导　　师： 廖泽文

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 中国科学院广州地球化学研究所

摘　　要： 近年来我国页岩气的勘探开发和研究已取得重大突破,目前我国重点勘探开发的页岩气资源具有成熟度高、干燥系数高的特点,其中甲烷在烃类气体中含量基本大于95%、而C2C5烃类贫乏。推测C2C5小分子烃类可能在页岩中发生了降解,而其降解的微观地球化学过程目前并不十分清楚,其中页岩矿物、过渡金属元素、残余干酪根、水等在小分子烃类降解中的作用值得深入探讨,而且伴随小分子烃类降解过程页岩储集性能的变化对页岩气资源的富集和开发至关重要。因此本论文在表征页岩中微量元素和矿物组成特征以及评价页岩中残余干酪根生烃潜力的基础上,选取小分子烃类开展不同系列黄金管限定体系热模拟实验,探讨了不同沉积环境页岩中微量元素富集演化过程、小分子烃类的降解特征、降解机制以及粘土矿物、水对小分子烃类降解的影响,并结合不同体系下的低熟富有机质页岩热模拟实验,探讨了页岩中残余干酪根演化特征、孔隙演化特征,从而分析高过成熟页岩中小分子烃类降解对页岩气组成及其储集的影响。不同沉积时代,不同沉积环境的页岩及其干酪根中微量元素组成差别很大。沉积于深水陆棚的页岩（牛蹄塘组和龙马溪组）及其干酪根中含有丰富的微量元素,与页岩相比干酪根中高度富集过渡金属元素。而沉积于湖相（芦草沟组）和滨海相的页岩（下马岭组）及其干酪根中微量元素总量相对较低,与页岩相比干酪根中相对亏损过渡金属元素。牛蹄塘组和龙马溪组页岩及其干酪根中丰富的微量元素能为高过成熟阶段页岩气的生成提供催化作用、有利于页岩气资源的富集。扫描电镜的结果显示,页岩中残余干酪根可分为微米级粒间有机质、微米级粒内有机质和纳米级粒间有机质。随着热演化程度的升高,不同赋存形式有机质的热演化特征不一样,微米级残余干酪根在EasyRo为0.82%时已发生热裂解,到高成熟阶段（EasyRo为1.45%）,微米级粒间残余干酪根被消耗殆尽,微米级粒内残余干酪根仍有一定生烃潜力。在高过成熟阶段页岩中残余干酪根依然具有一定的生烃潜力,以三塘湖页岩为例经估算得到在高过成熟阶段残余干酪根生烃能产生相当于甲烷资源量约1m3/t岩石的贡献,该结果很可能低估了实际地质环境中高过成熟阶段页岩中有机质生烃对页岩气资源量的贡献程度,因为在高过成熟阶段页岩中的小分子烃类也会发生进一步的降解,对页岩气资源量和组成产生影响。高过成熟阶段页岩中小分子烃类可以进一步发生降解,模拟实验中加入页岩和水的实验组小分子烃类降解产物的产量及产物组成均不同于相应的对照实验组:在丙烷热解实验中360℃恒温条件下加入页岩样品（S1和S2来自龙马溪组浅钻井柱状样）后产物中CH4、C2H6的产量及CH4/C2H6比值均高于相应的气体对照实验,且加入粘土矿物含量高的S1实验组生成的CH4、C2H6的产量及CH4/C2H6比值基本高于加入S2的实验。结果显示页岩中粘土矿物能催化丙烷的降解,且有利于甲烷的产生;水加入后丙烷降解生成CH4、C2H6的量以及CH4/C2H6比值均升高,表明水能促进页岩中丙烷的降解,且有利于甲烷的富集。含水体系与无水体系中丙烷降解产物的差别指示在不同的体系中丙烷降解的机制不同,无水体系中丙烷通过自由基机理发生降解,而在含水体系中则主要通过离子机理发生降解。另外,水和页岩的加入整体上也有利于正丁烷和正戊烷的降解,但与丙烷实验结果比较起来其影响热解产物的组成和分布更为复杂。总体上页岩中小分子烃类的降解对页岩气干燥系数及资源量有积极的贡献,页岩中粘土矿物和水对小分子烃类的降解有积极影响,尤其是水存在条件下,小分子烃类能够通过离子反应机理发生降解,降解过程中生成的有机酸对页岩储集性能的改善也有一定的作用。热演化到成熟阶段,页岩中有机质热裂解过程释放的有机酸与长石和碳酸盐矿物发生溶蚀反应,可以在矿物表面形成溶蚀孔。除矿物溶蚀孔以外,页岩还发育收缩有机孔、有机质孔、矿物粒间孔和粒内孔。SEM观察结果显示富有机质页岩演化到高过成熟阶段（EasyRo值大于1.45%）,页岩中发育大量的矿物粒间孔,造成页岩呈“镂空状”。蜂窝状有机孔在一定的热成熟度条件下才出现,其发育具有非均质性,随成熟度升高蜂窝状有机孔的发育情况并没有表现出良好的规律性。更多还原

关 键 词： [884001]页岩气 残余干酪根 小分子烃类 地球化学降解 [5296942]孔隙演化 [6348337]过渡金属催化 高过成熟 模拟实验

分 类 号： [P618.13]

领　　域： []