四川盆地南部地區(qū)龍馬溪組深層頁巖巖石物理特征

徐中華，鄭馬嘉，劉忠華，鄧?yán)^新，李熙喆，郭偉， 李晶，王楠，張曉偉，郭曉龍

（1. 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2. 成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，成都 610059；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州 730020；4. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；5. 中國 石油勘探開發(fā)研究院測(cè)井技術(shù)研究所，北京 100083；6. 中國石油勘探開發(fā)研究院四川盆地研究中心，北京 100083）

0 引言

隨著能源需求的急劇增加，頁巖氣已經(jīng)成為中國重點(diǎn)關(guān)注的非常規(guī)油氣資源。四川盆地及其周緣的志留系龍馬溪組黑色頁巖因其富有機(jī)質(zhì)、埋藏深度適中和有機(jī)質(zhì)演化程度高，成為中國頁巖氣勘探開發(fā)的發(fā)源地[1-3]。自2009 年以來，中國石油化工股份有限公司（簡(jiǎn)稱“中石化”）在涪陵焦石壩地區(qū)、中國石油天然氣股份有限公司（簡(jiǎn)稱“中石油”）在四川威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧區(qū)塊均在該層位獲得突破性進(jìn)展，從而推動(dòng)了頁巖氣在中國進(jìn)一步商業(yè)化開采[1-3]。

目前在頁巖氣勘探開發(fā)過程中最直接有效的方法應(yīng)當(dāng)屬于基于地震資料的方法技術(shù)，如在早期勘探階段利用地震解釋與屬性分析技術(shù)確定頁巖儲(chǔ)集層的圈閉要素、構(gòu)造形態(tài)、礦物組分、儲(chǔ)集層物性以及有機(jī)質(zhì)含量等，在后期開發(fā)階段基于地震反演與屬性建模技術(shù)確定頁巖儲(chǔ)集層的各向異性特征、脆性特征以及地應(yīng)力特征等[4]。頁巖的巖石物理特征正是利用地震屬性求取頁巖儲(chǔ)集層物性特征以及力學(xué)特征的直接橋梁。國內(nèi)外對(duì)頁巖地震彈性性質(zhì)變化規(guī)律及影響因素的研究主要通過系統(tǒng)巖石物理實(shí)驗(yàn)以及定量地震巖石物理模型實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于中國的研究現(xiàn)狀，國外很早就開展了有關(guān)頁巖儲(chǔ)集層巖石物理方面的研究，其中在頁巖巖石物理實(shí)驗(yàn)方面，Vernik 和Nur 通過研究干燥條件下Bakken 頁巖的各向異性特征分析了有機(jī)質(zhì)含量、成熟度對(duì)巖石速度以及各向異性特征的影響，指出巖石礦物優(yōu)選方向與平行于層理的裂縫發(fā)育程度決定了頁巖巖石的各向異性特征[5]。Sondergeld 和Rai 過對(duì)Kimmeridge 頁巖的聲學(xué)性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量與頁巖各向異性強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)含量的增加會(huì)對(duì)地層壓實(shí)作用產(chǎn)生減弱效應(yīng)，并指出弱各向異性的假設(shè)在頁巖地震正演模擬中不再適用[6-7]。Dewhurst 分析了成熟度與主應(yīng)力方向?qū)搸r各向異性的影響[8]。鄧?yán)^新等基于微觀結(jié)構(gòu)觀察和巖石物理實(shí)驗(yàn)分析了龍馬溪組頁巖巖石地震彈性特征變化規(guī)律，討論了沉積、成巖過程差異對(duì)龍馬溪組頁巖地震彈性性質(zhì)的影響[9-10]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出不同地區(qū)、不同層位的頁巖在地震彈性性質(zhì)上存在明顯差異，受有機(jī)質(zhì)含量、孔隙特征、組分特征、巖石結(jié)構(gòu)以及儲(chǔ)集層條件的綜合影響。在定量表征頁巖地震彈性性質(zhì)的巖石物理模型方面也有較為系統(tǒng)的研究工作[9-10]。主要建模方式包括利用各向異性自洽與微分等效模量公式計(jì)算頁巖彈性各向異性模型，借此討論黏土、TOC 值以及孔隙結(jié)構(gòu)等的分布特征對(duì)地震彈性性質(zhì)的影響[11-13]。郭智奇等[14]基于有機(jī)質(zhì)、孔隙以及主要組成礦物的空間賦存狀態(tài)，給出了有機(jī)質(zhì)、礦物、裂隙等儲(chǔ)集層物性與頁巖彈性各向異性之間的關(guān)系。張峰與李向陽等基于自洽模型和微分等效介質(zhì)模型研究了富有機(jī)質(zhì)頁巖的巖石物理理論模型，討論了孔隙形狀、礦物組分對(duì)頁巖彈性性質(zhì)的影響[15]。

上述針對(duì)頁巖的實(shí)驗(yàn)以及巖石物理模型研究較好地支撐了現(xiàn)階段頁巖氣儲(chǔ)集層“甜點(diǎn)”地震預(yù)測(cè)技術(shù)，但由于頁巖氣開發(fā)技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)效益的制約，對(duì)頁巖氣儲(chǔ)集層地震巖石物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究均針對(duì)中淺層儲(chǔ)集層（埋深小于3 500 m）。而四川盆地龍馬溪組頁巖在深層與超深層有較大面積的分布，如四川盆地南部地區(qū)（簡(jiǎn)稱“川南”）的威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧作為中國龍馬溪組頁巖的主要勘探開發(fā)區(qū)塊，其中淺層頁巖有利勘探面積為2 500 km2，而深層頁巖（深度大于3 500 m）的有利勘探區(qū)域面積可達(dá)到17 450 km2。龍馬溪組頁巖深度的差異也會(huì)造成中淺層頁巖與深層頁巖礦物組分、巖石結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài)以及應(yīng)力場(chǎng)等方面存在一定差異，也導(dǎo)致針對(duì)中淺層頁巖的巖石物理實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果在反映深層頁巖地震巖石物理性質(zhì)上存在差異，而不能隨意套用。對(duì)龍馬溪組深層頁巖儲(chǔ)集層勘探開發(fā)的需求客觀上要求針對(duì)目標(biāo)區(qū)深層頁巖的巖石物理性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。本次研究通過對(duì)川南龍馬溪組深層頁巖樣品地震巖石物理特征、靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)以及巖石學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，總結(jié)深層頁巖樣品巖石物理特征變化規(guī)律，分析影響巖石物理性質(zhì)變化的主要地質(zhì)因素，以期為龍馬溪組深層頁巖氣儲(chǔ)集層的測(cè)井解釋和地震“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景與測(cè)試方法

研究區(qū)位于重慶市榮昌區(qū)、大足區(qū)和四川省內(nèi)江市境內(nèi)（見圖1a）。區(qū)域構(gòu)造為川中平緩構(gòu)造帶、川西南低陡構(gòu)造帶與川南低陡構(gòu)造帶3 者交接地帶（見 圖1a），區(qū)內(nèi)構(gòu)造平緩簡(jiǎn)單，地層整體超壓，實(shí)測(cè)壓力系數(shù)為1.99～2.25，龍馬溪組頁巖保存條件較好，埋深均超過3 700 m，屬于典型的深層頁巖氣儲(chǔ)集層。整 個(gè)頁巖段在深度上可分為龍馬溪組二段與龍馬溪組一段（簡(jiǎn)稱“龍二段”、“龍一段”），其中龍一段作為主要勘探層段由淺至深可細(xì)分為龍一2亞段、龍一14小層、龍一13小層、龍一12小層與龍一11小層（見圖1b）。

圖1 研究區(qū)域位置圖（a）與龍馬溪組頁巖小層劃分方案（b）

本次研究工作所測(cè)量的龍馬溪組頁巖樣品（包括部分五峰組頁巖樣品）選自威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧區(qū)塊W106 井等4 口井中。4 口井共鉆取121 個(gè)柱塞樣品（以垂直層理樣品為主），樣品分布覆蓋龍一段的5 個(gè)亞層段。巖心鉆取成高度大于70 mm 的標(biāo)準(zhǔn)柱塞樣，用線切割的方式切制成高度為40～55 mm，并將端面磨平處理，保證端面斜度小于0.05 mm，以便于后續(xù)動(dòng)、靜態(tài)彈性性質(zhì)的準(zhǔn)確測(cè)試。將制作柱塞樣切下的部分用于氬離子拋光掃描電子顯微鏡（AIM-SEM）分析與偏光顯微鏡分析，獲得樣品礦物組分、微觀結(jié)構(gòu)與孔隙特征。同時(shí)利用切制后的余樣進(jìn)行對(duì)應(yīng)的地球化學(xué)分析，包括X 射線衍射全巖礦物組分分析（PANalytical X 射線衍射儀）、10 種主要氧化物與32 種微量元素分析（等離子質(zhì)譜儀ICP-MS）以及總有機(jī)碳含量（TOC 值）的測(cè)定。

在“相對(duì)”干燥條件下（樣品中僅含結(jié)晶水與黏土約束水）對(duì)頁巖樣品進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)彈性性質(zhì)測(cè)試。利用超聲脈沖穿透法對(duì)樣品縱、橫波速度進(jìn)行測(cè)量，裝置配套的縱、橫波PZT 換能器主頻分別為0.8 與0.35 MHz，縱、橫波速度的測(cè)試誤差分別為±1.25%和±2%。樣品圍壓保持在40 MPa（約等于儲(chǔ)集層條件下的有效壓力）。完成樣品的動(dòng)態(tài)彈性測(cè)試后，緊接著進(jìn)行布爾硬度的測(cè)量以反映樣品的靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)。

2 樣品巖石學(xué)特征與地球化學(xué)特征

2.1 巖石學(xué)特征

圖2 頁巖樣品礦物組成三端元圖解

通過硅質(zhì)礦物-碳酸鹽礦物-黏土礦物三端元圖解對(duì)研究區(qū)頁巖進(jìn)行分類[16-17]，貧有機(jī)質(zhì)樣品均位于龍一2亞段、龍一與龍一小層，巖性以含硅黏土質(zhì)頁巖為主，少量硅質(zhì)頁巖與混合質(zhì)頁巖（見圖2a、圖2b），該部分樣品中硅質(zhì)礦物含量平均值為35.7%，黏土礦物含量平均值為51.6%，碳酸鹽礦物含量平均值為2.8%，TOC 值平均值為0.96%；富有機(jī)質(zhì)樣品主要位于龍一與龍一小層，巖性上以含黏土硅質(zhì)頁巖與 混合質(zhì)頁巖為主，少量黏土質(zhì)頁巖（見圖2c），其中黏土礦物含量平均值為42.8%，硅質(zhì)礦物含量平均值為42.5%，碳酸鹽礦物含量平均值為12.1%，TOC 值平均為3.31%。硅質(zhì)頁巖富含藻類與放射蟲、富有機(jī)質(zhì)，黃鐵礦的發(fā)育指示了缺氧的還原環(huán)境（見圖3d），含硅黏土質(zhì)頁巖中的總有機(jī)碳含量相對(duì)較低，表明其沉積環(huán)境以氧化-弱還原為主。富有機(jī)質(zhì)頁巖段主要礦物組分與同一研究區(qū)中淺層龍馬溪組頁巖富有機(jī)質(zhì)段相比差異不大，均以富硅為主要特征。

深層頁巖樣品孔隙類型主要包括無機(jī)孔隙（黏土或石英顆粒粒間孔隙、黃鐵礦晶間孔隙、方解石或白云石溶蝕孔隙與裂隙孔隙）與有機(jī)質(zhì)孔隙，在主要孔隙類型上與中淺層頁巖樣品一致（見圖3）。深層頁巖樣品孔隙構(gòu)成在不同亞層具有明顯差異，貧有機(jī)質(zhì)頁巖段（龍一2亞段、龍一與龍一小層）樣品中以黏土粒間孔隙、方解石或白云石溶蝕孔隙為代表的無機(jī)孔隙較為發(fā)育，而有機(jī)質(zhì)孔隙相對(duì)不發(fā)育（見圖3b、圖3c）；富有機(jī)質(zhì)頁巖段（龍一與龍一小層）樣品中有機(jī)質(zhì)與無機(jī)孔隙則均較發(fā)育（見圖3e、圖3f）。

圖3 W106 井深層頁巖樣品微觀巖石結(jié)構(gòu)與孔隙結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)貧有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品與富有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品在巖石微觀結(jié)構(gòu)特征上表現(xiàn)出較為明顯的差異，貧有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品在強(qiáng)壓實(shí)作用下出現(xiàn)平行層理的定向排列，形成以塑性黏土顆粒作為支撐骨架的微觀結(jié)構(gòu)特征，石英與方解石等剛性顆?！捌　庇诙ㄏ蚺帕械酿ね令w粒之中（見圖3a、圖3b）；有機(jī)質(zhì)賦存于黏土粒間孔隙之間，粒間孔隙位于定向排列的針片狀黏土顆粒之間，表現(xiàn)為扁平的孔隙形狀（見圖3b），力學(xué)性質(zhì)上具有典型軟孔隙特征。富有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品 中出現(xiàn)大量微晶石英顆粒，石英顆粒間呈點(diǎn)、線接觸，針片狀黏土顆粒隨機(jī)充填于微晶石英顆粒之間，致使其整體定向特征較弱，在巖石結(jié)構(gòu)上以微晶石英顆粒構(gòu)成巖石受力骨架（見圖3d—圖3f）。有機(jī)質(zhì)主要賦存于石英粒間孔隙之內(nèi)，不作為受力骨架，粒間孔隙受后期壓實(shí)和膠結(jié)作用的影響呈現(xiàn)多邊形或三角形形狀（見圖3f），在力學(xué)性質(zhì)上具有硬孔隙特征。深層頁巖不同亞段典型樣品掃描電鏡礦物定量分析結(jié)果顯示，富有機(jī)質(zhì)段頁巖樣中石英顆粒通過點(diǎn)、線接觸構(gòu)成連續(xù)的巖石骨架，伊利石與長(zhǎng)石類礦物“懸浮”于石英骨架之中（見圖4a—圖4c）；而相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)段頁巖樣品則表現(xiàn)為伊利石顆粒相互連接形成巖石骨架，石英等剛性顆粒則“懸浮”于黏土骨架之中（見圖4d、 圖4e）。巖石骨架由龍一2 亞段的黏土顆粒支撐逐漸轉(zhuǎn)化為龍一11小層的石英顆粒支撐，是不同亞段頁巖差異性沉積、成巖作用的結(jié)果。

圖4 頁巖樣品掃描電鏡礦物定量分析（視域： 0.25 mm×1.0 mm，分辨率：1.0 μm）

2.2 地球化學(xué)特征

石英顆粒不但是頁巖樣品的主要組成礦物，同時(shí)也是不同亞段頁巖成巖作用的重要產(chǎn)物，其變化特征是分析頁巖成巖過程與結(jié)構(gòu)差異的重要指標(biāo)。主量元素含量對(duì)于硅質(zhì)成因判別有重要意義，不同成因的硅質(zhì)具有不同巖石化學(xué)特征，生物成因頁巖具有高SiO2、P2O5和Fe2O3，低Al2O3、TiO2、FeO 和MgO 的特征。Fe 和Mn 元素的富集主要與礦化熱液金屬元素析出有關(guān)，而Al 與陸源碎屑中硅酸鹽類礦物相關(guān)[18-19]。本次研究的頁巖樣品Al2O3與TiO2具有較高的正相關(guān)性（見圖5a），表明陸源物質(zhì)均來自于同一源區(qū)，富有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品Al2O3與TiO2含量相對(duì)偏低，大部分樣品分別不高于9.14%和0.45%，且與SiO2含量沒有任何相關(guān)性（見圖5b、圖5c），并與相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖段在Al2O3與TiO2含量上存在明顯的分界，表明兩者在硅質(zhì)來源上存在重要差異，較低的Al2O3與TiO2含量說明富有機(jī)質(zhì)頁巖段中陸源物質(zhì)對(duì)硅質(zhì)成分貢獻(xiàn)不大。Si 含量與Si、Al、Fe 三者含量總和的比值是判斷硅質(zhì)成因的重要參數(shù)，生物成因硅質(zhì)該參數(shù)一般大于0.8，富有機(jī)質(zhì)頁巖段大部分樣品的該參數(shù)高于0.8，亦表明相應(yīng)層段樣品硅質(zhì)來源以生物成因?yàn)橹鳌?/p>

圖5 深層頁巖樣品SiO2、Al2O3 和TiO2 相關(guān)性

龍馬溪組頁巖局部硅質(zhì)含量明顯高，具有較高的Si含量與Al 含量的比值。在樣品Si-Al 含量相關(guān)關(guān)系圖中伊利石中Si 含量與Al 含量的擬合曲線（根據(jù)Barnett黏土質(zhì)頁巖Si、Al 含量擬合得出）之上為過量硅部分，代表生物成因的石英[20]。圖6a 中可以看出，位于伊利石中Si 含量與Al 含量的擬合曲線以上的主要為龍一小層、龍一小層富有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品，表明該層段頁巖樣品中石英以生物成因的硅質(zhì)為主。但也應(yīng)注意到對(duì)于龍一小層、龍一小層樣品硅質(zhì)成因也具有明顯的差異，部分樣品分布在伊利石中Si 含量與Al 含量的擬合曲線以下，反映陸源石英為主的特征，亦說明深層頁巖在物源（硅質(zhì)來源）橫向變化上的不均勻性。以陸源石英為主的非優(yōu)質(zhì)頁巖樣品則表現(xiàn)出石英顆粒嵌入黏土基質(zhì)的特征，形成以黏土顆粒為骨架的巖石結(jié)構(gòu)（見 圖6b）；而優(yōu)質(zhì)頁巖樣品中的生物石英在微觀特征上多以鏈狀微晶石英或微晶石英聚集體產(chǎn)出，并與大量藻類相伴生，結(jié)構(gòu)上具有以微晶石英作為巖石骨架的特征（見圖6c）。

圖6 深層頁巖樣品Si-Al 含量相關(guān)關(guān)系圖與典型石英顆粒微觀特征

微量元素鋯（Zr）也能夠?qū)搸r樣品中石英的來源進(jìn)行示蹤，鋯元素主要賦存于重礦物鋯石中，代表陸源碎屑石英[21]。微量元素鋯與石英（SiO2）含量的正相關(guān)關(guān)系反映陸源石英對(duì)巖石中硅質(zhì)的貢獻(xiàn)，而微量元素鋯與石英含量的負(fù)相關(guān)關(guān)系則代表生物成因石英對(duì)巖石中硅質(zhì)的貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)樣品微量元素鋯與石英含量總體呈倒“V”型的變化特征（見圖7），石英含量小于41%時(shí)，微量元素鋯與石英含量呈正相關(guān)關(guān)系，對(duì)應(yīng)樣品主要為相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品及少量龍一小層、龍一小層樣品，表明該部分頁巖樣品中陸源碎屑石英為主。石英含量大于41%時(shí)，微量元素鋯與石英含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)應(yīng)樣品主要為富有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品，表明該類樣品中石英以生物成因石英為主。龍一小層樣品單獨(dú)在該相關(guān)關(guān)系圖中也會(huì)呈現(xiàn)倒“V”型的變化特征，同樣也反映出相同層段在石英來源上的橫向不均勻性。

圖7 深層頁巖樣品Zr-SiO2 含量相關(guān)關(guān)系圖

硅質(zhì)來源對(duì)龍馬溪組頁巖成巖過程有重要的影響。 硅質(zhì)組分的生物來源代表紅藻、褐藻等生物的繁盛，亦表明水體中初級(jí)生產(chǎn)力達(dá)到較高的水平，從而使總有機(jī)碳含量高。大量的硅質(zhì)生物分解使海水富硅，當(dāng)硅質(zhì)達(dá)到一定濃度時(shí)逐漸析出而形成大量生物成因的非晶態(tài)SiO2。隨著埋深的增加，儲(chǔ)集層溫度升高，非晶態(tài)SiO2經(jīng)歷從蛋白石-A→蛋白石-CT→緊密微晶石英集合體的石英顆粒自發(fā)膠結(jié)的變化，形成以微晶石英集合體為巖石受力骨架的巖石結(jié)構(gòu)，同時(shí)這種早期膠結(jié)作用使得骨架剛性增加從而減弱了機(jī)械壓實(shí)作用的影響，不但減弱了黏土顆粒的定向，還使得原生粒間孔隙得以保存，更有利于有機(jī)質(zhì)的賦存。因此，以生物成因石英為主的頁巖亞段樣品具有以微晶石英顆粒構(gòu)成巖石骨架以及高TOC 值的特征。以陸源石英為主的頁巖層段，不發(fā)生早期生物成因硅質(zhì)膠結(jié)作用，黏土顆粒在機(jī)械壓實(shí)階段在上覆壓力的作用下旋轉(zhuǎn)、定向排列而形成巖石的受力骨架。因此，陸源石英為主的頁巖亞段具有以黏土顆粒為巖石骨架的特征，同時(shí)TOC 值相對(duì)較低。生物成因石英形成的成巖早期膠結(jié)作用，以及對(duì)隨后成巖過程的影響造成了相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖段與富有機(jī)質(zhì)頁巖段在巖石結(jié)構(gòu)上的明顯差異，即生物硅控制了頁巖的結(jié)構(gòu)。不同亞段頁巖樣品巖石結(jié)構(gòu)（骨架支撐顆粒）的變化亦會(huì)造成其巖石物理性質(zhì)存在差異。

3 頁巖樣品物性與巖石物理特征

3.1 物性變化規(guī)律

圖8a 中給出頁巖樣品TOC 值隨石英含量的變化關(guān)系。對(duì)于富有機(jī)質(zhì)頁巖段頁巖樣品，TOC 值隨著石英含量的增加總體呈現(xiàn)較弱的正相關(guān)關(guān)系；而貧總有機(jī)碳頁巖段樣品，兩者之間則不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。石英含量尤其是生物成因石英含量反映古海洋有機(jī)質(zhì)的初級(jí)生產(chǎn)力，同時(shí)生物成因的石英可起到早期膠結(jié)的作用增大沉積物骨架的剛性（抗壓性），致使原生粒間孔隙得以保存，提高了有機(jī)質(zhì)的保存率。上述原因造成石英含量與TOC 值具有一定的耦合關(guān)系，表現(xiàn)為龍一小層、龍一小層樣品具有相對(duì)較高的TOC 值。由于富有機(jī)質(zhì)頁巖段的不均勻性，部分樣品中硅質(zhì)來源仍以陸源石英為主，造成該部分樣品TOC 值較低；亦有可能是取樣地層在古沉積環(huán)境上離陸源較近，存在石英顆粒來源上的混源可能性，即生物成因與陸源石英同時(shí)存在。圖8b 給出頁巖樣品孔隙度隨TOC 值的變化關(guān)系，兩者總體呈現(xiàn)出較弱的正相關(guān)關(guān)系。頁巖樣品孔隙度變化范圍為4.0%～8.7%，非儲(chǔ)集層段樣品也具有較高的孔隙度。研究區(qū)的地層超壓也可能對(duì)孔隙的保存有一定的積極作用。在中淺層頁巖中，富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙度一般不超過5%，而相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙通常低于2%，同時(shí)中淺層優(yōu)質(zhì)頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙對(duì)頁巖總孔隙貢獻(xiàn)較大，孔隙度與TOC 值通常表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。而本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的深層頁巖樣品由于無機(jī)孔隙對(duì)總孔隙的貢獻(xiàn)與有機(jī)質(zhì)孔隙相當(dāng)，造成中淺層頁巖與深層頁巖不但在孔隙度值上以及在孔隙度-TOC 值變化規(guī)律上存在明顯差異。

圖8 頁巖樣品TOC 值與石英含量變化關(guān)系（a）及 TOC 值與孔隙度變化關(guān)系（b）

3.2 彈性波速度變化規(guī)律

研究區(qū)頁巖儲(chǔ)集層普遍超壓，但在實(shí)驗(yàn)過程中由于頁巖樣品滲透率較低，致使加載孔隙壓力過程中壓力平衡過程較長(zhǎng)，因此實(shí)驗(yàn)中樣品速度測(cè)量均為不考慮孔隙壓力的有效壓力條件。相較于考慮孔隙壓力的有效壓力條件，不考慮孔隙壓力會(huì)造成縱、橫波速度略微偏高，等同于孔隙中充填流體使得速度增大，但不影響對(duì)樣品整體地震彈性性質(zhì)變化規(guī)律分析。圖9中實(shí)驗(yàn)有效壓力為40 MPa，頁巖樣品垂直層理傳播縱、橫波速度與石英含量交會(huì)結(jié)果表明，樣品速度變化整體呈現(xiàn)不對(duì)稱的倒“V”型趨勢(shì)，以石英含量41%為界限，低于該值時(shí)縱、橫波速度先隨石英含量的增加而逐漸增大，而高于該值時(shí)速度變化趨勢(shì)相反。對(duì)比圖10 與圖7，可以看出速度-石英含量變化方式與微量元素鋯-石英含量變化方式具有一致性，41%石英含量的界限近似代表樣品以陸源碎屑石英為主或以生物成因石英為主，陸源碎屑石英為主的樣品以黏土顆粒作為巖石骨架，而生物成因石英為主的樣品以微晶石英作用巖石的骨架，這種樣品結(jié)構(gòu)特征的變化又決定了速度-石英含量的整體變化方式。在石英含量小于41%時(shí)，彈性性質(zhì)較“軟”的黏土顆粒作為巖石的骨架（見圖3a—圖3c），此時(shí)增加石英含量并不改變黏土顆粒作為受力骨架的原有微觀巖石結(jié)構(gòu)，剛性石英顆粒仍“漂浮”于塑性黏土基質(zhì)中，較“軟”的黏土顆粒作為彈性波傳播的載體控制巖石宏觀動(dòng)態(tài)彈性性質(zhì)，使得樣品橫波速度相對(duì)較低（見圖9b）。縱、橫波速度隨石英含量的增大而增大主要為孔隙度與TOC 值減小的結(jié)果（見圖10a、圖10b），但這種孔隙度減小趨勢(shì)與傳統(tǒng)的純泥巖→砂質(zhì)泥巖變化過程中孔隙度變化規(guī)律有明顯區(qū)別，在純泥巖→砂質(zhì)泥巖變化過程中孔隙度變化是分選性差異造成[22]，而頁巖樣品中孔隙度的減小趨勢(shì)則是與鈣質(zhì)含量相關(guān)的溶蝕孔隙和TOC 值逐漸減小的結(jié)果，表現(xiàn)為低速度樣品對(duì)應(yīng)高鈣質(zhì)含量與高孔隙度，高速度樣品對(duì)應(yīng)低鈣質(zhì)含量與低孔隙度（見圖10b、圖10d）。而當(dāng)石英含量高于41%時(shí)，樣品具有以剛性石英顆粒作為受力骨架的特征，此時(shí)較“硬”石英顆粒作為彈性波傳播的載體控制巖石宏觀彈性性質(zhì)，造成該部分樣品橫波速度相對(duì)較高（見圖9b）。對(duì)于以生物成因石英為主的樣品，石英含量與TOC 值，以及TOC值與孔隙度之間具有一定的正相關(guān)關(guān)系（見圖8），該部分樣品中彈性性質(zhì)較“軟”的有機(jī)質(zhì)含量與孔隙度隨石英含量的增大而增大，使得富有機(jī)質(zhì)樣品的速度與石英含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)（見圖10a、圖10b）。由于龍一小層也存在少量以陸源石英為主的樣品，使得該層段樣品速度-石英含量變化方式也會(huì)呈現(xiàn)倒“V”型特征。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，深層頁巖的動(dòng)態(tài)彈性性質(zhì)整體變化規(guī)律主要受控于巖石微觀受力骨架特征，而孔隙度、TOC 為影響動(dòng)態(tài)彈性特征變化的次要因素，中淺層頁巖亦表現(xiàn)出相同的規(guī)律性[9-10]。深層頁巖樣品速度-石英含量變化方式與純泥巖→砂質(zhì)泥巖→泥質(zhì)砂巖→純砂巖系列的速度變化方式一致，均表現(xiàn)為受巖石結(jié)構(gòu)控制。兩者孔隙度演化的方式并不相同，深層頁巖不能簡(jiǎn)單類似于純泥巖→砂質(zhì)泥巖→泥質(zhì)砂巖→純砂巖系列的連續(xù)速度變化。

圖9 頁巖樣品巖縱波速度（a）與橫波速度（b）隨石英 含量變化特征

圖10 頁巖樣品主要組分及孔隙度對(duì)縱波速度變化 特征的影響

圖11 中有效壓力為40 MPa，頁巖樣品垂直層理傳播縱、橫波速度與孔隙度交會(huì)結(jié)果表明：速度具有隨孔隙度增大而減小的整體趨勢(shì)，其變化斜率反映樣品的孔隙結(jié)構(gòu)特征。縱波速度隨孔隙度變化可區(qū)分出兩種明顯不同的變化方式。其一，相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品表現(xiàn)出較大的縱波速度-孔隙度變化斜率，樣品孔隙中存在較多的黏土顆粒間孔隙（見圖3b、圖3c），受強(qiáng)壓實(shí)作用及黏土顆粒定向的影響，該類孔隙通常表現(xiàn)為縱橫比較小的“軟”孔隙，在力學(xué)性質(zhì)上與微裂隙類似，少量孔隙的存在能較明顯地降低縱波速度，造成縱波速度-孔隙度關(guān)系表現(xiàn)出較大的變化斜率。其二，富有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品表現(xiàn)出較小的速度-孔隙度變化斜率，樣品孔隙中存在較多的石英顆粒粒間孔（見圖3e、圖3f），表現(xiàn)為具有較高縱橫比的“硬”孔隙，孔隙度的變化對(duì)速度的影響較小，致使縱波速度-孔隙度變化斜率較小。由于兩類頁巖樣品的骨架組成礦物在剪切模量上存在明顯差異，石英顆粒剪切模量為45 GPa，而黏土礦物剪切模量?jī)H為9 GPa[23]，造成富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品的橫波速度明顯高于相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁樣品的橫波速度。橫波速度對(duì)孔隙形狀不敏感，也造成兩類樣品的橫波速度-孔隙度變化斜率差異不大。

圖11 頁巖樣品縱波速度（a）與橫波速度（b）隨孔隙度 變化特征

頁巖樣品的動(dòng)態(tài)彈性模量與泊松比可表示為[23]：

圖12a 為40 MPa 的圍壓下頁巖樣品縱波阻抗與泊松比相關(guān)關(guān)系圖，計(jì)算中縱、橫波速度采用垂直層理傳播的縱、橫波速度。在縱波阻抗上富有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品與相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖段樣品存在較為明顯的重疊，僅縱波阻抗單一屬性較難劃分儲(chǔ)集層類型。富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品主體表現(xiàn)為低泊松比（泊松比小于0.22）特征，反映石英顆粒的彈性性質(zhì)。相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)段頁巖樣品表現(xiàn)出泊松比隨縱波阻抗的增大而逐漸增大的特征，該部分樣品以黏土作為巖石骨架，隨黏土含量增大樣品總孔隙度呈減小的趨勢(shì)，造成縱波阻抗逐漸增大，而黏土含量的增大使得樣品的泊松比也隨之增加。圖12b 給出頁巖樣品彈性模量與泊松比相關(guān)關(guān)系圖。富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品主要表現(xiàn)出高彈性模量（大于30 GPa）低泊松比（小于0.22）的特征，同樣反映骨架石英顆粒的彈性特征。本次研究的深層頁巖與中淺層頁巖在地震彈性性質(zhì)變化規(guī)律上存在一定的差異，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果及勘探認(rèn)識(shí)均認(rèn)為中淺層富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)集層具有低縱波阻抗、低泊松比的特征，這主要是因?yàn)橹袦\層富有機(jī)質(zhì)頁巖隨有機(jī)質(zhì)含量的增加，孔隙度會(huì)明顯增大，使得縱波阻抗降低明顯，造成富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)集層表現(xiàn)出低阻抗特征。深層頁巖由于無機(jī)孔隙對(duì)相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙度的貢獻(xiàn)，致使部分相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)集層也表現(xiàn)為低縱波阻抗特征，而使得富有機(jī)質(zhì)頁巖的縱波阻抗并非最低。

圖12 頁巖樣品縱波阻抗-泊松比（a）與彈性模量- 泊松比（b）相關(guān)關(guān)系圖

3.3 靜態(tài)巖石力學(xué)特征變化規(guī)律

巖石脆性特征是評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)集層地質(zhì)力學(xué)特性和破裂能力的關(guān)鍵指標(biāo)[24]。在脆性的測(cè)井與地震評(píng)價(jià)中通常采用兩種方法，其一為利用彈性模量和泊松比計(jì)算巖石脆性，泊松比反映巖石在應(yīng)力作用下的初始破裂能力，而彈性模量則反映裂隙保持其特征的能力， 利用彈性參數(shù)定義的巖石脆性系數(shù)為[25]：

其二，基于巖石脆、塑性礦物組成的脆性評(píng)價(jià)方法，將頁巖樣品中石英、白云石作為主要的脆性礦物，利用礦物組分定義的巖石脆性系數(shù)為[26]：

圖13 頁巖樣品脆性指數(shù)B1（a）與B2（b）隨硬度 變化關(guān)系

圖13a 中給出樣品硬度與脆性指數(shù)的變化關(guān)系。硬度與脆性指數(shù)B1及B2均表現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系，富有機(jī)質(zhì)層段樣品表現(xiàn)出較高的硬度與脆性指數(shù)值， 表明可用樣品硬度代表脆性變化。由于硬度測(cè)試作用的樣品面積較小，更容易受到礦物組分局部變化的影響，同時(shí)方解石等礦物對(duì)樣品脆性及塑性的貢獻(xiàn)依賴于實(shí)驗(yàn)條件，造成硬度與B1的相關(guān)性要高于硬度與B2的相關(guān)性。

圖14 中給出樣品硬度（脆性）與主要礦物組分的變化關(guān)系。由于TOC 值具有低密度與低彈性模量的特征，較多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TOC 值的增加會(huì)明顯降低頁巖的彈性模量以及增大泊松比，造成頁巖的塑性增 大[27-28]。而對(duì)于深層過成熟的龍馬溪組頁巖樣品，硬度與TOC 值整體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，尤其是對(duì)于優(yōu)質(zhì)頁巖段樣品這種正相關(guān)性更為明顯（見圖14a）。造成這種現(xiàn)象的主要原因是在TOC 值的增加過程中頁巖樣品的支撐骨架發(fā)生了變化，從塑性的黏土顆粒作為支撐骨架轉(zhuǎn)變?yōu)橐源嘈缘氖㈩w粒作為支撐骨架，同時(shí)過成熟頁巖樣品的有機(jī)質(zhì)主要賦存與石英原生粒間孔隙之間而不作為受力載體，TOC 值增加對(duì)樣品硬度的降低作用小于支撐顆粒彈性性質(zhì)變化對(duì)樣品硬度的增加作用，致使高TOC 值的優(yōu)質(zhì)頁巖硬度（脆性）整體偏高。而石英含量大于41%時(shí)，頁巖樣品以生物成因石英作為巖石骨架，石英含量的增加意味著樣品中力學(xué)性質(zhì)較“軟”的有機(jī)質(zhì)和孔隙度含量隨之增大（見圖10a、圖10b），造成該部分樣品的硬度（脆性）隨石英含量的增大而降低。也正是由于上述原因，石英含量與硬度的關(guān)系總體也與縱波速度相似，以石英含量41%為界限，表現(xiàn)出不對(duì)稱倒“V”型（見圖14b）。石英含量低于41%時(shí)，硬度與石英含量呈較弱的正相關(guān)關(guān)系，在高于該石英含量時(shí)，硬度（脆性）則與石英含量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖14b），生物成因石英為主的樣品硬度（脆性）明顯高于陸源石英為主的樣品。同時(shí)，并非樣品的石英含量越高，其硬度（脆性）也越大，陸源石英含量的增加并不明顯改變樣品的硬度。黏土礦物是頁巖中最主要的塑性礦物[29]，其強(qiáng)塑性特征使得樣品的硬度與黏土含量現(xiàn)出較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于石英含量小于41%時(shí)頁巖樣品以黏土顆粒作為支撐顆粒，樣品整體力學(xué)性質(zhì)受黏土礦物特征的控制，造成硬度與石英含量及黏土含量的變化關(guān)系不再出現(xiàn)明顯的變化。同樣，方解石與樣品的硬度不存在明顯的相關(guān)關(guān)系，亦說明方解石雖然被認(rèn)為是脆性礦物，但并不是影響深層龍馬溪組頁巖硬度（脆性）的主要因素，或者說方解石對(duì)龍馬溪組頁巖樣品硬度（脆性）的增加作用會(huì)被其他因素的降低作用抵消。

圖14 頁巖樣品巖硬度隨TOC 值（a）、石英含量（b）、 黏土含量（c）及方解石含量（d）變化特征

4 結(jié)論

川南五峰組—龍馬溪組深層頁巖樣品主要礦物組分與相同層位中淺層頁巖相似，富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品以含黏土硅質(zhì)頁巖為主，相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖則以含硅黏土質(zhì)頁巖為主。

深層富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品主要位于伊利石中Si 含量與Al 含量的擬合曲線以上，微量元素鋯含量與石英含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，顯示樣品中石英來源以成巖早期（同沉積）的生物成因硅質(zhì)為主，具有以微晶石英顆粒為巖石支撐骨架的特征；相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖樣品主要位于伊利石中Si 含量與Al 含量的擬合曲線以下，微量元素鋯含量與石英含量呈正相關(guān)關(guān)系，顯示樣品中石英來源以陸源碎屑石英為主，在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為以塑性的黏土礦物作為巖石支撐骨架的特征。

深層頁巖樣品的速度-石英含量、速度-孔隙度、速度- 有機(jī)質(zhì)含量整體變化形式主要受巖石微觀結(jié)構(gòu)（骨架支撐顆粒彈性特征）控制，也使得富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品與相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)頁巖樣品在縱波阻抗-泊松比以及彈性模量- 泊松比等組合彈性參數(shù)相關(guān)關(guān)系圖中具有較好的分區(qū)性。

頁巖樣品硬度與B1及B2具有明顯的正相關(guān)性。樣品硬度及脆性同樣受到巖石結(jié)構(gòu)的控制，造成硬度及脆性隨石英含量呈現(xiàn)出不對(duì)稱倒“V”型，而與黏土含量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于以塑性黏土礦物作為巖石支撐顆粒的相對(duì)貧有機(jī)質(zhì)樣品陸源石英含量的增加并不明顯改變樣品的硬度（脆性）。

符號(hào)注釋：

B1——速度參數(shù)定義的巖石脆性指數(shù)，無因次；B2——礦物組分定義的巖石脆性指數(shù)，無因次；Ed——計(jì)算巖石脆性時(shí)用的彈性模量，Pa；Vclay——樣品中黏土含量，%； Vdol——樣品中脆性白云石含量，%；Vlime——樣品中方解石含量，%；vp——垂直層理傳播的縱波速度，m/s；Vquar——樣品中脆性石英含量，%；vs——垂直層理傳播的橫波速度，m/s；VTOC——樣品中總有機(jī)碳含量，%；ρ——干燥條件下樣品密度，kg/m3；υd——泊松比，無因次。