彭水地区是中国海相页岩气勘探开发的热点地区,多口页岩气井在下志留统龙马溪组页岩中获得了工业性气流,证实了该区海相页岩储层中巨大的资源潜力。与涪陵等地区超压页岩气藏相比,彭水地区页岩气藏压力系数较低(<1.2),属常压页岩气藏,单井产气量较低,经济效益较差。常压页岩气储层在孔隙结构和含气性方面与超压页岩气储层存在哪些差异?这需要对常压页岩气储层的成储机理和赋气机理这个两个关键问题进行研究。本论文以彭水地区下志留统龙马溪组页岩为研究对象,综合运用主/微量元素、高分辨率场发射扫描电镜、聚焦离子束扫描电镜、低温氮气吸附、高压压汞、高压甲烷等温吸附及现场解吸等实验分析手段,在页岩储层岩石学、岩相及沉积环境等基本地质特征研究基础上,开展页岩气储层成储机理及含气性评价的研究,以揭示常压页岩气富集规律,建立页岩气成藏模式。论文取得的主要成果和认识如下:1.基于主/微量元素分析,揭示龙马溪组页岩不同体系域下沉积环境特征及演化模式,剖析有机质富集机制。龙马溪组下段海侵体系域(TST)主要沉积于还原性、高古生产力、低陆源碎屑输入/低沉积速率及中等水体封闭程度的深水陆棚环境,发育富有机质硅质/混合页岩。随着相对海平面的下降,早期高位体系域(EHST)主要沉积于贫氧-氧化性、中等古生产力、中等陆源碎屑输入/中等沉积速率以及较强水体封闭程度的半深水陆棚环境,发育中有机质硅质/混合/黏土质页岩。晚期高位体系域(LHST)主要沉积于氧化性、低古生产力、高陆源碎屑输入/高沉积速率及更强水体封闭程度的浅水陆棚环境,发育贫有机质混合/黏土质页岩。TST时期高有机质含量同时取决于:(1)还原性水体有利于有机质的保存;(2)中等水体封闭条件下的高古生产力为有机质的富集提供物质基础;(3)低陆源碎屑输入/低沉积速率进一步加强了有机质的保存。2.龙马溪组页岩储集空间主要包括:有机质孔、粒内孔、粒间孔和微裂缝。有机质孔是最重要的储集空间类型,主要呈圆形、椭圆形或不规则状,数量众多,孔径多<100nm。基于氮气吸附和高压压汞分形曲线特征,将页岩气储层储集空间划分为微孔(<5nm)、小孔(5-25nm)、中孔(25-100nm)和大孔(>100nm),页岩储层主要发育微孔和小孔,中孔和大孔不发育。页岩比表面积、总孔体积、微孔和小孔体积自下而上表现出递减的趋势,而平均孔径呈递增趋势。根据微孔、小孔对现场总解吸气量的影响特征,将页岩气储层分为I类、II类、III类和非储层,并利用现场总解吸气量与TOC的相关性,确定常压储层的TOC分级界限为4.3wt.%、3.2wt.%和0.3wt.%,而超压储层的TOC分级界限为4.5wt.%、3.7wt.%和0.5wt.%。建立了页岩气储层比表面积和孔体积预测模型,计算结果显示,单位质量有机质、黏土矿物和脆性矿物中的孔隙体积及比表面积分别为:0.213cm~3/g和360.01m~2/g、0.00513cm~3/g和10.96m~2/g、0.00351cm~3/g和1.62m~2/g,表明有机质中孔隙发育程度远超过黏土矿物和脆性矿物。TST时期,有机质孔是页岩孔隙空间和比表面积的主要贡献者,分别为74.30%和83.92%,为有机质孔主控;EHST时期,有机质孔对孔隙空间和比表面积的贡献分别下降至58.43%和66.85%,无机矿物孔和有机质孔均势发育;LHST时期,无机矿物孔的发育超过有机质孔,贡献了62.11%的孔隙体积和57.86%的比表面积,为无机矿物孔主控。机械压实作用和胶结作用是最主要的减孔成岩事件,主要发生于早成岩作用阶段;中成岩作用晚期和晚成岩作用阶段,有机质生气过程中产生的次生有机质孔是最主要的生孔机制,是页岩储层孔隙发育的最重要控制因素。沉积环境(有机质丰度、类型以及矿物组分)和成岩作用(有机质成熟度)联合决定了页岩储层的质量。3.龙马溪组下段页岩总解吸气含量介于0.45-6.62ml/g,平均为1.77ml/g,与剖面上TOC含量变化趋势一致。不同页岩气井总解吸气含量随TOC含量变化快慢存在差异,这与页岩气藏的保存条件不同有关。超临界SDR模型较Langmuir模型对高压甲烷吸附过程具有更好的拟合效果,拟合效果显示,龙马溪组页岩样品的最大甲烷吸附量(60℃)介于1.90-3.09ml/g,平均为2.42ml/g,且自下而上表现出减小的趋势。有机质是页岩吸附能力的重要贡献者,其次为黏土矿物,石英、长石、碳酸盐岩及黄铁矿等对页岩吸附能力贡献十分有限;水分含量增多及温度升高会降低页岩吸附能力,而压力增大会增强页岩吸附能力。超临界SDR吸附气含量和游离气含量模型计算结果显示,龙马溪组下段页岩总含气量介于1.29-8.97ml/g,平均为3.02ml/g,吸附气比例主要介于47.53-74.89%,平均为61.14%。页岩总含气量与现场总解吸气含量变化趋势基本一致,但前者数值较高,可能是因为损失气含量被低估。微孔和小孔是吸附气的主要赋存场所,而小孔、中孔和大孔为游离气提供了主要储集空间。井间吸附气含量差异不大,而游离气、总含气量及吸附气比例差异较大,主要是因为不同井龙马溪组下段页岩埋深及所处构造位置存在差异,导致页岩气的散失程度不同。4.龙马溪组下段深水陆棚相发育“高有机质、高生烃能力、高含气量及高硅质”厚层优质页岩,是页岩气富集的物质基础。适宜的热演化程度下,形成生烃高峰和有机质孔隙大量发育的良好匹配,为页岩气富集提供了充足的储集空间。致密的顶底板封闭、良好的区域盖层封闭以及地层抬升时间晚、剥蚀程度低、断层规模小和远离断层等均有利于页岩气富集。彭水地区主要发育低部位供气的背斜型、无供气的残留向斜型和无供气的残留向斜+断坡型三类页岩气成藏模式,低部位供气的背斜型是最有利的页岩气成藏模式。