牛蹄塘組與龍馬溪組頁(yè)巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征研究

陳天宇，李榮艷，周 密，王澤棟，肖智方，鄭江捷

(東北大學(xué)深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

隨著常規(guī)天然氣的日益開(kāi)發(fā)與消耗，非常規(guī)天然氣的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。頁(yè)巖氣是一種以游離或吸附狀態(tài)賦存于頁(yè)巖層或泥巖層中的非常規(guī)天然氣，它具有開(kāi)采壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量居世界首位，但我國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)起步較晚，對(duì)頁(yè)巖氣的開(kāi)采的基本理論研究還比較薄弱，相比于美國(guó)、加拿大等國(guó)家，開(kāi)采技術(shù)相對(duì)落后[1-3]。

頁(yè)巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及孔隙特征是影響氣體運(yùn)移的關(guān)鍵因素，孔隙發(fā)育特點(diǎn)及孔隙度是影響頁(yè)巖氣產(chǎn)量的重要因素。目前，許多學(xué)者針對(duì)頁(yè)巖孔隙特征開(kāi)展了大量的研究。部分學(xué)者根據(jù)孔隙發(fā)育位置、大小確定了孔隙分類(lèi)方案，分析了不同類(lèi)型孔隙對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)滲性的影響[4-12]；楊超等[11]、蒲泊伶等[12]、郭旭升等[13]分析發(fā)現(xiàn)孔隙發(fā)育的影響因素與黏土礦物含量、有機(jī)質(zhì)含量成巖演化作用有關(guān)；陳尚斌[14]、郭英海等[15]定性研究了頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性；許多學(xué)者分析了海相與陸相頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)差異性及孔隙發(fā)育機(jī)制，得出了兩種沉積環(huán)境下頁(yè)巖的油氣地質(zhì)特征[8-9]。盡管前人對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，但是大多側(cè)重孔隙類(lèi)型的微觀定性研究，對(duì)頁(yè)巖孔隙尺寸統(tǒng)計(jì)特征及定量方面的研究相對(duì)較少。

不同地區(qū)頁(yè)巖沉積環(huán)境及經(jīng)歷的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)均有所不同，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及孔隙特征也有所差異。中國(guó)具有勘探開(kāi)發(fā)潛力的頁(yè)巖氣層位主要為龍馬溪組頁(yè)巖與牛蹄塘組頁(yè)巖[16]，龍馬溪組頁(yè)巖目前已進(jìn)入實(shí)質(zhì)化頁(yè)巖氣生產(chǎn)階段，但牛蹄塘組頁(yè)巖仍處于勘探開(kāi)發(fā)階段[17]，對(duì)比研究?jī)蓚€(gè)層位孔隙特征的異同，可以為牛蹄塘組頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)提供理論支撐，對(duì)牛蹄塘組頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。截至目前，對(duì)兩個(gè)層位頁(yè)巖開(kāi)展孔隙特征對(duì)比的研究相對(duì)較少。

本文通過(guò)對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖和牛蹄塘組頁(yè)巖進(jìn)行表觀和超景深三維顯微鏡鏡下細(xì)觀觀察，研究?jī)蓚€(gè)層位頁(yè)巖的層理、裂隙及孔隙分布特征；同時(shí)提取孔隙信息，分析孔隙分布特征，統(tǒng)計(jì)分析孔隙尺寸，并計(jì)算與對(duì)比分析兩組層位頁(yè)巖的孔隙度。

1 試驗(yàn)樣品、儀器及方法

1.1 試驗(yàn)樣品及處理方法

試驗(yàn)所用樣品為湖南牛蹄塘組頁(yè)巖及四川龍馬溪組頁(yè)巖。牛蹄塘組的頁(yè)巖試樣采自湖南省常德市常1井附近露頭底部的新鮮試樣，牛蹄塘組頁(yè)巖沉積于下寒武統(tǒng)，整體以泥質(zhì)沉積物為主，有機(jī)碳含量高，熱演化成熟度高，為高-過(guò)成熟度階段。該組頁(yè)巖分布廣，厚度大，沉積相為深水陸棚-斜坡相，后經(jīng)過(guò)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改變[18-20]。龍馬溪組頁(yè)巖采自湖北省宜賓市長(zhǎng)寧H10-3井附近露頭底部的新鮮試樣，龍馬溪組頁(yè)巖沉積于下志留統(tǒng)，為海相沉積，以淺水-深水陸棚沉積環(huán)境為主，分布較為穩(wěn)定，埋藏深，為高-過(guò)成熟度階段，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高。龍馬溪組頁(yè)巖經(jīng)過(guò)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(燕山期-喜馬拉雅期)，導(dǎo)致高角度裂隙發(fā)育[20-23]。試驗(yàn)前期，將取回的頁(yè)巖進(jìn)行鉆取、切割及打磨，如圖1所示，最后加工牛蹄塘組與龍馬溪組頁(yè)巖各20塊進(jìn)行觀察。

試樣觀察完成后，將試樣送往中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院進(jìn)行X射線衍射全巖礦物成分分析，同時(shí)進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量和成熟度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，取樣附近頁(yè)巖氣井的井下巖芯的平均地化參數(shù)也列于表1中[24]。盡管兩個(gè)地層的脆性礦物含量相差并不懸殊，但兩組頁(yè)巖的礦物類(lèi)別及其平均含量變化較大，這暗示著兩組頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)可能會(huì)有所差異。將取回的新鮮頁(yè)巖樣品沿垂直層理方向進(jìn)行切割，切割后頁(yè)巖樣品需觀察的平面進(jìn)行拋光處理。

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

頁(yè)巖細(xì)觀觀察所用儀器為超景深三維顯微鏡VHX-2000E。超景深三維顯微系統(tǒng)是由日本基恩士(KEYENCE)公司生產(chǎn)的一體化裝置，具有觀察、記錄和測(cè)量等系列功能。超景深三維顯微系統(tǒng)主要由光學(xué)顯微鏡、攝像機(jī)、17英寸的液晶顯示器和一個(gè)大容量的HDD(hard disk drive)組成。光學(xué)顯微鏡部分可以實(shí)現(xiàn)最大倍率為5 000倍的倍率觀察，其中攝像機(jī)攝像元件最高分辨率可達(dá)5 400萬(wàn)像素，能夠保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種情形下的顯微鏡觀測(cè)，進(jìn)行從宏觀尺度的立體成像到微觀的詳細(xì)觀察。該系統(tǒng)同時(shí)還支持多種預(yù)設(shè)觀測(cè)方法，包括透射照明觀測(cè)、偏光照明觀測(cè)微分干涉觀測(cè)等。

1.3 觀察方法

首先，用高壓噴槍對(duì)拋光后的樣品表面進(jìn)行除塵處理，防止頁(yè)巖表面的附著物影響觀察效果；其次，用肉眼進(jìn)行對(duì)頁(yè)巖表面的層理方向、礦物分布及裂隙發(fā)育等特征進(jìn)行宏觀觀察；最后，將頁(yè)巖放置于超景深三維顯微鏡下進(jìn)行細(xì)觀觀察。通過(guò)超景深三維顯微鏡自帶的孔隙度分析功能計(jì)算軟件，利用圖像的色差及明暗對(duì)比度提取頁(yè)巖孔隙尺寸信息，同時(shí)根據(jù)提取的孔隙信息進(jìn)行孔隙度計(jì)算，即判別提取樣品區(qū)域中的孔隙區(qū)域，計(jì)算孔隙區(qū)域面積，進(jìn)一步計(jì)算該區(qū)在所提取的部分樣品區(qū)域所占比例。對(duì)同一地區(qū)的頁(yè)巖試樣進(jìn)行隨機(jī)觀察和拍照，孔隙度的計(jì)算圖片需要大于30張，以保證所提取的孔隙信息具有代表性。

2 頁(yè)巖層理及裂隙細(xì)觀特點(diǎn)

在超景深三維顯微鏡觀察下，龍馬溪組頁(yè)巖與牛蹄塘組頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)有許多相似點(diǎn)，同時(shí)也具有各自的特征。

2.1 頁(yè)巖層理細(xì)觀特征

為了清晰表達(dá)頁(yè)巖層理，將圖1中可肉眼觀察的層理用白色虛線表示，如圖1(a)中左上角白色邊框中的虛線所示。由圖1可以看出，牛蹄塘組頁(yè)巖表面的層理可通過(guò)肉眼觀察到；龍馬溪組頁(yè)巖表面無(wú)法用肉眼觀察到層理的存在，試樣表面只能觀察到一些切割過(guò)程中的劃痕。將其進(jìn)行拋光處理后，轉(zhuǎn)至超景深顯微鏡下觀察，可看到牛蹄塘組頁(yè)巖主要有灰色黏土礦物、黃鐵礦以及白色脆性礦物組成(圖2)。為了更清晰地表示礦物組構(gòu)，文中所有微觀圖片中用C表示黏土、Py表示黃鐵礦、Q表示石英、BM表示脆性礦物、Pma表示大孔、Pmi表示小孔、F表示裂隙。黏土礦物均勻賦存在試樣中，黃色及白色脆性礦物多以星點(diǎn)狀散布于黏土礦物間，見(jiàn)圖2(a)。牛蹄塘組頁(yè)巖存在礦物富集現(xiàn)象。黃鐵礦富集區(qū)主要呈現(xiàn)扁平狀，富集面積較大。將黃鐵礦富集區(qū)接續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)黃鐵礦富集區(qū)整體形成條帶狀，即為肉眼所觀察的層理，如圖2(a)與圖2(b)中白色線標(biāo)記所示。這些黃鐵礦富集條帶還發(fā)育許多孔隙，且大孔較為常見(jiàn)，個(gè)別孔隙的延長(zhǎng)方向與條帶延伸方向相平行(圖2(d)箭頭所指孔隙)。同一層理中還存在孔隙相連接的現(xiàn)象，扁平的孔隙前后相連接，狹窄的連接通道部分被白色脆性礦物所充填，形成整體像串珠狀的孔隙段(圖2(c))。

相比于牛蹄塘組頁(yè)巖，龍馬溪組頁(yè)巖的層理發(fā)育相對(duì)較差，除了試樣表面打磨時(shí)留下的肉眼無(wú)法清晰觀察到層理，見(jiàn)圖1(b)。將樣品移至鏡下，其主要由黏土礦物、白色脆性礦物以及極少量的黃鐵礦組成。與牛蹄塘頁(yè)巖試樣相比，龍馬溪頁(yè)巖層理多被白色脆性礦物充填，層理區(qū)域大孔不發(fā)育(圖3(a))；同時(shí)還可觀察到長(zhǎng)條狀致密黏土礦物與有機(jī)質(zhì)混層發(fā)育的層理(圖3(b))，其延長(zhǎng)方向與脆性礦物充填層理近平行，此類(lèi)層理膠結(jié)程度大，小孔較為發(fā)育(圖1(c))。相對(duì)于牛蹄塘組頁(yè)巖，龍馬溪組頁(yè)巖層理域孔隙發(fā)育較差，孔隙連通性也相對(duì)較差。

圖1 牛蹄塘組與龍馬溪組頁(yè)巖樣品Fig.1 Niutitang and Longmaxi shale samples

圖2 牛蹄塘組頁(yè)巖層理特征Fig.2 Bedding characteristics of Niutitang shale

圖3 龍馬溪組頁(yè)巖層理特征Fig.3 Bedding characteristics of Longmaxi shale

根據(jù)本次觀察結(jié)果，與龍馬溪組頁(yè)巖相比，牛蹄塘組頁(yè)巖沿層理的裂隙及孔隙發(fā)育較好，開(kāi)采過(guò)程中，牛蹄塘組頁(yè)巖沿層理的導(dǎo)流能力更強(qiáng)，氣體更易由基質(zhì)進(jìn)入裂隙通道。

2.2 頁(yè)巖裂隙細(xì)觀特征

頁(yè)巖中常常含有細(xì)小裂隙，由于成因不同使得裂隙的表現(xiàn)形式也有所不同。牛蹄塘組頁(yè)巖中的裂隙大小不均勻，形狀大多是長(zhǎng)條狀，多因沉積作用而形成，且多沿層理方向分布。層間頁(yè)理縫是頁(yè)巖中最基本的縫隙類(lèi)型，這類(lèi)縫隙在本次觀察的牛蹄塘組頁(yè)巖中較為常見(jiàn)。牛蹄塘組頁(yè)巖的層間頁(yè)理縫主要有兩類(lèi)：一類(lèi)頁(yè)理縫周?chē)鸀槠胀ǖ捻?yè)巖成分，主要含黏土礦物，夾雜少量的石英和長(zhǎng)石，此類(lèi)裂隙短而寬，大致呈橢圓形；另一類(lèi)裂隙沿著層理方向整體成串珠狀分布(圖4(a))，大的珠狀裂隙通過(guò)狹長(zhǎng)而彎曲的小裂隙連接，這些小裂隙被黃鐵礦或石英填充(圖4(b))。牛蹄塘組頁(yè)巖還存在少量成巖收縮縫，主要由于巖石體積收縮而產(chǎn)生。此類(lèi)裂隙連通性較好，寬度小，分布區(qū)域大，其長(zhǎng)度可達(dá)900 μm(圖4(c))。

牛蹄塘組頁(yè)巖內(nèi)部構(gòu)造作用形成的裂隙主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是由黃鐵礦與其他礦物形成，此類(lèi)裂隙狹窄而細(xì)長(zhǎng)彎曲，是由于頁(yè)巖中的黃鐵礦富集生長(zhǎng)使得周?chē)杷奢^軟的頁(yè)巖礦物裂開(kāi)而形成；另一類(lèi)裂隙周?chē)鶠辄S鐵礦礦物，此類(lèi)裂隙區(qū)域較小，分布較少(圖4(d))。需要指出的是，盡管牛蹄塘組可觀測(cè)到層理及裂隙，但是裂隙在牛蹄塘組頁(yè)巖中并不常見(jiàn)。

龍馬溪組頁(yè)巖裂隙不發(fā)育，僅可見(jiàn)一些細(xì)小狹長(zhǎng)的成巖收縮裂隙，裂隙已被礦物填充，但整體仍保持連通。原始裂隙邊部是一薄層白色石英，中間大部分由致密的黏土礦物填充。在應(yīng)力作用下還可形成細(xì)小裂隙(圖4(e))，也可在黏土礦物聚集的區(qū)域形成圍繞聚集區(qū)發(fā)育的裂隙(圖4(f))。

3 頁(yè)巖孔隙細(xì)觀特征

孔隙的大小、形狀與分布規(guī)律是影響頁(yè)巖流動(dòng)通道連通性的重要因素，孔隙連通性直接影響氣體運(yùn)移及最終采收率。根據(jù)本次觀察結(jié)果，依據(jù)孔隙發(fā)育的位置，龍馬溪組頁(yè)巖和牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙類(lèi)型主要分為三類(lèi)：脆性礦物粒間孔、黏土礦物間孔和不同類(lèi)礦物間孔。

3.1 脆性礦物粒間孔

頁(yè)巖中的脆性礦物包括石英、方解石、白云石等白色脆性礦物和黃鐵礦。脆性礦物粒間孔包括白色脆性礦物粒間孔，黃鐵礦粒間孔以及黃鐵礦與白色礦物接觸粒間孔。

由圖5(a)可以看出，在龍馬溪組頁(yè)巖樣品中，白色脆性礦物粒較為常見(jiàn)，但礦物間孔不發(fā)育。白色脆性礦物多以星點(diǎn)狀散布于頁(yè)巖中，彼此不直接接觸，距離較大，無(wú)法形成白色脆性礦物粒間孔孔隙。白色脆性礦物也存在局部小范圍富集區(qū)域，在富集區(qū)可觀測(cè)到少量孔隙；此類(lèi)孔隙面積小，直徑為4 μm左右，占頁(yè)巖樣品孔隙比重較小。相比于白色脆性礦物，黃鐵礦在龍馬溪組頁(yè)巖較為少見(jiàn)，多呈單個(gè)顆?；蛘吒患^(qū)域存在于頁(yè)巖中。黃鐵礦在頁(yè)巖中的排布情況以及含量導(dǎo)致黃鐵礦粒間孔極不發(fā)育。

由圖5(b)可以看出，相比于龍馬溪組頁(yè)巖，牛蹄塘組頁(yè)巖的白色脆性礦物含量較少，白色脆性礦物粒間孔不發(fā)育。但是該地區(qū)頁(yè)巖中可觀測(cè)到大量黃鐵礦富集區(qū)，富集區(qū)域面積較大。黃鐵礦粒間孔較為發(fā)育。鏡下觀察測(cè)量統(tǒng)計(jì)孔隙面積為30～230 μm2，面積較小(圖5(c))，孔隙與孔隙之間連通性差。

脆性礦物具有較高的強(qiáng)度，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂處理后，脆性礦物對(duì)裂隙具有支撐作用，使得裂隙可以保持開(kāi)啟狀態(tài)。龍馬溪頁(yè)巖中脆性礦物均勻分布，在壓裂后，其裂紋擴(kuò)展也相對(duì)較為均勻。牛蹄塘組頁(yè)巖脆性礦物常出現(xiàn)富集區(qū)域，壓裂后，富集區(qū)域的裂紋易形成氣體流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)通道。

圖4 頁(yè)巖裂隙特征Fig.4 Shale fracture characteristics

圖5 脆性礦物粒間孔特征Fig.5 Characteristics of intergranular pores in brittle minerals

3.2 黏土礦物間孔

牛蹄塘組頁(yè)巖中黏土礦物間孔多呈圓形，孔隙之間大多彼此孤立(圖6(a))，也有少數(shù)黏土礦物間小孔呈現(xiàn)相互連接狀態(tài)(圖6(b))。該類(lèi)孔隙直徑分布不均勻，最大直徑可達(dá)95 μm(圖6(c))，多數(shù)直徑分布在15 μm左右。黃鐵礦周?chē)捎^測(cè)到尺寸較大的黏土間孔(圖6(d))。

龍馬溪組頁(yè)巖白色脆性礦物含量遠(yuǎn)大于龍馬溪組頁(yè)巖，黏土礦物與白色脆性礦物交互均勻混雜，黏土礦物間孔相對(duì)較少(圖6(e))。龍馬溪頁(yè)巖內(nèi)黏土礦物間孔的直徑分布不均勻，其孔隙直徑范圍為8.5～80 μm，其中10～20 μm直徑的此類(lèi)孔隙居多。

頁(yè)巖氣開(kāi)采初期的氣體來(lái)源主要為游離氣體，開(kāi)采后期的氣體來(lái)源主要為吸附氣體。根據(jù)觀察結(jié)果，牛蹄塘組頁(yè)巖內(nèi)黏土間孔隙較多，實(shí)際儲(chǔ)層中，牛蹄塘組頁(yè)巖內(nèi)可能存在更多吸附態(tài)的甲烷分子，暗示著牛蹄塘組頁(yè)巖的開(kāi)采周期會(huì)更長(zhǎng)。

圖6 黏土礦物間孔特征Fig.6 Interpore characteristics of clay minerals

圖7 不同礦物粒間孔特征Fig.7 Intergranular pore characteristics of different minerals

3.3 不同礦物粒間孔

黏土礦物將頁(yè)巖當(dāng)中除其自身以外的礦物包裹，不同類(lèi)礦物粒間孔即為脆性礦物與黏土礦物之間接觸部分因應(yīng)力分布產(chǎn)生的孔隙，該類(lèi)孔隙多圍繞脆性礦物產(chǎn)生，其形狀依附于脆性礦物的邊緣，有環(huán)狀、港灣狀等。該類(lèi)孔隙在龍馬溪組頁(yè)巖中較為發(fā)育，且多為白色脆性礦物與黏土礦物粒間孔，牛蹄塘組頁(yè)巖的不同類(lèi)礦物粒間孔多為黃鐵礦與黏土礦物粒間孔，也有少部分白色脆性礦物與黏土礦物粒間孔。

牛蹄塘組頁(yè)巖內(nèi)不同類(lèi)礦物粒間孔大小不一，形狀各異(圖7(a)～(c))，不僅受被包裹的脆性礦物種類(lèi)和大小的影響，還與頁(yè)巖內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)，反映了頁(yè)巖的沉積環(huán)境。該類(lèi)孔隙常發(fā)育在層理以及脆性礦物小富集區(qū)，孔隙延長(zhǎng)方向與層理方向相一致，其直徑分布在20～170 μm之間。在脆性礦物周?chē)?，這類(lèi)孔隙發(fā)育形態(tài)各異。部分孔隙圍繞脆性礦物一周均有發(fā)育，且連通性好(圖7(a)和圖7(b))；部分孔隙只在脆性礦物的一端發(fā)育，未延展到脆性礦物的整個(gè)邊緣(圖7(c))。脆性礦物一方面阻礙了孔隙的連通，另一方面也為孔隙起到了支撐作用。

在龍馬溪組頁(yè)巖中，由于白色脆性礦物含量高，與黏土礦物相混雜，不同礦物粒間孔較為發(fā)育，此類(lèi)孔隙占該地區(qū)頁(yè)巖孔隙的60%左右。脆性礦物顆粒聚集形成的半閉合區(qū)域中易形成此類(lèi)孔隙，且多呈圓形、橢圓形(圖7(d))、月牙形(圖7(e))。此類(lèi)孔隙的直徑分布在5～90 μm之間。

4 頁(yè)巖孔隙分布及統(tǒng)計(jì)特征

為了提取孔隙特征，必須對(duì)頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)特征圖片進(jìn)行數(shù)字圖像處理。將觀察圖像中的礦物及孔隙用對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像來(lái)表示，并將圖像以數(shù)字矩陣的形式存儲(chǔ)后，利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的信息進(jìn)行提取、分析及計(jì)算以獲得所需要的信息和結(jié)果。圖像處理主要利用孔隙和礦物反光程度的不同，根據(jù)像素點(diǎn)的明暗度將孔隙表征出來(lái)。將每個(gè)孔隙邊緣的像素點(diǎn)中心連接起來(lái)，作為孔隙的邊界，以計(jì)算孔隙的周長(zhǎng)和面積；將平面孔隙等效為圓形處理，利用孔隙面積計(jì)算孔隙的等效直徑。圖像處理方法及效果如圖8所示。圖8(a)中白色方塊為孔隙，連接黑色點(diǎn)的折線為勾畫(huà)的孔隙邊界；圖8(b)為提取孔隙后的效果圖，圖中白色點(diǎn)狀為圈定出的頁(yè)巖孔隙邊界。

提取的龍馬溪組與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙分布特征如圖9所示，圖9中白色點(diǎn)狀為提取的孔隙。兩組頁(yè)巖的分布特征相似，孔隙多呈孤立狀分布，偶見(jiàn)大孔，孔隙之間連通性較差。

圖8 圖像處理方法及效果Fig.8 Image processing method and effect

圖9 龍馬溪組與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙分布特征Fig.9 Pore distribution characteristics of Longmaxi and Niutitang shale pores

將兩個(gè)層位的40塊頁(yè)巖試樣進(jìn)行隨機(jī)觀察，留取60張孔隙結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果，進(jìn)行孔隙信息提取和統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

圖10 龍馬溪組與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙統(tǒng)計(jì)特征Fig.10 Statistical characteristics of Longmaxi and Niutitang shale pores

圖10為牛蹄塘組及龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙直徑頻率直方圖。由圖10可以看出，龍馬溪組頁(yè)巖與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙分布規(guī)律相似，直徑較小的孔隙出現(xiàn)的頻率較高，其中，10～12 μm直徑的孔隙出現(xiàn)頻率最高。牛蹄塘組頁(yè)巖中可觀察到少量直徑大于100 μm的孔隙，而龍馬溪組頁(yè)巖中未觀察到此類(lèi)孔隙。與龍馬溪組頁(yè)巖相比，牛蹄塘組頁(yè)巖直徑小于16 μm與直徑大于100 μm的孔隙出現(xiàn)的頻率較高，而直徑在16～100 μm之間的孔隙出現(xiàn)的頻率較低，牛蹄塘組頁(yè)巖結(jié)構(gòu)更為致密，受小孔控制的作用更為明顯。

根據(jù)用于提取孔隙特征的細(xì)觀觀察結(jié)果可以看出，頁(yè)巖中脆性礦物所形成的孔隙較小，整體結(jié)構(gòu)較為緊密。黏土類(lèi)礦物之間所形成的孔隙多集中在8～20 μm之間，這類(lèi)孔隙在頁(yè)巖孔縫結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。脆性礦物與黏土類(lèi)礦物的交界處易形成較大的孔隙，此類(lèi)孔隙與脆性礦物的發(fā)育程度有較大關(guān)聯(lián)，尺寸多大于20 μm。直徑大于30 μm的孔隙，多為層理之間的特殊孔隙。頁(yè)巖孔隙特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)主要由細(xì)密小孔主導(dǎo)，細(xì)密小孔結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致頁(yè)巖致密、低滲的內(nèi)因。細(xì)密小孔結(jié)構(gòu)多發(fā)育于黏土礦物之間，黏土礦物易于吸附甲烷分子產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致黏土礦物間的結(jié)構(gòu)更為致密。

龍馬溪組與牛蹄塘頁(yè)巖的孔隙度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。牛蹄塘組樣品的孔隙度范圍為7.48%～13.44%，平均值為9.59%。龍馬溪組樣品的孔隙度范圍為10.03%～15.79%，平均值為12.09%。與牛蹄塘組頁(yè)巖相比，龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙度更高，意味著龍馬溪組頁(yè)巖可能具有更高的滲透率。牛蹄塘組頁(yè)巖的低孔隙意味著在開(kāi)采過(guò)程中，牛蹄塘組頁(yè)巖基質(zhì)內(nèi)的氣體流動(dòng)更為困難，為實(shí)現(xiàn)氣體采收，必須有更好的儲(chǔ)層增產(chǎn)措施。

圖11 龍馬溪組與牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙度Fig.11 Porosity of Longmaxi and Niutitang shale

5 結(jié) 論

1) 龍馬溪組頁(yè)巖層理與裂隙發(fā)育較差，裂隙大部分被黏土及脆性礦物填充；牛蹄塘組頁(yè)巖具有明顯的沿層理發(fā)育的裂隙，這些裂隙連通周?chē)目紫叮沟糜坞x狀態(tài)和吸附狀態(tài)的頁(yè)巖氣轉(zhuǎn)換速率提高，更有利于氣體沿層理運(yùn)移與流動(dòng)。

2) 龍馬溪組頁(yè)巖和牛蹄塘組頁(yè)巖內(nèi)均發(fā)育有脆性礦物粒間孔、黏土礦物間孔以及不同礦物粒間孔。牛蹄塘組頁(yè)巖主要發(fā)育黏土礦物粒間孔和不同礦物粒間孔，可觀測(cè)局部存在較大孔隙。龍馬溪組頁(yè)巖中主要發(fā)育不同礦物粒間孔，此類(lèi)孔隙所占比重大，在龍馬溪組頁(yè)巖內(nèi)廣泛分布。龍馬溪組頁(yè)巖內(nèi)未觀測(cè)到大于100 μm的孔隙。

3) 龍馬溪組頁(yè)巖與湖南牛蹄組頁(yè)巖內(nèi)孔徑小于20 μm的孔隙出現(xiàn)的頻率較高，該尺寸孔隙主要由黏土類(lèi)礦物所形成。相對(duì)于牛蹄組頁(yè)巖而言，龍馬溪組頁(yè)巖直徑小于20 μm的孔隙頻率較低。龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度度平均值為12.09%，牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙度平均值為9.75%。牛蹄塘組頁(yè)巖更為致密，在實(shí)際開(kāi)采中，需要更好的儲(chǔ)層增產(chǎn)措施，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。