湖相碳质页岩热成熟过程中地球化学与岩石物理性质的协同演化机制及其油气开发意义

针对页岩热成熟过程中有机质(OM)转化与孔隙结构演化的耦合机制难题，研究人员通过含水热解实验结合TOC、RO、X-μCT等多维表征技术，揭示345-370°C是层状页岩原位干馏最佳温度窗，发现有机微孔(1-100 nm)八倍增长与沥青堵塞的阶段性矛盾，为页岩油开采工艺优化提供理论支撑。

　　

【研究背景】
在全球能源结构转型背景下，页岩油作为非常规油气资源的重要组成，其开发效率高度依赖对有机质(OM)热演化与储层物性关系的理解。然而，湖相碳质页岩在热成熟过程中，地球化学性质与岩石物理参数的动态耦合机制长期存在三大谜团：有机微孔暴增为何伴随渗透率下降？沥青堵塞(含沥青质~20%)如何影响流体运移？层状与块状页岩为何在高温段(>370°C)呈现相反的孔隙演化趋势？这些问题的解答直接关系到页岩油原位转化工艺的温度窗口选择。

来自中国石油勘探开发研究院的Juncheng Qiao团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究，通过创新性设计厘米级岩芯含水热解实验，首次系统揭示了OM分解与孔隙网络演化的时空耦合规律。研究选取Junggar盆地Jimsar凹陷Lucaogou组(P₂l₂)四种纹理差异的湖相页岩，采用阶梯升温(295-400°C)模拟完整成熟度序列，结合Rock-Eval、低氮吸附(LTNA)和X射线CT三维重构技术，构建了"生烃-储集-运移"全过程动态模型。

【关键技术】
研究采用含水热解装置处理4类纹理页岩(cm级柱样)，设置295/320/345/370/400°C五组温度点(24h恒温)。通过TOC、镜质体反射率(R_O)、Rock-Eval S₂等地球化学参数监测OM转化状态，同步采用LTNA获取1-100 nm孔隙分布，X-μCT解析>1μm宏孔及微裂缝网络。特别开发了基于CT图像的渗透率计算模型，实现全尺度孔喉结构定量评价。

【研究结果】

1. 低成熟阶段(295-320°C, R_O 0.8%-1.0%)
   OM初始分解使有机微-中孔(1-100 nm)增加8倍，但沥青质堵塞导致孔隙度反常降低。TOC降解速率突增67%-167%，而渗透率因沥青封堵(20%沥青质)不升反降。

2. 成熟阶段(345-370°C)
   流体超压驱动宏孔(1-10μm)扩张和>10μm微裂缝生成，形成二次孔隙度高峰。此时S₂和HI值骤降，表明液态烃高效排出，层状页岩渗透率提升最显著。

3. 高成熟阶段(>370°C)
   层状页岩保持孔隙增长，而块状页岩因矿物重结晶出现孔喉塌陷。这种差异证实层理结构能延缓裂缝愈合，使OM转化率提高23%。

【结论与意义】
该研究首次建立页岩热成熟过程中"生烃-储集-运移"三阶段动态模型：①低熟期OM分解创造储集空间但沥青堵塞抑制流动；②成熟期超压驱动宏孔联通形成运移优势通道；③高熟期岩石结构主导孔隙命运。实践层面明确345-370°C为层状页岩原位转化黄金温度窗，而块状页岩需升至400°C。方法论上开发的CT渗透率预测模型，解决了传统实验无法捕捉微裂缝导流能力的瓶颈。这些发现为Junggar盆地页岩油开发提供精准理论指导，被评审专家誉为"页岩热演化研究领域的里程碑式工作"。