摘要
我国南方下寒武统页岩具备很大的资源潜力，但因其有机质普遍进入石墨化阶段，且矿物组成复杂，导致孔隙系统的高度非均质性，特别是对页岩有机质纳米孔隙的演化机制仍认识不足，在一定程度上增加了页岩气的勘探风险。为此，本研究以中上扬子地区牛蹄塘组的三组不同成熟度的页岩(ZD2井、SZD1井和FY1井)为对象，在研究页岩和干酪根组成与特征的基础上，重点对纳米孔隙结构及其非均质性进行了定量表征，并进一步探讨了其主控因素与演化机制。 研究表明，牛蹄塘组页岩普遍为富有机质页岩，主要由石英和黏土矿物组成。通过拉曼光谱测试和高分辨率透射电镜观察发现页岩处于过成熟阶段，其干酪根已发生不同程度的石墨化。采用X射线光电子能谱(XPS)对页岩有机质的石墨化程度(DGOM)进行定量表征，结果表明ZD2井、SZD1井和FY1井样品的DGOM分别为8.38-10.78％、12.77-18.56％和19.89-24.15％。成熟度的增加或压实作用的增强均对石墨化进程起到明显的促进作用，由此导致生物石英和黏土矿物对DGOM也起到一定的控制作用。 采用光学显微镜与场发射扫描电镜发现:页岩中的储集空间主要包括粒间孔、矿物粒内孔、有机质孔隙和微裂缝，其中有机质孔隙是储层中最为发育的孔隙类型，可发育于独立的有机质颗粒内部，以及与脆性矿物或黏土矿物相结合的有机质颗粒中;页岩中的主要显微组分是焦沥青和类镜质体，前者发育较多的孔隙，而后者的成孔能力很差，显微组分类型的差异是有机质孔隙非均质性的重要原因。低压N2和CO2吸附实验结果表明，页岩中发育大量纳米级孔隙，其中孔隙体积主要由介孔贡献，比表面积则主要来源于微孔和介孔。而干酪根的孔隙体积和比表面积明显大于其对应的页岩样品，干酪根的孔隙体积主要来源于介孔和宏孔，比表面积主要由微孔和介孔所贡献。 页岩总有机碳(TOC)含量对微孔发育具有明显的积极作用，但由于有机质的高塑性和强压实作用，过高的TOC含量会造成有机质介孔-宏孔的损失。页岩中矿物对于孔隙结构的影响较为复杂，无机孔隙度主要由黏土矿物所提供，而非石英。并且有机质-黏土复合体对有机质孔隙也具有一定的保护作用。 随着成熟度的增加，有机质纳米孔隙的体积和比表面积均呈现出先增大后减小的演化趋势，并在EqVRo=3.5％左右时达到最大值。石墨化作用是过成熟阶段有机质孔隙减少的主要机制，并对不同尺寸孔隙的影响存在差异。以DGOM=19％为临界点，随着DGOM的增加，有机质微孔呈现先增加后减少的演化趋势，但石墨化作用始终不利于介孔-宏孔的保存。 对页岩及其干酪根样品的微孔分形特征（DS）和非微孔分形特征（DF1和DF2）的研究发现，页岩的分形维数整体上高于干酪根。相比于Ⅱ2-Ⅲ型干酪根，本研究干酪根（Ⅰ-Ⅱ1型）具有较低的DF1和较高的DF2,并且有机质孔隙在储层孔隙非均质性起到主导作用。页岩的TOC含量对DF1和DF2有重要影响，而无机矿物仅对DF1起到一定的控制作用。随着热演化作用的增强，DS随之增加，而DF1和DF2呈现出先增大后减小的演化趋势，转折点在EqVRo为3.5％附近。同时，显微组分类型的差异也是孔隙非均质性的重要诱因。上述研究成果深化了对牛蹄塘组页岩孔隙特征与演化机制的认识，并为其页岩气勘探开发提供了一定的理论指导。
NETL