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四川盆地龙马溪组页岩脆延转化差异性研究及其对页岩气勘探的意义

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页岩气作为非常规油气资源之一，同时也是清洁高效的低碳化石能源，对降低碳排放和实现碳中和、碳达峰的目标具有重要的促进作用（李孥等，2021）。美国页岩气成功革命带动了中国页岩气飞速的发展，十多年来已针对志留系龙马溪组，在四川盆地盆内及周缘的焦石坝、长宁—威远和昭通地区建成了三个中—浅层国家级页岩气示范区（埋深主要在2000~3500m），已累计提交探明储量10610×10⁸m³，累产页岩气超200×10⁸m³。同时近年来对盆内威荣和泸州等深层页岩气地区（埋深主要为3500m以上）也进行了积极的探索并取得了较好的效果，成功获得了如丁页2HF井、威页1HF井、永页1HF井和泸203井等一批高产井，展示了深层页岩气良好的勘探前景（马新华等，2020；何治亮等，2020）。

脆延转化是岩石的固有属性，页岩发生脆性变形还是延性变形取决于其本身的特征和所受有效应力的水平(Paterson and Wong, 2005; Fu et al., 2008; Wang and Gale, 2009)。室内三轴力学试验已证实，随着围压的不断增高（在实际地质条件下，表现为地层埋深的增加），岩石力学性质一般会表现出由脆性向延性发生转换的现象(Nygård et al.,2006; Brantut et al., 2011)。当页岩表现为完全脆性时，易发生大规模破裂，不利于页岩气的保存，当页岩表现为完全延性时，水力压裂形成的网状裂缝容易再次闭合，不利于页岩气的开发，因此页岩脆延性对页岩气的勘探开发至关重要（袁玉松等，2018）。前人已经对四川盆地龙马溪组页岩脆延转化特征做过一定研究，并总结了页岩气勘探的“甜点窗”，即脆性带底部临界深度与延性带顶部临界深度之间的深度范围。龙马溪组含气页岩下段(S1)沉积于深水陆棚环境，上段(S2)沉积于浅水陆棚环境，由于沉积环境的差异，二者地质地化特征必定存在很大的差异（郭旭升等，2020），但前人并未充分考虑含气页岩内部的S1和S2的岩石本身特征的差异，这对脆延转换带的研究会造成很大的影响，因此本论文针对该问题展开深入研究，充分考虑含气页岩内部脆延转换带的差异性，并进一步细化四川盆地页岩气的勘探方案。

本文基于前人工作的基础和不足，选取四川盆地长宁双河剖面野外新鲜露头样品，通过TOC测试、XRD测试和FE-SEM对S1与S2的有机碳含量、矿物含量和微观孔隙结构进行了分析和对比，通过三轴力学实验得到了两组页岩样品不同围压下的岩石强度、杨氏模量和泊松比等特征参数，对比了两组页岩样品力学性质的差异。基于前人成果提出了快速计算临界OCR值的方法，并通过计算的临界OCR值和临界围压值，最终分别计算了S1和S2的脆性带底部的临界深度与延性带顶部的临界深度。

结果表明，S1的TOC含量均大于5%，石英平均含量为53.63%，碳酸盐矿物平均含量为24.58%，黏土矿物平均含量为17.89%，为富有机质硅质页岩岩相，S2的TOC含量均小于2%，石英平均含量为27.00%，碳酸盐矿物平均含量为12.19%，黏土矿物平均含量为51.89%，为贫有机质黏土质页岩岩相和贫有机质混合质页岩岩相。S1的脆性整体表现为比S2的脆性更高：四种脆性指数评价方法均显示S1脆性指数高于S2，且S1在扫描电镜下多见有机质充填于刚性矿物支撑的粒间孔中，而S2在扫描电镜下多见有机质与黏土矿物糅杂共生，受挤压变形严重，这进一步验证了S1相比于S2受到了更多更有效的脆性矿物的支撑。通过计算得到的S1和S2的临界OCR值和临界围压值分别为2.11、2.60和5333m、4242m，分别对应的脆性带底部的临界深度与延性带顶部的临界深度可表示为H_b1、H_b2和H_d1、H_d2，并且显示出S1比S2失去脆性和变为延性的深度都要更深。这四个深度值在纵向上将四川盆地龙马溪组页岩气勘探带划分成为五个带：当H<H_b2时，下部页岩和上部页岩均为完全脆性，均不利于勘探；当H_b2 <H<H_b1时，下部页岩为完全脆性，上部页岩为脆-延性，勘探风险需要具体讨论；当H_b1<H<H_d2时，下部页岩和上部页岩均为脆-延性，均利于勘探；当H_d2<H<H_d1时，下部页岩为脆-延性，上部页岩为完全延性，仅下部页岩利于勘探；当H>H_d1时，下部页岩和上部页岩均为完全延性，均不利于勘探。此外，基于前人工作和四川盆地部分页岩气井资料，绘制了四川盆地H_b1和H_b2平面图，为四川盆地脆延转换勘探带的划分及页岩气勘探部署提供了良好的指导意义。