川东—湘西地区龙马溪组与牛蹄塘组页岩孔隙与页岩气赋存机理研究

发布时间：2020-09-17 17:06

　　本文以川东焦石坝地区龙马溪组页岩与湘西慈利地区牛蹄塘组页岩为主要研究对象。通过钻井岩心资料、薄片资料、岩样分析测试数据获得龙马溪组页岩和牛蹄塘组页岩的储层特征。通过扫描电镜观测了两组页岩的有机孔、粒间孔和粒内孔的显微特征;通过CO_2吸附、N_2吸附和高压压汞实验分别表征了两组页岩的微孔、中孔和大孔的孔径分布。利用图像分形理论计算了不同类型孔隙的分形维数;利用多孔介质分形理论计算了不同尺度孔隙的分形维数,并联合多种孔隙参数定量表征了有机质页岩的孔隙结构。通过引入吸附势理论,获得了超临界态甲烷吸附模型,拟合出包含温度、压力参数的吸附特征方程。并在特征方程的基础上,分别阐述了龙马溪组储层和牛蹄塘组储层的页岩气赋存机理与演化规律。论文取得的认识与主要研究成果如下:1、龙马溪组页岩储层上部为浅水陆棚沉积,下部为深水陆棚沉积。以灰黑色泥页岩为主,下部硅质含量明显增加。其矿物组分多石英和粘土,含长石、碳酸盐和少量黄铁矿,粘土矿物以伊蒙混层和伊利石为主,含少量绿泥石。干酪根为I型,达过成熟阶段,TOC平均含量2.66%,下部优质储层段TOC含量高。牛蹄塘组页岩为深水陆棚沉积,以灰质页岩与炭质页岩为主。矿物组分多石英、粘土和碳酸盐,含长石和少量黄铁矿,粘土矿物主要为伊利石,含少量伊蒙混层和绿泥石。干酪根为I型,达过成熟阶段,TOC平均含量2.46%。2、扫描电镜下有机孔的形态多具椭圆状、海绵状等结构,粒间孔多狭缝状、棱角状,粒内孔多圆状、椭圆状、棱角状,有机孔与粒间孔连通性好,粒内孔多孤立存在。对比不同岩相页岩的有机孔发现,硅质岩相有机孔数量少,但孔径相对较大,混合质岩相有机孔数量较多,相对硅质岩相孔径较小;粘土质岩相有机孔数量少而且孔径小。牛蹄塘组页岩相比于龙马溪组孔隙发育较少,连通性较差。CO_2吸附、N_2吸附和压汞实验的联合孔径分布显示龙马溪组页岩孔隙的平均孔隙体积与平均比表面积均大于牛蹄塘组,表明了龙马溪组页岩孔隙发育优于牛蹄塘组。龙马溪页岩储层中硅质相页岩整体相比于粘土相页岩、混合相页岩具有较大的孔隙体积和比表面积,更有利于页岩气赋存。页岩组分中,有机质通常有利于孔隙发育,刚性矿物颗粒有利于保留其边缘的孔隙空间,粘土矿物对孔隙空间具有一定程度的贡献。3、页岩孔隙的电镜图像结合“盒维数”法可有效表征孔隙截面的分形维数,有机孔整体的分形结构稳定,分形维数平均较高,粒间孔结构简单,粒内孔结构具有多样性,分形维数大小不一。利用多孔介质分形理论分别计算微孔和中孔的分形维数,龙马溪组页岩的孔隙结构比牛蹄塘组更加复杂。龙马溪组页岩中,硅质相的微孔与中孔相比于粘土相、混合相的孔隙分形维数较高,硅质岩向内更易于构成复杂的孔隙网络结构。优选的孔隙体积、比表面积参数与分形维数相结合可对孔隙结构进行多参数定量化表征,发现龙马溪组页岩孔隙的发育较好,孔隙网络结构复杂,牛蹄塘组页岩孔隙的发育较差,孔隙网络结构较为简单。4、依据吸附势理论建立超临界态DA模型可拟合甲烷等温吸附数据。通过超临界态DA模型与三参数Langmuir模型、SDR模型对比,认为超临界态DA模型也可以获得较好的拟合效果。拟合结果表明,龙马溪组页岩下部优质层段的吸附能力强于上部层段,且储层整体的吸附能力强于牛蹄塘组。页岩吸附能力受多种因素控制,其中TOC含量有利于增强页岩的吸附能力,两组页岩中的粘土矿物中缺乏蒙脱石,因此,粘土矿物对页岩吸附的贡献不显著。页岩孔隙的比表面积有助于页岩的吸附,且孔隙结构越简单,孔隙表面对甲烷的吸附越均衡。水分通常能降低页岩的吸附能力,牛蹄塘组页岩相比龙马溪组页岩的亲水性更强。温度增加会降低页岩的吸附能力,压力促使吸附量增加,但两组页岩对温度、压力的敏感程度不同。基于吸附势理论构建的吸附特征方程可通过吸附势表征吸附量,能有效包含温度、压力两个参数,体现出温度—压力耦合变化对吸附量影响。5、储层原地含气量与储层不同深度下含气量的变化规律,揭示了有机质页岩在地层温度—压力的耦合控制作用下,储层内吸附气与游离气的赋存状态存在显著的差异性。储层岩性、地层水、温度、压力等多种因素的共同作用控制着吸附气与游离气的赋存状态。储层在垂相上顶底之间温度、压力接近,吸附气赋存主要储层岩性因素控制,TOC含量为主控因素,同时受储层水分与气体组分的影响;游离气赋存以孔隙体积、含水饱和度为主控因素。储层在横向上大尺度深度变化范围内,吸附气赋存受温度—压力耦合的控制作用更加凸显,水分与气体组分也具有影响;而游离气的赋存受温度、压力、地层的含水饱和度等多种因素控制。龙马溪组页岩储层含气性的演化规律显示出,生烃过程中产生的大量甲烷早期以游离气大量赋存,盆地封闭的超压系统使游离气在地层抬升阶段向吸附气转化,储层含气性较好。牛蹄塘组页岩储层的孔隙发育较差,相对缺少游离气的赋存空间,而有机质含量较高,能有效保存吸附气。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P618.13
【部分图文】：

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第二章研究区地质概况川东—湘西地区位于中上扬子地区内部，地跨重庆市东部、湖北省西南与北地区，构造上发育一系列北东—南西向的褶皱带和断裂带，自川东褶皱西依次发育有隔挡式褶皱、城垛式褶皱和隔槽式褶皱[111,112]，直至江南隆。本文研究区分别以川东—湘西地区内部的渝东南地区和湘西北地区为究区域，见图 2.1。

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坪组为灰—深灰色燧石灰岩间夹硅质泥岩；长兴组为一套中—厚层状微含生物碎屑和沥青质灰岩。2 渝东南地区区域构造特征渝东南地区位于上扬子台坳内，在地质历史上跨越了多个大地构造分区地区，属于四川东南部的川东褶皱带。该地区西侧以华蓥山深大断裂为界造区相接、东侧齐岳大断裂为界与鄂西断褶带相邻，见图 2.3。从东南到石柱复向斜、方斗山复背斜、万县复向斜，同时与北部的大巴山弧形构造区可分木耳山—尖峰顶斜坡带、包鸾—焦石坝背斜带、日照坎—弹子台向坎背斜带四个四级构造单元。断褶带内部多成线性排列，其中背斜较窄，紧闭，具有倒转翼，通常两翼不对称，核部常伴随发育逆断层；向斜轴部宽较平缓，内部架构简单。高陡的背斜和宽缓的向斜相间排列形成“隔挡式25,127]。位于渝东南地区褶皱带上的焦石坝构造区，北有万县复向斜，东有方斗山

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图 2.5 湘西北地区构造纲要图（据扈金刚[128]）形作用，褶皱构造线主要为 NNE—NE—EW，并向 NW 向凸出，褶皱带北西方向依次为桑植—石门复向斜、宜都—鹤峰复背斜带、花果坪复向斜复向斜带。其中桑植—石门复向斜带为湘鄂西最南端的一个二级构造单向斜由一系列北东向至东西向背斜、向斜组成，总体上呈现南北凹、中间构造形态。变形特征总体为 NEE—EW 向的长轴线状褶皱，向斜褶皱较宽窄陡，复向斜内有次一级背斜，表层褶皱与断裂多发育于志留系以上，震陶系褶皱相对较缓，断裂发生在褶皱南翼。宜都—鹤峰复背斜带构造线为 NW 再由 NNE 逐渐偏转为 NEE 至近 EW，整体呈向 NW 凸出的弧形内，背斜轴部一般出露寒武系，向斜槽部出露中、下三叠统，复背斜主体、北翼较陡。3 湘西北地区构造演化史湘西北地区所在的上扬子地台基底是中深变质的太古宇和元古界地层。

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