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《中国科学院广州地球化学研究所》 2017年
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构造挤压对页岩孔隙特征及含气性的影响

李恒超  
【摘要】:中国南方下古生界下志留统龙马溪组及下寒武统牛蹄塘组页岩层系厚度大、分布广、有机碳含量高,但经历了多期强烈的构造运动且处于高、过成熟阶段。构造运动及地层温压条件的改变对页岩储集空间和含气量具有明显的改造作用。本文选取了上、下扬子地区处于不同构造位置的志留系、寒武系及奥陶系层位的典型剖面,对采集的页岩样品系统进行了有机地球化学、物性参数、孔隙特征及甲烷吸附性能等方面的测试及对比研究;通过模拟实验开展了不同挤压压力条件下页岩孔隙演化规律及三轴挤压条件下页岩孔隙保存状况的研究。综合以上研究,讨论构造挤压在不同条件下对页岩孔隙特征的影响,建立构造改造与页岩储集空间之间的联系。主要成果及认识如下:(1)构造作用对页岩孔隙特征影响明显,位于构造相对稳定地带的页岩孔体积明显大于构造活动带页岩;同构造活动带页岩相比,稳定带页岩具有更高的BET比表面积及介孔和大孔体积,但微孔体积差异较小。表明构造挤压对介孔和大孔破坏作用较大,微孔受构造挤压影响较小。(2)长7段页岩高温高压熟化实验表明,系统提供的机械压力越高,页岩介孔和大孔体积受破坏程度越大,但挤压压力对微孔影响较小;系统内部生、排烃提供的流体压力越高,页岩有机质孔越发育。常温三轴挤压条件下页岩变形和破坏的过程中,不同尺度孔隙的孔体积和表面积均明显下降,且围压越大,减少幅度越大。(3)有机质是纳米级孔隙的主要载体,其次为无机矿物,有机质孔隙明显小于矿物基质孔。页岩孔隙度主体在4%左右,少数样品微裂缝发育,孔隙度大于10%。寒武系页岩孔隙度明显低于志留系和奥陶系页岩,表明成熟度越高,埋深越大,孔隙度越低。在其他因素相同的条件下,页岩孔隙度与有机质含量呈较好的正相关关系,表明有机质对页岩孔隙起主控作用;页岩有机质对微孔体积、比表面积起控制作用。页岩比表面积主要由小于10nm的孔隙贡献,介孔和大孔对孔体积贡献较大。志留系页岩以介孔为主,占总孔体积的65.6%,而微孔体积仅占10%,因此微孔仅是作为油气运移的通道而不是主要的储存空间。寒武系页岩孔体积以微孔和介孔为主,其中微孔占31%,介孔占46%。(4)随热模拟温度的升高,有机质相关的微孔和介孔的演化特征较为复杂,但总体可分为三个阶段:第一个阶段,EasyRo=0.7%-1.3%,此阶段受可溶有机质填充影响,有机质孔体积和比表面积逐渐减小;第二个阶段,EasyRo=1.3%-2.5%,此阶段有机质次生孔隙的主要发育期,有机质微孔和介孔随热成熟度增加持续增加;第三个阶段,EasyRo=2.5%-3.6%,此阶段受孔隙连通、合并的影响,微孔数量在EasyRo=2.5%时达到最大后开始减少,介孔数量在EasyRo=3.3%时达到最大后开始下降,而大孔及总孔隙度体积在EasyRo=1.0%-3.6%阶段可持续增加。(5)页岩有机质丰度越高,生油阶段产生的可溶有机质含量越大,页岩孔体积及表面积减小越明显。由于可溶有机质分子较大,因此对微孔以封盖为主,且主要发生在成熟阶段(VRo2.0%),过成熟阶段(VRo2.0%)影响较小,但较为稳定。可溶有机质主要赋存于介孔和大孔之中,微孔中残余的可溶有机质比例相对较小;但对页岩比表面积的影响主要集中在微孔和介孔范围。(6)有机质丰度是页岩甲烷吸附能力的首要控制因素,而伊利石发育了较多的小介孔,为甲烷吸附提供了大量的吸附表面。页岩平均孔径越小,吸附能力越强,页岩孔径分布对甲烷吸附性具有较大影响。温度和压力对泥页岩储层甲烷吸附性的影响比较复杂,且起相反的作用,甲烷吸附量随着压力增加而变大,随温度升高而减小。
【关键词】:页岩气 储集空间 构造挤压 模拟实验 甲烷吸附
【学位授予单位】:中国科学院广州地球化学研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P618.13
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-14
  • 第1章 绪论14-26
  • 1.1 研究背景和意义14-17
  • 1.2 研究现状及存在问题17-21
  • 1.3 研究内容及技术路线21-23
  • 1.3.1 研究内容21-23
  • 1.3.2 技术路线23
  • 1.4 完成工作量23-24
  • 1.5 创新性成果和认识24-26
  • 第2章 地质背景26-34
  • 2.1 区域构造概况26-29
  • 2.1.1 构造简况26-28
  • 2.1.2 构造演化28-29
  • 2.2 沉积地层演化29-34
  • 第3章 有机质地球化学及岩石学特征34-50
  • 3.1 样品及实验方法34-37
  • 3.1.1 样品介绍34-36
  • 3.1.2 实验方法36-37
  • 3.2 有机质特征对页岩储集空间的影响37-40
  • 3.2.1 有机质丰度及干酪根类型页岩孔隙特征及含气性影响37-38
  • 3.2.2 热成熟度对页岩孔隙特征及含气性影响38-40
  • 3.3 页岩地球化学及岩石学特征40-48
  • 3.3.1 有机质特征40-46
  • 3.3.2 矿物组分46-48
  • 3.4 小结48-50
  • 第4章 页岩储集空间50-82
  • 4.1 页岩孔隙特征分析方法52-56
  • 4.1.1 孔隙度分析52-53
  • 4.1.2 孔隙形态学53-54
  • 4.1.3 低压气体吸附定量表征54-56
  • 4.2 上扬子寒武系牛蹄塘组页岩孔隙特征及控制因素分析56-65
  • 4.2.1 孔隙度及控制因素57-59
  • 4.2.2 FE-SEM镜下观察—孔隙形态学59-60
  • 4.2.3 纳米级孔隙特征及影响因素60-65
  • 4.3 上扬子志留系页岩孔隙特征及控制因素分析65-73
  • 4.3.1 孔隙度及控制因素66-68
  • 4.3.2 纳米级孔隙特征及控制因素68-73
  • 4.4 下扬子中奥陶统胡乐组孔隙特征及控制因素73-80
  • 4.4.1 孔隙度及控制因素74-76
  • 4.4.2 场发射扫描电镜—FESEM76-77
  • 4.4.3 纳米级孔隙特征77-80
  • 4.5 小结80-82
  • 第5章 模拟实验研究82-134
  • 5.1 三轴挤压模拟实验82-87
  • 5.1.1 实验方法82-83
  • 5.1.2 基础信息83-84
  • 5.1.3 孔隙特征分析84-87
  • 5.2 高压半封闭体系压机实验87-100
  • 5.2.1 样品与实验88-89
  • 5.2.2 热演化过程中地球化学参数及矿物组分变化89-92
  • 5.2.3 有机质孔热演化特征92-97
  • 5.2.4 孔体积及孔喉分布97-100
  • 5.3 不同挤压压力下页岩孔隙演化特征的差异性100-105
  • 5.3.1 基础地球化学参数101-102
  • 5.3.2 微孔分析102-103
  • 5.3.3 介孔及大孔分析103-105
  • 5.4 超压对于页岩孔隙特性的影响105-111
  • 5.4.1 基础地球化学参数106-107
  • 5.4.2 微孔分析107-109
  • 5.4.3 介孔及大孔分析109-111
  • 5.5 人工热模拟过程中可溶有机质对页岩孔隙特征的影响111-118
  • 5.5.1 抽提前后地化参数的变化112-113
  • 5.5.2 微孔分析113-115
  • 5.5.3 介孔及大孔分析115-116
  • 5.5.4 可溶有机质对孔隙度的影响116-117
  • 5.5.5 可溶有机质的储存空间117-118
  • 5.6 低成熟地质样品中可溶有机质对孔隙特征的影响118-132
  • 5.6.1 地球化学参数及矿物组分分析119-121
  • 5.6.2 可溶有机质对孔隙特征的影响121-132
  • 5.7 小结132-134
  • 第6章 页岩高温高压甲烷吸附模拟实验研究134-143
  • 6.1 实验方法136-139
  • 6.1.1 实验条件136
  • 6.1.2 自由空间和过剩吸附量计算136-139
  • 6.2 页岩的甲烷吸附性能及控制因素139-142
  • 6.3 小结142-143
  • 第7章 论文主要结论及认识143-146
  • 参考文献146-170
  • 致谢170-172
  • 作者简介及学术成果172

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