山西沁南太原組泥頁巖儲層微觀孔隙特征

劉嬌男，朱炎銘，劉 宇，李家宏，侯曉偉

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

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山西沁南太原組泥頁巖儲層微觀孔隙特征

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

目前，對沁水盆地太原組泥頁巖儲層孔隙的研究主要集中在海相頁巖和陸相頁巖，為深入研究海陸交互相泥頁巖孔隙特征和地質(zhì)控制因素，運(yùn)用現(xiàn)代分析測試技術(shù)對該區(qū)泥頁巖進(jìn)行了測試分析。研究表明：研究區(qū)泥頁巖孔隙度為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；太原組泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)呈較開放狀態(tài)，孔隙間連通性較好；泥頁巖中存在有機(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，脆性礦物含量對宏孔體積貢獻(xiàn)較大。該成果為研究區(qū)頁巖氣儲層評價提供了基礎(chǔ)資料，對海陸交互相頁巖氣勘探開發(fā)具有一定的參考價值。

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

頁巖氣指賦存于黑色頁巖或暗色頁巖中的天然氣，存儲方式以吸附氣、游離氣和溶解氣為主，其孔隙體積和結(jié)構(gòu)決定了其儲氣能力的大小和天然氣的賦存狀態(tài)，是頁巖氣儲層地質(zhì)評價的核心內(nèi)容[1-2]，直接影響頁巖氣資源的勘探評價與開發(fā)。目前，對頁巖儲層孔隙的研究主要集中在南方海相頁巖、鄂爾多斯盆地陸相頁巖和華南地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M海陸交互相泥頁巖[3]，華北地區(qū)廣泛發(fā)育海陸交互相泥頁巖，但其儲層孔隙研究程度較低。選取沁水盆地南部太原組泥頁巖樣品，運(yùn)用現(xiàn)代分析測試技術(shù)對其儲層微觀孔隙特征展開研究，結(jié)合泥頁巖樣品的有機(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，為海陸交互相頁巖氣的儲層評價和勘探開發(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—安澤主向斜軸呈長軸NNE—SSW向展布，東西兩翼基本對稱，經(jīng)過印支期、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，但總的來說構(gòu)造較簡單，斷裂稀少(圖1)。

沁水盆地發(fā)育石炭—二疊系富有機(jī)質(zhì)泥頁巖煤系地層。其中，太原組沉積了一套海陸交互相泥頁巖，總厚度為80～150 m，平均為105 m[4]，南部泥頁巖儲層累計厚度在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在陽城地區(qū)超過3.60%，說明太原組泥頁巖處于高—過成熟階段，有利于頁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個鉆孔樣品，巖性觀察為黑色泥巖和砂質(zhì)泥巖，對其進(jìn)行全巖X射線衍射分析、有機(jī)碳含量和Ro測試、高壓壓汞分析、低溫氮?dú)馕椒治?、掃描電鏡觀察等測試工作，其相關(guān)測試均按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 太原組泥頁巖孔隙特征

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▽ρ芯繀^(qū)太原組泥頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，采用國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)的孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)[6]，將泥頁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)果見表1。

表1 高壓壓汞法、低溫氮?dú)馕椒y試結(jié)果

為了更好地定量表征頁巖孔徑分布趨勢，將液氮與壓汞數(shù)據(jù)結(jié)合分析[7]?？紤]到不同實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)不同的優(yōu)勢測試孔徑范圍，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。太原組泥頁巖孔徑主要為0.6～1.5、3.0～4.0、30 000.0～100 000.0 nm。統(tǒng)計不同孔徑范圍內(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是太原組泥頁巖樣品低溫氮?dú)馕降葴厣龎哼^程中的吸附曲線和降壓過程的脫附曲線。研究區(qū)太原組泥頁巖樣品氮?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類吸附回線和國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)推薦的4類吸附回線[8]，研究區(qū)吸附回線與De Boer 提供的B類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)，表明太原組頁巖氣儲層的孔隙主要由納米孔組成，且結(jié)構(gòu)具有一定的無規(guī)則孔特征，以兩端開口的圓筒孔及四周開放的平行板孔為主，微孔隙內(nèi)各個孔徑階段的孔隙均較發(fā)育，連通性好，代表的是利于頁巖氣運(yùn)移的儲層。

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，一般小于500 nm，呈密集分布(圖3a)。溶蝕孔以長石和方解石溶蝕孔最為常見，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。太原組泥頁巖微觀裂縫類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，外生裂隙往往穿過多個顆粒，呈筆直狀，很少分叉；顆粒間裂縫主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)顆粒和石英周圍(圖3e、f)。

圖3 掃描電鏡下的孔隙類型

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，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)太原組泥頁巖孔隙體積含量隨Ro的變化趨勢。可以看出，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)泥頁巖受到區(qū)域熱地質(zhì)作用的影響，使得頁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)太原組泥頁巖黏土礦物含量為41.10%～64.00%，平均為52.83%；脆性礦物(石英+長石+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，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，在一定程度上對宏孔的貢獻(xiàn)較大。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)泥頁巖孔隙度為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)太原組泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)呈較開放狀態(tài)，孔隙間連通性較好；泥頁巖中存在有機(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型，此外泥頁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

國家自然科學(xué)基金“中上揚(yáng)子地區(qū)龍馬溪組頁巖微孔結(jié)構(gòu)演變與頁巖氣成藏效應(yīng)”(41272155)、國家基礎(chǔ)研究發(fā)展“973”項目“中國南方古生界頁巖氣賦存富集機(jī)理和資源潛力評價”(2012CB214702)和中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項目“沁水盆地煤系煤層氣、頁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