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《中国科学院广州地球化学研究所》 2017年
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页岩封闭性与有机质生烃特征、矿物组成及孔隙结构特征之间的联系

王鹏  
【摘要】:目前我国缺乏符合自身实际地质情况的页岩气可采性评价指标,急需开发相关的可采性评价指标,其中封闭性指标是页岩气可采性评价指标体系中的重要内容。本文主要从页岩有机质生烃特征及孔隙结构特征等两个方面来研究页岩的封闭性,以期望找到页岩有机质生烃特征及孔隙结构特征与页岩封闭性之间的联系,建立适合我国南方海相页岩区块实际地质情况的页岩封闭性评价指标,应用到我国南方海相页岩气可采性评价中来,并初步探讨渝东石柱五峰组页岩NLDFT模型孔隙结构特征及其对页岩气的储气意义。上述研究对深入评价中国海相页岩的封闭性有着较好的理论意义,并对后期页岩气的大规模工业生产也有着实际的指导意义。本研究从页岩气碳同位素值倒转及孔隙结构特征两个方面研究页岩的封闭性,主要做了以下三方面的工作。本文以中国下花园下马岭组灰质页岩作为研究对象,通过半封闭体系初次热解实验模拟页岩在不同封闭性条件下的生烃和排烃过程,然后利用封闭体系二次热解实验研究初次热解实验的页岩残渣生成的气态烃产物的组分及其碳同位素值的特征;本文选取川东南地区五峰组-龙马溪组的TOC在4wt%左右的页岩,控制有机质性质(含量,显微组成及成熟度)近似,测定了页岩的无机矿物组成、孔隙结构特征、孔渗参数及排替压力,综合以上数据,系统性地研究页岩无机矿物组成及孔隙结构特征对页岩毛细管封闭能力的影响;本文采用CO_2-N_2吸附的非限定域(NLDFT)模型评价了渝东五峰组页岩的孔隙结构特征,初步探讨了其在页岩气储存方面的意义。高压抑制了页岩初次热解实验中干酪根的裂解,降低了脂碳特别是生油潜力碳在干酪根中的热解消耗,并且降低了页岩的排烃效率,但对残留烃性质(族组分及碳同位素值)的影响程度很小。在二次热解实验中,初次封闭压力较高的页岩残余干酪根优先生油,生气量较低,但其生成的气态烃碳同位素值较轻。例如初次热解温度为370℃的页岩残渣在二次热解实验中气体产率及其碳同位素值序列均为:50MPa75MPa100MPa。在初次热解实验中,气态烃在370℃时发生了碳同位素值倒转现象;但在二次热解实验中,没有出现碳同位素值倒转现象,只是在Easy Ro介于1.52%-1.98%之间,气态烃的碳同位素值随成熟度的升高而变重的趋势变的非常平缓。这说明混合机制确实对页岩气的碳同位素组成的演化产生一定程度的影响,其影响程度在不同的成熟度范围是不一样的。在低-中等成熟度范围影响很小,在高-过成熟度范围影响明显。虽然实验结果中未出现地质实例中那么显著的天然气碳同位素倒转现象,但本次实验结果仍然可以作为页岩气碳同位素组成倒转混合机制的实验证据。页岩的孔体积及孔径分布特征直接控制毛细管封闭能力,大介孔及宏孔具有较好的连通性,使页岩的渗透率得到升高,进而降低页岩的毛细管封闭能力。页岩的无机矿物组成影响页岩的孔隙结构特征,进而通过孔隙结构特征影响页岩的毛细管封闭能力。页岩的无机矿物组成主要影响页岩的大介孔(10nm)及宏孔的发育,对微孔发育的影响很小。最终表现为较高脆性矿物含量的页岩具有较小的毛细管封闭能力。本工作为定量研究页岩矿物组成及孔隙结构特征对其自封闭能力的影响提供了可靠的实验证据。五峰组页岩脆性矿物含量很高,脆性指数介于0.52-0.88,平均为0.71,页岩具有良好的可压裂性。微孔提供了用于吸附页岩气的最主要的比表面积,其比表面积为18.27 m~2/g,占总比表面积的81.61%,是页岩气的最重要的吸附场所;介孔及宏孔的平均孔体积为22.51×10~(-3) cm~3/g,占了总孔体积的81.48%,是游离态页岩气的重要储存空间。渝东石柱地区页岩吸附气含量要比先前评价中的含量有着很大比例的升高,游离气的含量比先前评价中的含量要略高一些。
【关键词】:页岩气 封闭性 生烃特征 碳同位素倒转 矿物组成 孔隙结构特征 储气意义
【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6-8
  • ABSTRACT8-14
  • 第1章 绪论14-24
  • 1.1 选题依据及研究意义14-19
  • 1.2 研究内容、研究目标及技术路线19-21
  • 1.3 完成的主要工作量21-24
  • 第2章 封闭压力对页岩有机质生烃特征的影响24-58
  • 2.1 封闭压力对页岩有机质生烃特征的影响的研究现状24-29
  • 2.1.1 问题的提出24-25
  • 2.1.2 研究现状25-28
  • 2.1.3 封闭压力对有机质排烃作用的影响28-29
  • 2.2 采样地区地质背景29-34
  • 2.2.1 下花园地区自然地理概况29-30
  • 2.2.2 区域构造特征30-32
  • 2.2.3 区域地层发育特征32-34
  • 2.2.4 区域沉积与岩相古地理特征34
  • 2.3 样品与实验34-37
  • 2.3.1 样品34-35
  • 2.3.2 实验流程35-37
  • 2.4 有机质的初次热解-半封闭体系实验结果37-44
  • 2.4.1 热解温度对气态烃产率及碳同位素值的影响37-40
  • 2.4.2 封闭压力对气态烃产率及碳同位素值的影响40-41
  • 2.4.3 初次热解实验残留烃性质41
  • 2.4.4 初次热解实验固体残渣性质41-43
  • 2.4.5 初次热解实验排烃效率43-44
  • 2.5 二次热解实验结果与讨论44-50
  • 2.5.1 初次热解温度对二次热解实验气态烃产率及碳同位素值的影响45-47
  • 2.5.2 初次热解封闭压力对二次热解实验气态烃产率及碳同位素值的影响47-50
  • 2.6 地质意义50-52
  • 2.7 小结52-58
  • 第3章 矿物组成及孔隙结构特征对页岩封闭性的影响58-94
  • 3.1 页岩孔隙结构特征的研究现状58-67
  • 3.1.1 问题的提出58-59
  • 3.1.2 研究现状59-64
  • 3.1.3 研究趋势64-67
  • 3.2 川东南地区地质概况67-72
  • 3.2.1 区域构造特征67-68
  • 3.2.2 区域构造演化68-69
  • 3.2.3 区域地层特征69-70
  • 3.2.4 区域沉积环境及古地理演化70-72
  • 3.3 样品及实验72-76
  • 3.3.1 样品72-73
  • 3.3.2 样品分析73-76
  • 3.4 页岩矿物组成及孔隙结构特征76-90
  • 3.4.1 页岩矿物组成与有机质性质76-77
  • 3.4.2 页岩的有效孔隙度及渗透率77-83
  • 3.4.3 页岩的纳米孔隙宏观结构特征83-86
  • 3.4.4 页岩的纳米孔隙微观孔径分布特征86-90
  • 3.5 页岩矿物组成及孔隙结构特征对其封闭性的影响90-93
  • 3.6 小结93-94
  • 第4章 基于NLDFT模型的渝东五峰组页岩孔隙结构特征及其储气意义94-122
  • 4.1 研究背景94-95
  • 4.2 区域地质概况95-98
  • 4.2.1 构造演化特征96
  • 4.2.2 地层及沉积特征96-98
  • 4.3 样品及实验98-100
  • 4.3.1 样品98-99
  • 4.3.2 样品分析99-100
  • 4.4 页岩矿物组成100-101
  • 4.5 页岩孔隙结构特征101-105
  • 4.5.1 比表面积特征101-103
  • 4.5.2 孔体积特征103-105
  • 4.6 储气意义105-106
  • 4.7 小结106-122
  • 第5章 结论与展望122-126
  • 5.1 主要结论122-123
  • 5.2 创新之处123-124
  • 5.3 展望124-126
  • 参考文献126-139
  • 致谢139-140
  • 作者简介及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果140-141

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