以有效地保護孔隙，但隨著埋藏深度、壓實強度的增加而減弱，隨黃鐵礦含量的降低而降低.牛蹄塘組頁巖中普遍低于五峰－龍馬溪組的黃鐵礦含量是造成其大孔弱發育的一個重要因素.

3.2.5 黏土礦物

黏土礦物是頁巖中的重要礦物成分，盡管其所包含的礦物種類繁多，對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，即強塑性.黏土礦物只有在埋藏較淺，壓實作用強度較小時，才能為儲層孔隙發育提供一定的貢獻.在焦頁1井五峰－龍馬溪組樣品中，黏土礦物表現為與微孔、中孔的總孔體積、總孔比表面積有明顯的負相關關系，與大孔的總孔比表面積有不明顯的負相關關系，與大孔的總孔體積相關性則不明顯（圖6a、b）；在慈頁1井牛蹄塘組樣品中，表現為與微孔、中孔、大孔的總孔體積均有一定程度的負相關關系，與微孔、中孔總孔比表面積有明顯的負相關關系，與大孔總孔比表面積有不明顯的負相關關系（圖6c、d）.表明黏土礦物對大孔的孔隙結構影響微弱，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塑性的緣故不能對儲層孔隙提供有效貢獻，這是造成兩套地層微孔、中孔發育差異的重要因素.

4 結論

（1）渝東南五峰－龍馬溪組與湘西北牛蹄塘組的孔隙發育差異主要集中在中孔與大孔，孔隙的發育程度影響了牛蹄塘組頁巖的氣流通道.基于實驗測試結果與數據分析發現，五峰－龍馬溪組與牛蹄塘組均能為頁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性分析Fig.6 Correlation between clay mineral content and sample pore of target layers

（2）焦頁1井與慈頁1井鉆、測井資料揭示，牛蹄塘組較五峰－龍馬溪組經歷了更深的歷史埋深，強烈的壓實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－龍馬溪組頁巖氣賦存空間的差異.

（3）五峰－龍馬溪組頁巖與牛蹄塘組頁巖中TOC均與微孔發育有良好的正相關關系，表明有機質孔對儲層整體孔隙發育提供了一定貢獻，證明了五峰－龍馬溪組頁巖中略高于牛蹄塘組頁巖的TOC相對發育了更多的孔隙空間.

（4）根據剛性礦物與孔隙發育的相關系數，發現石英、黃鐵礦等硬度較大、抗機械壓實能力強的剛性礦物可以有效地保留原生孔隙、粒間孔的孔隙形態，保存微孔.石英因生物成因貢獻的含量不同而對中孔、大孔的保護程度不一，黃鐵礦則可以根據含量的多寡為大孔提供一定程度的保護，而長石、碳酸鹽礦物等硬度稍弱、含量較低的礦物與孔隙發育的相關性較混亂，表明不同剛性礦物對孔隙發育的貢獻不一.根據化學性質的穩定性強弱與礦物含量，五峰－龍馬溪組中較高含量的剛性礦物形成了強于牛蹄塘組的剛性礦物格架，為儲層孔隙發育提供了更有利的貢獻.

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