本文以川東焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖與湘西慈利地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖為主要研究對(duì)象。通過(guò)鉆井巖心資料、薄片資料、巖樣分析測(cè)試數(shù)據(jù)獲得龍馬溪組頁(yè)巖和牛蹄塘組頁(yè)巖的儲(chǔ)層特征。通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)了兩組頁(yè)巖的有機(jī)孔、粒間孔和粒內(nèi)孔的顯微特征;通過(guò)CO_2吸附、N_2吸附和高壓壓汞實(shí)驗(yàn)分別表征了兩組頁(yè)巖的微孔、中孔和大孔的孔徑分布。利用圖像分形理論計(jì)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(jì)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(jī)質(zhì)頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)。通過(guò)引入吸附勢(shì)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(chǔ)上,分別闡述了龍馬溪組儲(chǔ)層和牛蹄塘組儲(chǔ)層的頁(yè)巖氣賦存機(jī)理與演化規(guī)律。論文取得的認(rèn)識(shí)與主要研究成果如下:1、龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)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(yè)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(zhǎng)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(dá)過(guò)成熟階段,TOC平均含量2.66%,下部?jī)?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段TOC含量高。牛蹄塘組頁(yè)巖為深水陸棚沉積,以灰質(zhì)頁(yè)巖與炭質(zhì)頁(yè)巖為主。礦物組分多石英、粘土和碳酸鹽,含長(zhǎng)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(dá)過(guò)成熟階段,TOC平均含量2.46%。2、掃描電鏡下有機(jī)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(jī)孔與粒間孔連通性好,粒內(nèi)孔多孤立存在。對(duì)比不同巖相頁(yè)巖的有機(jī)孔發(fā)現(xiàn),硅質(zhì)巖相有機(jī)孔數(shù)量少,但孔徑相對(duì)較大,混合質(zhì)巖相有機(jī)孔數(shù)量較多,相對(duì)硅質(zhì)巖相孔徑較小;粘土質(zhì)巖相有機(jī)孔數(shù)量少而且孔徑小。牛蹄塘組頁(yè)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(shí)驗(yàn)的聯(lián)合孔徑分布顯示龍馬溪組頁(yè)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(yè)巖孔隙發(fā)育優(yōu)于牛蹄塘組。龍馬溪頁(yè)巖儲(chǔ)層中硅質(zhì)相頁(yè)巖整體相比于粘土相頁(yè)巖、混合相頁(yè)巖具有較大的孔隙體積和比表面積,更有利于頁(yè)巖氣賦存。頁(yè)巖組分中,有機(jī)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(duì)孔隙空間具有一定程度的貢獻(xiàn)。3、頁(yè)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(jī)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(jiǎn)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(jì)算微孔和中孔的分形維數(shù),龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)比牛蹄塘組更加復(fù)雜。龍馬溪組頁(yè)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(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)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(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行多參數(shù)定量化表征,發(fā)現(xiàn)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙的發(fā)育較好,孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙的發(fā)育較差,孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。4、依據(jù)吸附勢(shì)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(guò)超臨界態(tài)DA模型與三參數(shù)Langmuir模型、SDR模型對(duì)比,認(rèn)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(yè)巖下部?jī)?yōu)質(zhì)層段的吸附能力強(qiáng)于上部層段,且儲(chǔ)層整體的吸附能力強(qiáng)于牛蹄塘組。頁(yè)巖吸附能力受多種因素控制,其中TOC含量有利于增強(qiáng)頁(yè)巖的吸附能力,兩組頁(yè)巖中的粘土礦物中缺乏蒙脫石,因此,粘土礦物對(duì)頁(yè)巖吸附的貢獻(xiàn)不顯著。頁(yè)巖孔隙的比表面積有助于頁(yè)巖的吸附,且孔隙結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單,孔隙表面對(duì)甲烷的吸附越均衡。水分通常能降低頁(yè)巖的吸附能力,牛蹄塘組頁(yè)巖相比龍馬溪組頁(yè)巖的親水性更強(qiáng)。溫度增加會(huì)降低頁(yè)巖的吸附能力,壓力促使吸附量增加,但兩組頁(yè)巖對(duì)溫度、壓力的敏感程度不同�；谖絼�(shì)理論構(gòu)建的吸附特征方程可通過(guò)吸附勢(shì)表征吸附量,能有效包含溫度、壓力兩個(gè)參數(shù),體現(xiàn)出溫度—壓力耦合變化對(duì)吸附量影響。5、儲(chǔ)層原地含氣量與儲(chǔ)層不同深度下含氣量的變化規(guī)律,揭示了有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在地層溫度—壓力的耦合控制作用下,儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)層在垂相上頂?shù)字g溫度、壓力接近,吸附氣賦存主要儲(chǔ)層巖性因素控制,TOC含量為主控因素,同時(shí)受儲(chǔ)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(chǔ)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(yè)巖儲(chǔ)層含氣性的演化規(guī)律顯示出,生烴過(guò)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(chǔ)層含氣性較好。牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙發(fā)育較差,相對(duì)缺少游離氣的賦存空間,而有機(jī)質(zhì)含量較高,能有效保存吸附氣。
【學(xué)位單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(yáng)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(jiàn)圖 2.1。

坪組為灰—深灰色燧石灰?guī)r間夾硅質(zhì)泥巖；長(zhǎng)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(yáng)子臺(tái)坳內(nèi)，在地質(zhì)歷史上跨越了多個(gè)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(jiàn)圖 2.3。從東南到石柱復(fù)向斜、方斗山復(fù)背斜、萬(wàn)縣復(fù)向斜，同時(shí)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(tái)向坎背斜帶四個(gè)四級(jí)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(duì)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(jiǎn)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(wàn)縣復(fù)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(fù)向斜、宜都—鶴峰復(fù)背斜帶、花果坪復(fù)向斜復(fù)向斜帶。其中桑植—石門復(fù)向斜帶為湘鄂西最南端的一個(gè)二級(jí)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(zhǎng)軸線狀褶皺，向斜褶皺較寬窄陡，復(fù)向斜內(nèi)有次一級(jí)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(duì)較緩，斷裂發(fā)生在褶皺南翼。宜都—鶴峰復(fù)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(fù)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(yáng)子地臺(tái)基底是中深變質(zhì)的太古宇和元古界地層。

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