富有机质页岩硅质胶结机理及对页岩储层脆性的作用

As one of the most important factors controlling shale reservoir brittleness, the mechanism of silica cementation is very complex. This project will focus on shale reservoirs from the Lower Cambrian Niutitang Formation, south China and the Upper Devonian Duvernay Formation, Western Canada Sedimentary Basin. By integrating whole rock and clay mineral XRD analysis, major, trace elements analysis, Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectrometry (EDS), and SEM- Cathodoluminescene (SEM-CL) techniques, this study will identify the characteristics of silica cements, such as cathodoluminescene characteristics. The existing form, cementation mechanism, silica source, and origins of silica cements will be discussed. Based on the forenamed analysis, the difference of silica cementation of organic-rich shale samples from immature, early mature, middle mature, high mature and over mature stage will be discussed, and then the different mechanisms of silica cementation between Duvernay Formation and Niutitang Formation will also be revealed. Finally, the effect of silica cementation on shale reservoir brittleness at different mature stage will be discussed. The results will be significant to enhance the understanding of silica cementation in organic-rich shales, and provide scientific guidance to the evaluation of shale reservoir brittleness, prediction of shale gas "dessert" and strategies of shale gas development.

作为控制富有机质页岩储层脆性最重要的因素之一，硅质胶结物的成因机理非常复杂。本研究以南方下寒武统牛蹄塘组海相页岩和加拿大西部盆地上泥盆统Duvernay海相页岩为研究对象，利用全岩、粘土矿物XRD、主微量元素测试、扫描电镜、能谱分析、以及扫描电镜-阴极发光联机等手段，建立硅质胶结物的识别特征，如阴极发光强度和光谱波峰位置变化等；明确硅质胶结物的存在形式、胶结方式、硅质来源和成因机制。在此基础上，深入研究富有机质页岩硅质胶结物在未成熟、低成熟、中成熟、高成熟和过成熟阶段的胶结差异性，同时揭示牛蹄塘组页岩和Duvernay页岩硅质胶结的差异性。最后，探讨硅质胶结过程对页岩储层脆性的影响机制，以及在不同的成熟度演化阶段，硅质胶结物以何种方式影响页岩储层的脆性。该研究成果既有助于正确认识富有机质页岩的硅质胶结演化规律；也会为不同成熟度页岩储层的脆性评价、有利区块预测和开发方案制定提供科学指导。

世界范围内的页岩气勘探实践表明，页岩气的富集高产层往往是硅质含量较高的页岩层段。以我国南方下古生界高演化海相页岩牛蹄塘组、五峰-龙马溪组页岩以及加拿大西部盆地的上泥盆统Duvernay页岩为研究对象，分析富有机质页岩硅质胶结物在不同成熟度阶段胶结过程的差异性，以及硅质胶结物对页岩储层脆性的影响机制。研究认为，石英在页岩中至少存在五种形式：碎屑石英、硅质生物骨架、石英加大边、分散状微晶石英以及自形石英集合体。生物硅的溶解再沉淀是古生代海相页岩次生石英的主要硅质来源，尽管黏土矿物的转化可能有少量的贡献。硅质胶结作用的形成过程与有机质热成熟、生烃过程存在耦合关系。放射虫、海绵骨针等硅质生物死亡以后沉积到海底，在成岩阶段早期，硅质骨架受温度压力的作用，逐渐转换为蛋白石A、蛋白石CT，最后生物硅转化为微晶石英，并形成刚性的石英格架，增强了页岩的可压性以及抗压实能力，使得大量的微晶石英晶间孔可以保存下来，并且这些晶间孔多为微米级别。在生油主峰期，有机质生烃产生的沥青，可以微运移至微晶石英的晶间孔内，并在后期的压实过程中得以保存。随着成熟度的进一步增加，沥青热裂解成天然气，并形成纳米有机孔隙。陆源碎屑石英对岩石的脆性的提升贡献较小，主要是因为碎屑石英往往与黏土矿物共生，而黏土的存在极大的降低了岩石的脆性，因此，只有当次生石英通过胶结的方式，将页岩内的脆性矿物胶结起来，形成刚性格架网络，才能极大的增强页岩的脆性，并且这种次生石英刚性格架在页岩埋藏-抬升过程中具有抗压保孔的作用。然而不同形式的硅质胶结物对页岩孔隙和脆性的影响作用不同，次生石英加大边对页岩脆性的提升贡献有限，并且在一定程度上堵塞孔隙。硅质胶结物的形成，尤其是微晶石英集合体的存在，极大了增强了页岩的脆性，形成“富碳、富硅、富孔、富气”，且易于压裂的优质页岩相。