本文以川東焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖與湘西慈利地區(qū)牛蹄塘組頁巖為主要研究對象。通過鉆井巖心資料、薄片資料、巖樣分析測試數(shù)據(jù)獲得龍馬溪組頁巖和牛蹄塘組頁巖的儲層特征。通過掃描電鏡觀測了兩組頁巖的有機孔、粒間孔和粒內(nèi)孔的顯微特征;通過CO_2吸附、N_2吸附和高壓壓汞實驗分別表征了兩組頁巖的微孔、中孔和大孔的孔徑分布。利用圖像分形理論計算了不同類型孔隙的分形維數(shù);利用多孔介質(zhì)分形理論計算了不同尺度孔隙的分形維數(shù),并聯(lián)合多種孔隙參數(shù)定量表征了有機質(zhì)頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)。通過引入吸附勢理論,獲得了超臨界態(tài)甲烷吸附模型,擬合出包含溫度、壓力參數(shù)的吸附特征方程。并在特征方程的基礎上,分別闡述了龍馬溪組儲層和牛蹄塘組儲層的頁巖氣賦存機理與演化規(guī)律。論文取得的認識與主要研究成果如下:1、龍馬溪組頁巖儲層上部為淺水陸棚沉積,下部為深水陸棚沉積。以灰黑色泥頁巖為主,下部硅質(zhì)含量明顯增加。其礦物組分多石英和粘土,含長石、碳酸鹽和少量黃鐵礦,粘土礦物以伊蒙混層和伊利石為主,含少量綠泥石。干酪根為I型,達過成熟階段,TOC平均含量2.66%,下部優(yōu)質(zhì)儲層段TOC含量高。牛蹄塘組頁巖為深水陸棚沉積,以灰質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖為主。礦物組分多石英、粘土和碳酸鹽,含長石和少量黃鐵礦,粘土礦物主要為伊利石,含少量伊蒙混層和綠泥石。干酪根為I型,達過成熟階段,TOC平均含量2.46%。2、掃描電鏡下有機孔的形態(tài)多具橢圓狀、海綿狀等結(jié)構(gòu),粒間孔多狹縫狀、棱角狀,粒內(nèi)孔多圓狀、橢圓狀、棱角狀,有機孔與粒間孔連通性好,粒內(nèi)孔多孤立存在。對比不同巖相頁巖的有機孔發(fā)現(xiàn),硅質(zhì)巖相有機孔數(shù)量少,但孔徑相對較大,混合質(zhì)巖相有機孔數(shù)量較多,相對硅質(zhì)巖相孔徑較小;粘土質(zhì)巖相有機孔數(shù)量少而且孔徑小。牛蹄塘組頁巖相比于龍馬溪組孔隙發(fā)育較少,連通性較差。CO_2吸附、N_2吸附和壓汞實驗的聯(lián)合孔徑分布顯示龍馬溪組頁巖孔隙的平均孔隙體積與平均比表面積均大于牛蹄塘組,表明了龍馬溪組頁巖孔隙發(fā)育優(yōu)于牛蹄塘組。龍馬溪頁巖儲層中硅質(zhì)相頁巖整體相比于粘土相頁巖、混合相頁巖具有較大的孔隙體積和比表面積,更有利于頁巖氣賦存。頁巖組分中,有機質(zhì)通常有利于孔隙發(fā)育,剛性礦物顆粒有利于保留其邊緣的孔隙空間,粘土礦物對孔隙空間具有一定程度的貢獻。3、頁巖孔隙的電鏡圖像結(jié)合“盒維數(shù)”法可有效表征孔隙截面的分形維數(shù),有機孔整體的分形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,分形維數(shù)平均較高,粒間孔結(jié)構(gòu)簡單,粒內(nèi)孔結(jié)構(gòu)具有多樣性,分形維數(shù)大小不一。利用多孔介質(zhì)分形理論分別計算微孔和中孔的分形維數(shù),龍馬溪組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)比牛蹄塘組更加復雜。龍馬溪組頁巖中,硅質(zhì)相的微孔與中孔相比于粘土相、混合相的孔隙分形維數(shù)較高,硅質(zhì)巖向內(nèi)更易于構(gòu)成復雜的孔隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的孔隙體積、比表面積參數(shù)與分形維數(shù)相結(jié)合可對孔隙結(jié)構(gòu)進行多參數(shù)定量化表征,發(fā)現(xiàn)龍馬溪組頁巖孔隙的發(fā)育較好,孔隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜,牛蹄塘組頁巖孔隙的發(fā)育較差,孔隙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)較為簡單。4、依據(jù)吸附勢理論建立超臨界態(tài)DA模型可擬合甲烷等溫吸附數(shù)據(jù)。通過超臨界態(tài)DA模型與三參數(shù)Langmuir模型、SDR模型對比,認為超臨界態(tài)DA模型也可以獲得較好的擬合效果。擬合結(jié)果表明,龍馬溪組頁巖下部優(yōu)質(zhì)層段的吸附能力強于上部層段,且儲層整體的吸附能力強于牛蹄塘組。頁巖吸附能力受多種因素控制,其中TOC含量有利于增強頁巖的吸附能力,兩組頁巖中的粘土礦物中缺乏蒙脫石,因此,粘土礦物對頁巖吸附的貢獻不顯著。頁巖孔隙的比表面積有助于頁巖的吸附,且孔隙結(jié)構(gòu)越簡單,孔隙表面對甲烷的吸附越均衡。水分通常能降低頁巖的吸附能力,牛蹄塘組頁巖相比龍馬溪組頁巖的親水性更強。溫度增加會降低頁巖的吸附能力,壓力促使吸附量增加,但兩組頁巖對溫度、壓力的敏感程度不同。基于吸附勢理論構(gòu)建的吸附特征方程可通過吸附勢表征吸附量,能有效包含溫度、壓力兩個參數(shù),體現(xiàn)出溫度—壓力耦合變化對吸附量影響。5、儲層原地含氣量與儲層不同深度下含氣量的變化規(guī)律,揭示了有機質(zhì)頁巖在地層溫度—壓力的耦合控制作用下,儲層內(nèi)吸附氣與游離氣的賦存狀態(tài)存在顯著的差異性。儲層巖性、地層水、溫度、壓力等多種因素的共同作用控制著吸附氣與游離氣的賦存狀態(tài)。儲層在垂相上頂?shù)字g溫度、壓力接近,吸附氣賦存主要儲層巖性因素控制,TOC含量為主控因素,同時受儲層水分與氣體組分的影響;游離氣賦存以孔隙體積、含水飽和度為主控因素。儲層在橫向上大尺度深度變化范圍內(nèi),吸附氣賦存受溫度—壓力耦合的控制作用更加凸顯,水分與氣體組分也具有影響;而游離氣的賦存受溫度、壓力、地層的含水飽和度等多種因素控制。龍馬溪組頁巖儲層含氣性的演化規(guī)律顯示出,生烴過程中產(chǎn)生的大量甲烷早期以游離氣大量賦存,盆地封閉的超壓系統(tǒng)使游離氣在地層抬升階段向吸附氣轉(zhuǎn)化,儲層含氣性較好。牛蹄塘組頁巖儲層的孔隙發(fā)育較差,相對缺少游離氣的賦存空間,而有機質(zhì)含量較高,能有效保存吸附氣。
【學位單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P618.13
【部分圖文】：

第二章 研究區(qū)地質(zhì)概況川東—湘西地區(qū)位于中上揚子地區(qū)內(nèi)部，地跨重慶市東部、湖北省西南與北地區(qū)，構(gòu)造上發(fā)育一系列北東—南西向的褶皺帶和斷裂帶，自川東褶皺西依次發(fā)育有隔擋式褶皺、城垛式褶皺和隔槽式褶皺[111,112]，直至江南隆。本文研究區(qū)分別以川東—湘西地區(qū)內(nèi)部的渝東南地區(qū)和湘西北地區(qū)為究區(qū)域，見圖 2.1。

坪組為灰—深灰色燧石灰?guī)r間夾硅質(zhì)泥巖；長興組為一套中—厚層狀微含生物碎屑和瀝青質(zhì)灰?guī)r。2 渝東南地區(qū)區(qū)域構(gòu)造特征渝東南地區(qū)位于上揚子臺坳內(nèi)，在地質(zhì)歷史上跨越了多個大地構(gòu)造分區(qū)地區(qū)，屬于四川東南部的川東褶皺帶。該地區(qū)西側(cè)以華鎣山深大斷裂為界造區(qū)相接、東側(cè)齊岳大斷裂為界與鄂西斷褶帶相鄰，見圖 2.3。從東南到石柱復向斜、方斗山復背斜、萬縣復向斜，同時與北部的大巴山弧形構(gòu)造區(qū)可分木耳山—尖峰頂斜坡帶、包鸞—焦石壩背斜帶、日照坎—彈子臺向坎背斜帶四個四級構(gòu)造單元。斷褶帶內(nèi)部多成線性排列，其中背斜較窄，緊閉，具有倒轉(zhuǎn)翼，通常兩翼不對稱，核部常伴隨發(fā)育逆斷層；向斜軸部寬較平緩，內(nèi)部架構(gòu)簡單。高陡的背斜和寬緩的向斜相間排列形成“隔擋式25,127]。位于渝東南地區(qū)褶皺帶上的焦石壩構(gòu)造區(qū)，北有萬縣復向斜，東有方斗山

圖 2.5 湘西北地區(qū)構(gòu)造綱要圖（據(jù)扈金剛[128]）形作用，褶皺構(gòu)造線主要為 NNE—NE—EW，并向 NW 向凸出，褶皺帶北西方向依次為桑植—石門復向斜、宜都—鶴峰復背斜帶、花果坪復向斜復向斜帶。其中桑植—石門復向斜帶為湘鄂西最南端的一個二級構(gòu)造單向斜由一系列北東向至東西向背斜、向斜組成，總體上呈現(xiàn)南北凹、中間構(gòu)造形態(tài)。變形特征總體為 NEE—EW 向的長軸線狀褶皺，向斜褶皺較寬窄陡，復向斜內(nèi)有次一級背斜，表層褶皺與斷裂多發(fā)育于志留系以上，震陶系褶皺相對較緩，斷裂發(fā)生在褶皺南翼。宜都—鶴峰復背斜帶構(gòu)造線為 NW 再由 NNE 逐漸偏轉(zhuǎn)為 NEE 至近 EW，整體呈向 NW 凸出的弧形內(nèi)，背斜軸部一般出露寒武系，向斜槽部出露中、下三疊統(tǒng)，復背斜主體、北翼較陡。3 湘西北地區(qū)構(gòu)造演化史湘西北地區(qū)所在的上揚子地臺基底是中深變質(zhì)的太古宇和元古界地層。

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