天然气地球科学 >

2020 , Vol. 31 >Issue 7: 1004 - 1015

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.001

非常规天然气

中上扬子地区下寒武统富有机质页岩吸水特征及对页岩气勘探的指示意义

  • 邵德勇 , 1 ,
  • 张六六 2 ,
  • 张亚军 2 ,
  • 张瑜 1 ,
  • 罗欢 2 ,
  • 乔博 2 ,
  • 闫建萍 2 ,
  • 张同伟 , 1
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  • 1. 西北大学地质学系, 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069
  • 2. 兰州大学地质科学与矿产资源学院，甘肃 兰州 730000
张同伟（1965-），男，甘肃武威人，教授，博士生导师，主要从事石油、天然气地质地球化学及成藏地球化学研究.E-mail:.

邵德勇（1989-），男，浙江杭州人，博士后，主要从事非常规页岩油气研究. E-mail: .

收稿日期: 2020-01-14

  修回日期: 2020-05-05

  网络出版日期: 2020-07-02

收起

The characteristics of water uptake for the Lower Cambrian shales in Middle-Upper Yangtze region and its implication for shale gas exploration

  • De-yong SHAO , 1 ,
  • Liu-liu ZHANG 2 ,
  • Ya-jun ZHANG 2 ,
  • Yu ZHANG 1 ,
  • Huan LUO 2 ,
  • Bo QIAO 2 ,
  • Jian-ping YAN 2 ,
  • Tong-wei ZHANG , 1
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  • 1. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, China
  • 2. School of Earth Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

Received date: 2020-01-14

  Revised date: 2020-05-05

  Online published: 2020-07-02

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National Natural Science Foundation of China(41730421)

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本文亮点

以中上扬子地区下寒武统富有机质页岩为研究对象，分别选取位于寒武系页岩气勘探突破区的湖北宜昌和四川威远2个地区的3个钻井/露头剖面（宜昌WPZK001井剖面、长阳露头剖面和威远W001⁃4井剖面）和目前勘探失利区的2个典型剖面（贵州开阳剖面和重庆酉阳剖面）共37件样品，开展岩石小柱体的吸水实验，并与四川盆地志留系龙马溪组富有机质页岩进行对比研究。结果表明：寒武系页岩气勘探突破区的下寒武统水井沱组/筇竹寺组富有机质页岩与四川盆地志留系龙马溪组富有机质页岩相似，其饱和吸水量主要受有机碳含量和石英含量的控制，表现出较好的正相关关系，而寒武系页岩气勘探失利区的下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩的饱和吸水量则与黏土矿物和碳酸盐矿物含量表现出弱的正相关关系，与有机碳含量和石英含量均无明显相关关系。这不仅指示了研究区下寒武统富有机质页岩发育孔隙网络特征，特别是有机质孔隙的发育，存在显著差异,同时也为从富有机质页岩矿物组成及其成因来源与孔隙发育耦合机制方面来探讨寒武系页岩含气性变化提供了新的研究思路。

本文引用格式

邵德勇 , 张六六 , 张亚军 , 张瑜 , 罗欢 , 乔博 , 闫建萍 , 张同伟 . 中上扬子地区下寒武统富有机质页岩吸水特征及对页岩气勘探的指示意义[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(7) : 1004 -1015 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.001

Highlights

In this study, 37 samples of Lower Cambrian shale collected from different sections involving shale gas exploration-breakthrough areas (Well WPZK001 from Yichang City, Changyang section from Hubei Province, and Well W001-4 from Weiyuan County) and -failure areas (Kaiyang section from Guizhou Province and Youyang section from Chongqing City) both in the Middle-Upper Yangtze region were investigated by water uptake experiments, with a similar comparative study of Silurian Longmaxi shale samples in the Sichuan Basin. The comparative results showed that the water uptake content for the Lower Cambrian organic-rich shale samples from shale gas exploration-breakthrough areas are primarily controlled by TOC content, showing a positive correlative increase of water content and TOC content, which is similar to that of Silurian Longmaxi organic-rich shale samples in the Sichuan Basin. In contrast, the water uptake content for the Lower Cambrian organic-rich shale samples from shale gas exploration-failure areas generally showed a positive correlation with clay and carbonate contents, and there is no correlation with TOC content. It implies that the characteristics of pore network in the Lower Cambrian organic-rich shales from Middle-Upper Yangtze region, especially the development of organic matter-hosted pores, display significant differences regionally. Importantly, it provides a newly-developed strategy on the study of gas content variation in Cambrian shale from Middle-Upper Yangtze region by investigating the coupling mechanism of pore development and mineral composition as well as origins in organic-rich shales.

0 引言

下寒武统和下志留统富有机质页岩是我国南方下古生界最重要的2套海相烃源岩，也是目前非常规海相页岩气勘探开发的重要层位。近年来，我国已经在四川盆地及其周缘地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组发现涪陵、威远、长宁3个千亿立方米以上的大型页岩气田以及富顺—永川、彭水、南川—丁山等多个重要产气区带[1,2,3]，2018年页岩气产量超100×108 m3。这也标志着我国成为除北美之外第一个实现页岩气工业化生产的国家。然而，有机质丰度更高、分布范围更广的下寒武统页岩在勘探与开发实践上还几乎没有商业意义上的重大突破，南方地区普遍含气程度低，或者含较多N2，甚至不含气[2,3,4,5]。截至目前，获得工业气流的下寒武统页岩气井主要分布在威远、井研—犍为等川西南地区，以及在盆外最新勘探发现的湖北宜昌地区[3,6,7,8,9,10]。与下志留统龙马溪组相比，下寒武统富有机质页岩除了时代老、热演化程度高、构造条件更加复杂等典型特征外，在矿物组成和岩性变化上表现出很强的非均质性，整体上储集物性较差，有机质孔隙相对欠发育[1,2,3,9,11,12,13]，这也为我国南方寒武系页岩气的勘探和“甜点区”的预测带来了很大的挑战和风险。因此，开展寒武系页岩气勘探突破区和勘探失利区富有机质页岩孔隙特征的对比研究，对于认识影响页岩孔隙发育和含气性的主控因素，以及进一步勘探开发具有重要理论和实际意义。
目前，研究页岩中微—纳米孔隙的表征方法很多，主要可分为图像法和流体注入法两大类型：图像法是指利用场发射扫描电镜、聚焦离子束扫描电镜、纳米CT等技术直接观察和定性描述孔隙的几何形态、大小、数量以及与无机矿物的空间分布关系等特征；流体注入法则是利用氮气、二氧化碳、汞等介质，通过实验测定孔隙度以及比表面积、孔径分布等孔隙结构参数，侧重于储集性和渗流性方面的定量表征[14,15,16]。近年来大量研究表明，富有机质页岩中发育孔隙特征主要受生—排烃作用和成岩作用的共同控制，具体与有机质类型、热成熟度、有机碳含量以及压实、溶蚀、黏土矿物转化等复杂地质过程有关[17,18,19,20,21,22,23,24]。岩石小柱体吸水实验是近几年来评价页岩发育孔隙网络特征及其连通性的新方法之一[25,26,27]。与广泛应用的低温氮气吸附、场发射扫描电镜等孔隙表征手段相比，该实验方法的最大优点是，可以选取多组样品同时进行，方法简单高效，成本低，并且在实验中使用厘米尺度大小的岩石小柱体样品很大程度地保留了页岩在地质条件下的岩石骨架，对于表征其发育孔隙网络特征以及连通性具有较好的代表性[25,27]。
本文研究选取中上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩，四川盆地下志留统龙马溪组富有机质页岩，钻取岩石小柱体，开展恒温、恒定湿度条件下吸水实验对比研究，并结合有机碳含量和矿物组成特征，分析寒武系页岩气勘探突破区和勘探失利区富有机质页岩吸水特征差异及其主控因素，进而探讨页岩发育孔隙网络的差异性对下寒武统页岩含气性变化的影响。

1 样品与实验方法

1.1　样品及预处理

下寒武统牛蹄塘组及其同时代地层（筇竹寺组、水井沱组等）页岩在中上扬子地区广泛分布，有机质丰度高，厚度大，热演化程度已经进入高—过成熟阶段，具有页岩气富集成藏的物质基础[5,10,28]，然而其页岩含气量在不同区域变化很大，如图1所示。本文选取中上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩样品37件，分别来自：①位于寒武系页岩气勘探突破区的湖北宜昌WPZK001钻井剖面、湖北长阳露头剖面和四川威远W001-4钻井剖面；②位于寒武系页岩气勘探失利区的重庆酉阳露头剖面和贵州开阳钻井剖面，具体剖面位置见图1。此外，为了与下寒武统富有机质页岩进行对比研究，另选取四川盆地长宁剖面下志留统龙马溪组页岩样品8件。样品的基本地球化学特征如表1所示。
图1 下寒武统富有机质页岩采样剖面位置（据文献[11,29]修改）

(1)湖北宜昌WPZK001井剖面;(2)湖北长阳露头剖面;(3)重庆酉阳露头剖面;(4)贵州开阳钻井剖面;(5)四川威远W001-4井剖面

Fig. 1 Location for the Lower Cambrian organic-rich shales (modified from the Refs.[11,29])

表1 中上扬子不同地区下寒武统剖面和四川长宁剖面龙马溪组页岩样品TOC和饱和吸水量

Table 1 TOC and saturated water contents for the Lower Cambrian shale in the Middle-Upper Yangtze region and the Silurian Longmaxi shale in the Changning section from Sichuan Basin

采样剖面/地层 编号 TOC/% 饱和吸水量/(mg/g岩石) 采样剖面 编号 TOC/ %

饱和吸水量/

(mg/g岩石)

湖北长阳剖面/

水井沱组

 CY-04 0.32 3.39

重庆酉阳剖面/

牛蹄塘组

 DQ-03 6.88 28.99
CY-13 0.69 3.8 DQ-06 11.37 21.78
CY-19 0.91 1.62 DQ-12 8.8 29.55
CY-43 0.93 11.2 DQ-21 7.93 29.48
CY-52 1.24 4.68 DQ-27 9.32 30.12
CY-55 3.35 16.46 DQ-34 5.5 25.5
CY-59 2.34 8.83

贵州开阳剖面/

牛蹄塘组

 333.5 3.66 22.74
CY-66 2.29 9.77 347.7 6.67 19.54

湖北宜昌WPZK井剖面/

水井沱组

 WPZK-21 5.86 13.1 354.8 1.86 17.6
WPZK-39 7.78 18.33 363.8 2.53 24.04
WPZK-44 5.7 18.96 385.6 5.68 18.73
WPZK-51 4.34 14.68 389.2 3.48 14.96
WPZK-81 1.56 5.87 408.8 4.88 21.74
WPZK-94 2.6 14.36

四川长宁剖面/

龙马溪组

 CN-SH-01 5.45 23.16

四川威远W001-4井剖面/

筇竹寺组

 W-10 1.77 11.69 CN-SH-04 6.97 23.71
W-19 0.31 6.87 CN-SH-08 3.71 15.04
W-46 0.78 11.39 CN-SH-09 3.38 14.49
W-55 0.54 6.47 CN-SH-11 3.42 15.49
W-67 0.56 8.5 CN-SH-13 3.35 12.99
W-105 1.13 9.84 CN-SH-42 1.17 18.02
W-111 1.63 12.29 CN-SH-58 1.06 13.52
W-134 3.04 8.09
W-141 1.18 12.44
W-146 4.55 15.05
样品预处理：选取块状页岩样品，利用钻床和空心钻头垂直于页岩层理面方向钻取岩石小柱体，其规格大小为：长度=1.0 cm，直径=1.0 cm，具体制备岩石小柱体方法见文献[25]。在进行吸水实验前，将岩石小柱体进行真空干燥处理（Px<-0.08 MPa，110 ℃，持续加热24 h），其目的是为了移除页岩孔隙网络中的可动水。

1.2　岩石小柱体吸水实验方法

本文中采用的岩石小柱体吸水实验方法是一套自行研发的表征页岩发育孔隙网络特征的简单、便捷方法，其实验装置主要由恒温箱、饱和盐溶液湿度发生器和高精度电子天平3部分组成，具体实验步骤详见文献[25]。该实验方法的基本原理是将真空干燥后的岩石小柱体样品移置于恒温、恒定湿度的环境中，让水分子通过扩散作用缓慢渗入至页岩的孔隙网络发生吸附和凝聚作用，最终达到吸水饱和平衡。实验过程中湿度的控制通过配置不同化学试剂的饱和盐溶液来实现，本实验选取CaSO4试剂配制饱和溶液，设置温度为30.0 ℃，对应相对湿度（RH）为99.9%。然后利用高精度电子天平称重方法获得岩石小柱体随时间变化的吸水曲线和单位岩石质量饱和吸水量，以此来表征页岩发育孔隙网络特征及其连通性情况。

2 实验结果与分析

2.1　页岩吸水曲线特征

图2展示了中上扬子不同地区下寒武统剖面牛蹄塘组/筇竹寺组/水井沱组和四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组富有机质页岩样品的吸水曲线特征。
图2 中上扬子不同地区下寒武统和四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组富有机质页岩的吸水曲线

(a)贵州开阳剖面牛蹄塘组;(b)重庆酉阳剖面牛蹄塘组;(c)湖北宜昌WPZK001井水井沱组;(d)湖北长阳剖面水井沱组;(e)四川威远W001-4井剖面筇竹寺组;(f)四川长宁剖面龙马溪组

Fig. 2 Water uptake curves for the Lower Cambrian shale in the Middle-Upper Yangtze region and the Lower Silurian Longmaxi shale in Changning area from Sichuan Basin

从图2中可以看出，页岩岩石小柱体样品吸水过程可以简单划分为“2个主要阶段”：在第1阶段，即t=0~50 h范围内，页岩样品快速吸水，单位岩石吸水量几乎呈线性增加；在第2阶段，即t=50~250 h范围内，吸水曲线明显趋向平缓，然后逐渐达到吸水饱和平衡。在实验温度为30.0 ℃，相对湿度为99.9%条件下，贵州开阳钻井剖面下寒武统牛蹄塘组页岩样品（n=7）的饱和吸水量为14.96~24.04 mg/g岩石，平均值为19.91 mg/g岩石；重庆酉阳露头剖面下寒武统牛蹄塘组页岩样品（n=6）饱和吸水量为21.78~30.12 mg/g岩石，平均值为27.57 mg/g岩石；湖北宜昌WPZK001钻井剖面下寒武统水井沱组页岩样品（n=6）的饱和吸水量为5.87~18.96 mg/g岩石，平均值为14.22 mg/g岩石；湖北长阳露头剖面下寒武统水井沱组页岩样品（n=8）的饱和吸水量为1.62~16.46 mg/g岩石，平均值为7.47 mg/g岩石；四川威远地区W001-4钻井剖面下寒武统筇竹寺组页岩样品（n=10）的饱和吸水量为6.47~15.05 mg/g岩石，平均值为10.26 mg/g岩石；四川长宁剖面下志留统龙马溪组页岩样品（n=8）的饱和吸水量为12.99~23.71 mg/g岩石，平均值为17.05 mg/g岩石。
通过对比发现，寒武系页岩气勘探突破区的湖北宜昌WPZK001钻井剖面、湖北长阳露头剖面和四川威远W001-4钻井剖面下寒武统水井沱组/筇竹寺组富有机质页岩样品的饱和吸水量平均值均显著低于寒武系页岩气勘探失利区的重庆酉阳露头剖面和贵州开阳钻井剖面，而四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组富有机质页岩样品的饱和吸水量平均值介于二者之间。除此之外，需要特别指出的是，即使在相同地区的同一下寒武统剖面，不同页岩样品的饱和吸水量差异也很显著。因此，整体上指示了中上扬子地区下寒武统富有机质页岩发育孔隙网络具有很强的非均质性。

2.2　有机碳含量与页岩饱和吸水量的关系

近年来大量研究表明，有机质丰度是四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气富集和高产的主控因素之一。泥页岩中有机质不仅为页岩气富集提供了物质基础，而且有机质内部大量发育的纳米级孔隙为页岩气成藏提供了重要储集空间[18,19,30,31,32]。
图3展示了中上扬子不同地区下寒武统剖面和四川盆地长宁地区下志留统剖面富有机质页岩的饱和吸水量与TOC含量的关系。如图3(f)所示，四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组页岩的饱和吸水量与TOC含量呈现良好的正相关关系。这与前人在黔江地区黔浅1井剖面五峰组—龙马溪组页岩的研究结果相一致[25]。因此，再次证实了有机质丰度是影响四川盆地龙马溪组页岩饱和吸水量的主控因素之一，由此推测有机质孔隙为其提供了重要的储集空间。
图3 中上扬子不同地区下寒武统剖面和四川长宁地区下志留统剖面富有机质页岩饱和吸水量与TOC含量的关系

(a)贵州开阳剖面牛蹄塘组;(b)重庆酉阳剖面牛蹄塘组;(c)湖北宜昌WPZK001井水井沱组;(d)湖北长阳剖面水井沱组;(e)四川威远W001-4井剖面筇竹寺组;(f)四川长宁剖面龙马溪组

Fig.3 Relationship between saturated-water content and TOC for the Lower Cambrian shales in the Middle-Upper Yangtze region and Lower Silurian shale in Changning area from Sichuan Basin

相比之下，不同地区下寒武统牛蹄塘组及其同时代富有机质页岩饱和吸水量与TOC含量的关系存在显著差异。其中，位于寒武系页岩气勘探突破区的湖北宜昌WPZK001钻井剖面、长阳露头剖面和四川威远W001-4钻井剖面下寒武统水井沱组/筇竹寺组页岩单位岩石质量饱和吸水量与TOC含量之间均呈现良好的正相关关系，有机碳含量越高，其饱和吸水量越大[图3(c)—图3(e)]。这一吸水特征与四川盆地龙马溪组页岩相似，同样指示了有机质丰度是影响该地区下寒武统富有机质页岩饱和吸水量的主控因素之一，有机质孔隙为其提供重要的储集空间。然而，位于寒武系页岩气勘探失利区的重庆酉阳露头剖面和贵州开阳钻井剖面下寒武统牛蹄塘组页岩单位岩石质量饱和吸水量与TOC含量之间不具有明显的相关关系，由图3(a)、图3(b)所示。这可能指示了该地区下寒武统页岩以发育无机矿物孔隙或者微裂缝为主，实验过程中进入页岩的水主要保存在无机矿物孔隙或者微裂缝中，而有机质孔隙相对欠发育。

2.3　矿物组成与页岩饱和吸水量的关系

对选取的贵州开阳钻井剖面和湖北长阳露头剖面下寒武统牛蹄塘组/水井沱组15件页岩样品以及四川盆地长宁剖面龙马溪组8件页岩样品进行XRD矿物组成测试分析。结果发现，贵州开阳钻井剖面下寒武统牛蹄塘组页岩样品石英含量为39%~55%，平均值为43.29%；黏土矿物含量为23%~35%，平均值为29.57%；碳酸盐矿物含量为5%~13%，平均值为9.0%。湖北长阳露头剖面下寒武统水井沱组页岩样品石英含量为8.5%~40.0%，平均值为18.68%；黏土矿物含量为9.3%~37.9%，平均值为15.30%；碳酸盐矿物含量为6.2%~76.7%，平均值为57.79%。四川长宁剖面下志留统龙马溪组页岩石英含量为9.3%~63.9%，平均值为37.9%；黏土矿物含量为11.3%~47.1%，平均值为26.45%；碳酸盐矿物含量为7.1%~43.1%，平均值为25.2%。总的来看，选取的3个剖面海相页岩矿物组成差异较大，具有很强的非均质性，特别是湖北长阳剖面的下寒武统水井沱组页岩具有显著高的碳酸盐矿物含量。
图4展示了贵州开阳剖面牛蹄塘组、湖北长阳剖面水井沱组和四川长宁剖面龙马溪组页岩饱和吸水量与矿物组成关系的对比情况。其中，四川长宁剖面龙马溪组页岩单位岩石质量饱和吸水量与石英含量之间具有较好的正相关关系，与黏土矿物含量相关性不明显，与碳酸盐矿物含量具有负相关关系；湖北长阳剖面水井沱组页岩单位岩石质量饱和吸水量与石英含量之间具有显著的正相关关系，与黏土矿物含量之间具有弱的正相关关系，与碳酸盐矿物含量之间具有负相关关系；而相比之下，贵州开阳剖面牛蹄塘组页岩单位岩石质量饱和吸水量与黏土矿物、碳酸盐矿物含量呈现弱的正相关关系，但与石英含量之间不具有明显的相关关系。因此，总的来看，矿物组成，特别是石英矿物对湖北长阳剖面水井沱组和四川长宁剖面龙马溪组页岩饱和吸水量具有相似的影响作用，而贵州开阳剖面牛蹄塘组页岩则表现出显著的差异性。
图4 贵州开阳剖面牛蹄塘组、湖北长阳剖面水井沱组和四川长宁剖面龙马溪组页岩饱和吸水量与矿物组成的关系

(a)—(c):贵州开阳剖面牛蹄塘组;(d)—(f):湖北长阳剖面水井沱组; (g)—(i):四川长宁剖面龙马溪组

Fig.4 Relationship between saturated-water content and mineral composition for the Niutitang Formation in Kaiyang section from Guizhou Province, Shuijingtuo Formation in Changyang section from Hubei Province, and Longmaxi Formation in Changning section from Sichuan Province

通常情况下，黏土矿物被认为是影响页岩吸水特征的主控因素之一[25,33]。然而，事实上，近年来众多研究表明[34,35,36,37,38,39,40]，四川盆地五峰组—龙马溪组页岩由于生物成因石英的贡献，石英含量与有机碳含量之间通常呈现良好的正相关性，从而造成页岩孔隙度、含气量与石英含量之间具有正相关关系。因此，本文进一步调查研究了选取的页岩样品TOC含量与矿物组成的相关关系，如图5所示。结果发现，湖北长阳剖面水井沱组和四川长宁剖面龙马溪组页岩TOC含量与石英含量之间均呈现显著的正相关关系，而贵州开阳钻井剖面TOC含量与石英含量之间不具有明显的相关关系。由此推测，湖北长阳剖面水井沱组和四川长宁剖面龙马溪组页岩矿物组成均存在生物成因石英的贡献，而其饱和吸水量与石英含量之间的正相关性，是由于其饱和吸水量与TOC含量之间具有良好的正相关关系，并且TOC含量与石英含量之间具有正相关性造成的。
图5 贵州开阳剖面牛蹄塘组、湖北长阳剖面水井沱组和四川长宁剖面龙马溪组页岩TOC含量与矿物组成的关系

(a)—(c):贵州开阳剖面牛蹄塘组;(d)—(f):湖北长阳剖面水井沱组; (g)—(i):四川长宁剖面龙马溪组

Fig. 5 Relationship between TOC and mineral composition for the Niutitang Formation in Kaiyang section from Guizhou Province, Shuijingtuo Formation in Changyang section from Hubei Province, and Longmaxi Formation in Changning section from Sichuan Basin

3 页岩吸水特征对寒武系页岩气勘探的指示意义

与北美页岩层系构造简单、页岩气保存条件相对较好相比，我国高—过成熟海相页岩气富集成藏的地质条件十分复杂[1,2,3,5,31,41]。寒武系和志留系作为我国海相页岩气最具勘探潜力的2套地层，目前我国海相页岩气已经在四川盆地志留系龙马溪组取得了重大突破，但是针对寒武系页岩气的勘探，迄今为止仅在川西南和湖北宜昌等少数地区获得了工业气流，南方其他地区绝大多数钻井普遍失利，含气性在区域上差异很大（图1），这与志留系龙马溪组页岩普遍含气形成了鲜明对比。目前普遍认为，热成熟度过高、有机质孔隙欠发育和后期构造保存条件差是制约寒武系页岩含气性差或产气量低的主要因素[2,3,5,41,42]。
通过对比选取的不同下寒武统剖面富有机质页岩样品吸水实验结果，笔者发现，中上扬子下寒武统富有机质页岩发育孔隙网络特征，特别是有机质孔隙的发育情况，在不同地区存在较大差异。其中，位于寒武系页岩气勘探突破区的下寒武统富有机质页岩与四川盆地龙马溪组页岩相似，其饱和吸水量、TOC含量和石英矿物含量三者之间均具有较好的正相关关系。因此，很可能指示了湖北宜昌地区下寒武统页岩发育相对丰富的纳米级有机质孔隙，为页岩气富集和保存提供了重要储集空间，而生物成因石英等脆性矿物则为地质条件下有机质孔隙的保存提供了重要支撑保护作用。近年来大量研究发现，生物成因石英在成功实现页岩气规模开发的北美Barnett页岩、Marcellus页岩、Woodford页岩以及我国四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中均十分常见，对页岩储集性和易压裂性具有双重影响，有利于页岩气的富集和高产[34,35,36,38,40,43,44]。通常情况下，生物成因石英富集的硅质页岩层段往往对应页岩气生产的甜点段[36]。针对湖北宜昌地区，国内学者最近利用光学显微镜和SEM-CL-EDS技术证实了下寒武统富有机质页岩矿物组成中含有丰富的生物成因石英，并认为主要与海绵骨针等硅质浮游生物骨骸在埋藏成岩过程中发生溶解再沉淀或重结晶作用有关[45]。而相比之下，位于寒武系页岩气勘探失利区的下寒武统富有机质页岩饱和吸水量、TOC含量和石英矿物含量三者之间均没有明显的相关关系，这可能指示了该地区下寒武统页岩中高含量的硅质主要来自陆源碎屑成因，或者热液成因等，而发育孔隙类型则以无机矿物孔隙或者微裂缝为主，有机质孔隙相对欠发育。
进一步通过总结前人研究的氩离子抛光—扫描电镜观察结果也证实了寒武系页岩气勘探突破区下寒武统页岩有机质孔隙相对发育，无论在孔隙数量还是孔径大小方面均显著优于勘探失利区的下寒武统页岩，如图6所示。其中，湖北宜昌地区下寒武统水井沱组页岩中有机质孔隙和碳酸盐矿物的粒内溶蚀孔较发育，特别是硅质页岩岩相中有机质孔隙更加发育，孔径大小一般为4~200 nm，孔隙形态呈椭圆形或多边形等不规则状[图6(c)，图6(d)][47]；川西南地区下寒武统筇竹寺组页岩有机质内部发育纳米级孔隙，孔径大小也多以几纳米至50 nm为主，最大可达300 nm[图6(e)，图6(f)][42,48]。目前，川西南地区威201井、金页1井、金石1井等下寒武统筇竹寺组、湖北宜昌地区阳页1井、宜页1井、秭地1井等下寒武统水井沱组经压裂试采均已获得工业气流（图1）。而寒武系页岩气勘探初步显示不含气或低含气的贵州开阳地区下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙则以矿物粒间孔和溶蚀孔为主，有机质孔隙基本不发育，如图6(a)和图6(b)所示[46]。另外，彭水、黔南等地区下寒武统页岩孔隙发育程度也均不如湖北宜昌和川西南地区，孔隙度低，有机质孔隙孔径极小，国内学者认为这主要与成岩演化过程中压实作用有关[42]。同时这也表明有机质孔隙是控制寒武系页岩含气性的关键因素之一。但需要指出的是，实现页岩气工业化开采的下志留统龙马溪组富有机质页岩中纳米级有机质孔隙整体非常发育，孔径大小一般为几纳米到数百纳米，甚至达到微米级[图6(g)，图6(h)]。四川盆地及其周缘地区五峰组—龙马溪组页岩在不同空间展布上均发育丰富的纳米级有机质孔隙，具有相对较好的储集物性，其含气量大小则主要受控于有机质丰度和构造保存条件；而中上扬子地区寒武系页岩气富集成藏的地质条件更加复杂，根据五峰组—龙马溪组页岩气勘探开发实践经验总结的南方下古生界海相页岩气富集成藏理论并不完全适用于寒武系页岩气的勘探开发[5]。因此，这为我们从研究中上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩发育孔隙网络特征的差异性及其主控因素，特别是矿物组成及成因来源与孔隙演化之间的内在联系，来进一步探讨和解释寒武系页岩含气性差异提供了重要的研究思路。
图6 中上扬子不同地区下寒武统和四川盆地下志留统龙马溪组富有机质页岩发育有机质孔隙情况

（a)—(b）牛蹄塘组, 贵州开阳剖面[46];（c)—(d）水井沱组, 湖北宜昌地区秭地1井[47];（e)—(f）筇竹寺组, 川西南地区金页1井[42];（g)—(h）龙马溪组, 四川盆地石柱剖面

Fig.6 Comparison of organic-hosted pores in the Lower Cambrian shales in the Middle-Upper Yangtze region and the Lower Silurian Longmaxi shale in Changning area from Sichuan Basin

4 结论

（1）中上扬子不同地区下寒武统剖面富有机质页岩吸水特征存在显著差异。其中，位于寒武系页岩气勘探突破区的湖北宜昌WPZK001钻井剖面、湖北长阳露头剖面和四川威远W001-4钻井剖面下寒武统水井沱组/筇竹寺组与四川盆地龙马溪组页岩相似，其饱和吸水量与TOC含量之间呈现良好的正相关关系，而位于寒武系页岩气勘探失利区的重庆酉阳露头剖面和贵州开阳钻井剖面下寒武统牛蹄塘组页岩饱和吸水量与TOC含量之间没有明显的相关关系。这指示了中上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩发育孔隙网络特征存在显著差异，位于页岩气勘探突破区的下寒武统富有机质页岩有机质孔隙发育相对较好，为页岩气富集和保存提供重要的储集空间。
（2）中上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩矿物组成存在很强的非均质性，特别是石英、黏土矿物和碳酸盐矿物对页岩吸水特征具有不同的影响。其中，位于寒武系页岩气勘探突破区的湖北长阳露头剖面和四川威远W001-4钻井剖面下寒武统水井沱组、筇竹寺组同样与四川盆地龙马溪组页岩相似，其石英矿物含量与饱和吸水量、TOC含量之间均呈现良好的正相关关系，而位于寒武系页岩气勘探失利区的贵州开阳钻井剖面下寒武统牛蹄塘组页岩石英矿物含量与饱和吸水量、TOC含量之间均没有明显的相关关系。这可能指示了中上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩矿物组成成因来源存在显著差异，特别是寒武系页岩气勘探突破区生物成因石英贡献的重要性。
（3）岩石小柱体吸水实验揭示了中上扬子不同地区下寒武统富有机质页岩发育孔隙网络特征的差异性，特别是生物成因石英等脆性矿物对纳米级有机质孔隙保存的重要影响，这为进一步探讨控制寒武系页岩含气性差异的因素和加强页岩中有机质孔隙发育与脆性矿物成因耦合机制的研究提供了重要思路。

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