地质力学所在构造复杂区页岩储层演化研究方面取得系列成果

页岩气储层具有“低孔低渗”的储层物性和“自生自储”的成藏特征，页岩储层物性的孔隙结构、渗透率和吸附能力对页岩气富集保存能力具有重要影响。基于北美构造稳定区页岩气储层研究的经验，以往的研究表明页岩储层物性演化的影响因素以原始沉积建造及页岩物质组成（包括有机碳含量、矿物成分、成熟度等）为主。近年来，随着我国四川盆地外围等构造复杂区页岩气勘探开发的成功，越来越多的学者开始关注构造应力作用引起的页岩变形现象及其对页岩储层发育的影响。我国南方海相页岩发育地区经历了多期构造活动的影响，页岩层系作为软弱层，是区域内重要的应力解耦层，构造改造和变形作用强烈，页岩储层物性受构造应力改造和变形作用的影响较大，直接影响页岩的含气量和勘探开发前景。

针对上述问题，中国地质科学院地质力学研究所能源地质研究团队在我国南方构造复杂区，综合运用构造解析、地球化学和岩石力学等多学科技术手段，在前期川东-武陵地区滑脱构造体系研究成果的基础上，尝试开展构造应力改造背景下页岩储层孔隙结构、渗透率、甲烷吸附能力演化的地质现象解析和室内模拟实验研究，目标是理清构造变形页岩的变形机制、力学表达和储层响应，取得一系列新的认识：（1）构造变形是造成相同沉积单元页岩储层物性差异的重要机制，构造变形作用对页岩储层孔隙演化具有显著影响，首次从页岩结构变形与否的角度，开展变形页岩与原生页岩孔隙结构差异的定量研究，发现构造改造作用造成变形页岩孔隙结构的两极分化，即从原生页岩的均势分布和一定的中孔优势向变形页岩的大孔和微孔两极优势的孔隙结构类型演化（图1），并导致变形页岩中封闭性的无效孔隙的发育和残余气的普遍存在（图2）；（2）应力变形作用和裂缝型孔隙的发育造成页岩储层渗透率的显著提高（图3）；（3）挤压应力和变形作用对页岩甲烷吸附能力有弱化作用（图4）。

图1 未变形页岩（U1-U3）与构造变形页岩（D1-D5）孔隙结构分布差异

图2 构造变形页岩残余气及其孔隙占位特征

图3 模拟变形页岩（左KD）和自然变形页岩（右D1-D5）渗透率演化特征

图4 模拟变形页岩（空心符号）相对原生页岩（实心符号）甲烷吸附能力弱化特征

研究结论对南方构造复杂区页岩气调查评价具有两方面的启示：1）由于构造应力作用造成变形页岩的大孔比例提高、连通性及渗透性得到显著改善，对页岩气的运移和游离气的富集具有显著的促进作用，利于在大孔和裂缝发育为特征的变形层段形成孔-缝网络储层的游离型页岩气藏；2）但需要注意的是，正由于构造变形层段的页岩气藏以游离气富集为特征且气体吸附能力弱化，储层裂缝发育，容易散失，因此更需要良好的构造保存条件。这些成果传承和发展了地质力学所能源地质研究团队关于构造体系影响和控制油气成藏的科学理论，突破了页岩气储层物性主要受沉积成岩作用和物质组成影响的传统认识和对比研究路线，为全球页岩气革命的基础理论添加了有中国构造地质背景的新认识。在国际上首次提出依据页岩结构的宏微观结构变形特征将其划分为变形页岩和非变形页岩的分类方法，以开展构造变形条件下页岩储层效应的交叉研究，引起国内外相关研究团队的广泛关注和正面引用，成为页岩储层地质学新的学科增长点和研究热点，对于深入理解我国构造复杂区海相页岩气差异富集机制具有重要的启示意义。

以上系列研究成果发表于国际期刊《Fuel》、 《Journal of Petroleum Science and Engineering》、 《Frontiers in Earth Science》、 《China Geology》和《地质力学学报》上。

（1）Liang Mingliang, Wang Zongxiu, Zheng Guodong, et al., 2021. Preliminary Experimental Study of Methane Adsorption Capacity in Shale after Brittle Deformation Under Uniaxial Compression. Frontiers in Earth Science. 9:542912. doi: 10.3389/feart.2021.542912.

（2）Liang Mingliang, Wang Zongxiu, Zhang Yu, et al., 2021. Experimental investigation on gas permeability in bedding shale with brittle and semi-brittle deformations under triaxial compression. Journal of Petroleum Science and Engineering, 196, 108049. doi.org/10.1016/j.petrol.2020.108049.

（3）Liang Mingliang, Wang Zongxiu, Zheng Guodong, et al., 2020. Occurrence and influence of residual gas released by crush methods on pore structure in Longmaxi shale in Yangtze Plate, Southern China. China Geology, 3(4), 545–557. doi: 10.31035/CG2020070.

（4）Liang Mingliang, Wang Zongxiu, Gao Li, et al., 2017. Evolution of pore structure in gas shale related to structural deformation. Fuel, 197, 310–319. doi: 10.1016/J.FUEL.2017.02.035.

（5）梁明亮, 王宗秀, 李春麟, 等, 2020. 构造变形对海相页岩储层渗透率演化的影响.地质力学学报, 26(6): 840-851. doi:10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.06.066.

该系列成果得到了国家自然科学基金（41802157）、中国地质调查局地质调查专项（DD20160183，DD20190085）、国家重点研发计划（2016YFC0600202）和中国地质科学院基本科研业务费项目（JYYWF20181201）资助。