碎屑颗粒含量与泥页岩孔隙分布关系的概念模型<br/>——以黔西北志留系龙马溪组为例

碎屑颗粒含量与泥页岩孔隙分布关系的概念模型
——以黔西北志留系龙马溪组为例

2018-10-08禚喜准闫清涣张姣姣张林炎陈骁帅马立成

沉积学报 2018年5期

禚喜准，闫清涣，张姣姣，张林炎，陈骁帅，马立成

1.辽宁工程技术大学地质系，辽宁阜新 123000 2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081

0 引言

泥页岩主要发育微米至纳米级孔隙，通常表现为低孔、低渗的特征[1]，然而勘探实践表明，获得突破的页岩气区块多为孔隙和裂隙较为发育的储层“甜点”[2-3]，那么“甜点”储层在矿物组成和结构上，有何特征？与围岩有何相似性和差异性？开展泥页岩孔隙的类型和形成机理研究，可以为泥页岩非常规油气的目标区优选提供指导。

泥页岩本身的矿物成分、相对含量以及排列样式千差万别，如果泥页岩的组构特征不能简化成一种适用性强的模型，大量数据将处于一种无尽扩展但无法定义的纠结状态，因而很多学者探讨了组分类型、含量与孔隙发育特征的关系。其中，Schieber[4]将泥页岩的孔隙类型划分出三种最常见的孔隙，即层状硅酸盐骨架孔隙、碳酸盐溶蚀孔隙和有机质孔隙，其中层状硅酸盐骨架孔隙是储层中最普遍的孔隙类型，大小介于5～1 000 nm，孔隙数量与黏土矿物含量具有正相关性。Slattetal.[5]依据孔隙与矿物组分的关系，划分为黏土矿物絮状物孔隙、有机质孔隙、粪球粒孔隙、化石骨架孔隙和黄铁矿晶间孔隙，认为黏土矿物絮状物孔隙占主体；Loucksetal.[6]依据基质与孔隙的关系，划分出粒间孔隙、粒内孔隙和有机质孔隙等三种类型，前两种与矿物基质有关，第三种与有机质有关。此外，部分学者分析了矿物相对含量对孔隙发育程度的影响，蒲泊伶等[7]在川南龙马溪组泥页岩中发现，富含黏土矿物泥页岩的总孔隙度比富含硅质的泥页岩大，在化学组成上表现为Si/Al比与泥页岩总孔隙度呈负相关，可能由黏土矿物中发育的开放性孔隙导致。武景淑等[8]从矿物成分与泥页岩孔隙体积的关系得出，黏土矿物含量与微孔、中孔体积具有正相关性，而宏孔体积随石英含量的增加而增大，但未解释宏孔的分布位置和发育机理。

上述研究主要从相关性统计的角度，分析了矿物含量与孔隙度的关系，但孔隙的发育不仅受控于岩石的物质成分和结构特征，与颗粒的排列特征也密切相关，因而从结构—成因角度来探讨颗粒含量和排列方式对泥页岩孔隙发育特征的影响，将增进我们对泥页岩孔隙成因类型与分布特征的理解，有助于建立泥页岩的孔隙演化模型，从而更好的进行储层质量预测。本文通过岩石薄片和扫描电镜分析，建立泥页岩孔隙结构的概念模型，结合数值模拟方法，探讨颗粒含量对泥页岩孔隙分布的影响。

1 研究区地质概况

黔西北地区位于上扬子地台东南部，主体构造受控于黔中隆起，地层分布和沉积相展布受控于构造和沉积分异作用。晚奥陶世—早志留世，都匀运动最为强烈[9]，由于华夏板块向北西的推挤作用，使上扬子地台呈两隆一坳NE—EW向构造格局，龙马溪组地层分布和厚度受川中隆起和黔中隆起两大古隆起的控制(图1a)，因此只在毕节—遵义—湄潭—铜仁以北，连续沉积了龙马溪组的地层，而黔中、黔南地区均为古陆剥蚀区，普遍缺失中奥陶统—下志留统的地层(图1a)[10]。本文研究点位于黔西北桐梓县仙源镇西北，204县道处的下志留统龙马溪组剖面下部(图1b)，垂向沉积序列如图1c所示，岩性为黑色含笔石炭质泥页岩。

2 泥页岩主要组分类型、排列特征与孔隙结构的概念模型

2.1 泥页岩主要组分与结构类型

泥页岩作为一种低能环境下的细粒沉积岩，其矿物组成主要由碎屑颗粒(石英、长石和白云母等)、黏土矿物、有机质、黄铁矿、方解石、白云石等矿物共生组合组成[11-12]。泥页岩中黄铁矿和有机质含量通常较低，在岩石中为次要组分(图2)，大量前人的测试数据也表明黄铁矿含量介于0%～12%[13-17]，暗色泥页岩的有机质平均含量为1%～5%[18-25]。

本文针对黔西北志留系龙马溪组底部黑色泥页岩的薄片分析发现，该区泥页岩矿物组成主要为陆源碎屑和黏土矿物，含有少量的有机质和黄铁矿。同一层位的湘西龙山县剖面，泥页岩的沉积环境、矿物组成和结构也具有类似特征，而且全岩XRD矿物成分分析显示(图2)，泥页岩中石英平均含量为30.7%，长石和云母平均含量约为10.13%，黏土矿物平均含量约为57.8%，有机质平均含量约为1.3%，个别样品中检验出的黄铁矿约占1%，没有检测到碳酸盐矿物，印证了我国南方志留系龙马溪组的海相泥页岩以黏土矿物与碎屑颗粒为主体。然而，泥页岩中颗粒的含量和排列样式却千差万别。根据岩石薄片中颗粒与黏土矿物的空间分布和排列方式，将其划分为两种结构类型：一是颗粒分散状泥页岩，碎屑颗粒离散分布(图3a，b)，黏土矿物以杂基形式充填粒间(图3c)；二是纹层状泥页岩，颗粒纹层状分布(图3a1，b1)，即黏土矿物暗色纹层与碎屑颗粒浅色纹层互层分布(图3c1)。鉴于泥页岩中黄铁矿、有机质等组分含量较低，为了定量分析碎屑颗粒含量对孔隙分布的影响，本次研究假定泥页岩的概念模型只含碎屑颗粒与黏土矿物两种结构组分，体积一定，碎屑颗粒粒径相同且表面光滑。依据这两类泥页岩的孔隙类型与分布特征，分别作出了岩石结构与孔隙分布的概念模型。

图1 a.黔西北岩相古地理图；b.黔西北桐梓县地质图及采样点；c.龙马溪组垂向沉积序列Fig.1 a. Lithofacies palaeogeographic map of Northwest Guizhou; b. geological map and sampling points of Tongzi county, Northwest Guizhou; c. vertical sedimentary sequence of Longmaxi Formation

图2 龙马溪组泥页岩矿物成分及含量Fig.2 Mineral compositions and contents of the Longmaxi Formation shale

2.2 颗粒分散状泥页岩切面模型与孔隙分布

颗粒分散状泥页岩为杂基支撑，所含的石英、长石等陆源碎屑颗粒呈“漂浮”状分布于泥质沉积物中，由于碎屑颗粒彼此不接触，难以形成有效的粒间孔隙。作为基质的黏土矿物是一种孔喉细小的多孔介质，因而此类泥页岩的孔隙类型主要是黏土矿物微孔隙。

有学者统计了不同黏土矿物含量(37%～70%)的泥页岩孔隙度变化特征，认为随着黏土矿物含量的增加，孔隙度有增大的趋势(从20%增加至24%)[26]。这一变化特征，可以用颗粒分散状泥页岩的模型得到较好的解释，由于石英颗粒本身为晶体矿物，孔隙度几乎为零，因而离散分布的石英颗粒增多会使泥页岩的总孔隙度减小；而黏土矿物发育晶间孔隙，随着黏土矿物含量的增加，孔隙逐渐增多。在渗透率方面，黏土矿物具有一定的渗透性，其渗透率介于(2×10-22～2×10-16) m2 [26]，而石英颗粒几乎无渗透性，所以分散状石英颗粒的增多将导致介质中非渗透单元增多(图3b，c)，降低泥页岩的渗透能力，不利于形成良好的储层。

2.3 纹层状泥页岩切面模型与孔隙分布

与颗粒分散状泥页岩相比，纹层状泥页岩亮色与暗色条带互层分布，其中亮色条带为砂质纹层，暗色条带为富含有机质的黏土矿物纹层(图3a1)。该类泥页岩粒间孔与黏土矿物微孔隙都比较发育。亮色砂质条带一般为颗粒支撑结构，能够形成较多的粒间孔隙。

图3 颗粒分散状泥页岩与纹层状泥页岩显微特征与概念模型a，b，c.颗粒分散状泥页岩；a. 40×，PPL，可见亮色碎屑颗粒分散分布于暗色黏土矿物中；b. 1000×，SEM，分散状碎屑颗粒被层状黏土矿物包裹；c.颗粒分散状泥页岩概念模型，颗粒分散分布于黏土矿物中；a1，b1，c1.纹层状泥页岩；a1. 40×，PPL，亮色条带为砂质纹层，暗色条带为黏土矿物纹层，二者互层分布；b1. 1200×，SEM，可见亮色砂质纹层与暗色黏土矿物纹层；c1. 纹层状泥页岩概念模型，砂质纹层与黏土矿物纹层互层分布，碎屑颗粒间发育粒间孔隙Fig.3 The microscopic characteristics and conceptual model of granular dispersed shale and laminated shale

压实模拟实验统计分析表明，在埋藏压实过程中，砂质纹层的颗粒接触方式将从点接触逐渐向线接触或凹凸接触方向演化，但仍会保存一定量的粒间孔隙，其孔径分布于30～140 μm[27]，孔隙度介于10%～30%[28]，是游离气的有效储集空间。在渗透性方面，砂质纹层的孔隙连通性较好，渗透率介于(10-15～10-14) m2 [29]，有利于烃类的运聚。黏土矿物纹层主要发育层间孔隙，该类孔隙喉道细小，以纳米级微孔隙为主，经历强烈压实作用之后，孔隙度最低可达5%以下[30]，渗透率介于(2×10-22～2×10-16) m2。

不同深度泥页岩孔隙结构的统计分析也表明，浅埋藏泥质沉积物孔隙形态多样，连通性较好，随着埋深的增加，孔隙大量减少，塑性矿物会堵塞粒间孔隙和喉道，以黏土矿物线状微孔隙为主，孔径在50 nm至几微米之间[6]。因此，埋藏深度较大的泥页岩中，黏土矿物纹层大量发育有利于页岩气的储集。

由此可见，深埋藏后的纹层状泥页岩中，亮色砂质条带渗流能力远大于暗色黏土矿物条带，二者交互分布亦导致水平渗透率远大于垂向渗透率。

3 碎屑颗粒含量变化对泥页岩孔隙分布的影响

泥页岩中石英、长石等碎屑颗粒的孔隙度几乎为0，而黏土基质的孔隙度却随着埋深增大而逐渐降低。以大量统计数据为基础的泥页岩压实曲线表明，在埋深0～1 000 m、1 000～2 000 m、2 000～3 500 m、3 500～5 000 m范围内，泥页岩孔隙度分别介于12%～80%、3%～55%、4%～32%、3%～18%，普遍分布在30%～50%、15%～30%、10%～18%、5%～12%[31]。正常地温梯度下，当埋深达到2 000 m时，富含有机质的泥页岩才会进入生烃门限[32]。在埋深大于3 500 m时，将进入大量生气阶段[33]，这时泥页岩气烃源岩的Ro一般大于1.4%[19]，反映在压实曲线上，此阶段孔隙度平均约为8%[31]。因此，为探讨碎屑颗粒含量变化对两种结构不同的泥页岩孔隙度的影响，本研究将黏土基质的孔隙度(Φclay)假定为8%。

3.1 颗粒离散状泥页岩孔隙度与碎屑颗粒含量的负相关性

当泥页岩中的碎屑颗粒含量为0时，其孔隙度等同于黏土基质的孔隙度。随着水动力条件的逐渐增强，颗粒含量增加，泥页岩孔隙度将逐渐降低。当石英颗粒含量为10%时(图4a)，颗粒间充填黏土矿物，此时泥页岩孔隙主要为黏土矿物微孔隙，孔隙度为7.2%；颗粒含量达到20%(图4b)，泥页岩仍以黏土矿物微孔隙为主，孔隙度为6.4%。若假设颗粒以立方体堆积，则在颗粒含量低于52.4%时，碎屑颗粒难以接触，无法形成粒间孔隙，孔隙类型主要为黏土矿物微孔隙。由此可见，当泥页岩中黏土基质占主体时，碎屑颗粒百分含量(X)与泥页岩孔隙度(Φmud)具有明显的线性负相关关系(见公式1)，即随着颗粒含量的增加，泥页岩的孔隙度逐渐减小(图5a)。当碎屑颗粒达到立方体堆积时，杂基含量最高为47.6%[34](图4c～f)，随着水动力条件的增强，杂基含量逐渐降低，粒间孔隙逐渐发育，岩石孔隙度逐渐增大。因而，在形成粒间孔隙之前，泥页岩孔隙度会降低到一个最小值，即当颗粒含量达到52.4%时，粒间全部为黏土矿物充填，仅发育黏土矿物微孔隙(图4c)，岩石孔隙度处于最小值。

Φmud=(1-X)×Φclay

(1)

经过上述临界状态后，当颗粒含量高于52.4%时，按照国内的碎屑岩类型划分标准，实际上已经属于粉砂岩范畴。假如黏土基质含量进一步降低，岩石的碎屑颗粒之间开始逐渐发育粒间孔隙(图4d，e，f)，这时石英颗粒百分含量(X)与泥页岩孔隙度(Φmud)具有明显的线性正相关关系(见公式2)，即随着颗粒含量的增加，泥页岩的孔隙度逐渐增大。随着沉积环境水动力条件的增强，黏土矿物含量减少到一定程度，最终会发展为杂基含量很低的净砂岩沉积。当石英、长石等陆源碎屑颗粒之间无泥质充填时，粒间孔隙最为发育(图4f)，岩石孔隙度达到最大值。此时，如果碎屑颗粒为立方体堆积，孔隙度最大值为47.6%；若碎屑颗粒为菱面体堆积，孔隙度为26%。当然，自然界中常见的碎屑颗粒堆积方式为立方体和菱面体堆积的过渡类型，因而孔隙度的最大值往往介于26%～47.6%之间(图5a)。

Φmud=Φclay×(1-X)+(47.6%- 1+X)

(2)

其中X代表碎屑颗粒百分含量，Φclay×(1-X)代表黏土矿物孔隙度，(47.6%-1+X)代表碎屑颗粒粒间孔隙度。

总之，颗粒分散状泥页岩当黏土基质的孔隙度为8%时，最小孔隙度介于2.08%～3.808%，最大孔隙度介于26%～47.6%。随石英颗粒含量的增加，孔隙度呈先减小后增加的趋势(图5a)。

3.2 纹层状泥页岩孔隙度与碎屑颗粒含量的正相关性

随着碎屑颗粒含量的增加，纹层状泥页岩表现为砂质条带的增加。由于纹层状泥页岩中砂质条带为颗粒支撑，发育粒间孔隙，黏土矿物纹层发育黏土矿物微孔隙，因而泥页岩总孔隙度为二者之和。假定泥页岩中砂质条带的杂基含量为0，碎屑颗粒为立方体堆积时，孔隙度为47.6%，黏土矿物纹层的孔隙度为8%。随着碎屑颗粒含量逐渐增多，泥页岩的孔隙变化情况如下：

图4 不同水动力条件下颗粒分散状泥页岩石英含量变化与孔隙演化(a～f水动力条件依次增强)a.石英含量10%，孔隙度为7.2%；b.石英含量20%，孔隙度为6.4%；c.石英含量52.4%，孔隙度为3.808%；d.石英含量70%，孔隙度为20%；e.石英含量90%，孔隙度为38.4%；f.石英含量100%，孔隙度为47.6%Fig.4 The variation of quartz contents and porosity of granular dispersed shale under different hydrodynamic conditions(a-f water dynamic conditions are enhanced)

图5 碎屑颗粒含量与孔隙度的关系a.颗粒分散状泥页岩孔隙度随碎屑颗粒含量变化图，其中正方形标注的上部曲线代表碎屑颗粒以立方体堆积时泥页岩孔隙度的变化情况：泥页岩初始孔隙度为8%，随着颗粒含量的增加，孔隙度逐渐减小，在颗粒含量为52.4%时，孔隙度最小，为3.808%，之后随着颗粒含量的增加，泥页岩中发育粒间孔隙，孔隙度快速增大，最大值为47.6%；菱形标注的下部曲线代表颗粒以菱面体堆积时泥页岩孔隙度的变化，总体趋势与立方体堆积一致，只是在颗粒含量为76%时孔隙度有最小值，为2.08%，随后孔隙度逐渐增大，最大值为26%；两条曲线下降段的重合部分，即碎屑含量小于52.4%的部分与两条曲线之间的区域(充填部分)代表颗粒介于立方体堆积与菱面体堆积时泥页岩孔隙度的变化情况，可近似认为是自然界中颗粒以非理想状态堆积时泥页岩孔隙度的演化；b.纹层状泥页岩孔隙度随碎屑颗粒含量变化图，其中正方形标注的上部曲线为颗粒以立方体堆积，随着颗粒含量的增加，泥页岩孔隙度由初始8%逐渐增加，最大值为47.6%；菱形标注的下部曲线代表颗粒以菱面体堆积，泥页岩孔隙度由初始8%逐渐增加，最大值为26%；两条曲线之间的区域(充填部分)代表颗粒介于立方体堆积与菱面体堆积时泥页岩孔隙度的变化情况，可近似认为是自然界中颗粒以非理想状态堆积时纹层状泥页岩孔隙度的演化趋势Fig.5 The correlation between content of clastic particles and porosity

当碎屑颗粒含量为20%(图6a)时，岩石发育砂质粒间孔隙与黏土矿物微孔隙，孔隙度为15.92%；颗粒含量增加至40%(图6b)，全岩的孔隙度为23.84%；可见，随着水动力的逐渐增强，砂质含量逐渐增加，这时碎屑颗粒百分含量(X)，与泥页岩孔隙度(Φmud)具有明显的线性正相关关系，即随着颗粒含量的增加，孔隙度逐渐增大：

Φmud=47.6%·X+Φclay×(1-X)=Φclay+(47.6%-Φclay)×X

(3)

其中(47.6%·X)代表砂质条带粒间孔隙度，Φclay×(1-X)代表黏土矿物孔隙度。

随着水动力条件继续增强，黏土矿物含量逐渐降低，最终发展为黏土纹层含量极少的净砂岩沉积，这时粒间孔隙最为发育(图6c)，孔隙度达到最大值，也就是前述颗粒分散状泥页岩中颗粒含量高于52.4%，向净砂岩转变的情况。此时，假如颗粒为立方体堆积，孔隙度最大值为47.6%，如果碎屑颗粒为菱面体堆积，孔隙度最大值为26%。所以，随着颗粒含量的增加，粒间孔隙逐渐增多，全岩总孔隙度将线性增加(图5b)。

4 讨论

泥页岩作为烃源岩和盖层，其物性特征和力学性质很早就引起了地质学家的注意，Selley根据许多盆地中泥页岩的孔隙度数据，编制了孔隙度与埋深关系散点图，发现埋深500 m以内地层的孔隙度衰减迅速，而大于500 m地层的孔隙度衰减速率逐渐变小[35]，但这些演化关系主要基于宏观的孔渗数据，未深入分析孔隙类型和分布特征随埋深的变化规律。例如小于500 m的浅层泥页岩以什么孔隙类型为主，而500 m向3 000 m埋深的转化过程中，孔隙类型与结构发生了什么变化？大于3 000 m埋深的泥页岩又将以什么孔隙类型为主？此类问题都与泥页岩本身的矿物组成和空间排列有关，要想探讨泥页岩孔隙发育的控制机理，首先得考虑泥页岩的主要组分类型、含量、排列方式，弄清各种孔隙类型赋存于碎屑颗粒之间，还是黏土矿物或有机物内部。

4.1 主要组分对孔隙发育程度的影响

本研究以及前人的大量数据普遍显示，黑色泥页岩的主要组分为碎屑颗粒和黏土矿物基质，二者含量通常大于90%；有机质、生物碎屑和黄铁矿为次要组分，各自含量一般小于5%。其中，川东南、黔西北、湘西北等地区龙马溪组的黑色泥页岩以纹层状为主，薄片分析和全岩X衍射分析发现石英、长石等碎屑颗粒含量一般大于30%，个别样品甚至大于80%，与郭秋麟等在四川等成功区块的矿物成分数据基本一致[36]。概念模型的数值分析表明，泥页岩的粒间孔隙发育程度与碎屑颗粒含量及其排列方式有关：当泥页岩为颗粒分散状，颗粒含量较低时，粒间孔并不发育(图4a，b，c)；纹层状泥页岩的粒间孔主要分布于砂质纹层内，与纹层的多少有关(图6)。

4.2 次要组分孔隙的尺度效应

泥页岩的组分内孔隙，如有机质孔隙、化石组分内孔隙和黄铁矿粒内孔(图7e，f)与赋存介质的微观结构和相对含量有关。统计分析也证实，泥页岩的有机质含量和类型将影响泥页岩的孔隙度衰减趋势[36]。由于泥页岩本身非均质性强，即使同一位置的泥页岩在微观结构和成分上也难以保持一致，而且埋藏史和热史等多种因素都会影响孔隙演化，最终导致分析碎屑颗粒含量与孔隙度关系的过程中不容易剔除碎屑颗粒排列样式、有机质含量等影响因素。

图6 不同水动力条件下纹层状泥页岩石英含量变化与孔隙发育特征(a～c.水动力条件依次增强)a.石英含量20%，孔隙度为15.92%；b.石英含量40%，孔隙度为23.84%；c.石英含量60%，孔隙度为31.76%Fig.6 The change of quartz contents and the developed features of porosity of laminated shale under different hydrodynamic condition(a-c. water dynamic conditions are enhanced)

图7 黔北地区志留系龙马溪组孔隙结构特征a. SEM1200× 泥页岩的粒间孔隙顺层分布，粒间孔发育，多为宏孔隙，占孔隙的主体；b. SEM250× 泥页岩的粒间孔隙顺层分布，粒间孔发育，多为宏孔隙，占孔隙的主体；c. SEM20000× 泥页岩内部石英颗粒支撑形成的粒间孔隙，孔隙直径约为2 μm；d. SEM6000× 泥页岩内遮蔽成因的粒间孔隙顺层分布，孔隙直径约为5 μm；e. SEM30000× 泥页岩的黄铁矿组分内的粒内孔，孔隙直径小于1 μm，孤立状,仅局部发育；f. SEM12000× 泥页岩的化石组分内的粒内孔，孔隙直径小于1 μm，孤立状,仅局部发育Fig.7 The typical pore characteristics of shale of Longmaxi Fm. in North Guizhou Province

扫描电镜分析显示，黔西北地区泥页岩储层的孔隙分布，具有明显的尺度效应，跟放大倍数有关。其中，粒间孔在小于500倍的视域下就能观察到，呈顺层分布，且较为发育(图7a，b)；而其他孔隙类型诸如有机质孔、化石组分内孔隙和黄铁矿粒内孔在小于500倍的视域下难以识别，只能在大于10 000的高倍率下才能观察到(图7e，f、图8b，g，h)。由于此类孔隙与有机质、黄铁矿等组分的含量密切相关，但含量却一般低于5%，所以在空间上是零星分布，仅发育于岩石的局部区域(图8e，f)。尽管在扫描电镜高倍率的视域下，观察到了有机质或黄铁矿等组分内微孔隙，甚至局部面孔率高达25%以上(图8i)，但这一视域仅仅代表这些孤立的组分本身，并不能代表全岩的孔隙分布特征(图8c，i)。

关于有机质孔隙，有研究认为其发育状况与泥页岩中有机质丰度及热演化程度有关[37]。有机质到达一定成熟度(Ro>1.23%)时，干酪根中会发育大量纳米级孔隙；而Ro<1.0%时，干酪根中没有纳米级孔隙形成。但仅根据热演化程度预测孔隙演化并不充分，有机显微组分类型和复杂的孔隙演化过程也会影响有机质的孔隙发育[38]。Jarvieetal.[19]认为干酪根向油气的热转化可产生富含碳的残余物(CR)并提高岩石的基质孔隙度，有机质含量为6.41%的页岩在生烃演化过程中随着热成熟度由0.55%增高到1.4%，页岩的体积孔隙度增加到4.3%，但页岩孔隙度的增大是否受控于有机质的热演化？近年来，许多学者认为有机质孔对泥页岩孔隙度起到主导作用[39-40]。由于气体法测量泥页岩的孔隙度过程中，只有连通的微孔隙才有效，而孤立的孔隙难以测量，从图8b可以看出这些纳米级的有机质微孔隙连通性较差，所以不容易推断实测的孔隙度数据是否囊括了有机质组分的纳米孔，自然也就很难判定有机质含量和成熟度对页岩孔隙度的影响。

聂海宽等根据扫描电镜下的面孔率数据，认为有机质孔隙约占有机质颗粒体积的20%左右[23]。王玉满等[41]曾应用孔隙度数学模型对长芯1井五峰—龙马溪组富有机质页岩段进行了孔隙度测算，结果显示富有机质页岩的总孔隙度平均为5.4%，其中有机质孔隙约占总孔隙的24.9%，即有机质孔隙仅占泥页岩体积的1.35%。针对这一问题，本研究收集了川东南、渝东南地区共545块样品的TOC含量数据，统计表明川东南的TOC含量为0.14%～8.36%，平均值为2.64%，而渝东南地区的TOC含量为0.2%～5.4%，平均值为1.86%(图9)。这些样品有机质组分的面孔率一般小于25%(图8c)，假设其全部为有效的连通孔隙，也仅占泥页岩体积的0.66%、0.47%。由此可见，即使有机质孔隙对泥页岩总孔隙度有改善作用，但因其在页岩内部不占主体，对孔隙度的贡献并没有起到主导作用。鉴于泥页岩孔隙演化的复杂性以及有机质和黄铁矿含量的次要性(小于5%)，本文基于最简单的数值模型，单因素分析碎屑颗粒含量对孔隙分布的影响，暂不考虑有机质和黄铁矿的影响。

图8 泥页岩中不同组分的相对含量和观察时的不同放大尺度a.有机质、黄铁矿尺度效应抽象简图；b. SEM20000× 孤立分散状的有机质发育微小的组分内孔隙；c. b的素描图，显示有机质本身的面孔率小于20%，且孔隙连通性差；d. ×100，XPL，纹层状泥页岩，含有较多的碎屑颗粒和黏土矿物，局部见分散状的莓球状黄铁矿与有机质；e. ×100，RL，纹层状泥页岩，含有较多的碎屑颗粒和黏土矿物，局部见分散状的莓球状黄铁矿与有机质；f. b的素描图，纹层状泥页岩，含有较多的碎屑颗粒和黏土矿物，局部见分散状的莓球状黄铁矿与有机质；g. SEM30000× 泥页岩的黄铁矿组分内的粒内孔，孔隙直径小于1 μm，孤立状，仅局部发育；h. BSE30000× 泥页岩的黄铁矿组分内的粒内孔，孔隙直径小于1 μm，孤立状，仅局部发育；i. h的素描图，蓝色的部分表示晶间孔Fig.8 The relative contents of different fabricas in shale mudstone and their magnification of observation

4.3 概念模型的简化与不足

基于黏土基质和球形碎屑颗粒的泥页岩概念模型，对于探讨宏孔隙和微孔隙的成因比较直观，其中宏孔隙主要与碎屑颗粒支撑形成的空隙有关，而黏土基质内部则以微孔隙为主。用等大的光滑球体代替形态各异的碎屑颗粒建立概念模型，便于数值模拟颗粒含量变化对孔隙度的影响。用等大的圆球来表达颗粒的排列和接触方式有助于简化颗粒堆积模型[36]，可以让我们更容易理解压实强度对颗粒排列方式、孔隙结构和孔隙度的影响。实际上，自然界中碎屑颗粒的磨圆与分选并非上述理想状态，颗粒表面的凹凸不平会引起岩石孔隙度的变化。因而数值模拟会存在一些不足之处，主要体现在泥页岩概念模型的三个假定条件上：

(1) 为了方便计算，假设两种模型均不含有有机质与黄铁矿。泥页岩储层中一般会含有少量有机质和黄铁矿，并且二者对岩石孔隙度有一定的影响。

(2) 假设碎屑颗粒为等大球形立方体堆积和菱面体堆积，而自然界中颗粒的堆积排列方式很复杂，常介于立方体堆积和菱面体堆积之间；而且强烈的压实作用，将会引起颗粒的变形和粒间孔隙的减缩，最终导致计算模拟得出的孔隙度值偏大。

图9 川东南、渝东南地区龙马溪组泥岩的TOC含量直方图a.川东南地区样本；b.渝东南地区样本Fig.9 Histogram of TOC contents of mudstone in Longmaxi Formation in southeastern Sichuan and southeastern Chongqing

(3) 假定纹层状泥页岩中的砂质纹层不含黏土基质，实际上自然界中的砂质纹层会含有一定量的黏土基质，这些基质将充填颗粒之间的空隙，因此这种假设也会导致孔隙度计算偏大。当然，砂质纹层的颗粒之间只要不为黏土充填，那么它们以立方体或菱面体堆积形成的粒间空隙，其孔喉半径和孔隙度将远大于黏土矿物内部的微孔隙。尽管该假设会导致孔隙度的模拟值偏大，但对探讨颗粒含量与孔隙度的相关性，仍具有普遍意义。

总之，基于概念模型来分析碎屑颗粒含量变化对泥页岩孔隙分布的影响，只能得出一种大致的规律，而这些抽象的模型是一种假定的理想状态，可能因为过于简化，与自然界中的孔隙分布模式不尽相同，如有机质和黄铁矿对泥页岩孔隙度的影响，需要根据岩石结构进一步具体分析。此外，如果在本研究的基础上开展泥页岩孔隙演化的物理模拟，系统观测压实过程中孔隙类型和孔隙结构的变化，将有助于加深理解泥页岩的孔隙发育机理。