研究揭示構造作用對頁岩物性和頁岩氣資源潛力的影響

頁岩氣是一種重要的、非常規的天然氣資源，伴隨著水平井技術和水力壓裂技術的出現，本世紀初在美國發生的頁岩氣革命使得美國由能源進口國轉變為天然氣出口國。我國是第二個實現頁岩氣商業開採的國家，我國的頁岩氣田主要分布在四川盆地，如涪陵頁岩氣田和威遠-長寧頁岩氣田。其中，涪陵頁岩氣田在2014、2015和2016年的頁岩氣產量分別是11、32和50億立方米。頁岩氣勘探和統計結果顯示，我國大多數的頁岩氣田的富集規律與常規油氣儲層類似：背斜是頁岩氣最有利的聚集和富集構造圈閉。與常規的儲層相比，頁岩儲層還具有烴源岩和蓋層的功能，因而影響頁岩儲層的因素較多，如沉積環境、頁岩厚度、有機質類型和成熟度、礦物成分以及構造作用等。根據以上特點，近期，中國科學院廣州地球化學研究所研究員廖玉宏課題組以重慶市南川區三泉鎮Sanquan-1井為研究對象，系統地採樣，全面分析了五峰-龍馬溪組頁岩的有機質特徵、礦物成分、主量元素、孔隙度、納米孔隙結構和頁岩生烴潛力，並探討了構造作用對頁岩物性和頁岩氣資源潛力的影響。

淺井樣品的成本相對於生產井樣品的成本低、能儘可能地避免地表風化作用對樣品原始地質信息的影響，還能保證較高的取芯率用於系統的分析地層演化所包含的地質信息。研究發現，在淺鑽Sanquan-1井中，頁岩的總有機碳（TOC）含量和石英含量在縱向上與鑽井曲線伽馬值具有相似的變化趨勢，而粘土礦物含量具有相反的變化趨勢。富有機質頁岩段（TOC>2 wt.%）位於五峰組以及龍馬溪組底部魯丹階，富有機質頁岩的岩性主要包括沉積在海侵體系域（TST）和高水位體系域（HST）的硅質頁岩和碳質頁岩。海侵體系域和高水位體系域中頁岩脆性礦物含量的增加主要源自於生物成因的自生石英含量的增加。基本上，從五峰組的凱特階到龍馬溪組的魯丹階和埃隆階，頁岩的TOC值、脆性礦物含量以及過量硅含量向上逐漸減小。

縱向上，頁岩的孔隙度、比表面積以及納米孔體積的變化趨勢與TOC的變化趨勢高度相關，更高的TOC值通常意味著更高的孔隙度和比表面積（圖1）。此外，因為經歷了多期構造運動，導致五峰組中普遍發育的滑脫層。與正常地層頁岩的孔隙度、納米孔分布和掃描電鏡圖像對比研究結果表明，頁岩滑脫層是又一個能影響五峰-龍馬溪組頁岩物性特徵以及頁岩氣資源潛力的重要因素。首先，多期構造運動產生的裂縫和微裂縫能致使滑脫層頁岩的介孔和宏孔顯著增大。其次，滑脫層中的微裂縫能夠連通更多的孔隙，從而提高頁岩的連通性，也為頁岩氣在區域上水平運移提供了通道，從而使得頁岩氣的保存條件也變得重要。在整個四川盆地及其周邊地區，五峰-龍馬溪組頁岩底部廣泛出現的滑脫層使得保存條件成為一個能影響最終頁岩氣潛力的重要因素。與涪陵頁岩氣田Jiaoye1井的五峰-龍馬溪組頁岩相比，三泉鎮Sanquan-1井具有大體相當的生烴潛力；由於該地區的背斜圈閉遭到剝蝕、破壞，此外滑脫層加速了頁岩氣從頁岩基質中散失，從而導致三泉鎮頁岩氣資源潛力非常有限。

論文近期發表在國際期刊AAPG Bulletin上，該文的第一作者為在站博士後鄭益軍，通訊作者為廖玉宏，共同作者還包括廣州地化所研究員王雲鵬、熊永強和中科院院士彭平安。

圖1：Sanquan-1井五峰-龍馬溪組頁岩總有機碳含量（TOC）、非定域密度函數（NLDFT）比表面積和孔體積以及壓汞孔隙度深度圖

來源：中國科學院廣州地球化學研究所

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