海陸過渡相煤系頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對含氣性的影響

張吉振, 李賢慶, 鄒曉艷, 謝增業(yè), 張學(xué)慶, 李陽陽, 王飛宇

海陸過渡相煤系頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對含氣性的影響

張吉振1,2,3, 李賢慶1,4*, 鄒曉艷1,4, 謝增業(yè)5, 張學(xué)慶1,4, 李陽陽1,4, 王飛宇6,7

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 北京 100083; 2. 長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430100; 3. 長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430100; 4. 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; 5. 中國石油勘探開發(fā)研究院天然氣地質(zhì)研究所, 河北 廊坊 065007; 6. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 7. 中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249)

本次研究以四川盆地南部(川南地區(qū))上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系頁巖為例, 利用場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)對頁巖孔隙進行定性觀察分析, 聯(lián)用高壓壓汞實驗、N2與CO2吸附-脫附實驗, 以及CH4等溫吸附實驗開展海陸過渡相煤系頁巖全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量表征, 并探討孔隙結(jié)構(gòu)對含氣性的影響。海陸過渡相煤系頁巖粒間孔、粒內(nèi)孔和有機質(zhì)孔等基質(zhì)孔隙較為發(fā)育, 微裂縫較少?？紫缎螒B(tài)以平板狹縫狀和墨水瓶狀為主, 具有較好的開放性特征。頁巖全孔徑孔容分布曲線呈兩極化分布, 孔徑小于30 nm和大于5 μm的孔隙大量發(fā)育。宏孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)的孔容貢獻率依次降低, 分別占42.2%、36.3%和21.4%。頁巖孔比表面積分布曲線呈單峰型分布, 隨著孔徑增大, 孔比表面積減小, 微孔尤其是孔徑值小于8 nm的孔隙提供較大的孔比表面積。微孔、介孔和宏孔的孔比表面積貢獻率依次降低, 分別占72.7%、25.0%和2.3%。龍?zhí)督M頁巖總含氣量為2.61～6.02 m3/t, 其中吸附氣比例占優(yōu)勢, 含量為1.88～4.70 m3/t, 受孔隙比表面積影響較強, 主要吸附于微孔和介孔中; 游離氣含量為0.60～1.34 m3/t, 主要受孔隙體積影響, 主要賦存于宏孔中。

海陸過渡相; 煤系頁巖; 孔隙結(jié)構(gòu); 含氣性; 龍?zhí)督M; 四川盆地

0 引 言

繼北美頁巖氣革命后, 全球頁巖氣資源勘探與開發(fā)領(lǐng)域取得重大進展, 中國成為繼美國、加拿大之后第3個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)性開發(fā)的國家[1–6]。頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于頁巖儲層孔隙系統(tǒng)中[1,3,7,8]。微小尺度孔隙與頁巖氣吸附緊密相關(guān), 較大孔隙及裂縫則利于頁巖氣滲流和運移[7–10]。頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征主要包括孔隙幾何形態(tài)、尺寸大小、孔容、孔比表面積、孔隙度、空間展布和連通性等, 這些特征直接影響頁巖氣吸附、賦存和運移機理, 對頁巖儲集性能評價、有利儲層優(yōu)選和頁巖氣勘探開發(fā)均具有十分重要的意義[11–15]。

不同于常規(guī)油氣儲層, 頁巖儲層具有自生自儲的典型特征, 其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣, 孔隙尺度跨度較大, 常規(guī)儲層分析方法不適用于頁巖儲層分析[11–15]。目前, 諸多分析技術(shù)方法應(yīng)用于頁巖孔隙研究, 主要包括定性分析技術(shù)和定量分析技術(shù)。普通掃描電鏡(SEM)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、透射電鏡(TEM)、偏光顯微鏡(PLM)、原子力顯微鏡(AFM)、納米電子計算機斷層(CT)掃描等是目前較為常用的定性分析技術(shù)。定量分析技術(shù)又可以進一步分為高壓壓汞實驗、N2和CO2氣體吸附-脫附實驗等流體注入技術(shù), 以及小角散射(SANS)、超小角散射(USANS)和核磁共振(NMR)等非流體注入技術(shù)[16–26]。目前尚無對頁巖氣吸附量及游離氣含量測定的國家標準和行業(yè)標準, 頁巖氣吸附量的計算和分析通常借鑒煤層氣相關(guān)經(jīng)驗, 選用CH4等溫吸附實驗進行, 而游離氣含量測算及分析通常通過孔體積和孔隙度來獲取[27–31]。全面綜合分析頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征對于吸附能力及頁巖氣富集、賦存規(guī)律研究具有重要的指導(dǎo)意義。

國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)對于孔隙尺度的分類標準在頁巖孔隙研究領(lǐng)域廣泛使用, 其將孔隙分為宏孔(>50.0 nm)、介孔(2.0～50.0 nm)和微孔(<2.0 nm)[32]。目前孔隙類型分類多采用Loucks.[33]提出的分類方案, 其將孔隙分為有機質(zhì)孔、粒間孔、粒內(nèi)孔和微裂縫。四川盆地是我國重要的油氣資源供給盆地, 盆地內(nèi)海相頁巖層已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)性開采突破, 相關(guān)理論研究成果較為豐富[12,27,34]。四川盆地海相頁巖儲層孔隙以微孔和介孔為主, 孔隙中主要以游離氣賦存于介孔和宏孔中, 少許吸附態(tài)氣體吸附在微孔內(nèi)表面[27,34]。頁巖儲集空間的精細表征不僅是頁巖氣儲層精確評價和資源量有效評估的核心內(nèi)容, 也是開展頁巖氣富集高產(chǎn)機理研究, 以及頁巖氣資源調(diào)查和勘探有利區(qū)優(yōu)選的關(guān)鍵性工作。海陸過渡相煤系頁巖因其具有的成藏潛力和勘探前景近年來備受關(guān)注, 揚子地區(qū)龍?zhí)督M頁巖顯示出良好的生氣潛力和勘探前景。然而, 由于缺乏海陸過渡相煤系頁巖孔隙系統(tǒng)的精確表征, 使得目前的勘探活動有較大的盲目性, 嚴重制約了海陸過渡相煤系頁巖有利儲層優(yōu)選和勘探開發(fā)進程[33–37]。

本次研究以四川盆地南部(川南地區(qū))上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖為研究對象, 基于場發(fā)射掃描電鏡定性觀察龍?zhí)督M煤系頁巖孔隙形貌特征、尺寸大小和空間展布情況, 通過高壓壓汞實驗、低壓N2和CO2吸附-脫附實驗分別對宏孔、介孔和微孔的孔隙結(jié)構(gòu)進行定量表征, 以獲取全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)特征信息, 并通過CH4等溫吸附實驗分析頁巖氣吸附能力, 進一步結(jié)合不同尺度孔容和孔比表面積對其的影響, 明晰全孔徑尺度孔隙結(jié)構(gòu)對于含氣性的影響。

1 樣品與實驗方案

1.1 樣品

樣品采自川南地區(qū)長寧-興文一帶7口鉆井, 處于川南低陡褶皺帶構(gòu)造單元, 采集層位為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M, 所有樣品均為新鮮鉆井巖芯樣, 采樣深度為600～1100 m (圖1)。為有效反映不同巖礦組構(gòu)的頁巖孔隙發(fā)育情況, 在孔隙分析實驗之前, 對樣品進行總有機碳(TOC)含量、成熟度(o)、礦物組成和孔隙度等方面的測定, 挑選不同有機質(zhì)豐度的12塊頁巖進行進一步孔隙分析實驗。如表1所示, 龍?zhí)督M頁巖樣品TOC含量介于0.9%～8.1% (平均4.07%)之間,o值介于2.0%～2.4% (平均2.24%)之間, 處于高-過成熟階段, 總孔隙度介于3.14%～7.46% (平均5.50%)之間, 黏土礦物豐富, 含量值為33.3%～75.1% (平均58.2%), 石英含量為6.2%～30.8% (平均19.7%)。場發(fā)射掃描電鏡實驗在中國石油大學(xué)(北京)完成, 高壓壓汞實驗和氣體吸附實驗在北京市理化測試中心完成。

1.2 FE-SEM電鏡觀察實驗

FE-SEM圖像主要采用Quanta 200F型掃描電子顯微鏡來獲取, 最大分辨率可高達1.2 nm。在FE-SEM電鏡掃描之前, 所有樣品都經(jīng)過IB09010CP型號的離子截面拋光儀進行Ar離子研磨拋光, 形成光滑的表面, 然后在表面上鍍一層10 nm厚的金膜來提高導(dǎo)電性, 使得成像更為清晰。實驗分析按照石油與天然氣行業(yè)標準SY/T 5162-2014進行。

1.3 高壓壓汞實驗

高壓壓汞實驗采用Pore Master GT60壓汞儀依照國家標準GB/T 21650.3-2011進行, 進汞量隨著壓力遞增而增加, 最大進汞壓力為206.9 MPa, 可以測得孔隙區(qū)間范圍介于7 nm 和100 μm之間, 進汞體積的測量精度可達0.1 mL。實驗分析前需進行樣品預(yù)處理, 將樣品碎樣至長(10 mm)×寬(10 mm)×高(15 mm)的柱體狀。鑒于其測定范圍的下限值為7 nm, 該實驗技術(shù)主要用于測定宏孔的孔隙結(jié)構(gòu), 宏孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)表征僅采用高壓壓汞實驗數(shù)據(jù), 宏孔孔容應(yīng)用Washburn方程計算獲得[38–39]。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造特征、采樣井分布與地層綜合柱狀圖[34]

表1 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖樣品基本參數(shù)

1.4 低溫N2和CO2吸附-脫附實驗

低溫N2和CO2吸附-脫附實驗采用Quantachrome NOVA4200e比表面積分析儀進行, 實驗參照國家標準GB/T 21650.3–2011和GB/T19587–2017進行, 實驗壓力范圍為0～101.3 kPa, N2和CO2吸附-脫附實驗相對壓力(/0)分別為0.001～0.995和0.0001～ 0.032。實驗前, 樣品被粉碎至顆粒粒徑小于200 μm, 稱量約120 g粉末樣放入烤箱中以60 ℃烘干48 h。依據(jù)N2吸附-脫附實驗結(jié)果, 介孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)表征僅采用N2吸附-脫附實驗數(shù)據(jù), 介孔的孔容和比表面積分析分別依據(jù)BJH (Barrett–Joyner–Halenda)和BET (Brunauer–Emmett–Teller)模型進行[18,26,38]; 微孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)表征僅采用CO2吸附-脫附實驗數(shù)據(jù), 微孔的孔容和比表面積依據(jù)密度泛函理論(DFT)模型進行分析[38–39]。

1.5 CH4等溫吸附實驗

頁巖CH4等溫吸附實驗主要參照煤層氣等溫吸附實驗相關(guān)國家標準GB/T19560-2008進行, 實驗儀器采用IS-300等溫吸附-脫附儀。實驗前頁巖樣品需粉碎至60–80目(0.18～0.25 mm), 然后在烤箱中以60 ℃烘干48 h進行預(yù)處理。實驗測試溫度為恒溫25 ℃, 濕度為35%, 實驗測試壓力最高可達近20 MPa,實驗測試點12個, 每個測點的CH4吸附平衡時間在12 h以上, CH4濃度達99.999%, 實驗結(jié)果利用Langmuir吸附模型進行擬合分析。

2 實驗結(jié)果

2.1 微觀孔隙類型

本次研究對頁巖儲層微觀孔隙分類依照Loucks.[33]的分類方案(微孔, <2 nm; 介孔, 2～50 nm; 宏孔, >50 nm)進行。FE-SEM圖像觀察表明, 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖中粒間孔較為發(fā)育, 該類孔隙通常發(fā)育于碎屑礦物顆粒和自身礦物顆粒之間, 多呈三角形、多邊形等棱角狀或不規(guī)則形狀, 孔徑尺寸從幾十納米到幾微米不等(圖2a)。粒內(nèi)孔在龍?zhí)督M頁巖中常發(fā)育在黏土集合體和草莓狀黃鐵礦微球團中(圖2b–圖2d)。黃鐵礦晶簇內(nèi)通常發(fā)育粒內(nèi)孔, 孔徑通常較小, 多介于20～400 nm之間, 多為棱角狀和次棱角狀(圖2b–圖2c)。黏土礦物層中粒內(nèi)孔的孔徑通常小于500 nm, 通常形成于成巖演化過程中的較強壓實作用, 也可形成于礦物顆粒的溶蝕作用, 該類孔隙形態(tài)較不規(guī)則, 孔徑變化較大, 幾十納米至幾微米均有發(fā)育(圖2d)。

有機質(zhì)孔發(fā)育于有機質(zhì)團塊內(nèi)部, 在龍?zhí)督M頁巖中也較為常見, 通常呈凹坑形、橢圓形、蜂窩狀、球形、半月形和不規(guī)則形狀, 邊緣較為平滑且界限較為清晰, 通常發(fā)育為納米級孔隙, 尺寸從幾十納米到幾百納米不等(圖2e)。有機質(zhì)孔主要成因于有機質(zhì)熱演化過程的生、排烴作用, 其發(fā)育直接受控于有機質(zhì)豐度和成熟度, 與頁巖氣的形成和賦存緊密相關(guān)[7,18]。電鏡圖像觀測中, 煤系頁巖中有機質(zhì)微觀孔隙多發(fā)育于有機質(zhì)豐度相對較高的樣品中, 尤其在有機質(zhì)和黏土含量均較高的樣品中較為常見。微裂縫在龍?zhí)督M頁巖中也有發(fā)育, 但整體較海相頁巖儲層少, 在有機質(zhì)和黏土礦物之間通常由于有機質(zhì)熱演化過程的收縮作用形成裂縫, 而在成巖過程中隨著黏土礦物的轉(zhuǎn)化, 黏土礦物基質(zhì)中的收縮作用形成的裂縫也較為常見, 這些裂縫通常具有鋸齒狀邊緣, 常呈折線形、長條形和線形等形態(tài), 縫寬一般不超過500 nm, 而長度最大可達幾毫米(圖2f)。

2.2 不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)定量表征

頁巖孔隙發(fā)育從微孔至宏孔呈連續(xù)性分布特征, 由于測試技術(shù)自身的特性, 僅憑一種技術(shù)手段難以獲取整個孔徑范圍內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)特征信息, 對不同尺度孔隙進行分段化測定分析可以充分發(fā)揮相應(yīng)區(qū)間的技術(shù)手段的優(yōu)勢, 使得分析結(jié)果更加精細和精確。由于進汞壓力較高時通常會破壞孔隙系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu), 使得結(jié)果不甚準確, 因此高壓壓汞實驗通常用于表征宏孔結(jié)構(gòu)特征, 尤其是微米級的孔隙及裂隙。

另外, 鑒于壓汞實驗在大于10 MPa (孔隙直徑小于147 nm)時存在基質(zhì)壓縮效應(yīng), 在測定宏孔時會有誤差, 因此對該部分實驗數(shù)據(jù)進行校正。在外界壓力條件下, N2和CO2分子通常先進入微孔, 然后再進入介孔中進行吸附, 而CO2分子通常形成單層吸附且在低溫狀態(tài)下具有極高飽和蒸汽壓, 因此CO2吸附-脫附實驗用于表征微孔發(fā)育特征, N2吸附-脫附實驗應(yīng)用于介孔孔隙結(jié)構(gòu)分析研究, 以上3種流體測試實驗結(jié)果如表2所示。雖然3種實驗方法的機理以及數(shù)據(jù)處理理論都不同, 但研究對象一致, 均為頁巖儲層微觀孔隙, 而且分別提高了宏孔、介孔和微孔的測試精度, 因此更加有利于分析頁巖的全孔徑分布特征, 該技術(shù)方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多尺度頁巖孔隙結(jié)構(gòu)研究[40–44]。不同技術(shù)測定孔隙范圍有疊加的部分通過加權(quán)平均的方法進行處理以保證結(jié)果的連續(xù)性。

2.2.1 基于高壓壓汞實驗的孔隙結(jié)構(gòu)特征

由高壓壓汞實驗測定的頁巖總孔隙度介于3.14%～7.46%之間, 平均孔徑介于18～225 nm之間(平均103 nm), 宏孔的孔容范圍為0.003～0.022 cm3/g (平均0.014 cm3/g), 宏孔的比表面積范圍為0.12～ 1.82 cm2/g (平均0.77 cm2/g) (表2)。在孔徑分布曲線圖中(圖3), 頁巖孔容在孔徑區(qū)間低于30 nm和大于5 μm的范圍內(nèi)呈快速增長趨勢, 反映出孔隙呈現(xiàn)兩極化的富集分布情況, 在區(qū)間30 nm～5 μm范圍內(nèi), 曲線呈現(xiàn)較為平緩的趨勢, 反映在該區(qū)間范圍內(nèi)孔隙發(fā)育相對較少。

圖2 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖典型微觀孔隙特征FE-SEM 圖像

表2 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖樣品不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 基于龍?zhí)督M頁巖樣品高壓壓汞實驗的孔徑分布曲線

d–體積增量; dlg–以孔徑為底的對數(shù)值的增量。

2.2.2 基于N2吸附實驗的孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過對相應(yīng)相對壓力下的吸附和脫附氣體體積進行定量分析, 得到吸附-脫附曲線。N2吸附-脫附實驗結(jié)果如表2所示, 平均孔徑為3.65～6.65 nm (平均4.94 nm), 介孔體積為0.009～0.018 cm3/g (平均0.012 cm3/g), 介孔比表面積為4.65～14.13 m2/g (平均7.78 m2/g)。不同形態(tài)的孔隙可形成不同的吸附曲線和滯回環(huán)類型。根據(jù)IUPAC分類標準, 吸附曲線總體可劃分為6種類型(Ⅰ～Ⅶ型), 滯后環(huán)類型可劃分為4種類型(H1～H4型)[40]。龍?zhí)督M頁巖N2吸附-脫附曲線如圖4所示, 曲線類型為Ⅳ型等溫線, 反映介孔吸附-脫附特征, 回滯環(huán)類型兼具H2和H3類型共同特征, 反映平板狹縫狀和墨水瓶狀是孔隙發(fā)育的主要形態(tài)。據(jù)低壓N2吸附-脫附實驗繪制孔徑分布曲線如圖5所示, 圖中孔隙孔容隨孔徑變化曲線呈現(xiàn)單峰分布特征, 峰值在4 nm左右, 最大累積孔隙體積達到0.022 cm3/g。

2.2.3 基于CO2吸附實驗的孔隙結(jié)構(gòu)特征

CO2吸附曲線如圖6所示, 曲線類型屬于Ⅰ型等溫線, 反映孔徑低于2 nm的開放型微孔大量發(fā)育。所有脫附等溫線均與吸附等溫線重合, 反映了低壓環(huán)境下無毛細管凝聚現(xiàn)象。本次研究龍?zhí)督M樣品中, 有機碳含量較高的樣品一般具有更高的CO2吸附氣量, 反映更大的微孔孔容, 表明微孔發(fā)育受TOC含量影響。基于低壓CO2吸附數(shù)據(jù), 平均孔徑介于1.06 nm和1.71 nm之間(平均1.28 nm), 微孔的孔容范圍介于0.003～0.014 cm3/g (平均0.007 cm3/g)之間, 孔比表面積范圍介于10.50～46.49 m2/g (平均24.44 m2/g)之間。微孔孔徑分布呈現(xiàn)多峰分布特征, 兩個主峰位在0.45～0.50 nm和0.55～0.60 nm之間, 另外有1個小峰在0.35～0.40 nm范圍附近(圖7)。

圖4 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖典型樣品N2吸附-脫附曲線

N2吸附體積在標準溫壓下測得。

2.3 基于等溫吸附實驗的CH4吸附特征

豐富的有機質(zhì)、黏土礦物和微觀孔隙為頁巖氣的生成、吸附和儲存提供了有利條件[10,17–19]。頁巖含氣量是資源潛力評價和頁巖氣有利勘探區(qū)優(yōu)選的重要指標參數(shù)[10,17–19]。在一定的溫壓條件下, CH4等溫吸附實驗可測定頁巖的最大CH4氣體吸附量, 從而反映出頁巖的最大氣體吸附能力。如圖8所示, 龍?zhí)督M頁巖CH4等溫吸附曲線在約16 MPa時漸近飽和, CH4最大吸附量介于1.88～4.70 m3/t之間, 平均3.07 m3/t。不同樣品之間具有較大的差別, 主要由于頁巖樣品內(nèi)部孔隙發(fā)育的富集程度、幾何形貌和孔徑分布特征均有差異。一般而言, 隨著TOC含量的增加, CH4吸附能力增加。川南地區(qū)海陸過渡相煤系頁巖的成熟度相差不大,o值為2.00%～2.40%, 均處于過成熟演化階段, 成熟度對CH4吸附氣量影響作用較小。而孔隙度與CH4等溫吸附氣含量的關(guān)系有直接聯(lián)系, 孔隙度越大的頁巖中, 孔隙的比表面積也較大, 從而將利于CH4氣體的吸附, 增大CH4吸附氣量。根據(jù)Ji.[41]提出的方法, 測算川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖的總含氣量介于2.61～6.02 m3/t之間, 達到了頁巖氣工業(yè)勘探的經(jīng)驗下限(一般為1.1 m3/t)[9–10]。

3 討?論

3.1 頁巖孔隙全孔徑分布特征

本次研究中, 聯(lián)用高壓壓汞實驗、N2和CO2吸附-脫附實驗, 分別對宏孔、介孔和微孔進行細致分析, 從而獲取了頁巖儲層中自納米級至微米級尺度的全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)信息。總孔容即微孔、介孔和宏孔孔容計算值之和。從圖9中可以看出微孔、介孔和宏孔在頁巖孔隙系統(tǒng)中均較好發(fā)育, 3種尺度孔隙的孔容平均值分別為0.007 cm3/g、0.012 cm3/g和0.014cm3/g, 對總孔容的貢獻分別為21.4%、36.3%和42.2% (表2, 圖9)。川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖儲層全孔徑孔隙的孔容分布曲線顯示多峰分布, 主要高峰值分布在區(qū)間0.2～0.8 nm、0.1～1.0 μm和3～50 μm。另外, 龍?zhí)督M頁巖的微孔、介孔和宏孔的比表面積平均值分別為24.44 m2/g、7.78 m2/g和0.77 m2/g, 分別占總比表面積的72.7%、25.0%和2.3% (表2, 圖10)。國內(nèi)外大多學(xué)者主要統(tǒng)計納米級孔隙的發(fā)育情況, 尤其針對宏孔的界定范圍不甚明確, 諸多學(xué)者僅采用N2吸附實驗獲取50～200 nm的孔隙作為宏孔范圍進行研究, 其結(jié)果將顯著低于高壓壓汞實驗統(tǒng)計結(jié)果。本次研究針對納米級孔隙體系分析結(jié)果表明, 微孔、介孔和低于1 μm的宏孔孔隙孔容占比分別為68.3%、32.5%和13.5%, 孔比表面積分別為96.6%、4.7%和0.5%。如圖10所示, 隨著孔徑的增大, 頁巖孔比表面積逐漸減小, 全孔徑孔隙的孔比表面積分布曲線均呈現(xiàn)左單峰型分布, 主峰集中分布在0.8 nm孔徑以下, 表明龍?zhí)督M頁巖孔隙的比表面積主要由微孔提供, 尤其0.8 nm孔徑以下的孔隙提供的比表面積占據(jù)主導(dǎo)地位。以上實驗結(jié)果表明, 微孔和宏孔在很大程度上決定了頁巖氣的儲氣潛力, 微孔則通過主導(dǎo)孔隙比表面積的發(fā)育在頁巖氣吸附中起著關(guān)鍵作用。

圖5 基于龍?zhí)督M頁巖樣品低壓N2吸附-脫附實驗的孔徑分布曲線

d()表示對應(yīng)孔徑下的體積增量。

圖6 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖典型樣品CO2吸附-脫附曲線

CO2吸附體積在標準溫壓下測得。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)對含氣性的影響

如圖11a所示, 頁巖總孔體積和總含氣量呈較好的正線性相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)2為0.73, 其中微孔和總含氣量相關(guān)性最強, 相關(guān)系數(shù)為0.90; 介孔與總含氣量相關(guān)性相對弱些, 相關(guān)系數(shù)為0.69; 宏孔與總含氣量相關(guān)性不明顯。如圖11b所示, 頁巖總孔比表面積和總含氣量呈較強的正線性相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)高達0.95; 其中微孔比表面積與總含氣量相關(guān)性最強, 相關(guān)系數(shù)為0.93; 介孔比表面積與與總含氣量相關(guān)性次之, 相關(guān)系數(shù)為0.61; 宏孔比表面積與總含氣量相關(guān)性較弱, 相關(guān)系數(shù)僅為0.35。以上實驗結(jié)果表明, 海陸過渡相龍?zhí)督M煤系頁巖氣主要賦存于微孔和介孔中。

圖7 基于龍?zhí)督M頁巖樣品低壓CO2吸附-脫附實驗的孔徑分布曲線

d()表示對應(yīng)孔徑下的體積增量。

圖8 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖樣品CH4等溫吸附曲線

如圖11c所示, 吸附氣含量與孔容呈正相關(guān)關(guān)系, 其中微孔孔容與吸附氣含量呈較好的正相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)為0.89; 介孔孔容與吸附氣含量相關(guān)性次之, 相關(guān)系數(shù)為0.76; 而雖然宏孔盡管對孔容的貢獻最大, 在總孔容中占比最高, 但其比表面積較小, 無法為氣體吸附提供吸充足的吸附點位, 使得宏孔與吸附氣含量也較差, 但宏孔的發(fā)育有利于游離氣的賦存。以上結(jié)果反映微孔和介孔是吸附氣的主要賦存場所。吸附氣含量與孔比表面積顯示出極強的相關(guān)性關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)高達0.97, 反映出吸附氣含量直接受控于孔隙比表面積; 所有尺度孔隙中, 微孔比表面積最大, 并且與吸附氣含量相關(guān)性最強, 相關(guān)系數(shù)為0.93; 介孔比表面積與吸附氣含量相關(guān)性次之, 相關(guān)系數(shù)為0.93; 宏孔比表面積與與吸附氣含量相關(guān)性最弱, 相關(guān)系數(shù)為0.40。以上實驗結(jié)果表明, 由于隨著孔隙比表面積的增加, CH4分子吸附點位增加, 所吸附的CH4相對分子質(zhì)量更多, 使得吸附氣量更大, 隨著孔徑的增加, 頁巖孔隙比表面積逐漸降低, 使得CH4分子主要吸附于比表面積較大的微孔和介孔中。

圖9?川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖孔容全孔徑分布

圖10 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖孔比表面積全孔徑分布

由于微孔孔隙孔徑介于2 nm以下, CH4分子(粒徑0.414 nm), 微孔中CH4分子只能以單層吸附或雙層吸附形式存在, 不存在游離態(tài)的CH4分子, 孔徑越大, 可供游離態(tài)CH4分子活躍的空間越大, 游離氣含量越高。如圖11c和圖11d所示, 頁巖游離氣量和總孔體積有較好的線性正相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)達0.94, 但游離氣含量與比表面積關(guān)系較差, 反映游離氣含量主要受孔隙體積的影響, 比表面積對其影響較弱; 另外, 游離氣含量與宏孔孔容關(guān)系較好, 相關(guān)系數(shù)為0.63, 與介孔的孔容關(guān)系較弱, 相關(guān)系數(shù)僅為0.18, 反映擁有較大孔徑的宏孔是游離氣賦存的主體, 利于頁巖氣滲流、運移。總體而言, 與海相頁巖相比[27,42], 海陸過渡相煤系頁巖總體孔徑相對更大, 孔隙空間以介孔和宏孔為主, 對與游離氣的滲流有利; 而兩種類型的頁巖中微孔的數(shù)量均較多, 具有較大的比表面積, 利于CH4氣體吸附。海相頁巖中, 介孔作為主導(dǎo), 對游離氣和吸附氣的賦存均有較大影響, 是游離氣和吸附氣混合賦存的主體, 從而有利于后期頁巖氣資源的勘探開發(fā); 而海陸過渡相煤系頁巖中, 黏土礦物含量多, 不利壓裂, 且微孔提供的比表面積較大, CH4氣體多以吸附態(tài)進行賦存, 對于頁巖氣資源開發(fā)技術(shù)提出挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

(1) 海陸過渡相龍?zhí)督M煤系頁巖孔隙類型多樣, 粒間孔、粒內(nèi)孔和有機質(zhì)孔均較為發(fā)育, 這些基質(zhì)孔隙孔徑大小介于幾納米至幾微米之間, 多為納米級孔隙, 另外含有少量的微裂縫, 多為微米級孔隙。氣體吸附實驗表明這些孔隙多為開放型孔隙, 空間形態(tài)以平板狹縫狀和墨水瓶狀為主, 孔隙連通性良好。

(2) 龍?zhí)督M煤系頁巖孔隙孔徑尺度跨度較大, 孔體積以宏孔和介孔為主, 微孔雖然數(shù)量較多, 但由于自身體積較小, 總體孔容貢獻率卻相對較低, 3種類型孔隙的孔容貢獻率分別為21.4%、36.3%和42.2%。孔比表面積隨孔徑增大而遞減, 微孔提供最主要的比表面積, 其次為介孔, 宏孔的比表面積較低, 三者的比表面積貢獻率分別為72.7%、25.0%和2.3%。而孔徑低于1 μm的納米級孔隙體系中, 3種類型孔隙孔容占比分別為68.3%、32.5%和13.5%, 孔比表面積占比分別為96.6%、4.7%和0.5%。

圖11 不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖含氣量的關(guān)系

(3) 龍?zhí)督M頁巖孔隙在孔徑小于30 nm和大于5 μm范圍內(nèi)大量發(fā)育, 具有較大體積空間, 在30 nm～ 5 μm區(qū)間范圍孔隙發(fā)育較少, 其中介孔中孔徑約4 nm孔隙較為發(fā)育, 而微孔中0.45～0.50 nm和0.55～0.60 nm兩個孔徑區(qū)間范圍內(nèi)的孔隙較為豐富。

(4) 頁巖孔隙發(fā)育對頁巖氣含量具有較大影響, 孔容和孔比表面積的增加均利于總含氣量的增加, 其中微孔和介孔是頁巖氣主要賦存空間。吸附氣含量主要受控于比表面積的發(fā)育, 微孔和介孔具有較大比表面積, 是頁巖中吸附氣的富集主體; 游離氣含量主要受控于孔體積的發(fā)育, 宏孔為游離氣的賦存提供主要場所, 利于氣體運移和滲流。尤其納米級孔隙體系中, 微孔具有較高的孔容和比表面積, 是頁巖氣賦存的主體空間。高黏土礦物含量和吸附氣含量, 將對煤系頁巖氣勘探與開發(fā)提出技術(shù)挑戰(zhàn)。

筆者在此對匿名審稿專家提供了寶貴的意見和建議表示衷心的感謝！

[1] Curtis J B. Fractured shale-gas systems[J]. AAPG Bulletin, 2002, 11(86): 1921–1938.

[2] Selley R C. UK shale gas: The story so far[J]. Mar Pet Geol, 2012, 31(1): 100–109.

[3] Jarvie D M, Hill R J, Ruble T E, Pollastro R M. Unconventionalshale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale gas assessment[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 475–499.

[4] 賈承造, 鄭民, 張永峰. 中國非常規(guī)油氣資源與勘探開發(fā)前景[J]. 石油勘探與開發(fā), 2012, 39(2): 129–136.

Jia Cheng-zao, Zheng Min, Zhang Yong-feng. Unconventional hydrocarbon resources in China and the prospect of exploration and development[J]. Pet Explor Develop, 2012, 39(2): 129– 136 (in Chinese with English abstract).

[5] 董大忠, 鄒才能, 楊樺, 王玉滿, 李新景, 陳更生, 王世謙, 呂宗剛, 黃勇斌. 中國頁巖氣勘探開發(fā)進展與發(fā)展前景[J]. 石油學(xué)報, 2012, 33(S1): 107–114.

Dong Da-zhong, Zou Cai-neng, Yang Hua, Wang Yu-man, Li Xin-jing, Chen Geng-sheng, Wang Shi-qian, Lü Zong-Gang, Huang Yong-bin. Progress and prospects of shale gas exploration and development in China[J]. Acta Pet Sinica, 2012, 33(S1): 107–114 (in Chinese with English abstract).

[6] 王志剛. 涪陵大型海相頁巖氣田成藏條件及高效勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 石油學(xué)報, 2019, 40(3): 370–382.

Wang Zhi-gang. Reservoir formation conditions and key efficient exploration and development technologies formarine shale gas Fields in Fuling area, South China[J]. Acta Pet Sinica, 2019, 40(3): 370–382 (in Chinese with English abstract).

[7] Loucks R G, Reed R M, Ruppel S C, And D M, Jarvie D M. Morphology, genesis, and distribution of nanometer-scale pores in siliceous mudstones of the Mississippian Barnett Shale[J]. J Sediment Res, 2009, 79(12): 848–861.

[8] Montgomery S L, Jarvie D M, Bowker K A, Pollastro R M. Mississippian Barnett Shale, Fort Worth basin, north-central Texas: Gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential[J]. AAPG Bulletin, 2006, 90(6): 963–966.

[9] 張金川, 姜生玲, 唐玄, 張培先, 唐穎, 荊鐵亞. 我國頁巖氣富集類型及資源特點[J]. 天然氣工業(yè), 2009, 29(12): 109– 114.

Zhang Jin-chuan, Jiang Sheng-ling, Tang Xuan, Zhang Pei-xian, Tang Ying, Jing Tie-ya. Accumulation types and resources characteristics of shale gas in China[J]. Nat Gas Ind, 2009, 29(12): 109–114 (in Chinese with English abstract).

[10] 張金川, 金之鈞, 袁明生. 頁巖氣成藏機理和分布[J]. 天然氣工業(yè), 2004, 24(7): 15–18.

Zhang Jin-chuan, Jin Zhi-jun, Yuan Ming-sheng. Reservoiring mechanism of shale gas and its distribution[J]. Nat Gas Ind, 2004, 24(7): 15–18 (in Chinese with English abstract).

[11] Zhang J Z, Li X Q, Wei Q, Gao W J, Liang W L, Wang Z, Wang F Y. Quantitative characterization of pore-fracture system of organic-rich marine-continental shale reservoirs: A case study of the Upper Permian Longtan Formation, Southern Sichuan Basin, China[J]. Fuel, 2017, 200: 272–281.

[12] 賀儒良, 賈望魯, 彭平安. 排-留烴過程對富有機質(zhì)頁巖納米孔隙發(fā)育影響的熱模擬實驗研究[J]. 地球化學(xué), 2018, 47(5): 575–585.

He Ru-liang, Jia Wang-lu, Peng Ping-an. Influence of hydrocarbon expulsion and retention on the evolution of nanometer-scale pores in organic matter rich shale: An example from pyrolysis experiment[J]. Geochimica, 2018, 47(5): 575–585 (in Chinese with English abstract).

[13] 王星, 田輝. 頁巖中多元氣體競爭吸附特征研究現(xiàn)狀及展望[J]. 地球化學(xué), 2018, 47(3): 229–239.

Wang Xing, Tian Hui. Characteristics of competitive adsorption of multicomponent gaseson shales: Status and prospects[J]. Geochimica, 2018, 47(3): 229–239 (in Chinese with English abstract).

[14] 田忠斌, 魏書宏, 王建青, 李蓮英, 唐書恒, 李俊. 沁水盆地中東部海陸過渡相頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[J]. 煤炭學(xué)報, 2017, 42(7): 1818–1827.

Tian Zhong-bin, Wei Shu-hong, Wang Jian-qing, Li Lian-ying, Tang Shu-heng, Li Jun. Characteristics of micro-scale pore structures of marine-continental transitional shale from the mid-eastern area, Qinshui Basin[J]. J China Coal Soc, 2017, 42(7): 1818–1827 (in Chinese with English abstract).

[15] 李賢慶, 王哲, 郭曼, 張吉振, 祁帥, 周寶剛, 張偉. 黔北地區(qū)下古生界頁巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, 45(6): 1156–1167.

Li Xian-qing, Wang Zhe, Guo Man, Zhang Ji-zhen, Qi Shuai, Zhou Bao-gang, Zhang Wei. Pore structure characteristics of the Lower Paleozoic formation shale has reservoir in northern Guizhou[J]. J China Univ Mining Technol, 2016, 45(6): 1156– 1167 (in Chinese with English abstract).

[16] 茍啟洋, 徐尚, 郝芳, 陸揚博, 張愛華, 王雨軒, 程璇, 青加偉. 納米CT頁巖孔隙結(jié)構(gòu)表征方法研究——以JY-1井為例[J]. 石油學(xué)報, 2018, 39(11): 1253–1261.

Gou Qi-yang, Xu Shang, Hao Fang, Lu Yang-bo, Zhang Ai-hua, Wang Yu-xuan, Cheng Xuan, Qing Jia-wei. Characterization method of shale pore structure based on nano-CT: A case study of Well JY-1[J]. Acta Pet Sinica, 2018, 39(11): 1253–1261 (in Chinese with English abstract).

[17] Ross D J K, Bustin R M. The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs[J]. Mar Pet Geol, 2009, 26(6): 916–927.

[18] Loucks R G, Reed R M, Ruppel S C, Hammes U. Spectrum of pore types and networks in mudrocks and a descriptive classi?cation for matrix–related mudrock pores[J]. AAPG Bulletin, 2012, 96(6): 1071–1098.

[19] Clarkson C R, Solano N, Bustin R M, Bustin A M M, Chalmers G, He L, Melnichenko Y B, Radlinski A P, Blach T P. Pore structure characterization of North American shale gas reservoirsusing USANS/SANS, gas adsorption, and mercury intrusion[J]. Fuel, 2013, 103: 606–616.

[20] Milliken K L, Rudnicki M, Awwiller D N, Milliken K L. Organic matter–hosted pore system, Marcellus Formation (Devonian), Pennsylvania[J]. AAPG Bulletin, 2013, 97(2): 177–200.

[21] Curtis M E, Sondergeld C H, Ambrose R J, Rai C S. Microstructural investigation of gas shales in two and three dimensions using nanometer–scale resolution imaging[J]. AAPG Bulletin, 2012, 96(4): 665–677.

[22] Chalmers G L, Bustin R M. On the effects of petrographic composition on coalbed methane sorption[J]. Int J Coal Geol, 2007, 69(4): 288–304.

[23] Chalmers G R L, Bustin R M. The organic matter distribution and methane capacity of the Lower Cretaceous strata of Northeastern British Columbia, Canada[J]. Int J Coal Geol, 2007, 70(1/3): 223–339.

[24] Bernard S, Wirth R, Schreiber A, Schulz H M, Horsfield B. Formation of nanoporous pyrobitumen residues during maturation of the Barnett Shale (Fort Worth Basin) [J]. Int J Coal Geol, 2012, 103: 3–11.

[25] Mastalerz M, He L L, Melnichenko Y B, Rupp J A. Porosity of coal and Shale: insights from gas adsorption and SANS/USANS techniques[J]. Energ Fuel, 2012, 26(8): 5109–5120.

[26] Mastalerz M, Schimmdmann A, Drobniak A, Chen Y Y. Porosity of Devonian and Mississippian New Albany Shale across a maturation gradient: Insights from organic petrology, gas adsorption, and mercury intrusion[J]. AAPG Bulletin, 2013, 97(10): 1621–1643.

[27] 沈瑞, 胡志明, 郭和坤, 姜柏材, 苗盛, 李武廣. 四川盆地長寧龍馬溪組頁巖賦存空間及含氣規(guī)律[J]. 巖性油氣藏, 2018, 30(5): 11–17.

Shen rui, Hu Zhi-ming, Guo He-kun, Jiang Bo-cai, Miao Sheng, Li Wu-guang. Storage space and gas content law of Longmaxi shale in Changning aera, Sichuan Basin[J]. Lithol Res, 2018, 30(5): 11–17 (in Chinese with English abstract).

[28] 王鵬, 耿安松, 吳亮亮, 方新焰. 基于NLDFT模型的渝東五峰組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及其儲氣意義[J]. 地球化學(xué), 2017, 46(6): 546–556.

Wang Peng, Geng An-song, Wu Liang-liang, Fang Xin-yan. Pore structure characteristics and gas storage significance of Wufeng Formation shale from eastern Chongqing, China, based on the NLDFT model[J]. Geochimica, 2017, 46(6): 546–556 (in Chinese with English abstract).

[29] 于炳松. 頁巖氣儲層的特殊性及其評價思路和內(nèi)容[J]. 地學(xué)前緣, 2012, 19(3): 252–258.

Yu Bing-song. Particularity of shale gas reservoir and its evaluation[J]. Earth Sci Front, 2012, 19(3): 252–258 (in Chinese with English abstract).

[30] 曾建, 賈望魯, 彭平安, 關(guān)成國, 周傳明, 袁訓(xùn)來. 皖南埃迪卡拉系藍田組頁巖的有機質(zhì)富集與孔隙發(fā)育特征[J]. 地球化學(xué), 2017, 46(2): 158–167.

Zeng Jian, Jia Wang-lu, Peng Ping-an, Guan Cheng-guo, Zhou Chuan-ming, Yuan Xun-lai. Characteristics of organic matter enrichment and pore development of the Ediacaran Lantian Formation shales from southern Anhui Province[J]. Geochimica, 2017, 46(2): 546–556 (in Chinese with English abstract).

[31] 侯宇光, 何生, 易積正, 張柏橋, 陳學(xué)輝, 王億, 張建坤, 程春陽. 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)對甲烷吸附能力的影響[J]. 石油勘探與開發(fā), 2014, 41(2): 248–256.

Hou Yu-guang, He Sheng, Yi Ji-zheng, Zhang Bo-qiao, Chen Xue-hui, Wang Yi, Zhang Jian-kun, Cheng Chun-yang. Effect of pore structure on methane sorption capacity of shales[J]. Pet Explor Develop, 2014, 41(2): 248–256.

[32] IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Physical chemistry division commission on colloid and surface chemistry, subcommittee on characterization of porous solids: Recommendations for the characterization of porous solids (Technical report) [J]. Pure Appl Chem, 1994, 66(8): 1739–1758.

[33] Loucks R G, Reed R M, Ruppel S C, Hammes U. Spectrum of pore types and networks in mudrocks and a descriptive classification for matrix–related mudrock pores[J]. AAPG Bulletin, 2012, 96(6): 1071–1098.

[34] 張吉振, 李賢慶, 劉洋, 蔡月琪, 王元, 牛海巖, 扈松林, 許霞. 川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣成藏條件及有利區(qū)分析[J]. 中國煤炭地質(zhì), 2014, 26(12): 1–6.

Zhang Ji-zhen, Li Xian-qing, Liu Yang, Cai Yue-qi, Wang Yuan, Niu Hai-yan, Hu Song-lin, Xu Xia. Longtan Formation shale gas reservoiring conditions and favorable region analysis in Southern Sichuan Area[J]. Coal Geol China, 2014, 26(8): 1–6 (in Chinese with English abstract).

[35] 張吉振, 李賢慶, 王元, 付慶華, 蔡月琪, 牛海巖. 海陸過渡相煤系頁巖氣成藏條件及儲層特征——以四川盆地南部龍?zhí)督M為例[J]. 煤炭學(xué)報, 2015, 40(8): 1871–1878.

Zhang Ji-zhen, Li Xian-qing, Wang Yuan, Fu Qing-hua, Cai Yue-qi, Niu Hai-yan. Accumulation conditions and reservoir characteristics of marine-terrigenous facies coal measures shale gas from Longtan Formation in South Sichuan Basin[J]. J China Coal Soc, 2015, 40(8): 1871–1878 (in Chinese with English abstract).

[36] 郭少斌, 付娟娟, 高丹, 李賀洋, 黃家國. 中國海陸交互相頁巖氣研究現(xiàn)狀與展望[J]. 石油實驗地質(zhì), 2015, 37(5): 535–540.

Guo Shao-bin, Fu Juan-juan, Gao Dan, Li He-yang, Huang Jia-guo. Research status and prospects for marine-continental shale gases in China[J]. Pet Geol Exp, 2015, 37(5): 535–540 (in Chinese with English abstract).

[37] 吳浩, 姚素平, 焦堃, 胡文瑄, 尹宏偉, 賈東. 下?lián)P子區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣勘探前景[J]. 煤炭學(xué)報, 2013, 38(5): 870–876.

Wu Hao, Yao Su-ping, Jiao Kun, Hu Wen-xuan, Yi Hong-Wei, Jia Dong. Shale-gas exploration prospect of Longtan Formation in the Lower Yangtze area of China[J]. J China Coal Soc, 2013, 38(5): 870–876 (in Chinese with English abstract).

[38] Wang Y, Zhu Y M, Chen S B, Li W. Characteristics of the nanoscale pore structure in northwestern Hunan shale gas reservoirs using ?eld emission scanning electron microscopy, high–pressure mercury intrusion, and gas adsorption[J]. Energ Fuel, 2014, 28(2): 945–955.

[39] Zhang Q, Pang Z L, Zhang J C, Li W, Jiang S. Qualitative and quantitative characterization of a transitional shale reservoir: A case study from the Upper Carboniferous Taiyuan shale in the eastern uplift of Liaohe Depression, China[J]. Mar Pet Geol, 2017, 80: 307–320.

[40] Sing K S W, Everett D H, Haul R A W, Moscou L, Pierotti R A, Rouquérol J, Siemieniewska T. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity[J]. Pure Appl Chem, 1985, 57(4): 603–619.

[41] Ji K, Guo S B, Hou B C. A logging calculation method for shale adsorbed gas content and its application[J]. J Pet Sci Eng, 2017, 150: 250–256.

[42] 姜振學(xué), 唐相路, 李卓, 黃何鑫, 楊佩佩, 楊瀟, 李衛(wèi)兵, 郝進. 川東南地區(qū)龍馬溪組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)全孔徑表征及其對含氣性的控制[J]. 地學(xué)前緣, 2016, 23(2): 126–134.

Jiang Zhen-xue, Tang Xiang-lu, Li Zhuo, Huang He-xin, Yang Pei-pei, Yang Xiao, Li Wei-bing, Hao Jin. The whole-aperture pore structure characteristics and its effect on gas content of the Longmaxi Formation shale in the southeastern Sichuan basin[J]. Earth Sci Front, 2016, 23(2): 126–134 (in Chinese with English abstract).

[43] 郭慧娟, 王香增, 張麗霞, 姜呈馥, 賈望魯, 彭平安, 雷裕紅, 羅曉容, 程明. 抽提前/后成熟頁巖對氮氣、二氧化碳的吸附特征及其對孔隙研究的意義[J]. 地球化學(xué), 2014, 43(4): 408–414.

Guo Hui-juan, Wang Xiang-zeng, Zhang Li-xia, Jiang Cheng-fu, Jia Wang-lu, Peng Ping-an, Lei Yu-hong, Luo Xiao-rong, Cheng Ming. Adsorption of N2and CO2on mature shales before and after extration and its implication for investigations of pore stuctures[J]. Geochimica, 2014, 43(4): 408–414 (in Chinese with English abstract).

[44] 張敏, 李賢慶, 張吉振, 李杰豪, 孫杰, 張學(xué)慶, 從剛石, 和鈺凱. 新疆阜康地區(qū)八道灣組煤系頁巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征[J]. 地球化學(xué), 2020, 49(1): 95–107.

Zhang Min, Li Xian-qing, Zhang Ji-zhen, Li Jie-hao, Sun Jie, Zhang Xue-qing, Cong Gang-shi, He Yu-kai. Pore structure characteristics of a shale gas reservoir from coal measures in the Badaowan Formation, Fukang area of the Xinjiang Uygur Autonomous Region[J]. Geochimica, 2020, 49(1): 95–107 (in Chinese with English abstract).

Pore structure characteristics of a marine-continental coal-bearing shale reservoir and its effect on the shale gas-containing property

ZHANG Ji-zhen1,2,3, LI Xian-qing1,4*, ZOU Xiao-yan1,4, XIE Zeng-ye5, ZHANG Xue-qing1,4, LI Yang-yang1,4and WANG Fei-yu6,7

1. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources, Ministry of Education, Yangtze University, Wuhan 430100, China;3. College of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China; 4. College of Geosciences and Surveying Engineering, China University of Technology (Beijing), Beijing 100083, China;5. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Langfang 065007, China; 6. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China;7. College of Geosciences, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China

In this study, using Upper Permian Longtan shale as an example, shale pore morphology was qualitativelyobserved by FE-SEM, and the full-scale pore structure characteristics were quantitatively characterized by combining the high-pressure mercury injection test, N2, and CO2gas adsorption-desorption experiments. The impacts of these characteristics on the shale gas content were also clarified. The results indicated that the matrix pores were well developed including interparticle pores, intraparticle pores, and organic matter pores, whereas the microfractures in the Longtan shale were less developed than those in marine shales. Flat slits, slit pores, and ink-bottle pores with good open features were mainly developed in the Longtan shale. The pore volume distribution curves of full-scale pores presented a polarized distribution, thereby indicating that the pores with diameter ranges of <30 nm and >5 m were well developed. The contribution rate of macropores (>50 nm), mesopores (2–50 nm), and micropores (<2 nm) to the total pore volume decreased successively, accounting for 42.2%, 36.3%, and 21.4%, respectively. As the pore diameter increased, the pore specific surface area decreased. The micropores with a diameter smaller than 8 nm had a large contribution rate to the total pore specific surface area. The contribution rate of the pore specific surface area of micropores, mesopores, and macropores to the total pore specific surface area decreased successively, accounting for 72.7%, 25.0%, and 2.3%, respectively. The total gas content of the Longtan shale ranged from 2.61 m3/t to 6.02 m3/t. The adsorption gas content was predominant (1.88–4.70 m3/t), which dominated the specific surface area, followed by the free gas content of 0.60–1.34 m3/t, which was affected by pore volume and enriched in macropores.

marine-continental; coal-bearing shale; pore structure; shale gas content; Longtan Formation; Sichuan basin

P593; P618.11

A

0379-1726(2021)05-0478-14

10.19700/j.0379-1726.2021.05.004

2019-11-20;

2020-04-18;

2020-04-22

國家自然科學(xué)基金(U1810201, 41572125); 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2012CB214702); 湖北省科技廳自然科學(xué)基金(2020CFB370); 湖北省教育廳科研計劃(Q20201310)

張吉振(1991–), 男, 講師, 礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)。E-mail: ZJZcumtb@126.com

通訊作者(Corresponding author):LI Xian-qing, E-mail: Lixq@cumtb.edu.cn; Tel: +86-10-62331854-8131