木里煤田煤系泥页岩储层特征研究

杨承伟，李 靖，王安民，蒋艾林，曹代勇

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；)



木里煤田煤系泥页岩储层特征研究

杨承伟，李 靖，王安民，蒋艾林，曹代勇*

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；)

为深入研究青海省木里煤田聚乎更矿区三露天井田煤系泥页岩储层孔渗特征并评价其优级，通过孔径、X射线衍射、扫描电镜、孔渗等实验和测试分析，针对含煤岩系中泥页岩储层层位、储集层性质方面，对三露天井田中侏罗系煤系泥页岩储层孔隙类型及其特征做出定量分析。研究表明，研究区泥页岩储层存在粒间孔、粒内孔、溶蚀孔及微裂缝等4种微观孔隙类型。以黏土矿物聚合体粒间孔和层间粒内孔最为发育；Ⅳ型等温线和滞后回线表明泥页岩储层主体孔隙大小为2～50nm，孔隙类型以狭窄型为主，属中孔级别。样品主要组成矿物为石英和黏土矿物，其中黏土矿物以蒙脱石和伊利石为主；泥页岩储层更容易在外力作用下形成天然裂缝和诱导裂缝。储层的矿物组成和物性特征均表明木里组更有利于煤系页岩气的富集； 所研究的三露天井田泥页岩储层的评价为后续的勘探开发提供了基础。

泥页岩储层;纳米级孔隙;孔隙特征;矿物组成;孔渗特征

0 前言

泥页岩，国内有关学者将其定义为：由细粒碎屑、黏土矿物、有机质等组分组成具有粉砂岩纹层和页理构造的沉积岩[1]。国外则将泥页岩、页岩统称为shale。页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高炭泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气[2-3]。页岩由黏土矿物和有机质等成分组成，具多微孔性和低渗透率等特点[4-6]，是泥质岩的一种。泥页岩储层的孔隙结构是指页岩中孔隙的几何形态、大小、孔径分布及其连通性，是影响泥页岩储层物性和渗流特性的重要因素[7-9]。近年来，随着非常规油气勘探的不断深入，人们认识到非常规油气储集层非均质性强，孔隙小，以纳米尺度为主。Roger等在2008年提出了页岩微储层“纳米级孔隙”的概念[10-12]。

青海木里煤田作为青海省重要煤炭基地，随着陆域天然气水合物研究的开展，到2008年11月成功钻获天然气水合物实物样品，木里煤田又一次成为国内外研究热点[13-14]。针对各类煤系综合矿产的研究，研究区的构造格局和沉积特征都有了较为详细的成果，建立了以煤炭资源为主，多能源矿产构造—沉积的成藏模式[15-18]。研究区煤系发育有厚煤层、泥页岩、油页岩、致密砂岩等，都是煤系气的良好烃源岩和储层，尤其是研究区发育有良好的泥页岩储层(含粉砂岩夹层)。本文依照国内外对泥页岩储层的研究热点—纳米孔隙及相关矿物特性相结合，分析木里煤田三露天井田中侏罗统泥页岩储层孔隙类型、形态、孔径分布特征和泥页岩储层矿物特征等方面，最终评价研究区木里组和江仓组泥页岩储层优级，为以后的生产工作奠定理论基础。

1 地质背景

木里煤田位于青海省北部，大地构造位置属于中祁连断隆带[16]。在地质历史时期中，木里煤盆地除晚白垩世和古近纪抬升遭受剥蚀外，盆地总体上处于沉降阶段，经历了强弱相间的沉降过程。值得关注的是，侏罗纪木里煤盆地表现出前陆盆地性质，而在侏罗纪中、晚期表现裂谷盆地性质。在煤盆地沉降的时期接受不同期次和方向的挤压，这使得煤系中泥页岩在成岩过程中就有发育良好裂隙的先决条件。盆地在中侏罗世处于湖相沉积过程，发育有中侏罗统(J2)含煤岩系，在区内广泛分布，三露天北部出露较好，可分为江仓组(J2j)(上段(J2j1)和下段(J2j2))和木里组(J2m)(上段(J2m1)和下段(J2m2))上下各四个岩性段。本文将这两组为研究目标层，展开讨论。

图1 木里煤田构造单元划分及矿区分布示意图[17]Figure 1 A sketch map showing structural element partition and mine area distribution in Muri coalfield[17]

2 储层矿物特征

泥页岩矿物组成一般以石英和黏土矿物为主，黏土矿物包括高岭石、伊利石、蒙脱石和伊利石/蒙脱石混层等[1]。此外还包括碳酸盐矿物、菱铁矿等矿物。对泥页岩储层的评价必须要在黏土矿物、脆性矿物、碳酸盐类矿物含量之间达到一种平衡。其中脆性矿物的含量控制着储层的破裂程度[19]。

图2所示，研究区木里组泥页岩储层黏土含量相对较高，平均值为48.3%，最高可达56%，脆性矿物平均占到总矿物的51.7%，碳酸盐矿物仅占1%；图3所示，江仓组泥页岩储层黏土含量为43.7%，脆性矿物含量为46.7%；但碳酸盐矿物含量增多。碳酸盐矿物的出现，标志着碳酸盐胶结物沉淀，占据矿物间空隙[20]，从储集气体角度来讲，使储层变得更加致密，从而不能储集更多的天然气。

利用X射线能谱仪对某些矿物组成进行分析测试，从而获得聚乎更矿区三露天井田中侏罗统江仓组和木里组泥页岩样品矿物的形貌特征和矿物组成元素的含量等信息。Ross和Bustin指出泥页岩储层的甲烷吸附量随有机碳含量和微孔隙体积的增加而增大，泥页岩的总孔隙率随黏土含量升高而增加[21]。江仓组总黏土类矿物的含量为23.9%～78.3%，平均值为44.75%，江仓组黏土矿物则以蒙脱石—伊利石为主；木里组总黏土矿物含量为36.8%～72.6%，平均值50.85%，木里组黏土矿物以蒙脱石为主。木里组泥页岩储层的总黏土含量高于江仓组，蒙脱石类黏土的表面积比其他类型的黏土表面积大很多，因为除了矿物颗粒外表面积，还存在层间结构中的内表面积[22]。故而，从矿物组成特征方面来讲，研究区木里组泥页岩储层吸附特性要比江仓组优。

图2 木里组泥页岩矿物百分比Figure 2 Mineral percentages of argillutite in Muri Formation

图3 江仓组泥页岩矿物百分比Figure 3 Mineral percentages of argillutite in Jiangcang Formation

3 储层孔裂隙结构特征

泥页岩作为低孔低渗的致密储层，孔径可小至微纳米级、且类型多样。学者对孔径和孔隙类型做了相应性研究并进行了分类[23-25]。本文参照资料并划分研究区孔隙类型(表1)。在进行讨论中，采用小于2nm的为微孔，2～50nm的为中孔，大于50nm的为宏孔的标准[26]。本文所涉及的所有实验均未观测到有机孔，故只讨论无机孔特征。

3.1 无机孔微裂隙特征

选取聚乎更矿区三露天井田中侏罗统江仓组和木里组泥页岩样品，利用HItachi S-4800冷场发射扫描电子显微镜进行扫描电镜分析，低倍状态和高倍状态相结合，观测纳米级孔隙和发育特征。了解泥页岩中矿物形态、接触关系等特征。

通过对三露天井田的泥页岩样的扫描电镜观察及分析得出(表2)，多数样品存在原生粒间孔隙，包括石英和黏土矿物间孔隙，还存在粒间、粒内溶蚀孔和黏土矿物粒内塌陷溶蚀孔隙。样品中存在的微裂隙既有成岩作用产生的微裂隙，也有构造应力作用后产生的裂隙。粒间孔(图4a、图4b、图4c、图4i、图4k、图4l)反映出粒间孔常发于在矿物颗粒边缘处，表现出矿物颗粒的叠加型不规则孔隙，多数为原生孔隙，排列无规律，分散于基质中；粒内孔发育在存有大量粒间孔的岩样中(图4b、图4k、图4l)，孔径相对较小， 从几纳米至几十纳米。细小而繁多的粒内孔组成了层间孔隙网络结构并在垂向上联通在整个矿物中构成有效的孔隙结构,孔隙相互连结，利于页岩气运移、渗流；微裂隙，呈锯齿弯曲状和平滑状，多具较好延伸性和开放性，连通性较好(图4f、图4g、图4h、图4l)。

表1 页岩孔隙分类特征(修改)[11]

(a)矿物粒间孔(C-2) (b)石英矿物粒间孔(D-4) (c)黏土矿物粒间孔(B-1) (d)粒间溶蚀孔(D-1)

(e)矿物粒间孔(C-2) (f)石英矿物粒间孔(D-4) (g)黏土矿物粒间孔(B-1) (h)粒间溶蚀孔(D-1)

(i)矿物粒间孔(C-2) (j)石英矿物粒间孔(D-4) (k)黏土矿物粒间孔(B-1) (l)粒间溶蚀孔(D-1)

图4 泥页岩扫描电镜照片
Figure 4 Argillutite SEM photos

表2 扫描电镜样品一览表

由扫描电镜观察到的江仓组岩样孔径大小分布在25～1000nm，孔径多大于100nm，以宏孔居多。构造裂隙宽度分布为250～600nm，微裂隙宽度分布在20～100nm；木里组泥岩样品孔隙的孔径大小分布在80～800nm，裂隙宽度分布在100～1100nm，全发育宏孔。甲烷分子直径约为0.414nm，可以自由通过江仓组和木里组的泥页岩样品中存在的孔、裂隙，并可富集储存在有微裂隙导通的微米与纳米级宏孔孔隙中。两组地层相比较可得出，木里组宏孔和裂隙发育程度比江仓组高，在提供天然气储存空间方面较为有优势。

3.2 孔径分布特征

选取木里组、江仓组岩样三个，采用氮气吸附法，在相对压力P/P0=0.06～0.99时采用BJH方法获得孔径分布和孔容数据。孔隙大小对应有不同的氮气吸附机理，孔隙对于液氮的吸附和凝聚会发生毛细孔凝聚现象[27]。宏孔在高压下不发生凝聚现象；中孔在低压时显示单层分子吸附，中压时多层分子吸附，而高压时发生毛细孔凝聚现象；微孔则表现出单层分子吸附和微孔填充现象[28](图5)。

(a)木里组B-01岩样

(b)木里组B-10岩样

(c)江仓组C-09样图5 三露天井田储层氮气吸附/脱附曲线Figure 5 Minefield reservoir nitrogen adsorption/desorption curves in No.3 surface coalmine

图5岩样氮气吸附/脱附曲线图表明，吸附等温线大致形态都呈反“S”型，发生明显的滞后现象。三个岩样吸附等温线形态上都接近IUPAC的分类的Ⅳ型吸附等温线[22]。吸附等温线在低压区(0

0.50)样品的吸附等温线和脱附等温线发生分离，脱附等温线位于吸附等温线的上方，形成滞后回线。

三个岩样的吸附/脱附曲线特点是回线主要出现在高压区(P/P0≈0.5)且具有明显的拐点，代表储层中孔系统比较复杂。在低压区，吸附分支与脱附分支基本重合，说明在较小孔径范围内孔的形态基本上是一端闭合的微孔和中孔；在中、高压区, 明显出现了吸附回线, 说明对应有开放型的较大孔径的宏孔,同时也可能存在着一端闭合的中、微孔。在0.45

50nm的宏孔和2～50nm的中孔。这类孔隙有利于储层吸附气体和富集，如有微裂隙加以通导则可利于气体运移并富集成藏。

滞后回线是在相对压力>0.4时，样品吸附等温线位于脱附等温线的下方形成的回线。样品孔隙结构的情况可反映在滞后回线形状上，故可研究滞后回线来分析孔隙形态[29]。木里组岩样和江仓组岩样的滞后回线都与IUPAC分类的H2型滞后回线接近，H2型滞后回线的吸附曲线上升比较稳定，但吸附曲线在相对压力为0.5左右时比解附曲线上升慢，该现象表明样品孔隙类型为狭窄型的无定型孔隙[28]，且样品中孔径<2nm的微孔较为发育。对于滞后回线的形成，是在解吸过程中,开始相对压力降低,由于开放型孔凝聚与蒸发时气液界面的形状不同,故而产生回线。但由于各类孔的存在，当相对压力降到某一值时,与其相应的较大孔开始蒸发,造成吸附量减少,解吸线逐渐下降。当相对压力降低到拐点所对应的值时,意味着最小孔径的开放型孔的凝聚液即将蒸发,压力稍一降低,其中的液体涌出,在曲线上表现出急剧下降,开放型孔内凝聚液蒸发完毕,之后便又过渡为一端封闭的孔,解吸分支与吸附分支基本重合[29]。

样品的孔径分布曲线如图6所示，从中可以看出孔径分布较简单，孔径分布曲线存在峰值较单一，峰值孔径集中在3～5nm，表明孔隙在该孔径范围出现的机率最大，中孔占据了所有类型孔中的绝对部分。泥页岩样品孔体积和平均孔径如表3所示，木里组样品最可几孔径平均为5.0415nm，江仓组样品最可几孔径为3.775nm， 所有样品平均孔径在中孔范围内，故中孔作为泥页岩中气体吸附和存储的主要场所。木里组孔径变化范围较江仓组大，在岩层空间结构中连通性也较好。样品孔体积在0.1034×10-3～0.1559×10-3cm3/g，平均孔体积为0.1255×10-3cm3/g，且木里组岩样比表面积平均为10.43m2/g，故而木里组泥页岩储层更有利于气体的吸附富集。

表3 比表面积和孔径分析数据

(a)木里组B-01岩样

(b)木里组B-10岩样

(c)江仓组C-09岩样图6 三露天井田储层孔径分布图Figure 6 Minefield reservoir pore size distribution in No.3 surface coalmine

4 储层孔隙度与渗透率特征

采集研究区DK10-16、DK11-14、DK12-13、DK13-11钻孔的江仓、木里组的粉砂质泥岩和泥岩样若干，采用CMS300型计算机控制覆压孔渗自动测试仪，在模拟地层覆压下测试岩石的孔隙度-渗透率和孔隙体积等参数。更为直观准确的评价泥页岩储层的优级。

图7所示，江仓组孔隙度并没有随着埋深的增加而减少，而是在某一范围值内分布。江仓组岩样孔隙度为1.37%～6.31%，平均值为2.88%，其中孔隙度为1.0%～2.0%的占样品总数的26.0%，2.0%～3.0%的占样品总数的52.1%，3.0%～4.0%的占样品总数的13.0%，大于4.0%的占样品总数的8.0%；渗透率范围为0.008～0.165mD,平均值为0.063mD。渗透率范围在0.01～0.05mD的占样品总数的47.8%，在0.01～0.05mD的占样品总数的47.8%，在0.05～0.1mD的占样品总数的34.7%，大于0.1mD的占样品总数的17.3%。江仓组孔隙度具有分布不均匀的特征。

木里组孔隙度随着埋深的增加有减小的趋势。孔隙度范围为0.63%～4.38%，平均值为2.82%，其中小于2.0%的样品占57.1%；渗透率变化较大，为0.013～0.216mD，平均值为0.129mD，其中大于0.070mD的样品占31.6%。

实验表明，研究区江仓组渗透率上限为0.12246×10-3μm2，下限为0.00776×10-3μm2，孔隙度与渗透率系数为R2=0.0747<0.1(图8)；木里组渗透率上限为0.21650×10-3μm2，下限为0.01377×10-3μm2，孔隙度-渗透率系数为R2=0.6982>0.5(图9)；对比研究，木里组渗透率范围要比江仓组大一个量级，木里组孔隙度-渗透率系数R2是江仓组的十倍。从图像上来看，木里组和江仓组孔隙度-渗透率都呈指数式正相关关系，但木里组的正相关关系明显优于江仓组，更好的符合指数规律，木里组储层渗透率随着孔隙度的增大呈指数型增长，且增长率大于江仓组，是因为木里组储层中存在大量中孔和相对丰富的宏孔，导致渗透率迅速增大。即表明在泥页岩储层中，随着渗透率的增大，连通孔隙的数量和大小也相对增加，在一定程度上反映孔隙结构变好。

5 结论

①三露天井田中侏罗统泥页岩岩样存在矿物间孔隙，粒间、粒内溶蚀孔隙和粒内塌陷溶蚀孔隙及微裂隙。孔隙形态、类型多样，非均质性强。在更细微的条件下测得孔径峰值集中在3～5nm。泥页岩储层的孔隙主体处于纳米级别，所有样品平均孔径在中孔范围内。两组地层相比较可得出，木里组宏孔和裂隙发育程度比江仓组高且微裂隙繁多，在空间上组成了孔隙-裂隙网络结构，孔隙-裂隙相互连结，在提供天然气储存空间及导通方面较为有优势，并且发育的纳米级孔隙更有利于煤系气的富集。

(a)江仓组 (b)木里组 图7 三露天井田孔隙度纵向分布图Figure 7 Minefield reservoir porosity vertical distribution in No.3 surface coalmine

图8 江仓组孔隙度—渗透率关系图Figure 8 Relationship between porosity and permeability in Jiangcang Formation

图9 木里组孔隙度—渗透率关系图Figure 9 Relationship between porosity and permeability in Muri Formation

②三露天井田中侏罗统泥页岩储层主要组成矿物为石英和黏土矿物，其中黏土矿物以蒙脱石为主，伊利石次之；此外还含有少量碳酸盐矿物。木里组泥页岩储层黏土含量相对最高，黏土矿物以蒙脱石为主。其次为脆性矿物，碳酸盐矿物极少；江仓组泥页岩储层黏土含量较高，但碳酸盐矿物含量增多，碳酸盐矿物的出现，标志着储层变得更加致密，从而不能储集更多的天然气；随着黏土矿物含量的增多，比表面积有增大的趋势，而蒙脱石类黏土的表面积比其他类型的黏土表面积大很多，故而，从矿物组成特征方面来讲，木里组泥页岩储层在吸附的天然气能力方面和储集方面都优于江仓组。木里组泥页岩储层不仅黏土矿物含量高于江仓组，而且石英含量较高，更容易在外力作用下形成裂缝。

③研究区泥页岩储层在纵向上分布有较强的层位性，不同层位发育明显不同。孔隙度并没有随着埋深的增加而减少，而是在某一范围值内分布。木里组和江仓组孔隙度-渗透率都呈指数式正相关关系，但木里组的正相关关系明显优于江仓组，更好的符合指数规律，即表明在泥页岩储层中，随着渗透率的增大，连通孔隙的数量和大小也相对增加，在一定程度上反映木里组孔隙结构性良好。

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Coal Measures Argillutite Reservoir Features in Muri Coalfield

Yang Chengwei, Li Jing, Wang Anmin, Jiang Ailin and Cao Daiyong

(School of Geosciences & Surveying Engineering, CUMTB, Beijing 100083)

To further study on minefield coal measures argillutite reservoir pore permeability features and assess their excellent grade in the No.3 surface coalmine, Juhugeng mining area, Muri coalfield, Qinghai Province, through pore diameter, X-ray diffraction, SEM and pore permeability test and analysis, in allusion to coal-bearing strata argillutite reservoir horizon and reservoir property, carried out quantitative analysis for middle Jurassic coal measures argillutite reservoir pore type and features. The study has shown that four microscopic pore types including intergranular pore-space, intragranular pore, solution opening and microfissure have existed in the reservoir. Among them, the clay mineral aggregate intergranular pore-space and interlayer intragranular pore are mostly developed. The type IV isotherm and hysteresis loop have shown that the size of main pores is 2nm～50nm; pore type belongs to stenotic type medium pores. Sample major mineral components have quartz and clay minerals; the later are mainly montmorillonite and illite. Under the function of external force, argillutite reservoir can easy to form inartificial fissures and induced fissures. The reservoir mineral composition and physical property features have all shown that the Muri Formation is more favorable to coal measures shale gas enrichment. The assessment of argillutite reservoir in No.3 surface coalmine has provided basis for further exploration and exploitation.

argillutite reservoir; nanometer pore; pore features; mineral composition; pore permeability features

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.05

1674-1803(2017)04-0023-08

国家自然科学基金项目(编号：41572141)

杨承伟(1993-)，男，青海人，硕士研究生，主要从事非常规气地质研究。

曹代勇(1955—)男，重庆人，教授，从事煤田构造、非常规气地质研究。

2017-01-05

文献标识码：A

责任编辑：宋博辇