四川長寧和重慶涪陵頁巖氣田是我國現(xiàn)今的海相頁巖氣開發(fā)的重點區(qū)域，分別位于上奧陶統(tǒng)五峰組至下志留統(tǒng)龍馬溪組在川南和川東的兩個沉積中心。兩個地區(qū)的五峰-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖的平均TOC含量和厚度相似，但是頁巖的孔隙度和含氣量卻存在顯著差異（圖1），如長寧和涪陵頁巖氣田高產(chǎn)層段的頁巖氣含氣量為2.4–5.5 m3/t和4.7–7.2 m3/t（鄒才能等，2016），造成這一差異的主控地質(zhì)因素尚不是很明確。近期廣州地化所廖玉宏研究員課題組以四川省長寧縣雙河鎮(zhèn)（SH-1井）和重慶市南川區(qū)三泉鎮(zhèn)（SQ-1井）兩口自鉆淺井為研究對象，全面分析了川南和川東兩個沉積中心的五峰-龍馬溪組頁巖在有機質(zhì)豐度（TOC）、礦物成分、孔隙度以及孔隙結(jié)構(gòu)上的差異，并與涪陵頁巖氣田的JY4井頁巖進行了對比。SH-1井位于川南低陡褶皺帶，SQ-1井和JY4井位于川東高陡褶皺帶，更靠近齊岳山逆沖大斷裂，因此，SH-1井頁巖受到的擠壓變形較弱。另外幾個地區(qū)的五峰-龍馬溪組頁巖沉積環(huán)境也存在差異，為研究五峰-龍馬溪組頁巖微觀孔隙和含氣性的主控地質(zhì)因素提供了良好條件。
圖1. JY1井、SQ-1井和SH-1井五峰-龍馬溪組頁巖的頁巖氣潛力參數(shù)
在同一口井，碳酸鹽礦物含量較低的頁巖樣品的孔容和比表面積與TOC具有良好的線性相關(guān)關(guān)系（圖2），說明TOC是決定頁巖物性及含氣性的主要因素之一。此外，具有相似TOC值和碳酸鹽礦物含量的頁巖樣品的Vtotal遵循SH-1＞SQ-1＞JY4（圖2），表明較弱的構(gòu)造擠壓變形有利于五峰-龍馬溪組頁巖的孔隙保存，因而不是長寧地區(qū)峰-龍馬溪組頁巖孔隙度和含氣性相對較差的主控地質(zhì)因素。
圖 2. SH-1井、SQ-1井和JY4井五峰-龍馬溪組頁巖樣品納米孔體積與TOC的關(guān)系。
我國南方地區(qū)奧陶系的沉積地層主要為碳酸鹽巖，黔中隆起的抬升導致碳酸鹽地層的剝蝕，導致相鄰的川南沉積中心發(fā)育的五峰-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段具有更高的碳酸鹽礦物含量。SH-1井五峰-龍馬溪組頁巖的測試結(jié)果顯示，碳酸鹽礦物含量增加10%，具有相似TOC值的頁巖樣品的總孔體積（Vtotal）和總比表面積（Stotal）均減少約30%（圖3）。
圖3. SH-1井五峰-龍馬溪組頁巖中具有相似TOC樣品的納米孔體積與碳酸鹽礦物含量的關(guān)系。A) 微孔體積 (Vmic) vs 碳酸鹽礦物含量; B) 中孔體積 (Vmes) vs 碳酸鹽礦物含量; C) 宏孔體積 (Vmac) vs 碳酸鹽礦物含量; D) 總孔體積 (Vtotal = Vmic + Vmes + Vmac) vs 碳酸鹽礦物含量.
場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像也支持上述結(jié)論。高碳酸鹽礦物含量的頁巖樣品的粒間孔大多被碳酸鹽膠結(jié)物填充，碎屑顆粒之間呈線狀或鑲嵌狀接觸，孔隙空間的連通性差，焦瀝青中發(fā)育的有機孔孔徑較小，部分有機質(zhì)顆粒甚至被隔離于孔隙網(wǎng)絡(luò)空間之外（圖4）。說明五峰-龍馬溪組頁巖的物性特征明顯受到了碳酸鹽礦物膠結(jié)作用的顯著影響，游離氣和吸附氣的儲存空間降低。
圖4. SH-1井龍馬溪組頁巖樣品高碳酸鹽含量的SH-147a (碳酸鹽礦物=22.5%, TOC=4.2 wt.%)的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像。
與SQ-1井的孔體積和比表面積僅僅表現(xiàn)出與TOC具有非常好的線性關(guān)系有所不同，SH-1井的孔體積和比表面積很明顯既受到TOC的影響又受到碳酸鹽礦物的影響，因此川南地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖的高有機質(zhì)層段并不必然具有高孔容和高比表面積特征(圖5)。碳酸鹽膠結(jié)作用對孔隙和裂縫的充填，抵消了川南弱構(gòu)造擠壓變形帶來的孔隙更為發(fā)育的優(yōu)勢。
圖5：SH-1井和SQ-1井五峰-龍馬溪組頁巖總有機碳含量（TOC）、碳酸鹽礦物含量以及壓汞孔隙度深度圖
上述結(jié)果系統(tǒng)明確了頁巖的TOC、碳酸鹽礦物膠結(jié)和構(gòu)造擠壓變形對川南地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)及含氣性的影響，對于我國海相頁巖氣的勘探和開發(fā)具有重要理論意義。該研究主要得到了中國科學院先導專項（B類）的資助。論文發(fā)表在石油地質(zhì)國際主流期刊《AAPG Bulletin》上，第一作者為在站博士后鄭益軍，通訊作者為廖玉宏研究員，共同作者還包括王云鵬研究員、熊永強研究員和彭平安院士。該論文提供的廖玉宏研究員在重慶石柱縣漆遼五峰-龍馬溪組頁巖剖面考察的照片被選為該雜志本期封面（圖6）。
圖6：《AAPG Bulletin》當期封面
論文信息：
Zheng, Y.(鄭益軍), Liao, Y.*(廖玉宏), Wang, Y.(王云鵬), Xiong, Y.(熊永強), Peng, P.(彭平安), 2022. The main geological factors controlling the Wufeng–Longmaxi formation shale gas content. AAPG Bulletin 106(10), 2073–2102.
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