沁水盆地海陆过渡相页岩储层微观孔隙特征及含气性特征

马如英，张健，王猛,3，马文鹏，赵健光

(1.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.陕西煤田地质项目管理咨询有限公司，陕西 铜川 727000；3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

页岩气是一种非常规连续气藏，是由热成因、生物成因或混合成因形成的天然气，主要以吸附态和游离态赋存于页岩(泥岩)中及其所夹碳酸盐岩中[1]。近年来，在页岩储层评价中，页岩的微观非均质性受到众多学者关注。基于试验手段，主要从有机质赋存特征和有机质孔隙发育特征；矿物组分含量和空间分布特征；微观孔隙类型、发育和连通性特征；页岩储层孔隙性和力学脆性受有机质、矿物的发育特征影响；页岩储层含气性和气体吸附性评价等方面展开研究[2-7]。此外，在数据提取上，T.B.B.Mandelbrot[8]提出的几何分形理论在描述复杂多孔介质方面取得了广泛的应用。不同学者应用image pro plus(IPP)分析页岩及煤中各孔隙类型时，指出各孔隙类型的非均质性较强，具有明显的分形特征[9-10]。

沁水盆地作为我国重要的聚煤盆地，经历了多期次的海侵海退，发育一套典型的以碎屑岩为主，夹有碳酸盐岩和煤层的海陆过渡相沉积地层。在沁水盆地的非常规天然气勘探中，发现几乎所有煤层气井都含有页岩气，且在某些致密砂岩中发现了工业气流[12]。17口井的测井资料显示，沁水盆地泥页岩主要发育在石炭-二叠系煤系地层中，页岩气资源较为丰富，且太原组是页岩气最有利勘探层位[12-15]，具有较大的勘探潜力。

目前，学者们已展开对沁水盆地页岩储层特征(组分和孔隙结构特征)和含气性特征的相关研究[14-17]，由于页岩储层的储集空间主要发育在纳米尺度上，受研究尺度和量化程度影响，研究页岩气储层微观非均质性仍处于起步阶段，因此，需要更加精细地表征页岩储层微观非均质性特征，进一步探讨页岩储层微观非均质性特征对页岩气赋存、富集、开采的影响。本文以沁水盆地石炭-二叠系山西组和太原组为研究对象，分析页岩储层有机地化特征和矿物成分特征，基于SEM描述各孔隙类型的分形特征，通过高压压汞和低温氮吸附试验，表征页岩孔隙结构特征并探讨影响孔隙结构发育的因素。在此基础上，讨论了组成页岩储层物质成分特征和孔隙结构特征对储层含气性的影响机理，以期为沁水盆地海陆过渡相页岩气的研究和勘探提供一定的理论参考。

1 研究区概况

沁水盆地处于我国山西省东南部，形成于华北古生界基底之上的一个次级构造单元。在加里东时期，经历隆生→剥蚀→夷平→准平原化作用，为沉积成岩作用奠定了良好的条件。在石炭-二叠纪，盆地内广泛发育海陆过渡相煤系页岩地层，其中煤系页岩主要以山西组和太原组为主，太原组发育一套潮汐三角洲、障壁岛和碳酸盐岩沉积体系，山西组为一套河控三角洲沉积地层，岩性主要为泥岩、含粉砂泥岩、细粒砂岩和碳酸盐岩等。在二叠纪晚期—三叠纪发生大规模的沉降运动，使区内大规模煤系页岩得以封存、保留。盆地内构造稳定，主要以开阔的短褶皱为主，幅度和面积较小；断裂不发育，主要集中于盆地边缘，以东为太行山隆起，以西为霍山隆起(图1)。因而从沉积到构造活动，均有利于页岩气的富集成藏。

图1 研究区构造纲要图(文献[11])及采样点层序柱状图

2 样品与试验

在本次研究中，岩石样品均采自沁水盆地石炭-二叠纪地层，共采集53块岩样(山西组13块，太原组40块)，岩性多为泥岩、砂岩和粉砂岩。各项试验严格按照国家标准和试验要求进行相关测试分析。其中有机碳含量和岩石热解分析依据国家标准GB/T19145-2003和GB/T18602-2012，使用CS-800O和G-2000V仪进行试验；干酪根类型和镜质组反射率分析依据标准SY/T5125-1996和SY/T5124-1995，仪器为Leica DM4500p；依据标准SY/T5163-2010，使用日本理学SmartLab对全岩和黏土矿物X射线衍射试验；扫描电镜依据标准SY/T5162-1997，采用Tescan/OXFORD型扫描电镜进行镜下观察。压汞试验应用Quantchorme poremaster仪，依据国家标准GB/T21650.1-2008在30 ℃进行测试，试验前将样品制成1 cm3的小块，在70～80 ℃下干燥12 h，试验中，最大进汞压力为413 MPa；低温氮吸附试验是依据国家标准GB/T21650.3-2011，仪器为V-Sorb 2800TP等温吸附仪，试验前，样品需制成60～80目的颗粒，在-196 ℃下进行抽真空预处理3 h；甲烷等温吸附试验依据国家标准GB/T19560-2008，应用ISO-300等温吸附仪，在30 ℃条件下，油浴锅温度控制精度0.1 ℃，压力测量精度0.689 5 kPa下进行试验；含气量检测依据国家标准GB/T19559-2008，仪器为HT-WB12恒温水浴解吸箱和解吸罐。

3 结 果

3.1 源岩有机地球化学参数

页岩储层集源、储、盖为一体，储层内气藏为连续型，有机地球化学参数作为储层评价的重要指标，不仅是评价储层生烃潜力、生烃机理、生烃类型、生烃阶段的重要参数，而且还是研究页岩气成因机理的基础。本文采用显微组分法和岩石热解法分析有机质类型，测试结果显示，Y3井山西组和太原组有机质类型指数(TI)均小于0，氢指数(IH)均小于100，从而有机质(干酪根)类型为腐殖型Ⅲ(表1)。TOC为0.41%～11.93%，平均2.44%；其中TOC<1%的样品占15.09%，1%≤TOC<2%的样品占43.40%，TOC≥2%的样品占41.51%；根据《页岩气地质评价方法》，将TOC>1%的海陆过渡相页岩储层视为有潜力的页岩气储层[14]。因此，Y3井山西组和太原组页岩属于较好的烃源岩。

表1 有机地球化学参数和岩石热解参数

有机质成熟度是表征有机质热演化程度的重要参数，指示有机质是否进入生气窗的标志。现今多数学者选用镜质组反射率(R)和岩石热解峰温(Tmax)反映有机质热演化的程度。试验结果表明，Ro介于2.17%～2.65%，平均2.38%；Tmax介于434.34～564.74 ℃，平均509.78 ℃。因而Y3井山西组和太原组页岩均已达到高成熟-过成熟阶段图2(a)和(b)，源岩热解生成干气为主，从而为页岩储层成藏奠定了基础。

图2 Y3井Ro与Tmax含量分布

3.2 矿物成分特征

全岩和黏土矿物X射线测试结果显示(图3)，Y3井页岩主要由脆性矿物和黏土矿物组成。其中石英含量24.9%～63.0%，平均39%，且纵向上变化较小；黄铁矿含量0.8%～4.6%，平均2.4%；菱铁矿含量3.7%～10.9%，平均7.3%；碳酸盐岩含量1.11%～15.4%，平均5.3%。黏土矿物总量26.6%～71.6%，平均55.6%，其中高岭石含量27.5%～91.6%，平均60.6%；伊利石含量8.4%～61.0%，平均34.9%；绿泥石含量3.6%～23.1%，平均12.1%，仅在Y3-45样品中含有蒙皂石。整体而言，随着深度增加，伊利石和高岭石呈相反的变化趋势，黏土矿物总量逐渐减小，石英含量变化不大，脆性指数BI逐渐增大，脆性指数[BI=(石英(%)/石英(%)+黏土矿物(%)+碳酸盐岩(%))×100%]介于24.0%～70.3%，平均40.5%。

图3 Y3井页岩矿物组成

3.3 孔隙结构特征

3.3.1 孔隙形貌特征

基于SEM可以获取页岩中不同类型孔裂隙的发育状况和半定量获取孔裂隙参数，本文依据孔隙形貌-产状形貌分类方案，将扫描电镜获得的孔隙划分为有机质孔、粒内孔、粒间孔和微裂隙4种类型。

有机质孔：有机质孔是页岩气富集的重要场所，在本次测试样品中大量发育有机质孔，主要为较孤立的纳米级椭圆形孔和条带状微米级孔(图4(a))，其中部分条带状孔被黏土矿物和黄铁矿所充填。因而，有机质孔不仅发育大量的纳米级储集空间，而且还提供一定的渗流孔隙。此外，有机质孔隙易受后期成岩作用被拉伸挤压变形。

粒内孔：粒内孔隙主要发育于碳酸盐岩、黄铁矿、石英表面(图4(b)～(d))，由于不同矿物性质的差异，形成不同成因机制的粒内孔隙，多见溶蚀孔和原生粒内孔。其中碳酸盐岩和黄铁矿易受溶蚀,往往在表面发育溶蚀孔，草莓状黄铁矿进一步溶蚀使黄铁矿晶体脱落形成铸模孔；由于石英较稳定，保留了孔隙的原始形态。此类孔隙多呈不规则椭圆状，大小不一，连通性差，部分被黏土矿物所充填。

粒间孔：粒间孔主要发育于脆性矿物颗粒之间或脆性矿物作为支撑与其他碎屑物质(石英、有机质、碳酸盐岩)之间，见图4(d)和(i)，多见草莓状黄铁矿粒间孔，形态不一，孔径从几纳米到几十纳米不等。由于塑性矿物最易挤压变形，从而大大影响储层的渗透性。

微裂隙：微裂隙作为页岩储层中气体的主要渗流通道和游离气的储集空间，其发育程度直接影响气体的储存和后期的开采。镜下微裂隙普遍发育，主要发育碳酸盐岩内生微裂隙、黏土片层间微裂隙和有机质与黏土矿物接触微裂隙，见图4(j)～(l)，其中，碳酸盐岩和黏土片层间微裂隙胶结物充填较少，形态较平直，缝宽大多从几十纳米到几微米,而有机质与黏土矿物接触微裂隙易受碎屑物质和胶结物的影响。

图4 Y3井典型孔隙结构特征

3.3.2 孔隙形貌分形特征

法国数学家Mandelbrot(1975)提出的几何分形理论跳出维度的限制，用来描述物体自身相似性或局部与整体的相似性，其基本原理为：假设A为n维欧氏空间中的一个有界集合，若A可以表示为自身的Nr个互相不覆盖的子集时，则A具有自相似性，A的分形维数D计算式为

(1)

式中：r为坐标方向上尺度因子；Nr为有界集合A的互相不覆盖的子集。

基于前人大量研究表明，页岩样品孔隙的复杂程度可以用孔隙表面积(A)与孔隙长轴(R)表示，表达式[18,9]为

(2)

式中：β/2为lnA与lnR线性拟合的斜率;C为常数，样品二维图像的孔隙形态的分形维数可表示为D=3-β/2。

基于分形理论，n维空间的一个几何多面体的分形维数应满足n-1

基于本次SEM分辨率限制，使用IPP软件只观察了部分介孔和宏孔的孔隙形态，如图4(e)～(h)所示，通过拟合,自IPP软件获得孔隙参数，发现页岩孔隙表面积(lnA)和长轴(lnR)具有显著的线性关。因此，Y3井山西组和太原页岩各类孔隙均符合分形维数的定义，且具有明显的分形特征(图5)。如表2所示，页岩各类孔隙分形维数D介于2.45～2.55间，页岩部分介孔和宏孔的分形维数偏低，可能由于页岩中发育较多的有机质孔和石英粒内孔有关，这些孔隙除了部分被黏土矿物和其他碎屑物质充填外，均保留了自身原有的孔隙形态，多呈椭圆形或较简单的形态。

表2 基于SEM获得的孔隙参数

图5 分形特征

3.3.3 孔隙结构特征

根据国际理论与应用化学联合会IUPAC分类方案，按照孔隙直径大小把孔隙划分为宏孔(≥50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(≤2 nm)3种类型[4]。本文基于高压压汞和低温氮吸附试验数据，表征Y3井页岩样品的宏孔和介孔的孔隙结构特征。压汞试验数据表明，Y3井页岩宏孔孔径为27.08～15 440.00 nm，平均5 273.87 nm；比表面积为0.001 1～2.041 7 m2/g，平均0.519 2 m2/g；比孔容为0.003 3～0.026 8 cm3/g，平均0.011 1 cm3/g。低温氮吸附试验数据表明，介孔孔径为6.432 2～20.907 2 nm，平均9.610 4 nm；BET比表面积为1.379 5～12.051 4 m2/g，平均8.218 0 m2/g；孔体积为0.007 2～0.026 7 cm3/g，平均0.016 8 cm3/g。页岩储层中比表面积和孔体积的发育程度和分布特征直接影响气体的赋存，压汞数据显示(图6(a)和(b))，宏孔中大于200 nm的孔径对比表面积几乎无贡献，而对宏孔

图6 不同孔径对孔隙比表面积和比孔容的贡献

比孔容的发育有一定贡献，不同孔段差异较大；基于SEM图像可以看出，宏孔在发育过程中，部分孔隙被其他碎屑物种所充填，而有些则被完整的保存下来，因而，有些宏孔的孔体积较大。与宏孔不同的是，介孔孔径6.432 2～9.587 0 nm时，所对应的介孔BET比表面积和孔体积差异较小，而孔径为20.907 2 nm时所对应的BET比表面积最小，但都大于宏孔的比表面积和孔体积(图6(c)和(d))。因此，相对于宏孔而言，介孔更有利于气体的储存。

3.4 含气量特征

3.4.1 等温吸附特征

页岩储层对气体的吸附能力决定其储存能力小，本文基于等温吸附试验，利用Langmuir模型，表征Y3井山西组和太原组页岩对气体的吸附能力，并根据Langmuir吸附等温(式(1))计算出页岩样品的等温吸附量。Langmuir吸附等温式为

(3)

式中：V为页岩在气体压力为p时吸附的气体量；VL为Langmuir体积，即兰氏体积；pL为Langmuir压力，即兰氏压力。

计算结果显示，4个页岩样品的最大吸附量为0.755 8 cm3/g，纵向上逐渐减小，均低于我国海相页岩的等温吸附量(1.73～3.28 cm3/g)。其中，TOC含量与兰氏体积呈较好的相关性(R2=0.90)；矿物含量对兰氏体积的影响较为复杂，伊利石含量促进页岩对气体的吸附，而高岭石起抑制作用；黏土矿物和石英整体上与兰氏体积不具明显的关系，可能由于样品质量太小或TOC含量较高，致使两种矿物与气体吸附量不具明显的关系(图7(a)～(c))。

图7 Y3井CH4等温吸附曲线和垂向含气量变化特征

3.4.2 实测含气量

Y3井57页岩样品含气量试验显示，解吸气量为0.162 6～0.854 8 cm3/g，平均0.394 4 cm3/g；损失气量为0.006 0～0.116 0 cm3/g，平均0.0294 cm3/g；残余气量为0.110 9～0.514 0 cm3/g，平均0.233 7 cm3/g；总含气量为0.296 9～1.295 5 cm3/g，平均0.652 0 cm3/g。纵向上，山西组与太原组接触层段含气量较高，自太原组含气量开始减小，在井深1 169 m时又开始增大，最大值达到1.295 5 cm3/g。绝大多数样品的总含气量大于页岩气工业开发的下限值0.5 cm3/g[20]，因此，Y3井页岩储层具有一定的勘探潜力。

4 讨 论

4.1 储层孔隙结构影响因素

通过SEM和X射线，对Y3井页岩样品矿物成分和孔隙结构进行定量和定性分析发现，页岩主要由有机质和黏土矿物(高岭石和伊利石)及石英等矿物组成，其孔隙特征受有机质、黏土矿物和石英等矿物的影响，结合高压压汞和低温氮吸附试验获得的试验参数，对Y3井页岩物质成分与宏孔和介孔的相关性进行分析。

结果显示(图8)，TOC含量与宏孔和介孔的孔径、孔体积和比表面积均无明显的线性关系，有机质在热演化过程中产生大量的纳米级孔隙，而部分较大的介孔和宏孔被后期的碎屑物质充填，导致TOC含量整体上与宏孔的孔隙参数均无明显的相关性。同样，基于SEM镜下图像，页岩中部分宏孔被碎屑物质所充填，矿物含量与宏孔的孔径关系较为复杂；高岭石含量促进介孔孔径的发育，而伊利石含量与介孔的孔径呈负相关。高岭石与宏孔的比孔容和比表面积呈负相关，而与介孔的孔体积和BET比表面积均不具明显的相关性；伊利石含量与宏孔的比孔容和比表面积均呈正相关，与介孔的孔径呈负相关，但伊利石与介孔的孔体积和BET比表面积相关性较弱；黏土矿物整体上有利于宏孔的比孔容与介孔的孔体积和BET比表面积的发育，与宏孔的比表面积不具明显的相关性。因此，一方面，黏土矿物自身发育大量的黏土片层间微裂隙及孔隙，为气体提供大量的储集空间和运移通道；另一方面，黏土矿物会充填其他孔隙，大大降低了储层的孔渗性。石英含量与宏孔的比孔容和介孔的孔体积和BET比表面积均呈负相关，与宏孔的比表面积不具明显的相关性，可能由与部分石英粒内孔被黏土矿物或其他碎屑物质充填导致。

图8 不同参数对Y3井页岩宏孔与介孔的关系

4.2 页岩储层含气性影响因素

储层含气量的多少是决定页岩气能否开采的前提，而组成页岩的各组分(有机质、石英、黏土矿物等)对页岩气的高效开采有重要影响。本文从页岩储层主要的物质组成(TOC、石英、黏土矿物)对总含气量和解吸气量进行分析，发现TOC含量和解吸气量、损失气量、总含气量均具有一定的正相关性；Ro与解吸气量、总含气量呈现较好的相关性，相关系数分别为R12=0.67，R22=0.78，进而说明有机质的丰度和热演化程度对页岩储层含气性的评价起关键性作用(图9(a)(b))。依据前人研究，伊利石吸附气体的能力大于高岭石的[21]，因而在解吸过程中，高岭石与解吸气量和总含气量具有一定的正相关性，而伊利石往往抑制气体的解吸，与解吸气量和含气量多呈负相关，但在整体上，黏土矿物与解吸气量和总含气量呈负相关(图9(c)和(d))。石英是组成页岩的主要矿物之一，可能由于其稳定的化学成分和结构，增加了与其他物质间的粒间孔隙，使孔隙的比表面积和比孔容有所增加，因此，石英含量与解吸气量和总含气量均呈明显的正相关(图9(c)和(d))。页岩气主要以吸附气和游离气赋存于页岩储层中，吸附气大多吸附在发育微孔和介孔的孔隙表面，而游离气主要赋存于宏孔或微裂隙中[22]，由(图9(e)和(f))可以看出，解吸气含量与介孔的BET比表面和比孔容具较好的正相关性，且从(图7(d))可以看出，解吸气量是构成总含气量的主要组成部分，因而在后期工程开采中，应考虑加大对介孔孔隙的改造程度。

图9 页岩不同组分对含气量的影响

5 结 论

(1)Y3井山西组和太原组有机质(干酪根)类型为腐殖型Ⅲ；TOC含量较高，其中TOC>1%的样品占84.91%，且页岩经历了较高的热演化过程，从而Y3井页岩储层具有较好的生烃基础。脆性指数偏低，平均40.5%。

(2)SEM下介孔和宏孔的孔隙分形维数中等偏低，具明显的分形特征；高压压汞和低温氮吸附孔隙结构参数表明，介孔对孔隙表面积和孔体积的贡献大于宏孔。其中，高岭石含量有利于介孔孔径的发育，而不利于宏孔比孔容和比表面积的发育；伊利石含量不利于介孔孔径的发育，且与介孔比孔容和BET比表面积不具明显的相关性；黏土矿物有利于宏孔比孔容并且有利于介孔孔体积和BET比表面积的发育。石英含量不利于宏孔比孔容的发育，且不利于介孔孔体积和BET比表面积的发育。

(3)样品最大吸附量较低，其中，TOC和伊利石含量均有利于气体的吸附，高岭石起抑制作用；黏土矿物和石英整体上与兰氏体积不具有明显的关系。绝大多数样品的总含气量大于页岩气工业开发的下限值0.5 cm3/g。TOC和Ro与解吸气量、总含气量均呈较好的相关性，且高岭石含量与解吸气量和总含气量也具有一定的正相关性，而伊利石往往抑制气体的解吸。整体上，黏土矿物与解吸气量和总含气量呈负相关；石英含量与解吸气量和总含气量均呈明显的正相关；解吸气含量与介孔的BET比表面和比孔容呈较好的正相关。