沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

李陽陽，李賢慶，張學(xué)慶，楊經(jīng)緯，張博翔，肖賢明，于振鋒

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；4.山西燃?xì)饧瘓F(tuán)藍(lán)焰煤層氣工程研究有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

0 引 言

隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮脑鲩L和開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)油氣資源勘探開發(fā)的熱點(diǎn)[1-4]。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層孔隙特征開展了許多研究[5-10]，主要偏重于海相頁巖和陸相頁巖。LOUCKS等[5]研究認(rèn)為，頁巖氣儲(chǔ)層主要發(fā)育孔隙直徑小于等于0.75 μm的微孔-納米孔隙，通常具有極低的孔隙度和超低滲透率。PFEIFERPER等[6]利用分子吸附法研究了儲(chǔ)層巖石孔隙的分形特征。楊峰等[7]基于液氮吸附法研究了頁巖納米孔隙特征。低溫氮吸附法可以有效反映巖石中納米孔隙的分布情況。CLARKSON等[8]、魏祥峰等[9]、陳磊等[10]采用掃描電鏡、壓汞、低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)海相、陸相頁巖氣儲(chǔ)層孔隙特征與孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

沁水盆地是我國高煤階煤層氣勘探開發(fā)的主要基地，對(duì)煤系頁巖氣的儲(chǔ)層特征和孔隙結(jié)構(gòu)也有一定研究[11-14]。魏書宏等[11]評(píng)價(jià)了沁水盆地榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖氣的儲(chǔ)層特征。郗兆棟等[12]利用夫倫克耳-哈耳西-希爾(FHH)模型，分析了沁水盆地中東部海陸過渡相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征。和鈺凱等[13]、崇璇等[14]探討了煤系頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其影響因素。然而，對(duì)沁水盆地陽泉區(qū)塊海陸過渡相煤系頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征少有研究。本文基于井下巖心樣品，主要采用掃描電鏡、高壓壓汞、低溫N2和CO2氣體吸附實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖的孔隙微觀特征和孔隙結(jié)構(gòu)及其影響因素進(jìn)行研究，以期為沁水盆地煤系頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)背景

沁水盆地位于山西省東南部，東西寬約120 km，南北長約330 km，總面積超過3×104km2(圖1)。它歷經(jīng)了華北陸表海盆地、內(nèi)陸表海海陸交替沉積為主的近海坳陷以及陸相碎屑巖沉積為主的內(nèi)陸坳陷的古地理演化過程，主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，盆地中心出露三疊系[15-18]。盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育于東、西邊部，斷裂規(guī)模和性質(zhì)不同，以正斷層居多，走向以北東向?yàn)橹?，局部呈近東西向和北西向[19-20]。石炭-二疊紀(jì)沉積環(huán)境由海相向陸相逐步轉(zhuǎn)化，廣泛沉積了一套海陸過渡相頁巖，巖性多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖[21-23]。海陸過渡相煤系泥頁巖單層厚度不大，相對(duì)海相頁巖較薄，平均厚度小于40 m，累計(jì)厚度則相對(duì)較大，多在100 m以上，橫向變化較大，縱向上與致密砂巖、泥灰?guī)r和煤層互層[24-25]。陽泉區(qū)塊位于沁水盆地北部，太原組沉積期是其主成煤期，煤層與灰?guī)r、暗色泥巖和砂巖交替沉積，沉積地層平均厚度約120 m。

圖1 沁水盆地區(qū)域構(gòu)造及陽泉區(qū)塊井位圖

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

樣品采自沁水盆地陽泉區(qū)塊YQ井(圖1)的上古生界太原組煤系泥頁巖巖心，為灰黑色、黑色泥巖和炭質(zhì)泥巖。太原組煤系泥頁巖單層厚度小，為1～20 m，巖性較復(fù)雜，為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)-中砂巖、灰?guī)r的互層。

本次研究采用了巖石熱解分析、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高壓壓汞、低溫N2和CO2氣體吸附實(shí)驗(yàn)方法。巖石熱解分析實(shí)驗(yàn)使用OGE-II油氣評(píng)價(jià)儀，依據(jù)GB/T18602-2012國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。全巖礦物XRD分析采用Dmax/2000-PC-X射線衍射儀測(cè)定，按照GB/T5225-1986國家標(biāo)準(zhǔn)的K值法完成。頁巖樣品孔隙特征的掃描電鏡(SEM)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察分析在德國Zeiss公司產(chǎn)的Merlin Gemini型顯微鏡和荷蘭FEI公司產(chǎn)的Quanta200F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。在AutoPore IV9500型壓汞儀上完成頁巖樣品的高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，依據(jù)GB/T211650-2008國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。頁巖樣品的低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)采用ASAP2460型比表面及孔隙分析儀，應(yīng)用巴雷特-喬納-哈倫達(dá)理論(BJH)模型對(duì)N2吸附-脫附曲線進(jìn)行分析。頁巖樣品的低溫CO2吸附實(shí)驗(yàn)采用ASAP2020型比表面及孔隙分析儀，應(yīng)用密度泛函理論(DFT)模型對(duì)CO2吸附-脫附曲線進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 煤系頁巖的基本地球化學(xué)特征

有機(jī)質(zhì)豐度是用來代表巖石中有機(jī)質(zhì)的相對(duì)含量，常用有機(jī)碳含量(TOC)表示。沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖的有機(jī)碳含量(TOC)介于0.73%～21.21%之間，平均3.12%；表征煤系頁巖成熟度的鏡質(zhì)體反射率Ro為2.09%～2.56%，平均2.43%，熱解最高峰溫Tmax均大于540 ℃，有機(jī)質(zhì)成熟度處于過成熟階段(表1)。

表1 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖樣品的基本地球化學(xué)特征

沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖富含黏土礦物(23.9%～71.4%，平均含量為50.0%)，脆性礦物以石英(27%～60.0%，平均含量為39.8%)為主，碳酸鹽礦物(0.8%～21.6%，平均含量為4.5%)和長石等其他礦物(0.8%～13%，平均含量為5.8%)相對(duì)較少。

3.2 煤系頁巖孔隙微觀特征

頁巖微觀孔隙的發(fā)育利于吸附氣解析、儲(chǔ)集、運(yùn)移，很大程度影響頁巖氣的儲(chǔ)集含氣性[8]。孔隙度是衡量頁巖孔隙發(fā)育程度的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層物性、頁巖含氣性及頁巖氣儲(chǔ)量估算的重要參數(shù)之一，頁巖孔隙度對(duì)于頁巖氣的賦存富集具有十分重要的意義，頁巖往往具有低孔隙度的特征[26-27]。沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖樣品孔隙度介于2.54%～12.03%之間，平均為6.61%。掃描電鏡分析表明，沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖樣品發(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，常見粒間孔(圖2(a)、 (b)、 (c))和粒內(nèi)孔(圖2(a)、 (d)、 (e))，主要發(fā)育于礦物基質(zhì)中，這類孔隙易受壓實(shí)作用、溶解作用和礦物相變等成巖作用控制。頁巖樣品中微裂縫(圖2(f)、 (g)、 (h))比較發(fā)育，主要為外力作用下形成的外生裂隙及顆粒間裂隙。有機(jī)質(zhì)孔(圖2(i))是指發(fā)育于頁巖有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的一種孔隙，形態(tài)多為圓形、橢圓形，在煤系頁巖樣品中偶見，總體不發(fā)育，與海相頁巖相比，有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量極低。

圖2 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖樣品掃描電鏡圖像

3.3 煤系頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙結(jié)構(gòu)是指泥頁巖中孔隙的幾何形態(tài)、大小、孔徑分布及其連通性，其對(duì)頁巖氣吸附賦存、儲(chǔ)集運(yùn)移都有重要意義[28-30]。沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖樣品N2吸附-脫附曲線(圖3(a))與國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)定義的Ⅳ型等溫吸附曲線和H3型遲滯環(huán)類型相似[31]。N2吸附曲線在相對(duì)壓力(P/Po)小于0.5時(shí)，吸附曲線上升緩慢，當(dāng)P/Po大于0.5時(shí)，曲線迅速上升，一直到P/Po接近1.0時(shí)曲線急劇上升，頁巖樣品在吸附過程中發(fā)生了毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖樣品CO2吸附-脫附曲線(圖3(b))與IUAPC定義的Ⅰ型等溫曲線相似，當(dāng)P/Po小于0.01時(shí)，CO2吸附量增加趨勢(shì)隨P/Po的增加而加快，當(dāng)P/Po大于0.01時(shí)，CO2吸附量增加趨勢(shì)隨P/Po的增加而減慢，在飽和蒸氣壓階段吸附量接近飽和，這反映出頁巖中微孔填充現(xiàn)象。

圖3 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖樣品N2吸附-脫附曲線和CO2吸附-脫附曲線

沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖孔隙總孔容介于0.025 5～0.054 7 mL/g之間，平均值為0.040 1 mL/g，其中微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(>50 nm)的孔容平均值分別為0.004 4 mL/g、0.026 6 mL/g、0.009 1 mL/g。對(duì)比來看，介孔對(duì)孔容的貢獻(xiàn)最大，其次是宏孔，微孔對(duì)孔容的貢獻(xiàn)最小(圖4(a))。煤系頁巖樣品孔隙總比表面積分布范圍為12.34～43.38 m2/g，平均值為28.74 m2/g，其中孔隙絕大部分比表面積為微孔(<2 nm)所提供，平均值為14.68 m2/g，其次是介孔(2～50 nm)，平均值為12.74 m2/g，宏孔(>50 nm)比表面積最小，平均值為1.31 m2/g(圖4(b))。沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖的孔容和比表面積分布特征不同于北美地區(qū)海相頁巖[32]和川南地區(qū)龍馬溪組海相頁巖[33]。

圖4 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖孔隙孔容和比表面積分布

進(jìn)一步分析表明，沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖不同尺度孔隙的孔容與比表面積之間具有一定的相關(guān)關(guān)系(圖5)：微孔的孔容與比表面積之間、介孔的孔容與比表面積之間均存在良好的正相關(guān)性，而宏孔的孔容與比表面積之間的相關(guān)性較差?？傮w來說，總孔容與總比表面積之間的相關(guān)關(guān)系擬合較好，這與張吉振等[34]對(duì)川南地區(qū)龍?zhí)督M海陸過渡相煤系頁巖的研究相似。

圖5 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖孔容與比表面積的關(guān)系

從樣品孔徑分布(圖6)來看，沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖的微孔孔徑主要分布在0.45～0.65 nm和0.79～0.87 nm區(qū)間，介孔孔徑主要集中在3.9～4.4 nm區(qū)間，這與川南地區(qū)龍?zhí)督M海陸過渡相煤系頁巖大體一致[34]。

圖6 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖孔徑分布

3.4 煤系頁巖孔隙發(fā)育影響因素

3.4.1 有機(jī)碳含量對(duì)孔隙發(fā)育的影響

陳尚斌等[35]、田華等[36]指出頁巖有機(jī)碳含量(TOC)是控制頁巖氣儲(chǔ)層中納米孔隙體積及比表面積的主要內(nèi)因；潘磊等[37]、JAVADPOUR[38]認(rèn)為孔隙發(fā)育較好的頁巖，其TOC通常較高，可見有機(jī)碳含量對(duì)泥頁巖的孔隙發(fā)育起重要的作用。

沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖樣品微孔孔容、介孔孔容與TOC呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，而宏孔孔容與TOC分布較離散，相關(guān)性差(圖7(a))，微孔比表面積、介孔比表面積與TOC呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，宏孔比表面積與TOC關(guān)系不明顯(圖7(b))，孔隙度和TOC具有良好的正相關(guān)關(guān)系(圖7(c))，反映出沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖樣品有機(jī)碳含量對(duì)頁巖微孔和介孔發(fā)育具有較大的影響，而對(duì)頁巖宏孔發(fā)育影響較小。總體而言，有機(jī)碳含量對(duì)頁巖微-納米級(jí)孔隙形成具有控制作用，利于比表面積的拓展，有機(jī)碳含量是影響頁巖孔容、比表面積、孔隙度的主要因素。

圖7 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖TOC與孔容、比表面積、孔隙度的關(guān)系

3.4.2 成熟度Ro對(duì)孔隙發(fā)育的影響

成熟度Ro是影響頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要因素。北美地區(qū)頁巖氣研究顯示，頁巖成熟度Ro與孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之間存在一定相關(guān)性[32]。沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖微孔孔容、介孔孔容與成熟度Ro值有較好的正相關(guān)關(guān)系(圖8(a))，微孔比表面積、介孔比表面積與成熟度Ro值也呈正相關(guān)(圖8(c))，而宏孔孔容、宏孔比表面積與成熟度Ro值無明顯相關(guān)性，與張吉振等[24]對(duì)川南地區(qū)龍?zhí)督M煤系頁巖的研究結(jié)果有所差異?？傮w而言，沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖總孔容和總比表面積與成熟度Ro值呈正相關(guān)關(guān)系(圖8(b)、 (d))，可能是因?yàn)殡S著成熟度的增加，不斷產(chǎn)生氣體，從而促進(jìn)孔隙發(fā)育，這與王哲等[39]對(duì)川南地區(qū)筇竹寺組海相頁巖研究認(rèn)識(shí)不同。

圖8 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖成熟度Ro與孔容、比表面積的關(guān)系

3.4.3 礦物成分含量對(duì)孔隙發(fā)育的影響

頁巖中礦物成分含量對(duì)于孔隙的發(fā)育、演化和保存具有重要意義[32]。石英等脆性礦物含量影響頁巖氣儲(chǔ)層可壓裂性，并影響孔隙的發(fā)育；黏土礦物組成對(duì)于孔隙的演化和保存具有重要影響作用[22,32]。

沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖脆性礦物含量與介孔、微孔孔容呈明顯的負(fù)相關(guān)性，黏土礦物含量與介孔、微孔孔容呈一定的正相關(guān)性，而與宏孔孔容沒有明顯相關(guān)性(圖9)，這與川南地區(qū)海陸過渡相龍?zhí)督M煤系頁巖研究[34]一致，卻與淮南煤田潘謝礦區(qū)石盒子組煤系頁巖研究[13]不同。

圖9 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖礦物成分含量與孔容的關(guān)系

沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖脆性礦物含量與微孔、介孔比表面積呈負(fù)相關(guān)性，黏土礦物含量與微孔、介孔比表面積呈一定的正相關(guān)性(圖10)。由此看來，煤系頁巖儲(chǔ)層黏土礦物含量有利于微-納米級(jí)無機(jī)孔隙的發(fā)育，一定程度上積極影響孔隙結(jié)構(gòu)特征。

圖10 沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖礦物成分含量與孔隙比表面積的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖發(fā)育多種類型孔隙，常見粒間孔、粒內(nèi)孔和微裂縫，有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育，孔隙形態(tài)多呈不規(guī)則狀、棱角狀、橢圓形及狹縫形，為頁巖氣賦存與儲(chǔ)集提供了儲(chǔ)集空間。

(2)沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組海陸過渡相煤系頁巖孔隙度為2.54%～12.03%(平均6.61%)，總孔容為0.025 5～0.054 7 mL/g(平均0.040 1 mL/g)，總比表面積為12.34～43.38 m2/g(平均28.74 m2/g)，孔隙以微孔和介孔為主，孔徑主要分布在0.45～0.65 nm、0.79～0.87 nm和3.9～4.4 nm區(qū)間。

(3)有機(jī)碳含量、成熟度Ro和礦物成分含量均會(huì)影響沁水盆地陽泉區(qū)塊太原組煤系頁巖孔隙發(fā)育與保存，有機(jī)碳含量和成熟度Ro對(duì)頁巖孔隙發(fā)育有促進(jìn)作用，黏土礦物含量一定程度上有利于無機(jī)孔隙的發(fā)育。