五峰组—龙马溪组不同海相硅质页岩亚相原位含气量的发育模式与主控机制：以黔北安昌向斜为例

《ACS Omega》：Occurrence Patterns and Controlling Mechanisms of In Situ Gas Content in Varied Marine Siliceous Shale Subfacies: A Case Study of the Wufeng–Longmaxi Formation in the Anchang Syncline, Northern Guizhou, China

　　

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩中，不同硅质页岩亚相的原位含气量（in situ gas content）与赋存特征存在显著差异，但其深层控制机制仍不清楚，常压（normal-pressure）页岩气藏中尤为突出。研究人员系统研究了黔北安昌向斜这一典型常压区块的含气非均质性及其主导控制因素。实验包括总有机碳（TOC）测定、X射线衍射（XRD）矿物学分析、场发射扫描电镜（FE-SEM）、低温氮吸附（low-temperature N2 adsorption）与高压甲烷吸附（high-pressure methane adsorption）。结果表明，硅质页岩可划分为混合硅质页岩相（S-2）与含黏土硅质页岩相（S-4）：S-2以有机质孔为主，总孔体积与比表面积更高；S-4发育大量黏土相关无机孔，有机质孔不发育。S-2甲烷吸附能力更优，最大绝对吸附量平均3.676 cm3/g，S-4为3.456 cm3/g；TOC与亲水黏土矿物比例是吸附能力主控因素。超临界Dubinin–Radushkevich（SDR）模型显示，S-2平均原位总含气量4.293 cm3/g、吸附气占比79.27%，S-4平均3.622 cm3/g、吸附气占比87.47%，游离气有限。含气性由TOC、孔隙结构、矿物组成与含水饱和度（Sw）协同控制；S-4因富黏土导致更高含水饱和度，常压下水分易侵入孔隙、削弱毛细管封闭，使游离气散失比S-2更严重。综合来看，S-2含气性与赋存条件更优，是安昌向斜首选勘探目标。

研究背景方面，页岩气是重要的清洁非常规天然气资源，上扬子地区五峰组—龙马溪组海相页岩是中国页岩气勘探主力层系。原位含气量（in situ gas content）与气藏赋存状态是评价资源潜力和可采性的核心参数，页岩气以吸附气（adsorbed gas）附着于有机质和黏土矿物表面、游离气（free gas）储存于孔隙和裂缝空间的方式存在。现有研究多将硅质页岩相视为均一储集单元，忽视其矿物组成、孔隙结构与含水特征的内部差异；同时四川盆地主体以外构造复杂、以常压页岩气藏为主的边缘区研究不足，游离气保存条件与超压区不同，亟需厘清不同硅质页岩亚相的含气性分化机制。该论文发表于《ACS Omega》，研究人员以黔北安昌向斜为对象，系统划分硅质页岩亚相，对比孔隙结构、甲烷吸附与原位气赋存特征，揭示常压海相页岩“甜点”评价与靶区优选地质基础。

关键技术方法方面，研究人员以安昌向斜AD2、AD3、AD4三口井、五峰组至龙马溪组龙一段14件样品为队列，采用TOC测定、XRD全岩与黏土矿物分析、FE-SEM观察、覆压孔隙度与含水饱和度测试、低温N₂吸附表征孔结构、高压甲烷吸附结合Gibbs吸附理论与SDR模型计算吸附气、再由孔隙度与S_w估算游离气，从而计算原位总含气量。

地质背景（Geological Settings）部分，安昌向斜位于黔北正安县，属上扬子台地东南缘武陵坳陷，为四川盆地外围典型残留向斜；五峰组为深水陆棚碳质页岩与硅质页岩，龙马溪组自下而上由深水泥质沉积过渡为浅水沉积，目的层埋深1200—4200 m，压力系数约0.99，为典型常压页岩气藏。

矿物组成与地球化学特征（Mineral Compositions and Geochemistry Characteristics）部分，通过XRD与TOC分析，研究人员发现岩石以石英、黏土、碳酸盐为主；硅质页岩可归为混合硅质页岩相（S-2）和含黏土硅质页岩相（S-4）。S-2平均TOC 4.89%，S-4平均4.43%；等效镜质体反射率（EqRo）2.30%—2.71%，处过成熟阶段。

页岩储层特征（Shale Reservoir Characteristics）部分，FE-SEM显示S-2以有机质孔为主、孔径100—200 nm，并发育颗粒间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔和成岩微裂缝；S-4有机质孔差，黏土相关无机孔多但连通性差，微裂缝常被黄铁矿胶结。低温N₂吸附表明S-2比表面积与孔体积高于S-4，孔体积主要由中孔（mesopores，2—50 nm）贡献。覆压孔隙度S-2平均5.27%、S-4平均3.20%；S_w S-2平均31.27%、S-4平均34.24%。

甲烷吸附特征（Methane Adsorption Characteristics）部分，高压甲烷吸附显示过剩吸附量（excess adsorption capacity）在8—10 MPa达峰后下降，绝对吸附量（absolute adsorption capacity）随压力升高趋近平台；S-2最大绝对吸附量高于S-4，TOC与亲水黏土比例是主控因素，SDR模型拟合优度最高。

原位含气量（In Situ Gas Content）部分，研究人员用SDR模型算吸附气、用孔隙度与S_w扣减吸附相体积后算游离气；S-2总含气量4.293 cm³/g、吸附气占79.27%，S-4总含气量3.622 cm³/g、吸附气占87.47%，S-4游离气明显受限。

讨论与结论部分，研究人员指出硅质页岩并非均一：S-2刚性硅质骨架保孔能力强、有机质孔发育、吸附与游离空间兼优；S-4富黏土、S_w高，常压下毛管封闭弱化、游离气更易散失。含气性由TOC、孔隙结构、矿物组成和S_w协同控制。结论可译为：五峰—龙马溪组硅质页岩可细分为S-2与S-4两类亚相；S-2以有机质孔为主，具更高孔体积、比表面积和甲烷吸附能力，原位总含气量更高且游离气保存更好；S-4以黏土相关无机孔为主，高含水饱和度削弱毛细管封闭并造成更严重游离气损失；TOC、孔隙结构、矿物组成与含水饱和度共同控制含气性；S-2具更优含气性与赋存条件，是安昌向斜常压海相页岩气勘探的首选甜点目标。