王安民，曹代勇，魏迎春，聶 敬，2，秦榮芳

（1.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； 2.山東省菏澤第一中學(xué)，山東 菏澤 274000）

0 引 言

我國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有巨大的潛力［1－2］，但是，我國(guó)含煤盆地普遍受到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響［3］，含煤巖系常常發(fā)生不同程度的變形和變位，導(dǎo)致煤系氣頁(yè)巖儲(chǔ)層也普遍遭受了后期改造，從而發(fā)生脆性或韌性變形［4］。 煤系頁(yè)巖的變形對(duì)儲(chǔ)層物性特征的影響是普遍存在的，也是影響煤系頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重要因素［5］。 頁(yè)巖儲(chǔ)層的變形程度越高，納米孔隙越發(fā)育，比表面積越大，因而其氣體吸附量則越大［6］。 其中，頁(yè)巖的脆性變形或韌性變形被認(rèn)為是影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的重要形式［4，7］，其不僅增大了納米孔孔容和比表面面積［8］，也對(duì)孔隙類(lèi)型和孔徑分布產(chǎn)生影響［9］。 因此，研究煤系頁(yè)巖脆／韌性變形的宏觀和微觀變形特征是探討煤系頁(yè)巖儲(chǔ)層特征的重要基礎(chǔ)。

青海聚乎更礦區(qū)是復(fù)雜構(gòu)造區(qū)煤系頁(yè)巖氣賦存的典型地區(qū)［10－11］，也是青海省能源發(fā)展的重要礦區(qū)，擁有較強(qiáng)的資源勘探開(kāi)發(fā)潛力。 礦區(qū)內(nèi)由南向北廣泛發(fā)育逆沖斷層，三疊系地層逆沖推覆于侏羅系地層之上，侏羅紀(jì)含煤巖系被斷層切割，使得其中的頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)生了不同程度的變形。 由于不同部位的頁(yè)巖所受到的溫壓條件的不同以及頁(yè)巖本身力學(xué)性質(zhì)的差異，使得研究區(qū)內(nèi)的頁(yè)巖發(fā)生了脆、韌性變形差異，這種脆、韌性變形差異對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響是不同的［11］。 因此，為了探索聚乎更礦區(qū)煤系頁(yè)巖脆、韌性變形差異對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響，筆者以礦區(qū)內(nèi)中侏羅統(tǒng)的頁(yè)巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，采集典型鉆孔中斷裂帶處的頁(yè)巖樣品，研究其宏觀及微觀尺度下的變形特征，在此基礎(chǔ)上，探討脆／韌性變形特征對(duì)頁(yè)巖孔隙的影響，為研究區(qū)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)所在的聚乎更礦區(qū)位于木里煤田的西南部，木里煤田位于青海省北部，大地構(gòu)造位置屬于中祁連斷隆帶［12］。

研究區(qū)主體出露中侏羅統(tǒng)含煤巖系，主要為河流、濱淺湖、三角洲沉積相，也是煤系泥頁(yè)巖賦存層位［13］，下伏地層為非整合接觸的上三疊統(tǒng)地層，同時(shí)，在研究區(qū)的南緣，上三疊統(tǒng)推覆于中侏羅統(tǒng)之上（圖1）。

在喜山運(yùn)動(dòng)期間，受由南向北擠壓應(yīng)力，礦區(qū)形成了一系列近東西走向的逆沖斷層（圖1）［14］，對(duì)研究區(qū)含煤巖系造成了大量破壞，使煤系泥頁(yè)巖產(chǎn)生脆、韌性變形［11］。 研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造的整體形態(tài)為一復(fù)式向斜，在東西向延展的逆沖斷層推覆下，研究區(qū)原有的含煤沉積向斜盆地被破壞分割成為2 個(gè)似單斜構(gòu)造形態(tài)，構(gòu)成了研究區(qū)總體構(gòu)造形式［11］。

2 樣品采集與試驗(yàn)

采集研究區(qū)4 個(gè)鉆孔中中侏羅煤系頁(yè)巖脆、韌性變形樣品共13 件，其中脆性變形6 件，韌性變形7件。 所采鉆孔位于研究區(qū)南緣逆沖推覆地區(qū)（圖1），推覆系統(tǒng)為上三疊統(tǒng)地層，原地系統(tǒng)為中侏羅統(tǒng)地層。 變形樣品位于中侏羅統(tǒng)地層中的斷層附近，為喜山運(yùn)動(dòng)期推覆構(gòu)造形成［11，14］，樣品信息見(jiàn)表1。 利用掃描電鏡實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所有樣品的脆／韌性變形特征，以歸納總結(jié)出聚乎更礦區(qū)煤系頁(yè)巖的脆／韌性變形標(biāo)志。 此外，對(duì)所有樣品進(jìn)行XRD、TOC 以及平均鏡質(zhì)體反射率（Ro）試驗(yàn)的前置處理，挑選出樣品成分相差不大的頁(yè)巖樣品6 個(gè)（表2），利用低溫液氮實(shí)驗(yàn)以及核磁共振實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，以探討精細(xì)的脆／韌性變形頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)差異性。

表1 掃描電鏡樣品信息Table 1 Scanning electron microscope sample information

表2 低溫液氮與核磁共振實(shí)驗(yàn)樣品信息Table 2 Sample information of low temperature N2 adsorption／desorption and nuclear magnetic resonance （NMR） experiments

2.1 掃描電鏡試驗(yàn)

選取樣品中代表性層狀碎片，長(zhǎng)軸不超過(guò)0.5 cm，采用HITACHI S－4800 型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)變形樣品進(jìn)行觀察，區(qū)別出主要顯微變形特征，并分析樣品中孔隙分布特征和形態(tài)特征。

2.2 低溫液氮試驗(yàn)

每個(gè)樣品取制備好的過(guò)篩60 ～80 目（0.20 ～0.25 mm） 的粉末樣2 ～3 g，利用比表面積分析儀（NOVA200e），依據(jù)SY／T6 154—1995，采用“靜態(tài)容量法”對(duì)樣品進(jìn)行氮吸附實(shí)驗(yàn)，并按照BET 多分子層吸附公式計(jì)算試樣的比表面積，再利用BJH 模型計(jì)算樣品的孔容和孔徑分布。

2.3 核磁共振試驗(yàn)

核磁共振儀器型號(hào)為MRicroMR12－025V。 實(shí)驗(yàn)中主要的測(cè)量參數(shù)：等待時(shí)間TW＝3 000 ms，回波個(gè)數(shù)NECH＝10 000，回波時(shí)間TE＝0.1 ms。 將塊狀樣品抽真空后以20 MPa 的壓力在蒸餾水中飽和24 h，測(cè)試飽水樣品弛豫時(shí)間T2。 將飽水樣放入離心機(jī)中，以6 000 r／min（約1.38 MPa）的轉(zhuǎn)速離心4 h，測(cè)試離心處理后樣品的弛豫時(shí)間T2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 脆、韌性變形的鏡下特征及其對(duì)孔隙的改造

通過(guò)宏觀肉眼觀察以及掃描電鏡下觀測(cè)，對(duì)研究區(qū)變形煤系頁(yè)巖樣品的脆、韌性識(shí)別標(biāo)志總結(jié)如下。

3.1.1 脆性變形標(biāo)志

宏觀上看（圖2），脆性變形有明顯斷口（A－01），斷裂面較為平整且無(wú)拉伸或壓扭現(xiàn)象（A－02，A－03），有時(shí)也會(huì)有明顯的擦痕和階步（A－04）。 總體上，樣品仍保持了相當(dāng)?shù)挠捕取?/p>

微觀上看（圖2），具有大量的張性微裂隙（A－05，A－06），也存在緊閉的剪性裂隙（A－07），或表現(xiàn)出先張性后剪切的交錯(cuò)裂隙（A－08），這是脆性變形的標(biāo)志之一。 同時(shí)，脆性裂隙長(zhǎng)度變化較大，且無(wú)充填（?。?9，?。?0），同時(shí)發(fā)現(xiàn)有孔隙被微裂隙切割的現(xiàn)象（A－11，A－12）。

圖2 研究區(qū)煤系頁(yè)巖脆性變形特征Fig.2 Brittle deformation characteristics of coal measure shales in research area

3.1.2 韌性變形標(biāo)志

宏觀上看（圖3），韌性變形使得樣品破碎得更為明顯，斷口并不平整（a－01），甚至表面呈現(xiàn)出不規(guī)則的流紋（a－02，a－03），以及出現(xiàn)壓扭的特征（a－02，a－03），同時(shí)，韌性變形使得樣品質(zhì)地較軟，易碎且碎裂部分呈粉末狀（a－04）。

圖3 研究區(qū)煤系頁(yè)巖韌性變形特征Fig.3 Ductile deformation characteristics of coal measure shales in research area

微觀上看（圖3），樣品表現(xiàn)出大量的揉皺現(xiàn)象（a－05，a－06），改變了原有的成層狀狀分布的礦物顆粒的排布方式，增大了礦物顆粒間的孔隙（a－05，a－06，a－07），這也是韌性變形的標(biāo)志之一。 本次所采樣品除表現(xiàn)出大量的扭折帶之外（a－07，a－08），還表現(xiàn)出其他具有韌性特征的現(xiàn)象：①孔隙表現(xiàn)出明顯的壓縮變形（a－09，a－10），粒間孔所受影響較大（a－11，a－12）；②壓剪性裂隙大量出現(xiàn)，裂隙呈緊密閉合狀態(tài)（a－13，a－14），亦有書(shū)斜式微裂紋出現(xiàn)（a－15，a－16）；③剪切裂隙表現(xiàn)出帶狀紋理，切口常見(jiàn)碎屑（a－17，a－18）；④成層狀緊密排列的片狀黏土礦物的不規(guī)則翻立（a－19，a－20），使得原本緊密排列的黏土礦物出現(xiàn)顆粒間孔隙。

3.1.3 脆／韌性變形對(duì)孔隙的改造

從圖中不難看出，研究區(qū)頁(yè)巖孔隙類(lèi)型主要為粒間孔（圖2、圖3），包括碎屑粒間孔和片狀黏土礦物的層間孔，其次為粒內(nèi)孔，而有機(jī)質(zhì)孔則最少。 頁(yè)巖的脆、韌性變形對(duì)孔隙的改造特征為：

1）脆性變形的頁(yè)巖中，孔隙時(shí)常有被裂隙切割的現(xiàn)象，包括粒間孔和粒內(nèi)孔，從而導(dǎo)致孔隙體積增大和孔隙間的連通。 韌性變形中大量的揉皺和扭折帶則極大地改變了頁(yè)巖微觀顆粒的排布，從而導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的變化。

2）韌性變形的頁(yè)巖中，大量的揉皺現(xiàn)象以及片狀粘土礦的不規(guī)則翻立不僅擠壓了粒間孔，也使得原本緊密排列的礦物間出現(xiàn)了更多的空隙。 但揉皺現(xiàn)象對(duì)粒內(nèi)孔及有機(jī)質(zhì)孔影響并不明顯。 此外，韌性變形在壓縮孔隙的同時(shí)，也進(jìn)一步縮小了孔隙間的連通通道，尤其體現(xiàn)在片狀黏土礦物的層間孔隙上，這會(huì)使得孔隙間的連通性降低。

3）脆性變形幾乎可以切割任何類(lèi)型的孔隙，并使得孔隙連通性進(jìn)一步增大，但不會(huì)影響礦物顆粒排列方式。 而韌性變形主要通過(guò)改變礦物顆粒排列方式來(lái)影響孔隙結(jié)構(gòu)，增大粒間孔隙的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致孔隙連通性進(jìn)一步降低。

需要指出的是，上述改造主要發(fā)生在黏土礦物中，而頁(yè)巖中黏土礦物表面是頁(yè)巖氣吸附的主力位置［15－17］，因此，不難看出，黏土礦物中的孔隙受脆／韌性變形的改造程度對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層有著重要影響。

3.2 基于低溫液氮實(shí)驗(yàn)的脆／韌性變形對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

低溫液氮實(shí)驗(yàn)是測(cè)試樣品孔隙結(jié)構(gòu)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，可以有效地反映頁(yè)巖中微、小孔的發(fā)育情況，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的氮?dú)馕摳角€(xiàn)以及孔徑分布特征如圖4 所示。 可以看出，測(cè)試樣品中氮?dú)獾淖畲笪轿搅宽樞驗(yàn)棰颍?＞Ⅱ－3＞Ⅱ－1＞Ⅰ－3＞Ⅰ－1＞Ⅰ－2。因此，不難看出，韌性變形樣品的氣體最大吸附量明顯比脆性變形樣品多。

圖4 脆／韌性變形樣品的氮?dú)馕摳角€(xiàn)以及孔徑分布特征Fig.4 N2 adsorption／desorption curves and pore size distribution of brittle／ductile deformation samples

此外，所有樣品的吸／脫附曲線(xiàn)均存在著“遲滯回線(xiàn)”，即脫附曲線(xiàn)與吸附曲線(xiàn)明顯不重合，這意味著樣品中存在著瓶頸型孔、平行板狀孔、尖劈型孔等孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜的孔［18－19］，其中，脫附曲線(xiàn)有明顯下降的“小陡坎”被認(rèn)為是瓶頸型孔的標(biāo)志?？梢钥闯?，所有試驗(yàn)樣品的孔隙均含有瓶頸型孔等結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的孔（圖4a），總結(jié)起來(lái)，脆性變形和韌性變形樣品的孔隙類(lèi)型相差不大，即脆性變形和韌性變形對(duì)頁(yè)巖孔隙類(lèi)型的影響并未表現(xiàn)出差異性。 但從孔徑分布的情況來(lái)看（圖4b），脆／韌性變形樣品的孔徑分布曲線(xiàn)峰值均在孔徑3～5 nm，但在該孔徑段內(nèi)韌性變形樣品的孔容要明顯高于脆性變形樣品（圖4b 的縱坐標(biāo)dV／（lgd）是孔容對(duì)孔徑微分的一種形式，常與孔徑d作圖，用于表示孔容隨孔徑變化率的規(guī)律）。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合計(jì)算，得到樣品不同孔徑段的孔容以及比表面積分布見(jiàn)表3、圖5。 韌性變形樣品的總孔容分布為11.970×10－3～13.820×10－3mL／g，平均12.907×10－3mL／g，脆性變形樣品的總孔容分布為5.546×10－3～7.20×10－3mL／g，平均6.357×10－3mL／g；同時(shí)，韌性變形樣品的BET 比表面積為5.779～8.287 m2／g，平均6.980 m2／g，明顯高于脆性變形樣品（4.343～4.545 m2／g，平均4.460 m2／g）。

表3 樣品不同孔徑段的孔容分布Table 3 Pore volume distribution of different pore sizes

可以看出，韌性變形樣品的總孔容和比表面積均明顯高于脆性變形樣品，結(jié)合掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，礦物顆粒的排布方式被改變是使得孔容和比表面積增大的主要原因：韌性變形使得緊密排列的黏土礦物產(chǎn)生揉皺、扭折帶、以及不規(guī)則翻立等現(xiàn)象，產(chǎn)生了新的礦物顆粒間孔隙，同時(shí)也增大了比表面積；脆性變形幾乎不改變礦物顆粒的排列方式，因而也不會(huì)明顯增大孔容和比表面積。 由圖5 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在孔徑小于10 nm 以及10 ～100 nm 段，韌性變形樣品的孔容和比表面積均明顯大于脆性變形樣品，因此可以推斷，韌性變形引起的孔容和比表面積增大主要出現(xiàn)在孔徑小于100 nm 的段內(nèi)。

圖5 樣品不同孔徑段的孔容及比表面積分布Fig.5 The pore volume and specific surface area distributions of different pore sizes

3.3 基于核磁共振實(shí)驗(yàn)的脆／韌性變形對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

采用“T2c法”對(duì)核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理［20－22］。 其計(jì)算方法為：在樣品的飽水與離心的T2累積孔隙度曲線(xiàn)上，從離心后累積孔隙度曲線(xiàn)的最大處做一條與X軸平行的直線(xiàn)，與飽水的累積孔隙度曲線(xiàn)交于一點(diǎn)，該點(diǎn)的X軸值就是T2c值（圖6）。

T2c值所對(duì)應(yīng)的孔隙半徑rc為常數(shù)，可根據(jù)離心壓力Pc求得，則第i個(gè)弛豫時(shí)間T2i所對(duì)應(yīng)的孔徑rci由式（1）和式（2）［21］可求出。

其中，σ為液面張力，一般取0.076 N／m；θ為液面潤(rùn)濕角，一般取60°［22］。 因此，式（2）可改寫(xiě)為rc＝0.14／Pc。

此外，核磁共振實(shí)驗(yàn)還可測(cè)試樣品的有效孔隙度，即可流動(dòng)體孔隙度［23］，其不僅能存儲(chǔ)甲烷氣，而且可以允許其在其中滲濾，較好地反映了孔隙的連通性。 樣品的有效孔隙度即為飽水狀態(tài)下所測(cè)孔隙度與離心狀態(tài)下的束縛水所測(cè)孔隙度之差，可以通過(guò)兩者的T2譜計(jì)算求得，公式如下：

其中，S（T2）為T(mén)2譜分布曲線(xiàn)；Tmin為T(mén)2最小值，ms；Tmax為T(mén)2最大值，ms；T2c為T(mén)2截止值，ms；IBV為束縛流體飽和度，%，非連通性孔隙；IFF為可動(dòng)流體飽和度，%，為了可連通的有效孔隙度占總孔隙度的比例（圖6）；有效孔隙度值即為總孔隙度與FFI 的乘積。

圖6 T2c法以及束縛流體飽和度（以樣品I－1 為例）Fig.6 T2c method and bound fluid saturability（Taking sample I－1 as an example）

脆／韌性變形樣品的孔隙度、孔徑分布、BVI、FFI 以及有效有孔隙度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。 可以看出，韌性變形樣品孔隙度為4.39%～7.34%，明顯高于脆性變形樣品的孔隙度。

表4 樣品核磁共振計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of nuclear magnetic resonance （NMR） experiments

無(wú)論是脆性變形還是韌性變形樣品，孔徑小于100 nm 的孔容占據(jù)了主導(dǎo)地位。 但不同的是，韌性變形樣品中孔徑小于100 nm 的孔容明顯高于脆性變形樣品，這與低溫液氮試驗(yàn)結(jié)果一致。 樣品的有效孔隙度由FFI 值計(jì)算得出，可以看出，韌性變形樣品的有效孔隙度在1.34%～2.52%，也明顯高于脆性變形樣品的有效孔隙度。

此外，根據(jù)不同孔徑范圍內(nèi)非連通孔（束縛流體）所占比例的分布（圖7），可以得出脆／韌性變形方式對(duì)孔隙連通性的影響程度：孔徑在小于10 nm范圍內(nèi)，韌性變形樣品中非連通孔隙所占比例為89.40% ～99. 55%， 明 顯 高 于 脆 性 變 形 樣 品 的61.42%～77.08%；在10 ～100 nm，兩者相當(dāng)；孔徑100～1 000 nm時(shí)，韌性變形樣品中非連通孔所占比例則明顯低于脆性變形樣品；而當(dāng)孔徑大于1 000 nm 時(shí)，韌性變形樣品中非連通孔所占比例則遠(yuǎn)低于脆性變形樣品。

圖7 非連通孔在不同孔徑段范圍內(nèi)所占比Fig.7 Percentages of un－connective pores with different pore sizes

因此，隨著孔徑的增大，韌性變形樣品中非連通孔所占比例逐漸降低，而韌性變形樣品中非連通孔所占比例變化并不明顯。 由此可以推斷，韌性變形使得小孔徑孔隙的連通性降低，但會(huì)使得大孔徑孔隙的連通性增加，而脆性變形則是無(wú)差別影響不同孔徑范圍內(nèi)的孔隙連通性。

4 結(jié) 論

1）脆性變形使得煤系頁(yè)巖出現(xiàn)大量的具有明顯斷口的破裂面，但并未改變樣品的硬度，也沒(méi)有改變礦物顆粒的排列方式，且存在著大量的張性或剪性裂隙切割孔隙（包括粒間孔和粒內(nèi)孔）的現(xiàn)象。

2）韌性變形使得煤系頁(yè)巖質(zhì)地較軟，大量的揉皺、扭折帶、以及不規(guī)則翻立等現(xiàn)象是韌性變形的標(biāo)志，其改變了礦物顆粒緊密的排布方式，使得孔容和比表面積增大。 同時(shí)，大量的擠壓變形也使得原生的孔隙出現(xiàn)受壓縮而變形的現(xiàn)象。

3）脆性變形和韌性變形對(duì)頁(yè)巖孔隙類(lèi)型的影響并未表現(xiàn)出差異性，但韌性變形樣品的總孔容和比表面積均明顯高于脆性變形樣品。 同時(shí)，韌性變形引起的孔容和比表面積增大主要出現(xiàn)在孔徑小于100 nm段。

4）韌性變形樣品的孔隙度以及有效孔隙度均高于脆性樣品。 此外，韌性變形使得小孔徑孔隙的連通性降低，但會(huì)使得大孔徑孔隙的連通性增加，而脆性變形則是無(wú)差別影響不同孔徑范圍內(nèi)的孔隙連通性。