泥岩成岩作用研究进展与展望

赵建华1,2，金之钧3,4

1. 深层油气重点实验室，山东青岛 266580

2. 中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580

3. 北京大学能源研究院，北京 100871

4. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100083

导读

泥岩成岩作用研究在页岩油气革命的推动下取得了一系列重要进展，已成为沉积学和石油地质学研究的一个前缘领域。泥岩成岩作用不仅控制着油气的生成和运移，同时对物质组成、微观结构、储层物性和力学性质都具有重要影响。笔者紧紧围绕这一领域，阐述了国内外相关研究现状，展望了未来的发展趋势。该研究不仅是完善补充了非常规油气沉积学的研究内容，更对我国非常规油气成岩作用的研究具有指导意义。

页岩油气革命深刻地改变着油气勘探理念，泥岩成岩作用研究在页岩油气革命的推动下取得了一系列重要进展，成为了沉积学和石油地质学研究的一个前缘领域。泥岩成岩作用不仅控制着油气的生成和运移，同时对物质组成、微观结构、储层物性和力学性质都具有重要影响。然而，与砂岩和碳酸盐岩相比，泥岩粒度小，观察难度大，同时受微观实验条件的限制，其沉积和成岩作用是沉积学界乃至于地质学界研究薄弱领域。值得指出的是，越来越多的研究表明，简单地套用经典的成岩模式已经困扰了泥岩成岩作用的深入研究，也难以解释不断深入研究和勘探实践所遇到的各种地质现象。因此，系统总结泥岩成岩作用研究成果，明确泥岩成岩过程中有机和无机组分演化过程和驱动机制，对于补充完善盆地成岩作用系统具有重要意义，并继续为非常规油气资源的勘探和开发提供理论支撑。

脆性矿物控制着岩石的可压裂性，是页岩油气能否商业开发的关键。研究发现，典型的页岩油气储层内黏土矿物并不是主要矿物类型，而是以石英、长石及碳酸盐矿物及其混合为主导。随着分析技术的进步，矿物微观结构、来源和成因机制的研究逐渐成为泥岩成岩作用研究的热点。泥岩成岩作用类型多样，同时涉及到有机质的成岩演化，导致成岩作用的研究异常复杂，依旧存在诸多未解决的谜题。随着现代微束技术的进步，特别是纳米粒子探针分析技术在显著提高空间分辨能力的同时，兼具高的分析精度，有望在揭示泥岩成岩过程中矿物的演化机制中发挥重要作用。

有机质的热演化和烃类的形成被认为是控制富有机质页岩孔隙度形成和演化的主要因素，但是有机质成熟度和孔隙度之间并不是一个简单的线性关系。有机质的含量及其与矿物骨架之间的配置关系也是影响有机质孔隙发育的重要因素，当脆性矿物骨架能够为有机质提供坚固的支撑条件，降低有机质的压实程度，有利于有机质孔的发育（图1）；与黏土矿物结合形成的有机黏土复合结构，受黏土矿物催化作用的影响，有机质孔通常较为发育。随着成岩演化和有机质的成熟，有机质孔隙演化机制和控制作用的研究仍是一项富有挑战性的工作。

图1 硅质页岩成岩演化及其孔隙发育模式

成岩作用的驱动机制及其演化路径是成岩作用研究最重要的理论基础和永恒的主题。泥岩成岩作用受物理、化学和生物因素演变的制约，成岩作用驱动机制受实际地质条件与复合因素的叠加影响而复杂多变。泥岩成岩作用的驱动机制及其物性响应的研究不仅在完善成岩理论方面具有意义，在指导页岩油气勘探开发上同样具有重要的实践价值。受控于复杂的实际地质条件，特别是中期和晚期成岩作用阶段物质的传输过程及其传输机制研究的限制，成岩作用的驱动机制和演化路径研究相对薄弱，成岩作用对泥岩孔隙演化的控制机制异常复杂，相关研究仍然是该领域学科发展的主流。

成岩作用（压实、胶结、重结晶等）导致的岩石微观结构的差异，涉及到颗粒和孔隙的再排列，从而导致泥岩脆性矿物的含量（脆性指数）与岩石的力学性质参数（杨氏模量和泊松比）并没有非常好的相关性。研究表明，陆源石英和成岩过程中黏土矿物转化形成的石英对泥岩脆性的贡献有限，而早成岩作用阶段生物成因的石英胶结极大地提高了泥岩的脆性。值得注意的是，成岩演化过程不仅仅是单方向的增加岩石的脆性，沉积盆地中泥页岩的脆性和延性随着压力和温度条件的变化可以相互转化。岩石在发生脆延转化时是多方面因素共同作用的结果，除压力外岩石的力学性质、流动特性、岩石的物理性质，特别是成岩演化过程中岩石微观结构的变化等对岩石脆延特性转化都具有重要的影响，岩石脆延特性转化的机理的研究仍然薄弱的一个环节。

泥岩成岩作用是当今非常规油气沉积学研究的一个涉及多学科交叉的前沿研究领域。高新技术的不断发展、研究尺度的不断精细和新资料的不断获取，为这一领域的研究奠定了重要基础。多场耦合下不同尺度有机-无机相互作用影响下泥岩成岩作用驱动机制和流体岩石相互作用效应研究预示了深远和广泛的发展前景。

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论文相关信息

第一作者：赵建华博士，中国石油大学(华东)副教授，主要从事非常规油气地质学，E-mail: zhaojh@upc.edu.cn

基金资助：国家自然科学基金项目（41802141）；山东省自然科学基金项目（ZR2019QD009）

DOI：10.14027/j.issn.1000-0550.2020.133

引用格式：赵建华,金之钧.泥岩成岩作用研究进展与展望[J/OL].沉积学报：1-25[2021-01-07]. https://doi.org/10.14027/j.issn.1000-0550.2020.133