黔西北地区石炭系祥摆组页岩微观孔隙结构及分形特征

姜秉仁，邓恩德，韩明辉，马子杰

(1.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550081；2.贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

页岩气是指主要以游离状态、吸附状态赋存于富有机质泥页岩中的一种非常规天然气，具有自生、自储的特点[1-3]。自2003年我国开展页岩气研究工作以来[2]，海相页岩气勘探开发在四川盆地及其周缘获得商业化成功，目前已发现涪陵、长宁、威远等页岩气田[4-5]，2020我国页岩气产量约200×108m3[6]。陆相页岩气勘探在鄂尔多斯盆地三叠系地层实施的多口钻井中获得工业气流发现[7-8]；海陆过渡相页岩气勘探层系主要聚焦于二叠系龙潭组，在四川、贵州等地区实施的多口龙潭组页岩气参数井均获得良好的含气性显示[9]。贵州省发育多套富含有机质的页岩层系，涵盖海相、海陆过渡相、陆相沉积环境，页岩气资源丰富，地质资源量约为13.54×108m3，位居全国第三[10]。石炭系祥摆组作为一套海相含煤地层，是贵州省重要的页岩气发育层系之一，在黔西北地区发育较为广泛。

页岩中存在大量的微观孔隙对页岩气赋存状态、储集性能及成藏特征产生重要影响[11]。页岩微观孔隙结构复杂、孔隙形态多样，研究孔隙结构的方法主要包含定性表征和定量表征2类，其中主要通过扫描电镜(SEM)、CT成像等方法定性分析孔隙结构，利用高压压汞、气体吸附法等方法定量分析孔隙结构[12]。准确获取孔隙结构参数，深入分析孔隙结构特征，对研究页岩气的赋存状态、储集特征具有重要的作用。

贵州省已实施的多口页岩气参数井均揭示出祥摆组地层富有机质黑色页岩发育的厚度较大，且具有良好的含气性，显示出该地区石炭系祥摆组页岩气具有较大潜力[13]。目前针对该套地层研究工作比较少，缺乏对该套层系微观孔隙的研究，此次选取黔西北地区石炭系祥摆组富有机质页岩进行研究，采用氩离子抛光-场发射扫描电镜定性研究页岩发育的微观孔隙类型，利用液氮吸附实验定量研究页岩的孔隙结构特征，综合运用分形理论研究其孔隙的分形特征，并探讨微观孔隙结构的影响因素，以期为石炭系祥摆组页岩气下一步的勘探开发工作提供指导与借鉴。

1 样品与实验

1.1 样品采集

黔西北地区地理位置上位于上扬子板块西南缘，在石炭系祥摆组中发育了一套面积较广、厚度较大的海相含煤地层，岩性主要包括页岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩、灰岩、煤层/煤线等，富有机质页岩厚度较大[13]。由于野外露头样品受到较为严重的风化破坏，较难真实、准确地反映出页岩微观孔隙结构特征，故此次研究的实验样品选取自黔西北威宁地区龙街向斜深水陆棚相沉积区实施的参数井——LY-1井钻井岩心(图1)。该钻井石炭系祥摆组厚度较大，约为390 m，钻井成果揭示出祥摆组岩性主要为灰黑色-黑色炭质页岩、深灰色泥岩、深灰色-灰黑色粉砂质泥岩、灰色-深灰色泥质粉砂岩及多套黑色煤层/煤线等，不同岩性在纵向上频繁互层，此次研究的样品系统采集自目的层段12块灰黑色-黑色富有机质页岩。

选取的页岩样品干酪根显微组分鉴定结果显示出有机质类型主要为Ⅱ1型、Ⅱ2型，反映出有机质母质主要来源于海相低等生物，具有较强生烃潜力；TOC值较大，介于1.03%～3.43%之间，平均含量为1.71%；镜质体反射率(Ro)介于1.56%～2.90%之间，平均为2.30%，整体上处于过成熟早期阶段。实验样品矿物组成主要为黏土矿物和石英，黏土矿物含量平均值约为45.56%，石英含量平均值约为41.93%。

1.2 实验测试

此次研究采用Gatan 697 Ilion Ⅱ抛光仪和Zeiss Σigma扫描电镜定性研究祥摆组页岩的微观孔隙类型，依据有关国家/行业标准进行实验。首先选取一小块样品进行磨片制样，将样品的一个面磨至平滑、光亮，再使用抛光仪对样品表面进行处理，让样品表面达到镜面的效果，以便更好地观察到样品的真实形态，抛光完成后在其抛光面镀一层约10 nm的金膜，即完成制片。制片完成后，将样片置于扫描电镜下，观测页岩样品中发育的微观孔隙形态。

定量表征页岩微观孔隙结构特征的液氮吸附实验使用JW-BK132F全自动比表面及孔径分析仪完成的，依据有关国家/行业标准进行实验。首先选取一小块样品粉碎至80目，再称取粉碎后的样品0.35 g进行实验，对样品在150 ℃条件中进行5 h抽真空干燥预处理，除去吸附在页岩样品中的水分和挥发性物质，随后用液氮进行N2吸附和脱附实验，获取实验原始数据，并结合BET方程、BJH模型计算获取孔隙结构参数[14-15]。

2 微观孔隙结构特征

2.1 微观孔隙类型

页岩作为低孔隙度、低渗透率的致密储层，发育了大量的微观孔隙(微纳米级)，其成因复杂、类型多样，为一种非均质的多孔介质[16]。国内外众多学者对页岩微观孔隙类型划分方案及形成原因开展了大量的研究工作[17-21]，国外页岩微观孔隙类型划分方案中最具代表性的是Loucks等提出的孔隙分类方案[17]，将孔隙划分为粒间孔、粒内孔、有机质孔3种类型，国内学者对页岩微观孔隙类型划分方案主要表现为：无机矿物质孔、有机质孔及微裂缝3种类型[19]。此次研究工作采用SEM对页岩样品进行大量的显微镜下观察，定性分析页岩微观孔隙的结构特征，结合前人研究成果将研究区页岩微观孔隙类型划分为4种类型：粒内孔、粒间孔、有机质孔和微裂缝(图2)。

2.1.1 粒内孔

粒内孔通常是指发育在长石、石英等脆性矿物和黏土矿物颗粒内部的孔隙[20-21]，其形态多为不规则，成岩过程中黏土矿物成分转换形成大量的粒内孔、埋藏过程中易溶矿物与酸性流体发生溶蚀作用形成的溶蚀孔、草莓状黄铁矿晶体形成过程中产生大量的晶间孔。此次研究在显微镜下可观察到大量的黏土矿物粒内孔(图2(a)、(c)、(d)、(f))和方解石、长石等易溶矿物溶蚀作用形成的粒内孔(图2(b)、(e)、(f)、(g)、(i))，还可观察到少量的草莓状黄铁矿晶间孔(图2(b)、(i))。大量发育的黏土矿物粒内孔极大地增加了页岩气的赋存空间，从镜下照片中可观察到黏土矿物粒内孔之间具有一定的连通性，能够为烃类气体导流提供微观运移通道。

2.1.2 粒间孔

粒间孔一般发育在矿物颗粒间接触处，长石、方解石、石英等脆性矿物颗粒之间的粒间孔、黏土矿物与脆性矿物颗粒之间的孔隙、矿物颗粒与有机质接触处的孔隙等，粒间孔多为原生孔隙，孔隙形状多样，主要有拉长型和多角形[20-21]，通常认为拉长型孔隙多与层状黏土矿物、长条状有机质有关[22]。此次研究镜下可观察到脆性矿物颗粒之间产生的粒间孔(图2(a)、(b)、(c)、(f)、(h))、黏土矿物与石英、长石矿物颗粒之间形成的粒间孔(图2(a))、有机质边缘与矿物颗粒之间的孔隙(图2(d)、(f)、(g))。

2.1.3 有机质孔

有机质孔主要发育在有机质颗粒内部和有机质颗粒间，有机质在生成烃类气体的过程中由于气体分子突破有机质表面会产生有机质气泡孔，孔隙形态多呈近球形或椭球型[21]。有机质孔隙的发育程度不仅能反映干酪根生成烃类气体的潜力，而且能反映页岩储层的储集性能。此次研究可观察到页岩样品有机质孔较为发育(图2(g)、(h))，表明石炭系祥摆组页岩具有较强的生烃能力和储集性能。

2.1.4 微裂缝

微裂缝主要是在成岩过程、构造作用及有机质生烃过程中形成的，其形态多呈平直状和锯齿弯曲状，且具有较好的延伸性[12]，微裂缝既能为页岩气提供丰富的储集空间，又为烃类气体的运移提供了有效的运移通道，对页岩储层中烃类气体的渗流产生重要作用。此次研究镜下可观察到大量的微裂缝(图2(a)、(c)、(f)、(g)、(i))，能够有效沟通各类微观孔隙，形成相互连通的页岩孔隙网络系统，为油气的运移提供通道，有利于后期的压裂改造，增强页岩气产出能力[21]。

当微网进入孤岛运转[5]模式时,超导磁场储能技术采用电压与电流双闭环形式运转,并给多个逆变装置提供恒定的电压与频率。式(2)给出微网外环调节装置,即电容C,并将输出电流作为电流内环值的参照结果,将滤除电流变换装置的输出三相电流值设置为ia,ib,ic,电压值设置为ua,ub,uc,在超导磁场储能状态下微网三相电流设定为iaSMES,ibSMES,icSMES。

2.2 微观孔隙形态特征

石炭系祥摆组页岩的微观孔隙非常发育，孔隙结构较为复杂多样，从纳米级孔隙到微裂缝均有发育。孔隙大小有多种分类方案，笔者此次研究采用IUPAC的孔隙大小划分方案将孔隙分为3类：孔隙直径小于2 nm为微孔，孔隙直径介于2～50 nm之间为中孔，孔隙直径大于50 nm为大孔[21]。通过典型石炭系祥摆组页岩样品吸附-脱附曲线(图3)中可以看出，实验样品吸附等温线与反“S”形相似，根据IUPAC对标准吸附等温线类型的划分，实验样品与Ⅳ型等温线相近，反映出微观孔隙形态主要为中孔型[23]。当在相对压力较高时，等温吸附曲线快速上升，表现出向下凹的趋势，吸附和脱附过程具有不可逆性，当相对压力较高时吸附和脱附曲线发生分离，形成滞后回线。滞后回线的形态能够较好反映微观孔隙的形状[12,24]，实验样品滞后回线类型主要为H2型，主要包括XB-1、XB-3、XB-5、XB-6、XB-7、XB-8、XB-10、XB-11井，其滞后回线的形态较为宽大，反映的孔隙类型主要为细颈广体的墨水瓶孔；其次为H4型，主要包括XB-2、XB-4、XB-9、XB-12井，其滞后回线形态较为狭长平缓，反映的孔隙类型主要为狭缝型孔。

2.3 孔径分布及孔隙结构参数

结合BJH理论对石炭系祥摆组页岩样品微观孔隙的孔径分布特征进行分析研究(图4)，通过孔径分布曲线图中可以看出峰值主要集中于2.0～8.0 nm之间，说明孔径在该值范围内出现的概率最大，表明微观孔隙主要为中孔型；实验结果显示页岩微观孔隙的平均孔径值介于3.79～9.05 nm，平均值为6.22 nm，主要为中孔型。页岩的比表面积采用BET方程计算、总孔体积采用BJH法[15,25-26]计算获取，BET比表面积介于6.47～15.83 m2/g之间，平均为13.20 m2/g，BJH总孔体积介于0.005 8～0.023 9 cm3/g之间，平均为0.015 5 cm3/g，石炭系祥摆组页岩微观孔隙结构特征反映出页岩中大量发育的纳米级孔隙，且具有较大的BET比表面积和BJH总孔体积，能够为烃类气体提供了丰富的储集空间。

3 微观孔隙分形特征

对于页岩微观孔隙的分形特征研究，可见到比较多方法，主要包括分形BET模型法、FHH(Frenkel-Halsey-Hill)分形理论数学模型法等[27]，其中FHH方法计算简便、适用范围比较广，被研究工作者广泛的运用于分形理论研究，此次石炭系祥摆组页岩微观孔隙分形特征研究采用FHH数学模型[28]，即：

(1)

式中，D为分形维数；V为N2吸附量，cm3/g；P0为饱和蒸气压，MPa；P为平衡压力，MPa；C为常数。

前人研究结果表明页岩的分形维数D介于2～3之间[9]，当D越接近3时，岩石孔喉分选越差，孔隙表面越粗糙，孔隙结构也越复杂；当D越接近2时，岩石的孔隙结构就变得较为均匀[28]。基于上述模型计算微观孔隙分形维数，通过线性拟合获得分形维数值，计算结果显示(表1和图5)，D介于2.421 6～2.841 4之间，主体上大于2.700 0。通过分形维数结果可以看出，石炭系祥摆组页岩的微观孔隙分形维数整体较大，反映出孔隙结构复杂、非均质性较强。

4 微观孔隙结构影响因素探讨

4.1 微观孔隙结构与TOC的关系

通过对石炭系祥摆组页岩的微观孔隙结构参数(主要包括BET比表面积、BJH总孔体积、平均孔径)与TOC的相关性关系分析结果可知(图6)，BET比表面积与TOC呈一定的负相关性，相关系数R2为0.554 7(图6(a))；BJH总孔体积与TOC呈一定的负相关性，相关系数R2为0.539 5(图6(b))；平均孔径与TOC呈弱正相关性(图6(c))，说明TOC对页岩平均孔径的影响较小，BET比表面积、BJH总孔体积随TOC含量的增加表现出一定的减小趋势。从二叠系龙潭组含煤地层泥页岩和寒武系牛蹄塘组、水井沱组页岩的孔隙结构研究成果中可以发现，龙潭组地层泥页岩

表1 基于N2吸附法的页岩微观孔隙分形维数

BJH总孔体积与TOC呈一定的负相关性，BET比表面积、平均孔径与TOC相关性较低[16]；牛蹄塘组硅质页岩总孔体积、比表面积与TOC均呈较好的正相关性，混合质页岩总孔体积、比表面积与TOC呈一定的负相关性或弱负相关性[29]；水井沱组硅质页岩总孔体积、比表面积与TOC均呈较好的正相关性，混合质页岩、黏土质页岩的总孔体积与TOC呈一定的负相关性[30]。说明黏土矿物含量增加、硅质矿物含量降低，会使得孔隙结构参数与TOC之间的相关性发生变化。

4.2 微观孔隙结构与矿物成分的关系

4.3 微观孔隙结构与分形维数的关系

从石炭系祥摆组页岩的微观孔隙结构参数与分形维数的相关性关系分析可以看出(图8)，BET比表面积与分形维数具有一定的正相关性，相关系数R2为0.456 2，BET比表面积越大，分形维数越大；平均孔径与分形维数具有较好的负相关性，相关系数R2为0.661 2，平均孔径越大，分形维数越小，从二叠系龙潭组含煤地层泥页岩和志留系龙马溪组页岩的孔隙结构研究成果中可以发现，与石炭系祥摆组页岩的相关性趋势具有一致性[16,31]。表明石炭系祥摆组页岩BET比表面积越大、平均孔径越小，微观孔隙的分形维数越大，其孔隙内部结构显得越复杂。

5 结 论

(1)结合氩离子抛光-场发射扫面电镜实验对石炭系祥摆组页岩的微观孔隙特征进行定性观察，可将微观孔隙划分为4类，即粒内孔、粒间孔、微裂缝及有机质孔。可见大量的微裂缝，有效沟通了各类微观孔隙，为烃类气体运移提供通道；有机质孔较为发育，表明页岩具有较强的生烃能力和储集性能。

(2)使用液氮吸附实验对石炭系祥摆组页岩的微观孔隙结构进行定量表征，N2吸附等温曲线与反“S”形形态相似，与Ⅳ型等温线相近，反映主要为中孔型；N2吸附和脱附等温线形成的滞后回线类型主要为H2型(细颈广体的墨水瓶孔)，其次为H4型(狭缝型孔)。平均孔径平均值为6.22 nm，主要为中孔型，BET比表面积、总孔体积较大，平均值分别为13.20 m2/g、0.015 5 cm3/g。

(3)页岩微观孔隙的分形维数D值介于2.421 6～2.841 4之间，主体上大于2.700 0，分形维数整体较大，说明微观孔隙表面的粗糙程度较高，页岩储层具有较强的非均质性。

(4)页岩微观孔隙结构参数的影响因素表现为：BET比表面积与TOC、石英含量呈现出一定的负相关性，与分形维数呈一定的正相关性；平均孔径与石英含量具有较好的正相关性，与分形维数具有较好的负相关性，与黏土呈一定的负相关性。