鄂西渝东地区是我国南方页岩气勘探开发的重点区域,该区多口钻井在五峰组-龙马溪组页岩中有良好的天然气显示,特别是重庆涪陵页岩气田的大规模商业开采证实了该区具有巨大的页岩气资源潜力。页岩储层中孔隙的几何学和拓扑学特征是页岩气高效勘探与开发的关键因素,而多期构造运动导致五峰组-龙马溪组页岩孔隙结构及其连通性十分复杂,孔隙结构主控因素不清也制约了页岩气的甜点评价与规模开发;此外,页岩孔隙连通性、润湿性与孔隙流体运移的相互关系在开采过程中对页岩气产量的影响也认识不足,这严重影响了页岩气的产量评估、富集规律认识以及高效开发方案的实施。本文以鄂西渝东地区五峰组-龙马溪组富有机质页岩为研究对象,在查明页岩基本地质和地球化学特征的基础上,采用多种实验手段对目的层黑色页岩孔隙结构进行多尺度表征,利用分形理论探讨了孔隙结构的主控因素。结合页岩润湿性特征,采用示踪剂流体自吸和饱和扩散实验研究了页岩的孔隙连通性与示踪元素的运移行为,对页岩气勘探开发具有重要的理论与实践意义。论文取得的主要成果和认识如下:1、针对五峰组-龙马溪组页岩复杂的孔隙结构特征,分别采用扫描电镜、气体吸附、高压压汞、小角度中子散射等互补的实验手段,查明并表征了页岩发育的孔隙类型和孔隙结构参数,明确了五峰组和龙马溪组页岩孔隙结构参数的差异性。(1)高分辨率扫描电镜图像显示次生有机质孔隙为五峰-龙马溪组页岩中最发育的孔隙类型。龙马溪组页岩次生有机质孔隙多呈不规则、蜂窝状、气泡状、椭圆形等,孔径具有多峰分布、主峰区宽;五峰组页岩孔隙主要呈新月状和狭缝状等,孔径单峰分布且主峰区窄;(2)根据不同的理论模型,利用气体吸附和高压压汞实验计算了页岩孔隙结构参数(包括比表面积、孔径分布和孔隙度等),发现五峰组-龙马溪组页岩均发育大量微孔,但五峰组页岩微孔比表面积、孔隙体积和孔隙度均大于龙马溪组页岩;(3)基于Katz和Thompson理论,五峰组-龙马溪组页岩基质渗透率介于10^-15~10^-21m~2,迂曲度随着临界压力增大快速增加,具有典型的特低渗透率特征。五峰组和龙马溪组页岩存在不同数量的拐点特征反映了两套页岩的孔隙结构和孔隙渗流通道存在差异;(4)结合高压压汞和小角度中子散射实验证实了龙马溪组页岩中存在大量闭合孔隙,高有机碳含量页岩的闭孔率更高。2、影响五峰组-龙马溪组页岩孔隙结构的地质因素纵多,包括外部因素(构造应力和沉积环境)和内部因素(有机碳含量和矿物组分等)两部分。(1)构造应力和沉积环境宏观上控制了五峰组-龙马溪组富有机质页岩的沉积与分布,间接控制页岩孔隙的发育;(2)有机碳含量与微孔比表面、BET比表面积、微孔体积、中孔体积等均呈良好的正相关性,说明五峰-龙马溪组页岩以纳米级次生有机质孔隙为主(主要为微孔和中孔),而孔径相对较大的无机孔隙则发育较少。(3)由于五峰组-龙马溪组页岩中石英主要是生物成因,随着生物硅含量增加,页岩的微孔体积、中孔体积和BET比表面积等均呈明显增加趋势,即富硅页岩具有较高的微孔、中孔比表面积和孔隙体积;而黏土矿物与微孔体积、中孔体积和BET比表面积均呈负相关,富含黏土页岩可能因为缺乏足够多的刚性矿物使得岩石塑性强、机械不稳定,受上覆岩层的机械压实作用易出现孔隙坍塌或破坏,导致孔隙空间减少。3、五峰-龙马溪组页岩具有强烈的亲油性和中等程度亲水性,呈现混合润湿性的特征。不同页岩润湿性的差异主要与有机碳含量、孔隙类型和矿物组分及其分布形式等有关。对比不同流体和不同层理方向的自吸实验发现,与垂直层理方向相比,页岩的亲油孔隙具有更好的孔隙连通性且流体更易在顺层方向流动。4、五峰组-龙马溪组页岩复杂孔隙结构、有限的孔隙连通性和混杂润湿性特征共同制约了页岩孔隙中示踪剂流体的运移,对提高页岩气开采效率有重要意义。(1)示踪剂流体(API卤水)自吸和饱和扩散实验显示,页岩样品中不同吸附性能的铼ReO₄^-、铕Eu³⁺和铯Cs⁺均在数毫米内快速下降,说明页岩整体具有非常有限的边缘孔隙连通性。不吸附铼ReO₄^-的表观扩散系数介于0.4×10^-13~8.0×10^-13m~2/s,拟合的最大有效迂曲度可达40000,反映五峰组-龙马溪组页岩中亲水孔隙具有非常弯曲的运移通道。与不吸附的铼ReO₄^-和强吸附的铕Eu³⁺相比,弱吸附的铯Cs⁺在自吸运移距离相对更大,说明铯Cs⁺与黏土矿物中阴离子相互作用未对离子运移产生明显影响。(2)不吸附的铼ReO₄^-主要在页岩连通孔隙中扩散运移,而对有一定吸附能力的铯Cs⁺和强吸附的铕Eu³⁺以及油气而言,其实际运移的距离还需要考虑延迟因子影响,最终实际运移距离会远远大于几何迂曲度。(3)在页岩储层开采过程,特别是水力压裂后,往往会出现油气产量的快速下降,这需要引起油气工业界足够重视,可以通过采取针对性的工艺技术以便克服低孔隙连通性、混杂润湿性对流体运移的制约,最终提高开发效率与经济效益。