姜振學(xué)，李 鑫，王幸蒙，王國臻，仇恒遠，朱德宇，姜鴻陽

[1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249]

中國南方地區(qū)頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)條件優(yōu)越，具備形成商業(yè)化開發(fā)的先決條件，是中國頁巖氣資源分布的最有利地區(qū)，潛力巨大[1-3]。自前寒武紀到新近紀發(fā)育了豐富的富有機質(zhì)頁巖，早古生代發(fā)育海相沉積，晚古生代—中生代發(fā)育海-陸過渡相沉積和湖相煤系沉積，中新生代發(fā)育陸相沉積[4-7]。目前，針對海相頁巖組構(gòu)特征、孔隙結(jié)構(gòu)、物性特征、儲集能力等儲層特征方面，前人進行了比較深入的研究，以硅質(zhì)含量高、有機孔發(fā)育、孔滲性較好為顯著特征[8-15]；海-陸過渡相及陸相頁巖儲層研究多集中在孔隙結(jié)構(gòu)及影響因素，相比海相頁巖，陸相及過渡相頁巖具有粘土礦物含量高、有機質(zhì)孔欠發(fā)育、孔隙度偏低等特征[16-20]。雖然海相、海-陸過渡相及陸相頁巖儲層特征方面前人都有一定的研究，但3套頁巖層系在組構(gòu)特征、孔隙結(jié)構(gòu)及儲集能力方面的對比研究鮮有涉及，不同層系儲集能力差異控制因素尚未深入的揭示，一定程度上制約了對頁巖氣差異富集的認識和有利目標(biāo)區(qū)的優(yōu)選。因此，深入分析不同沉積背景頁巖儲層，探究不同層系頁巖儲層發(fā)育的差異主控因素，對于不同類型儲層頁巖氣成藏再認識及勘探突破具有重要現(xiàn)實意義。本文選取川西南下志留統(tǒng)海相頁巖、湘中上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖和川東北下侏羅統(tǒng)陸相頁巖為研究對象(圖1)，在沉積背景、地化特征、巖石學(xué)特征以及孔隙結(jié)構(gòu)特征研究的基礎(chǔ)上，進行了物質(zhì)基礎(chǔ)和孔隙儲集能力的對比，對于指導(dǎo)中國頁巖氣勘探開發(fā)，特別是研究基礎(chǔ)較為薄弱的海-陸過渡相和陸相頁巖氣具有深遠的指導(dǎo)意義。

圖1 中國南方典型頁巖區(qū)域地質(zhì)概況及井位分布

1 地質(zhì)特征及發(fā)育模式

下志留統(tǒng)海相頁巖形成于川中古隆起、黔中古隆起和雪峰古隆起夾持的陸內(nèi)坳陷[21-23]。沉積早期四川盆地南部及東南部為深水陸棚，向西、向北逐步過渡為淺水陸棚，西側(cè)為缺失區(qū)。由于岡瓦納冰川消融，海平面上升，海洋水體底部處于低能、滯留、缺氧、欠補償?shù)纳钏懪锃h(huán)境，發(fā)育富含有機質(zhì)的黑色頁巖[24-26](圖2a)。有機質(zhì)主要來源于硅質(zhì)藻類，顯微組分中腐泥組含量高，以藻類體和棉絮狀無定形體為主；頁巖類型主要為硅質(zhì)頁巖和混合質(zhì)頁巖，硅質(zhì)具有生物成因，頁巖具有高脆性礦物含量特征[27]。

上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖沉積于潮坪—潟湖沉積環(huán)境[23](圖2b)。受構(gòu)造格局、沉積相類型、地化特征影響，海-陸過渡相頁巖非均質(zhì)性較強，縱橫向厚度變化大，分布面積廣，于四川盆地、滇黔桂、湘鄂地區(qū)均有發(fā)育，累計厚度大，單層厚度最大可達到25 m。頁巖類型可單獨發(fā)育或與煤層交互發(fā)育。由于古地理格局和沉積環(huán)境的變化差異，同期異相特征明顯，呈弧形帶狀展布。晚二疊世受東吳運動影響，海水向北東方向退卻，發(fā)育粘土型泥頁巖，粘土含量高，硅質(zhì)含量較低，主要為陸源碎屑成因，有機質(zhì)主要來源于陸源高等植物碎屑[28-29]。

下侏羅統(tǒng)陸相頁巖沉積環(huán)境為淺湖、半深湖的湖相沉積(圖2c)。頁巖厚度由沉積中心向湖盆四周逐漸減小，頁巖厚度為60～450 m[30-32]。頁巖巖性主要為灰黑色頁巖、灰黑色含生屑頁巖、灰色灰質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥頁巖，夾薄層的灰褐色含泥介屑灰?guī)r，部分層段介殼生物發(fā)育。陸相地層在沉積時期湖平面可發(fā)生頻繁變化，導(dǎo)致處于淺湖和半深湖相帶中的泥頁巖與砂巖、灰?guī)r形成互層沉積，從而紋層較為發(fā)育。

圖2 中國南方典型頁巖沉積模式(據(jù)文獻修改)[26,28,32]

2 地球化學(xué)特征及差異

下志留統(tǒng)海相頁巖以富有機質(zhì)頁巖為主，含有機質(zhì)頁巖次之，有機碳含量(TOC)分布范圍為0.63%～5.41%，平均含量為2.56%；TOC>2.0%所占比例為62.5%，其中TOC>4.0%占比15.2%。上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖以含有機質(zhì)頁巖為主，富有機質(zhì)頁巖次之，有機質(zhì)分布范圍為0.60%～5.01%，平均含量為1.93%，TOC>2.0%占比43%，其中TOC>4.0%占比11%。下侏羅統(tǒng)陸相頁巖TOC分布范圍為0.23%～4.73%，平均含量為1.1%；TOC<1%所占比例為58%，范圍在1.0%～2.0%所占比例為30%，而TOC含量大于2%的樣品相對較少，僅占11%(圖3)。

圖3 中國南方典型頁巖有機質(zhì)豐度統(tǒng)計

下志留統(tǒng)海相頁巖熱演化程度普遍較高，處于高—過成熟階段，等效鏡質(zhì)體反射率(Ro)分布范圍為2.35%～3.74%，平均值為2.77%。上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖演化程度略低，Ro分布范圍為2.32%～2.61%，平均值為2.47%。下侏羅統(tǒng)陸相頁巖成熟度較低，處于成熟-高成熟階段，Ro介于1.35%～1.92%，平均值為1.68%(圖4)。

圖4 中國南方典型頁巖熱演化程度統(tǒng)計

下志留統(tǒng)海相頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型、Ⅱ1型為主，干酪根顯微組分主要為腐泥組，所占比例高達85%，殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量較少，平均值分別為4.01%，2.47%和1.75%；有機質(zhì)主要來源于深水—半深水陸棚沉積環(huán)境藻類、海綿以及放射蟲等浮游生物。上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖有機質(zhì)顯微組分主要為Ⅲ型干酪根，腐殖質(zhì)體積含量超過70%，指示其有機質(zhì)來源于淺水沉積環(huán)境下的陸源高等植物碎屑和生物殼體。下侏羅統(tǒng)陸相頁巖顯微組分中腐泥組含量較高平均含量為62%，鏡質(zhì)組含量占38%，有機質(zhì)類型主要為來自浮游生物的Ⅱ1和Ⅱ2型，也有部分來自陸源高等植物的Ⅲ型母質(zhì)，有機質(zhì)類型顯得更為復(fù)雜(圖5)。

圖5 中國南方典型頁巖干酪根顯微組分統(tǒng)計

3 組構(gòu)特征及差異

下志留統(tǒng)海相頁巖礦物組成主要為石英和粘土礦物，含量分別為20.8%～71.5%(平均36.5%)和13.1%～60.0%(平均38.1%)；其次為碳酸鹽礦物(方解石、白云石)，含量為1.3%～45.5%，平均值21.3%；長石含量相對較少，平均為4.3%；黃鐵礦普遍存在，含量多小于10%，平均值為3.3%(圖6)。下志留統(tǒng)底部頁巖層段主要發(fā)育4種巖相類型，不同巖相頁巖的組構(gòu)特征具有一定差異。①富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(ORSS)，細粒、紋層狀構(gòu)造，主要由硅質(zhì)礦物與粘土互層組成，其中硅質(zhì)含量高，由于早志留世特殊沉積環(huán)境及后期強還原環(huán)境，基質(zhì)礦物中生物硅含量較高[21]，增強了基質(zhì)格架抗壓能力，對無機孔隙保存起到了良好支撐作用，為后期遷移有機質(zhì)充填提供了儲集空間(圖7a,b)；②富有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖(ORAS)，細粒、塊狀構(gòu)造，粘土礦物含量高，脆性礦物多呈零星狀混雜分布，過高粘土含量使得頁巖抗壓實能力有所減弱(圖7c)；③富有機質(zhì)混合質(zhì)頁巖(ORMS)，細粒、塊狀構(gòu)造，脆性礦物與粘土礦物雜亂分布，沒有明顯的定向性，礦物孔隙幾乎全部被有機質(zhì)充填(圖7d,e)；④含有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖(OMAS)，塊狀構(gòu)造，粘土礦物含量高被強烈壓實，硅質(zhì)、鈣質(zhì)等脆性礦物支撐作用有限，無機孔隙保存不佳，可供后期遷移有機質(zhì)充填空間有限，有機質(zhì)含量相對較低(圖7f)。

圖6 中國南方典型頁巖礦物組分分布端元圖

上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖礦物組分以粘土礦物為主，含量占總體55.7%，石英和長石含量相對較低，占35.7%，碳酸鹽巖礦物含量較少(8.6%)。上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖主要發(fā)育4種巖相，巖相間組構(gòu)特征存在顯著差異。①含有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖(OMAS)，發(fā)育層狀含粉砂粘土質(zhì)組構(gòu)，微弱層理發(fā)育，基質(zhì)中粘土礦物含量高，其次為碎屑石英、長石。黃鐵礦集合體發(fā)育，碎屑顆粒包裹于粘土中，粘土板片具有定向性(圖7g)；②富有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖(ORAS)，發(fā)育層狀粘土質(zhì)組構(gòu)，微弱層理發(fā)育，基質(zhì)中粘土礦物含量高，泥晶石英為粘土礦物轉(zhuǎn)化析出。黃鐵礦集合體發(fā)育，碎屑顆粒包裹于粘土中，粘土板片具有定向性(圖7h)；③含有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(OMSS)，發(fā)育塊狀粉砂質(zhì)組構(gòu)，層理不發(fā)育，巖石呈細粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，碎屑顆粒成分以石英、長石為主，云母碎片發(fā)育，膠結(jié)物主要為碳酸鹽巖，晶體呈泥晶結(jié)構(gòu)充填于粒間孔隙中，黃鐵礦與泥質(zhì)混雜，云母碎片排列略具定向性(圖7i)；④含有機質(zhì)混合質(zhì)頁巖(OMMS)，發(fā)育含鈣質(zhì)夾層粘土質(zhì)組構(gòu)，碳酸鹽巖條帶與粘土質(zhì)薄層互層，粘土質(zhì)薄層中介殼廣泛分布，具水平定向性，主要基質(zhì)為粘土礦物、碎屑石英、長石及碳酸鹽巖，黃鐵礦成集合體分散分布(圖7j)。

圖7 中國南方典型頁巖基質(zhì)組構(gòu)特征

下侏羅統(tǒng)陸相頁巖礦物組分以石英和粘土礦物為主，其中石英含量相對較高，分布范圍19.3%～63.2%，平均為41.1%；其次是粘土礦物，分布范圍18.6%～52.7%，平均為40.2%，方解石含量較低，平均含量達10.7%。下侏羅統(tǒng)陸相頁巖主要發(fā)育6種巖相，巖相間組構(gòu)特征存在顯著差異。①富有機質(zhì)粘土頁巖(ORAS)，塊狀構(gòu)造，巖石主要由泥質(zhì)及少量粉砂級碎屑顆粒構(gòu)成，泥質(zhì)含量可達90%，粘土礦物與有機質(zhì)共生，其中夾雜少量粒狀碳酸鹽晶體(圖7k)；②含有機質(zhì)粘土頁巖(OMAS)，主要由泥質(zhì)和少量碎屑顆粒組成，泥質(zhì)含量占80%以上，見少量粒狀的黃鐵礦晶體，粘土礦物呈明顯的紋層狀構(gòu)造，泥質(zhì)呈條帶狀定向分布(圖7l)；③富有機質(zhì)混合頁巖(ORMS)，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，碎屑顆粒主要為石英和云母碎片，膠結(jié)物為泥質(zhì)和鈣質(zhì)，基質(zhì)中夾雜團粒狀黃鐵礦，可見部分亮晶碳酸鹽礦物組成的生物化石，生物化石可占薄片總面積的20%，生物化石碎片長軸排列具有定向性(圖7m)；④含有機質(zhì)混合頁巖(OMMS)，成分以泥質(zhì)和鈣質(zhì)為主，生物化石長軸排列具有定向性，呈紋層構(gòu)造，粘土和鈣質(zhì)礦物混合沉積，薄互紋層之間可見部分無機孔隙，可以增加儲層孔隙空間(圖7n)；⑤含有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(OMSS)，塊狀構(gòu)造，以碎屑石英和長石為主，其次為泥質(zhì)粘土和云母，其中石英顆粒形狀不規(guī)則，磨圓程度中等，主要來自于陸源沉積，視域中可見微裂縫，但被粘土、鈣質(zhì)等雜基充填(圖7o)；⑥貧有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(OPSS)，塊狀構(gòu)造，以石英和長石等脆性礦物為主，膠結(jié)物主要為粘土和云母，成鱗片狀充填于碎屑顆粒之間，少見黃鐵礦(圖7p)。

綜合3套層系頁巖的地球化學(xué)特征和組構(gòu)特征對比可知，海相頁巖平均有機質(zhì)豐度最高，脆性礦物含量較高，富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖和富有機質(zhì)混合頁巖最為發(fā)育，其次為富有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖和含有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖；海-陸過渡相頁巖有機質(zhì)豐度中等，脆性礦物含量最低，以富有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖和含有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖為主，其次為含有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖和含有機質(zhì)混合質(zhì)頁巖；陸相頁巖有機質(zhì)豐度最低，脆性礦物介于海相和海-陸過渡相之間，表現(xiàn)出更為復(fù)雜的巖相類型和組構(gòu)特征，巖相以含有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖、含有機質(zhì)混合質(zhì)頁巖和含有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖為主，其次為富有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖、富有機質(zhì)混合頁巖和貧有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖。

4 孔隙結(jié)構(gòu)特征及差異

下志留統(tǒng)海相頁巖有機質(zhì)孔最為發(fā)育，呈橢圓形、似圓形和不規(guī)則蜂窩狀(圖8a—c)，是有機質(zhì)內(nèi)部由于生氣作用產(chǎn)生的孔隙。該類孔隙除了發(fā)育在孤立有機質(zhì)內(nèi)部外，還常發(fā)育在與粘土礦物或是黃鐵礦共生的有機質(zhì)內(nèi)部，且有機質(zhì)-粘土復(fù)合體或黃鐵礦共生的有機質(zhì)孔隙面孔率較高，這是由于粘土礦物與黃鐵礦等具有催化生烴的作用。與有機質(zhì)孔相比壓實殘余孔隙的孔徑相對較大，幾百納米到微米級，包括顆粒內(nèi)部溶蝕孔(圖8d)、脆性礦物粒間孔(圖8e)、粘土礦物粒間孔(圖8g,j)以及被后期充填的黃鐵礦晶間孔隙(圖8f)等。

上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖孔隙類型以粘土礦物孔隙為主，壓實殘余孔隙、溶蝕孔隙和有機質(zhì)孔隙相對較少(圖8h—m)。上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖泥質(zhì)含量較高，顆粒間多被塑性變形粘土充填，壓實殘余孔隙發(fā)育較少，主要分布在粒徑較小的顆粒間隙內(nèi)。鏡下可觀測到收縮縫，縫隙兩側(cè)邊緣形態(tài)吻合度高，表明該類型空間為取心或制樣后脫水收縮形成，地層條件下并不存在(圖8h,i)。粘土礦物孔隙廣泛發(fā)育且未被有機質(zhì)充填，多形成于高嶺石狹縫內(nèi)或伊蒙混層內(nèi)，成狹縫狀或不規(guī)則狀，孔徑尺度跨度大(100～1 000 nm)(圖8j,k)。有機質(zhì)多呈團塊狀集中分布或呈現(xiàn)原始生物形態(tài)特征。有機質(zhì)孔隙多具有沉積繼承性，孔徑大但數(shù)量較少，且多被次生礦物膠結(jié)充填；熱成因孔隙發(fā)育較少且孔隙成針孔狀零星分布(圖8l,m)。

陸相頁巖儲層主要孔隙類型為有機質(zhì)孔和粘土礦物孔隙。有機質(zhì)孔隙發(fā)育受控于有機質(zhì)類型，呈現(xiàn)出強非均質(zhì)性。富含Ⅲ型有機質(zhì)的頁巖樣品中，有機質(zhì)孔隙發(fā)育較少，呈條帶狀分布(圖8n)，為惰質(zhì)顯微組分；富含Ⅱ型有機質(zhì)的頁巖樣品中，多發(fā)育瀝青質(zhì)，多呈遷移狀或不規(guī)則狀，孔隙較為發(fā)育，具有蜂窩狀形態(tài)特征，可與粘土礦物(圖8o)以及黃鐵礦(圖8p)混雜，亦可見部分細胞骼架殘留形成的有機質(zhì)孔隙(圖8q)。陸相頁巖粘土礦物含量較高，粘土聚集體成巖收縮及晶體堆積時形成粘土礦物晶間孔隙(圖8r,s)，由于壓實程度較低，大量粘土礦物孔隙得以保存，多呈狹長縫隙狀。粒內(nèi)孔和粒間孔發(fā)育相對較少，粒內(nèi)孔主要在石英、長石和方解石的顆粒內(nèi)孔隙一般分布均勻，形狀通常為圓形和橢圓形，粒間孔主要以礦物顆粒間殘余孔隙存在(圖8t)。

圖8 中國南方典型頁巖孔隙類型及發(fā)育特征

5 儲集能力特征及差異

頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征差異必然導(dǎo)致儲層儲集能力的不同。為了進一步評價儲層儲集能力，對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進行定量分析，本節(jié)重點對比了3套層系不同巖相的孔體積和比表面積參數(shù)?？傮w上，3套頁巖孔體積主要由中孔和宏孔貢獻，而比表面積主要由微孔和中孔貢獻。通過對比分析可知，具有不同地質(zhì)背景的3套頁巖孔體積和比表面積差異較大。下志留統(tǒng)海相頁巖和上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖具有較高的孔體積，平均孔體積分別為0.026 cm3/g和0.023 cm3/g。其中，下志留統(tǒng)海相頁巖中孔孔體積略高，而上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖宏孔孔體積略高。對比而言，下侏羅統(tǒng)陸相頁巖孔體積較低，平均孔體積僅為0.017 cm3/g，其孔體積主要由中孔貢獻(圖9)。通過比表面積對比可知，下志留統(tǒng)海相頁巖比表面積最高，平均比表面積為28.99 m2/g，微孔比表面積高于中孔；而下侏羅統(tǒng)陸相頁巖和上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖比表面積較低，平均比表面積分別為11.90 m2/g和6.33 m2/g，兩套層系微孔和中孔對比表面積的貢獻相當(dāng)(圖9)。

圖9 海相、海-陸過渡相和陸相頁巖不同巖相間孔體積和比表面積對比

通過層系間對比可以一定程度上表征不同地質(zhì)背景下3套頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征差異。然而，頁巖儲層具有極強的非均質(zhì)性，層系間孔隙結(jié)構(gòu)特征對比分析僅能大致分析3套頁巖儲集能力特征差異。為克服頁巖非均質(zhì)性，頁巖層系內(nèi)不同巖相間儲集能力特征對比分析具有重要研究意義，亦是儲集能力影響因素分析的基礎(chǔ)。

下志留統(tǒng)海相頁巖整體上具有較高的孔體積和比表面積，但不同巖相之間具有一定的差異，孔體積大小依次為ORSS>ORAS>ORMS>OMAS，而比表面大小為ORAS>ORMS>ORSS>OMAS(圖9a,b)。海相頁巖普遍處于高過成熟階段，干酪根裂解與遷移有機質(zhì)裂解生氣，能夠產(chǎn)生大量有機質(zhì)孔隙[33-35]，為頁巖氣賦存提供絕大部分儲集空間(圖8a,b)；生物硅的發(fā)育一定程度上增加了頁巖抗壓實能力，利于無機孔隙的保存，為后期遷移有機質(zhì)充填提供了有利空間(圖7a,圖7b，圖8c)；過高粘土礦物含量會降低頁巖抗壓實能力，不利于孔隙的發(fā)育(圖8r)，因此，富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖具有最大孔體積，而含有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖孔體積最小。有機質(zhì)內(nèi)部廣泛發(fā)育微孔及中孔，并且孔隙往往相互連通形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)(圖8b)，極大的增加了孔隙比表面積；粘土礦物絮狀、鱗片狀和板狀結(jié)構(gòu)及壓實扭曲特性(圖8r)，使得與其它脆性礦物形成的孔隙相比具有相對較大的比表面積，因此，高有機質(zhì)含量極大增加了頁巖比表面積，粘土礦物對比表面積也有一定貢獻，使得4種巖相中富有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖具有較高的比表面積，含有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖比表面積相對較小。

上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖總體上具有較高孔體積和低比表面積特征?？左w積和比表面積變化規(guī)律并不一致。孔體積由大到小為OMAS>ORAS>OMSS>OMMS。其中，OMAS孔體積最高，而OMMS孔體積最低，表明礦物組分差異影響孔體積高低(圖9c)。另一方面，比表面積由大到小為ORAS>OMAS>OMMS>OMSS，表明有機質(zhì)豐度影響上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖比表面積，小孔徑孔隙主要由有機質(zhì)提供，但整體并不發(fā)育(圖9d)。上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征與鏡下觀測孔隙類型形態(tài)規(guī)律一致。有機質(zhì)多呈塊狀集中，零散分布于基質(zhì)中，有機質(zhì)孔隙發(fā)育隨機，多為孔徑較大的結(jié)構(gòu)孔隙，熱成因孔隙較少，故對比表面積僅有微弱貢獻[36]；粘土板片間未見有機質(zhì)充填，粘土礦物孔隙發(fā)育且多位于顆粒礦物周邊(圖8j—k)，說明一定的礦物組分比例有利于粘土礦物孔隙發(fā)育，是高孔體積的有利控制因素。

下侏羅統(tǒng)陸相頁巖整體上具有中等的孔體積和比表面積，不同巖相間的孔體積和比表面積差異較大，并且孔體積與比表面積變化規(guī)律并不一致，孔體積大小依次為ORMS>OMMS>ORAS>OMAS>OMSS(圖9e)，而比表面積大小為ORAS>ORMS>OMMS>OMAS>OMSS(圖9f)。ORAS、ORMS、OMMS和OMAS無機礦物孔隙以粘土礦物孔為主，有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，孔體積和比表面積大于硅質(zhì)頁巖。同時，有機質(zhì)豐度相似的情況下，混合質(zhì)頁巖孔體積明顯大于泥質(zhì)頁巖，表明一定量的脆性礦物對陸相頁巖起到支撐作用，避免因壓實作用引起頁巖孔體積降低。OMSS巖相頁巖具有低孔體積和低比表面積的特征，表明陸相高硅質(zhì)的頁巖硅質(zhì)來源以陸源碎屑硅為主[39,40]，陸源輸入稀釋有機質(zhì)且以Ⅲ型腐殖質(zhì)為主，致使有機質(zhì)孔隙發(fā)育較差，無法為頁巖提供相應(yīng)孔比表面積。

6 儲集能力主控因素

頁巖儲層儲集能力主要受控于兩方面因素：一方面，原始沉積環(huán)境控制儲層物質(zhì)基礎(chǔ)，決定儲層原始儲集能力，是儲層后期成巖改造的前提條件；另一方面，后期成巖演化條件在一定物質(zhì)基礎(chǔ)上控制儲層成巖演化路徑，最終決定儲層儲集能力[41-42]。通過對比中國南方不同沉積環(huán)境3套頁巖層系，基于孔隙結(jié)構(gòu)定量參數(shù)與基質(zhì)組分參數(shù)相關(guān)性分析，結(jié)合鏡下直觀觀測為主要依據(jù)，探討了南方多層系頁巖儲層儲集能力的主控因素。

下志留統(tǒng)海相頁巖有機質(zhì)類型傾向于Ⅰ型，主要來源于藻類。通過統(tǒng)計分析可知，下志留統(tǒng)海相頁巖的孔體積和比表面積與有機質(zhì)豐度均具有良好的正相關(guān)性(圖10)，有機質(zhì)豐度是頁巖孔隙發(fā)育的主要控制因素。掃描電鏡下可觀察到有機質(zhì)孔廣泛發(fā)育，是高過成熟海相頁巖主要儲集空間(圖8a—c)。上二疊統(tǒng)海-陸過渡相頁巖儲層有機質(zhì)類型傾向于Ⅲ型，主要來源于近岸高等植物碎屑。腐殖質(zhì)干酪根不易形成熱成因孔隙，其原始沉積結(jié)構(gòu)孔隙發(fā)育較少[43](圖8l,m)，故孔體積和比表面積與有機質(zhì)豐度相關(guān)性不顯著，對于頁巖儲集空間貢獻不顯著(圖10)。下侏羅統(tǒng)陸相頁巖整體上有機質(zhì)孔隙發(fā)育非均質(zhì)性強[37-38]，從掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)不同母質(zhì)來源的干酪根有機質(zhì)孔發(fā)育程度不同，來自浮游生物的Ⅱ1和Ⅱ2型的干酪根有機質(zhì)孔隙發(fā)育較好(圖8o—q)，而來自陸源高等植物的Ⅲ型母質(zhì)有機質(zhì)幾乎不發(fā)育(圖8n)。統(tǒng)計分析表明腐泥質(zhì)含量>60%時，孔體積和比表面積與TOC具有明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖10)，說明有機質(zhì)的顯微組分差異對于陸相頁巖儲層孔隙發(fā)育具有重要的控制作用，高腐泥質(zhì)含量(>60%)是儲集能力優(yōu)越的保障。通過對比3套頁巖可知，不同沉積環(huán)境有機質(zhì)來源不同，有機質(zhì)孔隙發(fā)育能力存在差異，是致使不同沉積環(huán)境的頁巖儲集能力存在差異的影響因素。

圖10 中國南方典型頁巖孔體積和比表面積與TOC統(tǒng)計關(guān)系

通過掃描電鏡觀察，與脆性礦物相關(guān)孔隙稀少、孔徑較大且孔隙表面形態(tài)簡單(圖8)，不能提供吸附點位，對比表面積貢獻較小(圖11)；考慮到小孔徑孔隙空間通常被遷移有機質(zhì)占據(jù)，連通性好的大孔隙更加無法保留下來，僅有機質(zhì)豐度較低時，與脆性硅質(zhì)礦物相關(guān)的壓實殘余孔隙才有一定殘留。另一方面，碳酸鹽巖礦物為易溶礦物[44]，在酸性流體作用下可形成次生溶蝕孔隙，但多以孤立點狀存在，孔隙數(shù)量少，不具有儲集意義。因此，脆性礦物在致密的頁巖儲層當(dāng)中，對于孔體積和比表面積的貢獻較低，表現(xiàn)出孔體積和比表面積與脆性礦物之間存在微弱的正相關(guān)性(圖11)。然而，脆性礦物抗壓實能力強，對于次生孔隙具有保護作用。頁巖儲層主要次生孔隙為有機質(zhì)孔隙以及粘土礦物孔隙，其賦存基質(zhì)均呈塑性。故原生脆性礦物組成的支撐格架以及次生的脆性顆粒均能夠承擔(dān)上覆地層壓力，保護次生孔隙免受壓實。有機質(zhì)遷移至先存黃鐵礦晶間孔隙中，再次進行裂解形成有機質(zhì)孔隙，黃鐵礦顆粒之間剛性接觸組成支撐格架保護有機質(zhì)孔隙免受壓實；粘土礦物轉(zhuǎn)化過程中析出Fe，Ca，Si形成黃鐵礦晶粒、次生方解石及次生石英晶體提供支撐格架，支撐粘土板片閉合保護粘土礦物孔隙[45]；有機質(zhì)遷移至先存粘土礦物孔隙空間，先存格架起到支撐作用，保護次生有機質(zhì)孔隙。故與脆性礦物相關(guān)的原生孔隙多受壓實和充填而破壞，其組成的顆粒支撐格架對于次生孔隙的保存仍具有積極意義。

圖11 中國南方典型頁巖孔體積和比表面積與脆性礦物含量關(guān)系

孔體積和比表面積與粘土礦物之間相關(guān)性在不同層系甚至不同礦物組構(gòu)特征的巖相中存在顯著差異(圖12)。粘土礦物雖然能夠通過成巖轉(zhuǎn)化形成次生孔隙，但其巖石力學(xué)屬性為塑性，容易受壓實變形，故其形成的次生孔隙需要與脆性礦物伴生才能保存；同時，有機質(zhì)遷移充注也是粘土礦物孔隙較少的原因之一，故粘土礦物對孔隙空間的貢獻能力視其基質(zhì)組成而定?？左w積與粘土礦物含量具有先增加后減小的關(guān)系，表明一定范圍內(nèi)粘土礦物有利于孔隙的發(fā)育，但并不是含量越高越好，過高粘土含量會降低頁巖抗壓實能力，對孔隙發(fā)育不利。故粘土礦物孔隙發(fā)育需滿足合理的礦物匹配比例(硅泥比為2/3)。掃描電鏡下可以觀測到粘土礦物孔隙多發(fā)育于脆性礦物周緣，亦能證明粘土礦物孔隙與脆性礦物的伴生關(guān)系。同時，粘土礦物不能提供次生礦物的膠結(jié)點位，可阻止水巖作用的發(fā)生，有利于粘土礦物孔的保存。另一方面，粘土礦物可提供一定的比表面積，但由于孔徑尺度和孔表面形態(tài)的差異，其貢獻能力遠低于有機質(zhì)，表現(xiàn)出比表面積與粘土礦物含量相關(guān)性不顯著。

圖12 中國南方典型頁巖孔體積和比表面積與粘土礦物含量關(guān)系

7 結(jié)論

1)不同沉積背景頁巖物質(zhì)基礎(chǔ)在差異成巖改造作用下呈現(xiàn)出迥異的儲集性能，勘探目標(biāo)應(yīng)依據(jù)特定頁巖層系差別對待。

2)海相頁巖富Ⅰ型有機質(zhì)具遷移和產(chǎn)孔能力，以有機質(zhì)孔隙為主；海-陸過渡相富Ⅲ型有機質(zhì)呈惰性，以粘土礦物孔隙為主；陸相有機質(zhì)顯微組分混雜，以粘土礦物孔隙和有機質(zhì)孔隙為主。

3)海相頁巖優(yōu)勢巖相為富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖，具有高孔體積(平均值0.026 cm3/g)和高比表面積(平均值28.99 m2/g)；海-陸過渡相頁巖優(yōu)勢巖相為富含有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖，具有高孔體積(平均值0.023 cm3/g)和低比表面積(平均值6.33 m2/g)；陸相頁巖優(yōu)勢巖相為富有機質(zhì)泥質(zhì)頁巖和富有機質(zhì)混合質(zhì)頁巖，孔體積(平均值0.017 1 cm3/g)和比表面積(平均值11.90 m2/g)適中。

4)海相頁巖有機質(zhì)豐度是儲集能力好壞的決定性因素；海-陸過渡相頁巖合理的礦物組構(gòu)匹配(硅泥比2/3)是儲集能力好壞的決定性因素；陸相頁巖高腐泥質(zhì)含量(大于60%)和合理的礦物組構(gòu)匹配是儲集能力優(yōu)越的有利條件。