研究生知识库

近年来，随着北美水平井和水力压裂技术的突破，页岩气的战略地位越来越受到广泛重视,其勘探开发也在全球范围形成热潮。中国页岩气技术可采资源量为31.6×1012m3，占全球页岩气技术可采资源总量的15%，排名世界第一位。贵州省页岩气地质资源量为13.54×1012m3，技术可采资源量约1.95×1012m3，排名全国第三。其中，贵州省下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组两套地层的页岩气地质资源量占贵州省页岩气地质资源量的62.85%，具有巨大的开发潜力。在页岩气勘探开发早期，一般通过野外露头样品表征获得页岩气储层评价参数。遭受了风化作用的页岩其总有机碳含量（TOC）、热成熟度（Ro）、含气性、储层物性、矿物组成、脆性、力学性质等储层评价参数会发生改变。直接利用野外露头进行页岩气储层评价往往会带来错误结论。同时，黑色页岩是一类富含硫化物、有机质以及V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Sb、Tl、Pb等重金属的沉积岩。暴露在空气中或者钻井返排的黑色页岩可能因风化释放CO2产生酸性矿排水、释放重金属元素等对环境造成严重影响。前人对页岩风化作用的研究更侧重于环境影响，从页岩气储层评价影响的角度来研究风化作用的较少。黑色页岩风化作用较为复杂，不同类型页岩样品表现出的风化规律往往不同。资源和环境是一个有机整体，在资源开发的同时考虑环境问题符合可持续发展战略的要求。因此，研究页岩风化作用可以为页岩气早期勘探开发和环境保护提供科学指导。本文采集了贵州省遵义县中南村牛蹄塘组和贵州省习水县骑龙村龙马溪组黑色页岩的露头和钻孔（包括竖直钻和水平钻）样品，利用主量元素分析、微量元素分析、X射线衍射分析、热分析、扫描电镜、总有机碳含量测试、低压N2吸附实验等方法，系统探讨了风化作用规律及其对页岩气储层评估和环境的影响，包括页岩风化过程中不同类型样品的化学组成变化（如主微量元素的富集迁移规律）及其环境效应，以及风化作用对页岩气储层评价参数的影响规律。得出了以下几点成果和认识：（（1）风化作用对不同类型样品的影响强度不一样。以CIA值为代表露头样品风化作用强度大于钻孔样品。风化作用在竖直方向上的影响深度可达200cm，在水平方向上的影响深度为15-20cm。（2）页岩气储层中存在的大断裂和裂隙能够加快页岩的风化，导致风化程度的增加。（3）大部分高场强元素（Ge和U除外）不易受风化作用的影响，因此可以利用风化样品中某些高场强元素来恢复未遭风化作用的原岩性质。（4）大离子亲石元素Sr、Ba及易遭受风化作用的影响，Cs较易遭受风化作用的影响，Th、Rb相对不易受风化作用的影响。（5）重金属元素极易受风化作用影响，容易带来严重环境问题。以中南村牛蹄塘组水平钻孔样品（NTT-SP）为例，1kg风化页岩可释出V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Sb、Tl、Pb的量依次为1.0、2.0×10-1、1.6×10-3、5.6×10-2、2.1×10-2、1.2×10-1、1.8×10-2、2.9×10-4、8.5×10-4、1.1×10-4、2.4×10-3g。（6）风化作用会导致页岩矿物组成发生改变，使长石、方解石和黄铁矿等易被分解和氧化的矿物含量降低，从而降低页岩气储层的脆性。（7）风化作用对有机质影响很大。风化作用越强，有机质含量越低。同时风化作用可能影响有机质结构、赋存状态以及热稳定性。值得注意的是，地表样品的TOC含量和页岩气储层内部裂隙处TOC含量往往偏高。（8）风化作用对页岩气储层的比表面积影响很大。风化作用越强，页岩比表面积越小。风化前后页岩内部孔隙形状均为狭缝型。（9）鉴于风化作用会改变页岩气储层脆性、TOC含量、比表面积等评价参数，在利用露头样品进行页岩气储层评价的时候应结合风化作用规律综合考虑页岩风化的影响。