中国南方寒武系富有机质页岩具有很大的页岩气资源潜力,但不同地区的勘探效果差异较大。本文分析了近年来我国寒武系页岩含气性研究进展,讨论了寒武系页岩的储层特征、总有机碳(TOC)含量、孔隙度和构造保存条件等因素对页岩含气性的影响。中上扬子地区的寒武系富有机质页岩主要发育在绵阳—长宁裂陷槽、鄂西裂陷槽和湘黔渝深水陆棚—斜坡等沉积相区。寒武系页岩的孔隙度主要分布在1%~6%,孔隙以微孔和介孔占主导,总体以孤立密集发育的海绵状有机孔为主,区别于志留系龙马溪组页岩极为发育的气泡状有机孔。位于裂陷槽环境的寒武系筇竹寺组/水井沱组页岩的有机孔隙发育程度较好(有机质平均面孔率可达20%~50%),且无机孔也对总孔隙度有所贡献;页岩现今含气量为1.5~5.5 m³/t,是理论总生成气量的10%~30%(最大甚至超过50%),反映页岩气保存条件总体较好。而位于深水陆棚—斜坡环境的寒武系牛蹄塘组页岩有机孔发育程度较差(有机质平均面孔率小于20%),页岩现今含气量基本小于1.0 m³/t,不足理论总生成气量的10%,反映页岩气可能发生过大规模散失,页岩气保存条件较差。中上扬子地区寒武系富有机质页岩底部通常存在区域性的不整合面,在沉积之后也普遍经历过强烈的后期构造抬升作用,均可能造成油气的散失。相比之下,绵阳—长宁裂陷槽和鄂西裂陷槽环境下的寒武系页岩孔隙发育情况和构造保存条件相对较好,富有机质层段内发育的钙质页岩/泥灰岩夹层可能会限制油气在垂向上的运移和散失,为寒武系页岩气的保存创造了有利条件,应是寒武系页岩气勘探的重点目标,这也与我国目前的寒武系页岩气勘探实际相对应。

本文选取鄂西宜昌地区流溪ZK003井水井沱组页岩岩心样品13块,开展破碎气测试分析,并结合TOC含量、矿物组成含量以及邻近地区高氮气井—秭地1井的解吸气特征,综合探讨鄂西宜昌地区寒武系页岩气中氮气成因和富集机理。结果表明,研究区水井沱组页岩样品破碎气含量为1.45~14.75 μL.STP/g,变化大,主要受控于页岩中碳酸盐矿物丰度;破碎气以氮气和甲烷为主,相对含量分别为7.92%~86.27%和10.10%~90.88%,且氮气含量明显受控于页岩中TOC含量和黏土矿物含量,并与页岩破碎气含量呈良好的负相关关系。破碎气主要保存在方解石、白云石、黏土矿物及有机质封闭孔隙中,高—过成熟阶段有机质中氮和铵基黏土矿物中氮的释放是水井沱组富有机质页岩中氮气的主要来源。此外,持续性构造抬升剥蚀等地质过程不仅可能造成页岩气散失,还会导致氮气的相对富集。结合我国南方不同地区古生界海相页岩气中氮气含量和氮同位素组成特征的对比分析发现,寒武系页岩气中氮气含量(2.69%~98.92%)远高于下志留统龙马溪组页岩气(0.01%~9.30%)。鄂西宜昌地区水井沱组页岩气中氮气δ¹⁵N_N2相较于其他地区明显偏重(Δ¹⁵N_N2=1.5‰~12.7‰),可能与铵基黏土矿物高温热裂解成因氮气有关。