川南龙马溪组页岩孔隙特征及其影响因素

杨 豪

（成都理工大学地球科学学院，四川成都 610000）

随着世界能源需求问题的日益突出，页岩气作为一种清洁能源，在近年来获得重大勘探突破。四川盆地蕴藏丰富的页岩气资源，尤其是川南地区，页岩气资源潜力达10万亿~15万亿方，是勘探开发的热点地区，已经探明涪陵气田，长宁气田，威远气田等几个页岩气田。页岩气是一种非常规天然气，具有“生—储—聚”三位一体的特征，页岩既是源岩，也是储层，同时也是盖层。孔隙度是页岩非常重要的一个结构参数，它不仅能决定页岩的含气量和储气能力，也能衡量页岩气开采价值。对页岩孔隙的深入研究可以为页岩气的勘探开发提供指导建议，俨然已经成为当前页岩气地质勘探理论的研究基础和热点问题。

研究区主要位于四川盆地南部的长宁地区，大地构造位置上处于扬子板块中南缘、四川盆地川西南古隆起构造带-川南低缓背斜构造带，其南及东南紧邻黔中古陆。四川盆地是一个海陆相叠合盆地，它的形成经历了漫长且复杂的构造运动，志留纪龙马溪组地层沉积早期，冰川消融，全球海平面上升，发生大范围海侵，为深水陆棚-滞留盆地沉积体系，属于大面积缺氧还原环境，龙马溪组地层为本文研究目标层位，沉积了一套黑色页岩，岩石类型主要为硅质页岩、碳质页岩、含有机质页岩及黏土质泥页岩等，是勘探开发的有利层位。

孔隙是页岩气的运移通道和储集空间。页岩作为一种非常规油气储层，多孔是其典型特征，相比于砂岩储层来说，页岩储层较为致密，它的储集空间更小，渗透率较低，多见纳米级别孔隙，类型也更加复杂。对于页岩的孔隙分类，方案不一，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）根据孔径的大小将孔隙划分为微孔（＜2nm）、介孔（2~50nm）和宏孔（＞50nm）三大类，该分类方案在页岩储层孔隙定量描述方面应用最为广泛。目前较为主流的方案为根据成因将其分为无机孔、有机孔和微裂缝三大类及若干亚类。目的层位页岩虽然孔隙度极低，但在高分辨率SEM图像下几乎发育分类中上述各种类型微、介、宏等孔隙。

2.1 无机孔

无机孔是指与页岩中碎屑矿物相关的孔隙，根据孔隙发育在页岩物相系统内不同成分位置。其中无机孔隙分为碎屑质孔隙和矿物基质孔隙，再根据孔隙产状类型的不同，将碎屑质孔隙细分为粒内孔隙、粒缘孔隙和粒间孔隙，其中粒内孔隙还包括铸模孔隙和体腔孔隙等；
将矿物基质孔隙分为晶内孔隙、晶缘孔隙和晶间孔隙，其中晶内孔隙又可细分为结核内晶间孔隙、解理面孔隙、生物灰泥体腔孔隙、晶体铸模孔隙等，晶间孔隙还包括片间孔隙。

2.1.1 碎屑质孔隙

碎屑质孔隙主要发育粒间孔隙、粒内孔隙和粒缘孔隙，可见体腔孔隙，铸模孔隙不发育。“粒”即代表碎屑质颗粒，包括石英、长石、云母颗粒以及晶型较好的黄铁矿等。粒间孔隙主要有碎屑石英和方解石粒间孔隙，被有机质充填；
碎屑质石英、长石颗粒与黄铁矿粒间孔隙，被有机质充填。粒内孔隙主要有方解石发生去白云石化作用，形成粒内溶蚀孔；
长石、黄铁矿颗粒粒内溶蚀形成粒内孔隙。如图1A为的碎屑石英和方解石粒间孔隙，被有机质充填；
图1B为碎屑质草莓状黄铁矿粒内孔。

图1 龙马溪组页岩碎屑质孔隙

2.1.2 矿物基质孔隙

矿物基质孔隙主要发育晶间孔隙、晶缘孔隙，有时可见少量结核内孔隙。“晶”即代表微晶颗粒，自生矿物颗粒、重结晶矿物颗粒以及黄铁矿集合体等。晶缘孔隙在整个龙马溪组页岩储层中普遍发育，主要有微晶石英晶缘宏孔隙和微晶方解石晶缘介孔隙，部分被有机质充填。晶间孔隙在整个研究层段普遍发育，主要有石英晶间孔隙、微晶方解石和石英晶间宏孔，局部被有机质或有机质和黏土矿物的混合物充填。如图2A所示的石英晶间孔隙，被有机质充填；
图2B为方解石晶缘孔隙，局部被少量有机质充填。

图2 龙马溪组页岩矿物基质孔隙

2.2 有机孔

有机孔是指发育在有机质内部的孔隙，是生成页岩气留下的痕迹，有较强的储集油气功能。有机孔在龙马溪组页岩储层中发育程度较高，研究层段中存在最多的为海绵状有机质孔隙，其形成原因是在有机质演化过程中，有机质生烃排烃作用而形成的纳米级多微孔，形状弱似海绵状。如图3A、B所示的海绵状有机孔。

图3 龙马溪组页岩有机孔

2.3 微裂缝

矿物内微裂缝主要指方解石、黏土矿物等在压实作用下，矿物发生破裂形成微裂缝。微裂缝的形成一般与应力相关，可以提高页岩的渗透率及作为页岩气的运移通道，是页岩气高产的主要因素。在显微镜下通过薄片观察，研究区内龙马溪组页岩储层的成岩收缩缝普遍发育，在薄片内定向排列，形状大多细长，收缩缝内充填有有机质、水云母、黏土质、玉髓等矿物。如图4A所示被方解石、长石及石英充填的微裂缝，图4B所示的被团状有机质和白云母充填的微裂缝。

图4 龙马溪组页岩微裂缝

3.1 总有机碳含量（TOC）

页岩的储集能力与总有机碳含量（TOC）密切相关，它也是影响有机孔发育的主要因素，在一定范围内，有机孔的数量与TOC呈正相关。但有机孔的发育程度并非随着TOC的增加而无限增加，相关研究表明，当TOC小于等于5.5% 时，促进有机孔发育，而当TOC大于5.5%时，有机孔的发育程度不再增加、甚至出现降低的现象。在对川南地区龙马溪组黑色页岩孔隙结构研究时发现，页岩孔隙发育程度随着TOC的增加表现出先增加后略微降低的现象。这可能是因为当TOC含量过高时，会发育机械压实作用，导致其压缩变形，抑制发育。

3.2 有机质成熟度（Ro）

有机质是有机孔的载体，其成熟度（Ro）是影响有机孔发育的又一个重要因素。在不同热演化阶段，有机孔发育程度也不同。对川南地区龙马溪组页岩进行热演化实验时，测得其有机质成熟度分布于1.97%~2.23%，处于高-过成熟阶段，该阶段内页岩生成大量页岩气，纳米级别的有机孔大量发育，从而形成页岩气重要的储集空间，其中，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根更容易产生有机孔。但随着热演化程度进一步提高，高度成熟的有机质会对有机孔进行破坏。一般来说，当成熟度到达1.5%~3%时，孔隙的发育程度最强。

3.3 矿物组成

页岩的矿物组成类型对孔隙的发育也有较大影响，主要包括黏土矿物和脆性矿物。据研究，龙马溪组页岩孔隙度与黏土矿物含量呈正相关，与黏土矿物相关的孔隙既可以发育在黏土矿物层间，也可发育在黏土矿物与其他矿物的接触面之间，并且黏土矿物含量与有机碳含量也呈正相关性，再次印证了黏土矿物与有机质在页岩孔隙发育方面为相互促进作用。脆性矿物中石英、长石，尤其是生物成因硅富集对孔隙的保存也具有重要的控制作用，孔隙度随着脆性矿物含量的增加而增加，有非常好的正相关关系。

四川盆地龙马溪组页岩孔隙较为发育，通过镜下薄片观察及扫描电镜，可识别出三种基本的孔隙类型：无机孔、有机孔及微裂缝。其中，无机孔多发育在矿物内部或边缘，形态不一；
有机孔最为发育，多呈海绵状；
微裂缝顺层分布，多呈条带状。

龙马溪组页岩孔隙的发育程度受到总有机碳含量（TOC）、有机质成熟度（Ro）、黏土矿物和脆性矿物含量等因素的影响。其中，当TOC含量小于5.5%，Ro介于1.5%~3%时，对有机孔的发育具有促进作用；
孔隙度与黏土矿物和脆性矿物的含量呈正相关。