青海聚乎更礦區(qū)煤系頁巖脆／韌性變形對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

王安民，曹代勇，魏迎春，聶 敬，2，秦榮芳

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083； 2.山東省菏澤第一中學(xué)，山東 菏澤 274000）

0 引 言

我國的頁巖氣勘探開發(fā)具有巨大的潛力［1－2］，但是，我國含煤盆地普遍受到后期構(gòu)造運動的影響［3］，含煤巖系常常發(fā)生不同程度的變形和變位，導(dǎo)致煤系氣頁巖儲層也普遍遭受了后期改造，從而發(fā)生脆性或韌性變形［4］。 煤系頁巖的變形對儲層物性特征的影響是普遍存在的，也是影響煤系頁巖氣勘探開發(fā)的重要因素［5］。 頁巖儲層的變形程度越高，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，頁巖的脆性變形或韌性變形被認(rèn)為是影響頁巖儲層的重要形式［4，7］，其不僅增大了納米孔孔容和比表面面積［8］，也對孔隙類型和孔徑分布產(chǎn)生影響［9］。 因此，研究煤系頁巖脆／韌性變形的宏觀和微觀變形特征是探討煤系頁巖儲層特征的重要基礎(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，使得其中的頁巖儲層發(fā)生了不同程度的變形。 由于不同部位的頁巖所受到的溫壓條件的不同以及頁巖本身力學(xué)性質(zhì)的差異，使得研究區(qū)內(nèi)的頁巖發(fā)生了脆、韌性變形差異，這種脆、韌性變形差異對頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的影響是不同的［11］。 因此，為了探索聚乎更礦區(qū)煤系頁巖脆、韌性變形差異對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的影響，筆者以礦區(qū)內(nèi)中侏羅統(tǒng)的頁巖儲層為研究對象，采集典型鉆孔中斷裂帶處的頁巖樣品，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／韌性變形特征對頁巖孔隙的影響，為研究區(qū)頁巖氣的勘探開發(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，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）。

在喜山運動期間，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］，對研究區(qū)含煤巖系造成了大量破壞，使煤系泥頁巖產(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

采集研究區(qū)4 個鉆孔中中侏羅煤系頁巖脆、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，為喜山運動期推覆構(gòu)造形成［11，14］，樣品信息見表1。 利用掃描電鏡實驗觀測所有樣品的脆／韌性變形特征，以歸納總結(jié)出聚乎更礦區(qū)煤系頁巖的脆／韌性變形標(biāo)志。 此外，對所有樣品進(jìn)行XRD、TOC 以及平均鏡質(zhì)體反射率（Ro）試驗的前置處理，挑選出樣品成分相差不大的頁巖樣品6 個（表2），利用低溫液氮實驗以及核磁共振實驗對樣品的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，以探討精細(xì)的脆／韌性變形頁巖的孔隙結(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驗樣品信息Table 2 Sample information of low temperature N2 adsorption／desorption and nuclear magnetic resonance （NMR） experiments

2.1 掃描電鏡試驗

選取樣品中代表性層狀碎片，長軸不超過0.5 cm，采用HITACHI S－4800 型冷場發(fā)射掃描電鏡對變形樣品進(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

每個樣品取制備好的過篩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”對樣品進(jìn)行氮吸附實驗，并按照BET 多分子層吸附公式計算試樣的比表面積，再利用BJH 模型計算樣品的孔容和孔徑分布。

2.3 核磁共振試驗

核磁共振儀器型號為MRicroMR12－025V。 實驗中主要的測量參數(shù)：等待時間TW＝3 000 ms，回波個數(shù)NECH＝10 000，回波時間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，測試飽水樣品弛豫時間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，測試離心處理后樣品的弛豫時間T2。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 脆、韌性變形的鏡下特征及其對孔隙的改造

通過宏觀肉眼觀察以及掃描電鏡下觀測，對研究區(qū)變形煤系頁巖樣品的脆、韌性識別標(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拉伸或壓扭現(xiàn)象（A－02，A－03），有時也會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裂隙（A－08），這是脆性變形的標(biāo)志之一。 同時，脆性裂隙長度變化較大，且無充填（?。?9，?。?0），同時發(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，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／韌性變形對孔隙的改造

從圖中不難看出，研究區(qū)頁巖孔隙類型主要為粒間孔（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。 頁巖的脆、韌性變形對孔隙的改造特征為：

1）脆性變形的頁巖中，孔隙時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，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型的孔隙，并使得孔隙連通性進(jìn)一步增大，但不會影響礦物顆粒排列方式。 而韌性變形主要通過改變礦物顆粒排列方式來影響孔隙結(jié)構(gòu)，增大粒間孔隙的同時也會導(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，而頁巖中黏土礦物表面是頁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頁巖儲層有著重要影響。

3.2 基于低溫液氮實驗的脆／韌性變形對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

低溫液氮實驗是測試樣品孔隙結(jié)構(gòu)的經(jīng)典實驗，可以有效地反映頁巖中微、小孔的發(fā)育情況，實驗測試的氮氣吸／脫附曲線以及孔徑分布特征如圖4 所示。 可以看出，測試樣品中氮氣的最大吸附吸附量順序為Ⅱ－2＞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／韌性變形樣品的氮氣吸／脫附曲線以及孔徑分布特征Fig.4 N2 adsorption／desorption curves and pore size distribution of brittle／ductile deformation samples

此外，所有樣品的吸／脫附曲線均存在著“遲滯回線”，即脫附曲線與吸附曲線明顯不重合，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)相對較為復(fù)雜的孔［18－19］，其中，脫附曲線有明顯下降的“小陡坎”被認(rèn)為是瓶頸型孔的標(biāo)志。可以看出，所有試驗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，脆性變形和韌性變形樣品的孔隙類型相差不大，即脆性變形和韌性變形對頁巖孔隙類型的影響并未表現(xiàn)出差異性。 但從孔徑分布的情況來看（圖4b），脆／韌性變形樣品的孔徑分布曲線峰值均在孔徑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）。

通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合計算，得到樣品不同孔徑段的孔容以及比表面積分布見表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，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)合掃描電鏡實驗結(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 基于核磁共振實驗的脆／韌性變形對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

采用“T2c法”對核磁共振實驗結(jié)果進(jìn)行處理［20－22］。 其計算方法為：在樣品的飽水與離心的T2累積孔隙度曲線上，從離心后累積孔隙度曲線的最大處做一條與X軸平行的直線，與飽水的累積孔隙度曲線交于一點，該點的X軸值就是T2c值（圖6）。

T2c值所對應(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個弛豫時間T2i所對應(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為液面潤濕角，一般取60°［22］。 因此，式（2）可改寫為rc＝0.14／Pc。

此外，核磁共振實驗還可測試樣品的有效孔隙度，即可流動體孔隙度［23］，其不僅能存儲甲烷氣，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)下所測孔隙度與離心狀態(tài)下的束縛水所測孔隙度之差，可以通過兩者的T2譜計算求得，公式如下：

其中，S（T2）為T2譜分布曲線；Tmin為T2最小值，ms；Tmax為T2最大值，ms；T2c為T2截止值，ms；IBV為束縛流體飽和度，%，非連通性孔隙；IFF為可動流體飽和度，%，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算結(jié)果見表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 樣品核磁共振計算結(jié)果Table 4 Calculation results of nuclear magnetic resonance （NMR） experiments

無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，這與低溫液氮試驗結(jié)果一致。 樣品的有效孔隙度由FFI 值計算得出，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，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，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，但會使得大孔徑孔隙的連通性增加，而脆性變形則是無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，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頁巖孔隙類型的影響并未表現(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，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，但會使得大孔徑孔隙的連通性增加，而脆性變形則是無差別影響不同孔徑范圍內(nèi)的孔隙連通性。