摘要：

我国南方寒武系页岩有机质丰度高、脆性矿物含量高、分布面积广、资源潜力大,是继四川盆地及其周缘地区志留系龙马溪组页岩气勘探开发之后的重要接替层系。近年来已在川西南威远及井研─犍为、鄂西宜昌和陕南汉中等地区的寒武系页岩中获得了工业气流,显示了良好的勘探前景,但整体勘探程度低,理论研究薄弱。不同地区寒武系海相页岩含气性差异大、局部氮气含量高、孔隙发育机制尚未明确,无法直接沿用五峰组—龙马溪组页岩含气性预测方法,因而急需完善和发展我国南方高过成熟海相页岩气成藏理论,为寒武系页岩气勘探提供科学依据。本专辑是国家自然科学基金重点项目 “中国南方寒武系页岩有机质、流体和孔隙演化耦合机制研究” 取得的阶段性成果汇总,主要包括以下5个方面:(1)页岩含气性主控因素;(2)页岩地质、地球化学特征;(3)页岩孔隙特征;(4)页岩成气、保存的流体包裹体特征;(5)新技术、新方法研究实例。

在寒武系页岩含气性主控因素方面,共有2篇论文。张同伟等综合整理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、TOC、孔隙度和构造保存条件等对寒武系页岩含气性的影响。研究发现:在寒武系页岩气突破区,现今的寒武系页岩含气量为理论总生成气量的10%~30%(最大甚至超过50%),页岩含气量与现今埋深没有关联,绵阳—长宁裂陷槽和鄂西裂陷槽环境下寒武系页岩相对较好的孔隙发育情况和构造保存条件为寒武系页岩气的保存创造了有利条件;而在未突破区,寒武系页岩含气量不到理论总生成气量的10%,表明页岩气发生过大量散失,寒武系富有机质页岩底部区域性发育的不整合面及强烈的后期构造抬升作用很可能是造成页岩气散失的主要因素。孟康等通过对鄂西宜昌地区寒武系水井沱组页岩破碎气地球化学特征及其对页岩含气性的指示意义研究,指出:页岩气中氮气可能来源于高过成熟阶段有机质中氮和铵基黏土矿物中氮的释放;持续性构造抬升是造成页岩气散失和氮气相对富集的重要因素。

在寒武系页岩地质、地球化学特征研究方面,共有4篇论文。潘晓强等通过对宜昌地区水井沱组中主要生物类型、古生物组合面貌及其时空分布的总结,认为鄂西地区水井沱组黑色岩系具有很大的页岩气勘探开发潜力。何陈诚等通过中—上扬子地区下寒武统筇竹寺阶泥页岩差异成气过程分析,提出优质烃源岩主要分布于绵阳—长宁裂陷槽、湘鄂西裂陷槽、川东—黔北深水陆棚相和斜坡盆地相。受区域构造沉积演化控制,筇竹寺泥页岩存在两种成烃演化模型。罗欢等通过鄂西宜昌地区寒武系页岩过剩钡成因研究,发现中—上扬子地区寒武系富有机质页岩普遍富集Ba,Ba过剩有热液成因和生物成因两种来源,Ba过剩Eu异常图版可用于推测其主要来源,宜昌地区较高的古生产力水平和强还原条件为有机质的来源和保存提供了物质基础和有利条件。张瑜等通过鄂西宜昌地区寒武系水井沱组页岩生物成因硅特征研究,首次揭示了水井沱组具有明显的二分段性,富有机质层段存在较多生物成因硅,且硅质来源明显不同。富有机质页岩一段比二段生物成因硅占比高、贡献大,生物成因硅主要通过对有机质富集和储层孔隙发育两方面影响着宜昌地区寒武系页岩气的富集。

在寒武系页岩孔隙特征研究方面,共有5篇论文。吴陈君等通过黔北地区牛蹄塘组页岩有机质富集及有机质孔隙发育机制研究,指出黔北地区牛蹄塘组中段富含黏土矿物的中等TOC含量页岩段的孔体积和孔比表面积较底部贫黏土矿物的高TOC含量页岩段更高,有机质孔发育更好,为更有利的页岩气富集层段。唐玄等通过对黔北寒武系牛蹄塘组页岩孔隙分形表征研究,指出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,有机质微孔具有很强的自相似性,而无机矿物孔隙自相似性因地区而有差异。马子杰等通过上扬子地区寒武系牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育特征及主控因素的研究,将牛蹄塘组页岩分为硅质、钙质、过渡型三种类型,其中硅质页岩中运移有机质含量高,有机面孔率8%~28%,钙质页岩原生有机质含量高,有机面孔率2%~12%,黏土矿物的吸附和催化作用有利于硅质页岩有机孔隙发育。张六六等通过宜昌地区寒武系页岩岩石小柱体吸水实验及氦孔隙度测定分析研究,揭示了有机质含量和矿物组成是影响孔隙发育的主要影响因素;泥页岩吸水特征及富有机质层段顶底板封隔性的研究,明确了宜昌地区寒武系水井沱组二段是页岩气勘探的“甜点段”。邵德勇等通过美国EagleFord页岩样品的高温高压黄金管实验模拟,揭示了泥岩微观组构对有机质赋存形式和孔隙发育的影响,揭示了微观组构、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,为进一步揭示我国高过成熟寒武系页岩中有机质孔隙的发育载体和保存机制提供了重要研究思路。

在寒武系页岩成气、保存的流体包裹体特征研究方面,共有2篇论文。刘秀岩等以重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组为例,研究了页岩气成气过程的流体包裹体证据,发现下寒武统牛蹄塘组页岩气演化可以划分为初次生油阶段、原油裂解为湿气阶段、湿气二次裂解为干气阶段和页岩气散失阶段,与酸性流体活动伴随的异常高温对页岩油向页岩气的快速转化起到了关键作用。肖雪薇等以湘西吉首斜坡带湘吉地1井中流体包裹体研究为依据,揭示了与烃类演化相关的早—中奥陶世、早志留世、早—中三叠世和古近纪四期流体活动,初步探索了下寒武统牛蹄塘组页岩的流体活动与页岩气成烃演化过程。

在新技术、新方法研究实例方面,共有2篇论文。宋辉等以鄂阳页1井为例,利用ImageJ软件批量统计SEM 图像中草莓状黄铁矿粒径、微晶粒径及形态等信息,探讨了其对古环境的指示意义,草莓状黄铁矿作为最主要的赋存形式,其粒径(D)、微晶粒径(d)、D/d 值以及微晶晶型等相关参数在垂向上呈现明显变化,反映了下寒武统水井沱组沉积时自下而上还原性逐渐减弱的演变。陈宗铭等基于深度学习的页岩扫描电镜图像有机质孔隙识别与比较,对比U-Net模型、Mask R-CNN模型和FCN模型,发现U-Net模型识别精度高(相对误差0.3%~2.6%)且耗时短(识别速度提高300多倍),在页岩微观地质图像识别方面具有优势。

我们希望该专辑的出版在推动我国寒武系页岩气成藏理论研究、勘探评价和开发等的发展中发挥积极作用,并期待更多的学者和页岩气勘探一线地质工作者更加关注页岩气资源的研究,为提升我国能源矿产保障能力、服务国家矿产资源重大战略做出更大贡献。

本专辑共有15篇论文,感谢作者和评审专家的辛勤劳动,以及《地学前缘》编辑部各位同志的辛苦付出。