摘 要：四川盆地南部下寒武統(tǒng)筇竹寺組是我國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一，但對其頁巖氣儲層的研究深度遠(yuǎn)不及下志留統(tǒng)龍馬溪組，有關(guān)其儲集空間定量表征的成果更是鮮見。為此，借鑒龍馬溪組頁巖儲集空間定量表征的方法和思路，以鉆井資料為基礎(chǔ)，對川南筇竹寺組黑色頁巖段基質(zhì)孔隙構(gòu)成和裂縫發(fā)育狀況進行了定量評價。初步發(fā)現(xiàn)其儲集空間具有4大特征：①脆性礦物、黏土礦物和有機質(zhì)三者產(chǎn)生的單位質(zhì)量孔隙體積為有機質(zhì)最高、黏土礦物次之、脆性礦物最少；②有效頁巖段孔隙度相對較小，僅為龍馬溪組的l／3～1／2，且孔隙構(gòu)成以黏土礦物層間孔隙和有機質(zhì)孔隙為主體；③基質(zhì)孔隙減少的原因主要包括兩點，一是該頁巖熱成熟度過高，有機碳可能出現(xiàn)碳化，導(dǎo)致有機質(zhì)孔隙部分出現(xiàn)塌陷和充填，二是成巖作用強，導(dǎo)致基質(zhì)孔隙以中小孔隙為主，大孔隙少，巖石更加致密；④黑色頁巖裂縫發(fā)育，裂縫’規(guī)模以微型、小型裂縫為主，裂縫密度在頂部和中下部較大，上部相對較小，反映了筇竹寺組總體具有脆性礦物含量高、楊氏模量高、泊松比低、脆性好等特點。
關(guān)鍵詞：四川盆地南部 早寒武世 頁巖氣 儲集層表征 富有機質(zhì)頁巖 有機質(zhì)孔隙 黏土礦物層間孔隙 裂縫(巖石)
Quantitative characterization of reservoir space in the Lower Cambrian Qiongzh usi Shale,Southern Sichuan Basin
Abstract：The lower Cambrian Qiongzhusi Shale in the southern Sichuan Basin has become one of the main targets of the exploration and development of marine shale gas in South China．However，few literatures have ever been found on the characterization of the reservoir space in this study area．In view of this，with the reference to the idea and methodology of reservoir space characterization of the Longmaxi Shale，we made a quantilative evaluation，based on the drilling data of the matrix pore structure and fracture developed status in the black shales in the Qiongzhusi Fm．The following findings were obtained．a．The unit mass pore volumes of brittle minerals,clay minerals and organic matter are from low to high successively．b．The porosity of the effective shales is rather small and is only one third or one half of that in the Longmaxi Shale；the pores are mainly made up of those in organic matter and between clay mineral beds．c．The matrix pores decrease for two reasons．First，the thermal maturity of the shales is overly high so the organic carbon would be possibly carbonization，which leads to the collapse and filling of some pores in organic matter．Second，because of strong diagenesis，the matrix pores are dominated by moderate and small pores so the rocks are very tight with very few big pores．d．The fractures are well developed in the black shales and are dominated by micro and small scale fissures；the fracture density is greater on the top and in the middle and lower beds，but relatively smaller in the upper beds．In conclusion，the Qiongzhusi Shale is characterized by a high content of brittle minerals，high Young's modulus，low Poisson's ratio，good brittleness，and so on．
Key words：Sichuan Basin，south，Early Cambrian，shale gas，reservoir characterization，organic-rich shales，fracture(rock)
四川盆地南部下寒武統(tǒng)筇竹寺組是我國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一[1-4]。近幾年來，地質(zhì)工作者圍繞該層系開展了頁巖氣資源調(diào)查與選區(qū)評價工作，在富有機質(zhì)頁巖分布、沉積環(huán)境、巖石學(xué)特征、儲集空間類型、納米級孔隙特征、含氣量等儲層研究方面取得了一些重要認(rèn)識[1-9]，總體上認(rèn)為：川南筇竹寺組黑色頁巖形成于海侵體系域的深水陸棚區(qū)，厚度一般介于40～220m(其中TOC＞2％頁巖集中段厚度介于20～100m)，分布面積為4.2×104km2，基質(zhì)孔隙和裂縫發(fā)育，含氣量與北美頁巖氣層相比處于中—低水平[1，3-6，8]。這些成果和認(rèn)識從宏觀層面對開展高過成熟海相頁巖氣戰(zhàn)略選區(qū)和資源評價工作提供了重要地質(zhì)依據(jù)，但受勘探程度低、實驗手段少和資料掌握程度有限等多種因素的制約，筇竹寺組頁巖氣儲層研究深度遠(yuǎn)不及下志留統(tǒng)龍馬溪組，有關(guān)其儲集空間定量表征的成果更鮮見報道。
儲集空間表征是頁巖氣儲層評價的核心內(nèi)容，也是開展頁巖氣富集高產(chǎn)機理研究的基礎(chǔ)性工作。目前，頁巖儲集空間表征主要通過應(yīng)用高精度電子顯微鏡觀測、實驗室分析測試、地球物理探測、地質(zhì)統(tǒng)計分析等手段，識別頁巖孔隙類型，多尺度描述孔隙尺寸與連通性，測定孔隙度、比表面積、滲透率等參數(shù)，了解孔隙演化趨勢[4-6，10-20]，為衡量和評價頁巖氣儲層優(yōu)劣提供科學(xué)依據(jù)。
筆者所在的課題組曾對川南龍馬溪組頁巖開展了儲集空間定量表征研究，通過建立頁巖三層巖石物理模型(即脆性礦物層、黏土層和有機質(zhì)層三層模型)及其孔隙度數(shù)學(xué)模型[11]，對龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖段基質(zhì)孔隙構(gòu)成和裂縫發(fā)育狀況進行了定量表征，揭示了龍馬溪組頁巖儲集空間的四大特征[11]。這些成果和認(rèn)識對開展筇竹寺組相關(guān)研究具有重要的指導(dǎo)意義。
本文以川南筇竹寺組A井、B井兩口鉆井資料為基礎(chǔ)(圖1)，借鑒龍馬溪組頁巖儲集空間定量表征的方法和思路[11]，應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計分析法、高精度電子顯微鏡、地球物理測井等技術(shù)，依據(jù)頁巖巖礦、地化、物性等實驗測試數(shù)據(jù)，對筇竹寺組黑色頁巖(TOC>1％，下同)基質(zhì)孔隙度構(gòu)成和裂縫發(fā)育狀況進行了定量分析和評價，并通過與龍馬溪組頁巖納米級孔隙系統(tǒng)的對比分析，對筇竹寺組頁巖基質(zhì)孔隙度的影響因素進行了探索研究，以期為深化頁巖氣富集機理研究提供地質(zhì)依據(jù)。
1 頁巖基質(zhì)孔隙定量表征
1．1 基質(zhì)孔隙類型
關(guān)于筇竹寺組、龍馬溪組等海相頁巖基質(zhì)孔隙類型，王玉滿、董大忠等已經(jīng)在相關(guān)文獻中進行了成因分類和詳細(xì)描述[10-11]，總體認(rèn)為基質(zhì)孔隙包括殘余原生孔隙、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔、黏土礦物層間孔隙和有機質(zhì)孔隙等4種成因類型，其中黏土礦物層間孔隙和有機質(zhì)孔隙是頁巖儲集空間的特色和重要組成部分[1，10-11]。根據(jù)頁巖內(nèi)孔隙的賦存狀態(tài)，可將基質(zhì)孔隙進一步歸納為脆性礦物內(nèi)微孔隙、有機質(zhì)微孔隙、黏土礦物層間微孔隙，這是海相頁巖儲集卒間定量表征的重要依據(jù)[11]。
1．2 基質(zhì)孔隙度數(shù)學(xué)模型
頁巖儲集空間表征的重點是建立巖石物理模型及相應(yīng)的孔隙度計算方法。王玉滿、董大忠等建立了龍馬溪組頁巖三層巖石物理模型和基質(zhì)孔隙度數(shù)學(xué)模型，該巖石物理模型即為脆性礦物(石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦等)、有機質(zhì)和黏土礦物(伊利石和綠泥石)三層結(jié)構(gòu)模型，反映了三者對頁巖基質(zhì)孔隙空間的貢獻，詳細(xì)內(nèi)容可參見本文參考文獻[11]，這里僅引述該模型的孔隙度計算公式[11]：
r×ABri×VBri+r×AClay×VClay+r×ATOC×VTOC=j
式中r表示頁巖巖石密度，t／m3，可以通過應(yīng)用巖石物理力學(xué)試驗或壓汞法測試獲得；A表示礦物質(zhì)量百分含量，其中ABri、AClay、ATOC分別表示脆性礦物、黏土礦物和有機質(zhì)三者的質(zhì)量百分含量，可通過X射線衍射全巖分析獲得[11]；V表示每層巖石單位質(zhì)量孔隙體積，m3／t；j表示頁巖孔隙度，其中VBri、VClay、VTOC分別表示脆性礦物、黏土和有機質(zhì)三者單位質(zhì)量內(nèi)微孔隙體積(即3種物質(zhì)單位質(zhì)量對孔隙的貢獻)，在沉積環(huán)境、巖石學(xué)、地球化學(xué)、成巖作用等地質(zhì)條件相似的地區(qū)或?qū)酉?，可以認(rèn)為VBri、VClay、VTOC保持在某一定值，但在不同地區(qū)、不同層系和不同巖相段差異較大，因此針對特定的頁巖段，必須近擇刻度區(qū)進行標(biāo)定計算[11]；j表示頁巖孔隙度，可由氦氣法、液氮法等實驗測試獲得[11]。
在上述參數(shù)中，VBri、VClay、VTOC是孔隙度計算模型中的關(guān)鍵參數(shù)，也是建立不同頁巖基質(zhì)孔隙度模型的基礎(chǔ)。王玉滿、董大忠等以四川盆地南部長寧地區(qū)龍馬溪組為刻度區(qū)，計算獲得了龍馬溪組黑色頁巖段的VBri、VClay、VTOC值(分別為0.0079m3／t、0.039m3／t、0.1381m3／t)，為該頁巖儲集空間的定量計算提供了重要依據(jù)[11]。
筇竹寺組黑色頁巖為廣海深水陸棚相泥頁巖儲層，與龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖在巖相、巖石礦物組成、有機質(zhì)類型和豐度、孔隙類型等方面具有相似性[2-4，7-10]。因此，表征龍馬溪組頁巖儲集空間的巖石物理模型及其孔隙度計算公式同樣適用于筇竹寺組，這也是筆者進行本項研究的重要理論依據(jù)。
1．3 模型關(guān)鍵參數(shù)刻度與檢驗
依據(jù)上述模型分析，要建立適合筇竹寺組黑色頁巖基質(zhì)孔隙度計算模型，必須首先選擇合適的刻度區(qū)對該頁巖的VBri、VClay、VTOC值進行標(biāo)定計算。根據(jù)龍馬溪組刻度區(qū)的選擇標(biāo)準(zhǔn)[11]，筇竹寺組刻度區(qū)的選擇需遵循2個原則：①區(qū)內(nèi)黑色頁巖規(guī)模分布，在南方筇竹寺組頁巖分布區(qū)具有典型性和代表性；②區(qū)內(nèi)筇竹寺組勘探和地質(zhì)認(rèn)識程度相對較高，資料比較豐富。川南筇竹寺組富有機質(zhì)頁巖段主要分布于該地層下部，厚度一般為20～100m，且區(qū)域分布穩(wěn)定(圖1)，在威遠(yuǎn)、長寧兩個區(qū)塊擁有豐富的鉆井資料[2-3]，地質(zhì)認(rèn)識相對成熟，具備刻度區(qū)的基本條件。威遠(yuǎn)A井和長寧B井是近期鉆探且以筇竹寺組為目的層的頁巖氣評價井，揭示了筇竹寺組黑色頁巖的主要地質(zhì)信息，是本項研究的重要資料基礎(chǔ)。
筆者在威遠(yuǎn)A井2796.60～2796.72 m、2788.17～2788.32m和2707.59～2707.68m挑選3個黑色頁巖樣品(對應(yīng)的TOC分別為3.08％、l.73％、1.23％)，對孔隙度數(shù)學(xué)模型進行刻度(表1)。首先，根據(jù)3個深度點的巖礦、TOC和孔隙度等測試資料和孔隙度計算模型建立三元一次方程組，然后解方程組計算獲得VBri、VClay、VTOC這3個關(guān)鍵參數(shù)值。經(jīng)過計算，筇竹寺組黑色頁巖VBri、VClay、VTOC值分別為0.O002m3／t、0.022m3／t、0.069m3／t(表1)。這表明，筇竹寺組頁巖3種物質(zhì)單位質(zhì)量所產(chǎn)生的孔隙體積為有機質(zhì)最大、黏土礦物次之、脆性礦物最小。
根據(jù)VBri、VClay、VTOC的計算結(jié)果，結(jié)合巖石礦物測試數(shù)據(jù)，筆者對威遠(yuǎn)A井2630～2819m頁巖段的32個深度點(對應(yīng)的TOC為0.5％～3.6％)進行了孔隙度測算，并將計算孔隙度與該深度段的實測孔隙度進行對比(圖2)。對比結(jié)果表明，上述32個深度點的計算孔隙度與該井段實測孔隙度吻合，從而證實所選擇的3個刻度點以及VBri、VClay、VTOC計算值符合筇竹寺組頁巖儲集空間的實際地質(zhì)狀況，可以作為分析筇竹寺組孔隙構(gòu)成的有效方法和地質(zhì)依據(jù)。
1．4 基質(zhì)孔隙構(gòu)成
川南筇竹寺組黑色頁巖主要為硅質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖。筆者應(yīng)用孔隙度數(shù)學(xué)模型和VBri、VClay、VTOC計算值，對威遠(yuǎn)A井32個深度點的基質(zhì)孔隙構(gòu)成進行測算，結(jié)果如表2、圖3所示。
筇竹寺組黑色頁巖基質(zhì)孔隙度為l.4％～3.1％(圖2)，約為龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖段的1／3～1／2。在基質(zhì)孔隙中，有機質(zhì)孔隙占1.7％～43.2％(平均為18.6％)，黏土礦物層間孔隙占53.9％～97.4％(平均為79％)，脆性礦物孔隙占0.8％～3.1％(平均為2.4％)(圖3)。在2794～2819m富有機質(zhì)頁巖段，巖性以黑色硅質(zhì)頁巖為主，微含鈣質(zhì)，TOC、黏土礦物和脆性礦物3者含量分別為2.4％～3.6％、l4％～27％、72.8％～85.7％，計算的總孔隙度為l.4％～2.0％，其中有機質(zhì)孔隙占20％～43％(平均為34％)，黏土礦物層間孔隙占53.9％～77.8％，脆性礦物孔隙僅占l.9％～3.1％(圖3)。
可見，筇竹寺組頁巖儲集空間以黏土礦物層間孔隙和有機質(zhì)孔隙為主體，有機質(zhì)孔隙所占比例與龍馬溪組基本接近。這與龍馬溪組儲集空間的主體構(gòu)成相近[11]。
2 有關(guān)頁巖基質(zhì)孔隙度影響因素的探討
經(jīng)過定量分析發(fā)現(xiàn)，筇竹寺組黑色頁巖儲集空間的主體為黏土礦物層間孔隙和有機質(zhì)孔隙，與龍馬溪組相近，但兩套頁巖在基質(zhì)孔隙體積和兩種主要物質(zhì)產(chǎn)生孔隙體積的能力等方面則存在較大差異，主要表現(xiàn)為：筇竹寺組基質(zhì)孔隙體積遠(yuǎn)低于龍馬溪組，基質(zhì)孔隙度為后者的l／3～l／2；前者單位質(zhì)量黏土礦物產(chǎn)生的孔隙體積為后者的56％，單位質(zhì)量有機質(zhì)產(chǎn)生的孔隙體積為后者的50％。筆者通過對比分析認(rèn)為，導(dǎo)致筇竹寺組頁巖基質(zhì)孔隙度大量減少的原因可能緣于以下兩個方面。
2．1 筇竹寺組頁巖成熟度過高，導(dǎo)致有機質(zhì)可能出現(xiàn)碳化，從而降低有機質(zhì)孔隙體積
在烴源巖熱演化進程中，隨著熱成熟度升高，有機質(zhì)首先降解為干酪根，干酪根在隨后的變化過程中產(chǎn)出揮發(fā)性不斷增強、氫含量不斷增加、分子量逐漸變小的碳?xì)浠衔?，最后形成甲烷?sup>[12，21-22]。隨著溫度的增加，干酪根不斷發(fā)生變化，其化學(xué)成分也隨之改變，逐漸轉(zhuǎn)變成低氫量的碳質(zhì)殘余物，并最終轉(zhuǎn)化為石墨(即碳化) [12，22]。目前的研究已證實，川南及周邊筇竹寺組在地質(zhì)歷史中經(jīng)歷過長時期深埋(如長寧筇竹寺組在中生界最大埋深達到9000m)，R。值一般為2.7％～4.9％(平均為3.5％) [2，3，21]，且遠(yuǎn)高于龍馬溪組(R。一般為l.9％～3.2％，平均為2.5％) [1，9，10，21]，表明該黑色頁巖處于高過成熟一極高成熟階段，具備出現(xiàn)有機質(zhì)碳化的地質(zhì)條件。
目前，國內(nèi)外對烴源巖在熱演化過程中的碳化現(xiàn)象研究較少，對干酪根在何種條件開始碳化(即碳化門限)的認(rèn)識尚不清楚，并且缺乏判識有機質(zhì)碳化的有效地球化學(xué)方法。鑒于烴源巖碳化可能會導(dǎo)致電測曲線出現(xiàn)低一超低電阻響應(yīng)特征，筆者探索應(yīng)用電阻率測井響應(yīng)對筇竹寺組有機質(zhì)的碳化現(xiàn)象進行定性分析，并結(jié)合高精度掃描電鏡觀察以了解有機質(zhì)碳化對有機質(zhì)孔隙的影響。
根據(jù)頁巖三層巖石物理模型[11]，筇竹寺組、龍馬溪組等海相頁巖由脆性礦物、黏土層和有機質(zhì)等導(dǎo)電性差異極大的3類物質(zhì)組成。脆性礦物層由石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦等物質(zhì)組成，孔隙極少，一般認(rèn)為只有黃鐵礦具有導(dǎo)電性，但黃鐵礦因質(zhì)量百分含量一般低于l0％且主要呈星點狀分布，因此對頁巖的導(dǎo)電性貢獻不大。黏土礦物主要由蒙脫石、伊蒙混層、伊利石、綠泥石等具有附加導(dǎo)電性的物質(zhì)組成，是形成碎屑巖低阻油氣層的主要介質(zhì)之一[23]。有機質(zhì)層一般不導(dǎo)電，但在極高成熟 變生階段因出現(xiàn)碳化現(xiàn)象則具有較強的導(dǎo)電性。根據(jù)Barnett頁巖和我國東西部低阻油氣層電性特征，細(xì)粒碎屑巖的導(dǎo)電性主要為泥質(zhì)／黏土礦物所控制，處于有效生烴窗內(nèi)的有機質(zhì)和烴類泥頁巖一般不導(dǎo)電。因此黑色頁巖電阻率一般隨著泥質(zhì)／黏土礦物增加而降低，隨有機質(zhì)豐度增加而升高[10，12，23]，例如：渤海灣地區(qū)古近系一新近系砂泥巖低阻油氣層一般含有20％～65％黏土礦物，其電阻率大多為5～20W·m，且隨著黏土礦物含量增加而降低[23]；川南龍馬溪組頁巖電阻率一般為8～40W·m，且總體隨著有機質(zhì)豐度增加而升高[10]。
筆者依據(jù)長寧地區(qū)B井筇竹寺組黑色頁巖的巖礦、地化和測井響應(yīng)資料，建立了中下部4段合計厚度159m頁巖的電阻率與TOC、黏土礦物的關(guān)系圖表(圖4、表3)，以了解哪種物質(zhì)是控制頁巖導(dǎo)電性的主要介質(zhì)。此項研究的結(jié)果顯示，筇竹寺組黑色頁巖電阻率與黏土礦物含量無明顯相關(guān)性，但與TOC呈良好的負(fù)相關(guān)性，具體描述如下：①1730.88～1831.825m井段，厚度l01m，黏土礦物含量為28.4％～48.1％，TOC不足l%(平均0.42％)，有機質(zhì)總體較少，頁巖電阻率值一般為220～686W·m，顯然是黏土礦物的導(dǎo)電性在發(fā)揮主導(dǎo)作用，并且呈現(xiàn)高阻特征；②l831.825～1851.565m井段，厚度20m，黏土礦物含量保持穩(wěn)定(29.2％～44.5％)，而有機質(zhì)含量開始增加，TOC一般介于1.0％～2.2%(平均為1.3％)，頁巖電阻率則下降至18～202W·m(多為l0～100W·m)，頁巖電性出現(xiàn)由高阻向低阻過渡特征，這表明有機質(zhì)導(dǎo)電性開始顯現(xiàn)，其電阻率較黏土礦物低；③1851.565～1871.46m，厚度20m，黏土含量略有下降(一般為24.2％～43.7％)，有機質(zhì)含量增至l.9％～3.3％，頁巖電阻率則快速下降至0.9～7.6W·m，表現(xiàn)為明顯的低阻特征，這說明有機質(zhì)具有較低電阻率，并且開始主導(dǎo)頁巖地層的導(dǎo)電性；④l871.46～1889.77m，厚度18m，黏土礦物含量下降至l8％～40％(平均為25.1％)，有機質(zhì)含量增加至2.2％～7.1％(平均為4.3％)，頁巖電阻率則下降至0.1～1W·m，大大低于龍馬溪組頁巖和渤海灣地區(qū)低阻砂泥巖的電阻率，呈現(xiàn)超低電阻特征，這進一步證實筇竹寺組頁巖有機質(zhì)具有較強的導(dǎo)電性(圖4、表3)。由此推測，川南筇竹寺組頁巖中的有機質(zhì)可能出現(xiàn)了明顯的碳化現(xiàn)象，因而具有比黏土礦物更強的導(dǎo)電性，進而導(dǎo)致富有機質(zhì)頁巖段(TOC>2％)具有低一超低電阻特征。
至于筇竹寺組頁巖有機質(zhì)碳化到何種程度，目前僅根據(jù)低一超低電阻特征還無法進行定量計算，但根據(jù)電阻率與有機質(zhì)豐度的相關(guān)性以及電阻率值大小可以對有機質(zhì)碳化強弱進行定性判斷。
碳化不僅導(dǎo)致有機質(zhì)產(chǎn)氣能力降低，微觀結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)電性變強，而且對有機質(zhì)孔隙發(fā)育也會產(chǎn)生影響。鄒才能、董大忠、李新景等通過對威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組(R。介于3.2％～3.6％)和龍馬溪組(R。介于2.3％～2.8％)頁巖樣品開展高倍電鏡(氬離子拋光處理后)觀察發(fā)現(xiàn)，在相近尺度(比例尺刻度值為1mm)的電鏡資料中，筇竹寺組頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育程度較龍馬溪組頁巖差(圖5)，主要表現(xiàn)為：受有機質(zhì)碳化影響，筇竹寺組有機質(zhì)孔隙出現(xiàn)明顯的塌陷和充填現(xiàn)象，邊界模糊不清或呈弧形，孔徑變小，其中大量直徑小于40nm的孔隙因完全充填而基本消失(圖5-b右)，進而導(dǎo)致有機質(zhì)內(nèi)微孔隙體積大幅度減少，測試面孔率僅4.6％～l0.6％(圖5-b)；相反，龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙不僅數(shù)量多，且形態(tài)輪廓清晰(多呈菱形或多邊形)，較少出現(xiàn)充填現(xiàn)象，測試面孔率為ll.9％～23.9％(圖5-a)。鏡下分析表明，受有機質(zhì)碳化影響，筇竹寺組頁巖有機質(zhì)產(chǎn)生的微孔隙體積明顯比龍馬溪組少，這與前面的計算結(jié)果(筇竹寺組的VTOC僅為龍馬溪組的1／2)相吻合。
據(jù)此推斷，川南海相頁巖有機質(zhì)孔隙并非總是隨著R。增大而持續(xù)增加，當(dāng)R。達到和超過3.2％～3.6％以后，隨著有機質(zhì)碳化程度的增加，有機質(zhì)孔隙逐漸減少。這與Woodford頁巖有機質(zhì)孔隙變化特征基本一致[24-25]。Mark E．Curtis等學(xué)者通過對具有不同鏡質(zhì)體反射率的Woodford頁巖樣品開展掃描電鏡觀察和孔隙度測試分析，發(fā)現(xiàn)該頁巖有機質(zhì)孔隙在液態(tài)窗階段較少，進入氣態(tài)窗后快速增加，且在R。為3.6％時達到高峰，但隨后隨著R。增加而減少[24]。
2．2 筇竹寺組成巖作用強，頁巖孔隙直徑整體變小，進而導(dǎo)致基質(zhì)孔隙度降低
下寒武統(tǒng)筇竹寺組地層時代老，在川南地質(zhì)歷史中歷經(jīng)400～570Ma的深埋，總體處于成巖晚期—變生作用階段[26]。根據(jù)長寧B井頁巖巖礦測試和電鏡觀察結(jié)果，筇竹寺組黏土礦物全部轉(zhuǎn)化為伊利石(相對含量為61％～70％，平均為67％)和綠泥石(相對含量為30％～39％，平均為33％)，綠泥石以魚鱗片狀針葉片狀(<10mm)集合體賦存于伊利石表面，形成多層包膜并堵塞伊利石晶間孔。這表明，筇竹寺組已處于成巖晚期變生階段，頁巖內(nèi)連通性孔隙體積少，致密化程度高。
頁巖孔縫發(fā)育且擁有較高的孔隙度和滲透率是形成頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層的重要條件。近年來國內(nèi)外針對頁巖氣儲集空間和滲流通道的研究成果較多[4-5，10，12，25，27-31]，總體認(rèn)為頁巖孔徑分布復(fù)雜，既含有大量直徑介于2～50nm的中型孔隙，又含有一定數(shù)量直徑小于2nm的微孔隙和相當(dāng)數(shù)量直徑大于50nm的大孔隙，如：北美主要產(chǎn)氣頁巖孔隙直徑一般為5～750nm，主體為8～100nm；我國南方下古生界海相頁巖孔隙直徑一般為5～900nm，主體為20～150nm[4-5，10，12，25，27，30-31]。可見，直徑超過l0nm的孔縫是頁巖氣賦存的主要場所，其發(fā)育程度是形成孔隙度在2％以上的有效儲層的關(guān)鍵。對于直徑小于l0nm的微孔，由于受測試技術(shù)精度的限制，目前對其在頁巖儲集性能中所起的作用還無法形成清晰的認(rèn)識，需要獲得更多證據(jù)后才能進一步闡述。因此，本文重點關(guān)注的是直徑超過l0nm孔隙構(gòu)成及其對筇竹寺組頁巖儲層物性的影響。
高壓壓汞法是近幾年發(fā)展起來的針對致密性儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)定量表征的有效測試技術(shù)，可以測得直徑在幾個納米以上的頁巖孔喉大小和基質(zhì)孔隙度[31]。筆者應(yīng)用該壓汞法(實驗中最高驅(qū)替壓力為200MPa，識別孔喉最小半徑為3.675nm)對川南及其周邊72個頁巖樣品(其中筇竹寺組33個、龍馬溪組39個)開展了孔徑和孔隙度測試，并建立了測試樣品孔徑大小與基質(zhì)孔隙度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如表4和圖6所示。
筇竹寺組頁巖樣品孔喉直徑均值一般介于7～105nm，樣品孔喉直徑分布頻率為低于20nm的樣品占9.1％，20～50nm的樣品占69.7％，50～80nm的樣品占12.1％，80～110nm的樣品占9.1％，即直徑小于50nm的中小孔隙占78.8％，直徑大于50nm的大孔隙僅占21.2％。龍馬溪組頁巖孔喉直徑均值一般介于8～160nm，樣品孔喉直徑分布頻率為低于20nm的樣品占5.1％，20～50nm的樣品占51.3％，50～80nm的樣品占l7.9％，80～110nm的樣品占20.5％，大于ll0nm的樣品占5.1％，即直徑小于50nm的中小孔隙占56.4％，直徑大于50nm的大孔隙占43.6％(為筇竹寺組的2倍)。兩套海相頁巖基質(zhì)孔隙度與孔喉直徑均值都具有較好的正相關(guān)性(圖6)，孔喉直徑均值為50nm以上、20～50nm和20nm以下的樣品分別具有2.7％～6.9％(平均為4.9％)、0.7％～3.6％(平均為2.1％)和1.0％～l.9％(平均為1.4％)的基質(zhì)孔隙度。這表明，要形成孔隙度在2％以上的有效頁巖儲層，孔喉直徑均值一般需要超過20nm；要形成孔隙度超過4％的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層，孔喉直徑均值需達到50nm以上?？梢?，在頁巖納米級孔隙系統(tǒng)中，對基質(zhì)孔隙度貢獻最突出的是孔徑超過50nm的大孔隙，其次是孔徑介于20～50nm的中孔，而貢獻最小的是孔徑低于20nm的微小孔(對應(yīng)的孔隙度一般低于2％)；筇竹寺組頁巖以孔徑低于50nm的中小型孔隙為主，而孔徑超過50nm的大孔隙明最少于龍馬溪組，這是導(dǎo)致該頁巖基質(zhì)孔隙度明顯減少并低于龍馬溪組的重要原因之一。
根據(jù)筇竹寺組基質(zhì)孔隙構(gòu)成計算結(jié)果，黑色頁巖基質(zhì)孔隙主要賦存于黏土礦物層間和有機質(zhì)中，其中黏土礦物層間孔隙占54％～93％(平均為79％)。這表明，筇竹寺組頁巖的大孔隙以黏土礦物層間孔為主，這與龍馬溪組基質(zhì)孔隙特征[10-11]相似。因此，大孔隙的減少主要表現(xiàn)為連通性較好的黏土礦物層間孔隙的減少，這也是該頁巖黏土礦物產(chǎn)生孔隙的能力低于龍馬溪組的重要原因。
3 頁巖裂縫定量表征
目前，頁巖裂縫研究尚處于探索之中，表征的重要參數(shù)主要包括裂縫規(guī)模(長度和寬度)、產(chǎn)狀、充填狀況以及裂縫密度等，其中裂縫規(guī)模和裂縫密度是判斷裂縫發(fā)育程度的重要量化指標(biāo)心[20，27-28]。筆者根據(jù)前人的研究成果并結(jié)合生產(chǎn)實踐[20，27-28，32-33]，按照裂縫的寬度可將其分為五級，即：微裂縫(縫寬小于0.1 mm)、小裂縫(縫寬0.1～1mm)、中裂縫(縫寬l～10mm)、大裂縫(縫寬l0～100mm)、巨裂縫(縫寬大于l00mm)。
筆者以威遠(yuǎn)A井筇竹寺組頁巖為研究對象(表5)，對其合計厚度164.32m巖心段(埋深2626～2824.5m)進行巖心觀察與描述，初步證實：該區(qū)筇竹寺組頁巖以粉砂質(zhì)頁巖為主，局部為粉砂巖夾層，整個巖心段裂縫發(fā)育，發(fā)現(xiàn)各種裂縫總計553條，裂縫密度在頂部和中下部較大，上部相對較小。裂縫發(fā)育特征具體表現(xiàn)為：在頂部2626～2633m井段，巖性主要為深灰色泥質(zhì)粉砂巖，裂縫極其發(fā)育，裂縫密度達到20條／m；在上部2665～2754m井段，巖性為灰黑色粉砂質(zhì)頁巖夾紋層狀粉砂巖，裂縫密度為0～4.2條／m；在中下部2754～2824.5m井段，巖性以粉砂質(zhì)頁巖為主，夾薄層狀鈣質(zhì)粉砂巖，裂縫發(fā)育，密度大多為4.4～9.7條／m；裂縫規(guī)模以微型、小型裂縫為主，其中微縫215條、小縫324條、中—大縫14條，下部2770～2824.5m井段主要發(fā)育小型裂縫。
裂縫不僅是碎屑巖儲層的重要儲滲空間，也是反映巖石脆性的重要指標(biāo)[11，19，29]。威遠(yuǎn)筇竹寺組頁巖主體為粉砂質(zhì)頁巖，石英含量為20.4％～58.1％(平均為41.2％)，長石含量為l2.3％～36.2％(平均為24.1％)，黏土礦物含量為l4.5％～46.9％(平均為26.2％)，巖石硬而脆，楊氏模量為l.898×104～4.31×104MPa(一般在2.0×104MPa以上)，泊松比為0.12～0.29?？梢姡讨袼陆M頁巖具有高脆性礦物含量以及高楊氏模量和低泊松比，脆性較好，在構(gòu)造應(yīng)力作用下易形成天然裂縫，因而對頁巖氣富集高產(chǎn)具有重要意義。
4 結(jié)論
通過對基質(zhì)孔隙和裂縫定量分析，處于高過成熟的筇竹寺組頁巖儲集條件具有如下特征。
1)脆性礦物、黏土礦物和有機質(zhì)3者產(chǎn)生的單位質(zhì)量孔隙體積為有機質(zhì)最高、黏土礦物其次、脆性礦物最少。這表明，在質(zhì)量百分含量相同條件下，有機質(zhì)和黏土礦物對頁巖孔隙空間貢獻大。
2)有效儲層段孔隙度相對較小，僅為龍馬溪組的1／3～1／2，且孔隙構(gòu)成以黏土礦物層間孔隙和有機質(zhì)孔隙為主體，兩者約占基質(zhì)孔隙的90％以上。
3)黑色頁巖段孔隙度較小的原因主要表現(xiàn)為兩方面：①該頁巖熱成熟度過高，有機質(zhì)叮能出現(xiàn)碳化，導(dǎo)致有機質(zhì)孔隙出現(xiàn)部分塌陷和充填；②該頁巖成巖作用強，導(dǎo)致大孔隙減少，巖石更加致密。
4)黑色頁巖段裂縫總體較發(fā)育，裂縫規(guī)模以微型、小型裂縫為主，裂縫密度在頂部和中下部較大，上部相對較小。裂縫發(fā)育狀況反映了筇竹寺組頁巖具有脆性礦物含量高、楊氏模量高、泊松比低、脆性好等特點。
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本文作者：王道富 王玉滿 董大忠 王世謙 黃金亮 黃勇斌 王淑芳 李新景
作者單位：中圍石油勘探丌發(fā)研究院
中國石油兩南油氣田公司勘探開發(fā)研究院
中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦
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