中国南方下古生界海相页岩成熟度很高，且经历了后期强烈构造改造，成为有别于北美页岩的典型特征。在对比中国南方下古生界与美国页岩、中国南方下志留统与下寒武统页岩地质地球化学差异的基础上，通过对储集物性、保存条件、含气性等相关数据的综合研究,探讨了页岩气远景区的评价指标。提出等效镜质组反射率（EqRO）>3.5%的区域为页岩气高风险区,在EqRO值为2.0%～3.5%的范围内,保存条件是页岩含气性的主控因素。在此基础上，提出了抬升/褶皱区(四川盆地)及褶皱断裂区(四川盆地以外)下志留统与下寒武统页岩气远景区评价指标体系。认为：埋藏深度<1 500m的南方下古生界页岩不具备页岩气开发潜力；四川盆地下古生界页岩普遍存在流体超压，TOC>1.5%的下志留统页岩与TOC>2.0%的下寒武统页岩均具有页岩气潜力。在褶皱断裂区，预测深层页岩（下志留统>2 000m；下寒武统>2 500～3 000m）达到具经济开发价值的含气量限定值，将成为该类地区下一步重点勘探的领域。
地质历史中构造相对较稳定的扬子地台是中国最符合页岩气富集赋存的区域之一，但由于地台东西跨度较大，西部的上扬子区与东部的下扬子区构造背景差异明显，对页岩气的形成和保存有重要影响。对比分析了上扬子区与下扬子区古生代的沉积—构造演化过程，结合目前泥页岩的储层特征，认为上扬子区与下扬子区沉积构造演化过程较相似，都具有良好的页岩气形成条件；对比分析古生代以来上扬子区和下扬子区构造活动特征，认为上扬子区自中生代以来一直处于挤压构造背景中，有利于页岩气的保存，下扬子区印支期处于挤压构造环境，燕山期以来发生构造反转，处于伸展构造环境中，对页岩气的保存有重要破坏作用，因此上扬子区比下扬子区具有更大的页岩气勘探潜力。
页岩气储层存在从纳米尺度到宏观尺度的非均质性。采用多种实验数据，分析中上扬子地区筇竹寺组与龙马溪组页岩气储层孔隙结构与微观非均质性、孔隙演化规律及影响因素。研究认为，筇竹寺组与龙马溪组属良好页岩气发育层位，黑色页岩厚度一般分别大于100m和50m。筇竹寺组孔隙度、总孔容和孔比表面积等孔隙结构参数均低于龙马溪组，差异性较大。龙马溪组以微孔—过渡孔占绝对优势；孔隙结构参数变异系数及核磁共振弛豫时间T2特征均表明筇竹寺组非均质性更强；最利于储气的微孔不稳定，较少存在渗流型孔隙，各级孔隙间连通性弱；龙马溪组微孔稳定，具渗流型孔隙，连通性好。高成熟度利于有效孔隙形成，有机酸可促进溶蚀孔发育，机械压实作用造成粒内孔和粒间孔减少，黏土矿物通过自身形态转变和层间水排出影响孔隙。储层所受多期构造应力场相似，形成张性和剪性裂隙网，增加储集空间、连通性和渗透性；物质成分及其成岩演化是孔隙结构主要内因，也是孔隙演化本质，孔裂隙显著受TOC和石英等物质影响；TOC和石英含量与总孔容和孔比表面积呈正线性关系，黏土矿物含量与之呈负线性关系。
基于钻井资料、岩心样品实验数据，运用有机地球化学、有机岩石学和储层孔隙分析的多种实验方法，对川南地区下古生界筇竹寺组和龙马溪组2套页岩有机质特征、孔隙度、页岩气储层微观孔隙特征与孔隙结构进行了研究。结果表明，川南地区下古生界页岩有机碳含量较高(多数TOC＞2.0%)、热成熟度高(ROm=2.3%～3.8%)、孔隙度低(1.16%～6.87%)；筇竹寺组页岩有机碳含量和热成熟度高于龙马溪组页岩，而其孔隙度低于龙马溪组页岩；下古生界龙马溪组和筇竹寺组页岩存在粒间孔、溶蚀孔、晶间孔、粒内孔和有机质孔等多种孔隙类型；龙马溪组页岩中微米—纳米级孔隙较筇竹寺组页岩发育，常见有机质孔、粒间孔和粒内孔，是页岩气赋存的主要储集空间；下古生界页岩微观孔隙以微孔和介孔为主，宏孔较少，筇竹寺组页岩微孔+介孔孔容比例占总孔容的83.92%，龙马溪组页岩微孔+介孔孔容比例占总孔容的78.17 %，表明微孔和介孔是川南地区下古生界页岩气储层纳米级孔隙的主要贡献者。
通过调研分析前人研究结果与收集统计大量钻井及地球物理资料，探讨四川盆地膏盐岩层对页岩气保存的影响以及龙马溪组页岩气勘探潜力。结果表明：四川盆地下寒武统与三叠系膏盐岩滑脱层在构造变形中起重要的控制作用，是形成盆地内不同构造形态的主要因素，对四川盆地龙马溪组页岩气的保存有着重要作用。膏盐岩层有利于其下部地层异常压力的形成，对页岩气的成藏和保存有重要影响。膏盐岩层是影响四川盆地龙马溪组页岩气勘探前景的重要控住因素之一。综合考虑膏盐岩层分布,页岩埋藏深度,地层厚度与地球化学条件等因素，认为四川盆地龙马溪组页岩气勘探优选区域为自贡—宜宾区域、重庆—永川区域、涪陵区域。
渝东南地区是上扬子板块组成的重要部分，是未来中国页岩气勘探开发的重点区域。从有机质丰度、类型以及母质来源方面讨论了研究区寒武系牛蹄塘组页岩的生烃能力，整个剖面有机质丰度平均高达7.0%，有机质类型属于生油型的I型干酪根，生烃能力较好。但研究区页岩样品氯仿沥青“A”、生烃潜量(S1+S2)以及氢指数(IH)等生烃能力参数都极低，表明富有机质页岩生油高峰期生成的大量液态烃在高—过成熟阶段被消耗。利用真空破碎解析方法提取了页岩中的滞留气，解析气以甲烷为主。烷烃气体碳同位素呈正序分布特征，δ13C1平均值为-36.1‰，为典型的热成因气；δ13C2值分布在-39.6‰~-18.6‰之间，大部分接近或高于δ13Corg值。解析气地球化学特征进一步证实了研究区牛蹄塘组页岩气主要由液态烃在高温条件下裂解形成。
2012年11月28日JY1井龙马溪组页岩气层测试获得日产20.3×104m3高产页岩气流,宣告了涪陵页岩气田的发现,并于2014年7月10日向国家储量委员会提交了国内第一块页岩气探明地质储量。勘探开发实践证明,涪陵页岩气田储层为海相深水陆棚相优质泥页岩,厚度大,分布稳定,中间无夹层。气田具有气井产量高、气藏压力高、天然气组分好、试采效果好的特点,属于中深层、高压、优质天然气藏。通过区域沉积背景、岩性、微观孔隙结构、物性、气源、气藏特征、测井响应特征及气井生产特点等方面的综合研究,表明：①涪陵页岩气田龙马溪组属于深水陆棚静海沉积环境,富有机质泥页岩发育;②龙马溪组泥页岩热演化程度适中,纳米级有机质孔隙发育;③天然气源于龙马溪组自身的烃源岩母质;④涪陵龙马溪组页岩气藏具有与北美典型页岩气藏类似的地质特征和开发生产规律。从而较全面证实了涪陵龙马溪组页岩气田是典型的原地滞留、自生自储页岩气。
煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性能是煤层气/页岩气资源评价的关键参数之一。通过对晋城矿区寺河井田二叠系山西组3号煤层样和华南古生界下志留统龙马溪组页岩样进行低温液氮和甲烷等温吸附实验，剖析了高演化富有机质页岩和高煤阶煤中甲烷的吸附—扩散性能，建立了煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性模型，对比分析了煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性能的差异性和控制机理。结果表明，高演化富有机质页岩样和高煤阶煤样的孔容均主要由介孔和大孔贡献，比表面积主要由微孔和介孔贡献，且高演化富有机质页岩样纳米孔隙更发育，比表面积和孔容要大于煤样。高演化富有机质页岩和高煤阶煤中甲烷的吸附和扩散规律服从Langmuir方程，高演化富有机质页岩中甲烷吸附性能明显低于高煤阶煤，且随着高演化富有机质页岩TOC含量的增加而增高；但其对甲烷扩散性能要高于高煤阶煤一个数量级。高演化富有机质页岩样中孔隙多为开放型，而高阶煤基质孔隙多为半封闭型。对于半封闭型孔隙，强吸附质的溶入会改变吸附剂的大分子结构，其吸附与解吸过程不是可逆的，存在解吸滞后现象，导致高演化富有机质页岩与高煤阶煤中甲烷解吸—扩散过程与扩散—吸附过程中的扩散性能差异性。
以中上扬子地区早古生代2套含气页岩为研究目标，结合2套层位古生物发育特征与保存情况，并运用图像分析方法建立了笔石立体结构模型，定量对比分析了2套层位有机质孔隙结构特征。筇竹寺组炭质化石以藻类为主，受矿化影响明显，化石内部孔隙空间较大但相对孤立分布，且围岩致密，分散有机质内海绵状孔隙发育程度低于龙马溪组。龙马溪组保存了大量炭化笔石薄膜并沿层面发育，高TOC层段与高笔石丰度层段对应发育，导致气体有利赋存空间与岩石力学薄弱面直接相连；同时笔石体呈多层炭化薄膜保存，保留有一定的层间孔隙，通过笔石体立体模型的建立，表明笔石体内仍有一定的孔隙空间，沥青填充部分孔隙，对气体的保存起到积极影响。
为深入研究皖东南地区二叠系页岩储层微观特征及其储气能力，选取2口钻井岩心样品进行负离子抛光—场发射扫描电子显微镜、氮吸附/脱附实验、甲烷吸附能力测定以及相关地球化学分析。结果表明,二叠系富Ⅱ—Ⅲ型有机质泥页岩石英等脆性矿物含量较高，存在晶间孔、粒间孔以及粒内孔、次生溶孔、有机质孔及微裂缝、构造缝等多种储集空间类型。采用He气法所测孔隙度为2.15％～6.10％、渗透率平均值为0.002 57×10-3μm2。该套页岩以中孔为主，含少量大孔和微孔，大多数的孔径分布在2～50nm之间。BJH孔容为3.30～11.23mm3/g，其中，中孔和大孔孔容约占总孔容的80％；BET比表面积介于3.91～20.84m2/g之间。T-图法计算微孔比表面积介于1.015～4.053m2/g之间，中孔和微孔是页岩比表面积的主要贡献者。大量纳米级孔隙的发育及具有较大的比表面积,为页岩储层提供了良好的吸附聚气能力，实验模拟地层温压测定页岩甲烷最大吸附量达2.3～3.2m3/t。说明研究区二叠系页岩具有良好的储集性能及甲烷吸附能力。
岩石热物性是研究盆地地热状态和构造—热演化过程的重要参数，也是盆地油气资源评价的重要研究内容之一。华南下扬子区是我国页岩气勘探开发的优选区块之一，页岩层系的热物性对于该区页岩气资源开发具有重要意义，但目前相关实测数据偏少，制约了对该区地温场及资源评价的认识。在18件泥页岩样品的热导率、生热率和密度等热物性参数测试的基础上，对下扬子区泥页岩的热物性进行了统计分析，并估算了整个扬子区的现今深部地层温度。研究表明，下扬子区泥页岩热导率大多数在1.500～3.000W/(m·K)之间，实测平均值为2.174±0.682W/(m·K)；生热率大多数在1.00～2.50μW/m3之间，大部分集中于2.00～2.50μW/m3之间，实测平均值为2.04±0.86μW/m3。相比其他沉积岩类，页岩具有高生热率、低热导率的特殊热物性。样品间的热物性有相当大的变化，因此不能简单地以岩石的热物性作为区分岩石类型的指标。此外，扬子区的现今地温从东部的江浙皖(下扬子区)向西至上扬子区，表现为逐渐降低，但川东南地区和西南的楚雄盆地为高温区。下扬子区泥页岩的特殊热物性具有重要的地热涵义，这使得泥页岩类似保温盖层，其热屏蔽效应会导致页岩层及其下的地层温度升高，而页岩层之上的地层温度降低。这一特殊岩石热物性引起的温度异常势必改变深部地层的温度场分布，进而影响到烃源岩有机质热演化过程。研究区页岩气资源评价中必须考虑页岩的这一特殊的热物理性质。
系统测量了浙江安吉下寒武统荷塘组、安徽泾县中奥陶统胡乐组、重庆下志留统龙马溪组、安徽昌桥上二叠统龙潭组的典型泥页岩样品的密度、孔隙度和渗透率。结果表明,扬子地块古生界泥页岩的孔隙度较低，介于0.73%~2.95%之间,有效孔隙度随压力增加而减小。在10MPa的有效压力下，渗透率介于(1.25~7.15)×10-22m2之间，微裂缝能显著提高样品的渗透率。由于加载过程中微裂隙的逐渐关闭，泥页岩的渗透率随有效压力增加而呈指数关系减小，但在卸载过程中渗透率的恢复具有滞后效应。低于20MPa的有效压力，孔隙压振荡法获得的页岩渗透率值显著低于压力脉冲衰减法。
研究表明，泥页岩中不同有机母质类型可以发育不同特征的有机质孔隙。用Ar离子抛光场发射扫描电镜照片观察结合XRD分析、EDS能谱分析和相关岩石学标准，将四川盆地龙马溪组泥岩有机质孔隙分为3种类型:热解沥青内部有机质孔(Ⅰ型)、顺矿物边界发育的线性有机质孔(Ⅱ型)、干酪根残余物孔隙(Ⅲ型)。其中，Ⅰ型有机质孔发育于运移后的固体沥青和残余沥青中，Ⅱ型有机质孔的形成机制尚不明确，Ⅲ型有机质孔发育于原始沉积的干酪根残余物内部。热解沥青孔隙能为页岩气体流动提供更有效和连续的渗透路径。
在大量岩石薄片鉴定、扫描电镜、X-射线衍射等分析实验基础上，对四川盆地志留系龙马溪组页岩储层成岩作用进行了研究。共识别出压实作用、胶结作用、黏土矿物转化作用、交代作用、溶蚀作用、有机质热成熟作用以及构造破裂作用共7类成岩作用。其中胶结作用又包括了硅质、碳酸盐和硫化物胶结，总结了硅质胶结物的物质来源以及钙质胶结物发育的主控因素。在N3井单井分析的基础上，指出龙马溪组优质页岩储层段、次优页岩储层段与非页岩储层段经受了不同成岩事件的改造，其中优质页岩储层段经历的主要无机成岩作用除压实作用外，均与有机质热成熟作用存在明显联系。通过多项成岩指标综合分析认为，龙马溪组页岩储层现今处于中成岩B亚期—晚成岩阶段。无机矿物成岩作用对于页岩储层具有重要的影响，它控制了储层孔隙的保存、发展和演化，同时也影响着岩石的力学性质和页岩储层的吸附能力；有机质热成熟过程中排出的天然气是页岩气的物质来源，同时其在热成熟过程中生成的大量有机质纳米孔隙增大了储层孔隙度并提高了储层吸附能力。
采用岩石小柱体吸水实验方法，结合N2吸附法对孔隙结构和BET比表面积的测量，以及TOC含量和黏土矿物含量的分析，研究了龙马溪组富有机质泥页岩对水的吸收程度，以此来探讨影响泥岩吸水的主控因素，以及对孔隙连通性的指示意义。结果表明：TOC和黏土矿物是影响泥页岩吸水的主控因素，泥岩吸水量与BET比表面积具较好的正相关性，吸水过程自发且可逆。相同泥页岩样品的绝对吸水量与其体积变化呈直线关系，斜率为单位体积吸水量，可计算泥岩有效孔隙度(6.23%)，吸水研究为泥岩中孔隙的连通性和有效孔隙度的测量提供了新的手段。
川南地区古生界海相页岩是我国页岩气勘探的主要目标层系之一。利用镜质体反射率古温标恢复了川南地区5口典型钻井的热史，在此基础上模拟了下寒武统筇竹寺组页岩的热演化过程。结果表明，川南地区在古生代热流值较低，二叠纪热流开始增大，川西南地区热流峰值约为110mW/m2，川东南地区为70～90mW/m2,此后热流值快速降低，最终保持在55～65mW/m2并持续至今。川南不同地区的筇竹寺组页岩由于热史和埋藏史的不同，使得烃源岩热演化过程存在差异。川东南地区筇竹寺组页岩在志留纪开始成熟，二叠纪快速演化并达到过成熟阶段。川西南地区筇竹寺组在石炭纪开始成熟，二叠纪在高热流作用下迅速成熟，RO值达到2.5%，其中乐山—龙女寺古隆起地区的筇竹寺组在加里东期和二叠纪埋深相对较浅，烃源岩在古生代处于未成熟阶段，中—晚二叠世开始成熟，三叠纪末期进入高成熟阶段，侏罗纪—白垩纪在深埋增温作用下进入过成熟阶段。
为了评价海陆过渡相煤系页岩气储层性质，采用扫描电镜、高压压汞、低温液氮和CO2吸附等实验方法，对川南地区二叠系龙潭组页岩微观孔隙的发育情况、结构特征进行研究，并分析龙潭组页岩孔隙发育的主要影响因素。结果表明:川南地区龙潭组页岩储集空间多样，常见粒间孔、溶蚀孔和有机质孔，孔隙形态以圆形、椭圆形、三角形、不规则状为主，这些微观孔隙为页岩气赋存提供储集空间。龙潭组页岩纳米级孔隙以微孔和介孔为主，占孔隙总体积的56.2%，占总比表面积的80%以上，是页岩气赋存的主要载体；孔容与比表面积呈正相关性，其中介孔(BJH)孔容、微孔(DFT)孔容与比表面积线性关系拟合较好；页岩孔隙结构类型主要以平板狭缝型、柱形和混合型为主，孔径主要分布于0.2~1nm、3~30nm之间，平均为4.66nm。龙潭组页岩气储层孔隙发育受页岩的有机碳含量和成熟度影响较大，孔隙度和孔容随有机碳含量增大而增大，并与成熟度有密切关系；黏土矿物一定程度上利于储层孔隙发育，与页岩总孔容呈正相关性，脆性矿物则相反。
通过野外观测、室内实验和镜下观测，总结了重庆南川地区龙马溪组页岩微裂缝发育的宽度范围、优势方位及在压汞实验阶段进汞量曲线图上的表现等特征，分析了页岩矿物成分、TOC值、RO值、孔隙率、构造变形等因素对页岩微裂缝发育的影响，探讨了“＞100nm孔体积”和“总进汞量”指标与微裂缝发育程度之间的相关性，利用矿物成分含量、TOC值、RO值、孔隙率等实验数据，结合构建的构造因子，建立了页岩微裂缝发育影响因素的量化指标，运用BP神经网络模型，探讨了页岩微裂缝发育的影响因素与发育程度之间的量化联系，对微裂隙发育程度进行预测研究，认为研究区龙马溪组页岩中发育宽度在百纳米—百微米的微裂缝，形成不同级别的微裂缝网络；阶段进汞量曲线在一定程度上反映了页岩中超微裂缝的发育程度；微米级的微裂缝宽度主要集中在100μm以下，与构造变形关系密切；BP神经网络模型中的权值矩阵反映了微裂缝影响因素与微裂缝发育程度之间的量化联系，可以运用BP神经网络对微裂缝的发育程度进行量化预测。
页岩孔隙类型与结构对其含气性具有决定性的控制作用。通过扫描电镜二次电子成像、氩离子抛光技术和高分辨率扫描电镜，对渝东南地区下寒武统牛蹄塘组页岩中的孔隙体系进行分类描述，并初步探讨了孔隙特征与含气性的关系。渝东南地区下寒武统牛蹄塘组页岩主要发育了4个大类9个亚类的基质孔隙和3个大类4个亚类的天然裂缝。其中粒内孔、溶蚀孔、高角度剪切裂缝和低角度滑脱缝4类优势孔隙类型共同构成了牛蹄塘组的孔隙体系，具有孔隙类型多样、孔径规模小、连通性差、渗透率低等特点。孔隙体积主要由纳米级的微孔和中孔提供。有机质孔隙相对不发育、孔隙连通性差及滑脱裂缝呈区域性发育等是牛蹄塘组含气性不理想的可能原因。
通过高压压汞实验、低温氮气吸附实验、氩离子抛光—扫描电子显微镜观测对重庆綦江地区龙马溪组页岩样品进行了储层表征，并结合分子势能理论揭示了龙马溪组孔隙与页岩气赋存的关系。研究表明：①龙马溪组页岩储层中以小于100nm的孔隙最为发育，比表面积主要由半径小于8nm的孔隙提供，且纳米级孔隙以有机质孔为主，孔表面普遍存在不光滑性，具有分形特征，大孔孔壁叠合成诸多小孔。②有机质孔中甲烷分子与孔壁距离小于2nm时，二者间具有较强相互作用力；大于2nm时，二者间相互作用力可以忽略，甲烷分子呈游离状态。③龙马溪组储层孔隙中吸附气体积随孔径的增大而减少，当半径大于30nm时，吸附气体积可以忽略；游离气体积呈先增大后减小的趋势，在半径45nm附近达到顶峰。在10nm附近游离区域体积开始大于吸附区域体积；1~75nm孔隙中吸附区域占此孔径范围内孔隙总孔容的66%~71%。
四川盆地威远地区和川南长宁地区志留系龙马溪组页岩气化学组成以及碳、氢和氦同位素组成分析表明，该区页岩气CH4含量占绝对优势(94.0%～98.5%)、湿度低(0.3%～0.6%)、非烃气体含量较低(以CO2和N2为主、含微量的He、未检测出H2S)。烷烃气体碳同位素值随碳数增加出现局部反序分布特征：δ13C1>δ13C2；δ13CCO2=-2.4‰~-6.0‰，3He/4He =0.01~0.03Ra。威远和长宁2个地区页岩气碳同位素组成有所差异，威远地区页岩气的碳同位素值比长宁地区的偏低，δ13C1值偏低约8‰，δ13C2值偏低6‰；重复性实验结果表明2个地区页岩气碳同位素的差异可能源于其地质演化条件。川南长宁龙马溪页岩处于高—过成熟阶段，封闭性好，页岩气主要为干酪根初次裂解气和液态烃二次裂解气不同比例的混合，非烃气体中除有机质热裂解成因外含少量碳酸盐矿物分解产生的CO2。液态烃二次裂解可能是碳同位素值随碳数分布发生反序分布的原因。威远地区页岩中沥青含量较长宁地区多，同时后期的构造作用和抬升可能导致威远地区页岩气的烷烃气体的碳同位素值偏低。
通过对四川盆地上二叠统龙潭组烃源岩典型剖面样品的地球化学分析，从TOC含量、TOS含量、生物标志化合物特征等方面讨论四川盆地上二叠统龙潭组烃源岩地球化学特征及意义。 实验数据显示:四川盆地上二叠统龙潭组烃源岩TOC含量、TOS含量在剖面上变化幅度较大，表现出明显的非均质性；上二叠统龙潭组煤和炭质泥岩中正构烷烃主要呈现单峰型，高碳数正构烷烃相对丰度较高，姥鲛烷优势明显；而页岩样品以双峰型为主，低碳数峰群主碳集中在nC17，而高碳数峰群以nC25或nC27为主碳峰，具明显植烷优势。这些实验结果表明龙潭组页岩母质来源主要为低等水生生物和陆源高等植物，而龙潭组煤和炭质泥岩以陆源有机质输入为主，在母质来源特征上与龙潭组页岩具有很大的差别。
甘公网安备 62010202000678号
