岩相—地层压力耦合下深部页岩的孔微裂隙结构、孔隙度与含气性

为何深岩中的微小空隙至关重要

在中国西南的深处，封存于致密黑色页岩中的天然气为家庭与工业提供燃料。页岩是否能储存大量可用气体，结果取决于两位看似沉默的“合作者”：岩石类型和挤压它的地层压力。本研究剖视四川盆地长庆组（Longmaxi Formation）深部页岩，考察岩性成分与地下压力如何共同作用，形成或破坏储存页岩气的微观空隙。研究结果有助于解释为什么相同地层的某些深井产能很高，而另一些却令钻探者失望。

不同的页岩，不同的“基础”

研究者首先将长兴组页岩划分为三类主要岩相（lithofacies）：硅质页岩富含硬质矿物如石英；混合页岩在石英与更多黏土之间混合；黏土富集页岩以柔软的片状黏土矿物为主。随后他们分析了来自盆地四口井近100件岩心样本，井深超过3500米，地层压力从常压到强超压不等。对每个样本测定了有机碳含量（页岩气生成的燃料源）、矿物组成、孔隙度（岩石所包含的空隙体积）以及通过现场解吸试验测得的实际含气量。

压力如何保护或破坏孔隙空间

显微图像和气体吸附实验显示，大部分有用的页岩储层空间存在于仅几纳米尺度的孔隙和极其细小的裂缝中。在富含有机质的硅质页岩中，这些孔隙在有机质内部以及刚性矿物颗粒之间形成蜂窝状网络。高地层压力像内部支撑一样，帮助岩石抵抗上覆层的重力，从而在埋藏深度超过4000米时仍能保留这种微观结构。相比之下，混合与黏土富集页岩更易发生变形。随着地质时期压力条件的变化——尤其在抬升过程中超压消失时——这些页岩的孔隙会塌陷、由大变小，许多曾经容纳游离气的空隙会消失。

孔隙演化对气体的影响

页岩中的气体主要以两种形式存在：占据开放孔隙与裂缝的游离气，以及在孔壁上以薄层形式吸附的吸附气，后者尤以有机质和黏土中常见。研究发现，随着孔隙度下降，游离气含量下降速度很快，尤其在黏土富集和混合页岩中；而吸附气也会减少，但下降较为缓慢。在最有利的富有机质硅质区段，总含气量在强超压条件下可接近19立方米/吨。在这些区段，坚硬的石英颗粒与高有机质含量协同作用：石英有助于保持孔隙结构，有机质既生成气体又提供大量微观储存位点。相比之下，黏土富集页岩通常有机质含量低、抗压缩性差、孔网最弱，即使其致密性有利于封闭邻近含气层，也不是良好储层。

深度、压力与岩性协同作用

通过比较不同深度和压力下的众多样本，作者表明没有单一因素——无论是深度、压力还是单一的有机质丰富度——能独立解释深页岩的含气能力。约在3000米以下，更强的压实会持续减少孔隙空间，但超压可以部分抵消这种挤压。在保持超压且岩石富含石英与有机质的地方，孔隙与裂缝保存得更好，气体得以保留。而在黏土富集或有机质较少的岩石中，相同的压力历史会导致更严重的孔隙丧失。随着盆地演化后期压力下降，大孔对储存的贡献减弱，较小孔隙和粗糙的孔表面相对重要性上升，但总体储存能力仍然收缩。

这对未来页岩气意味着什么

对非专业人士来说，关键结论是：深部页岩气潜力不仅仅取决于钻得更深或找到高压区。长兴组中最好的深部储层是那些硅质、富有机质的薄层——它们结合了坚固的矿物框架与丰富的微观孔隙与裂缝，并在地质史的大部分时期内保持超压。混合与黏土富集页岩在被挤压并随后减压后通常会失去孔隙与气体。理解岩性与压力演化之间这种微妙的协同关系，有助于勘探者锁定更有可能产气的层位，避免在那些尽管埋藏深度和成龄相近但无法保留微观储存空间的岩石上投入大量成本的钻井。

引用: Zhang, Y., Zhang, H., Zhang, L. et al. Pore-micro fracture structure, porosity and gas- bearing property of deep shale under lithofacies-formation pressure coupling. Sci Rep 16, 7303 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38352-7

关键词: 页岩气, 孔隙结构, 地层压力, 四川盆地, 隆回组（长兴组）