继在涪陵礁石坝的五峰-龙马溪组页岩气勘探取得重大突破之后，近年来中国石化在四川盆地东南缘的丁山鼻状背斜再次实现了大突破，丁山有望成为第二个“礁石坝”。尽管如此，该地区多个页岩气生产井的日产量存在显著差异（图1B）。一般而言，随着埋深以及与齐岳山断裂的距离增大，页岩气日产量有增加的趋势，然而丁页2井距离齐岳山断裂最远，却有着较低的页岩气日产量。为了厘清导致页岩气日产量存在显著差异的地质条件，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室廖玉宏研究员课题组对丁山地区多个勘探井和生产井的页岩样品进行了系统的采集和分析。钻井井包括较浅的安稳-1（AW-1）、三泉-1（SQ-1）和双河-1（SH-1），五峰组底界深度大致为100米（范围90~160 m），以及较深的丁页1（DY-1）和丁页3（DY3），其五峰组底界深度约为2100 m。这些钻井与齐岳山逆冲断裂的距离也不相同。研究团队全面分析了这些页岩样品的有机质丰度（TOC）、矿物成分、孔隙度以及孔隙结构，并探讨了研究区的地质条件对页岩的物性特性和含气性/产量之间的关系。
图1 丁山地区地质和构造简图（图1B中的数字显示页岩气日产量）
研究显示，丁山鼻状背斜的页岩气产量受到多种因素影响。地层抬升对页岩储层孔隙度的影响不显著（图2A），表明区域差异性抬升和侵蚀对五峰-龙马溪组页岩岩心样品的孔隙度影响很小。五峰-龙马溪组页岩的孔隙度和孔隙连通性随着与区域逆冲断层距离的增加而提高（图2B）。此外，页岩气含量与孔隙度正相关（图2C），表明高气含量在一定程度上阻碍了地层被压实及挤压导致的孔隙度降低。这一发现有助于解释为何某些高孔隙度的页岩储层具有较高的页岩气产量。反之，高孔隙度也有利于页岩气从页岩储层中的释放。
图2. 影响页岩孔隙度的因素
页岩物性研究发现，研究区的机械压实作用是由埋藏深度引起的垂直应力和构造变形引起的水平应力共同作用的结果。图3显示，较浅的100米深度（AW-1、SQ-1和SH-1）的五峰-龙马溪组页岩样品的无机孔（当TOC=0%）的总孔隙体积和比表面积均显著大于2100米深度的样品（DY1，DY3），说明埋深的增加导致孔隙体积和比表面积减小。此外，五峰-龙马溪组页岩的孔隙结构还受到齐岳山逆冲断裂的影响（图3）。逆冲断裂附近的水平应力可诱发固体沥青的塑性及脆性变形，安稳-1井中固体沥青颗粒沿层理方向发育出良好的S形特征及不同宽度的裂隙（图4A，B）。这种变形可能导致孔隙结构的破坏，进而影响页岩气的存储和流动。AW-1、DY1、SQ-1、DY3和SH-1等钻井距离齐岳山逆冲断层的距离分别为约2 km、7 km、10 km、15 km和50 km，这些钻井的页岩样品总孔体积（Vtotal）与TOC之间的线性回归线的斜率分别为1.4、2.7、3.2、4.0和3.9。也就是说，距离齐岳山逆冲断层越远，页岩的孔隙体积与有机碳含量的相关性越强，斜率越高；与断层距离越近，页岩的孔隙体积与有机碳含量的相关性越低，页岩的孔隙体积与有机碳含量的相关性越弱，斜率越低，这表明水平应力的影响随着距离的增加而减弱。当距离大于15km时，断层的影响趋于不明显。这一发现为在构造复杂区确定页岩气开发的甜点区提供了科学依据。
图3 页岩孔体积–TOC线性关系
在阴极发光显微镜下，方解石晶体呈现橙红色，这种颜色特征有助于识别和评估碳酸盐矿物对页岩孔隙结构的影响。研究发现，丁页2井高碳酸盐矿物页岩层段的孔隙和微裂缝被方解石更显著地胶结而变得致密（图4C，D）。因此，高碳酸盐矿物页岩层段的这种强烈的碳酸盐胶结作用很可能会对研究区页岩储层的孔隙结构及页岩气的开采产生影响。
图4 页岩样品的光学图像和阴极发光（CL）显微照片。
通过综合分析，可以得出如下结论：在构造复杂区，为了实现页岩气的高效开发，最佳目标层位应当是有机碳丰富、黏土和碳酸盐矿物含量低的页岩层，且甜点区需要与区域逆冲断层保持适宜距离（如15 km）。该研究揭示了页岩气产量、含气性、孔隙结构以及地质条件之间的复杂关系，也为揭示海相页岩气的富集机理和保存条件提供了有用的信息，对复杂构造区域的页岩气勘探也具有指导意义。研究得到了中国科学院先导专项（B类和A类）的资助，研究成果近期发表在能源地质领域国际期刊《International Journal of Coal Geology》，第一作者为助理研究员郑益军，通讯作者为廖玉宏研究员，共同作者还包括熊永强研究员、王云鹏研究员、彭平安院士和中国石化勘探开发研究院无锡石油地质研究所王杰博士。
论文信息：Zheng, Y.(郑益军), Liao, Y.*(廖玉宏), Wang, J.(王杰), Xiong, Y.(熊永强), Wang, Y.(王云鹏), Peng, P.(彭平安), 2024. Factors controlling the heterogeneity of shale pore structure and shale gas production of the Wufeng–Longmaxi shales in the Dingshan plunging anticline of the Sichuan Basin, China. International Journal of Coal Geology 282, 104434.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.coal.2023.104434
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