基于上扬子黔北地区下寒武统牛蹄塘组典型钻孔剖面,通过对代表性样品TOC含量、矿物组成、主量元素、微量元素、孔隙特征等测试分析,对黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩有机质特征、沉积环境以及孔隙发育机制开展了系统研究,为黔北地区牛蹄塘组页岩气的勘探提供参考。黔北地区牛蹄塘组中、下段发育富有机质页岩,TOC含量平均值为2.53%,TOC含量大于2.0%的富有机质页岩累积厚度约80 m。对氧化-还原环境敏感参数U/Th、Mo/Al和U/Al的研究表明,富有机质页岩形成于强还原性的沉积环境。牛蹄塘组中段富含黏土矿物的中等TOC含量页岩段较底部贫黏土矿物的高TOC含量页岩段孔体积和孔比表面积更高,有机质孔发育更好,可能与剖面下段排烃效率较高有关。富含黏土矿物的中等TOC含量页岩黏土矿物粒间孔较为发育,为生烃期原油或者运移沥青提供了一定的储集空间,并在更高热演化条件下二次裂解成气产生有机质孔。牛蹄塘组中段中等TOC含量页岩段较底部的高TOC含量页岩段为更有利的页岩气富集层段。

页岩的孔隙结构是影响页岩气赋存和流动的关键因素,分形维数可以用来定量描述页岩孔隙结构的复杂程度。以黔北地区牛蹄塘组富有机质页岩为例,在扫描电镜、页岩地球化学和矿物组成分析基础上,利用高压压汞和低温氮气吸/脱附法研究了页岩孔隙结构特征参数,利用FHH模型计算了孔隙分形维数,讨论了孔隙结构的影响因素。研究发现:(1)下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩石英含量为39.0%~68.4%;黏土矿物含量为11.5%~28.2%;有机碳含量为2.77%~5.81%,平均为3.81%;有机质成熟度高。(2)氮气吸脱附数据显示BET比表面积为11.954~21.744 m²/g,平均为14.572 m²/g;总孔体积为0.018 6~0.025 9 cm³/g,平均为0.021 4 cm³/g;平均孔径范围在4.773~7.025 nm,平均为5.967 nm。微孔对总比表面积贡献大,而中孔和宏孔对孔隙体积贡献大。(3)基于低温氮气吸附数据获得的页岩孔隙分形维数D₁和D₂分布相对集中(D₁为2.65~2.71,D₂为2.79~2.85),压汞数据的大孔隙分形维数分布范围宽(D_Hg为2.21~2.81),分形维数显示牛蹄塘组富有机质页岩具有以微孔为主的复杂孔隙结构和高度非均质性,孔隙发育具有多重分形特征。(4)分形维数D₂与有机碳含量和微孔体积有明显的正相关关系,显示分形维数D₂可用于有机质孔隙结构表征,而矿物组成对分形维数没有明显影响。研究区牛蹄塘组页岩分形维数与龙马溪组产气页岩较为接近,指示本区页岩具有较好的孔隙结构。

上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气勘探开发程度较低,且不同沉积区域有机质孔隙发育具有明显的差异性。本文针对位于上扬子板块东部鄂西裂陷槽的EYY1井、板块西部浅水陆棚相的W001-4井以及板块北部汉南古陆的SNY1井3个不同沉积区域的钻井样品进行分析,根据矿物组成划分了岩性;利用扫描电镜观察分析了有机质类型及有机质孔隙发育特征,并在此基础上讨论了有机质孔隙发育的主控因素。研究发现:(1)不同区域牛蹄塘组页岩矿物及岩性组成有差异,EYY1井、W001-4井页岩取样段岩性包括硅质页岩、钙质页岩和过渡型页岩3类,而SNY1井取样段岩性均为硅质页岩;(2)牛蹄塘组有机质分为原生有机质和运移有机质,原生有机质均具有较高的C/O比值,平均为6.74;运移有机质C/O值相对较低,平均为2.71;(3)EYY1井与SNY1井有机质孔隙发育较好,面孔率达到6%~28%,而W001-4井有机孔发育较差,面孔率为3%~10%。牛蹄塘组有机孔孔径分布均为单峰型,EYY1井和SNY1井有机质孔隙直径主要分布在2~50 nm,W001-4井样品有机质孔隙大小普遍在5~25 nm;硅质页岩有机质面孔率普遍高于钙质页岩;(4)牛蹄塘组页岩中运移有机质孔隙发育程度好于原生有机质,有机质生烃增孔作用和压实减孔作用相互叠加影响有机孔的发育。黏土矿物是制约页岩有机质孔隙微观发育机制的重要因素,富黏土的硅质页岩可能是寒武系页岩气甜点选择的重要线索。

选取宜昌地区ZK003井寒武系页岩样品为研究对象,运用吸水实验、氦孔隙度测试、有机碳含量测定等方法,并结合矿物组成分析对水井沱组不同层段页岩孔隙发育特征及其影响因素进行对比。研究结果表明:宜昌地区寒武系水井沱组自下而上分为4段,不同层段页岩孔隙特征具有显著的差异,总体表现为TOC含量越高,页岩的单位岩石饱和吸水量越高,初始吸水速率越高,孔隙度也越大。其中富有机质一段和二段页岩TOC含量为1.8%~11.5%,平均为4.6%;页岩氦孔隙度为1.6%~5.8%,平均为3.9%;饱和吸水量为6.1~21.4 mg/g,平均为15.3 mg/g。水井沱组富有机质第一段页岩TOC含量比第二段高,而孔隙度、吸水量、吸水速率却明显比二段偏低,分析发现第一段碳酸盐矿物与吸水量呈良好负相关关系,而第二段页岩黏土矿物含量与岩石吸水量呈明显正相关,因此认为第一段中碳酸盐矿物的化学胶结作用阻碍了微、纳米孔隙的发育,而第二段页岩黏土矿物自身发育的微孔隙和较大比表面积,对水分子起到很强的吸附作用。富有机页岩第二段孔隙度高,顶、底板泥灰岩封隔性好,有利于页岩气的富集和保存,是研究区页岩气优质储层。研究结果可为寒武系页岩优质储层筛选及页岩气勘探的“甜点区”预测提供参考。

以美国Texas州白垩系Eagle Ford页岩为研究对象,采用氩离子抛光-场发射扫描电镜技术,并结合X射线能谱分析,对位于生油窗的原始岩心样品和位于生气窗的柱状模拟样品开展镜下有机质赋存形式和孔隙发育、演化特征研究。结果表明,Eagle Ford页岩样品在镜下的不同微区可以划分出硅质黏土质条带、钙质有孔虫化石和富颗石藻透镜体3种典型组构类型,并且不同类型组构中有机质赋存形式和孔隙发育、演化特征存在显著差异。其中,硅质黏土质条带中富集大量无定形干酪根和少量结构型干酪根,无定形干酪根在生油窗由于结构内部滞留了大量吸附油基本不发育孔隙,到了生气窗伴随吸附油裂解开始形成丰富的纳米级海绵状孔隙,而结构型干酪根由于异常低的生烃潜力,基本不发育孔隙;有孔虫化石腔室内部赋存的有机质代表早期充注的运移沥青,在生油窗发育大量气泡状孔隙和丰富的纳米级海绵状孔隙,但在生气窗纳米级孔隙发生相互融合,则开始以发育微米级孔隙为主;富颗石藻透镜体中赋存的有机质可能代表相对后期充注的运移沥青,在生油窗发育丰富的纳米级海绵状孔隙,并未见气泡状孔,且在生气窗由于异常高的有机质转化率,原矿物粒间孔重新暴露,有机质几乎被消耗殆尽。该研究结果不仅证实了泥岩中有机质孔隙的发育、演化特征受有机质类型和成熟度的双重控制,同时也为从泥岩微观组构、有机质赋存形式和有机孔发育非均质性三者之间的内在联系反演地下富有机质泥岩的生—排—滞留烃过程并揭示高-过成熟阶段有机质孔隙的发育载体和保存机理提供了重要研究思路。