禚喜準(zhǔn)，閆清渙，張姣姣，張林炎，陳驍帥，馬立成

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)地質(zhì)系，遼寧阜新 123000 2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

0 引言

泥頁巖主要發(fā)育微米至納米級孔隙，通常表現(xiàn)為低孔、低滲的特征[1]，然而勘探實踐表明，獲得突破的頁巖氣區(qū)塊多為孔隙和裂隙較為發(fā)育的儲層“甜點”[2-3]，那么“甜點”儲層在礦物組成和結(jié)構(gòu)上，有何特征？與圍巖有何相似性和差異性？開展泥頁巖孔隙的類型和形成機理研究，可以為泥頁巖非常規(guī)油氣的目標(biāo)區(qū)優(yōu)選提供指導(dǎo)。

泥頁巖本身的礦物成分、相對含量以及排列樣式千差萬別，如果泥頁巖的組構(gòu)特征不能簡化成一種適用性強的模型，大量數(shù)據(jù)將處于一種無盡擴展但無法定義的糾結(jié)狀態(tài)，因而很多學(xué)者探討了組分類型、含量與孔隙發(fā)育特征的關(guān)系。其中，Schieber[4]將泥頁巖的孔隙類型劃分出三種最常見的孔隙，即層狀硅酸鹽骨架孔隙、碳酸鹽溶蝕孔隙和有機質(zhì)孔隙，其中層狀硅酸鹽骨架孔隙是儲層中最普遍的孔隙類型，大小介于5～1 000 nm，孔隙數(shù)量與黏土礦物含量具有正相關(guān)性。Slattetal.[5]依據(jù)孔隙與礦物組分的關(guān)系，劃分為黏土礦物絮狀物孔隙、有機質(zhì)孔隙、糞球?？紫丁⒒羌芸紫逗忘S鐵礦晶間孔隙，認(rèn)為黏土礦物絮狀物孔隙占主體；Loucksetal.[6]依據(jù)基質(zhì)與孔隙的關(guān)系，劃分出粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙和有機質(zhì)孔隙等三種類型，前兩種與礦物基質(zhì)有關(guān)，第三種與有機質(zhì)有關(guān)。此外，部分學(xué)者分析了礦物相對含量對孔隙發(fā)育程度的影響，蒲泊伶等[7]在川南龍馬溪組泥頁巖中發(fā)現(xiàn)，富含黏土礦物泥頁巖的總孔隙度比富含硅質(zhì)的泥頁巖大，在化學(xué)組成上表現(xiàn)為Si/Al比與泥頁巖總孔隙度呈負相關(guān)，可能由黏土礦物中發(fā)育的開放性孔隙導(dǎo)致。武景淑等[8]從礦物成分與泥頁巖孔隙體積的關(guān)系得出，黏土礦物含量與微孔、中孔體積具有正相關(guān)性，而宏孔體積隨石英含量的增加而增大，但未解釋宏孔的分布位置和發(fā)育機理。

上述研究主要從相關(guān)性統(tǒng)計的角度，分析了礦物含量與孔隙度的關(guān)系，但孔隙的發(fā)育不僅受控于巖石的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征，與顆粒的排列特征也密切相關(guān)，因而從結(jié)構(gòu)—成因角度來探討顆粒含量和排列方式對泥頁巖孔隙發(fā)育特征的影響，將增進我們對泥頁巖孔隙成因類型與分布特征的理解，有助于建立泥頁巖的孔隙演化模型，從而更好的進行儲層質(zhì)量預(yù)測。本文通過巖石薄片和掃描電鏡分析，建立泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的概念模型，結(jié)合數(shù)值模擬方法，探討顆粒含量對泥頁巖孔隙分布的影響。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

黔西北地區(qū)位于上揚子地臺東南部，主體構(gòu)造受控于黔中隆起，地層分布和沉積相展布受控于構(gòu)造和沉積分異作用。晚奧陶世—早志留世，都勻運動最為強烈[9]，由于華夏板塊向北西的推擠作用，使上揚子地臺呈兩隆一坳NE—EW向構(gòu)造格局，龍馬溪組地層分布和厚度受川中隆起和黔中隆起兩大古隆起的控制(圖1a)，因此只在畢節(jié)—遵義—湄潭—銅仁以北，連續(xù)沉積了龍馬溪組的地層，而黔中、黔南地區(qū)均為古陸剝蝕區(qū)，普遍缺失中奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)的地層(圖1a)[10]。本文研究點位于黔西北桐梓縣仙源鎮(zhèn)西北，204縣道處的下志留統(tǒng)龍馬溪組剖面下部(圖1b)，垂向沉積序列如圖1c所示，巖性為黑色含筆石炭質(zhì)泥頁巖。

2 泥頁巖主要組分類型、排列特征與孔隙結(jié)構(gòu)的概念模型

2.1 泥頁巖主要組分與結(jié)構(gòu)類型

泥頁巖作為一種低能環(huán)境下的細粒沉積巖，其礦物組成主要由碎屑顆粒(石英、長石和白云母等)、黏土礦物、有機質(zhì)、黃鐵礦、方解石、白云石等礦物共生組合組成[11-12]。泥頁巖中黃鐵礦和有機質(zhì)含量通常較低，在巖石中為次要組分(圖2)，大量前人的測試數(shù)據(jù)也表明黃鐵礦含量介于0%～12%[13-17]，暗色泥頁巖的有機質(zhì)平均含量為1%～5%[18-25]。

本文針對黔西北志留系龍馬溪組底部黑色泥頁巖的薄片分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)泥頁巖礦物組成主要為陸源碎屑和黏土礦物，含有少量的有機質(zhì)和黃鐵礦。同一層位的湘西龍山縣剖面，泥頁巖的沉積環(huán)境、礦物組成和結(jié)構(gòu)也具有類似特征，而且全巖XRD礦物成分分析顯示(圖2)，泥頁巖中石英平均含量為30.7%，長石和云母平均含量約為10.13%，黏土礦物平均含量約為57.8%，有機質(zhì)平均含量約為1.3%，個別樣品中檢驗出的黃鐵礦約占1%，沒有檢測到碳酸鹽礦物，印證了我國南方志留系龍馬溪組的海相泥頁巖以黏土礦物與碎屑顆粒為主體。然而，泥頁巖中顆粒的含量和排列樣式卻千差萬別。根據(jù)巖石薄片中顆粒與黏土礦物的空間分布和排列方式，將其劃分為兩種結(jié)構(gòu)類型：一是顆粒分散狀泥頁巖，碎屑顆粒離散分布(圖3a，b)，黏土礦物以雜基形式充填粒間(圖3c)；二是紋層狀泥頁巖，顆粒紋層狀分布(圖3a1，b1)，即黏土礦物暗色紋層與碎屑顆粒淺色紋層互層分布(圖3c1)。鑒于泥頁巖中黃鐵礦、有機質(zhì)等組分含量較低，為了定量分析碎屑顆粒含量對孔隙分布的影響，本次研究假定泥頁巖的概念模型只含碎屑顆粒與黏土礦物兩種結(jié)構(gòu)組分，體積一定，碎屑顆粒粒徑相同且表面光滑。依據(jù)這兩類泥頁巖的孔隙類型與分布特征，分別作出了巖石結(jié)構(gòu)與孔隙分布的概念模型。

圖1 a.黔西北巖相古地理圖；b.黔西北桐梓縣地質(zhì)圖及采樣點；c.龍馬溪組垂向沉積序列Fig.1 a. Lithofacies palaeogeographic map of Northwest Guizhou; b. geological map and sampling points of Tongzi county, Northwest Guizhou; c. vertical sedimentary sequence of Longmaxi Formation

圖2 龍馬溪組泥頁巖礦物成分及含量Fig.2 Mineral compositions and contents of the Longmaxi Formation shale

2.2 顆粒分散狀泥頁巖切面模型與孔隙分布

顆粒分散狀泥頁巖為雜基支撐，所含的石英、長石等陸源碎屑顆粒呈“漂浮”狀分布于泥質(zhì)沉積物中，由于碎屑顆粒彼此不接觸，難以形成有效的粒間孔隙。作為基質(zhì)的黏土礦物是一種孔喉細小的多孔介質(zhì)，因而此類泥頁巖的孔隙類型主要是黏土礦物微孔隙。

有學(xué)者統(tǒng)計了不同黏土礦物含量(37%～70%)的泥頁巖孔隙度變化特征，認(rèn)為隨著黏土礦物含量的增加，孔隙度有增大的趨勢(從20%增加至24%)[26]。這一變化特征，可以用顆粒分散狀泥頁巖的模型得到較好的解釋，由于石英顆粒本身為晶體礦物，孔隙度幾乎為零，因而離散分布的石英顆粒增多會使泥頁巖的總孔隙度減小；而黏土礦物發(fā)育晶間孔隙，隨著黏土礦物含量的增加，孔隙逐漸增多。在滲透率方面，黏土礦物具有一定的滲透性，其滲透率介于(2×10-22～2×10-16) m2 [26]，而石英顆粒幾乎無滲透性，所以分散狀石英顆粒的增多將導(dǎo)致介質(zhì)中非滲透單元增多(圖3b，c)，降低泥頁巖的滲透能力，不利于形成良好的儲層。

2.3 紋層狀泥頁巖切面模型與孔隙分布

與顆粒分散狀泥頁巖相比，紋層狀泥頁巖亮色與暗色條帶互層分布，其中亮色條帶為砂質(zhì)紋層，暗色條帶為富含有機質(zhì)的黏土礦物紋層(圖3a1)。該類泥頁巖粒間孔與黏土礦物微孔隙都比較發(fā)育。亮色砂質(zhì)條帶一般為顆粒支撐結(jié)構(gòu)，能夠形成較多的粒間孔隙。

圖3 顆粒分散狀泥頁巖與紋層狀泥頁巖顯微特征與概念模型a，b，c.顆粒分散狀泥頁巖；a. 40×，PPL，可見亮色碎屑顆粒分散分布于暗色黏土礦物中；b. 1000×，SEM，分散狀碎屑顆粒被層狀黏土礦物包裹；c.顆粒分散狀泥頁巖概念模型，顆粒分散分布于黏土礦物中；a1，b1，c1.紋層狀泥頁巖；a1. 40×，PPL，亮色條帶為砂質(zhì)紋層，暗色條帶為黏土礦物紋層，二者互層分布；b1. 1200×，SEM，可見亮色砂質(zhì)紋層與暗色黏土礦物紋層；c1. 紋層狀泥頁巖概念模型，砂質(zhì)紋層與黏土礦物紋層互層分布，碎屑顆粒間發(fā)育粒間孔隙Fig.3 The microscopic characteristics and conceptual model of granular dispersed shale and laminated shale

壓實模擬實驗統(tǒng)計分析表明，在埋藏壓實過程中，砂質(zhì)紋層的顆粒接觸方式將從點接觸逐漸向線接觸或凹凸接觸方向演化，但仍會保存一定量的粒間孔隙，其孔徑分布于30～140 μm[27]，孔隙度介于10%～30%[28]，是游離氣的有效儲集空間。在滲透性方面，砂質(zhì)紋層的孔隙連通性較好，滲透率介于(10-15～10-14) m2 [29]，有利于烴類的運聚。黏土礦物紋層主要發(fā)育層間孔隙，該類孔隙喉道細小，以納米級微孔隙為主，經(jīng)歷強烈壓實作用之后，孔隙度最低可達5%以下[30]，滲透率介于(2×10-22～2×10-16) m2。

不同深度泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計分析也表明，淺埋藏泥質(zhì)沉積物孔隙形態(tài)多樣，連通性較好，隨著埋深的增加，孔隙大量減少，塑性礦物會堵塞粒間孔隙和喉道，以黏土礦物線狀微孔隙為主，孔徑在50 nm至幾微米之間[6]。因此，埋藏深度較大的泥頁巖中，黏土礦物紋層大量發(fā)育有利于頁巖氣的儲集。

由此可見，深埋藏后的紋層狀泥頁巖中，亮色砂質(zhì)條帶滲流能力遠大于暗色黏土礦物條帶，二者交互分布亦導(dǎo)致水平滲透率遠大于垂向滲透率。

3 碎屑顆粒含量變化對泥頁巖孔隙分布的影響

泥頁巖中石英、長石等碎屑顆粒的孔隙度幾乎為0，而黏土基質(zhì)的孔隙度卻隨著埋深增大而逐漸降低。以大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的泥頁巖壓實曲線表明，在埋深0～1 000 m、1 000～2 000 m、2 000～3 500 m、3 500～5 000 m范圍內(nèi)，泥頁巖孔隙度分別介于12%～80%、3%～55%、4%～32%、3%～18%，普遍分布在30%～50%、15%～30%、10%～18%、5%～12%[31]。正常地溫梯度下，當(dāng)埋深達到2 000 m時，富含有機質(zhì)的泥頁巖才會進入生烴門限[32]。在埋深大于3 500 m時，將進入大量生氣階段[33]，這時泥頁巖氣烴源巖的Ro一般大于1.4%[19]，反映在壓實曲線上，此階段孔隙度平均約為8%[31]。因此，為探討碎屑顆粒含量變化對兩種結(jié)構(gòu)不同的泥頁巖孔隙度的影響，本研究將黏土基質(zhì)的孔隙度(Φclay)假定為8%。

3.1 顆粒離散狀泥頁巖孔隙度與碎屑顆粒含量的負相關(guān)性

當(dāng)泥頁巖中的碎屑顆粒含量為0時，其孔隙度等同于黏土基質(zhì)的孔隙度。隨著水動力條件的逐漸增強，顆粒含量增加，泥頁巖孔隙度將逐漸降低。當(dāng)石英顆粒含量為10%時(圖4a)，顆粒間充填黏土礦物，此時泥頁巖孔隙主要為黏土礦物微孔隙，孔隙度為7.2%；顆粒含量達到20%(圖4b)，泥頁巖仍以黏土礦物微孔隙為主，孔隙度為6.4%。若假設(shè)顆粒以立方體堆積，則在顆粒含量低于52.4%時，碎屑顆粒難以接觸，無法形成粒間孔隙，孔隙類型主要為黏土礦物微孔隙。由此可見，當(dāng)泥頁巖中黏土基質(zhì)占主體時，碎屑顆粒百分含量(X)與泥頁巖孔隙度(Φmud)具有明顯的線性負相關(guān)關(guān)系(見公式1)，即隨著顆粒含量的增加，泥頁巖的孔隙度逐漸減小(圖5a)。當(dāng)碎屑顆粒達到立方體堆積時，雜基含量最高為47.6%[34](圖4c～f)，隨著水動力條件的增強，雜基含量逐漸降低，粒間孔隙逐漸發(fā)育，巖石孔隙度逐漸增大。因而，在形成粒間孔隙之前，泥頁巖孔隙度會降低到一個最小值，即當(dāng)顆粒含量達到52.4%時，粒間全部為黏土礦物充填，僅發(fā)育黏土礦物微孔隙(圖4c)，巖石孔隙度處于最小值。

Φmud=(1-X)×Φclay

(1)

經(jīng)過上述臨界狀態(tài)后，當(dāng)顆粒含量高于52.4%時，按照國內(nèi)的碎屑巖類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，實際上已經(jīng)屬于粉砂巖范疇。假如黏土基質(zhì)含量進一步降低，巖石的碎屑顆粒之間開始逐漸發(fā)育粒間孔隙(圖4d，e，f)，這時石英顆粒百分含量(X)與泥頁巖孔隙度(Φmud)具有明顯的線性正相關(guān)關(guān)系(見公式2)，即隨著顆粒含量的增加，泥頁巖的孔隙度逐漸增大。隨著沉積環(huán)境水動力條件的增強，黏土礦物含量減少到一定程度，最終會發(fā)展為雜基含量很低的凈砂巖沉積。當(dāng)石英、長石等陸源碎屑顆粒之間無泥質(zhì)充填時，粒間孔隙最為發(fā)育(圖4f)，巖石孔隙度達到最大值。此時，如果碎屑顆粒為立方體堆積，孔隙度最大值為47.6%；若碎屑顆粒為菱面體堆積，孔隙度為26%。當(dāng)然，自然界中常見的碎屑顆粒堆積方式為立方體和菱面體堆積的過渡類型，因而孔隙度的最大值往往介于26%～47.6%之間(圖5a)。

Φmud=Φclay×(1-X)+(47.6%- 1+X)

(2)

其中X代表碎屑顆粒百分含量，Φclay×(1-X)代表黏土礦物孔隙度，(47.6%-1+X)代表碎屑顆粒粒間孔隙度。

總之，顆粒分散狀泥頁巖當(dāng)黏土基質(zhì)的孔隙度為8%時，最小孔隙度介于2.08%～3.808%，最大孔隙度介于26%～47.6%。隨石英顆粒含量的增加，孔隙度呈先減小后增加的趨勢(圖5a)。

3.2 紋層狀泥頁巖孔隙度與碎屑顆粒含量的正相關(guān)性

隨著碎屑顆粒含量的增加，紋層狀泥頁巖表現(xiàn)為砂質(zhì)條帶的增加。由于紋層狀泥頁巖中砂質(zhì)條帶為顆粒支撐，發(fā)育粒間孔隙，黏土礦物紋層發(fā)育黏土礦物微孔隙，因而泥頁巖總孔隙度為二者之和。假定泥頁巖中砂質(zhì)條帶的雜基含量為0，碎屑顆粒為立方體堆積時，孔隙度為47.6%，黏土礦物紋層的孔隙度為8%。隨著碎屑顆粒含量逐漸增多，泥頁巖的孔隙變化情況如下：

圖4 不同水動力條件下顆粒分散狀泥頁巖石英含量變化與孔隙演化(a～f水動力條件依次增強)a.石英含量10%，孔隙度為7.2%；b.石英含量20%，孔隙度為6.4%；c.石英含量52.4%，孔隙度為3.808%；d.石英含量70%，孔隙度為20%；e.石英含量90%，孔隙度為38.4%；f.石英含量100%，孔隙度為47.6%Fig.4 The variation of quartz contents and porosity of granular dispersed shale under different hydrodynamic conditions(a-f water dynamic conditions are enhanced)

圖5 碎屑顆粒含量與孔隙度的關(guān)系a.顆粒分散狀泥頁巖孔隙度隨碎屑顆粒含量變化圖，其中正方形標(biāo)注的上部曲線代表碎屑顆粒以立方體堆積時泥頁巖孔隙度的變化情況：泥頁巖初始孔隙度為8%，隨著顆粒含量的增加，孔隙度逐漸減小，在顆粒含量為52.4%時，孔隙度最小，為3.808%，之后隨著顆粒含量的增加，泥頁巖中發(fā)育粒間孔隙，孔隙度快速增大，最大值為47.6%；菱形標(biāo)注的下部曲線代表顆粒以菱面體堆積時泥頁巖孔隙度的變化，總體趨勢與立方體堆積一致，只是在顆粒含量為76%時孔隙度有最小值，為2.08%，隨后孔隙度逐漸增大，最大值為26%；兩條曲線下降段的重合部分，即碎屑含量小于52.4%的部分與兩條曲線之間的區(qū)域(充填部分)代表顆粒介于立方體堆積與菱面體堆積時泥頁巖孔隙度的變化情況，可近似認(rèn)為是自然界中顆粒以非理想狀態(tài)堆積時泥頁巖孔隙度的演化；b.紋層狀泥頁巖孔隙度隨碎屑顆粒含量變化圖，其中正方形標(biāo)注的上部曲線為顆粒以立方體堆積，隨著顆粒含量的增加，泥頁巖孔隙度由初始8%逐漸增加，最大值為47.6%；菱形標(biāo)注的下部曲線代表顆粒以菱面體堆積，泥頁巖孔隙度由初始8%逐漸增加，最大值為26%；兩條曲線之間的區(qū)域(充填部分)代表顆粒介于立方體堆積與菱面體堆積時泥頁巖孔隙度的變化情況，可近似認(rèn)為是自然界中顆粒以非理想狀態(tài)堆積時紋層狀泥頁巖孔隙度的演化趨勢Fig.5 The correlation between content of clastic particles and porosity

當(dāng)碎屑顆粒含量為20%(圖6a)時，巖石發(fā)育砂質(zhì)粒間孔隙與黏土礦物微孔隙，孔隙度為15.92%；顆粒含量增加至40%(圖6b)，全巖的孔隙度為23.84%；可見，隨著水動力的逐漸增強，砂質(zhì)含量逐漸增加，這時碎屑顆粒百分含量(X)，與泥頁巖孔隙度(Φmud)具有明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，即隨著顆粒含量的增加，孔隙度逐漸增大：

Φmud=47.6%·X+Φclay×(1-X)=Φclay+(47.6%-Φclay)×X

(3)

其中(47.6%·X)代表砂質(zhì)條帶粒間孔隙度，Φclay×(1-X)代表黏土礦物孔隙度。

隨著水動力條件繼續(xù)增強，黏土礦物含量逐漸降低，最終發(fā)展為黏土紋層含量極少的凈砂巖沉積，這時粒間孔隙最為發(fā)育(圖6c)，孔隙度達到最大值，也就是前述顆粒分散狀泥頁巖中顆粒含量高于52.4%，向凈砂巖轉(zhuǎn)變的情況。此時，假如顆粒為立方體堆積，孔隙度最大值為47.6%，如果碎屑顆粒為菱面體堆積，孔隙度最大值為26%。所以，隨著顆粒含量的增加，粒間孔隙逐漸增多，全巖總孔隙度將線性增加(圖5b)。

4 討論

泥頁巖作為烴源巖和蓋層，其物性特征和力學(xué)性質(zhì)很早就引起了地質(zhì)學(xué)家的注意，Selley根據(jù)許多盆地中泥頁巖的孔隙度數(shù)據(jù)，編制了孔隙度與埋深關(guān)系散點圖，發(fā)現(xiàn)埋深500 m以內(nèi)地層的孔隙度衰減迅速，而大于500 m地層的孔隙度衰減速率逐漸變小[35]，但這些演化關(guān)系主要基于宏觀的孔滲數(shù)據(jù)，未深入分析孔隙類型和分布特征隨埋深的變化規(guī)律。例如小于500 m的淺層泥頁巖以什么孔隙類型為主，而500 m向3 000 m埋深的轉(zhuǎn)化過程中，孔隙類型與結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么變化？大于3 000 m埋深的泥頁巖又將以什么孔隙類型為主？此類問題都與泥頁巖本身的礦物組成和空間排列有關(guān)，要想探討泥頁巖孔隙發(fā)育的控制機理，首先得考慮泥頁巖的主要組分類型、含量、排列方式，弄清各種孔隙類型賦存于碎屑顆粒之間，還是黏土礦物或有機物內(nèi)部。

4.1 主要組分對孔隙發(fā)育程度的影響

本研究以及前人的大量數(shù)據(jù)普遍顯示，黑色泥頁巖的主要組分為碎屑顆粒和黏土礦物基質(zhì)，二者含量通常大于90%；有機質(zhì)、生物碎屑和黃鐵礦為次要組分，各自含量一般小于5%。其中，川東南、黔西北、湘西北等地區(qū)龍馬溪組的黑色泥頁巖以紋層狀為主，薄片分析和全巖X衍射分析發(fā)現(xiàn)石英、長石等碎屑顆粒含量一般大于30%，個別樣品甚至大于80%，與郭秋麟等在四川等成功區(qū)塊的礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)基本一致[36]。概念模型的數(shù)值分析表明，泥頁巖的粒間孔隙發(fā)育程度與碎屑顆粒含量及其排列方式有關(guān)：當(dāng)泥頁巖為顆粒分散狀，顆粒含量較低時，粒間孔并不發(fā)育(圖4a，b，c)；紋層狀泥頁巖的粒間孔主要分布于砂質(zhì)紋層內(nèi)，與紋層的多少有關(guān)(圖6)。

4.2 次要組分孔隙的尺度效應(yīng)

泥頁巖的組分內(nèi)孔隙，如有機質(zhì)孔隙、化石組分內(nèi)孔隙和黃鐵礦粒內(nèi)孔(圖7e，f)與賦存介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和相對含量有關(guān)。統(tǒng)計分析也證實，泥頁巖的有機質(zhì)含量和類型將影響泥頁巖的孔隙度衰減趨勢[36]。由于泥頁巖本身非均質(zhì)性強，即使同一位置的泥頁巖在微觀結(jié)構(gòu)和成分上也難以保持一致，而且埋藏史和熱史等多種因素都會影響孔隙演化，最終導(dǎo)致分析碎屑顆粒含量與孔隙度關(guān)系的過程中不容易剔除碎屑顆粒排列樣式、有機質(zhì)含量等影響因素。

圖6 不同水動力條件下紋層狀泥頁巖石英含量變化與孔隙發(fā)育特征(a～c.水動力條件依次增強)a.石英含量20%，孔隙度為15.92%；b.石英含量40%，孔隙度為23.84%；c.石英含量60%，孔隙度為31.76%Fig.6 The change of quartz contents and the developed features of porosity of laminated shale under different hydrodynamic condition(a-c. water dynamic conditions are enhanced)

圖7 黔北地區(qū)志留系龍馬溪組孔隙結(jié)構(gòu)特征a. SEM1200× 泥頁巖的粒間孔隙順層分布，粒間孔發(fā)育，多為宏孔隙，占孔隙的主體；b. SEM250× 泥頁巖的粒間孔隙順層分布，粒間孔發(fā)育，多為宏孔隙，占孔隙的主體；c. SEM20000× 泥頁巖內(nèi)部石英顆粒支撐形成的粒間孔隙，孔隙直徑約為2 μm；d. SEM6000× 泥頁巖內(nèi)遮蔽成因的粒間孔隙順層分布，孔隙直徑約為5 μm；e. SEM30000× 泥頁巖的黃鐵礦組分內(nèi)的粒內(nèi)孔，孔隙直徑小于1 μm，孤立狀,僅局部發(fā)育；f. SEM12000× 泥頁巖的化石組分內(nèi)的粒內(nèi)孔，孔隙直徑小于1 μm，孤立狀,僅局部發(fā)育Fig.7 The typical pore characteristics of shale of Longmaxi Fm. in North Guizhou Province

掃描電鏡分析顯示，黔西北地區(qū)泥頁巖儲層的孔隙分布，具有明顯的尺度效應(yīng)，跟放大倍數(shù)有關(guān)。其中，粒間孔在小于500倍的視域下就能觀察到，呈順層分布，且較為發(fā)育(圖7a，b)；而其他孔隙類型諸如有機質(zhì)孔、化石組分內(nèi)孔隙和黃鐵礦粒內(nèi)孔在小于500倍的視域下難以識別，只能在大于10 000的高倍率下才能觀察到(圖7e，f、圖8b，g，h)。由于此類孔隙與有機質(zhì)、黃鐵礦等組分的含量密切相關(guān)，但含量卻一般低于5%，所以在空間上是零星分布，僅發(fā)育于巖石的局部區(qū)域(圖8e，f)。盡管在掃描電鏡高倍率的視域下，觀察到了有機質(zhì)或黃鐵礦等組分內(nèi)微孔隙，甚至局部面孔率高達25%以上(圖8i)，但這一視域僅僅代表這些孤立的組分本身，并不能代表全巖的孔隙分布特征(圖8c，i)。

關(guān)于有機質(zhì)孔隙，有研究認(rèn)為其發(fā)育狀況與泥頁巖中有機質(zhì)豐度及熱演化程度有關(guān)[37]。有機質(zhì)到達一定成熟度(Ro>1.23%)時，干酪根中會發(fā)育大量納米級孔隙；而Ro<1.0%時，干酪根中沒有納米級孔隙形成。但僅根據(jù)熱演化程度預(yù)測孔隙演化并不充分，有機顯微組分類型和復(fù)雜的孔隙演化過程也會影響有機質(zhì)的孔隙發(fā)育[38]。Jarvieetal.[19]認(rèn)為干酪根向油氣的熱轉(zhuǎn)化可產(chǎn)生富含碳的殘余物(CR)并提高巖石的基質(zhì)孔隙度，有機質(zhì)含量為6.41%的頁巖在生烴演化過程中隨著熱成熟度由0.55%增高到1.4%，頁巖的體積孔隙度增加到4.3%，但頁巖孔隙度的增大是否受控于有機質(zhì)的熱演化？近年來，許多學(xué)者認(rèn)為有機質(zhì)孔對泥頁巖孔隙度起到主導(dǎo)作用[39-40]。由于氣體法測量泥頁巖的孔隙度過程中，只有連通的微孔隙才有效，而孤立的孔隙難以測量，從圖8b可以看出這些納米級的有機質(zhì)微孔隙連通性較差，所以不容易推斷實測的孔隙度數(shù)據(jù)是否囊括了有機質(zhì)組分的納米孔，自然也就很難判定有機質(zhì)含量和成熟度對頁巖孔隙度的影響。

聶海寬等根據(jù)掃描電鏡下的面孔率數(shù)據(jù)，認(rèn)為有機質(zhì)孔隙約占有機質(zhì)顆粒體積的20%左右[23]。王玉滿等[41]曾應(yīng)用孔隙度數(shù)學(xué)模型對長芯1井五峰—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖段進行了孔隙度測算，結(jié)果顯示富有機質(zhì)頁巖的總孔隙度平均為5.4%，其中有機質(zhì)孔隙約占總孔隙的24.9%，即有機質(zhì)孔隙僅占泥頁巖體積的1.35%。針對這一問題，本研究收集了川東南、渝東南地區(qū)共545塊樣品的TOC含量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計表明川東南的TOC含量為0.14%～8.36%，平均值為2.64%，而渝東南地區(qū)的TOC含量為0.2%～5.4%，平均值為1.86%(圖9)。這些樣品有機質(zhì)組分的面孔率一般小于25%(圖8c)，假設(shè)其全部為有效的連通孔隙，也僅占泥頁巖體積的0.66%、0.47%。由此可見，即使有機質(zhì)孔隙對泥頁巖總孔隙度有改善作用，但因其在頁巖內(nèi)部不占主體，對孔隙度的貢獻并沒有起到主導(dǎo)作用。鑒于泥頁巖孔隙演化的復(fù)雜性以及有機質(zhì)和黃鐵礦含量的次要性(小于5%)，本文基于最簡單的數(shù)值模型，單因素分析碎屑顆粒含量對孔隙分布的影響，暫不考慮有機質(zhì)和黃鐵礦的影響。

圖8 泥頁巖中不同組分的相對含量和觀察時的不同放大尺度a.有機質(zhì)、黃鐵礦尺度效應(yīng)抽象簡圖；b. SEM20000× 孤立分散狀的有機質(zhì)發(fā)育微小的組分內(nèi)孔隙；c. b的素描圖，顯示有機質(zhì)本身的面孔率小于20%，且孔隙連通性差；d. ×100，XPL，紋層狀泥頁巖，含有較多的碎屑顆粒和黏土礦物，局部見分散狀的莓球狀黃鐵礦與有機質(zhì)；e. ×100，RL，紋層狀泥頁巖，含有較多的碎屑顆粒和黏土礦物，局部見分散狀的莓球狀黃鐵礦與有機質(zhì)；f. b的素描圖，紋層狀泥頁巖，含有較多的碎屑顆粒和黏土礦物，局部見分散狀的莓球狀黃鐵礦與有機質(zhì)；g. SEM30000× 泥頁巖的黃鐵礦組分內(nèi)的粒內(nèi)孔，孔隙直徑小于1 μm，孤立狀，僅局部發(fā)育；h. BSE30000× 泥頁巖的黃鐵礦組分內(nèi)的粒內(nèi)孔，孔隙直徑小于1 μm，孤立狀，僅局部發(fā)育；i. h的素描圖，藍色的部分表示晶間孔Fig.8 The relative contents of different fabricas in shale mudstone and their magnification of observation

4.3 概念模型的簡化與不足

基于黏土基質(zhì)和球形碎屑顆粒的泥頁巖概念模型，對于探討宏孔隙和微孔隙的成因比較直觀，其中宏孔隙主要與碎屑顆粒支撐形成的空隙有關(guān)，而黏土基質(zhì)內(nèi)部則以微孔隙為主。用等大的光滑球體代替形態(tài)各異的碎屑顆粒建立概念模型，便于數(shù)值模擬顆粒含量變化對孔隙度的影響。用等大的圓球來表達顆粒的排列和接觸方式有助于簡化顆粒堆積模型[36]，可以讓我們更容易理解壓實強度對顆粒排列方式、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙度的影響。實際上，自然界中碎屑顆粒的磨圓與分選并非上述理想狀態(tài)，顆粒表面的凹凸不平會引起巖石孔隙度的變化。因而數(shù)值模擬會存在一些不足之處，主要體現(xiàn)在泥頁巖概念模型的三個假定條件上：

(1) 為了方便計算，假設(shè)兩種模型均不含有有機質(zhì)與黃鐵礦。泥頁巖儲層中一般會含有少量有機質(zhì)和黃鐵礦，并且二者對巖石孔隙度有一定的影響。

(2) 假設(shè)碎屑顆粒為等大球形立方體堆積和菱面體堆積，而自然界中顆粒的堆積排列方式很復(fù)雜，常介于立方體堆積和菱面體堆積之間；而且強烈的壓實作用，將會引起顆粒的變形和粒間孔隙的減縮，最終導(dǎo)致計算模擬得出的孔隙度值偏大。

圖9 川東南、渝東南地區(qū)龍馬溪組泥巖的TOC含量直方圖a.川東南地區(qū)樣本；b.渝東南地區(qū)樣本Fig.9 Histogram of TOC contents of mudstone in Longmaxi Formation in southeastern Sichuan and southeastern Chongqing

(3) 假定紋層狀泥頁巖中的砂質(zhì)紋層不含黏土基質(zhì)，實際上自然界中的砂質(zhì)紋層會含有一定量的黏土基質(zhì)，這些基質(zhì)將充填顆粒之間的空隙，因此這種假設(shè)也會導(dǎo)致孔隙度計算偏大。當(dāng)然，砂質(zhì)紋層的顆粒之間只要不為黏土充填，那么它們以立方體或菱面體堆積形成的粒間空隙，其孔喉半徑和孔隙度將遠大于黏土礦物內(nèi)部的微孔隙。盡管該假設(shè)會導(dǎo)致孔隙度的模擬值偏大，但對探討顆粒含量與孔隙度的相關(guān)性，仍具有普遍意義。

總之，基于概念模型來分析碎屑顆粒含量變化對泥頁巖孔隙分布的影響，只能得出一種大致的規(guī)律，而這些抽象的模型是一種假定的理想狀態(tài)，可能因為過于簡化，與自然界中的孔隙分布模式不盡相同，如有機質(zhì)和黃鐵礦對泥頁巖孔隙度的影響，需要根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)進一步具體分析。此外，如果在本研究的基礎(chǔ)上開展泥頁巖孔隙演化的物理模擬，系統(tǒng)觀測壓實過程中孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)的變化，將有助于加深理解泥頁巖的孔隙發(fā)育機理。

5 結(jié)論

(1) 泥頁巖根據(jù)陸源碎屑顆粒與黏土礦物的排列方式，可以劃分為顆粒分散狀泥頁巖和紋層狀泥頁巖。其中，前者以黏土礦物微孔隙為主，而后者不僅發(fā)育黏土礦物微孔隙，而且砂質(zhì)紋層內(nèi)部大量發(fā)育粒間孔隙。

(2) 顆粒分散狀泥頁巖當(dāng)碎屑顆粒含量低于52.4%時，孔隙度隨顆粒含量的增加而減?。划?dāng)碎屑顆粒含量達到52.4%，如果碎屑顆粒含量繼續(xù)增加，粒間孔隙將大量出現(xiàn)，孔隙度將快速增大，逐漸演變?yōu)槌Ｒ?guī)的砂巖儲層。

(3) 紋層狀泥頁巖隨著碎屑顆粒含量的增加，砂質(zhì)紋層和粒間孔隙增多，孔隙度逐漸增大，泥頁巖儲層逐漸向常規(guī)砂巖儲層演變。