海陸過渡相超深層頁巖儲層特征
——以川東北普光氣田Y4井上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M下段為例

李 進，王學軍，周 凱，王運所，李寧朝，吳 穎，王美格

1.中國石化 中原油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457000；2.中國石化 中原油田分公司 勘探管理部，河南 濮陽 457000；3.中國石化 中原油田分公司 物探研究院，河南 濮陽 457000

自上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖氣商業(yè)開發(fā)以來，我國頁巖氣勘探領域逐漸向海陸過渡相和陸相頁巖層系擴展[1-2]。相比于海相頁巖[3-5]，海陸過渡相泥頁巖礦物組成、有機質(zhì)豐度、儲集空間、孔隙度及孔隙結構等方面具更強的非均質(zhì)性[6-9]。從超深層儲層發(fā)育機制來看，“石英抗壓?？住奔啊皟恿黧w超壓”是高孔隙度頁巖儲層發(fā)育的關鍵因素[10]。普光氣田超深層(埋深約5 800 m)海陸過渡相上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖儲層同樣表現(xiàn)出高孔隙度(均值大于6.0%)的特點，因此，有必要就超深層背景下海陸過渡相頁巖儲層特征展開探索，明確儲層發(fā)育主控因素，為頁巖氣勘探提供理論支撐。

從相帶來看(圖1)，川南潮坪潟湖相龍?zhí)督M頁巖孔隙以板狀、尖壁狀黏土礦物孔及微裂縫為主，有機孔較少且孔徑普遍小于50 nm；川東北龍?zhí)督M泥頁巖不發(fā)育有機孔，儲集空間以黏土礦物孔及微裂縫為主[9，11-13]。按埋藏條件來看，川中地區(qū)龍馬溪組中深層頁巖孔隙度均值為4.0%～5.0%，儲集空間以密集發(fā)育、高面孔率的有機孔為主，黏土礦物孔及微裂縫次之，形態(tài)多為墨水瓶狀及兩端開孔狀[14]；川南地區(qū)深層龍馬溪組頁巖儲層以基質(zhì)有機孔為主，有機質(zhì)豐度與石英含量直接控制了孔隙發(fā)育[15]；川東北地區(qū)超深層寒武系筇竹寺組頁巖孔隙以狹縫型黏土礦物孔及有機孔為主，且介孔體積較微孔體積有數(shù)量級優(yōu)勢[16]?？偟膩砜矗煌鄮律睢顚禹搸r儲層發(fā)育機制尚需進一步分析與總結。

圖1 四川盆地二疊系龍?zhí)督M沉積期巖相古地理修自參考文獻[17]。

本文以川東北普光地區(qū)一口新鉆井(Y4井，圖2a)所揭示的埋深超過5 800 m的龍?zhí)督M海陸過渡相泥頁巖作為研究對象，開展有機地球化學、礦物組成、孔隙結構參數(shù)等分析測試，探討超深層海陸過渡相頁巖儲層特征及其主控因素，為深—超深層頁巖氣勘探提供理論依據(jù)。

圖2 四川盆地普光地區(qū)典型井Y4井綜合柱狀圖(a)及龍?zhí)督M巖心和薄片照片(b)

1 地質(zhì)概況

普光氣田位于四川盆地川東高陡斷褶帶東北段，為大巴山褶皺沖斷帶的雙重疊加構造區(qū)，區(qū)內(nèi)構造整體呈北東東向延伸，北側為大巴山弧形褶皺帶，西側以華鎣山斷裂為界與川中平緩褶皺帶相接，在地質(zhì)地貌上呈向北西突出的弧形展布，主要由一系列軸面傾向南東或北西的背、向斜及與之平行的斷裂組成，具有“三隆三坳”的構造格局，呈北北東和北東向展布[17]。中二疊世末期的東吳運動使四川盆地大部分地區(qū)上升為陸地，晚二疊世盆地內(nèi)呈南西高、北東低的古地理格局，川東地區(qū)以潮坪—深水陸棚沉積為主，發(fā)育厚層富有機質(zhì)泥頁巖[12]。普光地區(qū)Y4井龍?zhí)督M沉積早期，為局限臺地沉積，以潟湖相暗色泥頁巖為主；沉積晚期，與廣海相通，為開闊臺地沉積，以灘間?；?guī)r為主(圖1，圖2a)。

本次樣品選自于普光氣田Y4井龍?zhí)督M鉆井巖心，巖性、旋回和測井信息如圖2a所示?？v向上，根據(jù)巖性及GR測井曲線特征，劃分為5個小層(①—⑤)及A號標志層。①、③小層巖性特征相似，均為黑色硅質(zhì)頁巖夾混合質(zhì)泥巖；②小層以灰黑色—深灰色黏土質(zhì)泥巖及深灰色菱鐵礦質(zhì)泥巖為主，夾凝灰質(zhì)混積巖、菱鐵礦質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖及煤線；④、⑤小層巖性特征相似，均以灰?guī)r為主(圖2b)；A號標志層為全區(qū)穩(wěn)定分布的灰色泥晶灰?guī)r。

2 樣品采集與測試

對Y4井龍?zhí)督M下段①—②小層泥頁巖選取36塊用于總有機碳含量(TOC)測試，4塊作為干酪根鑒定樣，4塊測定鏡質(zhì)體反射率，26塊用于全巖測試，12塊用于物性及孔隙結構分析，樣品見圖2b。除有機碳含量、鏡質(zhì)體反射率測定、干酪根顯微組分測試、干酪根碳同位素及全巖X射線衍射分析等基礎參數(shù)測試外，頁巖儲層分析主要包括氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡、小巖樣泥頁巖物性測試及壓汞—液氮聯(lián)合吸附法，測試單位為中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所實驗中心。

氬離子拋光掃描電鏡觀察依據(jù)行業(yè)標準《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法：SY/T 5162-2014》，采用高分辨率Zeiss Merlin場發(fā)射掃描電鏡觀察樣品，放大倍數(shù)約10～100×103倍。壓汞—氮氣吸附聯(lián)合檢測采用能源行業(yè)標準《頁巖全孔徑分布的測定壓汞—吸附聯(lián)合法：NB/T 14008—2015》，實驗儀器為AutoPore9520型壓汞儀以及ASAP2020M全自動比表面積分析儀。

3 實驗結果

3.1 礦物組成特征

普光地區(qū)26塊超深層龍?zhí)督M巖心樣品X衍射測試結果顯示(圖3)，龍?zhí)督M下段①—②小層礦物組成具有顯著差異，并可根據(jù)礦物組成分為硅質(zhì)泥巖(①小層)、鈣質(zhì)泥巖(①小層)、黏土質(zhì)泥巖(②小層)、菱鐵礦質(zhì)泥巖(②小層)及混積巖(①、②小層)。硅質(zhì)泥巖及鈣質(zhì)泥巖礦物組成以長英質(zhì)、碳酸鹽為主，黏土礦物含量較低(介于11.7%～23.5%)；黏土質(zhì)泥巖黏土礦物含量均值達62.88%，石英含量均值為15.58%，并含少量銳鈦礦、黃鐵礦等礦物；混積巖長英質(zhì)、碳酸鹽礦物及菱鐵礦含量均不超過25%，黏土礦物含量低于45%，其中②小層混積巖鏡下可見凝灰質(zhì)成分[圖2b(5)]。菱鐵礦質(zhì)泥巖礦物組成與凝灰質(zhì)混積巖類似，但菱鐵礦及黏土礦物含量相對較高，鏡下特征有明顯區(qū)別[圖2b(6)]。

圖3 四川盆地普光地區(qū)Y4井二疊系龍?zhí)督M泥頁巖礦物特征

3.2 有機地球化學特征

3.2.1 有機質(zhì)豐度

普光地區(qū)36塊巖心樣品TOC測試結果如圖4a所示，不同巖性間TOC含量差異較大，非均質(zhì)性較強，TOC主峰區(qū)間為3.77%～10.72%。按巖性分類，沉凝灰?guī)r和菱鐵礦質(zhì)泥巖有機質(zhì)豐度最差，TOC均值分別為0.31%和0.82%；硅質(zhì)泥巖TOC均值(8.76%)高于黏土質(zhì)泥巖(2.85%)；薄煤層有機質(zhì)豐度最高，TOC均值為45.48%。

圖4 四川盆地普光地區(qū)Y4井二疊系龍?zhí)督M有機地球化學特征

3.2.2 有機質(zhì)類型及成熟度

干酪根碳同位素測試與顯微組分鑒定是有機質(zhì)類型的重要判識手段[18]。Y4井龍?zhí)督MRo介于3.82%～3.97%，處于過成熟階段(圖4b)；①小層硅質(zhì)頁巖干酪根碳同位素為-27.02‰，類型指數(shù)TI為1.79，為Ⅱ1—Ⅱ2型干酪根；②小層黏土質(zhì)頁巖TI介于-10.77～11.19(均值-1.35)，干酪根碳同位素介于-23.27‰～-22.79‰，以Ⅲ型干酪根為主(圖4c-d)。

3.3 儲層特征

頁巖物性及孔隙結構分析對明確其儲集性能、優(yōu)選頁巖氣甜點層段具有重要意義[19-21]。研究區(qū)龍譚組泥頁巖樣品孔隙度為1.29%～14.57%(均值6.78%)，其主峰區(qū)間介于4.65%～8.83%，滲透率為(0.000 5～0.845)×10-3μm2，整體表現(xiàn)為中孔低滲特點。較海相龍馬溪組頁巖而言，龍?zhí)督M頁巖具良好儲集物性，結合觀察到的生烴超壓縫現(xiàn)象(圖5g，h)，認為生排烴期間產(chǎn)生的地層超壓有效保護了頁巖孔隙，利于頁巖氣富集成藏[10,22]。

3.3.1 孔隙類型

參考前人頁巖孔隙劃分方案[11,23-24]，將普光地區(qū)龍?zhí)督M頁巖孔隙分為無機孔、微裂縫及有機孔三大類。無機孔主要包括：(1)硫化缺氧環(huán)境下形成的(草莓狀)黃鐵礦晶間(殘余)孔；(2)由于黏土礦物成巖轉化而形成的伊利石(伊蒙混層)片間線狀微孔以及非定向排列綠泥石層片間微孔隙；(3)成巖階段發(fā)生化學溶蝕形成的白云石粒內(nèi)溶蝕孔；(4)受后期成巖改造影響，發(fā)育在礦物顆粒接觸位置，以多角形與拉長型為主的石英礦物顆粒邊緣溶蝕孔；(5)可能與微構造作用相關的脆性礦物粒內(nèi)裂隙；(6)充填于植物細胞結構孔內(nèi)蒙脫石線狀微裂隙；(7)與構造、生排烴作用相關的網(wǎng)狀縫(圖5)。

圖5 四川盆地普光地區(qū)二疊系龍?zhí)督M無機孔鏡下特征及典型裂縫照片

與貴州龍?zhí)督M頁巖、川東—川南龍?zhí)督M頁巖類似的是[11-13,23-25]，普光地區(qū)龍?zhí)督M有機孔發(fā)育與有機質(zhì)類型密切相關。如圖6所示，圖6a-c為臨近煤層的(碳質(zhì))泥巖鏡下照片(干酪根碳同位素介于-23.02‰～-22.88‰，Ⅲ型有機質(zhì))，黏土礦物與結構鏡質(zhì)體間雜，鏡質(zhì)體內(nèi)部發(fā)育少量針狀氣孔；圖6d-f為硅質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖鏡下照片(干酪根碳同位素為-27.02‰；Ⅱ1型有機質(zhì))，黃鐵礦、石英與瀝青質(zhì)絡合，見密集發(fā)育納米級有機孔以及定向排列的扁平狀有機質(zhì)大孔。從圖6a-f的有機質(zhì)孔發(fā)育程度與其有機質(zhì)類型變化可以看出，隨著母質(zhì)來源由陸源高等植物向混源(浮游生物+高等植物)轉變，有機質(zhì)孔發(fā)育程度增加[26]。

圖6 四川盆地普光地區(qū)Y4井二疊系龍?zhí)督M有機孔鏡下特征

3.3.2 比表面積及總孔體積特征

壓汞—氮氣聯(lián)合吸附實驗結果表明(圖7)，龍?zhí)督M泥頁巖樣品總孔體積在0.017～0.063 mL/g之間，平均為0.047 mL/g；比表面積介于11.5～80.3 m2/g，平均31.8 m2/g，與北美Barnett頁巖和四川龍馬溪組頁巖類似[27]。相比黏土質(zhì)泥巖，硅質(zhì)泥巖孔體積介于0.034～0.063 mL/g，比表面積介于33.0～80.3 m2/g，具更多的氣體吸附空間。川東北超深層龍?zhí)督M泥頁巖總孔與比表面積呈正相關性，微孔孔體積與比表面積呈強相關性(相關系數(shù)R2=0.994 4，圖7d)，介孔與比表面積無相關性，大孔與比表面積則呈負相關性，說明超深層條件下，海陸過渡相泥頁巖微孔提供絕大部分的比表面積。

圖7 四川盆地普光地區(qū)二疊系龍?zhí)督M不同孔體積與比表面積相關性

3.3.3 物性特征

Y4井龍?zhí)督M泥頁巖孔隙度介于1.29%～14.57%，均值6.64%；滲透率介于(0.000 5～0.845)×10-3μm2，均值0.132×10-3μm2；煤巖孔隙度最高可達10.65%。按巖性排序，黏土質(zhì)泥巖孔隙度最高，平均7.62%(主峰區(qū)間4.78%～9.53%)，黑色硅質(zhì)泥巖(2.76%～7.88%)、菱鐵礦質(zhì)泥巖(5.17%～6.79%)及凝灰質(zhì)混積巖(2.48%～4.47%)次之。

4 討論

4.1 頁巖埋藏深度、成熟度與孔隙的關系

總結北美地區(qū)頁巖、四川海相龍馬溪組及龍?zhí)督M頁巖成熟度與孔隙研究認識[10-11,21-28]，均發(fā)現(xiàn)頁巖成熟度與孔隙度、孔體積存在一定相關性。低成熟階段，在壓實作用影響下頁巖孔隙快速降低，隨著初次裂解發(fā)生(未成熟)，有機質(zhì)開始生氣，孔隙空間有所上升，進入熱解階段后(成熟)，有機質(zhì)開始大量生成石油及瀝青質(zhì)，占據(jù)了先前形成的儲集空間，直至變質(zhì)階段(高—過成熟，Ro為1.3%～3.0%)瀝青質(zhì)裂解形成大量有機質(zhì)孔，頁巖孔隙快速增加，此階段頁巖孔體積與成熟度呈正相關(圖8a，Ro≤3.0%區(qū)域)。然而，普光地區(qū)龍?zhí)督M頁巖樣品成熟度極高(Ro介于3.94%～3.98%)，位于超深層(垂深約為5 800 m)，樣品點全部位于前人研究范圍外，難用現(xiàn)今認識加以分析。

圖8 川東北地區(qū)二疊系龍?zhí)督M頁巖儲層特征隨成熟度(Ro)的變化

基于前人成果，將埋深條件與熱演化程度作為頁巖孔隙及孔容的變量，并引用綦江DYS1井龍?zhí)督M頁巖[11](Ⅱ2型，Ro為2.1%～2.4%，埋深2 940～3 010 m)、黔北JSC1井龍?zhí)督M頁巖[24-25](Ⅲ型，Ro為2.32%～3.26%，埋深為705.86～789.52 m)及川東北通南巴地區(qū)MS1井筇竹寺組頁巖[16](埋深為7 914～8 044 m)樣品數(shù)據(jù)作對比分析。

整體來看，隨著埋深增大、演化程度上升，泥頁巖孔隙度及孔體積均呈現(xiàn)出下降(淺—中層)—上升(中—超深層6 000 m以淺)—下降(超深層6 000 m以深)的三段式特點，并且從深層過渡到超深層，大孔發(fā)育程度逐漸降低，孔徑類型逐漸以介孔、微孔為主。對比不同地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖孔隙度，發(fā)現(xiàn)黔北地區(qū)<川南地區(qū)<綦江地區(qū)<普光地區(qū)，黔北地區(qū)龍?zhí)督M有機質(zhì)類型最差、埋深最淺、保存最不利，孔隙度最低。后3個地區(qū)的相帶、TOC、類型等基礎地質(zhì)條件均類似，普光地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖物性最好，這可能與埋藏深度最大、保存條件有利有關。

對比超深層背景下頁巖儲層(Y4井5 800 m龍?zhí)督M與MS1井8 000 m筇竹寺組)，普光地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖孔體積(0.052 2 mL/g)以及大孔占比明顯高于筇竹寺組頁巖，并且介/微孔比表現(xiàn)為普光地區(qū)龍?zhí)督M硅質(zhì)頁巖(1.05)<普光地區(qū)龍?zhí)督M黏土質(zhì)泥巖(2.69)<筇竹寺組頁巖(30.01)[25]。從孔隙形態(tài)上來看，筇竹寺組與龍?zhí)督M頁巖相似，均發(fā)育狹長—裂縫型孔隙。根據(jù)上述信息分析頁巖埋深—成熟度—孔隙之間的協(xié)同關系可知：

(1)現(xiàn)今淺埋藏與過成熟演化早期特征(Ro約為2.0%～3.0%)相耦合時，即使頁巖特征表現(xiàn)為高豐度[24-25]、富含剛性支撐礦物，但淺層埋藏與較差有機質(zhì)類型對頁巖孔隙發(fā)育有負面影響(圖8b，黑色虛線)。由于母質(zhì)來源以高等植物為主，廣泛分布的鏡質(zhì)體與惰質(zhì)體通常難發(fā)育蜂窩狀或粥狀有機質(zhì)孔，同時鏡質(zhì)體內(nèi)部形成的少量氣孔和黏土礦物轉化過程中形成的片間孔(縫)在地層抬升—烴類逸散—巖層泄壓過程以及來自上覆地層的持續(xù)壓實作用等兩方面作用下逐漸消失[26]，最終導致類似于黔北JSC1井淺埋頁巖的有機孔欠發(fā)育現(xiàn)象[25]。

(2)現(xiàn)今超埋深條件與過成熟演化中晚期特征(Ro約為4.0%)相耦合時，泥頁巖也會具備高孔隙度及高孔體積特點(如Y4井龍?zhí)督M)，其原因可能是地層超壓抵消了上覆地層有效應力對頁巖儲層的機械壓實，顯著保護了頁巖孔隙[10-11]，具抗壓實能力的剛性石英顆粒與有機質(zhì)絡合體或似層狀建造有利于有機孔的發(fā)育與維持(圖5e，圖6e-f)。從Y4井龍?zhí)督M黏土礦物組成變化來看(②小層伊蒙混層比25%，①小層伊蒙混層比10%，圖9a-b)，垂向上可能發(fā)育有異常壓力帶(黏土礦物轉化比率小于下伏地層，且與熱演化程度不匹配，黏土礦物轉化方式為緩慢演化型[29])，伊蒙混層向伊利石轉化程度越低，泥頁巖孔隙度越高、大孔越富集，因此認為超壓不僅抑制了局部地層黏土礦物轉化過程，同時還具有抗機械壓實、保納米孔隙的作用(圖9c-d)。

(3)在超埋環(huán)境下可能存在一個受上覆機械壓實作用控制的微孔隙過渡帶：從微孔—介孔均勻發(fā)育帶逐漸向富介孔帶演化，中間地層的有機質(zhì)微孔受壓實作用逐漸扁平化后溝通形成介孔，孤立微孔逐漸崩塌消失。深—超深層頁巖孔隙大量發(fā)育(關鍵機制為“石英抗壓?？?儲層流體超壓”)[10]過渡為超深層頁巖孔隙發(fā)育被抑制(關鍵機制為“脆性礦物有限保孔+超埋深碾孔”)，表現(xiàn)為隨著埋深加深，總孔體積持續(xù)下降，介/微孔比上升(微孔逐漸消失、崩塌或合并轉化為介孔[28]，圖8a)，孔隙形態(tài)從橢圓形、狹長—裂縫型含少量圓型向狹長—裂縫型轉變，說明維持孔隙形態(tài)、保護孔隙結構的作用力不能完全抵消上覆巖層的載荷應力，源于機械壓實作用的“碾平式”改造使得孔隙偏向狹長型，孔徑由微孔向介孔演變。

圖9 四川盆地普光地區(qū)Y4井二疊系龍?zhí)督M黏土礦物特征及與儲層參數(shù)相關性分析

4.2 有機質(zhì)孔發(fā)育特征及其主控因素

4.2.1 不同干酪根類型泥頁巖有機孔微觀特征

除埋深及熱演化對頁巖孔隙結構發(fā)育有影響外，有機質(zhì)類型對頁巖孔隙(尤其是有機孔隙)發(fā)育的影響同樣關鍵[21，26]。對比Y4井龍?zhí)督M4個不同干酪根類型、不同礦物組成樣品(Ⅲ型黏土質(zhì)泥巖、Ⅱ2型黏土質(zhì)泥巖及Ⅱ2型碳質(zhì)硅質(zhì)泥巖)鏡下特征可知：

(1)Ⅲ型黏土質(zhì)泥巖樣品(②小層，圖5b，f和圖6a-b)見大量黏土礦物與高等植物碎片絡合，順層黏土礦物晶間孔(縫)極為發(fā)育。高等植物碎片內(nèi)部發(fā)育少量孤立狀有機孔。煤屑內(nèi)殘余植物結構孔被富含黏土片間孔(縫)的蒙脫石全充填，內(nèi)部不發(fā)育有機質(zhì)孔。

(2)Ⅱ2型黏土質(zhì)泥巖樣品X1：(②小層，黏土礦物78.7%，石英1.5%，圖6g)見菱鐵礦及高等植物碎片分散于黏土礦物基質(zhì)，植物殘余結構孔中膠結黏土礦物蒙脫石、六面體黃鐵礦晶粒及草莓狀黃鐵礦團塊，有機孔欠發(fā)育，見星點狀針孔，孔隙類型以黏土礦物片間微孔為主有機孔發(fā)育程度與Ⅲ型泥頁巖類似；樣品X2(黏土礦物83.1%，石英8.7%，圖6h)富含片間微孔隙的黏土礦物(蒙脫石、伊利石及綠泥石)與發(fā)育微裂隙的石英顆粒混雜，有機孔主要發(fā)育于被黏土礦物包裹的分散有機質(zhì)顆粒內(nèi)，呈星散狀分布，孔徑介于幾十至幾百納米，形態(tài)以圓型為主，偶見狹長短縫型，缺乏定向性，發(fā)育程度略高于Ⅲ型泥頁巖。

(3)Ⅱ1型硅質(zhì)泥巖樣品(①小層，干酪根碳同位素-27.02‰，圖6e-f,i)以碎屑石英顆粒、有機質(zhì)基質(zhì)與少量黏土礦物為主，黏土礦物、粉砂顆粒與有機質(zhì)呈似層狀構造，有機孔富集程度遠高于Ⅲ型黏土質(zhì)泥巖，且具定向排列特點。零散狀大型有機孔(孔徑>1 000 nm)分布于粉砂顆粒之間，蜂窩狀有機孔不均勻發(fā)育于有機質(zhì)基質(zhì)內(nèi)，孔隙形態(tài)整體呈扁平橢圓狀，狹長—裂縫型次之。

結合MS1井筇竹寺組頁巖孔隙鏡下特征[16]及前文中埋深—成熟度—孔隙之間的響應關系，認為：(1)有機質(zhì)類型越偏向Ⅱ型，有機質(zhì)孔發(fā)育程度越高；(2)埋藏越深，有機質(zhì)孔定向性越好，孔隙形態(tài)愈趨向受上覆巖層機械壓實后的狹長裂縫狀(碾平狀)，說明成巖至埋藏期流體超壓及剛性礦物顆粒雖然為有機孔保存提供必要條件，但持續(xù)超壓仍然會破壞有機孔形態(tài)。

4.2.2 有機質(zhì)孔發(fā)育主控因素

從TOC與各孔隙參數(shù)之間的相關性來看，TOC與微孔體積、總孔體積、比表面積呈一定的正相關性，與孔隙度呈較弱的正相關性，與介孔、大孔體積呈負相關性，表明在當前埋深條件下(約5 800 m)，隨著有機碳含量升高，有機質(zhì)孔逐漸成為頁巖儲集空間的重要貢獻者，同時有機質(zhì)微孔發(fā)育程度增加，有機質(zhì)介孔—大孔比例下降。

從沉積環(huán)境及巖性來看，潮間帶黏土質(zhì)泥巖及煤巖TOC與微孔體積、大孔體積、比表面積及總孔體積呈一定的正相關性，與孔隙度呈較弱的正相關性，一方面說明隨著有機碳含量增加，有機孔比例及其對儲集空間貢獻上升，但由于大量黏土礦物晶間孔縫的存在，有機孔仍非儲集空間主要貢獻者(圖10)；另一方面臨近煤層的黏土質(zhì)泥巖及煤巖等具高TOC特點的樣品，表現(xiàn)出明顯的孔體積減小現(xiàn)象，說明此時更偏向潮間帶沼澤的沉積環(huán)境決定了母質(zhì)來源以高等植物為主，有機孔少發(fā)育，并且部分孔隙由于后期成巖作用被黏土礦物全充填或半充填，導致有效有機孔比例降低以及TOC—孔隙結構參數(shù)間相關性的趨勢變化。

圖10 四川盆地普光地區(qū)二疊系龍?zhí)督MTOC與儲層參數(shù)相關性圖版

潮間帶泥坪相及潮間帶泥炭沼澤相樣品的TOC與介孔體積整體呈明顯的負相關性，表現(xiàn)出在當前埋深條件下，介孔發(fā)育程度、有機質(zhì)介孔比例并未隨著有機碳含量上升而上升，反而下降了，說明環(huán)境向沼澤轉變時，由于有機質(zhì)類型的變化，頁巖儲層更傾向于發(fā)育有機質(zhì)氣孔或針狀孔(微孔)，因此介孔普遍以黏土礦物晶間孔形式為主。

孔隙度、總孔體積、比表面積及微孔體積均隨著有機碳含量上升而下降，與大孔、介孔呈無相關性(圖10)，一方面由于局部地層的孔隙流體超壓影響減弱(圖9b)，無法完全抵消圍巖應力及上覆機械壓實影響，造成孔隙度降低、總孔體積減少；另一方面由于石英顆粒、白云石顆粒等剛性支撐礦物作為骨架，有機質(zhì)絡合于其中或三者以層狀構造互層，儲集空間受到一定程度的保護并發(fā)育順層、扁平狀有機質(zhì)孔(圖6e-i)。

4.3 無機孔發(fā)育主控因素

如上文所述，普光地區(qū)龍?zhí)督M無機孔隙類型復雜、結構多樣，受到成巖、沉積環(huán)境、埋藏史、流體超壓等多因素影響。據(jù)統(tǒng)計分析(圖11)可知：(1)潮間帶頁巖中黏土礦物含量高低決定了儲層發(fā)育情況(從黏土礦物與各參數(shù)的正相關性推導出來，且系列相關性明顯有別于有機質(zhì))，說明該類沉積環(huán)境為黏土礦物孔縫大量發(fā)育奠定物質(zhì)基礎，并導致有機孔含量少于黏土礦物孔；(2)從環(huán)境演變的角度來看(深水潟湖—潮間帶泥坪—潮間帶沼澤)，結合上文有機孔論述，認為物質(zhì)組成的強烈變化影響了頁巖儲層微觀結構特征。有機質(zhì)微孔為主的深水潟湖相頁巖儲層與黏土礦物大—中型孔縫為主的潮間帶泥巖儲層相比，前者具有相似的儲集物性、更高的甲烷吸附效率(高比表面積與高有機孔)以及更高的可壓裂性，說明龍?zhí)督M頁巖氣勘探的有利儲層為深水潟湖碳質(zhì)頁巖。

圖11 四川盆地普光地區(qū)二疊系龍?zhí)督M黏土礦物與儲層參數(shù)相關性圖版

從黃鐵礦與儲層參數(shù)之間相關性來看(圖12a-c)，不同相帶樣品表現(xiàn)出不同趨勢特征。潮間帶泥坪沉積環(huán)境下，總孔體積、微孔體積、比表面積(由微孔與比表面積高耦合性推導)及儲層物性均隨著黃鐵礦含量上升而下降。一方面表明與黃鐵礦相關的無機孔隙(如黃鐵礦晶間孔)并非主要儲集空間；另一方面成巖階段封閉、超壓環(huán)境下通過硫酸鹽還原作用所形成的自形黃鐵礦大量賦存于植物殘余結構孔并交代黏土礦物，壓縮了黏土礦物孔賦存空間，導致以黏土礦物孔為主的潮間帶泥頁巖儲層物性下降。

相比潮間帶沉積，深水潟湖環(huán)境下兩者相關性趨勢則反之(圖12)。由于缺氧還原程度加深的過程中伴隨著黃鐵礦越發(fā)育，有機質(zhì)越富集現(xiàn)象[19，30]，因此，黃鐵礦與儲層參數(shù)之間的正相關性表明了黃鐵礦作為剛性支撐礦物保護儲層孔隙的同時，富集的黃鐵礦與大量有機質(zhì)質(zhì)點相絡合，形成富有機質(zhì)泥頁巖，有利于有機孔的發(fā)育。

圖12 四川盆地普光地區(qū)二疊系龍?zhí)督M黃鐵礦、石英與儲層參數(shù)相關性圖版

從石英與儲層參數(shù)之間相關性來看(圖12d-f)，潮間帶樣品的石英與儲層參數(shù)之間呈負相關性，說明陸源碎屑石英的輸入對儲層孔隙發(fā)育(尤其是黏土礦物孔)具備明顯抑制作用；但對深水潟湖相樣品而言，結合鏡下特征(圖6e-i)可以推導出由于粉砂級石英顆粒與有機質(zhì)具良好空間配置關系，使得硅質(zhì)礦物能夠作為剛性礦物支撐骨架降低有機孔的壓實程度，為有機孔的維持與保存提供有利環(huán)境，石英與儲層參數(shù)間呈正相關趨勢。

4.4 不同環(huán)境下超深層頁巖微觀儲層差異模式

參考前人龍?zhí)督M儲層研究成果[6-13，16，21，23-25，31-33]，基于以上論述，推導出海陸過渡相背景下不同沉積環(huán)境超深層頁巖微觀儲層差異模式(圖13)。隨著潮坪沼澤向泥坪環(huán)境過渡，以煤、碳質(zhì)泥巖(Ⅲ型有機質(zhì))為主的細粒沉積逐漸變?yōu)橐缘蚑OC黏土質(zhì)泥巖為主的細粒沉積。由于高有機碳含量及較低黏土礦物含量的礦物組成特點，潮坪沼澤環(huán)境下煤及高碳泥巖儲集空間主要以有機質(zhì)孔及黏土礦物晶間孔縫為主，殘余植物細胞結構孔內(nèi)的原生孔隙基本在成巖階段被黏土礦物全充填而消失。相對于潮坪沼澤，潮間泥坪下沉積的黏土質(zhì)泥巖有機碳含量低，黏土礦物含量普遍大于75%，脆性礦物晶間孔欠發(fā)育，孔縫類型以黏土礦物晶間孔縫為主。隨著沉積水體加深、缺氧還原程度升高，逐漸發(fā)育高有機碳含量的硅質(zhì)泥巖及混合質(zhì)泥巖，黃鐵礦、黏土礦物及粉砂顆粒與有機質(zhì)顆粒充分絡合，形成能夠有效抵抗強機械壓實作用的礦物空間結構。黃鐵礦富集與有機質(zhì)含量上升對有機孔的形成奠定物質(zhì)基礎，粉砂顆粒及碳酸鹽礦物顆粒提供剛性支撐骨架，地層異常超壓與有效支撐骨架共同抵消了機械壓實作用對泥頁巖儲層孔隙破壞的一部分影響。此外，Ⅱ1—Ⅱ2型有機質(zhì)在埋藏生排烴期生成大量瀝青質(zhì)，在超壓超埋深碾孔、礦物空間結構?？椎榷嘁蛩乜刂葡?，發(fā)育一系列近水平定向排列的扁平狀大型有機孔，并形成深水潟湖環(huán)境下的黏土礦物晶間縫—脆性礦物孔縫—有機孔互為連通的孔隙網(wǎng)絡，最終形成超深層海陸過渡相優(yōu)質(zhì)頁巖儲層。

圖13 四川盆地普光地區(qū)二疊系龍?zhí)督M不同沉積微相下泥頁巖儲層演化模式

5 結論

(1)普光地區(qū)龍?zhí)督M①—②小層泥頁巖巖性主要為硅質(zhì)泥巖、混合質(zhì)泥巖、煤巖、菱鐵礦質(zhì)泥巖、黏土質(zhì)泥巖及凝灰質(zhì)混積巖，其中硅質(zhì)泥巖有機質(zhì)豐度最高(TOC均值8.76%)，黏土礦物含量平均18.53%，脆性礦物平均59.43%；①小層以Ⅱ1—Ⅱ2型干酪根為主，②小層以Ⅲ型干酪根為主，Ⅱ2型次之；Ro介于3.82%～3.97%，處于過成熟階段。

(2)深水潟湖微相是普光地區(qū)北部龍?zhí)督M頁巖儲層的有利相帶，粉砂顆粒、有機質(zhì)、碳酸鹽礦物顆粒與黏土礦物形成能夠部分抵消強機械壓實的礦物結構組合，為超深層背景下海陸過渡相優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育奠定基礎。

(3)對于深層頁巖而言，孔隙發(fā)育關鍵機制為“石英抗壓?？?儲層流體超壓”，但對于超深層頁巖儲層而言，其發(fā)育機制應轉為“脆性礦物有限?？?超埋深碾孔”。具體表現(xiàn)為隨著埋藏的加深，總孔體積持續(xù)下降，介/微孔比上升，源于機械壓實作用的“碾平式”改造使得孔徑由微孔向介孔演變，孔隙形態(tài)從橢圓形、狹長—裂縫型含少量圓型向狹長—裂縫型轉變。