劉嬌男，朱炎銘，劉 宇，李家宏，侯曉偉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

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山西沁南太原組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙特征

劉嬌男1，2，朱炎銘1，2，劉 宇1，2，李家宏1，2，侯曉偉1，2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

目前，對(duì)沁水盆地太原組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙的研究主要集中在海相頁(yè)巖和陸相頁(yè)巖，為深入研究海陸交互相泥頁(yè)巖孔隙特征和地質(zhì)控制因素，運(yùn)用現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)對(duì)該區(qū)泥頁(yè)巖進(jìn)行了測(cè)試分析。研究表明：研究區(qū)泥頁(yè)巖孔隙度為1.19%～1.88%，孔隙結(jié)構(gòu)以中孔為主，占總孔體積的58.43%～72.71%，其次為微孔體積，占16.37%～26.17%，宏孔體積占10.92%～24.31%，孔徑主要分布為0.6～1.5、3.0～4.0、30 000.0～100 000.0 nm，比表面積主要是由孔徑為0.6～1.5 nm的孔隙所提供；太原組泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)呈較開(kāi)放狀態(tài)，孔隙間連通性較好；泥頁(yè)巖中存在有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔、溶蝕孔、黏土礦物粒間孔和脆性礦物粒間孔等孔隙類(lèi)型，此外還存在大量微裂縫。有機(jī)碳含量與微孔體積含量呈較好的正相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)成熟度與微孔、中孔含量有關(guān)，黏土礦物含量與中孔體積含量呈一定的正相關(guān)性，脆性礦物含量對(duì)宏孔體積貢獻(xiàn)較大。該成果為研究區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)資料，對(duì)海陸交互相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

孔隙特征；影響因素；海陸交互相；太原組；沁水盆地南部

0 引 言

頁(yè)巖氣指賦存于黑色頁(yè)巖或暗色頁(yè)巖中的天然氣，存儲(chǔ)方式以吸附氣、游離氣和溶解氣為主，其孔隙體積和結(jié)構(gòu)決定了其儲(chǔ)氣能力的大小和天然氣的賦存狀態(tài)，是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容[1-2]，直接影響頁(yè)巖氣資源的勘探評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)。目前，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙的研究主要集中在南方海相頁(yè)巖、鄂爾多斯盆地陸相頁(yè)巖和華南地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M海陸交互相泥頁(yè)巖[3]，華北地區(qū)廣泛發(fā)育海陸交互相泥頁(yè)巖，但其儲(chǔ)層孔隙研究程度較低。選取沁水盆地南部太原組泥頁(yè)巖樣品，運(yùn)用現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)對(duì)其儲(chǔ)層微觀孔隙特征展開(kāi)研究，結(jié)合泥頁(yè)巖樣品的有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度和礦物組分探討了孔隙結(jié)構(gòu)的主控因素，為海陸交互相頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和勘探開(kāi)發(fā)提供了參考。

1 地質(zhì)背景

沁水盆地南部地處華北板塊中部，構(gòu)造上位于沁水復(fù)向斜南端，沿沁水—安澤主向斜軸呈長(zhǎng)軸NNE—SSW向展布，東西兩翼基本對(duì)稱，經(jīng)過(guò)印支期、燕山期和喜山期3次規(guī)模較大的構(gòu)造改造，局部出現(xiàn)一些小褶皺和斷裂帶，但總的來(lái)說(shuō)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，斷裂稀少(圖1)。

沁水盆地發(fā)育石炭—二疊系富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖煤系地層。其中，太原組沉積了一套海陸交互相泥頁(yè)巖，總厚度為80～150 m，平均為105 m[4]，南部泥頁(yè)巖儲(chǔ)層累計(jì)厚度在50 m以上，最大連續(xù)厚度為10～25 m[5]；TOC含量為1.60%～3.56%，平均為2.35%；有機(jī)質(zhì)成熟度Ro為2.53%～3.14%，具有形成頁(yè)巖氣資源的良好物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)由于燕山期巖漿巖的侵入，Ro在陽(yáng)城地區(qū)超過(guò)3.60%，說(shuō)明太原組泥頁(yè)巖處于高—過(guò)成熟階段，有利于頁(yè)巖氣氣藏的形成和保存。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況及采樣點(diǎn)位置

選取沁水盆地南部太原組地層的6個(gè)鉆孔樣品，巖性觀察為黑色泥巖和砂質(zhì)泥巖，對(duì)其進(jìn)行全巖X射線衍射分析、有機(jī)碳含量和Ro測(cè)試、高壓壓汞分析、低溫氮?dú)馕椒治?、掃描電鏡觀察等測(cè)試工作，其相關(guān)測(cè)試均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 太原組泥頁(yè)巖孔隙特征

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)定量表征

結(jié)合高壓壓汞法和低溫氮?dú)馕椒▽?duì)研究區(qū)太原組泥頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，采用國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)的孔隙分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[6]，將泥頁(yè)巖孔隙劃分為微孔隙(直徑小于2 nm)、中孔隙(直徑為2～50 nm)和宏孔隙(直徑大于50 nm)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高壓壓汞法、低溫氮?dú)馕椒y(cè)試結(jié)果

為了更好地定量表征頁(yè)巖孔徑分布趨勢(shì)，將液氮與壓汞數(shù)據(jù)結(jié)合分析[7]。考慮到不同實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)勢(shì)測(cè)試孔徑范圍，選擇液氮吸附表征小于30 nm的孔徑孔隙、高壓壓汞表征大于50 nm和30～50 nm的孔徑孔隙。太原組泥頁(yè)巖孔徑主要為0.6～1.5、3.0～4.0、30 000.0～100 000.0 nm。統(tǒng)計(jì)不同孔徑范圍內(nèi)的孔隙體積可以看出，沁水盆地南部太原組孔隙結(jié)構(gòu)以中孔為主(表1)，占總孔隙體積的58.43%～72.71%，平均為65.20%；其次為微孔，占總孔隙體積的16.37%～26.17%，平均為18.95%；宏孔體積含量最少，占總孔體積的10.92%～24.31%，平均為15.85%。由太原組泥頁(yè)巖階段比表面積和孔徑的關(guān)系可以看出，其比表面積主要是由0.6～1.5 nm的孔徑提供。

圖2是太原組泥頁(yè)巖樣品低溫氮?dú)馕降葴厣龎哼^(guò)程中的吸附曲線和降壓過(guò)程的脫附曲線。研究區(qū)太原組泥頁(yè)巖樣品氮?dú)馕角€在形態(tài)上略有不同，但整體呈現(xiàn)反S型。根據(jù)De Boer提出的5類(lèi)吸附回線和國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)推薦的4類(lèi)吸附回線[8]，研究區(qū)吸附回線與De Boer 提供的B類(lèi)回線較為相近但不完全相同；與IUPAC推薦的H-3型回線接近，樣品孔隙呈開(kāi)放

圖2 研究區(qū)太原組吸附—脫附曲線

狀態(tài)，表明太原組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙主要由納米孔組成，且結(jié)構(gòu)具有一定的無(wú)規(guī)則孔特征，以兩端開(kāi)口的圓筒孔及四周開(kāi)放的平行板孔為主，微孔隙內(nèi)各個(gè)孔徑階段的孔隙均較發(fā)育，連通性好，代表的是利于頁(yè)巖氣運(yùn)移的儲(chǔ)層。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)定性表征

(1) 粒內(nèi)孔隙。包括有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔和溶蝕孔。有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔孔徑多為納米級(jí)，一般小于500 nm，呈密集分布(圖3a)。溶蝕孔以長(zhǎng)石和方解石溶蝕孔最為常見(jiàn)，其特點(diǎn)是發(fā)育在顆粒內(nèi)部，數(shù)量眾多，呈蜂窩狀或分散狀(圖3b)。

(2) 粒間孔隙。包括黏土礦物粒間孔和脆性礦物粒間孔，掃描電鏡中呈散點(diǎn)狀分布。黏土礦物多呈片狀、絮狀充填于孔隙中(圖3c)，孔徑在十幾到幾百納米之間。研究區(qū)泥頁(yè)巖黃鐵礦含量較高，黃鐵礦晶間孔較為發(fā)育(圖3d)，孔徑一般為1～10 μm，或者更小。

(3) 微裂縫。太原組泥頁(yè)巖微觀裂縫類(lèi)型主要為外力作用下形成的外生裂隙及顆粒間裂縫，裂縫寬度一般為30～200 μm，其中，外生裂隙往往穿過(guò)多個(gè)顆粒，呈筆直狀，很少分叉；顆粒間裂縫主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)顆粒和石英周?chē)?圖3e、f)。

圖3 掃描電鏡下的孔隙類(lèi)型

3 孔隙特征影響因素分析

3.1 TOC含量的影響

太原組泥頁(yè)巖樣品TOC含量與中孔、宏孔體積含量的相關(guān)性較差，與微孔體積含量具有很好的正相關(guān)性(圖4a)，說(shuō)明微孔含量受TOC含量控制作用明顯。掃描電鏡觀察有機(jī)質(zhì)孔中主要發(fā)育微孔隙，孔徑多為納米級(jí)，微孔體積含量隨TOC含量增加而增加。

圖4 不同孔隙體積含量與TOC、黏土礦物、脆性礦物含量相關(guān)關(guān)系

3.2 Ro的影響

圖4b為研究區(qū)太原組泥頁(yè)巖孔隙體積含量隨Ro的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，隨著Ro的升高，微孔含量增多，中孔含量減少，Ro與微孔、中孔體積含量相關(guān)性好。微孔含量隨Ro升高而增加，可能是研究區(qū)泥頁(yè)巖受到區(qū)域熱地質(zhì)作用的影響，使得頁(yè)巖中熱變氣孔大量增加造成的；而中孔含量隨Ro升高而降低，可能是受到成巖演化及埋藏壓實(shí)作用影響。

3.3 礦物成分的影響

全巖X射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研究區(qū)太原組泥頁(yè)巖黏土礦物含量為41.10%～64.00%，平均為52.83%；脆性礦物(石英+長(zhǎng)石+黃鐵礦)含量為30.10%～53.70%，平均為39.41%，有利于后期的壓裂改造。太原組泥頁(yè)巖中黏土礦物含量與中孔體積含量呈一定的正相關(guān)性，而與宏孔體積含量呈弱的負(fù)相關(guān)性，與微孔體積含量相關(guān)性較差(圖4c)。由此可見(jiàn)，黏土礦物一定程度上影響中孔的發(fā)育。掃描電鏡觀察中，黏土礦物多以片狀、絮狀等多種形態(tài)形成黏土礦物粒間孔隙，孔徑大于有機(jī)質(zhì)孔隙，中孔體積含量隨著黏土礦物的增加而增加。太原組泥頁(yè)巖脆性礦物含量與宏孔體積含量呈較好的正相關(guān)性(圖4d)，可能是研究區(qū)脆性礦物含量較高，容易壓裂形成顯微裂隙，在一定程度上對(duì)宏孔的貢獻(xiàn)較大。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)泥頁(yè)巖孔隙度為1.19%～1.88%，孔隙結(jié)構(gòu)以中孔為主，占總孔隙體積的58.43%～72.71%；其次為微孔體積，占16.37%～26.17%；宏孔體積占10.92%～24.31%，孔徑為0.6～1.5、3.0～4.0、30 000.0～100 000.0 nm。其中，比表面積主要是由孔徑為0.6～1.5 nm的孔隙提供。

(2) 研究區(qū)太原組泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)呈較開(kāi)放狀態(tài)，孔隙間連通性較好；泥頁(yè)巖中存在有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔、溶蝕孔、黏土礦物粒內(nèi)孔和脆性礦物粒間孔等孔隙類(lèi)型，此外泥頁(yè)巖中還存在大量微裂縫。

(3) 有機(jī)碳含量與微孔體積含量呈較好的正相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)成熟度與微孔含量和中孔含量有關(guān)，黏土礦物含量與中孔體積含量呈一定的正相關(guān)性，脆性礦物含量對(duì)宏孔體積貢獻(xiàn)較大。

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編輯 黃華彪

20150928；改回日期：20151221

國(guó)家自然科學(xué)基金“中上揚(yáng)子地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖微孔結(jié)構(gòu)演變與頁(yè)巖氣成藏效應(yīng)”(41272155)、國(guó)家基礎(chǔ)研究發(fā)展“973”項(xiàng)目“中國(guó)南方古生界頁(yè)巖氣賦存富集機(jī)理和資源潛力評(píng)價(jià)”(2012CB214702)和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目“沁水盆地煤系煤層氣、頁(yè)巖氣和致密砂巖氣賦存與成藏”(2015-004)聯(lián)合資助

劉嬌男(1990-)，女，2013年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)為該校礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事頁(yè)巖氣、煤層氣地質(zhì)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.010

TE122.2

A

1006-6535(2016)02-0041-04