張金晴，李賢慶，張博翔，張學慶，楊經緯，于振鋒

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；3.山西燃氣集團藍焰煤層氣工程研究有限責任公司，山西 晉城 048006)

0 引 言

北美頁巖氣的成功商業(yè)化開發(fā)，引發(fā)全球頁巖氣革命，使得頁巖氣研究成為能源領域的熱點[1-3]。目前我國已成為世界第二大頁巖氣生產國，頁巖氣是我國天然氣工業(yè)發(fā)展的新動力[4]。作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，加快頁巖氣資源評價、勘探與開發(fā)利用，對于緩解巨大的能源壓力及保障國家能源安全具有現(xiàn)實意義[5]。

經過十多年勘探實踐，我國已在中—上揚子板塊的四川盆地及周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖地層的勘探中取得重大突破，探明了涪陵、長寧、威遠、昭通等多個千億立方米儲量的頁巖氣田[6-7]。海相頁巖氣儲層研究相對成熟，形成了以有機碳含量、地球化學參數(shù)為核心，掃描電鏡、N2和CO2氣體吸附—脫附、高壓壓汞、小角散射和核磁共振等實驗相結合的儲層研究方法[8-10]。然而，海相頁巖氣地質勘探理論及開發(fā)技術并不完全適用于煤系頁巖氣，當前煤系頁巖氣勘探評價與開發(fā)還處于探索階段。我國煤系頁巖氣資源量巨大，主要圍繞鄂爾多斯盆地石炭-二疊系、沁水盆地石炭-二疊系、四川盆地上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M等的煤系地層，展開了煤系頁巖氣地質研究，加快了對煤系頁巖氣儲層特征、有利區(qū)評價與優(yōu)選的研究進程[11-17]。煤系頁巖多與煤層及致密砂巖互層，往往具有優(yōu)質頁巖厚度小、連續(xù)性差、含氣量變化大、脆性一般等頁巖氣富集地質特征[18]。隨著煤系頁巖氣地質研究及資源勘探開發(fā)工作的不斷深入，諸多研究[19-24]表明，煤系頁巖孔隙結構不但影響氣體的賦存狀態(tài)，而且也影響煤系頁巖氣的儲集性能，正確認識煤系頁巖氣儲層孔隙特征可以為煤系頁巖含氣性評價和勘探開發(fā)提供重要的參考依據。

沁水盆地上古生界海陸過渡相煤系頁巖較為發(fā)育，其頁巖氣資源潛力及勘探開發(fā)前景受到關注，國內學者對該盆地石炭-二疊系煤系頁巖氣的儲層特征和孔隙結構已有一定研究[25-31]。CHENG等[25]分析了沁水盆地陽泉區(qū)塊煤系頁巖不同微米孔隙中孔隙水的分布與賦存階段差異；閆高原等[26]在高壓壓汞實驗的基礎上利用SIERPINSKI模型對煤系頁巖孔隙結構進行了分形處理；李陽陽等[27]、田忠斌等[28]、袁余洋等[29]、曹磊等[30]評價了沁水盆地煤系頁巖孔隙微觀特征和孔隙結構及其影響因素；馬如英等[31]對沁水盆地海陸過渡相頁巖儲層微觀孔隙特征及含氣性進行了研究，認為孔隙特征和孔隙結構影響著頁巖氣的儲存和富集。但是，針對沁水盆地中部的武鄉(xiāng)區(qū)塊，開展海陸過渡相煤系頁巖氣儲層孔隙特征與孔隙結構研究尚少。因此，筆者以沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊三口井的巖心樣品為基礎，聯(lián)合采用掃描電鏡、高壓壓汞法、低溫N2和 CO2氣體吸附法、微米CT掃描、核磁共振等實驗方法，對沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界海陸過渡相煤系頁巖氣儲層的孔隙微觀特征和孔隙結構及其連通性進行研究，以期為沁水盆地煤系頁巖氣儲層性質評價與成藏有利區(qū)分析提供基礎資料和科學依據。

1 地質概況

沁水盆地位于華北地臺中部的山西省東南部(圖1(a))，是一近南北向的大型復式向斜構造盆地[32-33]，盆地四周皆為隆起，北鄰五臺山隆起，南靠中條山隆起，東接太行山隆起，西部為呂梁山隆起和霍山隆起[34]。晚古生代以前，沁水盆地整體處于構造穩(wěn)定階段，之后受印支運動的影響，盆地開始形成。燕山運動使盆地受到強烈的擠壓作用，并初步形成向斜構造[34]。新生代以來，在喜馬拉雅運動的影響下，沁水盆地經歷了多期構造拉張、擠壓作用，最終形成了現(xiàn)今的構造格局[35]。沁水盆地晚石炭-早二疊世處于海陸過渡相環(huán)境，以三角洲、潮坪、碳酸鹽臺地沉積為主，發(fā)育多套海陸過渡相富有機質頁巖，由下至上依次為本溪組、太原組、山西組和石盒子組[36]。

圖1 沁水盆地區(qū)域構造(a)、武鄉(xiāng)區(qū)塊取樣井分布(b)與研究區(qū)地層柱狀圖(c)Fig.1 Regional structure of Qinshui Basin(a), well location map of the Wuxiang Block(b), and stratigraphic histogram of the study area(c)

武鄉(xiāng)區(qū)塊位于沁水盆地中南部沁水復合斜坡中段東側，研究區(qū)斷裂較為發(fā)育，斷層走向以NE向和NNE向為主，上古生界含煤地層主要沉積于上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組(圖1(a)、 (b))。太原組主要發(fā)育泥頁巖、砂巖、石灰?guī)r和煤層組成的障壁海岸和碳酸鹽巖臺地體系。山西組以河流-三角洲沼澤沉積為主，含砂巖和煤層，還有3～5套厚度為30～40 m的泥頁巖。山西組泥巖厚度為12～82 m，平均為36 m，太原組泥巖厚度為46～122 m，平均79 m[37]。

2 樣品與實驗方法

本文研究樣品采自沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊W18、W27、W28三口鉆井，選取上古生界石炭-二疊系煤系地層的山西組和太原組黑色、灰黑色泥頁巖及炭質泥巖12塊，取樣井位置見圖1(b)，均為煤系泥頁巖和炭質泥巖的井下巖心樣品，其埋深范圍為1 502.3～1 900.6 m，自然伽馬曲線為鋸齒狀，主要集中在98～155API之間，電阻率高低交錯，密度主要分布在1.86～2.75 g/cm3之間，聲波時差分布在215～285 μs/m之間，巖性觀察為黑色粉砂質泥巖、灰黑色泥巖、炭質泥巖、黑色泥巖、灰黑色粉砂質泥巖[37-38](圖1(c))。

對上述采集的沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組和太原組煤系泥頁巖樣品，進行有機碳、巖石熱解、X射線衍射(XRD)、普通掃描電鏡(SEM)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、微米CT掃描、高壓壓汞、低溫N2吸附、低溫CO2吸附和核磁共振(NMR)進行實驗分析測試，均是按照國家及行業(yè)推薦的標準和實驗規(guī)范完成的。

使用LECOCS-230型碳硫分析儀，依照《沉積巖中總有機碳的測定》(GB/T19145-2003)進行有機碳含量(TOC)測定；使用OGE-Ⅱ型油氣評價儀，依照《巖石熱解分析》(GB/T18602-2012)進行Rock-eval熱解分析；使用RIGAK-D/Max2500PC衍射分析儀，參照行業(yè)標準《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T5163-2010)進行X射線衍射實驗；使用Quanta 200F型掃描電子顯微鏡，按照石油與天然氣行業(yè)標準(SY/T 5162-2014)進行FE-SEM實驗；使用Pore Master GT60儀，依據國家標準(GB/T211650.3-2011)進行高壓壓汞實驗，宏孔孔容應用Washburn方程計算獲得；使用Quantachrome NOVA4200e比表面積分析儀，參照國家標準《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》(GB/T21650.3-2011)和《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質比表面積》(GB/T19587-2017)進行低溫N2和CO2吸附-脫附實驗；N2吸附-脫附實驗數(shù)據用于表征介孔的孔隙結構參數(shù)，介孔的孔容和比表面積分析分別依據BJH(Barrett-Joyner-Halenda)和BET(Brunauer-Emmett-Teller)模型進行；CO2吸附-脫附實驗數(shù)據用于表征微孔的孔隙結構參數(shù)，微孔的孔容和比表面積依據密度泛函理論(DFT)模型進行分析。使用Nanovoxe13502E型3D計算機斷層掃描系統(tǒng)進行微米CT實驗，采用蘇州紐邁公司生產的Meso MR23/12-060H-I型核磁共振儀進行核磁共振實驗。

3 實驗結果與討論

3.1 礦物組成和有機質特征

沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊W18、W27、W28三口井煤系頁巖樣品的基本地球化學特征如表1所示?？梢钥闯?，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品中礦物含量主要是以石英、黏土礦物為主。在全巖礦物組成中，黏土礦物、石英、碳酸鹽礦物以及其它礦物含量分別占22.0%～54.2%(平均為35.0%)、34.2%～63.0%(平均為53.5%)、0.0～23.1%(平均為5.0%)、2.1%～11.1%(平均為6.5%)。

由表1可見，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品有機碳(TOC)含量分布在0.29%～8.36%之間(平均為3.66%)；表征煤系頁巖成熟度的鏡質體反射率Ro分布于2.33%～2.63%之間(平均為2.49%)。因此，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖有機質豐度總體較高，熱演化程度處于過成熟階段，有利于生成頁巖氣。

3.2 孔隙微觀特征

頁巖孔隙是頁巖氣藏中氣體的儲存空間[39-40]?？紫兜奈⒂^特征很大程度上決定著頁巖氣儲集性能[41-42]。本文采用自然斷面-掃描電鏡、氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡，對沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品進行了詳細的鏡下觀察分析。掃描電鏡分析表明，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品中發(fā)育多種類型的微觀孔隙，孔隙形態(tài)常呈不規(guī)則狀、棱角狀、橢圓形及狹縫形，常見發(fā)育于礦物基質的無機孔隙，如粒間孔(圖2(d))和粒內孔(圖2(b)、 (d))，部分樣品可以見到黃鐵礦晶間孔(圖2(b))。在氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡下、自然斷面-掃描電鏡下，均可見較多的微裂縫(圖2(a)、 (e)、 (g)、 (h))，主要發(fā)育于礦物基質中，易受壓實作用、溶解作用和礦物相變等成巖作用控制。頁巖樣品中可以見到形態(tài)各異的微裂縫，主要為外力作用下形成的外生裂隙及顆粒間裂隙。有機質孔是指發(fā)育于頁巖有機質內部的一種孔隙，形態(tài)多為圓形、橢圓形，在沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品中偶見(圖2(c)、 (f))，總體不發(fā)育，與川南地區(qū)龍馬溪組頁巖[24]、皖南地區(qū)古生界頁巖相比[43]，有機質孔數(shù)量明顯低。上述武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖孔隙特征，有別于田忠斌等[28]對沁水盆地中東部海陸過渡相頁巖中孔隙比較發(fā)育片狀黏土礦物粒間孔及有機質孔的認識。

表1 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖樣品的基本地球化學特征

不同類型孔隙在頁巖中所占比例不同[15-24]，利用網格統(tǒng)計法對沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖孔隙類型進行掃描電鏡下孔隙半定量分析。從表2和圖3中可以看出，粒間孔與粒內孔占據了研究區(qū)煤系頁巖孔隙的主體部分，其中粒間孔所占比例為49%～67%，均值為57%，粒內孔所占比例為13%～41%，均值為27%，微裂縫所占比例為7%～20%，均值為14%。沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖粒內孔孔徑介于50～730 nm之間，粒間孔孔徑介于50～630 nm之間，微裂縫寬度為30～510 nm，有機質孔孔徑介于30～370 nm之間?？傮w而言，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品發(fā)育大量的粒間孔和粒內孔，較多的微裂縫和少量的有機質孔，為海陸過渡相煤系頁巖氣的賦存提供了儲集空間。

3.3 孔隙結構特征

3.3.1 孔容和比表面積分布特征

依據國際理論與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)對孔隙的分類標準[42]，聯(lián)合運用高壓壓汞、低溫N2和CO2吸附實驗，可以對頁巖樣品中不同孔徑的孔隙(微孔<2 nm、介孔2～50 nm、宏孔>50 nm)進行定量表征[43-45]。由表3可知，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品孔隙的總孔容和總比表面積分別為0.021 9～0.073 5 mL/g、11.94～46.83 m2/g，平均各為0.039 9 mL/g、29.16 m2/g，微孔、介孔和宏孔各自所占的孔容和比表面積平均值分別為0.007 2 mL/g、0.022 1 mL/g、0.010 6 mL/g以及15.13 m2/g、13.35 m2/g、0.68 m2/g；煤系頁巖樣品的孔徑分布在24.22～63.13 nm范圍，平均值為35.96 nm。再結合微孔、介孔和宏孔在總孔容和總比表面積中所占的比例(圖4)，研究區(qū)介孔(2～50 nm)是對孔容和比表面積的主要貢獻者，微孔(<2 nm)占據的孔容雖然較少，但是卻提供了較多的比表面積，對頁巖氣儲集起到重要作用，而宏孔(>50 nm)孔容雖然較大，但是其對比表面積的貢獻很少。綜合來講，研究區(qū)上古生界煤系頁巖中介孔和微孔是孔容和比表面積的主要貢獻者。沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖的孔容和比表面積分布特征與田忠斌等[28]對沁水盆地中東部海陸過渡相頁巖孔隙結構特征有所差異，即有機質納米孔以微孔為主，有機質孔的發(fā)育程度控制著孔容與比表面積的大小。

圖2 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖樣品孔隙特征掃描電鏡圖像(a)-(d)為氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡下圖像；(e)-(h)為自然斷面-掃描電鏡下圖像Fig.2 Image analysis of scanning electron microscopy from coal-bearing shale samples in the Wuxiang Block, Qinshui Basin(a) W28-07，微裂縫，1 748.5 m；(b) W18-08，黃鐵礦晶間孔，1 614.4 m；(c) W28-07，有機質孔，1 748.5 m；(d) W28-07，粒間孔和粒內孔，1 748.5 m；(e) W18-11，微裂縫，1 652.7 m；(f) W28-02，有機質孔，1 738.2 m；(g)W18-11，微裂縫，1 652.7 m；(h) W28-19，微裂縫，1 900.6 m

表2 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖中不同類型孔隙發(fā)育程度

圖3 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖中不同孔隙所占比例Fig.3 Proportions of different pores of coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

表3 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖樣品孔隙結構特征

圖4 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖孔隙孔容和比表面積分布圖Fig.4 Distribution of pore volume and specific area of the coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

3.3.2 孔徑分布特征

在高壓壓汞實驗中，采用Warshburn方程可以獲得宏孔孔徑分布特征。圖5中隨著宏孔的孔徑在不同區(qū)間內的變化，其孔容的變化曲線也存在差別，在10～100 nm的孔徑范圍中，宏孔孔容隨著孔徑的減小而減小，在10～20 nm孔徑變化率更快，100～10 000 nm表現(xiàn)得更為平緩。

圖5 不同孔徑對宏孔孔容變化率分布表征(高壓壓汞法) Fig.5 Characterization of macropore volume change rate distribution with different pore diameters (high pressure mercury intrusion method)

圖6 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖樣品N2吸附-脫附曲線Fig.6 N2 adsorption-desorption isotherms of the coal-bearing shale samples in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

介孔孔隙結構的分布特征通?？梢杂肗2吸附-脫附曲線來表征(圖6)。根據IUPAC[42]中對回滯環(huán)的分類，結合研究區(qū)煤系頁巖樣品的N2吸附-脫附曲線形態(tài)可以將其分為2種類型。沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組煤系頁巖樣品中W18-3和W18-11曲線中的滯后環(huán)是介于H2和H3型形態(tài)之間，說明山西組煤系頁巖孔形態(tài)多為楔形-狹縫型和墨水瓶型；太原組煤系頁巖樣品的曲線不僅吸附量低于山西組，且在相對壓力0～0.8范圍內幾乎呈一條水平線，只有在接近1.0時吸附量才迅速增加，說明太原組煤系頁巖樣品中的微孔和介孔也較為發(fā)育，且存在一定量的宏孔。圖7顯示了介孔孔容和比表面積隨孔徑的變化率。不管是孔容亦或是比表面積均在孔徑為2～50 nm范圍內形成單峰，超過50 nm后，孔容與比表面積均處于低值，所以2～50 nm范圍內的介孔是孔容和比表面積的主要貢獻者。

利用CO2氣體吸附實驗對沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖微孔進行定量表征，在IUPAC[42]定義的多種等溫吸附曲線中，研究區(qū)上古生界煤系頁巖樣品的CO2吸附曲線(圖8)類似于其中的I型等溫吸附曲線。當相對壓力小于0.01時，不管是山西組煤系頁巖，還是太原組煤系頁巖，樣品的CO2吸附曲線斜率都較大，說明CO2吸附量的增加趨勢在這個范圍是逐漸加快的。而當相對壓力大于0.01時，CO2吸附量增加相對變緩。圖9中隨著微孔孔徑變化，其孔容和比表面積也會出現(xiàn)不同程度的變化，不管是孔容或是比表面積為0.45～0.60 nm和0.80～0.85 nm這兩個區(qū)間內，隨孔徑的變化率均達到峰值，說明這兩個區(qū)間范圍內的孔隙為微孔提供了主要的孔容和比表面積。

圖7 不同孔徑對孔容和比表面積的變化率分布表征(N2吸附法)Fig.7 Characterization of the change rate distribution of pore volume and specific surface area with different pore diameters (N2 adsorption method)

圖8 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖樣品CO2吸附曲線Fig.8 CO2 adsorption curve of the coal-bearing shale samples in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

圖9 不同孔徑對孔容和比表面積的變化率分布表征(CO2吸附法)Fig.9 Characterization of the change rate distribution of pore volume and specific surface area with different pore diameters (CO2 adsorption method)

基于上述的高壓壓汞、低溫N2和CO2吸附實驗結果，對沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖中孔隙的全孔徑分布進行綜合表征。由于孔徑范圍跨度較大，不同范圍內的孔徑分布特征也并不相同[21,45]，并與北美Anadarko盆地Woodford海相頁巖、Fort Worth盆地Barnett海相頁巖和Appalachian盆地Marcellus海相頁巖[39,41]進行比較。由圖10可知，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖樣品中孔隙的全孔徑分布有三個峰值，分別位于0.65～0.75 nm、1.15～1.25 nm和2～50 nm區(qū)間內，前兩個區(qū)間表征的是微孔孔徑，最后一個區(qū)間表征的是介孔孔徑，說明微孔與介孔為納米孔隙的主要貢獻者。研究區(qū)上古生界煤系頁巖孔隙全孔徑分布中微孔、介孔孔徑峰值均略高于沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖[27]。宏孔孔容主要分布在73～150 nm范圍內。北美Barnett海相頁巖和Marcellus海相頁巖孔隙的平均孔徑明顯大于研究區(qū)煤系頁巖孔隙的平均孔徑，分析原因可能是由于頁巖有機質類型和熱演化程度存在差異所致。

圖10 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖全孔徑分布及其與北美頁巖比較Fig.10 Full pore size distribution of the coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin and its comparison with North American shale

3.3.3 孔隙連通性

圖11 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖孔喉半徑分布特征及孔隙配位數(shù)Fig.11 Distribution characteristics of pore roar radius and pore coordination number of coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

通過微米CT掃描實驗對頁巖孔隙連通性進行表征，其中孔喉在孔隙連通性中起到重要作用。如圖11所示，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界太原組和山西組煤系頁巖樣品中孔隙喉道半徑均以0.5～1.5 μm的小喉道為主。其中山西組煤系頁巖樣品配位數(shù)主要為4～6，即大多數(shù)孔隙連接4～6個喉道；太原組煤系頁巖樣品配位數(shù)主要為2～4，即大多數(shù)孔隙連接2～4個喉道。通常用頁巖樣品中相互連通的總孔容除以所有孔隙的孔容之和[44]，便可以求出該頁巖樣品的孔隙連通率。沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組和太原組煤系頁巖樣品的孔隙連通率分別是61.20%、59.41%，對應的孔容比例之和分別是82.82%、75.30%，山西組和太原組煤系頁巖樣品中平均配位數(shù)大于1的高配位數(shù)孔隙分布在大于5.5 μm的半徑區(qū)間內。不難看出，山西組煤系頁巖樣品的孔隙連通性要好于太原組煤系頁巖樣品，頁巖樣品中的高配位數(shù)孔隙數(shù)量和所占孔容越多，孔隙連通性就越好，兩者呈正相關關系。

通過核磁共振實驗，對沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組和太原組煤系頁巖樣品也進行了孔隙分析(圖12)。結合T2譜形態(tài)和樣品的孔隙比例，山西組煤系頁巖樣品T2譜的歸一化曲線位于圖12中右側，其微孔孔隙比例為21.32%，介孔孔隙比例為50.75%，宏孔孔隙比例為27.93%，指示具有相對較好的連通性和儲集空間，代表孔隙結構較好；太原組煤系頁巖樣品的歸一化曲線位于圖12中左側，微孔和介孔比例較高，宏孔比例較低，指示具有相對較差的連通性和儲集空間，代表孔隙結構稍差。

圖12 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖樣品T2譜歸一化累積曲線Fig.12 Normalized accumulation curve of T2 spectrum of coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

微米CT三維重構后每一種顏色代表這部分的孔隙是相互連通的(圖13)，可以看出沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組煤系頁巖樣品喉道比太原組煤系頁巖樣品多，表明該區(qū)山西組煤系頁巖樣品孔隙連通性比太原組煤系頁巖要好，這與核磁共振的T2譜歸一化累積曲線表征相一致。因此，基于微米CT掃描實驗與核磁共振實驗聯(lián)合表征，研究區(qū)山西組煤系頁巖孔隙連通性比太原組煤系頁巖要好。

圖13 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組和太原組煤系頁巖樣品三維重構喉道分布圖Fig.13 Distribution map of 3D reconstruction of coal-bearing shale samples from Shanxi Formation and Taiyuan Formation in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

4 結 論

(1)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊海陸過渡相上古生界煤系頁巖儲層發(fā)育多種類型微觀孔隙，常見粒間孔、粒內孔，微裂縫較多，有機質孔總體不發(fā)育，孔隙形態(tài)多呈不規(guī)則狀、棱角狀、橢圓形及狹縫形，為煤系頁巖氣賦存與儲集提供了儲集空間。

(2)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品總孔容分布在0.021 9～0.073 5 mL/g之間，平均值為0.039 9 mL/g；總比表面積分布在11.94～46.83 m2/g之間，平均為29.16 m2/g；其中介孔占據了主要的孔容，微孔和介孔占據了主要的比表面積，表明介孔和微孔是該區(qū)煤系頁巖氣儲集的主要載體。

(3)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁巖中孔徑為0.65～0.75 nm、1.15～1.25 nm和73～150 nm的納米孔隙占據了大部分孔容；山西組煤系頁巖樣品的孔隙連通性要好于太原組煤系頁巖，且高配位數(shù)孔隙體系所占總孔容的一半以上，有利于提高儲層孔隙的連通性。