四川长宁和重庆涪陵页岩气田是我国现今的海相页岩气开发的重点区域，分别位于上奥陶统五峰组至下志留统龙马溪组在川南和川东的两个沉积中心。两个地区的五峰-龙马溪组优质页岩的平均TOC含量和厚度相似，但是页岩的孔隙度和含气量却存在显著差异（图1），如长宁和涪陵页岩气田高产层段的页岩气含气量为2.4–5.5 m3/t和4.7–7.2 m3/t（邹才能等，2016），造成这一差异的主控地质因素尚不是很明确。近期广州地化所廖玉宏研究员课题组以四川省长宁县双河镇（SH-1井）和重庆市南川区三泉镇（SQ-1井）两口自钻浅井为研究对象，全面分析了川南和川东两个沉积中心的五峰-龙马溪组页岩在有机质丰度（TOC）、矿物成分、孔隙度以及孔隙结构上的差异，并与涪陵页岩气田的JY4井页岩进行了对比。SH-1井位于川南低陡褶皱带，SQ-1井和JY4井位于川东高陡褶皱带，更靠近齐岳山逆冲大断裂，因此，SH-1井页岩受到的挤压变形较弱。另外几个地区的五峰-龙马溪组页岩沉积环境也存在差异，为研究五峰-龙马溪组页岩微观孔隙和含气性的主控地质因素提供了良好条件。
图1. JY1井、SQ-1井和SH-1井五峰-龙马溪组页岩的页岩气潜力参数
在同一口井，碳酸盐矿物含量较低的页岩样品的孔容和比表面积与TOC具有良好的线性相关关系（图2），说明TOC是决定页岩物性及含气性的主要因素之一。此外，具有相似TOC值和碳酸盐矿物含量的页岩样品的Vtotal遵循SH-1＞SQ-1＞JY4（图2），表明较弱的构造挤压变形有利于五峰-龙马溪组页岩的孔隙保存，因而不是长宁地区峰-龙马溪组页岩孔隙度和含气性相对较差的主控地质因素。
图 2. SH-1井、SQ-1井和JY4井五峰-龙马溪组页岩样品纳米孔体积与TOC的关系。
我国南方地区奥陶系的沉积地层主要为碳酸盐岩，黔中隆起的抬升导致碳酸盐地层的剥蚀，导致相邻的川南沉积中心发育的五峰-龙马溪组优质页岩段具有更高的碳酸盐矿物含量。SH-1井五峰-龙马溪组页岩的测试结果显示，碳酸盐矿物含量增加10%，具有相似TOC值的页岩样品的总孔体积（Vtotal）和总比表面积（Stotal）均减少约30%（图3）。
图3. SH-1井五峰-龙马溪组页岩中具有相似TOC样品的纳米孔体积与碳酸盐矿物含量的关系。A) 微孔体积 (Vmic) vs 碳酸盐矿物含量; B) 中孔体积 (Vmes) vs 碳酸盐矿物含量; C) 宏孔体积 (Vmac) vs 碳酸盐矿物含量; D) 总孔体积 (Vtotal = Vmic + Vmes + Vmac) vs 碳酸盐矿物含量.
场发射扫描电子显微镜图像也支持上述结论。高碳酸盐矿物含量的页岩样品的粒间孔大多被碳酸盐胶结物填充，碎屑颗粒之间呈线状或镶嵌状接触，孔隙空间的连通性差，焦沥青中发育的有机孔孔径较小，部分有机质颗粒甚至被隔离于孔隙网络空间之外（图4）。说明五峰-龙马溪组页岩的物性特征明显受到了碳酸盐矿物胶结作用的显著影响，游离气和吸附气的储存空间降低。
图4. SH-1井龙马溪组页岩样品高碳酸盐含量的SH-147a (碳酸盐矿物=22.5%, TOC=4.2 wt.%)的场发射扫描电子显微镜图像。
与SQ-1井的孔体积和比表面积仅仅表现出与TOC具有非常好的线性关系有所不同，SH-1井的孔体积和比表面积很明显既受到TOC的影响又受到碳酸盐矿物的影响，因此川南地区五峰-龙马溪组页岩的高有机质层段并不必然具有高孔容和高比表面积特征(图5)。碳酸盐胶结作用对孔隙和裂缝的充填，抵消了川南弱构造挤压变形带来的孔隙更为发育的优势。
图5：SH-1井和SQ-1井五峰-龙马溪组页岩总有机碳含量（TOC）、碳酸盐矿物含量以及压汞孔隙度深度图
上述结果系统明确了页岩的TOC、碳酸盐矿物胶结和构造挤压变形对川南地区五峰-龙马溪组页岩微观孔隙结构及含气性的影响，对于我国海相页岩气的勘探和开发具有重要理论意义。该研究主要得到了中国科学院先导专项（B类）的资助。论文发表在石油地质国际主流期刊《AAPG Bulletin》上，第一作者为在站博士后郑益军，通讯作者为廖玉宏研究员，共同作者还包括王云鹏研究员、熊永强研究员和彭平安院士。该论文提供的廖玉宏研究员在重庆石柱县漆辽五峰-龙马溪组页岩剖面考察的照片被选为该杂志本期封面（图6）。
图6：《AAPG Bulletin》当期封面
论文信息：
Zheng, Y.(郑益军), Liao, Y.*(廖玉宏), Wang, Y.(王云鹏), Xiong, Y.(熊永强), Peng, P.(彭平安), 2022. The main geological factors controlling the Wufeng–Longmaxi formation shale gas content. AAPG Bulletin 106(10), 2073–2102.
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