宁武盆地太原组海陆过渡相页岩微观孔隙特征

孙彩蓉，唐书恒，魏建光

(中国地质大学(北京)，北京 100083)

宁武盆地太原组海陆过渡相页岩微观孔隙特征

孙彩蓉，唐书恒，魏建光

(中国地质大学(北京)，北京 100083)

以宁武盆地太原组海陆过渡相页岩为研究对象，借助扫描电镜观察了页岩微观孔隙特征，采用核磁共振(NMR)技术和低温氮吸附实验相结合的方法深入研究了孔隙结构。结果表明：宁武盆地太原组海陆过渡相页岩主要发育有机质孔、矿物晶间孔、铸模孔和微裂隙四类孔隙；页岩样品T2谱特征相似，形态上表现为双峰，峰值分别介于0.8～1ms，20～50ms之间，根据左峰高低可划分为高峰T2谱和低峰T2谱两类，高峰T2谱样品成熟度偏低，有机碳含量较高，低峰T2谱样品成熟度高，有机碳含量低，表明有机碳含量和成熟度可能会影响孔隙的发育；低温氮吸附实验结果显示样品具有Ⅳ型等温吸附线，滞后环类型以H3型为主，部分兼有H2特征，反映孔隙主要为平行板状孔。FHH方程计算的页岩孔隙分形维数D值在2.66～2.71之间，数值接近3，表明页岩孔隙结构较为复杂，其非均质性较强, 而微小孔发育是造成页岩孔隙结构非均质性的主要原因。

海陆过渡相；页岩孔隙；核磁共振；低温液氮吸附；分形维数

海陆过渡相页岩是我国页岩气的潜在成藏区，主要分布于我国的华北、华南地区和塔里木盆地[1]。目前对海陆过渡相页岩孔隙特征的研究报道很少。孔隙是页岩气的主要储集空间，因此泥页岩孔隙的有效表征有助于页岩的含气性评价，指导页岩气的有效开采。页岩孔隙表征方法较多，焦堃等(2014)将其归纳为3种类型：图像分析技术、非流体注入技术和流体注入技术。图像分析技术直观获取孔隙的形态、分布特征，对孔隙进行定性-半定量的描述。非流体注入技术中，核磁共振无损分析和准确快速检测的能力在页岩孔隙度、孔隙结构、渗透率等研究方面展现出广阔的应用前景[3]。到目前为止，使用这项技术对页岩孔隙的研究仍鲜有报道。然而，NMR技术无法解析吸附孔(孔径<100 nm)内部变化特征。流体注入技术中低温氮吸附法能有效获取孔径100 nm以下的孔隙分布、孔隙表面非均质性等参数信息，可弥补这一缺陷。为此，笔者以宁武盆地石炭系太原组页岩为对象，借助扫描电镜观察页岩表面孔隙微观特征，采用NMR技术和低温氮吸附相结合的方法，对孔隙结构进行定性描述和定量分析，系统地研究了该区海陆过渡相页岩孔隙结构特征。

1 实验样品与方法

1.1 样品

宁武盆地构造位置介于吕梁山隆起与五台山隆起带之间，西侧为芦芽山复背斜，东侧为五台山隆起带，是晚古生代成煤期后受多期构造运动挤压抬升形成的NNE向狭长带状展布的山间构造盆地[4]。石炭系太原组由于页岩厚度较厚，层数较多，有机碳含量较高，成熟度适中，被认为是页岩气赋存和勘探开发的有利层位。本次研究的8块样品为岩心样品，钻孔位于盆地北部，样品基本信息见表1。

表1 页岩样品地化参数

1.2 实验方法

样品扫描电镜观察在山西省地质矿产研究院完成，采用MIRA3 TESCAN扫描电子显微镜对页岩进行镜下观察，依据SY/T 5162-1997、SY/T 6189-1996识别矿物和孔隙类型。

本次核磁共振实验在中国地质大学(北京)进行，选取了6块页岩样品进行实验，实验仪器为23.15 MHZ的MiniMR-60低场核磁共振测量仪，实验过程中所设回波间隔时间TE为0.3 ms，等待时间TW为5 000 ms，回波数为1 024，扫描次数为64，实验温度25℃。实验样品为长2.0 cm左右，直径为2.5 cm左右的圆柱体。样品在室温下抽真空48 h，通过饱和水核磁共振实验，获取了样品的T2谱及计算得出了其对应的核磁孔隙度。

低温氮吸附实验采用的是美国的ASAP2000型孔隙分析仪，测试相对压力p/po=0.01～1，孔径测量范围为0.35～500 nm，实验样品为2 g的60～80目的粉样，实验前样品进行4 h，110℃脱气处理。实验数据处理中比表面积采用的是BET模型，孔径分布采用的是BJH模型。

2 扫描电镜观察

目前对页岩储层的孔隙分类仍在探索过程中，国外代表性的孔隙分类方法有Slatt和O’Brien的分类[5]以及Loucks等的分类[6]，前者将孔隙分为黏土絮体间孔隙、有机孔隙、粪球粒内孔隙、化石碎屑内孔隙、颗粒内孔隙和微裂缝通道6种，后者将其划分为有机质孔、粒间孔、粒内孔三类。国内学者在结合前人研究成果基础上提出了自己的孔隙分类，如于炳松(2013)提出了页岩气储层孔隙的产状结构综合分类方案[7]，伍岳等(2014)以孔隙发育位置、成因及与基质间相互关系为依据进行孔隙分类[8]；张慧等(2015)考虑页岩的矿物组成及其经历的地质作用因素，将古生代页岩孔隙类型细分为三大类12小类[9]。本次研究过程中，以样品扫描电镜图片为基础，借鉴前人研究成果，将其孔隙划分为：有机质孔、矿物晶间孔、铸模孔和微裂隙四类。

2.1 有机质孔

扫描电镜下有机质呈现碎屑状、条带状、薄片状、薄膜状及蠕虫状，其中碎屑状和条带状最为常见(图1(a)，图1(b))。有机质孔多介于几纳米到几百纳米之间，为椭圆形，圆形，不规则形等，孔隙多为无规则排列，偶见定向排列。部分有机质孔隙后期被黏土矿物或者碳酸盐矿物充填，孔隙度降低(图1(c))。有机质孔为页岩气的吸附和保存提供空间。在页岩样品中还发现少量的有机质气孔(图1(e)，图1(f))，菌核成因有机质孔(图1(h))和有机质粒间孔(图1(g))。气孔形成于页岩生烃过程中，是页岩气生成、运移、逸散的见证。此次研究中，气孔主要以气孔群和单个气孔两种形式存在，前者气孔孔径多数不超过1 μm，可见部分气孔破裂连通的现象；后者孔径相对较大，多为2～3 μm，气孔为圆形，边缘圆滑。气孔发育的部位往往是生气量较大的部位。而气孔的发育与页岩本身结构、显微组分、成熟度及沉积环境有关。气孔多为微米级别，而甲烷分子直径为0.38 nm，因此气孔主要为页岩气提供储气、聚气空间。

并不是所有的有机质都发育有机质孔(图1(d))，它是有机质在一定地质条件下的热演化过程中形成的。研究表明，热解过程中损耗35%有机碳，页岩有效孔隙度将提高4.9%[10]。干酪根类型也会影响有机质孔隙的形成，Schieber等(2010)指出对于成熟页岩，富含易被生物降解的显微组分的有机质更易于发育有机孔，因而Ⅱ型干酪根相比于Ⅲ型干酪根更容易发育有机孔。

2.2 矿物晶间孔

矿物晶间孔是海陆过渡相页岩广泛发育的孔隙类型之一，主要发育在晶形较好的矿物集合中(图2)。镜下高岭石主要呈六方片状，浑圆片状(图2(a)，图2(b))，石英主要呈六方双锥，形似纺锤形[12](图2(a))，黄铁矿形成自形晶，单体形态主要为立方体，五角十二面体等(图2(c))，其集合体形态常为团窝状，苺粒状等，碳酸盐矿物常呈放射状，晶间孔发育(图2(d))。海陆过渡相页岩的黏土矿物含量通常高于其他矿物含量，所研究页岩样品的黏土含量介于32.7%～92%之间，平均为59.58%，其中高岭石约占10.8%～88.2%，平均含量为45.3%，这表明海陆过渡相沉积环境适宜高岭石的沉积保存，此外还有少量的伊利石和绿泥石。晶间孔多介于几十纳米到几微米之间。这类孔隙在埋藏较浅的页岩中较多，孔隙连通性较好，随着埋深和上覆地层压力的增加，孔隙破坏，孔隙度和渗透率下降。另一方面，脆性矿物石英的晶间孔一定程度上益于页岩气储层后期的压裂开采。而且多数研究表明黄铁矿晶间孔可以为页岩气提供吸附点位[5-6]。

图1 页岩镜下有机质孔

图2 页岩镜下晶间孔

2.3 铸模孔

铸模孔主要是由于页岩中各组分间硬度差异而形成的，其形态主要取决于原生矿物的形态，常见发育铸模孔的矿物有：黄铁矿(图3(a)，图3(b))、方解石(图3(c))等。铸模孔后期也可被其他矿物充填(图3(d))。镜下观察中黄铁矿铸模孔较为常见，晶形较好，个别样品发育方解石铸模孔。铸模孔对页岩气的吸附和保存贡献不大。

2.4 微裂隙

部分页岩气以游离态存在于裂隙当中，游离气增加了页岩总含气量，提高页岩气产量。而天然裂隙的发育为气体运移和聚集提供有效的通道，另一方面，也有利于页岩气的压裂开采，改善页岩储层物性[13]。就发育位置而言，页岩微裂隙主要发育于黏土矿物中(图4(a)，图4(b)，图4(f)，图4(g))，有机质内部((图4(d))，及有机质与黏土矿物的接触面上(图4(c))。黏土矿物层间及有机质内部裂缝较为平整，也见一组平行或相互垂直的裂隙(图4(e))，裂隙可后期被矿物充填。黏土矿物与有机质接触部位为薄弱带，为裂隙发育的有利部位。仅在少数样品中识别出失水裂缝(图4(h))，镜下多为弯曲状，网络树枝状，方向性差，主要形成于页岩储层压实、失水、固结等物理变化过程中。

图3 页岩镜下铸模孔

图4 页岩镜下微裂缝

3 核磁共振实验

核磁共振技术可以精细化、无损化和定量化表征储层物性，较多地用于分析碎屑岩、碳酸岩及煤的孔隙信息，包括孔隙度、孔隙结构、渗透率、可流动性等特征[14]。T2可以用表面弛豫时间来近似表示，见下式。

1/T2=1/T2s=ρ(S/V)

式中：ρ为岩石的横向表面弛豫率，μm/ms；S/V为孔隙比表面积与体积之比，μm-1。

因此根据T2谱图特征可识别页岩的微小孔和中大孔发育特征，峰值处T2值越小，代表孔隙孔径越小，峰所围面积越大代表该类孔隙越多，峰宽指示孔隙分选。孙昌军等(2012)将页岩T2谱划分为3类：单峰T2谱、含有孤立右峰的双峰 T2谱及左、右峰连续分布的双峰态T2谱。总体上而言，样品T2谱具有以下特点(图5)。①页岩微小孔和中大孔差别较为明显，容易识别，孔隙结构复杂，非均质性强，存在微小孔和中大孔两个明显的峰：左峰峰值处T2=0.8～1 ms；右峰峰值处T2=50～100 ms，表明页岩孔隙发育微小孔与中大孔。多数页岩样品T2谱在T2=1 ms附近均出现高峰，这是页岩的特征谱峰，也表明页岩微小孔隙发育。②左峰峰值和所围面积均大于右峰，表明页岩微小孔占绝对优势。③页岩样品与煤、砂岩T2谱存在较明显的区别，煤T2谱多为三峰，砂岩T2谱多为单峰，峰值处T2值大多为100 ms。④根据T2谱左峰峰值可以将样品划分为两类:高峰T2谱和低峰T2谱，样品1-2、1-4、1-8属于前者，而样品1-5、1-6、1-7属于后者。对比发现，前者成熟度偏低，有机碳含量较高，而后者成熟度高，有机碳含量低，表明有机碳含量和成熟度可能会影响孔隙的发育。

图5 核磁共振T2谱

此外，核磁共振技术可以作为一种新的孔隙度测试方法。通过核磁共振T2谱计算获得样品的孔隙度介于3.12%～6.82%，平均为4.70%，样品1-4孔隙度最大，1-7孔隙度最小。

4 低温氮吸附实验

页岩储层物性非均质较强，对孔隙的研究需要多种方法相结合，低温氮吸附实验是表征页岩孔隙特征较为常用和比较成熟的方法，一方面可以根据低温氮吸附等温线定性分析孔隙类型，另一方面可以统计获取不同孔径范围内孔隙的比表面积、孔隙体积以及孔径分布曲线，查明页岩气孔隙的主力孔隙类型，为精细孔隙分析提供数据支撑。

4.1 孔隙结构类型

孔隙结构不同，低温氮吸附等温线特征不同，国际纯理论与应用化学联合会[16](IUPAC)将吸附曲线和吸附滞后环分别划分为Ⅰ～Ⅵ型和H1～H4型，通过识别低温氮吸附等温线类型定性分析孔隙类型和半定量分析孔径分布。结合图(6)可知，样品吸附等温线类均属Ⅳ型，这类孔隙类型表明大孔和中孔均发育。当相对压力P/P0超过0.45时，由于毛细凝聚作用，吸附曲线与脱附曲线分离，形成滞后环。滞后环类型以H3型为主，部分兼有H2特征，滞后环的出现也表明存在一定量的孔径小于4 nm的孔隙。相对压力P/P0<0.9时，滞后回线的吸附曲线和解吸曲线均缓慢上升，之后曲线变陡，吸附量急剧增加，与平行板孔特征吻合，孔隙发育范围宽，连通性好，益于气体运移。

4.2 孔径分布特征

本次研究中采用的是吸附孔径分布dv/dlogW曲线，样品孔径分布曲线见图7。曲线多表现为双峰特征，峰值集中于2～50 nm之间，表明中孔为其主力孔。与核磁双峰相比，低温氮气实验更能精细、全面得反映微小孔信息。实验结果表明，宁武盆地太原组页岩的平均孔径介于6.30～8.45 nm之间，BET比表面积在8.97 ～11.84 m2/g之间，平均为10.11 m2/g，BJH孔体积为13.80 ～20.54 cm3/g，平均为16.65 cm3/g。比表面积越大，为页岩气提供的吸附点位越多，越利于甲烷气体吸附储集。

5 讨论

5.1 核磁共振T2谱与低温氮吸附孔径分布曲线对比

假设页岩孔隙均为球形，结合上式可知，r=3×ρ×T2，因此T2谱可以半定量地反映孔径分布，将低温氮气吸附实验结果和核磁结果对比发现，两者曲线形态相似，多表现为双峰，低温氮气吸附孔径分布曲线也较多地表现为第一个峰高且对称性较好，核磁共振T2谱与低温氮气吸附孔径分布曲线都表现出样品各个孔径段孔隙均有发育，且以微小孔和中孔为主的特点。但两者也存在一定的差异，这可能是由于两种方法探测孔径范围不同，且样品要求不同。核磁共振T2谱也可以用来分析页岩的孔隙特征，但考虑到精度和精确定量描述等问题，该种方法的应用，还需要更加深入地研究。

图6 样品低温液氮吸附曲线

图7 样品低温氮吸附孔径分布曲线

5.2 孔隙分形特征

分形维数可以定量地描述孔隙结构的非均质性，孔隙结构分形维数值介于2～3之间，两个端点值分别代表孔隙表面十分光滑和极度粗糙复杂，随着分形维数的增大，孔隙结构变复杂。本次研究基于低温氮气的吸附-解吸等温线，应用Avnir等(1989)提出的FHH方程获得了样品的分形维数值D，结果见表2。D值介于2.655 9～2.715 6之间，平均为2.731 4，表明孔隙结构较为复杂，复杂的孔隙结构也要求对孔隙表征时需要多种方法相结合。页岩平均孔径与分形维数之间具有良好的负相关性(R2=0.61)，页岩平均孔径越小，分形维数越大。平均孔径越小，表明页岩内所含的微小孔隙越多，孔隙结构越复杂，分形维数越大。微小孔是造成页岩孔隙结构非均质性的主要原因。

表2 低温氮气法计算页岩分形维数

图8 页岩分形维数与平均孔径的相关性

6 总结

1)宁武盆地太原组页岩孔隙主要为有机质孔，矿物晶间孔，铸模孔和微裂隙四类。成熟度高益于有机质孔隙的形成演化，有机质孔隙提供主要的吸附点位，其中气孔主要为页岩气提供储集空间，微裂缝为页岩气渗流运移的有效通道，利于页岩气的压裂开采，改善页岩储层物性。

2)样品核磁共振T2谱特征相似，形态上表现为双峰，左峰明显，峰面积大，为样品T2谱的主要谱峰。根据左峰高低将其划分为高峰T2谱和低峰T2谱。对比发现，前者对应的样品成熟度较低，有机碳含量较高，而后者对应的样品成熟度较高，有机碳含量较低，表明了有机碳含量和成熟度可能会影响样品的孔隙结构。

3)页岩低温氮吸附试验结果显示样品等温吸附曲线属Ⅳ型等温线，滞后环类型以H3型为主，部分兼有H2特征，反映孔隙主要为平行板状孔。孔径分布曲线与T2谱相似，表现为双峰，以中孔(2～50nm)为主。应用FHH方程计算的页岩孔隙分形维数D值在2.66～2.71之间，数值接近3，表明页岩孔隙结构较为复杂，非均质性较强。 微小孔是造成页岩孔隙结构非均质性的主要原因。

[1] 邹才能, 董大忠, 王社教, 等. 中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J]. 石油勘探与开发, 2010, 37(6): 641-653.

[2] 焦堃, 姚素平, 吴浩, 等. 页岩气储层孔隙系统表征方法研究进展[J]. 高校地质学报, 2014, 20(1): 151-161.

[3] 孙军昌, 陈静平, 杨正明, 等. 页岩储层岩芯核磁共振响应特征实验研究[J]. 科技导报, 2012, 30(14): 25-30.

[4] 王宪花,蒋卫东,高颖,等. 宁武盆地煤层气勘探现状及试采效果[J]. 天然气工业, 2008, 28(3): 93-95.

[5] Slatt R M, O'Brien N R. Pore types in the Barnett and Woodford gas shales: Contribution to understanding gas storage and migration pathways in fine-grained rocks[J]. AAPG bulletin, 2011, 95(12): 2017-2030.

[6] Loucks R G, Reed R M, Ruppel S C, et al. Spectrum of pore types and networks in mudrocks and a descriptive classification for matrix-related mudrockpores[J]. AAPG bulletin, 2012, 96(6): 1071-1098.

[7] 于炳松. 页岩气储层孔隙分类与表征[J]. 地学前缘, 2013, 20(4): 211-220.

[8] 伍岳, 樊太亮, 蒋恕, 等. 海相页岩储层微观孔隙体系表征技术及分类方案[J]. 地质科技情报, 2014, 33(4): 91-97.

[9] 张慧, 焦淑静, 庞起发, 等. 中国南方早古生代页岩有机质的扫描电镜研究[J]. 石油与天然气地质, 2015, 36(4): 675-680.

[10] Jarvie D M, Hill R J, Ruble T E, et al. Unconventional shale-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.

[11] Schieber J. Common themes in the formation and preservation of intrinsic porosity in shales and mudstones-illustrated with examples across the Phanerozoic[C]//SPE Unconventional Gas Conference. Society of Petroleum Engineers, 2010.

[12] 张慧, 李小彦, 郝琦, 等. 中国煤的扫描电子显微镜研究[M]北京: 地质出版社, 2003.

[13] Ding W, Li C, Li C, et al. Fracture development in shale and its relationship to gas accumulation[J]. Geoscience Frontiers, 2012, 3(1): 97-105.

[14] 姚艳斌. 煤层气储层精细定量表征与综合评价模型[D]. 北京: 中国地质大学 (北京), 2008.

[15] 孙军昌, 陈静平, 杨正明, 等. 页岩储层岩芯核磁共振响应特征实验研究[J]. 科技导报, 2012, 30(14): 25-30.

[16] 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): Pure and Applied Chemistry, 1994, 66(8): 1739-1758.

[17] Avnir D, Jaroniec M. An isotherm equation for adsorption on fractal surfaces of heterogeneous porous materials[J]. Langmuir, 1989, 5(6): 1431-1433.

Characterization of microscopic pore structure of transitional facies shale of Taiyuan Formation in Ningwu Basin

SUN Cairong，TANG Shuheng， WEI Jianguang

(China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083, China)

Take transitional facies shale of Taiyuan Formation in Ningwu Basin as an object to deeply investigate the pore structure of transitional facies shale reservoir, by means of scanning electron microscopy (SEM), nuclear magnetic resonance (NMR) technology and low-temperature nitrogen adsorption method. Results show pores in transitional facies shale reservoir can be classified into four types: organic pores, mineral intercrystalline pores, moldic pores and microfracture.T2spectrum of samples are of similar features and have bimodal distribution at T2=0.8～1ms and T2= 20～50ms respectively .Moreover, T2spectrum are divided into higher-altitude T2spectrum and lower-altitude T2spectrum according to value at left peak. It is noticeable that the former samples have higher maturity and lower organic carbon content ,while the latter samples are converse, indicating maturity and organic carbon content may have a role in pore structure. Low-temperature N2isotherm of samples are correspond to type Ⅳ and hysteresis loops are similar to type H3 , partly type H2, reflecting the parallel plate-like pores. Shale fractal dimension D value calculated by FHH equation is between 2.66 and 2.71, which is close to 3, indicating that the shale pore structure is more complex, and of strong heterogeneity, which is mainly related to heterogeneity of micropores.

transitional facies; shale pores; nuclear magnetic resonance (NMR);low-temperature nitrogen adsorption; fractal dimension(D)

2016-08-16

国家自然科学基金项目资助(编号：41272176)

孙彩蓉(1991-)，女，山西文水人，硕士研究生，研究方向为矿产普查与勘探，E-mail: 2006140050@cugb.edu.cn。

唐书恒(1965-)，男，河北人，教授、博士生导师，从事能源地质研究，E-mail: tangsh@cugb.edu.cn。

P535

A

1004-4051(2017)02-0155-07