碎屑顆粒含量與泥頁(yè)巖孔隙分布關(guān)系的概念模型
——以黔西北志留系龍馬溪組為例

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(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

0 引言

泥頁(yè)巖主要發(fā)育微米至納米級(jí)孔隙，通常表現(xiàn)為低孔、低滲的特征[1]，然而勘探實(shí)踐表明，獲得突破的頁(yè)巖氣區(qū)塊多為孔隙和裂隙較為發(fā)育的儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”[2-3]，那么“甜點(diǎn)”儲(chǔ)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(yè)巖孔隙的類型和形成機(jī)理研究，可以為泥頁(yè)巖非常規(guī)油氣的目標(biāo)區(qū)優(yōu)選提供指導(dǎo)。

泥頁(yè)巖本身的礦物成分、相對(duì)含量以及排列樣式千差萬(wàn)別，如果泥頁(yè)巖的組構(gòu)特征不能簡(jiǎn)化成一種適用性強(qiáng)的模型，大量數(shù)據(jù)將處于一種無(wú)盡擴(kuò)展但無(wú)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(yè)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(jī)質(zhì)孔隙，其中層狀硅酸鹽骨架孔隙是儲(chǔ)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(jī)質(zhì)孔隙、糞球?？紫?、化石骨架孔隙和黃鐵礦晶間孔隙，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(jī)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(jī)質(zhì)有關(guān)。此外，部分學(xué)者分析了礦物相對(duì)含量對(duì)孔隙發(fā)育程度的影響，蒲泊伶等[7]在川南龍馬溪組泥頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)，富含黏土礦物泥頁(yè)巖的總孔隙度比富含硅質(zhì)的泥頁(yè)巖大，在化學(xué)組成上表現(xiàn)為Si/Al比與泥頁(yè)巖總孔隙度呈負(fù)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(yè)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(jī)理。

上述研究主要從相關(guān)性統(tǒng)計(jì)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(lái)探討顆粒含量和排列方式對(duì)泥頁(yè)巖孔隙發(fā)育特征的影響，將增進(jìn)我們對(duì)泥頁(yè)巖孔隙成因類型與分布特征的理解，有助于建立泥頁(yè)巖的孔隙演化模型，從而更好的進(jìn)行儲(chǔ)層質(zhì)量預(yù)測(cè)。本文通過(guò)巖石薄片和掃描電鏡分析，建立泥頁(yè)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(duì)泥頁(yè)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(yáng)子地臺(tái)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(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈[9]，由于華夏板塊向北西的推擠作用，使上揚(yáng)子地臺(tái)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(diǎn)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(yè)巖。

2 泥頁(yè)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(yè)巖主要組分與結(jié)構(gòu)類型

泥頁(yè)巖作為一種低能環(huán)境下的細(xì)粒沉積巖，其礦物組成主要由碎屑顆粒(石英、長(zhǎng)石和白云母等)、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦、方解石、白云石等礦物共生組合組成[11-12]。泥頁(yè)巖中黃鐵礦和有機(jī)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(cè)試數(shù)據(jù)也表明黃鐵礦含量介于0%～12%[13-17]，暗色泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)平均含量為1%～5%[18-25]。

本文針對(duì)黔西北志留系龍馬溪組底部黑色泥頁(yè)巖的薄片分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)泥頁(yè)巖礦物組成主要為陸源碎屑和黏土礦物，含有少量的有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦。同一層位的湘西龍山縣剖面，泥頁(yè)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(yè)巖中石英平均含量為30.7%，長(zhǎng)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(jī)質(zhì)平均含量約為1.3%，個(gè)別樣品中檢驗(yàn)出的黃鐵礦約占1%，沒(méi)有檢測(cè)到碳酸鹽礦物，印證了我國(guó)南方志留系龍馬溪組的海相泥頁(yè)巖以黏土礦物與碎屑顆粒為主體。然而，泥頁(yè)巖中顆粒的含量和排列樣式卻千差萬(wàn)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(yè)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(yè)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(yè)巖中黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)等組分含量較低，為了定量分析碎屑顆粒含量對(duì)孔隙分布的影響，本次研究假定泥頁(yè)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(yè)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(diǎn)；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(yè)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(yè)巖切面模型與孔隙分布

顆粒分散狀泥頁(yè)巖為雜基支撐，所含的石英、長(zhǎng)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(xì)小的多孔介質(zhì)，因而此類泥頁(yè)巖的孔隙類型主要是黏土礦物微孔隙。

有學(xué)者統(tǒng)計(jì)了不同黏土礦物含量(37%～70%)的泥頁(yè)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(shì)(從20%增加至24%)[26]。這一變化特征，可以用顆粒分散狀泥頁(yè)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(huì)使泥頁(yè)巖的總孔隙度減?。欢ね恋V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(wú)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(yè)巖的滲透能力，不利于形成良好的儲(chǔ)層。

2.3 紋層狀泥頁(yè)巖切面模型與孔隙分布

與顆粒分散狀泥頁(yè)巖相比，紋層狀泥頁(yè)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(jī)質(zhì)的黏土礦物紋層(圖3a1)。該類泥頁(yè)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(yè)巖與紋層狀泥頁(yè)巖顯微特征與概念模型a，b，c.顆粒分散狀泥頁(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(shí)模擬實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析表明，在埋藏壓實(shí)過(guò)程中，砂質(zhì)紋層的顆粒接觸方式將從點(diǎn)接觸逐漸向線接觸或凹凸接觸方向演化，但仍會(huì)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(chǔ)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(yùn)聚。黏土礦物紋層主要發(fā)育層間孔隙，該類孔隙喉道細(xì)小，以納米級(jí)微孔隙為主，經(jīng)歷強(qiáng)烈壓實(shí)作用之后，孔隙度最低可達(dá)5%以下[30]，滲透率介于(2×10-22～2×10-16) m2。

不同深度泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)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(huì)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(yè)巖中，黏土礦物紋層大量發(fā)育有利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集。

由此可見，深埋藏后的紋層狀泥頁(yè)巖中，亮色砂質(zhì)條帶滲流能力遠(yuǎn)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(yuǎn)大于垂向滲透率。

3 碎屑顆粒含量變化對(duì)泥頁(yè)巖孔隙分布的影響

泥頁(yè)巖中石英、長(zhǎng)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(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的泥頁(yè)巖壓實(shí)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(yè)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(dá)到2 000 m時(shí)，富含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖才會(huì)進(jìn)入生烴門限[32]。在埋深大于3 500 m時(shí)，將進(jìn)入大量生氣階段[33]，這時(shí)泥頁(yè)巖氣烴源巖的Ro一般大于1.4%[19]，反映在壓實(shí)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(duì)兩種結(jié)構(gòu)不同的泥頁(yè)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(yè)巖孔隙度與碎屑顆粒含量的負(fù)相關(guān)性

當(dāng)泥頁(yè)巖中的碎屑顆粒含量為0時(shí)，其孔隙度等同于黏土基質(zhì)的孔隙度。隨著水動(dòng)力條件的逐漸增強(qiáng)，顆粒含量增加，泥頁(yè)巖孔隙度將逐漸降低。當(dāng)石英顆粒含量為10%時(shí)(圖4a)，顆粒間充填黏土礦物，此時(shí)泥頁(yè)巖孔隙主要為黏土礦物微孔隙，孔隙度為7.2%；顆粒含量達(dá)到20%(圖4b)，泥頁(yè)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(shí)，碎屑顆粒難以接觸，無(wú)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(yè)巖中黏土基質(zhì)占主體時(shí)，碎屑顆粒百分含量(X)與泥頁(yè)巖孔隙度(Φmud)具有明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(見公式1)，即隨著顆粒含量的增加，泥頁(yè)巖的孔隙度逐漸減小(圖5a)。當(dāng)碎屑顆粒達(dá)到立方體堆積時(shí)，雜基含量最高為47.6%[34](圖4c～f)，隨著水動(dòng)力條件的增強(qiáng)，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(yè)巖孔隙度會(huì)降低到一個(gè)最小值，即當(dāng)顆粒含量達(dá)到52.4%時(shí)，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(guò)上述臨界狀態(tài)后，當(dāng)顆粒含量高于52.4%時(shí)，按照國(guó)內(nèi)的碎屑巖類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上已經(jīng)屬于粉砂巖范疇。假如黏土基質(zhì)含量進(jìn)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(shí)石英顆粒百分含量(X)與泥頁(yè)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(yè)巖的孔隙度逐漸增大。隨著沉積環(huán)境水動(dòng)力條件的增強(qiáng)，黏土礦物含量減少到一定程度，最終會(huì)發(fā)展為雜基含量很低的凈砂巖沉積。當(dāng)石英、長(zhǎng)石等陸源碎屑顆粒之間無(wú)泥質(zhì)充填時(shí)，粒間孔隙最為發(fā)育(圖4f)，巖石孔隙度達(dá)到最大值。此時(shí)，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(guò)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(yè)巖當(dāng)黏土基質(zhì)的孔隙度為8%時(shí)，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(shì)(圖5a)。

3.2 紋層狀泥頁(yè)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(yè)巖表現(xiàn)為砂質(zhì)條帶的增加。由于紋層狀泥頁(yè)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(yè)巖總孔隙度為二者之和。假定泥頁(yè)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(shí)，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(yè)巖的孔隙變化情況如下：

圖4 不同水動(dòng)力條件下顆粒分散狀泥頁(yè)巖石英含量變化與孔隙演化(a～f水動(dòng)力條件依次增強(qiáng))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(yè)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(shí)泥頁(yè)巖孔隙度的變化情況：泥頁(yè)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(shí)，孔隙度最小，為3.808%，之后隨著顆粒含量的增加，泥頁(yè)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(shí)泥頁(yè)巖孔隙度的變化，總體趨勢(shì)與立方體堆積一致，只是在顆粒含量為76%時(shí)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(shí)泥頁(yè)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(shí)泥頁(yè)巖孔隙度的演化；b.紋層狀泥頁(yè)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(yè)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(yè)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(shí)泥頁(yè)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(shí)紋層狀泥頁(yè)巖孔隙度的演化趨勢(shì)Fig.5 The correlation between content of clastic particles and porosity

當(dāng)碎屑顆粒含量為20%(圖6a)時(shí)，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(dòng)力的逐漸增強(qiáng)，砂質(zhì)含量逐漸增加，這時(shí)碎屑顆粒百分含量(X)，與泥頁(yè)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(dòng)力條件繼續(xù)增強(qiáng)，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(shí)粒間孔隙最為發(fā)育(圖6c)，孔隙度達(dá)到最大值，也就是前述顆粒分散狀泥頁(yè)巖中顆粒含量高于52.4%，向凈砂巖轉(zhuǎn)變的情況。此時(shí)，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(yè)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(yè)巖的孔隙度數(shù)據(jù)，編制了孔隙度與埋深關(guān)系散點(diǎn)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(yè)巖以什么孔隙類型為主，而500 m向3 000 m埋深的轉(zhuǎn)化過(guò)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(yè)巖又將以什么孔隙類型為主？此類問(wèn)題都與泥頁(yè)巖本身的礦物組成和空間排列有關(guān)，要想探討泥頁(yè)巖孔隙發(fā)育的控制機(jī)理，首先得考慮泥頁(yè)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(jī)物內(nèi)部。

4.1 主要組分對(duì)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(yè)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(jī)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(yè)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(zhǎng)石等碎屑顆粒含量一般大于30%，個(gè)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(yè)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(yè)巖為顆粒分散狀，顆粒含量較低時(shí)，粒間孔并不發(fā)育(圖4a，b，c)；紋層狀泥頁(yè)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(yè)巖的組分內(nèi)孔隙，如有機(jī)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(duì)含量有關(guān)。統(tǒng)計(jì)分析也證實(shí)，泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)含量和類型將影響泥頁(yè)巖的孔隙度衰減趨勢(shì)[36]。由于泥頁(yè)巖本身非均質(zhì)性強(qiáng)，即使同一位置的泥頁(yè)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(huì)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(guò)程中不容易剔除碎屑顆粒排列樣式、有機(jī)質(zhì)含量等影響因素。

圖6 不同水動(dòng)力條件下紋層狀泥頁(yè)巖石英含量變化與孔隙發(fā)育特征(a～c.水動(dòng)力條件依次增強(qiáng))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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)巖儲(chǔ)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)質(zhì)或黃鐵礦等組分內(nèi)微孔隙，甚至局部面孔率高達(dá)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(jī)質(zhì)孔隙，有研究認(rèn)為其發(fā)育狀況與泥頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)豐度及熱演化程度有關(guān)[37]。有機(jī)質(zhì)到達(dá)一定成熟度(Ro>1.23%)時(shí)，干酪根中會(huì)發(fā)育大量納米級(jí)孔隙；而Ro<1.0%時(shí)，干酪根中沒(méi)有納米級(jí)孔隙形成。但僅根據(jù)熱演化程度預(yù)測(cè)孔隙演化并不充分，有機(jī)顯微組分類型和復(fù)雜的孔隙演化過(guò)程也會(huì)影響有機(jī)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(jī)質(zhì)含量為6.41%的頁(yè)巖在生烴演化過(guò)程中隨著熱成熟度由0.55%增高到1.4%，頁(yè)巖的體積孔隙度增加到4.3%，但頁(yè)巖孔隙度的增大是否受控于有機(jī)質(zhì)的熱演化？近年來(lái)，許多學(xué)者認(rèn)為有機(jī)質(zhì)孔對(duì)泥頁(yè)巖孔隙度起到主導(dǎo)作用[39-40]。由于氣體法測(cè)量泥頁(yè)巖的孔隙度過(guò)程中，只有連通的微孔隙才有效，而孤立的孔隙難以測(cè)量，從圖8b可以看出這些納米級(jí)的有機(jī)質(zhì)微孔隙連通性較差，所以不容易推斷實(shí)測(cè)的孔隙度數(shù)據(jù)是否囊括了有機(jī)質(zhì)組分的納米孔，自然也就很難判定有機(jī)質(zhì)含量和成熟度對(duì)頁(yè)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(jī)質(zhì)孔隙約占有機(jī)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(duì)長(zhǎng)芯1井五峰—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段進(jìn)行了孔隙度測(cè)算，結(jié)果顯示富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的總孔隙度平均為5.4%，其中有機(jī)質(zhì)孔隙約占總孔隙的24.9%，即有機(jī)質(zhì)孔隙僅占泥頁(yè)巖體積的1.35%。針對(duì)這一問(wèn)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(jì)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(jī)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(yè)巖體積的0.66%、0.47%。由此可見，即使有機(jī)質(zhì)孔隙對(duì)泥頁(yè)巖總孔隙度有改善作用，但因其在頁(yè)巖內(nèi)部不占主體，對(duì)孔隙度的貢獻(xiàn)并沒(méi)有起到主導(dǎo)作用。鑒于泥頁(yè)巖孔隙演化的復(fù)雜性以及有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦含量的次要性(小于5%)，本文基于最簡(jiǎn)單的數(shù)值模型，單因素分析碎屑顆粒含量對(duì)孔隙分布的影響，暫不考慮有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦的影響。

圖8 泥頁(yè)巖中不同組分的相對(duì)含量和觀察時(shí)的不同放大尺度a.有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦尺度效應(yīng)抽象簡(jiǎn)圖；b. SEM20000× 孤立分散狀的有機(jī)質(zhì)發(fā)育微小的組分內(nèi)孔隙；c. b的素描圖，顯示有機(jī)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(yè)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(jī)質(zhì)；e. ×100，RL，紋層狀泥頁(yè)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(jī)質(zhì)；f. b的素描圖，紋層狀泥頁(yè)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(jī)質(zhì)；g. SEM30000× 泥頁(yè)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(yè)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(lán)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(jiǎn)化與不足

基于黏土基質(zhì)和球形碎屑顆粒的泥頁(yè)巖概念模型，對(duì)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(duì)孔隙度的影響。用等大的圓球來(lái)表達(dá)顆粒的排列和接觸方式有助于簡(jiǎn)化顆粒堆積模型[36]，可以讓我們更容易理解壓實(shí)強(qiáng)度對(duì)顆粒排列方式、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙度的影響。實(shí)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(huì)引起巖石孔隙度的變化。因而數(shù)值模擬會(huì)存在一些不足之處，主要體現(xiàn)在泥頁(yè)巖概念模型的三個(gè)假定條件上：

(1) 為了方便計(jì)算，假設(shè)兩種模型均不含有有機(jī)質(zhì)與黃鐵礦。泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中一般會(huì)含有少量有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦，并且二者對(duì)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(qiáng)烈的壓實(shí)作用，將會(huì)引起顆粒的變形和粒間孔隙的減縮，最終導(dǎo)致計(jì)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(yè)巖中的砂質(zhì)紋層不含黏土基質(zhì)，實(shí)際上自然界中的砂質(zhì)紋層會(huì)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(huì)導(dǎo)致孔隙度計(jì)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(yuǎn)大于黏土礦物內(nèi)部的微孔隙。盡管該假設(shè)會(huì)導(dǎo)致孔隙度的模擬值偏大，但對(duì)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(lái)分析碎屑顆粒含量變化對(duì)泥頁(yè)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?yàn)檫^(guò)于簡(jiǎn)化，與自然界中的孔隙分布模式不盡相同，如有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦對(duì)泥頁(yè)巖孔隙度的影響，需要根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)進(jìn)一步具體分析。此外，如果在本研究的基礎(chǔ)上開展泥頁(yè)巖孔隙演化的物理模擬，系統(tǒng)觀測(cè)壓實(shí)過(guò)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(yè)巖的孔隙發(fā)育機(jī)理。

5 結(jié)論

(1) 泥頁(yè)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(yè)巖和紋層狀泥頁(yè)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(yè)巖當(dāng)碎屑顆粒含量低于52.4%時(shí)，孔隙度隨顆粒含量的增加而減??；當(dāng)碎屑顆粒含量達(dá)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(chǔ)層。

(3) 紋層狀泥頁(yè)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(yè)巖儲(chǔ)層逐漸向常規(guī)砂巖儲(chǔ)層演變。