含氣頁巖不同紋層及組合儲集層特征差異性及其成因
——以四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組一段典型井為例

施振生，董大忠，王紅巖，孫莎莎，武瑾

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心，河北廊坊 065007）

0 引言

含氣頁巖紋層及其組合控制著頁巖的物質(zhì)組成、孔隙特征和微裂縫展布[1]，從而控制頁巖的孔隙度和滲透率。過去的幾十年內(nèi)，針對頁巖紋層的術(shù)語[2]、描述方法[3]、紋層類型[4]、形成環(huán)境[5-6]、不同紋層形成水動力條件[7]及其頁巖氣勘探開發(fā)意義[8]等方面做了大量工作。前人研究認(rèn)為，紋層可從組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造3個方面開展描述[3]。根據(jù)紋層組成，黑色頁巖可劃分出富有機質(zhì)紋層、含有機質(zhì)紋層和黏土紋層[4]。根據(jù)紋層結(jié)構(gòu)，黑色頁巖可劃分出泥紋層和粉砂紋層[9]。紋層構(gòu)造可從連續(xù)性（連續(xù)、非連續(xù)）、形態(tài)（板狀、波狀、彎曲狀）及相互之間幾何關(guān)系（平行、非平行）進一步細分為12類。

黑色頁巖主要由粒徑小于62.5 μm的顆粒組成[3]，根據(jù)顆粒粒徑可細分為粗粉砂（31.2～62.5 μm）、細粉砂（3.9～31.2 μm）和細粒泥（小于3.9 μm）[10]。光學(xué)顯微鏡下可識別的礦物顆粒最小粒徑為31.2 μm，鑒于此，本文將粒徑小于31.2 μm的顆粒統(tǒng)稱為泥質(zhì)，粒徑為31.2～62.5 μm的顆粒統(tǒng)稱為粉砂質(zhì)。頁巖紋層按其泥質(zhì)和粉砂質(zhì)含量可細分為泥紋層和粉砂紋層，泥紋層的泥質(zhì)含量大于50%，粉砂紋層的粉砂質(zhì)含量大于50%。泥紋層和粉砂紋層相互疊置，構(gòu)成多種紋層組合[6]。黑色頁巖泥紋層和粉砂紋層的孔隙組成、孔隙結(jié)構(gòu)及微裂縫分布也存在巨大差異。泥紋層富含黏土級礦物顆粒[11]，在低—中熱成熟演化階段粉砂紋層常具有更好的儲集空間及滲透性[8]。成巖演化過程中，由于成分差異，泥紋層和粉砂紋層表現(xiàn)出不同的成巖路徑及儲集性能[12]。

四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組一段含氣頁巖紋層發(fā)育，其因高TOC值、高含氣量、高脆性礦物含量及高孔隙度而成為目前頁巖氣勘探開發(fā)的最佳目的層[1]。針對紋層礦物組成及分類[4]、不同紋層結(jié)構(gòu)頁巖的儲集層整體特征[13]，前人已開展一系列研究。然而，目前研究仍存在3個方面問題：①泥紋層和粉砂紋層的儲集層和微裂縫特征是否存在差異；②不同紋層的成因機理是什么；③不同紋層及組合對頁巖的物性存在哪些影響。本文以四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖為例，采用常規(guī)薄片觀察、大薄片、氬離子拋光大片成像和納米CT掃描相結(jié)合的研究方法，分別探討泥紋層和粉砂紋層的儲集層特征差異性及其成因，并探討不同紋層組合對頁巖孔隙度和滲透率的控制。

1 實驗樣品及方法

1.1 樣品制備

四川盆地龍馬溪組發(fā)育大套黑色頁巖（見圖1）。龍馬溪組與下伏奧陶系五峰組整合接觸，與上覆石牛欄組、小河壩組或梁山組呈角度不整合接觸，由下至上分為龍一段和龍二段，龍一段分為龍一1亞段和龍一2亞段，龍一1亞段細分出4個小層（龍一11—龍一14）。龍一段為黑色、灰黑色薄層狀頁巖或塊狀頁巖夾薄層狀粉砂巖；龍二段為泥質(zhì)粉砂巖，有時夾粉砂巖。

本文研究樣品取自四川盆地威201、威202、威204H10-5、自201、足202、鹽津1等井巖心及長寧雙河剖面露頭，取樣層位為龍馬溪組一段。威201、威202、自201、足202等井制作大薄片各5塊，鹽津1井制作薄片42塊，威204H10-5井和足202井CT掃描各1塊。露頭選取連續(xù)取樣方法，共制作大薄片203塊、小薄片203塊，物性分析13塊次，氬離子拋光片1塊次。大薄片尺寸為5 cm×7 cm×30 μm，物性分析樣品尺寸為25 mm×10 mm。所有分析測試在國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心完成。

1.2 薄片成像和顯微鏡觀察

層理描述主要借助于大薄片全尺度照相和偏光顯微鏡觀察。選用德國Leica4500P顯微高精度數(shù)字平臺開展全薄片照相，每張大薄片一共采集圖像3 200張。圖像采集完成后，利用Adobe Photoshop CS5及以上版本圖形處理軟件在高配制工作站上對采集的3 200張圖像開展無縫拼接，從而完成全薄片照相。完成全薄片照相后，開展層理特征描述，并選用配備有Leica DFC450照相系統(tǒng)的Leica DMIP偏光顯微鏡開展標(biāo)準(zhǔn)薄片巖石學(xué)特征研究。

1.3 納米孔隙分析

為了獲得高精度和大視域納米孔隙圖像，采用氬離子拋光片制作、圖像采集和拼接、孔隙組成與孔徑分布分析等研究步驟和方法。氬離子拋光片尺寸為10 mm×10 mm×5 mm，圖像采集選用攜帶冷排放的Hitachi場發(fā)射掃描電鏡，并配備二次電子探針和X-射線能譜儀（EDS）。掃描電鏡放大倍數(shù)為30×103倍（單張照片最大分辨率為9 nm）。為了弄清不同紋層的納米孔隙類型及孔徑分布，圖像采集區(qū)域垂直于紋層面。水平方向采集圖像7張，垂直方向采集圖像80張，單張圖像尺寸為8.172 μm×11.829 μm，累計采集面積82.80 μm×653.76 μm。圖像采集完成后，選用Adobe Photoshop圖形處理軟件拼接圖像。

圖像拼接完成后，根據(jù)SEM圖像顆粒組成區(qū)分泥紋層和粉砂紋層，并測量紋層厚度。泥紋層以黏土級顆粒為主，SEM圖像相對較暗；粉砂紋層以粉砂級顆粒為主，SEM圖像相對較亮。紋層識別結(jié)束后，采用軟件追蹤和人工校正相結(jié)合統(tǒng)計各紋層的孔隙數(shù)量、孔徑大小、孔徑分布、孔隙面積、面孔率等。首先，利用Adobe Photoshop圖形處理軟件二值化處理頁巖高分辨率氬離子拋光圖像，自動識別孔隙邊界，并用人工標(biāo)識孔隙類型。然后，統(tǒng)計各個紋層不同類型孔隙數(shù)量、比例、面積、面孔率和面積比例等，并統(tǒng)計不同粒徑范圍不同孔隙類型數(shù)量、比例、面積和面積比例。最后，利用Excel軟件編制不同類型孔隙組成百分比圖（數(shù)量和面積）、孔隙孔徑分布圖（數(shù)量和面積）、不同類型孔隙孔徑分布圖（數(shù)量和面積）及同一孔徑不同類型孔隙組成分布圖（數(shù)量和面積）等，并完成相關(guān)圖件編制。圖像識別過程中，孔隙孔徑是將FE-SEM圖像照片中孔隙面積等效為同等圓形的截面積計算出的孔隙直徑，也可稱為等效圓孔徑或等效孔徑。

2 不同紋層儲集層特征差異性

2.1 紋層厚度和物質(zhì)組成

龍馬溪組一段含氣頁巖發(fā)育泥紋層和粉砂紋層（見圖2）。偏光顯微鏡與SEM圖像綜合分析表明，泥紋層單層厚度為64.80～92.80 μm（平均值76.54 μm），粉砂紋層單層厚度23.20～87.30 μm（平均值54.14 μm）。

圖2 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖不同紋層特征

泥紋層有機質(zhì)相互連通，粉砂紋層有機質(zhì)相互不連通。泥紋層有機質(zhì)多呈彌散狀、條帶狀或團塊狀分布（見圖3a），不同有機質(zhì)相互連通，在空間構(gòu)成網(wǎng)狀。粉砂紋層中粉砂質(zhì)顆粒之間多呈點接觸或線接觸（見圖3b），少數(shù)呈分散狀，有機質(zhì)呈條帶狀、彌散狀或團塊狀分散于粉砂質(zhì)顆粒之間（見圖3b），多數(shù)相互之間不連通。泥紋層與粉砂紋層接觸面處，由于礦物組分和顆粒粒度突變，有機質(zhì)顆粒的縱向延伸受到阻礙。

圖3 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖泥紋層（a）和粉砂紋層（b）SEM圖像（紅色箭頭所指處為有機質(zhì)）

泥紋層石英含量大于70%，有機質(zhì)含量大于15%。粉砂紋層碳酸鹽含量大于50%，石英含量大于20%，有機質(zhì)含量為5%～15%。SEM研究表明，泥紋層中泥質(zhì)主要為石英（70%～90%）、有機質(zhì)（15%～25%）和少量其他礦物（5%～15%）；粉砂紋層中粉砂質(zhì)主要為方解石（25%～35%）、白云石（25%～35%）和石英（10%～20%），局部黃鐵礦富集，泥質(zhì)主要為石英（20%～30%）和有機質(zhì)（5%～10%）。泥紋層中石英顆粒粒徑為1～3 μm，孤立分布或組成集合體；粉砂紋層中方解石和白云石顆粒粒徑多為20～40 μm。偏光顯微鏡下泥紋層顏色較暗，常稱作暗紋層（見圖2），粉砂紋層顏色較亮，常稱作亮紋層[4]。

2.2 孔隙類型及孔隙結(jié)構(gòu)

黑色頁巖發(fā)育有機孔、無機孔和微裂縫。有機孔分布于有機質(zhì)中，形態(tài)有橢圓狀、近球狀、不規(guī)則蜂窩狀、氣孔狀或狹縫狀（見圖4a、圖4b），單個有機質(zhì)中有機孔面孔率為13.6%～33.8%。無機孔分布于礦物顆粒內(nèi)或顆粒之間，形態(tài)有三角狀、棱角狀或長方形。無機孔可分為粒間孔（見圖4c、圖4d）和溶蝕孔隙（見圖4e、圖4f）。溶蝕孔隙主要為碳酸鹽礦物和少量長石溶蝕而成。微裂縫主要分布于礦物顆粒之間或有機質(zhì)內(nèi)部或礦物顆粒與有機質(zhì)之間（見圖4a），呈條帶狀，常能溝通各類孔隙。

圖4 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖孔隙類型及孔隙特征SEM照片

泥紋層有機孔占比高，粉砂紋層無機孔占比高。以SEM圖像中單行長度82.800 μm、寬度8.172 μm的區(qū)域分別統(tǒng)計泥紋層和粉砂紋層不同類型孔隙的占比（見圖5）。5個泥紋層有機孔數(shù)量分別是3 799，14 775，9 737，4 540，6 679個，平均7 906個；粒間孔數(shù)量分別為0，0，0，1，0個；溶蝕孔隙數(shù)量分別為7，25，5，1，18個，平均11.2個；微裂縫數(shù)量分別是0，0，1，5，2個，平均1.6個。5個粉砂紋層中，有機孔數(shù)量分別是2 644，4 915，3 031，2 642，1 227個，平均值2 891.8個；粒間孔數(shù)量分別為0，4，3，0，0個；溶蝕孔隙數(shù)量分別是36，21，24，26，17個，平均24.8個；微裂縫數(shù)量分別是1，0，0，5，1個，平均1.4個。泥紋層有機孔占比是粉砂紋層的2.73倍，粉砂紋層的溶蝕孔隙占比是泥紋層的2.2倍。

圖5 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖泥紋層和粉砂紋層不同類型孔隙數(shù)量對比

泥紋層有機孔相互連通，構(gòu)成網(wǎng)狀；粉砂紋層有機孔和無機孔均為分散狀，相互不連通。泥紋層有機孔沿著有機質(zhì)廣泛分布，有機質(zhì)中有機孔相互連通，能在三維空間構(gòu)成相互連通的網(wǎng)絡(luò)。粉砂紋層中，無機孔多呈分散狀（見圖4h），有機孔也呈不連續(xù)狀分布，從而造成粉砂紋層中各類孔隙相互之間不連通。泥紋層與粉砂紋層之間，由于礦物組成及有機質(zhì)分布的不連續(xù)，不同紋層之間孔隙連通性差。

泥紋層無機孔孔徑小，粉砂紋層無機孔孔徑大。泥紋層中，無機孔多數(shù)為微小顆粒溶蝕而形成的溶蝕孔隙；粉砂紋層中，無機孔多為較大顆粒溶蝕形成粒間溶孔或粒內(nèi)溶孔，有些方解石甚至溶蝕形成網(wǎng)狀溶蝕孔隙（見圖4e、圖4f、圖4h）。

2.3 面孔率

紋層面孔率的大小可反映其孔隙度大小。研究表明，泥紋層面孔率與粉砂紋層基本一致。以SEM圖像中單行長度82.800 μm、寬度8.172 μm的區(qū)域分別統(tǒng)計泥紋層和粉砂紋層面孔率（見圖6）。5個泥紋層面孔率分別為0.81%，2.80%，2.26%，1.08%，1.73%，平均值為2.09%（見圖6a）。5個粉砂紋層面孔率分別為3.02%，4.35%，2.20%，1.80%，1.73%，平均值為2.62%，粉砂紋層面孔率平均值高出泥紋層0.5%。前人研究認(rèn)為，龍馬溪組一段含氣頁巖中微孔占比約占總有機孔的25%～35%[14]。鑒于SEM圖像只能識別孔徑大于10 nm的介孔和宏孔，通過折算可得泥紋層總面孔率應(yīng)為2.65%，粉砂紋層總面孔率應(yīng)為2.93%，故泥紋層和粉砂紋層面孔率差別不大。

泥紋層有機孔面孔率高，粉砂紋層無機孔面孔率高（見圖6b）。5個泥紋層有機孔面孔率占比分別為52.9%，58.7%，60.6%，53.4%，26.6%，平均值為50.4%，有機孔面孔率均高于無機孔；5個粉砂紋層無機孔面孔率占比分別為73.2%，78.3%，81.7%，83.5%，87.9%，平均值80.9%，無機孔面孔率遠高于有機孔。

圖6 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖泥紋層和粉砂紋層面孔率及孔隙組成統(tǒng)計

2.4 孔徑分布

龍馬溪組一段含氣頁巖以納米孔隙為主（見圖7），孔徑為0～1 000 nm（見圖8a），以0～100 nm區(qū)間孔隙分布頻率最大。

泥紋層分布于10～40 nm孔徑區(qū)間的孔隙分布頻率最大，粉砂紋層于100～1 000 nm孔徑區(qū)間的孔隙分布頻率最大。有機孔孔徑集中分布于0～100 nm，其中10～40 nm區(qū)間孔隙分布頻率最大（見圖8b）。無機孔中，粒間孔孔徑分布于200～1 000 nm，其中500～1 000 nm區(qū)間的孔隙分布頻率最大（見圖8c）；溶蝕孔隙孔徑分布于40～1 000 nm，100～1 000 nm區(qū)間的孔隙分布頻率最大（見圖8d）。微裂縫長度分布于10～200 nm，其中40～200 nm區(qū)間的微裂縫分布頻率較大（見圖8e）。

泥紋層不同孔徑區(qū)間有機孔含量均高于粉砂紋層（見圖8b），粉砂紋層不同孔徑區(qū)間的無機孔含量高于泥紋層（見圖8c、圖8d）。以SEM圖像中單行長度82.800 μm、寬度8.172 μm的區(qū)域分別統(tǒng)計粉砂紋層和泥紋層不同孔徑區(qū)間的孔隙含量（見圖8）。0～100 nm孔徑區(qū)間泥紋層有機孔含量是粉砂紋層的2～3倍。200～1 000 nm孔徑區(qū)間粉砂紋層粒間孔含量是泥紋層的2～3倍。100～1 000 nm孔徑區(qū)間粉砂紋層溶蝕孔隙分布頻率是泥紋層的1～2倍。

泥紋層有機孔孔徑較小，粉砂紋層有機孔孔徑較大。統(tǒng)計結(jié)果顯示，泥紋層中孔徑小于100 nm的有機孔面孔率占比高于粉砂紋層，而粉砂紋層孔徑大于100 nm的有機孔面孔率占比高于泥紋層（見圖9）。其中，20～40 nm區(qū)間泥紋層有機孔面孔率平均值為25.9%，粉砂紋層為20.3%；40～100 nm區(qū)間泥紋層有機孔面孔率平均值為31.8%，粉砂紋層為24.1%；100～200 nm區(qū)間泥紋層有機孔面孔率平均值為18.1%，粉砂紋層為18.9%；200～500 nm區(qū)間泥紋層有機孔面孔率平均值17.9%，粉砂紋層為23.6%；500～1 000 nm區(qū)間泥紋層有機孔面孔率平均值為6.3%，粉砂紋層為13.1%。

圖7 自201井3 670.5 m（a）與威202井2 573.5 m（b）含氣頁巖孔隙組成（紅色代表有機孔，黃色代表粒間溶孔，綠色代表粒內(nèi)溶孔）

圖8 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖粉砂紋層和泥紋層不同孔隙孔徑分布特征

2.5 微裂縫類型及密度

龍馬溪組一段含氣頁巖發(fā)育大量微裂縫，按其與紋層面的關(guān)系可分為順層縫和非順層縫[11]。偏光顯微鏡下，順層縫平行于紋層面或與紋層面微角度傾斜（見圖10a），非順層縫斜交和垂直紋層界面（見圖10b）。順層縫和非順層縫常相互交切，構(gòu)成網(wǎng)狀（見圖10c）。龍馬溪組一段含氣順層縫和非順層縫多數(shù)被方解石（見圖10c、圖10d）、有機質(zhì)（見圖10e）或硅質(zhì)充填（見圖10f），少數(shù)被泥質(zhì)、黃鐵礦等充填物半充填或完全充填[15]。

泥紋層順層縫發(fā)育，粉砂紋層順層縫不發(fā)育。龍馬溪組一段含氣頁巖順層縫密度是非順層縫的3倍，單縫長度是非順層縫的5～6倍。順層縫長度受泥紋層連續(xù)性和厚度控制，紋層越連續(xù)，長度越大，單層厚度越大，順層縫越發(fā)育。順層縫主要分布于泥紋層中，沿著泥紋層中部或泥紋層與粉砂紋層接觸面分布（見圖10a），粉砂紋層順層縫不發(fā)育。SEM圖像下，順層縫和非順層縫起點位于有機質(zhì)內(nèi)部或有機質(zhì)與碎屑顆粒接觸面[16]，其長度和密度受順層展布的有機質(zhì)豐度控制。

圖9 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖粉砂紋層和泥紋層有機孔面孔率分布

3 紋層組合及其對物性的控制

3.1 紋層組合及其特征

根據(jù)泥紋層與粉砂紋層的形態(tài)、接觸關(guān)系及厚度分布，可劃分為條帶狀粉砂紋層、砂泥遞變紋層、砂泥薄互層紋層這3類組合。四川盆地龍馬溪組一段中，條帶狀粉砂組合主要分布于龍一11小層，砂泥遞變組合主要分布于龍一12小層，砂泥薄互層組合主要分布于龍一13—龍一14小層。

圖10 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖微裂縫類型及其充填物特征SEM照片

條帶狀粉砂組合以泥紋層為主，泥紋層與粉砂紋層厚度比值一般大于10，粉砂紋層多呈透鏡狀（見圖11a）、彌散狀或條帶狀（見圖11b）。泥紋層與粉砂紋層頂?shù)捉缑娑酁橥蛔兘佑|，界面多為斷續(xù)、板狀、平行（見圖11a），偶見連續(xù)、板狀、平行（見圖11b）。

砂泥遞變組合由泥紋層和粉砂紋層互層組成，其中泥紋層與粉砂紋層厚度比值一般為2～3。粉砂紋層的底界面或頂界面常為遞變接觸，從而構(gòu)成反粒序（見圖11c）或正粒序（見圖11d）。紋層界面多為連續(xù)、板狀、平行或斷續(xù)、板狀、平行。

3.2 紋層組合對儲集層物性的控制

條帶狀粉砂組合孔隙度最大，砂泥遞變紋層組合次之，砂泥薄互層紋層組合最低（見表1）。長寧雙河露頭3塊條帶狀粉砂紋層組合樣品孔隙度分別為9.04%，4.13%，6.31%，平均值為6.49%；5塊砂泥遞變紋層組合樣品孔隙度分別為5.76%，6.17%，5.98%，2.17%，4.17%，平均值為6.49%；5塊砂泥薄互層紋層組合樣品孔隙度分別為2.63%，2.73%，2.29%，2.48%，1.83%，平均值為2.39%。

條帶狀粉砂組合水平與垂直滲透率比值最大，砂泥遞變紋層組合次之，砂泥薄互層紋層組合最低。長寧雙河露頭條帶狀粉砂紋層組合3塊樣品比值分別為8.62，6.53，7.64；砂泥遞變組合5塊樣品比值分別為3.72，4.56，4.69，3.15，3.47；砂泥薄互層組合5塊樣品比值分別為2.13，1.47，2.66，1.98，2.54。

圖11 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖紋層組合類型及特征SEM照片

表1 四川盆地長寧雙河剖面龍馬溪組一段含氣頁巖不同紋層組合孔隙度和滲透率統(tǒng)計表

砂泥薄互層組合由泥紋層和粉砂紋層互層組成，其中泥紋層與粉砂紋層厚度比一般為1～20。粉砂紋層多呈長條帶狀，紋層頂界面和底界面均呈突變接觸，多為連續(xù)、板狀、平行（見圖11e）或斷續(xù)、板狀、平行（見圖11f），少數(shù)為連續(xù)、板狀、非平行（見圖11e）。

4 討論

4.1 不同紋層的成因機制

黑色頁巖紋層形成機制常見有脈沖流[17]、多個不同水體能量的沉積事件堆積[18]、藻類生物勃發(fā)[19]、沉積分異[20]或水流搬運分異[9]等。

富硅生物的勃發(fā)可能是四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖的紋層形成機制，主要證據(jù)有以下3點。

①泥紋層和粉砂紋層中的泥質(zhì)均為生物成因硅，表明沉積時期硅質(zhì)生物大量繁盛。泥紋層和粉砂紋層發(fā)育大量放射蟲、硅質(zhì)海綿骨針等生物骨骼（見圖12），生物骨骼多被硅質(zhì)和有機質(zhì)充填，少數(shù)被黃鐵礦充填。同時，泥紋層和粉砂紋層中泥質(zhì)多為隱晶、微晶或石英集合體，陰極發(fā)光照射下發(fā)光微弱—不發(fā)光，表明其為自生成因或生物成因。而且，前人通過石英賦存狀態(tài)、微量元素統(tǒng)計及過量硅含量的研究也認(rèn)為這些硅質(zhì)成分主要為生物成因[21-23]。綜合分析認(rèn)為，泥紋層中生物成因硅含量大于70%，粉砂紋層中生物成因硅質(zhì)含量大于20%。

圖12 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖主要生物骨骼及特征

②董大忠等[11]通過長寧雙河露頭103塊含氣頁巖樣品的主微量元素分析，發(fā)現(xiàn)龍馬溪組Zr含量與SiO2含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，從而推測該時期硅質(zhì)礦物多為生物成因。

③粉砂紋層與泥紋層界面多為板狀平行結(jié)構(gòu)，未見任何交錯層理和侵蝕現(xiàn)象（見圖13）。Schieber等[24]研究表明，水流成因紋層多發(fā)育交錯層理或侵蝕現(xiàn)象，而生物勃發(fā)成因紋層多發(fā)育板狀平行結(jié)構(gòu)。

生物勃發(fā)可能與古氣候的季節(jié)變化有關(guān)，氣候相對溫暖潮濕的季節(jié)，陸源淡水帶來大量營養(yǎng)成分，導(dǎo)致硅質(zhì)生物的勃發(fā)性生長。泥紋層可能形成于生物勃發(fā)期，粉砂紋層可能形成于間歇期。富硅生物勃發(fā)期，由于硅質(zhì)生物大量生長，故形成大量生物成因硅和有機質(zhì)。同時，生物勃發(fā)造成水體中二氧化碳消耗嚴(yán)重，故碳酸鈣大量沉淀[19,25]，形成大量方解石、白云石和生物骨骼。方解石、白云石和生物骨骼由于顆粒直徑和密度較大，故其沉降速率較大，故在生物勃發(fā)期形成粉砂紋層。硅質(zhì)生物和有機質(zhì)由于密度和粒徑小，故其緩慢沉降，形成富有機質(zhì)的泥紋層。

4.2 不同紋層儲集層特征差異性成因

硅質(zhì)生物斷續(xù)勃發(fā)及頁巖不同紋層成巖演化分異造成泥紋層和粉砂紋層的紋層厚度、物質(zhì)組成、孔隙結(jié)構(gòu)和面孔率等差異。泥紋層形成于勃發(fā)的間隔期，硅質(zhì)生物殘骸大量緩慢堆積，因此硅質(zhì)生物殘骸構(gòu)成的泥紋層厚度大、有機質(zhì)含量高。粉砂紋層形成于勃發(fā)期，由于其形成時間短，故其厚度較小、有機質(zhì)含量較低。同沉積時期，泥紋層和粉砂紋層均以無機孔為主，有機孔不發(fā)育或欠發(fā)育[26]。沉積成巖期，隨著有機質(zhì)熱演化程度的增大，無機孔減少，有機孔逐漸形成并增加[27-29]。泥紋層由于有機質(zhì)含量高、故其有機孔發(fā)育；粉砂紋層由于有機質(zhì)含量低，故其無機孔發(fā)育。且泥紋層由于脆性礦物含量低，故壓實程度高，孔徑小于100 nm的有機孔面孔率占比高；粉砂紋層由于脆性礦物含量高，壓實程度低，故孔徑大于100 nm的有機孔面孔率占比高[30-32]。

物質(zhì)組成差異造成泥紋層和粉砂紋層微裂縫差異。泥紋層有由于機質(zhì)和硅質(zhì)含量高，故更易于形成微裂縫[33]，且高有機質(zhì)含量在生烴過程中更易形成生烴增壓縫[7,16,31,34]。粉砂紋層中有機質(zhì)和硅質(zhì)含量相對較低，故在相同的應(yīng)力作用下形成微裂縫的可能性較小。同時，成巖早期粉砂紋層由于無機孔發(fā)育，故其滲透性較好，不易形成生烴增壓縫。另外，泥紋層與粉砂紋層接觸面也多屬于巖石力學(xué)強度薄弱面，微裂縫常易沿著接觸面形成[35]。

圖13 四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖紋層界面特征大薄片照片

有機孔占比和微裂縫造成泥紋層水平/垂直滲透率比值大。泥紋層有機孔占比高，空間上相互連通，從而具有較強的滲透能力；粉砂紋層無機孔占比雖高，但多呈孤立狀，很難構(gòu)成有效的連通網(wǎng)絡(luò)，從而滲透能力較差。平行紋層面方向，泥紋層中順層縫相互連通，故水平滲透能力較強[8]。垂直紋層面方向，泥紋層和粉砂紋層非順層縫密度均較低，且多數(shù)終止于紋層界面，故垂直滲透能力較差。汪虎等[36]研究表明，微裂縫可大大提高頁巖樣品滲透率，有微裂縫樣品滲透率均值是無微裂縫頁巖樣品滲透率均值的62.9倍。

4.3 不同紋層組合物性差異成因

測量方法造成不同紋層組合孔隙度差異。本文孔隙度值均采用氦氣法測得，為有效孔隙度。黑色頁巖中，有機孔多構(gòu)成有效孔隙度，而無機孔多構(gòu)成無效孔隙度。泥紋層有機孔占比高，故有效孔隙度高；粉砂紋層無機孔占比高，故無效孔隙度高。條帶狀粉砂紋層組合泥紋層占比最高，故其有效孔隙度最大，砂泥薄互層紋層泥紋層占比最低，故其有效孔隙度最低。

泥紋層與粉砂紋層含量比值差異造成不同紋層組合水平與垂直滲透率比值差異。條帶狀粉砂紋層組合泥紋層與粉砂紋層比值最高，故有機孔占比最高、順層縫密度最大，水平與垂直滲透率比值最大。砂泥遞變紋層組合泥紋層與粉砂紋層比值相對較小，故有機孔占比和順層縫密度相對較低，水平與垂直滲透率比值偏低。砂泥薄互層紋層組合泥紋層與粉砂紋層比值最低，故有機孔占比和順層縫密度進一步降低，水平與垂直滲透率比值最小。

5 結(jié)論

四川盆地龍馬溪組一段含氣頁巖發(fā)育泥紋層和粉砂紋層，二者的單層厚度、物質(zhì)組成、孔隙類型及結(jié)構(gòu)、面孔率和孔徑分布差異。

泥紋層單層厚約100 μm，有機質(zhì)含量大于15%，石英含量大于70%，有機孔占比和面孔率高，順層縫發(fā)育。有機質(zhì)和有機孔均各自相互連通，構(gòu)成網(wǎng)狀。粉砂紋層單層厚約50 μm，有機質(zhì)含量5%～15%，碳酸鹽含量大于50%，無機孔占比高，順層縫不發(fā)育。

粉砂紋層中，有機質(zhì)相對分散，有機孔和無機孔均相互不連通。泥紋層和粉砂紋層的形成可能與富硅生物的勃發(fā)有關(guān)，間歇期形成泥紋層，勃發(fā)期形成粉砂紋層，紋層不同成因和后期成巖作用造成泥紋層和粉砂紋層儲集層特征差異。

泥紋層和粉砂紋層可構(gòu)成條帶狀粉砂、砂泥遞變和砂泥薄互層3類紋層組合。條帶狀粉砂紋層組合孔隙度和水平與垂直滲透率比值均最大，砂泥遞變紋層組合次之，砂泥薄互層紋層組合最低，測量方法造成不同紋層組合的孔隙度差異，泥紋層與粉砂紋層含量比值造成水平與垂直滲透率比值差異。