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上扬子区下寒武统页岩高温高压甲烷吸附与页岩气赋存

冯光俊  
【摘要】:甲烷吸附是页岩气赋存的核心,对揭示页岩气富集成藏机理及资源量精确评估具有重要意义。论文以上扬子区下寒武统暗色页岩为研究对象,围绕原位储层高温高压甲烷吸附与页岩气赋存这一核心科学问题,采用资料调研、野外调查、实验测试、模型计算、理论分析的思路展开系统研究,凝练出如下成果与认识:(1)上扬子区下寒武统页岩广泛发育,下段为深水-半深水陆棚沉积,上段为浅水陆棚沉积,由矿物岩石学特征识别出5种岩相类型,其中炭质页岩和炭质硅质页岩是形成页岩气储层的优质岩相类型。下寒武统页岩储层矿物组成复杂多样,以石英和粘土矿物为主,含有长石、碳酸盐类矿物及少量黄铁矿,粘土矿物主要为伊利石和伊/蒙混层。下寒武统页岩干酪根稳定碳同位素δ~(13)C值介于-34.7‰~-31.0‰,属于Ⅰ型干酪根;有机质丰度整体较高,TOC含量平均为3.65%,下段TOC含量明显高于上段;等效镜质组反射率和激光拉曼光谱学分析表明有机质演化处于过成熟阶段。(2)借助手标本观察、光学显微镜和氩离子抛光-射扫描电镜定性-半定量研究了下寒武统页岩孔裂隙发育形貌及成因类型,识别出5类裂缝类型和3大类6亚类孔隙类型,有机质孔、脆性矿物边缘粒间孔及微裂缝相对发育,过成熟演化和深埋压实作用致使部分孔隙塌陷闭合。联合高压压汞、低压氮气吸附和二氧化碳吸附实验全尺度定量表征显示下寒武统页岩孔隙度偏低,孔径整体较小,微孔优势发育而宏孔发育不足,孔径分布为微孔单峰型和微孔-介孔双峰型,孔隙结构具有分形非均质性。有机质是下寒武统页岩微纳米孔发育的物质基础,石英等脆性矿物搭建的刚性骨架结构是避免储层孔隙遭受压实破坏的重要保障。(3)开展系列温度下高压甲烷吸附实验,系统分析超临界甲烷过剩吸附高压段“倒吸附”的定量特征、影响因素、理论成因及其地质意义。对比研究超临界甲烷吸附表征模型适用性,通过吸附相体积、吸附分子层数计算及吸附热动力学分析,揭示了超临界甲烷吸附为放热的物理吸附过程,吸附机理为三维堆积的微孔充填吸附与二维铺展的单层吸附并存。页岩储层超临界甲烷吸附具有温度依赖性,温度对过剩吸附的影响效应在一定高压时出现反转;随着温度升高,最大吸附量和吸附相密度线性减小,而吸附饱和所需的压力不断增大,页岩吸附能力减弱。甲烷吸附控制因素分析表明微孔结构是页岩吸附能力的直接主控因素,有机质具有更高的表面自由能可以促进甲烷吸附。(4)构建了原位储层吸附气和游离气含量精确估算模型,对比分析了吸附模型选择及计算方法对原位含气量(尤其是深层页岩气)精确估算的影响,模型地质外推阐明了原位储层页岩气赋存对各类地质要素的差异响应。揭示了现今储层温压场-地层水耦合控制下页岩气赋存随深度变化的相态分布规律,随储层埋深增大,吸附气含量先迅速增加后缓慢减小,游离气含量先快速增加后缓慢增加,吸附气和游离气赋存存在“等量点”,转换深度随含水饱和度的增加向深部迁移。提出了页岩气赋存在垂向上的优势赋存深度带概念,由浅至深依次为浅部吸附气优势带、优势相态转换带和深部游离气优势带,可为不同埋深储层页岩气高效勘探开发提供理论参考。(5)剖析了研究区QJ1井下寒武统筇竹寺组页岩埋藏-受热-生烃演化史,判识主力生气充注期在晚泥盆世至晚二叠世之间。结合覆压孔渗和核磁共振实验,分析储集空间演化和储集能力演化,揭示了储层埋藏沉降-构造抬升过程中页岩气赋存相态动态转化的“四段式”模式:未成熟生物气吸附、成熟热解气吸附、吸附气解吸转化和游离气吸附转化,进一步结合保存条件阐明了储层超压/欠压及吸附欠饱和的地质成因。基于突破压力、扩散系数和渗透率测试,分析了储层自封闭性及页岩气扩散运移各向异性。明确了有机质过度演化和封闭性较差的底板条件是上扬子区下寒武统页岩气富集成藏的主要风险因素,勘探开发应重点关注适中的热演化程度和有利的保存条件。该论文有图120幅,表27个,参考文献278篇。


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