【摘要】：成巖礦物受不同地質(zhì)時期物理化學(xué)條件的控制,其堆積模式往往差異很大,甚至生成新的礦物(膠結(jié)物),持續(xù)改造頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu),嚴(yán)重制約著頁巖油氣儲集能力。而頁巖油氣的遷移和儲集過程也和頁巖孔隙結(jié)構(gòu)變化過程在時間上密切相關(guān),重現(xiàn)頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)的演化過程對于認(rèn)識和理解頁巖內(nèi)油氣運(yùn)移、儲集方式具有重要的意義,近年來引起了廣泛的關(guān)注。龍馬溪組頁巖是我國重要的頁巖氣儲集地層,其勘探開發(fā)水平代表著中國頁巖氣儲層研究以及工業(yè)化生產(chǎn)的最高水平。歷年來龍馬溪組頁巖基礎(chǔ)研究所積累的資料豐富且涵蓋面廣,為孔隙結(jié)構(gòu)特征的深入研究奠定了基礎(chǔ)。但目前針對其頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)演化過程的研究尚不充足。本次研究旨在探究龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)在不同地質(zhì)時期的演化規(guī)律及其影響因素。在前人對龍馬溪組頁巖的研究基礎(chǔ)上,本文以貴州省習(xí)水縣魯城村龍馬溪組頁巖剖面樣品為研究對象,根據(jù)成巖作用的時間順序?qū)堮R溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)演化過程的研究劃分為(1)沉積階段不同水動力條件下礦物的分選;(2)早成巖階段礦物堆積形成原生無機(jī)孔隙;(3)中成巖階段膠結(jié)物改造原生無機(jī)孔隙及原生無機(jī)孔隙特征;(4)現(xiàn)階段龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙特征與非均質(zhì)性。應(yīng)用現(xiàn)代測試技術(shù)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及多重分形等數(shù)學(xué)理論模擬演算,深入研究了龍馬溪組頁巖在各個成巖階段的無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)而揭示了龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)演化特點(diǎn)及其控制因素。經(jīng)過近四年研究,取得以下成果:1、在龍馬溪組頁巖礦物、主量元素組成分析的基礎(chǔ)上,通過礦物超聲波剝離法得到龍馬溪組頁巖10份樣品的單礦物分離。使用激光粒度儀和場發(fā)射掃描電鏡統(tǒng)計(jì)并觀察分離礦物的粒徑分布和形貌特征,表明龍馬溪組頁巖石英礦物粒徑分布的不均勻系數(shù)小于2.1,屬極高的分選程度;運(yùn)用泥沙學(xué)公式定量計(jì)算了龍馬溪組頁巖在沉積階段的水動力條件,認(rèn)為龍馬溪組頁巖沉積階段的水動力條件弱,且不同層位間水動力強(qiáng)度最大差異僅為12.5%,沉積時水動力強(qiáng)度基本一致。2、建立了一種基于不同含量、粒徑大小比例的石英粉末與蒙脫石粉末堆積而成的頁巖人工巖芯制作方法來模擬頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)的特征,盡可能降低試驗(yàn)中膠結(jié)物等因素對試驗(yàn)結(jié)果的干擾。根據(jù)此方法制作了24個人工巖芯,分別模擬了脆性礦物與黏土礦物粒徑大小比值不同時,頁巖早成巖階段無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)特征。試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)脆性礦物粒徑大于黏土礦物粒徑時,頁巖內(nèi)黏土礦物圍繞脆性礦物堆積排列;而當(dāng)脆性礦物粒徑小于黏土礦物時,脆性礦物在黏土礦物間起到支撐作用,黏土礦物的排列有較為明顯的定向性。上述脆性礦物與黏土礦物排列方式的不同導(dǎo)致頁巖滲透率出現(xiàn)跳躍式變化。隨著脆性礦物含量的增加,滲透率以二次式的形式持續(xù)上升,孔隙度也隨之上升;當(dāng)脆性礦物和黏土礦物粒徑比值上升時,滲透率呈反函數(shù)形式上升、孔隙度則隨之下降。對比人工巖心和龍馬溪組頁巖內(nèi)礦物堆積方式,并參考前人關(guān)于曲折度與頁巖滲透率間關(guān)系的研究成果,進(jìn)一步提出一個頁巖礦物含量、粒徑與滲透率間的數(shù)學(xué)理論模型,定量預(yù)測了頁巖脆性礦物和黏土礦物含量和粒徑大小對不含膠結(jié)物的早成巖階段無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)滲透率的影響方式。3、通過場發(fā)射掃描電鏡、陰極發(fā)光、碳氧同位素和電子探針等方法對龍馬溪組頁巖L3和L7樣品的測試,初步確定了龍馬溪組頁巖膠結(jié)物主要由硅質(zhì)(石英)和碳酸鹽(鐵白云石)組成。根據(jù)場發(fā)射掃描電鏡觀察到的鐵白云石膠結(jié)物形貌特征以及對比龍馬溪組頁巖SQ_1段和SQ_2段樣品的氮?dú)馕綔y試結(jié)果,得出龍馬溪組頁巖中鐵白云石膠結(jié)物傾向于充填較大的微米級孔隙,而石英膠結(jié)物則傾向于充填黏土礦物間的納米級孔隙。使用Land等1985的計(jì)算方法定量計(jì)算了鐵白云石形成所需地層水量,揭示鐵白云石膠結(jié)物形成時期稍早于石英膠結(jié)物。利用多重分形分析方法對石英和鐵白云石膠結(jié)物對應(yīng)的硅元素和鈣元素分布圖進(jìn)行處理和計(jì)算。通過多重分形參數(shù)進(jìn)一步定量表征了不同類型頁巖膠結(jié)物的空間分布區(qū)間,發(fā)現(xiàn)鐵白云石膠結(jié)物與石英膠結(jié)物的分布形態(tài)完全不同,同時鐵白云石膠結(jié)物的存在也會影響后續(xù)形成的石英膠結(jié)物的分布模式。4、根據(jù)成巖階段鉀元素在頁巖連通孔隙內(nèi)隨地層水遷移、參與蒙脫石的伊利石化過程并優(yōu)先富集在靠近原生連通孔隙的伊蒙混層和伊利石中的規(guī)律,使用電子探針技術(shù)揭示鉀元素富集區(qū)域,即原生孔隙所在位置。龍馬溪組SQ_1段與SQ_2段在中成巖階段原生孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)特征均具有連續(xù)分布范圍在數(shù)十微米,孔徑接近1微米的特征,且多重分形結(jié)果顯示中成巖階段龍馬溪組頁巖內(nèi)原生孔隙結(jié)構(gòu)分布特征基本一致,石英膠結(jié)物與中成巖原生孔隙結(jié)構(gòu)在空間分布上關(guān)系密切,是影響頁巖孔隙度與滲透率的最主要因素。5、龍馬溪組地層SQ_1和SQ_2段樣品的光學(xué)顯微鏡、場發(fā)射掃描電鏡觀察和氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果表明龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)在SQ_1段主要由納米級和微米級孔隙組成,而SQ_2段則主要由納米級孔隙組成。龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性受微米級礦物堆積以及百米級沉積環(huán)境的差異影響明顯,毫米尺度上SQ_2段樣品具有明顯的紋層,而SQ_1段樣品則呈塊狀構(gòu)造;百米尺度上龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)沿地層走向上呈現(xiàn)均質(zhì)性,而垂直地層方向則有明顯的非均質(zhì)性。6、研究表明,龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了受沉積階段礦物分選,確定脆性礦物和黏土礦物含量與粒徑特征;早成巖階段由脆性礦物和黏土礦物在粒徑與含量的控制下堆積擠壓形成較為疏松的孔隙結(jié)構(gòu);中成巖階段地層溫度壓力上升,龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)因不同類型的膠結(jié)物充填而變得致密。本文通過礦物學(xué)和地球化學(xué)方法對龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,應(yīng)用多種現(xiàn)代測試技術(shù)、人工巖芯實(shí)驗(yàn)?zāi)M、鈣元素及硅元素指示膠結(jié)物分布狀態(tài)、鉀元素指示原生孔隙等研究手段和多重分形計(jì)算,使用現(xiàn)有龍馬溪組頁巖樣品定量揭示了沉積階段礦物分選和水動力強(qiáng)度;脆性礦物和黏土礦物粒徑和含量對頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)孔隙度、滲透率的影響;膠結(jié)物和原生孔隙的形態(tài)分布特征以及不同類型膠結(jié)物對原生孔隙的充填模式;現(xiàn)階段龍馬溪組頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)特征,揭示龍馬溪組頁巖在各地質(zhì)時期無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)演化過程與主要影響因素。該研究有助于石油地質(zhì)學(xué)家更好地認(rèn)識頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育過程,為油氣的運(yùn)移與儲集機(jī)理研究提供了理論支撐。
【圖文】：

1.6 技術(shù)路線在大量閱讀現(xiàn)有頁巖孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)文獻(xiàn)后，根據(jù)現(xiàn)階段頁巖無機(jī)孔隙結(jié)果研究的不足，提出本文的研究目標(biāo)：頁巖無機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)演化研究。首先對龍馬溪組頁巖地質(zhì)背景進(jìn)行了解，選定貴州省習(xí)水縣魯城剖面作為研究對象。在現(xiàn)場觀察剖面特征后采集各個層位的無風(fēng)化樣品。根據(jù)試驗(yàn)需要，使用多種測試手段揭示樣品的各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)。在取得各項(xiàng)測試結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合龍馬溪組頁巖地質(zhì)背景和地質(zhì)學(xué)知識，通過自己建立、改進(jìn)的礦物超聲剝離法、人工巖芯等手段揭示龍馬溪組頁巖自沉積階段起到現(xiàn)階段無機(jī)孔隙演化過程以及各個時期主要的影響因素以及影響方式。具體制定的技術(shù)路線圖如下（圖 1-1）。

第二章 區(qū)域地質(zhì)概況2.1 區(qū)域地質(zhì)背景主要位于四川省南部和貴州省北部，分布面積約 9.6臺西緣，經(jīng)過晚加里東運(yùn)動的抬升，海西、印支、燕形成現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)（曾祥亮，，2011；曹環(huán)宇 等；2區(qū)域構(gòu)造特征，可將龍馬溪組頁巖分布區(qū)域構(gòu)造劃分為斷褶帶、川西南低緩斷褶帶、川東南低緩斷褶帶、川寬緩褶皺帶、武陵褶皺、滇東北沖斷褶皺帶、滇中推（客昆，2015；馬力 等，2004；翟光明，1989）（圖
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P618.13

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2587745