川南龍馬溪組頁巖孔隙特征及其影響因素

楊 豪

（成都理工大學地球科學學院，四川成都 610000）

隨著世界能源需求問題的日益突出，頁巖氣作為一種清潔能源，在近年來獲得重大勘探突破。四川盆地蘊藏豐富的頁巖氣資源，尤其是川南地區，頁巖氣資源潛力達10萬億~15萬億方，是勘探開發的熱點地區，已經探明涪陵氣田，長寧氣田，威遠氣田等幾個頁巖氣田。頁巖氣是一種非常規天然氣，具有“生—儲—聚”三位一體的特征，頁巖既是源巖，也是儲層，同時也是蓋層。孔隙度是頁巖非常重要的一個結構參數，它不僅能決定頁巖的含氣量和儲氣能力，也能衡量頁巖氣開采價值。對頁巖孔隙的深入研究可以為頁巖氣的勘探開發提供指導建議，儼然已經成為當前頁巖氣地質勘探理論的研究基礎和熱點問題。

1 地質背景

研究區主要位于四川盆地南部的長寧地區，大地構造位置上處于揚子板塊中南緣、四川盆地川西南古隆起構造帶-川南低緩背斜構造帶，其南及東南緊鄰黔中古陸。四川盆地是一個海陸相疊合盆地，它的形成經歷了漫長且復雜的構造運動，志留紀龍馬溪組地層沉積早期，冰川消融，全球海平面上升，發生大范圍海侵，為深水陸棚-滯留盆地沉積體系，屬于大面積缺氧還原環境，龍馬溪組地層為本文研究目標層位，沉積了一套黑色頁巖，巖石類型主要為硅質頁巖、碳質頁巖、含有機質頁巖及黏土質泥頁巖等，是勘探開發的有利層位。

2 孔隙特征

孔隙是頁巖氣的運移通道和儲集空間。頁巖作為一種非常規油氣儲層，多孔是其典型特征，相比于砂巖儲層來說，頁巖儲層較為致密，它的儲集空間更小，滲透率較低，多見納米級別孔隙，類型也更加復雜。對于頁巖的孔隙分類，方案不一，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）根據孔徑的大小將孔隙劃分為微孔（＜2nm）、介孔（2~50nm）和宏孔（＞50nm）三大類，該分類方案在頁巖儲層孔隙定量描述方面應用最為廣泛。目前較為主流的方案為根據成因將其分為無機孔、有機孔和微裂縫三大類及若干亞類。目的層位頁巖雖然孔隙度極低，但在高分辨率SEM圖像下幾乎發育分類中上述各種類型微、介、宏等孔隙。

2.1 無機孔

無機孔是指與頁巖中碎屑礦物相關的孔隙，根據孔隙發育在頁巖物相系統內不同成分位置。其中無機孔隙分為碎屑質孔隙和礦物基質孔隙，再根據孔隙產狀類型的不同，將碎屑質孔隙細分為粒內孔隙、粒緣孔隙和粒間孔隙，其中粒內孔隙還包括鑄模孔隙和體腔孔隙等；將礦物基質孔隙分為晶內孔隙、晶緣孔隙和晶間孔隙，其中晶內孔隙又可細分為結核內晶間孔隙、解理面孔隙、生物灰泥體腔孔隙、晶體鑄模孔隙等，晶間孔隙還包括片間孔隙。

2.1.1 碎屑質孔隙

碎屑質孔隙主要發育粒間孔隙、粒內孔隙和粒緣孔隙，可見體腔孔隙，鑄模孔隙不發育。“粒”即代表碎屑質顆粒，包括石英、長石、云母顆粒以及晶型較好的黃鐵礦等。粒間孔隙主要有碎屑石英和方解石粒間孔隙，被有機質充填；碎屑質石英、長石顆粒與黃鐵礦粒間孔隙，被有機質充填。粒內孔隙主要有方解石發生去白云石化作用，形成粒內溶蝕孔；長石、黃鐵礦顆粒粒內溶蝕形成粒內孔隙。如圖1A為的碎屑石英和方解石粒間孔隙，被有機質充填；圖1B為碎屑質草莓狀黃鐵礦粒內孔。

圖1 龍馬溪組頁巖碎屑質孔隙

2.1.2 礦物基質孔隙

礦物基質孔隙主要發育晶間孔隙、晶緣孔隙，有時可見少量結核內孔隙。“晶”即代表微晶顆粒，自生礦物顆粒、重結晶礦物顆粒以及黃鐵礦集合體等。晶緣孔隙在整個龍馬溪組頁巖儲層中普遍發育，主要有微晶石英晶緣宏孔隙和微晶方解石晶緣介孔隙，部分被有機質充填。晶間孔隙在整個研究層段普遍發育，主要有石英晶間孔隙、微晶方解石和石英晶間宏孔，局部被有機質或有機質和黏土礦物的混合物充填。如圖2A所示的石英晶間孔隙，被有機質充填；圖2B為方解石晶緣孔隙，局部被少量有機質充填。

圖2 龍馬溪組頁巖礦物基質孔隙

2.2 有機孔

有機孔是指發育在有機質內部的孔隙，是生成頁巖氣留下的痕跡，有較強的儲集油氣功能。有機孔在龍馬溪組頁巖儲層中發育程度較高，研究層段中存在最多的為海綿狀有機質孔隙，其形成原因是在有機質演化過程中，有機質生烴排烴作用而形成的納米級多微孔，形狀弱似海綿狀。如圖3A、B所示的海綿狀有機孔。

圖3 龍馬溪組頁巖有機孔

2.3 微裂縫

礦物內微裂縫主要指方解石、黏土礦物等在壓實作用下，礦物發生破裂形成微裂縫。微裂縫的形成一般與應力相關，可以提高頁巖的滲透率及作為頁巖氣的運移通道，是頁巖氣高產的主要因素。在顯微鏡下通過薄片觀察，研究區內龍馬溪組頁巖儲層的成巖收縮縫普遍發育，在薄片內定向排列，形狀大多細長，收縮縫內充填有有機質、水云母、黏土質、玉髓等礦物。如圖4A所示被方解石、長石及石英充填的微裂縫，圖4B所示的被團狀有機質和白云母充填的微裂縫。

圖4 龍馬溪組頁巖微裂縫

3 孔隙發育的影響因素

3.1 總有機碳含量（TOC）

頁巖的儲集能力與總有機碳含量（TOC）密切相關，它也是影響有機孔發育的主要因素，在一定范圍內，有機孔的數量與TOC呈正相關。但有機孔的發育程度并非隨著TOC的增加而無限增加，相關研究表明，當TOC小于等于5.5% 時，促進有機孔發育，而當TOC大于5.5%時，有機孔的發育程度不再增加、甚至出現降低的現象。在對川南地區龍馬溪組黑色頁巖孔隙結構研究時發現，頁巖孔隙發育程度隨著TOC的增加表現出先增加后略微降低的現象。這可能是因為當TOC含量過高時，會發育機械壓實作用，導致其壓縮變形，抑制發育。

3.2 有機質成熟度（Ro）

有機質是有機孔的載體，其成熟度（Ro）是影響有機孔發育的又一個重要因素。在不同熱演化階段，有機孔發育程度也不同。對川南地區龍馬溪組頁巖進行熱演化實驗時，測得其有機質成熟度分布于1.97%~2.23%，處于高-過成熟階段，該階段內頁巖生成大量頁巖氣，納米級別的有機孔大量發育，從而形成頁巖氣重要的儲集空間，其中，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根更容易產生有機孔。但隨著熱演化程度進一步提高，高度成熟的有機質會對有機孔進行破壞。一般來說，當成熟度到達1.5%~3%時，孔隙的發育程度最強。

3.3 礦物組成

頁巖的礦物組成類型對孔隙的發育也有較大影響，主要包括黏土礦物和脆性礦物。據研究，龍馬溪組頁巖孔隙度與黏土礦物含量呈正相關，與黏土礦物相關的孔隙既可以發育在黏土礦物層間，也可發育在黏土礦物與其他礦物的接觸面之間，并且黏土礦物含量與有機碳含量也呈正相關性，再次印證了黏土礦物與有機質在頁巖孔隙發育方面為相互促進作用。脆性礦物中石英、長石，尤其是生物成因硅富集對孔隙的保存也具有重要的控制作用，孔隙度隨著脆性礦物含量的增加而增加，有非常好的正相關關系。

4 結束語

四川盆地龍馬溪組頁巖孔隙較為發育，通過鏡下薄片觀察及掃描電鏡，可識別出三種基本的孔隙類型：無機孔、有機孔及微裂縫。其中，無機孔多發育在礦物內部或邊緣，形態不一；有機孔最為發育，多呈海綿狀；微裂縫順層分布，多呈條帶狀。

龍馬溪組頁巖孔隙的發育程度受到總有機碳含量（TOC）、有機質成熟度（Ro）、黏土礦物和脆性礦物含量等因素的影響。其中，當TOC含量小于5.5%，Ro介于1.5%~3%時，對有機孔的發育具有促進作用；孔隙度與黏土礦物和脆性礦物的含量呈正相關。