【摘要】：鄂西渝東地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組海相富有機質(zhì)頁巖分布廣、頁巖氣資源豐富,是南方重要的頁巖氣勘探層系。本文以鄂西渝東地區(qū)五峰組-龍馬溪組一段頁巖為主要研究對象,在分析該套頁巖層系的構(gòu)造-沉積特征的基礎(chǔ)上,利用氣體吸附、高壓壓汞、低頻核磁共振、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)等多尺度測試技術(shù)和觀察手段以及統(tǒng)計分析方法研究了頁巖的巖石學和油氣地球化學特征,開展了頁巖孔隙結(jié)構(gòu)表征和分形特征計算、頁巖潤濕性及不同潤濕性孔隙的連通性分析、各小層不同巖相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)差異性對比分析,進行了孔隙發(fā)育機制與控制因素及其對頁巖含氣性的影響研究。以期為鄂西渝東地區(qū)五峰組-龍馬溪組一段頁巖儲集能力評價提供地質(zhì)依據(jù)。論文取得的主要成果和認識如下:1.根據(jù)五峰組-龍馬溪組一段頁巖礦物組成XRD衍射分析,參考前人巖相劃分方案得出,研究區(qū)五峰組((1)小層)頁巖以泥/灰混合硅質(zhì)頁巖(S-2)和富泥硅質(zhì)頁巖(S-3)為主,龍一段下部((3)~(5)小層)頁巖以富泥硅質(zhì)頁巖(S-3)為主,龍一段上部((6)~(9)小層)由下往上從富泥硅質(zhì)頁巖(S-3)逐漸過渡為富泥/硅混合質(zhì)頁巖(M-2)和富硅泥質(zhì)頁巖(CM-1)。2.針對五峰組-龍馬溪組一段頁巖復雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征,通過低溫低壓CO_2和N_2吸附、高壓壓汞、低頻核磁共振、場發(fā)射掃描電鏡等互補的實驗和觀察手段以及統(tǒng)計分析方法,分析了頁巖的孔隙類型、表征了頁巖的孔隙結(jié)構(gòu),明確了五峰組、龍一段下部和龍一段上部頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的差異性。五峰組-龍馬溪組一段頁巖孔隙類型有無機孔、有機孔和微裂縫。FE-SEM觀察有機孔圓度系數(shù)統(tǒng)計顯示,五峰組有機孔多呈多角形或不規(guī)則形,龍馬溪組有機孔多呈橢圓形、近圓形或氣泡狀。氮氣吸附滯后環(huán)形態(tài)、高壓壓汞孔徑分布、低頻核磁共振孔徑分布及掃描電鏡有機孔統(tǒng)計表明,五峰組頁巖孔隙直徑最小,龍一段下部頁巖孔隙直徑最大,龍一段上部頁巖孔隙直徑介于兩者之間。對310張FE-SEM照片約13.6萬有機孔及有機質(zhì)顆粒的統(tǒng)計表明,五峰組((1)小層)有機質(zhì)面孔率最大,龍一段下部((3)~(5)小層)次之,龍一段上部((6)~(9)小層)最小,表明五峰組((1)小層)有機孔相對最為發(fā)育,龍一段上部((6)~(9)小層)有機孔相對最不發(fā)育。五峰組頁巖微孔比表面積、微孔體積、BET比表面積、中孔體積、孔隙度、BJH總孔體積和壓汞總體積最大,龍一段下部頁巖次之,龍一段上部頁巖最小。3.分形維數(shù)可表示多孔材料的復雜程度和非均質(zhì)性,其分形維數(shù)(D)在2~3之間,分形維數(shù)越大多孔介質(zhì)中的孔隙結(jié)構(gòu)越復雜,反之則孔隙結(jié)構(gòu)趨于簡單。分形FHH模型法基于氣體吸附等溫曲線,結(jié)合開爾文方程,得出大于50 nm的孔隙分形維數(shù)(D_(50))最大,4~50 nm(D_(4-50))次之,小于4 nm的孔隙分形維數(shù)(D_(4))最小,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是小孔隙形態(tài)較規(guī)則,孔隙分維值小;大孔隙邊緣往往較復雜,可能存在多個小孔喉與之連通形成復雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大孔隙,使孔隙分維值增大。各小層間對比顯示出五峰組((1)小層)分形維數(shù)最大,龍一段下部((3)~(5)小層)次之,龍一段上部((6)~(9)小層)最小。計盒維數(shù)法基于掃描電鏡有機孔的統(tǒng)計結(jié)果進行分析,通過篩選孔徑范圍,分別得出不同孔徑范圍內(nèi)的有機孔分形維數(shù)。所求的分形維數(shù)和FHH模型法計算氣體吸附孔隙分形的結(jié)果類似:FE-SEM圖像中全部有機孔的分形維數(shù)(D_(wop))最大,其次為孔徑大于50 nm的有機孔分形維數(shù)(D_(op50))和孔徑在4~50 nm的有機孔分形維數(shù)(D_(op4-50)),孔徑小于4 nm的有機孔分形維數(shù)(D_(op4))最小;各小層間對比也顯示出與FHH模型法計算氣體吸附孔隙分形維數(shù)相同的特征;表明頁巖中有機孔隙十分復雜且表面非常粗糙,五峰組((1)小層)孔隙結(jié)構(gòu)最復雜,龍一段下部((3)~(5)小層)次之,龍一段上部((6)~(9)小層)孔隙結(jié)構(gòu)相對最簡單。4.影響孔隙結(jié)構(gòu)的因素概況為三個方面:(1)成巖壓實作用控制了頁巖無機粒間孔隙的保存,溶蝕作用控制了次生孔隙的形成;有機孔的發(fā)育程度主要受有機質(zhì)的性質(zhì)(瀝青或油)和熱成熟度控制;(2)根據(jù)頁巖孔隙與有機碳的相關(guān)性分析,微孔乃至小于10 nm的孔隙主要由有機孔提供,中孔孔隙由有機孔和無機孔共同提供;分形維數(shù)與有機碳含量的相關(guān)性分析表明小于4 nm的有機孔復雜程度主要受有機碳含量控制,4~50 nm的有機孔復雜程度以有機碳含量影響為主,還受其它因素控制,大于50 nm的有機孔復雜程度除受有機碳含量的控制外,也受別的因素影響;富泥硅質(zhì)頁巖(S-3)孔隙最為發(fā)育且孔徑偏大,其比表面積和孔體積也大,富泥/硅混合質(zhì)頁巖(M-2)和富硅泥質(zhì)頁巖(CM-1)無機孔相對較發(fā)育;(3)在區(qū)域擠壓推覆的構(gòu)造應(yīng)力作用下,五峰組位于五峰-龍馬溪組一段頁巖軟弱層系底部,其下伏地層為堅硬的碳酸鹽巖地層;五峰組頁巖底部是主要的滑脫面,經(jīng)歷了更強的構(gòu)造擠壓推覆、分層滑脫和改造作用;因此,五峰組頁巖有機孔受到側(cè)向應(yīng)力擠壓變形和壓縮,這可能是五峰組頁巖((1)小層)有機孔比龍馬溪組一段頁巖有機孔形態(tài)更復雜、孔徑更小的原因之一。5.鄂西渝東地區(qū)五峰組-龍馬溪組一段頁巖整體具有較強的親水親油性和強烈的親油特性;龍一段上部((6)~(9)小層)頁巖的親水性相對更強,而五峰組((1)小層)和龍一段下部((3)~(5)小層)頁巖親水性為中等強度。五峰組-龍馬溪組一段不同頁巖潤濕性的差異主要與頁巖有機碳含量、孔隙類型和礦物組分等密切相關(guān)。不同流體自發(fā)滲吸實驗表明龍一段上部((6)~(9)小層)頁巖的親水性孔隙連通性相對最差,五峰組((1)小層)的親水性孔隙連通性相對最好;頁巖親油性孔隙的連通性比親水性孔隙的連通性更好。
【圖文】：

Loucks 等根據(jù)孔隙直徑大小將美國福特沃斯盆地密西西比系 Barnet頁巖孔隙分為兩大類：微孔（≥ 0.75 μm）和納米級孔隙（< 0.75 μm）。2012 年，Loucks 等又依據(jù)孔隙直徑大小對泥頁巖孔隙分類進行了改進，將孔隙劃分為 5 段：< 1 nm 為皮孔，1 nm ~ 1 μm 范圍內(nèi)為納米孔，1 μm ~ 62.5 μm 范圍內(nèi)為微孔，62.5μm~4mm 范圍內(nèi)為中孔，4mm~256mm 范圍內(nèi)為大孔。國內(nèi)學者鄒才能等（2011b同樣依據(jù)孔隙直徑大小將頁巖孔隙進行了分類，他們以 2 μm 和 2 mm 為孔隙直徑界限將頁巖孔隙劃分成納米孔、微米孔和宏孔三類。以上分類對于該地區(qū)的孔隙研究有一定的意義，但并沒有被其他地區(qū)研究學者廣泛應(yīng)用。目前，以國際理論與應(yīng)用化學聯(lián)合會（簡稱為 IUPAC）提出的孔隙分類標準逐漸在儲層孔隙定量描述與評級方面的應(yīng)用較為廣泛，該方案定義頁巖微孔為小于 2nm 的孔隙，中孔為介于2 ~ 50 nm 范圍內(nèi)的孔隙，大孔為大于 50 nm 的孔隙。二、依據(jù)孔隙形態(tài)分類基于氮氣吸附-脫附曲線的遲滯類型，Sing（1985）、Rouquerol 等（1994）、Thommes 等（2015）提出遲滯類型可以反映孔隙的形態(tài)，以此可將孔隙劃分為兩端開放的圓柱狀孔隙、墨水瓶狀孔隙、平行板狀孔隙和狹縫狀孔隙等 4 類（圖 1.1）。

中國地質(zhì)大學博士學位論文 11三、依據(jù)孔隙與外部流體的可達性分類基于外部流體能否進入孔隙內(nèi)部空間，可將孔隙分為孤立不連通的閉孔、連通的開孔和一端封閉一端連通的盲孔三類。四、依據(jù)孔隙成因分類何建華等（2014）根據(jù)孔隙成因類型將頁巖孔隙劃分為原生沉積型、成巖后生改造型和混合型三大類。五、依據(jù)孔隙產(chǎn)狀及其與巖石顆粒間關(guān)系分類主要通過高分辨率場發(fā)射掃描電鏡或者投射電鏡來觀察和識別，，具有代表性的分類有 Slatt 和 O’Brien 的分類、Loucks 等的分類以及于炳松的孔隙分類等。（1）Slatt 和 O’Brien 的分類Slatt 和 O’Brien 通過對 Barnett 頁巖和 Woodford 頁巖孔隙類型進行研究，將頁巖孔隙分為 6 種類型：黏土絮體粒間孔隙、有機孔、糞球粒內(nèi)孔隙、生物化石碎屑內(nèi)孔隙、顆粒粒內(nèi)孔隙和微裂縫通道，具體區(qū)別特征見圖 1.2。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P618.13


本文編號：2705630