李陽(yáng)陽(yáng)，李賢慶，張學(xué)慶，楊經(jīng)緯，張博翔，肖賢明，于振鋒

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；4.山西燃?xì)饧瘓F(tuán)藍(lán)焰煤層氣工程研究有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

0 引 言

隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮脑鲩L(zhǎng)和開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，頁(yè)巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[1-4]。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙特征開(kāi)展了許多研究[5-10]，主要偏重于海相頁(yè)巖和陸相頁(yè)巖。LOUCKS等[5]研究認(rèn)為，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要發(fā)育孔隙直徑小于等于0.75 μm的微孔-納米孔隙，通常具有極低的孔隙度和超低滲透率。PFEIFERPER等[6]利用分子吸附法研究了儲(chǔ)層巖石孔隙的分形特征。楊峰等[7]基于液氮吸附法研究了頁(yè)巖納米孔隙特征。低溫氮吸附法可以有效反映巖石中納米孔隙的分布情況。CLARKSON等[8]、魏祥峰等[9]、陳磊等[10]采用掃描電鏡、壓汞、低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)海相、陸相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙特征與孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

沁水盆地是我國(guó)高煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要基地，對(duì)煤系頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層特征和孔隙結(jié)構(gòu)也有一定研究[11-14]。魏書(shū)宏等[11]評(píng)價(jià)了沁水盆地榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層特征。郗兆棟等[12]利用夫倫克耳-哈耳西-希爾(FHH)模型，分析了沁水盆地中東部海陸過(guò)渡相頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征。和鈺凱等[13]、崇璇等[14]探討了煤系頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其影響因素。然而，對(duì)沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征少有研究。本文基于井下巖心樣品，主要采用掃描電鏡、高壓壓汞、低溫N2和CO2氣體吸附實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖的孔隙微觀特征和孔隙結(jié)構(gòu)及其影響因素進(jìn)行研究，以期為沁水盆地煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)背景

沁水盆地位于山西省東南部，東西寬約120 km，南北長(zhǎng)約330 km，總面積超過(guò)3×104km2(圖1)。它歷經(jīng)了華北陸表海盆地、內(nèi)陸表海海陸交替沉積為主的近海坳陷以及陸相碎屑巖沉積為主的內(nèi)陸坳陷的古地理演化過(guò)程，主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，盆地中心出露三疊系[15-18]。盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育于東、西邊部，斷裂規(guī)模和性質(zhì)不同，以正斷層居多，走向以北東向?yàn)橹?，局部呈近東西向和北西向[19-20]。石炭-二疊紀(jì)沉積環(huán)境由海相向陸相逐步轉(zhuǎn)化，廣泛沉積了一套海陸過(guò)渡相頁(yè)巖，巖性多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖[21-23]。海陸過(guò)渡相煤系泥頁(yè)巖單層厚度不大，相對(duì)海相頁(yè)巖較薄，平均厚度小于40 m，累計(jì)厚度則相對(duì)較大，多在100 m以上，橫向變化較大，縱向上與致密砂巖、泥灰?guī)r和煤層互層[24-25]。陽(yáng)泉區(qū)塊位于沁水盆地北部，太原組沉積期是其主成煤期，煤層與灰?guī)r、暗色泥巖和砂巖交替沉積，沉積地層平均厚度約120 m。

圖1 沁水盆地區(qū)域構(gòu)造及陽(yáng)泉區(qū)塊井位圖

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

樣品采自沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊YQ井(圖1)的上古生界太原組煤系泥頁(yè)巖巖心，為灰黑色、黑色泥巖和炭質(zhì)泥巖。太原組煤系泥頁(yè)巖單層厚度小，為1～20 m，巖性較復(fù)雜，為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)-中砂巖、灰?guī)r的互層。

本次研究采用了巖石熱解分析、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高壓壓汞、低溫N2和CO2氣體吸附實(shí)驗(yàn)方法。巖石熱解分析實(shí)驗(yàn)使用OGE-II油氣評(píng)價(jià)儀，依據(jù)GB/T18602-2012國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。全巖礦物XRD分析采用Dmax/2000-PC-X射線衍射儀測(cè)定，按照GB/T5225-1986國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的K值法完成。頁(yè)巖樣品孔隙特征的掃描電鏡(SEM)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察分析在德國(guó)Zeiss公司產(chǎn)的Merlin Gemini型顯微鏡和荷蘭FEI公司產(chǎn)的Quanta200F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。在AutoPore IV9500型壓汞儀上完成頁(yè)巖樣品的高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，依據(jù)GB/T211650-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。頁(yè)巖樣品的低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)采用ASAP2460型比表面及孔隙分析儀，應(yīng)用巴雷特-喬納-哈倫達(dá)理論(BJH)模型對(duì)N2吸附-脫附曲線進(jìn)行分析。頁(yè)巖樣品的低溫CO2吸附實(shí)驗(yàn)采用ASAP2020型比表面及孔隙分析儀，應(yīng)用密度泛函理論(DFT)模型對(duì)CO2吸附-脫附曲線進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 煤系頁(yè)巖的基本地球化學(xué)特征

有機(jī)質(zhì)豐度是用來(lái)代表巖石中有機(jī)質(zhì)的相對(duì)含量，常用有機(jī)碳含量(TOC)表示。沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖的有機(jī)碳含量(TOC)介于0.73%～21.21%之間，平均3.12%；表征煤系頁(yè)巖成熟度的鏡質(zhì)體反射率Ro為2.09%～2.56%，平均2.43%，熱解最高峰溫Tmax均大于540 ℃，有機(jī)質(zhì)成熟度處于過(guò)成熟階段(表1)。

表1 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖樣品的基本地球化學(xué)特征

沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖富含黏土礦物(23.9%～71.4%，平均含量為50.0%)，脆性礦物以石英(27%～60.0%，平均含量為39.8%)為主，碳酸鹽礦物(0.8%～21.6%，平均含量為4.5%)和長(zhǎng)石等其他礦物(0.8%～13%，平均含量為5.8%)相對(duì)較少。

3.2 煤系頁(yè)巖孔隙微觀特征

頁(yè)巖微觀孔隙的發(fā)育利于吸附氣解析、儲(chǔ)集、運(yùn)移，很大程度影響頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集含氣性[8]。孔隙度是衡量頁(yè)巖孔隙發(fā)育程度的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層物性、頁(yè)巖含氣性及頁(yè)巖氣儲(chǔ)量估算的重要參數(shù)之一，頁(yè)巖孔隙度對(duì)于頁(yè)巖氣的賦存富集具有十分重要的意義，頁(yè)巖往往具有低孔隙度的特征[26-27]。沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖樣品孔隙度介于2.54%～12.03%之間，平均為6.61%。掃描電鏡分析表明，沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖樣品發(fā)育多種類(lèi)型的微觀孔隙，孔隙形態(tài)常呈不規(guī)則狀、棱角狀、橢圓形及狹縫形，常見(jiàn)粒間孔(圖2(a)、 (b)、 (c))和粒內(nèi)孔(圖2(a)、 (d)、 (e))，主要發(fā)育于礦物基質(zhì)中，這類(lèi)孔隙易受壓實(shí)作用、溶解作用和礦物相變等成巖作用控制。頁(yè)巖樣品中微裂縫(圖2(f)、 (g)、 (h))比較發(fā)育，主要為外力作用下形成的外生裂隙及顆粒間裂隙。有機(jī)質(zhì)孔(圖2(i))是指發(fā)育于頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的一種孔隙，形態(tài)多為圓形、橢圓形，在煤系頁(yè)巖樣品中偶見(jiàn)，總體不發(fā)育，與海相頁(yè)巖相比，有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量極低。

圖2 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖樣品掃描電鏡圖像

3.3 煤系頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙結(jié)構(gòu)是指泥頁(yè)巖中孔隙的幾何形態(tài)、大小、孔徑分布及其連通性，其對(duì)頁(yè)巖氣吸附賦存、儲(chǔ)集運(yùn)移都有重要意義[28-30]。沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖樣品N2吸附-脫附曲線(圖3(a))與國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)定義的Ⅳ型等溫吸附曲線和H3型遲滯環(huán)類(lèi)型相似[31]。N2吸附曲線在相對(duì)壓力(P/Po)小于0.5時(shí)，吸附曲線上升緩慢，當(dāng)P/Po大于0.5時(shí)，曲線迅速上升，一直到P/Po接近1.0時(shí)曲線急劇上升，頁(yè)巖樣品在吸附過(guò)程中發(fā)生了毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖樣品CO2吸附-脫附曲線(圖3(b))與IUAPC定義的Ⅰ型等溫曲線相似，當(dāng)P/Po小于0.01時(shí)，CO2吸附量增加趨勢(shì)隨P/Po的增加而加快，當(dāng)P/Po大于0.01時(shí)，CO2吸附量增加趨勢(shì)隨P/Po的增加而減慢，在飽和蒸氣壓階段吸附量接近飽和，這反映出頁(yè)巖中微孔填充現(xiàn)象。

圖3 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖樣品N2吸附-脫附曲線和CO2吸附-脫附曲線

沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖孔隙總孔容介于0.025 5～0.054 7 mL/g之間，平均值為0.040 1 mL/g，其中微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(>50 nm)的孔容平均值分別為0.004 4 mL/g、0.026 6 mL/g、0.009 1 mL/g。對(duì)比來(lái)看，介孔對(duì)孔容的貢獻(xiàn)最大，其次是宏孔，微孔對(duì)孔容的貢獻(xiàn)最小(圖4(a))。煤系頁(yè)巖樣品孔隙總比表面積分布范圍為12.34～43.38 m2/g，平均值為28.74 m2/g，其中孔隙絕大部分比表面積為微孔(<2 nm)所提供，平均值為14.68 m2/g，其次是介孔(2～50 nm)，平均值為12.74 m2/g，宏孔(>50 nm)比表面積最小，平均值為1.31 m2/g(圖4(b))。沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖的孔容和比表面積分布特征不同于北美地區(qū)海相頁(yè)巖[32]和川南地區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖[33]。

圖4 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖孔隙孔容和比表面積分布

進(jìn)一步分析表明，沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖不同尺度孔隙的孔容與比表面積之間具有一定的相關(guān)關(guān)系(圖5)：微孔的孔容與比表面積之間、介孔的孔容與比表面積之間均存在良好的正相關(guān)性，而宏孔的孔容與比表面積之間的相關(guān)性較差?？傮w來(lái)說(shuō)，總孔容與總比表面積之間的相關(guān)關(guān)系擬合較好，這與張吉振等[34]對(duì)川南地區(qū)龍?zhí)督M海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖的研究相似。

圖5 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖孔容與比表面積的關(guān)系

從樣品孔徑分布(圖6)來(lái)看，沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖的微孔孔徑主要分布在0.45～0.65 nm和0.79～0.87 nm區(qū)間，介孔孔徑主要集中在3.9～4.4 nm區(qū)間，這與川南地區(qū)龍?zhí)督M海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖大體一致[34]。

圖6 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖孔徑分布

3.4 煤系頁(yè)巖孔隙發(fā)育影響因素

3.4.1 有機(jī)碳含量對(duì)孔隙發(fā)育的影響

陳尚斌等[35]、田華等[36]指出頁(yè)巖有機(jī)碳含量(TOC)是控制頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中納米孔隙體積及比表面積的主要內(nèi)因；潘磊等[37]、JAVADPOUR[38]認(rèn)為孔隙發(fā)育較好的頁(yè)巖，其TOC通常較高，可見(jiàn)有機(jī)碳含量對(duì)泥頁(yè)巖的孔隙發(fā)育起重要的作用。

沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖樣品微孔孔容、介孔孔容與TOC呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，而宏孔孔容與TOC分布較離散，相關(guān)性差(圖7(a))，微孔比表面積、介孔比表面積與TOC呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，宏孔比表面積與TOC關(guān)系不明顯(圖7(b))，孔隙度和TOC具有良好的正相關(guān)關(guān)系(圖7(c))，反映出沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖樣品有機(jī)碳含量對(duì)頁(yè)巖微孔和介孔發(fā)育具有較大的影響，而對(duì)頁(yè)巖宏孔發(fā)育影響較小?？傮w而言，有機(jī)碳含量對(duì)頁(yè)巖微-納米級(jí)孔隙形成具有控制作用，利于比表面積的拓展，有機(jī)碳含量是影響頁(yè)巖孔容、比表面積、孔隙度的主要因素。

圖7 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖TOC與孔容、比表面積、孔隙度的關(guān)系

3.4.2 成熟度Ro對(duì)孔隙發(fā)育的影響

成熟度Ro是影響頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要因素。北美地區(qū)頁(yè)巖氣研究顯示，頁(yè)巖成熟度Ro與孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間存在一定相關(guān)性[32]。沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖微孔孔容、介孔孔容與成熟度Ro值有較好的正相關(guān)關(guān)系(圖8(a))，微孔比表面積、介孔比表面積與成熟度Ro值也呈正相關(guān)(圖8(c))，而宏孔孔容、宏孔比表面積與成熟度Ro值無(wú)明顯相關(guān)性，與張吉振等[24]對(duì)川南地區(qū)龍?zhí)督M煤系頁(yè)巖的研究結(jié)果有所差異。總體而言，沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖總孔容和總比表面積與成熟度Ro值呈正相關(guān)關(guān)系(圖8(b)、 (d))，可能是因?yàn)殡S著成熟度的增加，不斷產(chǎn)生氣體，從而促進(jìn)孔隙發(fā)育，這與王哲等[39]對(duì)川南地區(qū)筇竹寺組海相頁(yè)巖研究認(rèn)識(shí)不同。

圖8 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖成熟度Ro與孔容、比表面積的關(guān)系

3.4.3 礦物成分含量對(duì)孔隙發(fā)育的影響

頁(yè)巖中礦物成分含量對(duì)于孔隙的發(fā)育、演化和保存具有重要意義[32]。石英等脆性礦物含量影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性，并影響孔隙的發(fā)育；黏土礦物組成對(duì)于孔隙的演化和保存具有重要影響作用[22,32]。

沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖脆性礦物含量與介孔、微孔孔容呈明顯的負(fù)相關(guān)性，黏土礦物含量與介孔、微孔孔容呈一定的正相關(guān)性，而與宏孔孔容沒(méi)有明顯相關(guān)性(圖9)，這與川南地區(qū)海陸過(guò)渡相龍?zhí)督M煤系頁(yè)巖研究[34]一致，卻與淮南煤田潘謝礦區(qū)石盒子組煤系頁(yè)巖研究[13]不同。

圖9 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖礦物成分含量與孔容的關(guān)系

沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖脆性礦物含量與微孔、介孔比表面積呈負(fù)相關(guān)性，黏土礦物含量與微孔、介孔比表面積呈一定的正相關(guān)性(圖10)。由此看來(lái)，煤系頁(yè)巖儲(chǔ)層黏土礦物含量有利于微-納米級(jí)無(wú)機(jī)孔隙的發(fā)育，一定程度上積極影響孔隙結(jié)構(gòu)特征。

圖10 沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖礦物成分含量與孔隙比表面積的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖發(fā)育多種類(lèi)型孔隙，常見(jiàn)粒間孔、粒內(nèi)孔和微裂縫，有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育，孔隙形態(tài)多呈不規(guī)則狀、棱角狀、橢圓形及狹縫形，為頁(yè)巖氣賦存與儲(chǔ)集提供了儲(chǔ)集空間。

(2)沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖孔隙度為2.54%～12.03%(平均6.61%)，總孔容為0.025 5～0.054 7 mL/g(平均0.040 1 mL/g)，總比表面積為12.34～43.38 m2/g(平均28.74 m2/g)，孔隙以微孔和介孔為主，孔徑主要分布在0.45～0.65 nm、0.79～0.87 nm和3.9～4.4 nm區(qū)間。

(3)有機(jī)碳含量、成熟度Ro和礦物成分含量均會(huì)影響沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖孔隙發(fā)育與保存，有機(jī)碳含量和成熟度Ro對(duì)頁(yè)巖孔隙發(fā)育有促進(jìn)作用，黏土礦物含量一定程度上有利于無(wú)機(jī)孔隙的發(fā)育。