贵州省页岩气资源丰富,地质资源量为10.48万亿m~3,居全国第四。黔北地区是贵州最现实也是最有利的页岩气勘探开发区,区内下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组为主要目的层位。尽管一些学者对该地区在沉积环境、有机地球化学特征、储层空间特征、地质构造对成藏影响、含气主控因素等方面取得了较多研究成果,但对储层中有机质与黏土矿物相互关系、黏土矿物成岩演化与有机质生烃相互联系、有机质和黏土矿物尤其是有机黏土复合体对含气性的影响等方面尚缺乏深入和系统地研究。本论文以黔北地区下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组黑色页岩为研究对象,分析了区域地质背景、矿物组成、沉积环境、有机地球化学特征、有机质与黏土矿物相互特征、储集空间特征,深入研究了有机质与黏土矿物演化特征与联系、黏土矿物与有机黏土复合体对页岩气吸附特征、有机质和黏土矿物对页岩气富集影响,从而建立起一套有机质-黏土矿物对研究区页岩气生气和富集成藏影响的理论体系,从生烃能力和窗口以及赋存条件两方面识别勘探开发的有利层段。研究区页岩气生气和富集成藏影响的理论体系研究成果对黔北地区页岩气勘探开发具有理论意义和参考价值。本文取得以下主要研究成果:1.通过显微镜光薄片鉴定、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜配合能谱分析(SEM-EDAX)以及电子探针分析(EPMA)等手段,查明黔北地区牛蹄塘组和五峰组-龙马溪组黑色页岩的矿物组成以石英和黏土为主,此外还含钠长石、钾长石、黄铁矿、白云石和方解石。牛蹄塘组黑色页岩中黏土矿物较为单一,基本为伊利石;五峰组-龙马溪组中黏土矿物大部分为伊利石,此外还含绿泥石和伊/蒙混层。牛蹄塘组石英和黄铁矿含量高于五峰组-龙马溪组,而黏土矿物含量低于五峰组-龙马溪组。2.微量元素、稀土元素结合稳定碳同位素分析结果表明,龙马溪组沉积环境为弱氧化环境,而牛蹄塘组、五峰组为缺氧环境,更利于有机质的保存;研究区黑色页岩主要形成于靠近古大陆边缘的海湾沉积环境,物质来源受陆源、幔源及深部来源控制。研究区黑色页岩中有机质和∑REE之间存在消长关系,∑REE和黏土矿物含量呈正相关关系。3.有机地球化学分析显示,牛蹄塘组、五峰组-龙马溪组下段页岩TOC基本大于2%,龙马溪组由下向上有机碳含量变低,总体含量较低;牛蹄塘组、五峰组-龙马溪组干酪根类型主要为Ⅰ型;黑色页岩有机质成熟度高,处于裂解生干气阶段。结果表明黔北地区牛蹄塘组、五峰组-龙马溪组下段具有良好的页岩气生烃潜力。4.黔北地区黑色页岩中有机质主要以有机黏土复合体形式存在。在黏土矿物成岩演化过程中,页岩中有机黏土复合体中层间水分两次脱出,先脱出部分层间水,然后排出层间有机质,再脱出受层间吸附有机质影响的滞排层间水。黏土矿物成岩演化、有机质生烃演化和黏土催化活性具有对应关系。蒙皂石向伊利石快速转化时期,为脱去层间水时期,黏土催化活性最强,是有机质生烃的最有利时期。黔北地区五峰组-龙马溪组下段处于该时期末期,能形成大量的页岩气,是该地区页岩气勘探开发最为有利层位。5.研究区黑色页岩样品、有机黏土复合体及标准黏土矿物对页岩气吸附符合Langmuir吸附模型,为Ⅰ型等温吸附。实验结果表明,黏土矿物对甲烷吸附能力次序为蒙脱石>>伊/蒙混层>绿泥石>伊利石;模拟结果为蒙脱石>>伊利石>绿泥石。它们的规律大体相符,基于对象不同造成结论有所差异。模拟结果还显示,黏土矿物干酪根复合结构与黏土矿物对甲烷的吸附具有相同规律:蒙脱石干酪根复合结构>伊利石干酪根复合结构>绿泥石干酪根复合结构。对比研究黏土矿物干酪根复合结构与黏土矿物的吸附性能表明,蒙脱石干酪根复合结构吸附能力大于蒙脱石,伊利石干酪根复合结构吸附能力大于伊利石,而绿泥石干酪根复合结构吸附能力小于绿泥石。6.研究区页岩储层主要发育有机质孔和黏土矿物片间孔,此外还有粒间孔、晶间孔、矿物铸模孔和次生溶蚀孔。研究区页岩储集空间以微孔-中孔为主,大孔所占比例相对较小。有机质生烃演化发育大量的微孔和中孔。大量纳米级孔隙发育于有机质中,使得可供页岩气吸附的比表面积更大。在一定温度和压力下,页岩吸附气体能力主要取决于TOC及储层孔隙中纳米级微孔的比表面积和孔隙体积。研究区页岩储层裂缝主要有构造裂缝、成岩收缩缝、层间页理及裂理缝和围绕矿物颗粒及矿物集合体细微裂缝等类型,有机质和黏土矿物对裂缝生成具有一定贡献。7.研究区吸附态页岩气量主要影响因素为TOC、有机质热演化程度和黏土矿物成岩演化程度;有机质和黏土矿物对游离态页岩气量有着一定影响。8.实验和模拟结果显示,有机黏土复合体的吸附能力要高于一般页岩,且黔北地区页岩气以吸附气为主。本文研究对象中,天马1井牛蹄塘组储层吸附气占比为58%~63%,凤参1井牛蹄塘组储层吸附气占比为56%~58%,班竹1井五峰组-龙马溪组下段储层吸附气占比为73%~79%。基于有机黏土复合体计算得到的吸附气量比基于页岩岩样的吸附气量计算结果大得多,有机黏土复合体局部富集区吸附气的含量比其他区域高得多,是页岩气开发的“甜点”。