引用本文

Li Xinjing,Chen Gengsheng,Chen Zhiyong,et al.An insight into the mechanism and evolution of shale reservoir characteristics with over-high maturity[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(3):407-416.[李新景，陈更生，陈志勇，等.高过成熟页岩储层演化特征与成因[J].天然气地球科学，2016,27(3):407-416.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.03.0407

高过成熟页岩储层演化特征与成因

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李新景1 ，陈更生2，陈志勇1，王兰生2，王玉满1，董大忠1， 吕宗刚2，吕维宁1，王淑芳1，黄金亮1，张晨晨1 

（1.中国石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国石油西南油气田分公司，四川成都610041）

作者简介：李新景（1965-），女，黑龙江宝清人，高级工程师，主要从事页岩储层综合地质评价研究.E-mail：xinjingli@petrochina.com.cn.

基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”）项目（编号：2013CB228001）；国家科技重大专项“页岩气重点地区资源评价”（编号：2011ZX05018-001）联合资助.

摘要  
高过成熟是中国南方下古生界海相富有机质页岩储层的重要特征之一，它经历了近乎完整的热演化过程，产出大量油气和有机质孔隙。页岩有机质孔隙实际上包括干酪根孔隙、固体沥青/焦沥青孔隙。依据成岩序列、油气充注、有机质和孔隙的形态特征，识别出固体沥青或焦沥青次生孔隙，并通过典型案例构成的成熟序列，分析影响储层孔隙度与有机质丰度之间关系的主要因素，探究热演化进程中页岩展示出的诸多变化特征与成因，如天然气碳同位素由部分反转进入完全反转区、孔隙表面水润湿—油润湿—水润湿的动态转变、储层电阻率先上升后下降的逆转现象以及岩石各向异性参数的非线性波动，揭示中国南方下古生界页岩气储层可能的演化轨迹，展示不同成熟阶段页岩储层之间的内在变化规律。

关键词： 高过成熟度       页岩储层       固体沥青       属性      

中图分类号:TE122.1      文献标志码:A      文章编号:1672-1926(2016)03-0407-10

An insight into the mechanism and evolutionof shale reservoir characteristics with over-high maturity

Li Xin-jing1 ，Chen Geng-sheng2，Chen Zhi-yong1，Wang Lan-sheng2，Wang Yu-man1，Dong Da-zhong1，Lü Zong-gang2，Lü Wei-ning1，Wang Shu-fang1，Huang Jin-liang1，Zhang Chen-chen1 

（1.Research Institute of Exploration and Development,PetroChina,Beijing 100083,China；2.Southwest Oil and Gas Field Company,PetroChina,Chengdu 610041,China）

Abstract  
Over high maturity is one of the important characteristics of marine organic-rich shale reservoirs from Lower Paleozoic in the Southern China.The organic matter(OM) of gas shale reservoirs almost went through the whole range of thermal evolution.During this wide span,the great amount of hydrocarbon was available and the numerous pores were seen located within OM including kerogen and solid bitumen /pyrobitumen.These nanopores in solid bitumen/pyrobitumen can be identified from SEM image,based on the diagenesis sequence,hydrocarbon charge with the shape of OM and pores.In terms of the maturity process showed by the typical different cases,the main effects on the relationship between reservoir porosity and organic carbon abundance are here interpreted,and the change and mechanism of reservoir properties due to thermal evolution are explored,such as gas carbon isotope from partially rollover zone into completely rollover zone,wettability alteration from water-wet to oil-wet and then water-wet pore surface again,electrical resistivity reversal from increasing stage into decreasing stage,nonlinearity fluctuation of rock anisotropy parameters as well.These indicate the very possible evolution pathway for shale gas reservoirs from Lower Paleozoic in the southern China and the general transformation processes between different shale reservoirs during thermal stages.

Key words： Over-high maturity;       Shale reservoirs;       Solid bitumen;       Properties;      

引言

已知热演化过程中，有机质物理化学性质将发生改变[1]。如今伴随国内外页岩油气储层评价与勘探开发，陆续发现与成熟度有关联的新证据，如有机质孔隙、页岩气碳同位素、储层地球物理和岩石物理响应如电阻率、Thomsen参数[2-6]。以中国南方下古生界海相富有机质页岩为例，它经历了成岩作用、深成热解作用、后生作用和变质作用各阶段，热演化程度高、普遍进入干气窗是其主要特征之一。理论上，其有机物质和无机矿物遭受了较强的改造，如干酪根成为高有序化簇合体，RO>2%时镜质组表现出各向异性，天然气和固体沥青产生[7,8] ；矿物颗粒胶结、溶蚀、重结晶和交代，黏土矿物有序转化与定向排列，基质孔隙增减与形变等。但是，热演化的阶段性转变如何影响页岩气储层性质，使其显现独特性的问题，尚未得到较为系统的解释。 本文通过储层若干关键参数，将国内外案例视作完整的成熟序列组成部分，讨论热成熟度对页岩储层的储集物性、润湿性、弹性各向异性等方面产生的影响及程度，揭示高过成熟富有机质页岩储层所承载的内在变化规律，即所谓的成熟效应，理解中国南方下古生界海相页岩储层动态演化特征。

1 页岩气储集空间和碳同位素

1.1 页岩孔隙度与微观孔隙特征

常规方法、压汞法(MIP)、GRI法、数字岩心法及其他新手段均可度量页岩岩心孔隙度，但不同来源的数值难以直接比对和彼此替代，如Barnett页岩MIP结果较He孔隙度低20%~50%，汞无法进入由3.6nm以下孔喉连通的孔隙。国际上普遍认可的GRI方法，因实验室间处理程序和控制标准不统一，也会造成偏差，一般相差0.5~1.5p.u.[9]。本文筛选出国内外重点地区和层系成熟页岩储层，将 GRI方法测定的He孔隙度与有机质丰度交会，二者基本呈正相关关系（图1）。这些页岩储层孔隙度大多处于2%~10%范围，少数为10%~17%，且He孔隙度随有机质丰度的增长幅度不同，低丰度区(TOC<5%)增长显著，如Marcellus 页岩相关系数为0.82~0.86[10]，但高丰度区(TOC>5%)，无论成熟度或高或低，相关性普遍较差，甚至完全不相关，说明热演化阶段形成的有机质孔隙仅是页岩储层孔隙系统的重要组成部分之一，其他影响因素也应给予考虑。 首先，富有机质泥页岩岩石类型有较大差别，部分以黏土矿物、石英为主的碎屑岩，如龙马溪组、Marcellus、Barnett及Haynesville页岩，部分为含少量石英、长石、黏土矿物的碳酸盐岩，如绿河页岩、Eagle Ford页岩、Niobrara页岩以及辽河凹陷沙河街组页岩。埋藏成岩过程中，主要孔隙类型除大量有机质孔隙之外，还发育矿物基质粒间孔隙、粒内孔隙，如Eagle Ford页岩以溶蚀粒间孔缝为主，龙马溪组页岩残余粒间孔隙亦见发育（图2）。

图1     页岩有机质丰度与总孔隙度关系
Fig.1     The Correlation between organic carbon abundances(TOC)and total porosity

图2     页岩基质无机矿物粒间与粒内孔隙
Fig.2     SEM photomicrograph of intragranular and intergranular porosity in shale matrix

(a)四川盆地志留系龙马溪页岩S1l粒间残余原生孔隙; (b)同上地区S1l碳酸盐晶间溶蚀孔隙; (c)渤海湾盆地第三系沙河街组湖相页ES4s,石英颗粒周缘粒间孔隙（图像由丁文龙教授提供）; (d)—(f)白垩系Eagle Ford页岩粒间溶蚀缝、层间溶蚀缝、有机物充填晚期溶蚀裂缝 其次，干酪根由不同类型显微组分构成，没有统一结构。干酪根类型不同，壳质组、类脂组、镜质组和惰质组等的相对比例及其形成有机质孔隙的能力也有差别。先天惰性的显微组分与热演化进程中因氢的损耗而成为“死碳”物质相比，虽然都缺乏活性，生烃潜力有限[12]，但二者对有机质孔隙的贡献截然不同，镜下也常见孔隙欠发育的有机物质[图3(a)—图3(d)]。设定SEM图像灰度阈值，提取孔隙面孔率，图3(e),图3(f)高过成熟的龙马溪组页岩为24.7%，更多样本统计孔隙面孔率一般为7%~30%[4]；采自核心产区Barnett页岩，有机质微纳米孔隙分布密度、形态也逊色于已发表文献中的经典样式[图3(c)][4]；Woodford成熟页岩(RO=1.23%)数个微米尺度内，多孔区域紧邻无任何孔隙的有机质，前者可能是焦沥青，后者可能是干酪根[图3(d)][5]。显然，与矿物基质中的粒间孔隙、粒内孔隙一样，有机质孔隙的分布也是非均质的。 第三点，进入生油晚期阶段，原油开始裂解，大量有机质孔隙产生，部分孔洞与狭窄喉道连接可以形成较大的孔隙网路，即使页岩来源于较大埋藏深度，有机质孔隙形态仍然保持了相对完整，未发生明显变形[图3(e)]。多数情况下，似乎矿物基质孔隙主要与埋藏过程中压实、溶蚀、胶结和重结晶等作用有关，有机质孔隙与成熟度关系更为密切。 如果干酪根转化为液态或气态烃，产生有机质孔隙的过程主要与成熟度有关，那么这些次生孔隙及其比表面积就不是固定的，它取决于干酪根结构的重排程度和烃类排出效率 [1]，源内或近源油气运移所需要的渗流通道便与之密不可分。也就是说，有机质孔隙分布的非均质性，除表现为自身大小、形态、密度等方面之外，从油气运移的角度，它与储层中物性相对较好的基质孔隙特征也是有关的。

图3     不同成熟阶段有机物质与孔隙分布特征
Fig.3     SEM photomicrograph of organic matter and pores distribution in maturity stages

(a)未成熟—低成熟白垩系Eagle Ford页岩有机物质顺层充填; (b)鄂尔多斯盆地三叠系延长组湖相页岩长7有机质层状分布(RO=0.8%~1.0%),早期成岩压实作用使有机质、黏土等塑性物质受到挤压,定向排列; (c)核心区Barnett页岩有机质孔隙欠发育(RO=1.9%~2.2%); (d)Woodford页岩(RO=1.4%)有机质孔隙非均质特征[5]，石英、方解石围限的粒间孔隙为固体沥青/焦沥青充填，左侧未见孔隙； (e),(f)四川盆地高成熟龙马溪页岩(RO>2.0%)有机质孔隙，面孔率为24.7%； (g)同上有机质孔隙和无机矿物粒间孔隙; (h)同上无机矿物粒间孔缝作为潜在油气运移通道，被沥青充填； (i)四川盆地高过成熟筇竹寺页岩(RO>2.0%)，黏土与有机质二元结构中自生黄铁矿单晶与干酪根、原位固体沥青/焦沥青生气产生有机质孔隙

1.2 有机质孔隙类型

有机质孔隙与页岩储层的生排烃有密切关系[5-12,13]，生烃增压使干酪根降解产成的油气向周边大孔隙喉道排驱，广泛充填成岩阶段页岩残余粒间孔隙，形成连续有机质网络，导致成熟致密的泥页岩孔隙中滞留了大量原位生成和近距离运移的液态烃类化合物，并在更高热演化阶段(RO>1.1%~1.3%)产生固体沥青/焦沥青[14-16]，保留丰富的纳米孔隙和微裂缝，成为油气富集场所、运移和生产通道[17]。Bernard等[18,19]利用同步加速—扫描透射X-射线显微镜(STXM)手段研究未成熟、成熟和过成熟德国侏罗系Posidonia页岩，实验证实成熟和过成熟样品有机质中的确存在大分子固体沥青和焦沥青，焦沥青中散布大量海绵状粒内微孔，它们可能是演化中间产物，即残余液态烃，在热裂解过程中气体脱溶的结果。虽然这里统称固体沥青或焦沥青，实际上从低成熟阶段(RO=0.35%~0.60%)开始，固体沥青有诸多地质成因类型，分类上也有很大的争议，本文暂且关注与液态烃有关的后油固体沥青(Post-oil solid bitumen)，它有别于干酪根及其表面吸附的沥青[17]。正如前所述，后油固体沥青来源于生油阶段产生的液态烃，是源内充注、运移、更深入的热蚀变产生的结果，其面貌通常是无定形的，形态取决于所占据的孔隙空间[14-17-20,21]。至于高过成熟阶段，岩石总孔隙体积、孔隙尺度分布和微孔、中孔、大孔相对比例是否因此发生变化或逆转，未来还仍需大量研究工作。过去之所以忽视了这部分固体沥青的贡献，主要原因是这类次生孔隙在源储共生的页岩储层中不易识别，即使当今拥有STXM手段，实践中广泛应用依然不现实。本文试图结合SEM背散射图像中固体沥青形貌特征、成岩演化与油气充注时间序列，例举实例，加以甄别。 图2和图3鄂尔多斯盆地长7页岩、Eagle Ford页岩、Barnett页岩、Woodford页岩和龙马溪组页岩中可见断续分布、鲜有贯穿整个视域的狭长形高渗透性粒间孔缝，被沥青充填，海绵状纳米级孔隙分布部分区域[图2(a)，图2(e),图3(a),图3(b)，图3(g),图3(h)]。图4(a)热解实验证实，350℃加热4d后Woodford页岩产生 的油滴自基质中渗出，向高渗透性的微缝方向运移[22]；Barnett页岩生物成因硅质颗粒发生广泛重结晶[9]，Passey[9]认为黑色部分是有机质孔隙，本文认为应是重结晶之后充注的油气，在更高演化阶段裂解形成固体沥青/焦沥青孔隙[图4(b)]；Eagle Ford页岩有孔虫生物体腔内碳酸盐胶结物、黄铁矿和碳酸盐自形晶形成后，残余孔隙充填了沥青，同时矿物基质中也发育粒间、粒内溶蚀孔隙，并为沥青充填[图4(c)]；彭水地区志留系龙马溪组黑色页岩，埋深为2 149.72m、成熟度为2.84%，有机质丰度为3.98%、孔隙度为4.74%[11], 粒间孔隙内见碳酸盐自形晶体，黑色部分实为固体

图4     固体沥青和焦沥青与孔隙SEM图像及薄片特征
Fig.4     SEM and thin section photomicrograph of the pores inside solid bitumen and pyrobitumen

(a)Woodford页岩微裂隙处热解实验产生的油滴[22]； (b)Barnett页岩硅质颗粒重结晶，暗色部分为固体沥青或焦沥青孔隙[9]； (c)Eagle Ford页岩有孔虫生物体腔内孔隙及基质孔隙被沥青充填； (d)彭水地区龙马溪黑色页岩粒间孔隙中固体沥青或者焦沥青孔隙[11]； (e)鄂尔多斯盆地长7页岩，生油阶段液态烃充注粒间孔隙及周缘高渗流通道； (f)四川盆地龙马溪页岩粒间孔隙充填黄铁矿单晶集合体和自生黏土矿物，残余孔隙充填沥青； (g)同上龙马溪页岩有机质孔隙沿层面定向分布； (h)同上龙马溪页岩粒间孔隙中的油气运移现象，焦沥青散布海绵状纳米级孔隙网络; (i)同上龙马溪页岩，生物成因硅质颗粒部分为方解石交代，溶蚀孔隙及周边狭长粒间孔缝被固体沥青充填 沥青/焦沥青孔隙[图4(d)];鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7黑色页岩中沉积—准同生阶段黄铁矿化 藻囊包壳，成岩阶段黄铁矿单晶集合体，生油阶段液态烃充注于基质孔隙及周边高渗流通道[图4(e)]；四川盆地龙马溪组黑色页岩中自生黄铁矿和自生黏土矿物间的残余粒间孔隙，形态不规则[图4(f)]，典型的黏土矿物与有机质二元结构中，干酪根和原位固体沥青/焦沥青孔隙沿层定向排列[图4(g)]，狭长的矿物基质粒间孔隙中，固体沥青呈现出大量随机分布的海绵状孔隙[图4(h)]。光学显微镜下，龙马溪组页岩中可见生物硅质颗粒被方解石交代、溶蚀，残余孔隙及周边狭长粒间孔缝，为固体沥青充填[图4(i)]。 因此，根据岩矿特征，特别是自生矿物、孔隙演化以及成岩作用的研究，结合热演化生烃史、有机质分布特征，可以辅助识别部分充填于粒间孔隙、微裂隙中的无定形、分散状有机物质为固体沥青，它来源于生油阶段的液态烃，在更高的演化阶段因热裂解产生丰富的高密度、海绵状固体沥青/焦沥青孔隙网络，该网络具有较好的连通性。这意味着矿物基质孔隙、微裂缝与有机质孔隙，包括干酪根孔隙、固体沥青孔隙，因源内油气运移，形成了有机整体。也就是说，矿物基质孔隙与有机质孔隙网络彼此不是完全孤立的。在这个系统里，页岩储层的沉积环境、成岩作用、深成热解作用、后生作用以及生排烃史，控制了有机质显微组成、热成熟度、孔隙类型与发育程度以及源内运移通道，最终决定了有机质丰度与储层孔隙度的相关性，显然热演化是关键环节。除此之外，热演化进程还驱使页岩气储层发生了其他方面的物理化学性质变化。

1.3 页岩气碳同位素反转

高产的成熟页岩气储层中常观察到甲烷、乙烷和丙烷碳同位素异常反转现象， 如Barnett页岩、Marcellus页岩、龙马溪组页岩、Horn River页岩、Utica页岩、Woodford页岩及Haynesville页岩等， 说明同位素地球化学异常具有普遍性（图5）。其原因是，封闭生烃体系中，不同先驱物(干酪根、残余油和湿气裂解)产生的天然气源内混合聚集[23]，即成熟阶段早期干酪根降解，乙烷和丙烷同位素同步升高，RO >1.5%时，干酪根裂解和残余油裂解同期发生，同位素分馏作用导致轻碳同位素相对富集，乙烷和丙烷碳同位素反转。这一现象曾被用来定性预测Barnett、Haynesville井的页岩储层渗透性和天然气产量[24]。Hao等[25]进一步指出，油气生成高峰阶段，封闭系统中相对较低的排烃效率和后期较低损失量，导致了同位素反转异常现象。

图5     页岩气碳同位素热演化轨迹(改自文献[23-27,29])
Fig.5     Carbon isotopic variation of shale gas across the path of thermal maturity(modifed from Ref.[23-27,29])

当RO>2.0%，相对封闭的体系中，甲烷生成反应涵盖了3个动力学过程:干酪根降解、残余油裂解、湿气裂解，后者作为演化中间产物裂解为热稳定产物甲烷逐步占据主导地位，发生同位素完全反转（图5Ⅳ区）。如图所示，相较于甲烷、乙烷和丙烷同位素正常排列(Ⅰ区)，高过成熟演化进程中，同位素反转先后经历了3种形态:部分反转型δ13C2<δ13C1<δ13C3(Ⅱ区)、δ13C2<δ13C3<δ13C1(Ⅲ区)和完全反转δ13C3<δ13C2<δ13C1(Ⅳ区)。典型代表分别是:干酪根降解生油气阶段Barnett页岩气(Ⅰ区)，原油裂解阶段Barnett页岩气(Ⅱ区)，湿气裂解阶段Fayetteville页岩气(Ⅲ区)，湿气裂解阶段晚期Marcellus、Horn River、Utica以及龙马溪组页岩气(Ⅳ区)[23-29]。因此，天然气碳同位素热演化轨迹，一方面反映了相对封闭体系中热化学反应、同位素分馏、油气混合和富集的复杂性[25];另一方面说明前反转带的原油裂解阶段和后反转带的湿气裂解阶段是页岩气大量富集的2个关键时刻，分别携带了各自的化学信息，前者属于演化中期产物，后者属于演化末期产物。从干酪根两极分化的演化路径角度分析，不同时期页岩储层的岩石物理属性也可能有所响应。

2 页岩储层演化特征

2.1 页岩储层电阻率

未成熟页岩，因黏土矿物附加的导电性和孔隙水导电性，表现为低电阻率；成熟度升高，油相驱替孔隙水，孔—缝饱含油相，电阻率升高。Schmoker等[30]正是借助二者相关性，以电阻率>35 Ω·m为界限，预测了Woodford、Bakken页岩开始大量成熟生油的分布范围。加拿大Saskatchewan东南部，靠近Trans Hudson造山带附近Nesson背斜北侧和西侧,由于受到与基底构造相关的Brockton-Froid-Fromberg北东向延伸的断层带局部高热流值以及区域应力的影响，Bakken上段和下段页岩高电阻率异常(>25 000Ω·m)，也遵循上述原理[31]。 但Passey等[9]发现，一些高过成熟富有机质页岩(RO>3%)电阻率，相较于低成熟页岩(1%O<3%)降低了1~2个量级。以Niobrara地层为例。Sand Wash盆地边缘白垩系Niobrara地层埋深较浅，处于未成熟低压状态，电阻率低。沿下倾方向进入西侧的油气窗，电阻率逐渐升高(>70Ω·m)，流体呈超压状态，继续西移进入高气油比干气窗时，电阻率逆转，降至40~50Ω·m[32]，油公司通常将电阻率>30Ω·m范围视为潜在的页岩油气勘探对象。再如Anadarko和Arkoma盆地Woodford页岩，随成熟度提高，电阻率由小于20Ω·m增长至500Ω·m以上，最高可达1 000Ω·m以上，干气区则下降至10~15Ω·m。Williston盆地部分Bakken页岩亦具有相似变化趋势，说明这一现象具有普遍性（表1）。

表1     热演化阶段页岩储层电阻率变化
Table 1     Resistivity of shale reservoirs during thermal maturation
目的层Niobrara页岩[32]Bakken页岩[31]Woodford页岩[30]龙马溪组页岩
盆地Sand WashPiceanceWillistonAnadarko/Arkoma四川
未熟阶段Rt/(Ω·m)<10/7~920~35/
生油阶段Rt(Ω·m)早期<20,晚期40~6010~16>35>35/
湿气阶段Rt(Ω·m)90~120(>70)>3025 000(max)100~500,>1 000(max)/
干气阶段Rt(Ω·m)40~5018~22/10~15(浅井)25~140,200(max)
由湿气窗进入干气窗演化阶段，电阻率为何发生反转？目前主要有以下几种观点:①高热演化阶段石墨先驱物所致。因RO=1.4%左右也存在类似现象，该观点受到质疑[9-33]；②地层水电阻率Rw值降低。即束缚水气化使水有效移除，残余水盐度升高，导致Rw值降低，电阻率反转[34]；③润湿性改变。Schmoker等[30]认为，相对于热成熟度，其他常见因素如黄铁矿和黏土等矿物、孔隙度、孔隙弯曲度以及孔隙水盐度等的影响是次要的。进入干气窗，液态烃逐渐裂解消失，固体沥青/焦沥青结构发生变化，油润湿性转向水润湿性，使高过成熟页岩电阻率逆转；④微裂缝产生。Al Duhailan等[32]研究认为，大量生油排烃阶段产生的裂缝孔隙度速率，每50Ma可达5%,生气阶段可产生1%额外孔隙度，伴随阿尔奇方程饱和度指数n的变化，电阻率下降幅度可高达80%。 根据热演化进程的分析和油气运移相态理论，本文支持润湿性改变机制。未熟—低熟阶段，页岩电阻率受连续相孔隙水控制，呈低阻状态；成熟阶段，干酪根裂解，产生非极性液态烃类与极性胶质和沥青质，其中非极性烃类驱替水占据孔隙中心，极性有机化合物与水相竞争，覆盖无机矿物表面，逐渐改变岩石润湿性，直至连续水相中断，电阻率大幅上升；成熟度继续攀升，以湿气裂解为主，体积膨胀，产生高压和微裂缝，孔隙系统连通性增强，流体排驱能力增强，同时胶质—沥青质拆离分散，之前被隔离的水润湿系统重新连通，颗粒表面再次被束缚水占据，触发油润湿行为反转，水导电性恢复。即使含水饱和度很低，也足以使页岩储层电阻率下降。因此，相较于北美多数页岩油气储层，高过成熟的中国南方龙马溪组页岩，已进入热演化全序列尾声阶段，部分矿物表面逆转为水润湿性，储层呈现电阻率整体较低状态（表1）。同时说明，油气大量生成阶段，源内或近源油气运移、排烃、聚集机制的重要意义，高产低阻的Bakken中段致密油气藏便是典型的近源聚集结果，渤海湾、松辽盆地、鄂尔多斯等处于生油阶段的高电阻率页岩层系，也可能存在类似的风险相对较小的勘探对象。

2.2 页岩储层各向异性

与砂岩和碳酸盐岩相比，富有机质页岩各向异性普遍强烈，计算岩层杨氏模量、泊松比等弹性参数，判断页岩储层可压性或者脆性时，必须考虑储层各项异性特征。目前，叠加有机质丰度和成熟度双重因素的实验数据比较有限，Thomsen各向异性参数的变化规律不十分明确,特别是高演化阶段。Vanorio等[35]富有机质页岩应力敏感实验很值得借鉴，它展示了2个明显特征[图6(a)]: ①不同成熟区间，页岩各向异性参数的应力响应不同。低成熟阶段(RO<0.65%)，反映纵波各向异性的Thomsen参数ε随成熟度升高而单调递增，应力敏感性较弱，成熟度是主要的控制因素。生烃高峰之后，当应力由5MPa增至50MPa时，ε整体降低，应力也成为主要影响因素；②生油(RO=0.65%)和生气高峰(RO=1.3%)附近，ε发生反转，各向异性强弱表现出非线性变化。本文将其与Deng等 [36]实验测试数据结合，利用上扬子地区五峰组—龙马溪组黑色页岩50MPa围压条件下的参数值，结合其样品地处的区域热成熟度水平，代表高过成熟阶段(RO>2.0%)页岩储层各向异性的响应特征，观察完整成熟序列的岩石物理属性变化。图中显示，除个别高值点(黏土含量较高约为40%)，ε参数整体仍延续略有下降趋势的波动，RO值约为2.0%附近时，ε参数值变化幅度较大，可能与扬子地区龙马溪组页岩样品黏土含量差异较大有关，说明在整个热演化序列中，有机质的物理、化学结构特征发生非线性变化，同时也不能忽略其他主要控制因素。 图6(b)、图6(c)高过成熟龙马溪组页岩黏土矿物含量与纵横波各向异性参数ε和γ显示较强的相关关系,黏土矿物<30%时，ε随黏土含量增加而缓慢提高，黏土矿物>30%时，各向异性加速上升，而且与Haynesville、Barnett、Eagle Ford等页岩总体变化趋势较吻合[36,37]。Qin等[38]以成熟期Bakken页岩为例，通过设置假设条件和数学模型，计算有机质丰度和成熟程度对岩石物理弹性参数如声波速度、纵横波速比和各向异性的影响。结果说明，各向异性参数值伴随有机质丰度和成熟度提高而增大;页岩有机质丰度较高时(VTOC>25%)，成熟度增加，储层Vp/Vs值降低，各向异性大幅增强；有机质丰度相对较低时（VTOC<25%），TOC大小主要控制了页岩各向异性参数ε强弱，此时富有机质页岩沉积环境、物源供给可能强烈地约束了ε原始背景值。 从理论上讲，有机质—黏土矿物絮凝物沉积于较弱

图6     Thomsen参数ε与页岩成熟度关系(a)，页岩黏土含量与Thomsen参数ε和γ交会图(b)、(c)
Fig.6     Thomson parameter ε variation across thermal maturity(a),Plots of Thomson parameters(ε,γ)versus the clay content(b)、(c)

的水动力条件，成岩压实作用使黏土矿物和低密度有机质等塑性物质逐渐失水，并顺层定向排列，形成大量纹层结构，导 致页岩固有的各向异性逐渐增强。进入大量生烃阶段，岩石内部增压，产生微裂缝，同时干酪根缩聚，发育干酪根孔隙、固体沥青/焦沥青孔隙，有机物质逐渐离散分布，使富有机质页岩纵横波速度、纵横波速比以及各向异性产生非线性变化。 总之，富有机质页岩各向异性属性受多种因素控制，如沉积时水动力条件与物质来源、成岩作用强弱、成熟过程中温度和压力引起的有机物质组成和结构变化，应力作用产生的天然裂缝包括微裂缝等，它们在不同的尺度施加影响。至于从哪个角度描述富有机质页岩各向异性，取决于研究目的和需要解决的问题。若要了解中国南方下古生界富有机质页岩储层整体特性，除了关注成熟度效应，也不能忽视其他方面因素。

3 结论

(1)页岩有机质孔隙包括干酪根孔隙、固体沥青/焦沥青孔隙，通过岩石矿物学特征和成岩作用研究，有助于其识别，获取有关页岩孔隙，包括微裂缝的成因和形成时期方面信息。矿物基质孔隙、微裂缝与有机质孔隙是一个有机整体，不是彼此完全孤立的。有机质显微组成、热成熟度以及源内流体运移通道共同制约了页岩有机质孔隙分布规模和演化特征，影响有机质丰度与储层孔隙度的相关性。 (2)与北美多数页岩油气储层相比，高过成熟是我国南方下古生界海相富有机质页岩储层的重要特征之一。在其热演化路径上，原油、湿气裂解为热稳定产物甲烷的反应逐步占据主导地位，形成大量固体沥青孔隙，页岩气碳同位素进入完全反转区，孔隙表面经历了水润湿—油润湿—水润湿的动态转变，储层电阻率发生先上升后下降的逆转现象，岩石各向异性参数亦非线性波动，显示出中国南方下古生界高过成熟页岩储层可能的演化特征，说明二者之间存在本质上的联系和变化规律，不能简单认为高过成熟度就是制约我国南方下古生界页岩气勘探开发获得突破性进展的主导因素，复杂地质背景才是关键，应从含油气系统和古今应力场等方面进一步厘定。勘探开发实践已证实这一点，四川盆地龙马溪页岩便是典型代表。

致谢:感谢德克萨斯州奥斯汀分校协助提供Eagle Ford和Barnett样品、Jack Breig关于富有机质页岩润湿性以及开采潜力等方面的独到见解和交流！

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