摘要
尽管天然裂缝和人工裂缝是页岩气高产的关键因素，但大量的页岩气勘探开发经验表明，页岩基质渗透率是决定页岩气稳产和经济开发的重要参数。由于页岩本身的非均质性较强，使得页岩的基质渗透率具有强烈的各向异性，而目前对于页岩基质渗透率各向异性的表现形式和影响因素了解甚少，尤其是缺乏孔隙结构对渗透率各向异性影响微观机制的研究。本论文以我国中上扬子地区下古生界海相富有机质页岩为研究对象，首先通过X射线微米CT扫描技术剔除有裂缝发育的样品，然后采用立方体样品结合3D打印岩心夹持器的方式精确表征页岩三轴方向的基质渗透率特征，最后综合薄片观察、聚焦离子束扫描电镜三维切割和重构以及低温气体吸附等技术手段研究页岩的岩石组构、有机质孔隙和无机矿物孔隙结构特征，从微观尺度揭示页岩基质渗透率各向异性的成因机制。 研究发现页岩平行层理方向的基质渗透率比其垂直层理方向的基质渗透率高出1～2个数量级，而且同一个样品两个平行层理方向的基质渗透率也具有较大的差异。其中，上扬子东部渝东南地区下寒武统牛蹄塘组页岩水平方向的基质渗透率在42.8nD～189.4nD之间，平均值为99.4nD，而垂向上页岩基质渗透率平均值仅为5.4nD，水平方向与垂直方向基质渗透率的比值介于9.8～29.6之间，两个水平方向的基质渗透率比值介于1.4～2.3之间；渝东北地区下寒武统水井沱组页岩平行层理方向的渗透率平均值为2861.8nD，垂向上页岩渗透率在11.3nD～27.8nD之间，平均为19.2nD，水平方向与垂直方向渗透率的比值介于55.5~277.4之间，两个平行层理方向渗透率比值介于2.6~4.4之间；湘中地区下寒武统牛蹄塘组页岩水平方向页岩基质渗透率的平均值为31.7nD，而垂直层理方向上基质渗透率平均值仅为7.6nD，水平方向与垂直方向基质渗透率的比值介于3.4～5.1之间，两个水平方向的基质渗透率比值介于1.2～1.4之间；渝东南地区XY3井五峰组页岩水平方向上基质渗透率的平均值为48.6nD，而垂向上页岩基质渗透率的平均值为11.9nD，水平方向与垂直方向基质渗透率的比值介于2.3～10.3之间，两个平行层理方向的基质渗透率比值介于1.1～2.0之间；YC8井龙马溪组页岩水平方向基质渗透率平均值为79.9nD，而垂直层理方向的页岩基质渗透率平均值仅为6.5nD，水平方向与垂直方向基质渗透率的比值介于6.9～20.5之间，两个水平方向基质渗透率比值介于1.4～2.3之间。 页岩基质渗透率主要受岩石的微观结构控制，其中矿物组构和孔隙结构特征是决定页岩基质渗透率的关键因素。研究表明矿物颗粒沿长轴方向的定向排列大大增加了页岩的基质渗透率，也使得其基质渗透率各相异性特征（平行层理方向与垂直层理方向基质渗透率比值可达29.6，两个平行层理方向基质渗透率比值可达2.3）远高于矿物颗粒非定向排列的页岩（平行层理方向与垂直层理方向基质渗透率比值仅为3.4，两个平行层理方向基质渗透率比值仅为1.1）。石英含量的增加，增强了页岩矿物组构的无序性，使得页岩基质渗透率变低，尤其是当石英含量高于50%时，页岩基质渗透率显著降低。低温气体吸附研究发现，页岩微孔和介孔的数量以及总孔体积与页岩基质渗透率之间均呈现良好的正相关关系，这说明微孔和介孔对气体在页岩基质中的流动非常重要，页岩微孔和介孔越发育，页岩的基质渗透率越高。页岩微裂隙的渗流能力高于孔隙，微裂隙和孔隙的空间连通性决定着水平方向上的基质渗透率。但是样品的埋藏深度、孔隙度以及TOC含量与页岩基质渗透率之间并未呈现明显的相关关系。 针对富含生物化石的页岩样品，重点研究了生物化石及其与矿物之间的组构关系、笔石有机质残余情况及其孔隙发育特征。研究结果表明，生物化石有机质发育纳米级孔隙，其与矿物接触边缘也发育大量微裂隙。生物化石有机质的存在，大大增加了页岩平行层理方向上的基质渗透率。其中笔石定向排列的页岩，其沿笔石长轴方向的基质渗透率远高于另一水平方向；而笔石和介壳化石非定向排列的页岩，其相互垂直的两个平行层理方向基质渗透率差别较小。
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