近年来,随着全球气候变暖与常规油气资源不断消耗,页岩气已成为全球非常规油气勘探开发的热点领域。中国南方扬子区域海相页岩气资源量巨大,但富有机质页岩层系大多经历了多期次、多成因的构造活动,构造变形普遍发育,制约着页岩气保存富集与勘探开发方式。本文以川东南下志留统龙马溪组和川东北下寒武统鲁家坪组海相页岩为研究对象,采用野外地质观测与室内X射线衍射、高分辨率扫描电镜、透射电镜、低压气体吸附、高压压汞及甲烷等温吸附等手段,系统研究了我国南方复杂构造背景下海相页岩储层多尺度结构演化及页岩气富集机理。论文取得的主要研究成果和认识如下: (1)根据海相页岩层系分布、保存状况以及后期褶皱、断裂、滑脱等构造发育情况,按照“横向分带和纵向分层”的思路将我国南方上扬子东部复杂构造区划分为构造强改造区、构造中等改造区以及构造弱改造区3种主要类型,剖析了不同改造区页岩气的保存条件。 (2)建立了南方复杂构造-沉积背景下两种海相页岩储层的发育模式,包括川东南下志留统龙马溪组深水滞留模式和川东北下寒武统鲁家坪组热水滞留模式。在此基础上,运用可视化超微结构分析技术研究了页岩有机质的微观赋存形式,发现了有机-黄铁矿和有机-黏土两类重要的有机-无机聚合体,明确了两类聚合体的形成过程及对有机质赋存和保存的意义。 (3)研究了海相页岩储层多尺度结构变形特征。从区域和宏观尺度分析了页岩层系变形的构造类型和构造样式;从微观尺度分析了包括以晶内张裂隙、“X”型剪裂隙、微断层、微破裂等为主要类型的脆性破裂构造,以及以压溶缝合线、S-C组构、褶劈理、碎裂流构造、微观糜棱岩化带、微褶皱、微型混杂带和旋转碎斑等为主要类型的韧性流变构造;从超微尺度分析了页岩滑脱层层内和摩擦滑动面微-纳米球粒结构。提出了“颗粒池”地质模型与“接力式”层滑变形模式,揭示了页岩滑脱层剪切滑移的微观动力学机理。在页岩宏观-显微-微观-超微结构变形特征研究的基础上,重点讨论了构造部位与变形机制对页岩微-纳米孔裂隙结构演化的控制作用。 (4)建立了页岩裂隙结构自然分类系统,综合考虑了多尺度裂隙的发育程度、规模、尺寸以及对页岩气运移、聚集的控制作用,将页岩裂隙分为宏观裂隙、显微裂隙、微裂隙和微通道4类,微裂隙又细分为基质微裂隙、矿物微裂隙和有机质微裂隙,微通道又包括裂隙边缘微通道、孔隙边缘微通道和粒内微通道。基于构造应力与页岩组分的相互作用,提出了晶粒碎裂化和颗粒糜棱化两种构造控裂机制,认为晶粒碎裂化是一个快速孕育的过程,从局部化破裂再到整体化变形是在极短的时间内完成,而颗粒糜棱化是一个逐渐孕育的过程,由脆性破裂逐渐向塑性流动过渡,是一种均匀化的流变。 (5)探讨了构造变形作用对海相页岩储层物性的影响。建立了页岩组分与页岩裂隙结构对孔隙度和渗透率等物性参数的影响关系,明确了石英和碳酸盐矿物是页岩储层物性的主要控制因素,而裂隙结构是改善孔隙度和渗透率的直接原因。从页岩储集空间、气体运移路径和气体赋存状态三者耦合关系方面建立了由裂隙结构控制的页岩气储集和运移模式。 (6)鉴于有机质和黏土矿物在高演化海相页岩中对甲烷赋存的控制作用以及有机-黏土聚合体在页岩组分中的相对优势,将“有机-黏土聚合体”作为页岩中甲烷吸附/解吸的重要载体。有机纳米层以物理或化学吸附的方式充填或叠置赋存在黏土粒间孔或层间域,形成了一种独特的超微赋气结构体系。由此,提出了一种“有机-无机复合化”的微观赋气模式。在此基础上,论述了构造变形过程中有机-黏土聚合体结构演化及对甲烷赋存的影响。 (7)分别从宏观保存和微观赋存两个角度讨论了南方复杂构造区页岩气的富集模式及主控因素。建立了复杂构造背景下“南方滑脱构造”型3大类共5种页岩气保存模式,即简单滑脱控藏(负向控藏型和正向控藏型)、简单断褶-滑脱控藏(负向控藏型和正向控藏型)以及复杂断褶-滑脱控藏。不同控藏模式不仅可以反映构造变形的强弱和复杂程度,同时也控制着页岩气的差异富集程度。认为简单断褶-滑脱正向控藏模式是页岩气保存富集的最有利模式,而复杂断褶-滑脱控藏模式的保存条件最差。在页岩储层多尺度结构变形研究的基础上,分析了页岩滑脱层内脆性变形和韧性变形共生特征及与微-纳米结构的作用机理,创新性地提出了一种“脆-韧互层”型页岩储层结构模式。从不同尺度上共同地解释了我国南方上扬子复杂构造区页岩气富集特征的特殊性和复杂性。 本文将我国南方上扬子区域地质构造的特殊性和复杂性与海相页岩沉积、有机质保存、储层结构演化、储层物性、储层赋气性、页岩气富集等相结合,重点解决了川东北和川东南地区多期构造变形、储层结构动态演化和页岩气富集三者的耦合关系,为我国南方复杂构造区页岩气勘探开发提供理论依据。