過渡相頁巖氣儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙發(fā)育特征與影響因素
——以太原西山古交地區(qū)山西組為例

趙迪斐， 郭英海， 任呈瑤， 李艷芳

( 1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2. 中國(guó)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 221008； 3. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023； 4. 中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126 )

0 引言

頁巖氣作為非常規(guī)油氣的重要類型，其儲(chǔ)集空間主要發(fā)育在納米尺度、孔隙類型與成因復(fù)雜[1-3]，具有低孔低滲、自生自儲(chǔ)的典型特征[4]，可以賦存在海相、陸相及過渡相頁巖層系中[5-6]。不同類型頁巖儲(chǔ)層發(fā)育不同的沉積構(gòu)造、微觀結(jié)構(gòu)與孔隙類型，對(duì)頁巖儲(chǔ)層物性、含氣性影響顯著[6-8]。相比于中國(guó)海相頁巖氣相關(guān)地質(zhì)研究成果[8-13]，過渡相頁巖氣地質(zhì)理論與頁巖氣儲(chǔ)層特征研究還處于起步階段[14-16]。

隨著頁巖氣研究和勘探開發(fā)的深入，“三氣(煤層氣、頁巖氣、致密氣) ”協(xié)同探采的研究逐漸得到學(xué)界與工業(yè)界重視，開展煤系煤層氣、頁巖氣與致密氣的地質(zhì)理論研究，探討“三氣”賦存的地質(zhì)特征與共探共采的可行性，在商業(yè)化開發(fā)上也取得一定突破[17-19]。中國(guó)“三氣”主要賦存在過渡相含煤層序中，相比于煤系過渡相層系中的煤儲(chǔ)層與砂巖儲(chǔ)層，煤系過渡相頁巖儲(chǔ)層研究成果相對(duì)較少。

孔隙發(fā)育特征影響頁巖氣在儲(chǔ)層中的賦存方式、運(yùn)移方式與效率，是頁巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)研究的關(guān)鍵[2,20]，孔隙非均質(zhì)性影響儲(chǔ)層的物性、含氣性分布及儲(chǔ)層品質(zhì)優(yōu)劣[21]。人們對(duì)過渡相頁巖儲(chǔ)層發(fā)育特征開展研究[5,14-19]，但煤系過渡相頁巖儲(chǔ)層的納米孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、非均質(zhì)性、孔隙量化評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層發(fā)育的影響因素等研究相對(duì)缺乏[21-23]。探究過渡相頁巖儲(chǔ)層孔隙納米尺度的結(jié)構(gòu)特征，總結(jié)微觀孔隙的發(fā)育類型與分類，評(píng)價(jià)過渡相頁巖的非均質(zhì)性，可為過渡相頁巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)與優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。筆者利用氬離子拋光—場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、高壓壓汞、低溫氮吸附和X線衍射等實(shí)驗(yàn)，結(jié)合Image Processing及相關(guān)性分析等方法，以太原西山古交礦區(qū)山西組的代表性煤系過渡相頁巖鉆孔樣品為例，研究?jī)?chǔ)層納米孔發(fā)育類型和特征，總結(jié)孔隙的系統(tǒng)分類、類型特征與非均質(zhì)性，討論孔隙發(fā)育的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與測(cè)試方法

1.1 地質(zhì)背景與測(cè)試樣品

古交礦區(qū)位于太原西山煤田西北端，東、南分別與西山礦區(qū)和清交礦區(qū)相接，西北和東北為煤層露頭。研究區(qū)在大地構(gòu)造位置上處于祁呂弧型構(gòu)造的東翼外帶部位，構(gòu)造單元處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)山西斷隆的中部，北部與盂縣—陽曲東西褶斷帶相鄰，東南部與太原盆地及沁水坳陷為鄰，西側(cè)是呂梁隆起。

研究區(qū)的主要地層包括上石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、下二疊統(tǒng)下石盒子組與上二疊統(tǒng)上石盒子組。太原組和山西組為該區(qū)主要含煤地層，其中下二疊統(tǒng)山西組(P1s)厚度為30～70 m，與下伏的太原組呈整合接觸。 早二疊世晚期，華北地臺(tái)北部陰山隆起不斷上升，研究區(qū)處于海退的陸表海背景，海水向東南方向退去，形成由礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤組成的山西組地層，整體粒度向上變細(xì)。山西組沉積主要發(fā)生在三角洲平原、三角洲前緣的沉積環(huán)境下，沉積期間發(fā)育3次水進(jìn)事件，總體上為一套海陸交互相地層[24]。

山西組泥頁巖的礦物成分與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。由表1可知，測(cè)試樣品主要礦物組分包括黏土礦物、石英、斜長(zhǎng)石、菱鐵礦等，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于21.00%～60.00%，黏土礦物的主要類型包括高嶺石、綠泥石、伊利石、伊/蒙混層，所占比例分別為25%、7%、55%、12%；石英礦物是最主要的脆性礦物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于30.00%～70.00%；斜長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為4.20%；菱鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5.00%左右?？傆袡C(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試顯示，儲(chǔ)層樣品有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.00%左右。

表1 山西組泥頁巖的礦物成分特征與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 測(cè)試方法

結(jié)合定性描述與定量測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究頁巖儲(chǔ)層孔隙，主要包括氬離子拋光—場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，以及用于頁巖儲(chǔ)層物質(zhì)成分測(cè)試的X線衍射、TOC測(cè)試等。

氬離子拋光—場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)試儀為Helios Nanolab 600i聚焦離子電子雙束顯微鏡，以及S-4700冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。通過氬離子束截面制備無損傷的樣品拋光表面，并進(jìn)行表面噴金處理；利用具有超高分辨率的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行圖像成像觀測(cè)，成像精度可達(dá)10 nm。實(shí)驗(yàn)前，采用獨(dú)立氬激光離子束轟擊樣品表面，獲得面積約為2 mm2的拋光面，表面噴金處理形成連續(xù)導(dǎo)體。

利用低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)可以測(cè)試頁巖儲(chǔ)層的微納米級(jí)孔隙，使用Autosorb-1型比表面積及孔徑測(cè)定儀。實(shí)驗(yàn)采用等溫物理吸附靜態(tài)容積法測(cè)試，最小可分辨相對(duì)壓力為2.6×10-7(N2)；測(cè)試比表面積≥0.5×10-3m2/g；測(cè)試孔徑范圍為0.35～500.00 nm；測(cè)試孔體積<0.1×10-3mL/g。吸附氣體前，對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，97 ℃溫度下脫氣5 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 孔隙發(fā)育成因與類型

微納米孔隙構(gòu)成頁巖氣儲(chǔ)集賦存的主要空間[4-11]。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，觀察孔隙結(jié)構(gòu)特征、類型、成因，孔隙類型可分為有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土礦物孔隙、骨架礦物孔隙與微裂隙，每種孔隙包含多種次級(jí)成因—形貌類型。

2.1.1 有機(jī)質(zhì)孔隙

在較高熱演化程度的海相頁巖儲(chǔ)層中，有機(jī)納米孔是氣體吸附的主要微觀儲(chǔ)集空間[25]。在過渡相頁巖樣品中，有機(jī)質(zhì)孔隙類型主要包括有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)部的生烴孔隙、有機(jī)質(zhì)與其他組分接觸位置發(fā)育的周緣孔隙，以及少量的原始有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)孔隙(見圖1)。有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的熱成因孔隙在某些有機(jī)質(zhì)內(nèi)不發(fā)育，而在部分有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)可發(fā)育為熱成因氣孔群(見圖1(a))，呈圓孔狀或橢圓孔狀，孔徑主要分布在10～500 nm之間；原始有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)孔隙(見圖1(b))發(fā)育數(shù)量較少，孔隙發(fā)育于內(nèi)部或周緣，但孔隙形貌呈直角邊狀或更為復(fù)雜；有的有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙不發(fā)育，可能與有機(jī)質(zhì)類型有關(guān)(見圖1(c))；周緣孔隙發(fā)育于有機(jī)質(zhì)與其他組分的接觸力學(xué)薄弱面，在樣品中較為發(fā)育(見圖1(d))，以縫狀、條帶狀、不規(guī)則狀居多，孔徑不一。

圖1 研究區(qū)有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育類型與特征Fig.1 The development type and characteristics of organic pores in the study area

2.1.2 黏土礦物孔隙

測(cè)試樣品黏土礦物孔隙較為發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可分為黏土礦物片狀晶間孔隙、黏土礦物集合體內(nèi)部孔隙、黏土礦物及集合體周緣孔隙等(見圖(2))。不同類型黏土礦物孔隙的孔徑差異較大，形貌以晶間片狀、縫狀、線狀為主(見圖2(a))，縫狀孔隙的張開間距一般介于10～600 nm，小的形成微裂隙，大的構(gòu)成微裂縫，偶見堆疊狀孔隙發(fā)育(見圖2(b))，也見幾何狀或不規(guī)則狀孔隙發(fā)育(見圖2(c-d))，可觀測(cè)到黏土礦物充填其他孔隙的現(xiàn)象(見圖2(c))，黏土礦物集合體周緣孔隙等也可構(gòu)成微裂隙網(wǎng)絡(luò)(見圖2(a-b、d))，對(duì)改善儲(chǔ)層滲流能力有積極作用[26]。

2.1.3 骨架礦物孔隙

測(cè)試樣品中的骨架礦物主要包括礦物粒內(nèi)原始結(jié)構(gòu)孔隙、粒內(nèi)溶蝕孔隙、周緣溶蝕孔隙、周緣接觸孔隙、殘余原生粒間孔隙等，以溶蝕成因孔隙最為發(fā)育，殘余原生粒間孔隙發(fā)育相對(duì)較少。

圖2 研究區(qū)黏土礦物孔隙發(fā)育特征Fig.2 The characteristics of clay mineral related pores in the study area

粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙主要是礦物的原始晶體結(jié)構(gòu)缺陷、包裹體等形成的粒內(nèi)孔隙，連通性不佳，儲(chǔ)集意義相對(duì)較弱。在石英、長(zhǎng)石等礦物中的粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙發(fā)育(見圖3)。由圖3可知，石英粒內(nèi)孔隙(見圖3(a))孔徑介于20 nm～2 μm，形貌為圓孔狀(包裹體)或多邊形狀(結(jié)構(gòu)缺陷)；磷酸鹽礦物粒內(nèi)孔隙(見圖3(b))孔徑介于15～100 nm；長(zhǎng)石溶蝕孔隙(見圖3(c))礦物周緣及解理縫受到溶蝕而形成納米—微米級(jí)孔隙；石英礦物周緣孔隙(見圖3(d))為溶蝕作用造成的，空間內(nèi)發(fā)育少量自生黏土礦物。

2.1.4 微裂隙

微裂隙構(gòu)成頁巖儲(chǔ)層納米級(jí)儲(chǔ)集空間與裂縫網(wǎng)絡(luò)間的滲流通道，對(duì)低孔低滲的頁巖儲(chǔ)層具有重要連通作用[26-28]。觀測(cè)樣品微裂隙發(fā)育(見圖4)：有機(jī)質(zhì)周緣(見圖4(a))、黏土礦物集合體周緣(見圖4(b))、骨架礦物周緣(見圖4(c))等是微裂隙較為發(fā)育的位置；黏土礦物集合體內(nèi)部(見圖4(d))及部分礦物內(nèi)部(見圖4(c))也發(fā)育微裂隙，是受破裂作用影響而形成的，形貌較平直，不同物質(zhì)成分間的微裂隙形貌顯著受礦物及有機(jī)質(zhì)邊緣形貌約束，更為復(fù)雜。微裂隙間距在20～300 nm之間，長(zhǎng)度處于微米尺度。

2.2 納米孔結(jié)構(gòu)特征

頁巖儲(chǔ)層孔隙主要處于納米量級(jí)，采用低溫氮?dú)馕郊夹g(shù)可測(cè)試頁巖納米級(jí)孔隙的發(fā)育特征[28]。頁巖孔隙孔徑分布特征見圖5，測(cè)試樣品的低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，樣品比表面積的計(jì)算采用BET模型，孔徑分布采用BJH模型[29]。由表2可知，頁巖儲(chǔ)層BET比表面積介于3.788 0～7.783 5 m2/g，平均為5.956 2 m2/g，遠(yuǎn)小于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層的[30]；孔隙直徑介于11.000 0～16.000 0 nm，平均為13.000 0 nm，反映孔隙的發(fā)育主體為2.000 0～50.000 0 nm之間的中孔；孔體積介于(1.134 8～1.694 8)×10-2cm3/g，平均為1.474 1×10-2cm3/g。

圖3 研究區(qū)骨架礦物孔隙發(fā)育類型與特征

圖4 研究區(qū)典型微裂隙發(fā)育特征Fig.4 The characteristics of typical macrofractures in the study area

圖5 低溫氮?dú)馕巾搸r孔體積與孔徑分布曲線Fig.5 The pore size distuibution of tested shale samples using low temperature nitrogen adsorption

9個(gè)頁巖樣品的液氮吸附與解吸曲線見圖6。由圖6可知，樣品吸附曲線整體呈反S型，與等溫吸附曲線BET分類的Ⅱ型最為接近，樣品吸附曲線形態(tài)可反映孔隙的形貌特征，與國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)提供的Ⅳ型等溫吸附曲線[31]最為接近，兼具多種形貌曲線的特征，說明孔隙發(fā)育特征的復(fù)雜性，即板狀、片狀、墨水瓶狀、不規(guī)則狀等不同形貌的孔隙均有發(fā)育。樣品等溫吸附曲線經(jīng)歷單分子層吸附、多分子層吸附及毛細(xì)孔凝聚3個(gè)階段：在低壓階段(0

表2 研究區(qū)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6 測(cè)試頁巖樣品的液氮吸附與解吸曲線Fig.6 Adsorpotion-desorption isotherms of tested samples using nitrogen gas

3 討論

3.1 過渡相頁巖的孔隙成因—形貌分類

基于物質(zhì)成分的孔隙分類方案可用于評(píng)價(jià)儲(chǔ)層組分相關(guān)孔隙，并界定它在儲(chǔ)層孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的作用和位置[32]?？偨Y(jié)測(cè)試樣品的主要孔隙類型，建立過渡相頁巖儲(chǔ)層的孔隙成因—形貌分類(見圖7)。頁巖微觀儲(chǔ)集空間可劃分為基質(zhì)孔隙與微裂隙兩類，基于孔隙發(fā)育的物質(zhì)成因，進(jìn)一步劃分為有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土礦物孔隙和骨架礦物孔隙3個(gè)亞類及多個(gè)子類。有機(jī)質(zhì)孔隙是儲(chǔ)層中較為發(fā)育的孔隙類型，包含氣孔和周緣孔，氣孔往往形成氣孔群，是納米級(jí)儲(chǔ)集空間的重要類型，周緣孔也具有一定發(fā)育程度；黏土礦物孔隙也是發(fā)育的主要類型，發(fā)育空間尺度處于納米量級(jí)；骨架礦物孔隙包含骨架礦物粒內(nèi)孔、周緣溶蝕孔、周緣接觸孔、粒間孔等?；诎l(fā)育的空間位置及物質(zhì)成分，微裂隙進(jìn)一步劃分為有機(jī)質(zhì)周緣、黏土礦物周緣、骨架礦物周緣或內(nèi)部、骨架礦物顆粒內(nèi)等。

圖7 研究區(qū)過渡相頁巖儲(chǔ)層孔隙的主要類型Fig.7 The main pore types of transitional shale reservoir in the study area

在這些孔隙中，發(fā)育在納米尺度的孔隙類型主要為有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物孔隙，是儲(chǔ)層中主要的吸附儲(chǔ)集空間；部分骨架礦物孔隙和微裂隙發(fā)育在微米尺度，有利于改善儲(chǔ)層滲流能力。與南方海相龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層孔隙[28]相比，研究區(qū)樣品有機(jī)質(zhì)納米孔發(fā)育程度相對(duì)較低，黏土礦物孔隙發(fā)育程度更高，骨架礦物孔隙發(fā)育孔徑更大。

3.2 孔隙分類量化評(píng)價(jià)

頁巖儲(chǔ)層孔隙的研究從定性認(rèn)知向定量化、專門化表征評(píng)價(jià)方向發(fā)展，對(duì)不同類型孔隙形貌特征與發(fā)育程度的研究，有助于加深對(duì)頁巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成發(fā)育機(jī)理、儲(chǔ)層含氣性與物性控制影響因素的認(rèn)識(shí)[2]。在對(duì)頁巖儲(chǔ)層樣品觀測(cè)分析的基礎(chǔ)上，利用場(chǎng)發(fā)射電鏡圖像的Image Processing技術(shù)，通過對(duì)不同類型孔隙的分類識(shí)別、圖像二值化處理、孔隙信息提取與信息綜合分析，獲得介質(zhì)測(cè)試技術(shù)與定性觀測(cè)無法獲得的不同類型孔隙的評(píng)價(jià)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同成因類型孔隙的定量表征(見圖8)。

圖8 基于Image Processing技術(shù)的過渡相頁巖儲(chǔ)層孔隙分類量化評(píng)價(jià)

Image Processing技術(shù)處理結(jié)果顯示，不同成因類型孔隙形貌特征與孔徑分布差異較大，有機(jī)質(zhì)納米孔的發(fā)育孔徑主要分布于10.0 nm～0.8 μm，大部分發(fā)育在300.0 nm以下(見圖8(a-b))；黏土礦物孔隙相對(duì)細(xì)小，黏土礦物晶間孔孔徑分布主要介于10.0～150.0 nm(見圖8(c-d))；有機(jī)質(zhì)孔隙與黏土礦物孔隙的孔徑分布可很好對(duì)應(yīng)液氮測(cè)試反映的納米級(jí)孔隙分布峰值(見圖8(a-d))。骨架礦物孔隙發(fā)育尺度差異大，一般孔徑較大，孔徑主要分布于0.5～5.0 μm，如溶蝕孔隙與礦物周緣孔隙(見圖8(e-f))；微裂隙一般張開間距較小，但長(zhǎng)軸可延伸達(dá)幾十微米(見圖8(c-d))。

提取量化參數(shù)，對(duì)不同類型儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育比例進(jìn)行評(píng)價(jià)，在綜合處理400余張場(chǎng)發(fā)射電鏡圖件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)山西組過渡相頁巖儲(chǔ)層的孔隙量化評(píng)價(jià)。山西組過渡相頁巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)孔隙占微觀儲(chǔ)集空間比例約為22.4%，黏土礦物孔隙發(fā)育比例約為44.0%，骨架礦物孔隙發(fā)育比例約為27.2%，微裂隙發(fā)育比例約為6.4%。黏土礦物孔隙孔徑細(xì)小，貢獻(xiàn)最大比例的微觀吸附點(diǎn)位與儲(chǔ)集空間；骨架礦物孔隙次之，對(duì)應(yīng)發(fā)育孔徑相對(duì)較大，有助于儲(chǔ)層微觀滲流能力的增強(qiáng)和游離氣儲(chǔ)集孔隙的增加；有機(jī)質(zhì)孔隙所占比例與骨架礦物孔隙的相當(dāng)，但孔徑更為細(xì)小，加之有機(jī)質(zhì)本身的親氣性，具有更強(qiáng)的吸附能力；微裂隙發(fā)育所占比例較少，但對(duì)儲(chǔ)層納米級(jí)儲(chǔ)集空間中氣體的釋放具有橋梁作用。

3.3 孔隙非均質(zhì)性特征與定量評(píng)價(jià)

非均質(zhì)性是頁巖儲(chǔ)層的重要特性，是儲(chǔ)層物性、含氣性的關(guān)鍵影響因素之一[33-35]。過渡相頁巖儲(chǔ)層孔隙具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性[17]，根據(jù)圖像觀測(cè)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，孔隙發(fā)育的非均質(zhì)特征主要表現(xiàn)在：

(1)儲(chǔ)層孔隙類型復(fù)雜、形貌特征各異、成因多樣，不同成因類型的孔隙主要孔徑區(qū)間、吸附能力、滲流能力差異顯著；

(2)孔徑分布不均一，平均孔徑僅為13 nm，主要儲(chǔ)集空間發(fā)育在納米尺度，比表面積巨大，提供豐富的吸附點(diǎn)位；

(3)微裂隙發(fā)育程度不一，在脆性礦物富集處發(fā)育程度更好，易于形成微裂隙網(wǎng)絡(luò)，有機(jī)質(zhì)周緣、黏土礦物周緣、骨架礦物周緣也有發(fā)育，對(duì)滲流導(dǎo)通的貢獻(xiàn)不一致；

(4)由于過渡相頁巖儲(chǔ)層物質(zhì)成分在橫向、縱向上變化顯著，以儲(chǔ)層成分為基礎(chǔ)的孔隙在孔隙類型、發(fā)育程度、孔徑、連通性等方面也表現(xiàn)出巨大差異。

多孔介質(zhì)普遍具有自相似性，利用分形模型可定量評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育的非均質(zhì)程度[21,33,36]。頁巖等溫吸附曲線具有顯著的吸附曲線，取相對(duì)壓力在0.25以上、氮?dú)鈱?duì)應(yīng)毛細(xì)凝聚區(qū)域的吸附數(shù)據(jù)，利用低溫氮?dú)馕綌?shù)據(jù)建立FHH分形模型，液氮吸附的分形維數(shù)公式[37]為

D=3+S,

(1)

式中：D為多孔材料表面分形維數(shù)，介于2～3；S為以lnV對(duì)ln(ln(p0/p))作圖獲得的直線斜率，V為對(duì)應(yīng)相對(duì)壓力下的吸附體積。

典型的FHH分形模型擬合曲線見圖9，分形分維參數(shù)見表3。由圖9和表3可知，頁巖樣品具有顯著的分形特征，分形分維值介于2.594 4～2.715 5。在多孔介質(zhì)中，分維值為3.000 0時(shí)，一般對(duì)應(yīng)完全體積充填；分維值為2.000 0時(shí)，表示完全平滑的表面；分維值越接近3.000 0，表示樣品孔隙空間展布越復(fù)雜，非均質(zhì)性越強(qiáng)[38]。測(cè)試樣品分維值平均近2.700 0，顯示頁巖樣品具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性特征，非均質(zhì)程度略小于四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層的[21]。

圖9 部分樣品的FHH分形模型擬合曲線Fig.9 Fractal analysis curve using FHH fractal model of typical samples

樣品編號(hào)擬合公式相關(guān)因數(shù)分維值S1y=-0.323 7x+0.456 60.991 82.676 3S3y=-0.290 1x+1.043 80.992 82.709 9S7y=-0.292 6x+1.016 20.988 62.707 4S8y=-0.298 2x+0.799 60.991 02.701 8S9y=-0.341 3x+0.419 60.994 82.658 7S11y=-0.405 6x+0.332 60.993 32.594 4S12y=-0.284 5x+1.022 70.985 42.715 5S13y=-0.304 3x+0.962 60.986 22.695 7S15y=-0.332 6x+0.567 30.994 32.667 4

3.4 孔隙影響因素

頁巖微觀孔隙在成因上受到物質(zhì)成分的控制影響，即礦物組分(石英、長(zhǎng)石及黏土礦物) 和有機(jī)質(zhì)[17,39-40]；各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間也存在相關(guān)關(guān)系[41]。過渡相頁巖孔隙發(fā)育控制因素研究表明，石英、有機(jī)質(zhì)對(duì)孔隙發(fā)育程度具有正相關(guān)關(guān)系，而黏土礦物為負(fù)相關(guān)關(guān)系[17]，與海相頁巖具有一定差異。

在各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間，孔隙平均孔徑與BET比表面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖10(a))，說明孔徑增大，比表面積減小；總孔體積與BET比表面積間為正相關(guān)關(guān)系(見圖10(b))，說明在測(cè)試范圍內(nèi)，隨總孔體積增加，BET 比表面積顯著增加；孔隙直徑與總孔體積線性相關(guān)關(guān)系不顯著(見圖10(c))。總孔體積反映孔隙的發(fā)育程度，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總孔體積呈微弱的正相關(guān)關(guān)系(見圖10(d))，說明TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多對(duì)孔隙的貢獻(xiàn)程度有限；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總孔體積呈正相關(guān)關(guān)系(見圖10(e))，說明石英礦物對(duì)孔隙有顯著貢獻(xiàn)，與過渡相頁巖石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)貢獻(xiàn)較大的結(jié)論一致[17]；黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總孔體積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖10(f))，說明黏土礦物不利于儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育，可能與黏土礦物孔隙對(duì)壓實(shí)作用響應(yīng)敏感有關(guān)[42]。

圖10 頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征的控制因素Fig.10 The control factors of pore structure development characteristics in shale reservoir

平均孔徑是影響儲(chǔ)層滲流能力和孔隙連通性的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平均孔徑的線性關(guān)系不顯著(見圖10(g))，說明在過渡相頁巖中，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不是平均孔徑的主要影響因素，與海相頁巖有顯著差異，在龍馬溪組等南方海相頁巖儲(chǔ)層中，由于有機(jī)質(zhì)納米孔發(fā)育程度極高，儲(chǔ)層孔徑受到有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著影響；平均孔徑與石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線性關(guān)系復(fù)雜，相關(guān)關(guān)系不顯著(見圖10(h))；平均孔徑與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈弱正線性相關(guān)關(guān)系(見圖10(i))。

4 沉積環(huán)境與成巖作用

沉積環(huán)境為頁巖儲(chǔ)層的物質(zhì)成分提供基礎(chǔ)，成巖作用進(jìn)一步改造儲(chǔ)層，沉積環(huán)境與儲(chǔ)層成巖作用共同影響、控制頁巖儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育，進(jìn)而影響優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布及儲(chǔ)層的物性、含氣性[43-44]。古交地區(qū)山西組煤系頁巖層系發(fā)育一套頁巖氣與煤層氣的復(fù)合含氣系統(tǒng)[45-46]，沉積期內(nèi)，研究區(qū)山西組沉積于淺水三角洲沉積體系(見圖11)，主要為三角洲平原亞相與前緣亞相復(fù)合含氣系統(tǒng)，煤系主要發(fā)育于三角洲平原亞相，古交地區(qū)山西組可分為3個(gè)三級(jí)層序與8個(gè)體系域[46]。其中，層序SQ1分別以K3砂巖、4#煤頂板砂巖為底界、頂界，含LST、TST、HST三個(gè)體系域，低位體系域LST上覆太原組，沉積物主要是河道砂體，海侵體系域TST厚度較大而不穩(wěn)定，高位體系域HST相對(duì)穩(wěn)定；層序SQ2以2#煤頂板砂巖為頂界，含TST、HST兩個(gè)體系域，厚度較小，巖性含砂巖、泥巖、煤層，沉積于水下分流河道、分流間灣及泥炭沼澤微相；層序SQ3以K4砂巖為頂界，含LST、TST、HST三個(gè)體系域，LST為厚度較小的砂巖層，TST發(fā)育不穩(wěn)定，HST厚度較大，對(duì)應(yīng)沉積環(huán)境主要是分流河道及河道間洼地。

圖11 古交礦區(qū)頁-5鉆孔山西組沉積環(huán)境與層序柱狀圖

古交地區(qū)山西組垂向地層分布顯示，炭質(zhì)泥頁巖、富有機(jī)質(zhì)泥頁巖、黑色泥頁巖主要分布在淺水三角洲體系內(nèi)的泥炭沼澤、分流間灣、分流間洼地微相中；在泥炭沼澤與分流間洼地的沉積組合、泥炭沼澤與分流間灣的沉積組合中，可形成厚度較大的(含煤)頁巖層系，含煤頁巖層系生烴能力較強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)更高[45-46]。在層序地層結(jié)構(gòu)中，水進(jìn)體系域下形成的凝縮層是優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育的有利層位，可發(fā)育厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度較高的泥頁巖層；在復(fù)合含氣系統(tǒng)中，構(gòu)成厚度相對(duì)較大、滲透性相對(duì)更差的含氣系統(tǒng)邊界，高位體系域也發(fā)育一定厚度的泥頁巖層，主要沉積于過渡相環(huán)境下的潟湖—潮坪沉積組合及泥炭沼澤—分流間洼地沉積組合[45]。

沉積環(huán)境對(duì)頁巖儲(chǔ)層發(fā)育特征的控制，首先體現(xiàn)在對(duì)儲(chǔ)層物質(zhì)成分及其分布的控制[43]。研究區(qū)山西組沉積期處于亞熱帶地區(qū)，氣候適宜，植被繁茂，覆水泥炭沼澤、分流間洼地等微相中水體淤積，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富、有機(jī)質(zhì)迅速富集，可為頁巖提供豐富的有機(jī)質(zhì)來源，山西組頁巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.00%(見表1)。研究區(qū)頁巖儲(chǔ)層經(jīng)歷一定的熱演化與生烴過程，達(dá)到生氣窗[47]，有機(jī)質(zhì)熱成因孔隙開始發(fā)育演化，具有一定的有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育比例(見圖8)。過渡相頁巖受到海陸古地理?xiàng)l件的共同控制，水平面升降影響頁巖的沉積及發(fā)育位置，低位體系域中水平面相對(duì)較低，河流下切及挾砂充填作用影響顯著，不利于優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層的發(fā)育；水進(jìn)體系域中水平面顯著上升，在分流間灣及泥炭沼澤微相中發(fā)育一定厚度的泥頁巖儲(chǔ)層；高位體系域中水平面緩慢下降，但保持一定的發(fā)育泥頁巖儲(chǔ)層的能力。山西組沉積期后，水平面進(jìn)一步相對(duì)下降而使海水退出，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖沉積的發(fā)育受到抑制。

與龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層相比，山西組泥頁巖礦物成分有所區(qū)別，成巖作用演化程度、熱演化程度相對(duì)更淺[43]。山西組泥頁巖沉積位置處于海陸過渡環(huán)境，物質(zhì)成分易受陸源物質(zhì)的影響，過渡相環(huán)境中形成的菱鐵礦具有代表意義，黏土礦物中高嶺石等含量更高；龍馬溪組主要黏土礦物經(jīng)歷黏土礦物轉(zhuǎn)化作用而形成以伊利石—混層礦物為組合的礦物類型[44]。在薄片、電鏡觀測(cè)等方法的輔助下，顯示山西組泥頁巖儲(chǔ)層受到壓實(shí)作用、溶蝕作用、礦物轉(zhuǎn)化作用、有機(jī)質(zhì)生烴、自生礦物發(fā)育作用、破裂作用的顯著影響，塑性礦物的變形程度、定向性顯著差于龍馬溪組頁巖的(見圖2)，說明壓實(shí)作用具有一定的影響，造成黏土礦物等塑性礦物的形變與充填，使儲(chǔ)層孔隙性變差、滲透性減弱。在長(zhǎng)石等礦物內(nèi)部及周緣觀測(cè)到大量發(fā)育的溶蝕孔隙(見圖8(e-f))，是形成骨架礦物孔隙的主要發(fā)育機(jī)理之一，礦物周緣與其他組分接觸的力學(xué)薄弱面開裂是另一個(gè)重要的骨架礦物孔隙發(fā)育機(jī)理(見圖3)；有機(jī)質(zhì)內(nèi)部形成熱成因孔隙，顯示儲(chǔ)層經(jīng)歷一定的有機(jī)質(zhì)生烴作用，但有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育不均一，整體發(fā)育程度受限于熱演化程度，遠(yuǎn)小于龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層的(見圖1)；自生礦物如菱鐵礦、方解石充填等發(fā)育(見表1)，可封堵儲(chǔ)層內(nèi)部空間；黏土礦物轉(zhuǎn)化作用過程中形成的體積變化也是黏土礦物孔隙發(fā)育的重要機(jī)理；破裂作用有利于微裂隙的發(fā)育(見圖4(a-c))。

綜上所述，沉積環(huán)境與儲(chǔ)層成巖作用控制儲(chǔ)層物質(zhì)組分及其演化并影響儲(chǔ)層孔隙發(fā)育。水進(jìn)體系域下形成的凝縮層，以及高位體系域中的泥炭沼澤—分流間洼地、泥炭沼澤—分流間灣沉積組合是優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育的有利層位，在壓實(shí)作用、溶蝕作用、礦物轉(zhuǎn)化作用、有機(jī)質(zhì)生烴、自生礦物發(fā)育作用、破裂作用等儲(chǔ)層成巖作用的改造下，形成具有一定特殊性的過渡相頁巖儲(chǔ)層。

5 結(jié)論

(1)山西組過渡相頁巖儲(chǔ)層微觀儲(chǔ)集空間主要包括基質(zhì)孔隙與微裂隙，基質(zhì)孔隙包括有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土礦物孔隙和骨架礦物孔隙?；诳紫栋l(fā)育的物質(zhì)組分、成因、形貌特征，提出孔隙發(fā)育類型的分類方案；測(cè)試頁巖BET比表面積介于3.788 0～7.783 5 m2/g，平均為5.956 2 m2/g；孔隙以中孔為主，孔徑平均約為13 nm；孔體積介于(1.134 8～1.694 8)×10-2cm3/g，平均為1.474 1×10-2cm3/g；孔隙形態(tài)復(fù)雜，具板狀、片狀、墨水瓶狀等孔隙形貌特征，根據(jù)吸附曲線形貌分為結(jié)構(gòu)不同的A、B兩類。

(2)有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土礦物孔隙、骨架礦物孔隙及微裂隙占儲(chǔ)集空間比例分別為22.4%、44.0%、27.2%、6.4%；測(cè)試頁巖樣品孔隙在孔隙類型、成因、分布、孔徑發(fā)育區(qū)間等方面表現(xiàn)出非均質(zhì)特征，利用FHH分形模型定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙發(fā)育的非均質(zhì)程度，分維值平均約為2.700 0，表示非均質(zhì)程度較強(qiáng)、孔隙空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(3)物質(zhì)成分是孔隙發(fā)育的直接控制因素。在過渡相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)中，BET比表面積與平均孔徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與總孔體積呈正相關(guān)關(guān)系；總孔體積與石英、TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，平均孔徑與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈弱正相關(guān)關(guān)系，與TOC、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系復(fù)雜。

(4)沉積環(huán)境與儲(chǔ)層成巖作用控制儲(chǔ)層物質(zhì)組分及其演化并影響儲(chǔ)層孔隙發(fā)育。水進(jìn)體系域下形成的凝縮層，以及高位體系域中的泥炭沼澤—分流間洼地、泥炭沼澤—分流間灣沉積組合是優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育的有利層位，在壓實(shí)作用、溶蝕作用、礦物轉(zhuǎn)化作用、有機(jī)質(zhì)生烴、自生礦物發(fā)育作用、破裂作用等儲(chǔ)層成巖作用的改造下，形成具有一定特殊性的過渡相頁巖儲(chǔ)層。