頁巖孔隙的形態(tài)和類型及其影響因素

黃美鑫

(河南理工大學(xué) 河南 焦作 454000)

?

頁巖孔隙的形態(tài)和類型及其影響因素

黃美鑫

(河南理工大學(xué) 河南 焦作 454000)

頁巖孔隙是氣體賦存和運移的重要通道，研究頁巖孔隙對頁巖氣資源評價和勘探開發(fā)具有重要意義。本文分析了頁巖的孔隙形態(tài)和類型及其影響因素，表明頁巖的孔隙形態(tài)主要以平行板狀孔、楔形孔和墨水瓶孔為主；孔隙類型包括粒間孔、粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔、溶蝕孔和微裂縫；壓實作用、有機質(zhì)生烴作用、粘土礦物轉(zhuǎn)化作用、溶蝕作用均會影響孔隙的形態(tài)和類型。

頁巖；孔隙形態(tài)；孔隙類型；影響因素

頁巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源。目前頁巖氣已在美國、加拿大、中國、阿根廷等實現(xiàn)了商業(yè)化開發(fā)。已有研究初步認(rèn)為，賦存于中-微孔隙中的頁巖氣主要以吸附態(tài)存在，而賦存于宏孔隙和微裂縫中的頁巖氣則主要以游離態(tài)存在。頁巖是復(fù)雜的多孔介質(zhì)，其顯著特點是孔隙結(jié)構(gòu)細(xì)小，主體以微孔隙和中孔隙為主，這也決定了頁巖氣的賦存狀態(tài)以吸附作用為主，頁巖氣的賦存狀態(tài)與頁巖的顯微孔隙結(jié)構(gòu)具有密切的聯(lián)系。頁巖儲層中納米孔隙的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究重點已從常規(guī)儲層的毫米至微米級孔隙轉(zhuǎn)向非常規(guī)儲層的納米級孔隙、納米孔隙結(jié)構(gòu)的表征、納米孔隙發(fā)育規(guī)律及納米孔隙對頁巖油氣聚集的影響等等研究，認(rèn)識頁巖氣儲層孔隙特征與微觀結(jié)構(gòu)對頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。

一、頁巖孔隙的研究方法

頁巖儲層孔隙主體處于納米級別，孔隙形態(tài)復(fù)雜，類型多樣，微裂隙發(fā)育。利用常規(guī)掃描電鏡(SEM)和Nano-CT(CT)等技術(shù)可以直接觀察孔隙的分布位置和形態(tài)，如果對樣品進行氬離子拋光蝕刻處理則更有利于納米級孔隙的觀測。高壓壓汞法(MICP)可以定量測出約3nm至400000nm之間的孔徑分布特征，而液氮吸附法和二氧化碳吸附法(CO2/N2)可以分別測出在2nm至100nm和0.4nm至2n之間的孔。小角度和超小角度中子散射(SANS/USANS)、核磁共振光譜(NMR)等一系列先進技術(shù)來定性定量研究頁巖的納米級孔隙。國內(nèi)外通常在利用掃描電鏡系統(tǒng)觀測頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用高壓壓汞、氣體吸附等定量化方法全面描述頁巖孔隙特征。

二、孔隙形態(tài)

頁巖孔隙孔隙形態(tài)多樣，存在一端封閉的不透氣性孔，開放性的透氣性孔和墨水瓶孔等多種孔隙，且孔隙之間的連通性較差，以細(xì)頸廣體的墨水瓶孔和四周開放的平行板狀孔以及楔形型孔為主(圖1)，其孔徑范圍在5nm-10000nm左右。

圖1 頁巖孔徑形態(tài)

三、孔隙類型

頁巖孔隙主要有粒間孔、粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔、溶蝕孔和微裂縫5種類型。

(一)粒間孔數(shù)量多，分布廣泛，粒間孔的類型按孔隙邊緣的礦物組成可分為：同礦物粒間孔，即孔隙周圍的礦物組成成分大致相同，如黏土礦物粒間孔，黃鐵礦粒間孔等；多礦物粒間孔，發(fā)育于兩種及兩種以上的不同形態(tài)礦物顆粒的接觸部位，該類孔隙的連通性好。

(二)粒內(nèi)孔在黏土礦物中發(fā)育居多孔隙形態(tài)單一，常為不規(guī)則球形或橢球形，屬于納米級孔隙，這些孔隙的形成與黏土礦物的轉(zhuǎn)化有關(guān)。Kuila U等認(rèn)為黏土礦物在壓實作用中擠壓成片狀，片與片之間則是孔隙，而納米級孔隙主要發(fā)育在頁巖基質(zhì)中。

(三)有機質(zhì)孔分布于頁巖中的有機質(zhì)中，該孔隙孔徑較小，形態(tài)復(fù)雜，總體呈網(wǎng)狀分布，有機質(zhì)本身就是良好的溶劑，加之孔隙數(shù)量多，比表面積大，該類孔隙對甲烷的吸附起著重要的作用。

(四)溶蝕孔在溶蝕作用下孔徑進一步擴大，在粒間孔邊緣可見不規(guī)則的礦物溶蝕殘余，孔隙形態(tài)不規(guī)則；石英、方解石等易溶礦物邊緣在酸的作用下，形成的石英溶蝕孔、方解石溶蝕孔等。

(五)微裂縫的發(fā)育與脆性礦物的含量明顯正相關(guān)，且在流體壓力作用下易形成的張性裂縫，縫寬較寬，膠結(jié)物或充填物少，裂縫延展方向單一，延展性好。微裂縫具有很好的連通性，是頁巖氣儲存和運移的重要場所。

四、影響頁巖孔隙的因素

孔隙類型受很多因素影響，例如礦物組分、有機質(zhì)、流體性質(zhì)、水文、埋藏深度等。不同地區(qū)頁巖孔隙成因類型也有著明顯的差異。研究一致認(rèn)為，頁巖孔隙主要受壓實作用、有機質(zhì)生烴作用、粘土礦物轉(zhuǎn)化作用、溶蝕作用等影響。

(一)壓實作用。在沒有成巖的近地面泥漿，有顆粒間孔和顆粒內(nèi)孔，并作為泥漿被埋藏，壓實的和巖化。在壓實過程中，大量的顆粒間孔和顆粒間孔被破壞，尤其是在韌性有機質(zhì)豐富泥漿。壓實可以降低孔隙體積。Pommer M.等還認(rèn)為在較高的成熟度時，原生孔隙通過膠結(jié)作用，二次有機質(zhì)填充作用，和更大的壓實作用進一步破壞。

(二)有機質(zhì)生烴作用。在烴熱成熟度(熱演化)的作用中，有機質(zhì)孔隙在干酪根中形成。孔隙的形成與有機質(zhì)的熱演化程度有關(guān)，演化程度越高，有機質(zhì)熱解釋放的氣體越多，在流體壓力的作用下，有利于孔隙的形成和孔徑的擴大。

(三)粘土礦物轉(zhuǎn)化作用。成巖初期，黏土基質(zhì)失水收縮，在黏土顆粒內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中，蒙脫石構(gòu)造塌陷形也能成大量微裂縫。

(四)溶蝕作用。溶蝕作用主要發(fā)生在中埋藏階段以及有機質(zhì)達(dá)到生烴窗之后的成巖階段。石英、方解石等脆性礦物在酸性流體或者礦物自身分解的酸性物質(zhì)的作用下發(fā)生溶解，促進石英溶蝕孔、方解石溶蝕孔等孔隙的發(fā)育。在深度，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定顆粒溶蝕可以創(chuàng)建更多顆粒內(nèi)孔。

也有研究認(rèn)為，較大孔隙與礦物有關(guān)，較小孔隙與有機質(zhì)有關(guān)。在低成熟度，孔隙度和孔徑大小直接相關(guān)的是方解石豐度，而有機質(zhì)的含量幾乎沒有關(guān)系。

[1]金彥任，黃振興.吸附與孔徑分布[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[2]武景淑，于炳松，張金川，等.渝東南渝頁1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖孔隙特征及其主控因素[J].地學(xué)前緣，2013(03)：260-269.

[3]劉圣鑫，鐘建華.頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖氣等溫吸附研究-以柴東石炭系頁巖為例[C]//第三屆全國特殊氣藏開發(fā)技術(shù)研討會.中國重慶，2014：20-33.

[4]張寒，朱炎銘，夏筱紅，等.頁巖中有機質(zhì)與黏土礦物對甲烷吸附能力的探討[J].煤炭學(xué)報，2013,38(5)：812-816.

[5]KUILA U,PRASAD M,BATZLE M.Pore size distribution and Ultrasonic Velocities of compacted Na-montmorillonite clays[C]//8th Biennial International Conference & Exposition,2010:1-8.

[6]陳潔，安太偉，劉茜清.皖南下寒武統(tǒng)荷塘組頁巖孔隙特征分析[C]//2015第十五屆國際煤層氣暨頁巖氣研討會.中國北京，2015：8.

[7]POMMER M,MILLIKEN K.Pore types and pore-size distributions across thermal maturity,Eagle Ford Formation,southern Texas[J].AAPG Bulletin,2015,99(9):1713-1744.

[8]李衛(wèi)兵，姜振學(xué)，李卓，等.渝東南下寒武統(tǒng)牛蹄塘組與下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征對比[C]//2015年全國沉積學(xué)大會.中國湖北武漢，2015：2.

[9]張盼盼，劉小平，王雅杰，等.頁巖納米孔隙研究新進展[J].地球科學(xué)進展，2014,29(11)：1242-1249.

黃美鑫(1991-)，女，漢族，四川綿陽人，在讀碩士，河南理工大學(xué)能源學(xué)院礦業(yè)工程專業(yè)，研究方向：煤層氣地質(zhì)。