深水海相页岩硅质矿物演化与连通孔隙发育的耦合机制——以川南龙马溪组龙一1亚段富有机质硅质页岩为例

《Petroleum Science》：Coupled mechanism between siliceous mineral evolution and connected pore development in deep marine shale

　　

硅质矿物在深水海相页岩中的成因与分布对连通孔隙发育起关键作用，但二者之间的耦合机制仍不清楚。本研究聚焦四川盆地南部龙马溪组Long1₁亚段富有机质硅质页岩，观察硅质矿物的形态与空间分布；通过集成二维聚焦离子束–扫描电子显微镜（focused ion beam–scanning electron microscopy，FIB–SEM）、基于扫描电镜的矿物定量评价（quantitative evaluation of minerals by scanning electron microscopy，QEMSCAN）、三维FIB–SEM和核磁共振–自发渗吸（nuclear magnetic resonance–spontaneous imbibition，NMR–SI）试验，定量表征连通孔隙度与孔喉尺寸分布。结果表明，硅质矿物由陆源碎屑石英、生物成因石英和成岩自生石英组成。刚性矿物格架主要由陆源碎屑石英和生物成因石英构成，成岩自生石英亦起增强作用并充填部分孔隙。连通孔隙主要分布于充填该格架的有机质内；支撑空间越大，有机质体积越大，连通孔隙度越高。连通孔隙以介孔（2–50 nm）和大孔（50–535 nm）为主，其次为800–1500 nm和4000–10000 nm范围内的大孔。在深水陆棚沉积环境中，与陆源碎屑石英和生物成因石英相关的早期粒间孔为有机质聚集及后续热演化提供初始储存空间。随热成熟度升高，有机质生烃，发育连通性良好的微–纳米级孔隙。硅质矿物与连通孔隙度的耦合演化，为评价深部页岩储层和识别有利勘探开发层段提供理论支撑。

深水海相页岩硅质矿物演化与连通孔隙发育的耦合机制——以川南龙马溪组龙一₁亚段富有机质硅质页岩为例

研究背景方面，中国海相页岩气勘探开发取得显著进展，四川盆地已成为北美以外全球最大的页岩气生产基地，当前中国页岩气产量中95%以上来自四川盆地及邻区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质海相页岩。该套页岩多经历复杂构造变形，深层富有机质海相页岩埋深多超过3500 m，深层页岩区面积约12.8×10⁴ km²，为中浅层页岩区面积的两倍。与中浅层页岩相比，深层海相页岩具有埋深更大、热成熟度更高、构造条件更复杂等特征，资源潜力大但技术经济挑战突出，是勘探开发重点和技术瓶颈。储层孔隙结构是决定深层页岩气富集与可采性的关键因素，孔隙连通性对孔隙空间有效性、流体运移能力和产气能力具有重要作用。富有机质海相页岩矿物组成主要为石英、长石、黏土矿物和方解石；深层页岩处于高地层压力下，石英含量对孔隙发育和储层性能影响更显著。石英来源多样，已有研究多将其分为陆源碎屑石英、生物成因石英和成岩自生石英。不同成因石英对孔隙发育影响差异明显：生物成因石英有利于次生有机孔发育和形成刚性硅质格架以保护孔隙，黏土转化来源石英常充填孔隙，陆源碎屑石英对孔隙保存影响有限，粒间孔和有机–无机复合孔网络可增强连通性。然而，特定类型硅质矿物与孔隙连通性之间的耦合机制，尤其深层海相页岩地质条件下的机制仍不清楚。为此，研究人员以川南Long1₁亚段富有机质页岩为对象，开展硅质矿物类型空间分布、连通孔隙度和孔径分布定量分析，旨在厘清不同硅质矿物成因与演化路径，识别微–纳米级连通孔形成演化主导机制，并深化深层页岩储层孔隙发育过程认识，为“甜点”评价、有效储层识别和深层页岩气高效开发提供理论和技术支撑。

关键技术方法方面，研究人员以川南A井Long1₁亚段为样本队列，按约1 m间隔连续采集64件页岩岩心样，每件约100 g；并选取不同亚层样品开展总有机碳（total organic carbon，TOC）与X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）矿物组成分析、QEMSCAN矿物识别、二维及三维FIB–SEM观察与重构、NMR–SI渗吸监测，结合最大球算法构建孔隙网络模型。该概括不超过250字。

研究结果如下。4.1 过量硅的识别与成因（Identification and origin of excess silica）：通过Si–Al交会图和Al–Fe–Mn三元图分析，Long1₁第1—3亚层及部分第4亚层样品位于伊利石Si/Al参考线之上，显示明显过量硅特征；第1—3亚层过量硅为20.45%—25.52%，第4亚层为0%—10%；多数样品Al/(Al+Fe+Mn)为0.43—0.73，主要落入生物成因区，表明硅质主要与生物沉积有关，第4亚层生物贡献降低，构成刚性格架差异发育的物质基础。4.2 石英类型（Quartz type）：XRD显示第1—3亚层脆性矿物含量为18.56%—81.61%，平均60.63%；第4亚层为28.57%—75.10%，平均48.69%；据石英形态、粒度和硅质来源识别出陆源碎屑石英、生物成因石英和成岩自生石英。4.2.1 陆源碎屑石英（Terrigenous detrital quartz）：来源于大陆源岩风化，经长距离搬运进入盆地，镜下呈离散颗粒，粒径多为10—50 μm，次圆—次棱角状，可见线状和凹凸接触。4.2.2 生物成因石英（Biogenic quartz）：主要来自放射虫和海绵骨针等硅质浮游生物蛋白石骨架；晚奥陶世—早志留世川南为缺氧、低陆源输入、高古生产力的深水陆棚，有利于硅质生物繁盛和有机质保存；镜下可见海绵骨针和放射虫腔被硅质或有机质充填，放射虫直径30—150 μm，硅质充填与壁紧密黏附，指示早期硅化。4.2.3 成岩自生石英（Diagenetic authigenic quartz）：来自长石和陆源碎屑石英压溶、蒙脱石向伊利石转化等成岩过程，呈粒状微晶石英分布于碎屑颗粒和黏土矿物间孔隙，粒径多为数微米，常与沥青伴生，晶体常呈非晶外观。4.2.4 矿物组成垂向变化（Vertical variation in mineral composition）：A井Long1₁自下而上硅质矿物含量降低、黏土矿物含量升高；生物成因石英主要集中于第1—3亚层，陆源碎屑石英和成岩自生石英贯穿各亚层；第1亚层石英含量达93.36%，第2亚层降至85.03%，第3亚层降至46.38%且伊利石升至15.61%，第4亚层石英降至39.56%且伊利石升至23.33%，并见微晶石英交代方解石、矿物边界模糊。4.3 生物硅孔隙演化（Pore evolution in biogenic silica）：页岩沉积早期孔隙度可达80%—90%，随埋深增加机械和化学压实使孔隙度降低；蛋白石-A在约40—50 ℃转化为蛋白石-CT，在60—70 ℃转化为隐晶质和微晶石英；蛋白石-A向蛋白石-CT转化造成显著孔隙损失，而蛋白石-CT向微晶石英转化孔隙减少较少且速率较慢；微晶石英表面H⁺与有机质–COOH形成约0.5—2.0 nm厚有机–硅复合膜，使有机质降解速率降至暴露条件下的1/20—1/10，增强有机质保存；硅质生物骨架含大量粒内孔，蛋白石-CT向石英相变过程中超过80%原生孔隙结构可被保存，形成刚性支撑格架并为后续生烃提供储集空间。4.4 孔隙连通性表征（Characterization of pore connectivity）：4.4.1 三维孔隙结构与连通性（3D pore structure and connectivity）：三维FIB–SEM显示多数孔隙发育于有机质内且连通性良好；第2亚层样品总有机孔度为21.60%，连通孔度为18.20%，连通率84.26%，三维方向连通好；第4亚层样品总有机孔度为3.18%，连通孔度为1.94%，连通率61.01%，主要沿单一方向连通；表明刚性矿物格架支撑空间越大，油充注体积越大，热演化后微–纳米级有机孔越发育，连通性越好。4.4.2 渗吸流体运移（Fluid migration during imbibition）：NMR–SI显示连通孔主要分布于2—535 nm，其次为802—1534 nm和4055—10718 nm；介孔（2—50 nm）和大孔（50—535 nm）主导孔隙连通，约占92.98%，800—1500 nm和4000—10000 nm大孔约占7.02%；渗吸中未见大孔快速流体侵入，裂缝贡献可忽略；0—80 min流体主要流经5—350 nm孔隙，80—430 min扩展至2—535 nm，430—1340 min新增4—493 nm、870—1663 nm和4768—9884 nm路径，1340 min至饱和涉及2—535 nm、802—1663 nm和4055—10718 nm，表明流体先进入较小孔隙再迁移至较大孔隙，2—535 nm贡献最大。4.5 硅质矿物对孔隙演化的影响（Influence of siliceous minerals on pore evolution）：同生—早成岩阶段，不稳定蛋白石-A和蛋白石-CT快速转化为生物微晶石英；早成岩A阶段硅质软泥压实排水并广泛形成生物成因石英，建立抗压实刚性格架并保护原生粒间孔；早成岩B阶段温度约70—100 ℃，蒙脱石向伊利石转化释放富硅流体并在黏土基质中沉淀石英，有机酸促进长石和碳酸盐溶蚀形成次生溶孔；中成岩A阶段干酪根热裂解生油，油聚集于刚性硅质格架支撑的粒间孔，有机酸和CO₂提高酸性并促进长石溶蚀，K⁺加速蒙脱石向伊利石转化，陆源碎屑石英压溶形成成岩自生石英，既增强格架又充填部分孔隙；中成岩B阶段有机质高成熟并形成大量有机孔，成岩反应消耗H⁺提高碱性，陆源碎屑石英溶解生成成岩自生石英；晚成岩阶段水–岩作用基本停止，滞留油裂解生气，大量微–纳米级有机孔在刚性格架保护的粒间孔内发育并保存。不同成因石英力学性质不同：生物成因石英与脆性指数正相关、与泊松比负相关，是刚性格架核心；陆源碎屑石英颗粒较粗且分散，与泊松比正相关、与脆性指数负相关，但可抑制压实并与生物成因石英构成颗粒支撑格架；成岩自生石英作为胶结物充填部分孔隙，与泊松比正相关、与脆性指数负相关，并增强刚性格架。深水陆棚环境中，陆源碎屑石英和生物成因石英在大规模生油前形成刚性粒间孔，为有机质充填和演化提供空间；随热成熟度升高，有机质热解生烃并在格架保护下形成大量连通孔，体现刚性石英粒间孔形成与生油阶段的动态耦合，是龙马溪组优质页岩具有良好孔隙度、比表面积、连通性和含气性的关键原因。

讨论总结表明，硅质矿物并非单一来源，其成因类型和演化序列共同控制刚性格架发育、有机质空间分布及连通孔隙形成；生物成因石英和陆源碎屑石英构成主要支撑，成岩自生石英增强格架但可充填孔隙，连通孔主要发育于刚性格架支撑的有机质内。研究结论翻译如下：（1）硅质矿物由陆源碎屑石英、生物成因石英和成岩自生石英组成；刚性矿物格架主要由生物成因石英和陆源碎屑石英形成，具有良好抗压性，为油充注和孔隙保存提供空间支撑。（2）刚性矿物格架主要控制有机质空间分布；连通孔发育于刚性格架支撑的有机质内，支撑空间越大、有机质体积越大，连通孔隙度越高；富有机质硅质页岩中，介孔（2—50 nm）和大孔（50—535 nm）是主要连通孔区间和优先流体运移通道，其次为800—1500 nm和4000—10000 nm范围的大孔。（3）深水陆棚相页岩中，生物成因石英和陆源碎屑石英在大规模生烃前形成刚性粒间孔，有机质随后充填这些空间并热演化，产生丰富微–纳米级连通孔，建立“先成孔、后生烃”的时间序列；该耦合机制赋予Long1₁富有机质硅质页岩高孔隙度和高连通性，有利于页岩气储存和运移。