淮北孫疃煤礦下石盒子組頁巖儲層孔隙類型及影響因素

馬建華，何金先*，周逃濤，張加齊，蔡博文，劉夢楠

(1.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，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

非常規(guī)油氣資源豐富，占全球80%左右的資源總量，在三大非常規(guī)天然氣(頁巖氣、致密砂巖氣、煤層氣)中，頁巖氣儲量最為豐富[1]。我國頁巖氣資源豐富，且已在四川等地成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。華北海相、海陸過渡相地區(qū)整體構(gòu)造相對穩(wěn)定，地質(zhì)保存條件較好，具有良好的開發(fā)前景[1]。目前對淮北地區(qū)的研究主要集中在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征及沉積環(huán)境等宏觀方面[2-4]，對頁巖儲層微觀孔隙類型的研究有待進(jìn)一步深入。

頁巖儲層中發(fā)育的孔隙與裂縫可以作為內(nèi)部天然氣滲流通道與儲集空間，影響后期壓裂改造方案的實(shí)施。研究孔隙類型與發(fā)育情況，有助于提高對頁巖儲層孔隙的系統(tǒng)認(rèn)知，為頁巖氣的勘探開發(fā)提供一定幫助[5]。國際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會將頁巖孔隙分為：微孔(<2nm)、介孔(2～50nm)以及宏孔(>50nm)。Loucks等(2012)將頁巖氣儲層微觀孔隙分為三大類，包括有機(jī)質(zhì)孔，粒內(nèi)孔和粒間孔[6]。于炳松兼顧孔隙產(chǎn)狀與孔徑大小，提出產(chǎn)狀-結(jié)構(gòu)綜合分類方案[7]。

1 樣品采集與測試

孫疃煤礦位于安徽省北部濉溪縣境內(nèi)，南北長約10km，東西寬3～5km，面積43km2。構(gòu)造位置位于淮北煤田南部的童亭背斜東翼，整體構(gòu)造相對簡單，以斷裂構(gòu)造為主，自北向南發(fā)育一系列走向NE正斷層，地層傾角較小，且沿走向和傾向變化不大(圖1)[2]。孫疃煤礦主要含煤地層為石炭系太原組、二疊系下石盒子組與山西組[2, 4]。本次實(shí)驗(yàn)樣品采取均來自下石盒子組，其厚度為206.7～264.4m，底部以灰白色厚層鋁土質(zhì)泥巖為其與山西組的分界線，頂部以灰白色厚層砂巖為其與上石盒子組的分界線。

本次研究采取下石盒子組深度范圍為279.73～346.0m的有代表性的頁巖巖芯樣品，對樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀、有機(jī)碳含量及X 射線衍射分析等分析測試。掃描電鏡及X射線衍射實(shí)驗(yàn)測試是利用中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計(jì)算中心的FEI Quanta TM 250X4型號掃描電鏡和配套的X射線能譜分析系統(tǒng)完成，其原理是用細(xì)聚焦的電子束在樣品表面激發(fā)出不同的電子信號，再由探測器進(jìn)行選擇性地收集處理所需的電子信號，將其轉(zhuǎn)化為圖像[8]。有機(jī)碳含量測定依據(jù)國標(biāo)GB/T476—2008《煤中碳和氫的測定方法》，在江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院完成。全巖X射線衍射分析是在中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計(jì)算中心完成，該實(shí)驗(yàn)的具體操作如下：取樣品中新鮮部分50～100g,人工粉碎,取約5g樣品放入研磨缽中研磨至約300目,進(jìn)行X射線衍射(XRD)檢測礦物成分。XRD測試條件為：Cu(單色)工作電壓為 40 kV，工作電流30mA，狹縫寬1mm；以4°/min的速率在3°～85°(2θ)范圍內(nèi)掃描。

圖1 淮北孫疃煤礦構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Suntuan coalmine, Huaibei

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 孔隙類型

基于孫疃煤礦下石盒子組頁巖樣品掃描電鏡觀察結(jié)果，結(jié)合前人[6- 7, 9]對頁巖儲層分類方法，依據(jù)孔隙與巖石顆粒之間的聯(lián)系，本次研究將孫疃煤礦頁巖儲層孔隙類型劃分為粒間孔隙(發(fā)育在晶體與顆粒之間)、粒內(nèi)孔隙(包含在顆粒邊界以內(nèi))、有機(jī)質(zhì)孔隙(發(fā)育在有機(jī)質(zhì)內(nèi))和微裂縫共4種孔隙類型。

2.1.1 粒間孔隙

粒間孔主要發(fā)育在埋藏較淺的沉積物中，集中在礦物顆粒與晶體、顆粒之間及晶體之間的接觸處。粒間孔隙多成拉長形、不規(guī)則多邊形，少數(shù)孔隙由顆粒構(gòu)成剛性骨架會使得孔隙較為規(guī)則(圖2a)。粒間孔隙多為原生孔隙，也有少量由溶蝕作用形成的次生孔隙(圖2b)。

掃描電鏡的觀察結(jié)果表明研究區(qū)粒間孔隙廣泛的分布在基質(zhì)中，排列無規(guī)律。在脆性顆粒之間、脆性顆粒與黏土之間發(fā)育的粒間孔隙較多。研究區(qū)粒間孔隙包括顆粒間孔隙(圖2a、圖2c)、晶間孔隙(圖2d、圖2e)以及溶蝕孔隙(圖2b)。其中溶蝕孔隙是由淋濾、溶蝕、交代等作用形成的孔隙[8]，分布無規(guī)律，直徑較大，一般在10μm以上。溶蝕形成的粒間孔隙常常會被有機(jī)質(zhì)或其他礦物充填。粒間孔為游離氣提供了富集場所，連通的粒間孔還可以作為滲流通道。

(a.脆性礦物格架之間孔隙(346.0m NY-8); b.樣品發(fā)育的溶蝕孔隙(308.0m NY-4); c.脆性礦物與黏土之間存在的宏孔(346.0m NY-8);d.脆性礦物之間發(fā)育的粒間孔隙與微裂隙(340.0m NY-7); e.宏孔內(nèi)部發(fā)育的粒間孔隙與微裂隙(340.0m NY-7); f.云母片節(jié)理之間的粒內(nèi)孔隙(340.0m NY-7);g.與黃鐵礦伴生的有機(jī)質(zhì)孔隙(340.0m NY-7); h.充填的曲線狀微裂隙(326.3m NY-6); i.極細(xì)的莓狀黃鐵礦(346.0m NY-8)； j.石英雛晶(326.3m NY-6); k.發(fā)育的書頁狀高嶺石集合體(280.2m NY-3); l.六邊形片板狀高嶺石(340.0m NY-7))圖2 孫疃煤礦下石盒子組頁巖掃描電鏡特征圖Figure 2 Xiashihezi Formation shale SEM features image from Suntuan coalmine

2.1.2 粒內(nèi)孔隙

粒內(nèi)孔隙由黏土礦物轉(zhuǎn)化、溶蝕作用、晶體結(jié)核內(nèi)部自生及顆?；|(zhì)收縮形成[10]。研究區(qū)云母集合體內(nèi)礦片間孔隙(圖2f)，其長度在10μm左右，寬度在1μm以下，成因可能是由于伊利石的白云母化[10]。據(jù)研究[9]，若晶體在堆積過程中混入雜質(zhì)，后期雜質(zhì)被溶蝕也會產(chǎn)生粒內(nèi)孔隙，與溶蝕形成的粒間孔隙相比其直徑較小，一般在1μm以下。黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中的脫水收縮對粒內(nèi)孔隙的增加也有一定幫助。

2.1.3 有機(jī)質(zhì)孔隙

有機(jī)質(zhì)孔隙由有機(jī)質(zhì)母質(zhì)在生烴演化過程中形成，主要發(fā)育在瀝青質(zhì)體與鏡質(zhì)體中，氣孔呈現(xiàn)出圓形、橢圓形、短管形等形狀，孔壁光滑，孔內(nèi)沒有填充物，尺度多在納米級[8]。有機(jī)質(zhì)孔常與黃鐵礦伴生(圖2g)，其發(fā)育程度與儲層生排烴的程度呈正相關(guān)，且有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育受到TOC與有機(jī)質(zhì)成熟度的控制[11-12]。

Jarvie發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的生烴演化對于孔隙度的增加顯著[13]，演化后殘留的有機(jī)質(zhì)孔隙是內(nèi)部氣體吸附與聚集的優(yōu)先場所，且有機(jī)質(zhì)演化過程中形成的有機(jī)酸、CO2、H2S等酸性氣體也會對頁巖內(nèi)部的碳酸鹽巖與長石等礦物進(jìn)行侵蝕，形成次生溶蝕孔隙，豐富儲層孔隙類型，改善儲層孔隙結(jié)構(gòu)[1-15]。

2.1.4 微裂隙

微裂隙主要由構(gòu)造運(yùn)動、頁巖儲層破裂作用及差異水平壓實(shí)作用形成，呈現(xiàn)出鋸齒狀或者曲線狀，長度在1～20μm，主要受脆性礦物含量的影響[10]。作為溝通微觀孔隙與宏觀裂縫的橋梁，微裂隙在有機(jī)質(zhì)顆粒、黏土礦物以及脆性骨架礦物中均可以發(fā)育[16]。

構(gòu)造微裂隙(圖2d)是在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力下形成的方向性明顯的裂隙，形成的時間與地質(zhì)構(gòu)造活動基本同步，大多呈現(xiàn)出直線或者折線狀。構(gòu)造運(yùn)動會產(chǎn)生構(gòu)造微裂隙為儲層提供滲流通道，產(chǎn)生的礦物碎屑也使得粒間孔隙發(fā)育，但也使得儲層更加致密，使得與黏土礦物相關(guān)的孔隙類型大量減少[5]。礦物結(jié)晶收縮產(chǎn)生的微裂隙內(nèi)部通常有較多礦物充填(圖2e、圖2h)，可能會影響氣體滲流，但會伴生大量連通性較好的粒間孔隙?？傮w來說，微裂隙為游離的頁巖氣提供了良好的儲集空間，同時伴隨著其他孔隙類型的產(chǎn)生與消失。

2.2 礦物成分

根據(jù)X射線能譜儀測試結(jié)果，可知淮北孫疃煤礦下石盒子組頁巖礦物成分主要為石英和高嶺石礦物，并有少量云母等礦物(圖3)。根據(jù)X射線衍射測試結(jié)果(表1、圖4)，研究區(qū)下石盒子組頁巖礦物成分以黏土礦物和石英為主，部分樣品含有少量的長石、黃鐵礦、菱鐵礦與云母。礦物成分定量分析結(jié)果表明(表1)，9個樣品中的礦物含量較為相似。總體而言，黏土礦物的含量最高，為50.1%～70.7%，平均達(dá)到62.6%，黏土礦物以高嶺石為主，其他礦物含量較少。石英含量為27.2%～48.2%，平均為35.2%。埋深由小到大呈現(xiàn)出波狀變化。

2.2.1 脆性指數(shù)的計(jì)算

頁巖中礦物組成包括脆性礦物和非脆性礦物，脆性礦物如石英、長石影響儲層在壓裂之后形成的裂隙系統(tǒng)的發(fā)育，從而影響內(nèi)部天然氣的滲流[17]。利用脆性指數(shù)可以表示頁巖的脆性水平。北美頁巖脆性指數(shù)K的計(jì)算一般根據(jù)公式：

K=K石英/(K石英+K方解石+K黏土礦物)×100%

(1)

陳吉等研究認(rèn)為石英、長石、方解石等礦物也具有一定的脆性，提出了脆性指數(shù)的修正公式[11]。

K修正=(K石英+K長石+K方解石+K白云石)/(K石英+

K長石+K方解石+K白云石+K黏土礦物)×100%

(2)

研究區(qū)公式(1)與公式(2)計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)二者數(shù)值接近，對分析結(jié)果無本質(zhì)影響。故采用公式(1)計(jì)算脆性指數(shù)。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)研究區(qū)煤系頁巖脆性指數(shù)主要為27.8%～49.0%，平均達(dá)36.0%。根據(jù)美國頁巖氣開采經(jīng)驗(yàn)，脆性指數(shù)大于20%頁巖就具有較好的壓裂性。孫疃煤礦下石盒子組頁巖的脆性指數(shù)較大，內(nèi)部脆性礦物較多，儲層的抗壓實(shí)性與脆性較好，粒間孔隙與微裂隙較容易發(fā)育與保留。

礦物元素含量能譜圖分析點(diǎn)石英、高嶺石(346.0m NY-8)O:52.08%Si:22.67%Al:15.32%C:5.61%云母(326.3m NY-6)O:55.75%Si:20.14%Al:13.36%K:2.15%Na:0.17%圖3 孫疃煤礦下石盒子組頁巖X射線能譜分析結(jié)果Figure 3 Suntuan coalmine Xiashihezi Formation shale X-ray energy spectrum analysis result

表1 孫疃煤礦下石盒子組頁巖主要礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)表

圖4 孫疃煤礦下石盒子組頁巖XRD測試定性分析圖Figure 4 Suntuan coalmine Xiashihezi Formation shaleXRD qualitative analysis diagram

2.3 有機(jī)質(zhì)特征

有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型及其成熟度對頁巖氣的產(chǎn)生與賦存有著很大的影響。據(jù)研究[18]，可采頁巖氣藏一般具有三個有機(jī)地球化學(xué)條件：①TOC含量>2.0%的富有機(jī)質(zhì)頁巖; ②菌藻生源并且無陸源貢獻(xiàn)的Ⅱ型干酪根；③成熟度Ro>1.3%。

有機(jī)碳含量測試結(jié)果(表2)表明孫疃煤礦下石盒子組煤系頁巖有機(jī)碳含量在0.47%～1.86%，平均為0.846%。鄰區(qū)淮南新集礦區(qū)下石盒子組有機(jī)碳含量在0.60%～6.05%，平均為3.01%[19]。兩淮地區(qū)下石盒子組有機(jī)碳含量總體上在中等水平，淮南地區(qū)下石盒子組有機(jī)碳含量普遍高于淮北地區(qū)。結(jié)合巖心樣品也可以看出，淮北地區(qū)下石盒子組頁巖顏色以淺灰色至灰色為主，整體有機(jī)碳含量較低。造成有機(jī)質(zhì)含量差異的原因一方面可能是地區(qū)沉積環(huán)境與水動力條件的差異，另一方面也可能因?yàn)闃悠窋?shù)量限制使得測試結(jié)果有差異。但研究區(qū)頁巖發(fā)育在煤層附近，可以考慮煤層氣與頁巖氣的合層開采降低成本。

根據(jù)前人研究[19-20]，徐淮地區(qū)下石盒子組頁巖顯微組分以惰質(zhì)組、鏡質(zhì)組為主，有機(jī)質(zhì)類型以腐殖來源的Ⅲ型和Ⅱb型干酪根為主，利于生氣。

鏡質(zhì)體反射率常作為烴源巖成熟度的評價(jià)方法?；幢泵禾锵率凶咏M頁巖鏡質(zhì)組反射率在0.70%～2.14%，平均為1.16%，淮南煤田為0.73%～1.18%，平均為0.93%[21]。宿州地區(qū)下石盒子組泥巖Ro為1.64%～1.90%，平均值為1.78%[19]。徐淮地區(qū)下石盒子組頁巖有機(jī)質(zhì)達(dá)到成熟至高成熟階段，有利于內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育與氣體擴(kuò)散。

3 討論

3.1 沉積環(huán)境對孔隙類型的影響

沉積環(huán)境影響著礦物成分與有機(jī)質(zhì)的分布以及后生成巖作用的改造[10]。前人研究認(rèn)為下石盒子組沉積環(huán)境為三角洲沉積環(huán)境，湖泊、沼澤廣泛分布于分流間灣地區(qū)，接受海水與河水的共同作用，且以河流控制為主[4, 16，22]。在掃描電子顯微鏡下觀察到極細(xì)莓狀的黃鐵礦(圖2i)與碎屑狀分布的石英雛晶(圖2j)證明當(dāng)?shù)貫檫€原性的沉積環(huán)境且與外界連通性較差[23]。

大量陸源區(qū)的碎屑物質(zhì)隨著河流進(jìn)入三角洲地區(qū)，為當(dāng)?shù)氐闹参锷L提供充足養(yǎng)分。缺氧、弱水動力的還原性環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)富集，為有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育提供了基礎(chǔ)。而較高的有機(jī)碳含量在一定程度上促進(jìn)頁巖儲層微裂隙的發(fā)育[24]。另一方面，大量碎屑物質(zhì)沉積有利于自生脆性礦物與黏土礦物的形成[10]，使得黏土礦物內(nèi)部的粒內(nèi)孔隙與脆性礦物顆粒之間的粒間孔隙廣布，高嶺石形成的酸性水體條件也會促進(jìn)溶蝕孔隙發(fā)育[25]。

表2 淮南淮北地區(qū)下石盒子組有機(jī)質(zhì)含量

3.2 成巖階段對孔隙類型的影響

成巖作用包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用與溶蝕作用等影響著孔隙類型的發(fā)育、分布與保存，使得不同成巖階段儲層孔隙類型有著顯著的差異[9]。基于下石盒子組礦物成分與有機(jī)質(zhì)成熟度等信息，結(jié)合鏡下觀察的孔隙發(fā)育情況，可以認(rèn)為下石盒子組頁巖成熟度達(dá)到了中成巖階段，此時儲層已經(jīng)固結(jié)，孔隙類型包括原生孔隙與次生孔隙均可以保留[26]。

中成巖階段的壓實(shí)作用使得孔隙度減小，尤其是與黏土礦物相關(guān)的粒間孔隙與粒內(nèi)孔隙會大量減少[10]。中成巖階段的有機(jī)質(zhì)成熟度較高，有利于頁巖氣滲流與擴(kuò)散，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育。并且有機(jī)質(zhì)演化中形成的有機(jī)酸、CO2、H2S等酸性氣體也會通過孔裂隙運(yùn)移促進(jìn)溶蝕孔隙(圖2b)發(fā)育，有利于內(nèi)部粒間孔隙的擴(kuò)大，為后期烴類侵位提供了重要的儲集空間[26]。

3.3 礦物組成對孔隙類型的影響

頁巖中的礦物主要由石英、長石、碳酸鹽等脆性礦物以及高嶺石、伊利石等黏土礦物組成，但本研究頁巖樣品的脆性礦物最主要是石英，黏土礦物則以高嶺石為主。

3.3.1 黏土礦物對孔隙類型的影響

黏土礦物可以吸附有機(jī)質(zhì)與天然氣，同時黏土在有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化中起到催化作用，從而促進(jìn)內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育；另一方面黏土礦物演化時會因?yàn)槊撍湛s產(chǎn)生粒內(nèi)孔隙與微裂隙[9, 27]。

黏土礦物集合體的存在對于粒內(nèi)孔隙的發(fā)育貢獻(xiàn)較大，且一般形成的粒內(nèi)孔隙在深部均相互連通[28]。由掃描電鏡觀察到書頁狀、蠕蟲狀的高嶺石集合體與假六方板狀的單個高嶺石晶體(圖2k、圖2l)，發(fā)育有大量的粒間孔隙與粒內(nèi)孔隙，使得Si4+、Al3+通過連通內(nèi)外部的孔裂隙連續(xù)進(jìn)入形成高嶺石[25]。

3.3.2 脆性礦物對孔隙類型的影響

石英、長石等脆性礦物具有較強(qiáng)的抗壓實(shí)能力，可以相互支撐形成剛性骨架(圖2a)，有利于粒間孔隙的形成與保護(hù)，大尺度的粒間孔隙可以在內(nèi)部發(fā)育小型的微裂隙與晶間孔隙(圖2e)。脆性礦物在構(gòu)造演化中可以在顆粒內(nèi)部形成較為平直的微裂隙(圖2d)，膠結(jié)物少，有利于油氣滲流。

根據(jù)掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果，粒內(nèi)孔常見于碎屑礦物與黏土礦物中，粒間孔常見于脆性礦物顆粒相互支撐的孔隙間以及脆性礦物與黏土礦物膠結(jié)處(圖2a、圖2c)。黏土礦物與脆性礦物的分布對于粒間孔隙與微裂隙的發(fā)育也有一定影響，如石英與黏土之間微裂隙與粒間孔隙的產(chǎn)生是由于不同礦物因?yàn)榇嘈圆煌谑芰r產(chǎn)生差異變形[10]。

4 結(jié)論

(1)淮北孫疃煤礦下石盒子組頁巖孔隙類型豐富，包括粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙以及微裂隙。粒間孔隙包括顆粒間孔隙、晶間孔隙、溶蝕孔隙等；粒內(nèi)孔隙包括黏土集合體內(nèi)礦片間孔隙等。

(2)淮北孫疃煤礦下石盒子組為三角洲沉積環(huán)境，還原性的水體環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)、黏土礦物以及碎屑礦物的富集，為有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物與脆性礦物之間的粒內(nèi)孔隙、粒間孔隙的發(fā)育提供了基礎(chǔ)。

(3)根據(jù)礦物成分、有機(jī)質(zhì)成熟度與孔隙類型判斷研究區(qū)頁巖成熟度達(dá)到中成巖階段。與黏土礦物相關(guān)的孔隙類型因?yàn)閴簩?shí)作用大量減少，但仍有一定量的原生孔隙與次生孔隙可以保留。有機(jī)質(zhì)成熟度較高，有大量烴類生成，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育，有機(jī)質(zhì)演化過程中的酸性物質(zhì)會進(jìn)一步溶蝕擴(kuò)大內(nèi)部的孔隙空間。

(4)研究區(qū)主要礦物組成為高嶺石與石英。黏土礦物可以催化有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔隙的生成；另一方面黏土礦物在演化中脫水收縮也會產(chǎn)生粒內(nèi)孔隙與微裂隙。脆性礦物抗壓實(shí)能力較強(qiáng)，有利于粒間孔隙的形成與保護(hù)。在黏土礦物與脆性礦物之間由于受力性質(zhì)的差異廣泛發(fā)育粒間孔隙與微裂隙。