清水沟地区下侏罗统页岩孔隙结构特征

刘达成　祝铠甲　保玉莲　刘腾

摘要：为研究清水沟地区的页岩孔隙结构特征，本文对区内的地表采集的页岩进行样品进行了等温吸附、孔隙度、比表面积实验等，测试成果表明该地区的泥页岩中纳米级孔隙多为开放性平行板状狭缝孔和倾斜板狭缝孔为主，其孔径分布曲线可以划分为单峰型和双峰型两种，泥页岩中比表面积主要由不大于50nm的微孔和介孔提供，是气体吸附的主要场所；介孔提供了主要的孔体积，是气体贮存的主要场所。

关键词：孔隙结构；吸附一脱附曲线；孔体积；比表面积

清水沟地区位于柴达木盆地西缘地区，位于柴达木盆地茫崖坳陷一级构造单元、英雄岭凹陷与尕斯凹陷二级构造单元内（图1）。

页岩气是主体以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力泥岩及页岩等地层中的天然气，具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等地质特点。页岩气储层的孔隙结构特征是影响页岩气储集和开采的重要因素。在研究区采集泥页岩样品，进行氮气吸附实验，对研究区页岩孔隙结构特征进行分析。

1.样品采集测试

1.1样品

野外样品采集研究区内的TC5探槽、DPⅣ剖面中，采样位置分布如图2。

1.2测试方法

（1）孔径测试原理方法

非浸润液体仅在施加压力时方可进入多孔体，在不断增压的情况下，并且进汞体积作为外压力函数时，即可得到在外力作用下进入帛空样品中的汞体积，从而测得样品的孔径分布。通过吸附一种气体表征孔结构，如液氮温度下的氮气，该方法适于测量孔径范围大约0.002μm至0.1μm（2.0hm至100nm）之间的孔。

（2）比表面积测试方法

在非连续式容量法中，让已知量的吸附气体逐步进入样品室中（图3）每一次，样品吸附了气体，并因此在有限的不变容积中气体压力下降了，直到吸附达到平衡为止。吸附的气体量是进入量管中的气体量和吸附平衡后量管和样品泡中剩余的气体量之差。

2.实验结果与讨论

2.1样品吸附一脱附曲线

泥页岩样品在进行低温液氮等温吸附实验中，其吸附曲线和脱附曲线在压力较高的部分不重合，形成吸附回线，根据液氮等温吸附曲线及吸附回线形态，可以识别不同的孔隙類型。De Boer提出吸附回线分五类，国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）将其划分为4类（图4）。

页岩气储层样品低温氮吸附等温升压过程的吸附曲线和降压过程的脱附曲线如图5所示。总体脱附曲线在中等压力下较陡，吸附曲线在相对压力接近1时很陡，与H3型回线接近，兼有H4型回线特征，介于H3～H4型之间。

2.2孔隙形态

根据前人研究，可将孔隙形态分为3类：第1类为开放性透气性孔，包括两端开口圆筒形孔及四边开放的平行板孔，这类孔能产生吸附回线；第Ⅱ类为一端封闭的不透气性孔，包括一端封闭的圆筒形孔、一端封闭的平行板状孔、一端封闭的楔形孔以及一端封闭的锥形孔，这类孔不会产生吸附回线；第Ⅲ类为细颈瓶形（墨水瓶状）孔，能产生吸附回线，且解吸分支急剧下降。不同形状的孔隙对应不同的吸附回线形态；反过来，根据泥页岩低温氮吸附曲线形态，也可识别出不同的孔隙类型。

结合上述孔隙形态类型描述，将本次样品测试曲线形态大致划分为三类：

I型（图6）与图4中的D型相似，在相对压力较小时，吸附曲线与脱附曲线完全重合，说明在较小的孔径范围内，孔的形态都是一端封闭的不透气性孔（Ⅱ类孔）；当相对压力0.5～0.9范围内时，脱附曲线和吸附曲线未重合，吸附回线出现，吸附曲开始线缓慢上升，当相对压力0.9时开始出现陡升，并在相对压力1前重合，中等压力范围内，脱附曲线未出现陡降，以I类开放性孔为主，主要为开放性倾斜板狭缝孔。

Ⅱ型（图7）与图4中的B型相似，在相对压力较小于0.45时，吸附曲线与脱附曲线基本重合，说明在较小的孔径范围内，孔的形态都是一端封闭的不透气性孔（Ⅱ类孔）；相对压力0.45～0.95时范围，脱附曲线未重合，出现吸附回线，吸附曲线缓慢上升，在相对压力0.95～1出现陡升，相对压力0.5左右，脱附曲线出现陡降，说明存在I类开放性孔，主要为开放性平行板状狭缝孔。

Ⅲ型（图8）与图4中的E型相似，在相对压力小于0.45时，吸附与脱附曲线并未完全重合，说明在较小孔径范围内，孔的形态大都是一端封闭的不透气性孔（Ⅱ类孔），同时也存在少量的开放型I类孔；脱附曲线在相对压力0.45～0.95范围内，未重合，出现较为宽阔的吸附回线，吸附曲线缓慢上升，在相对压力接近1时未出现陡升，且在相对压力0.5左右时，脱附曲线陡降，说明存在开放性I类孔和Ⅲ类孔，脱附曲线在中等压力陡降是由于墨水瓶状孔（Ⅲ类孔）液氮一次性大量解凝退出所致，陡降前为曲线缓慢的下降，说明存在I类开放性孔。

从不同地区泥页岩吸附一脱附曲线分布来看，沙柳沟TC5探槽与清水沟DPⅣ剖面泥页岩均存在II型曲线，主要以开放性平行板状狭缝孔为主，沙柳沟TC5探槽泥页岩中还存在I型曲线，主要为开放性倾斜板狭缝孔，但仍以II型曲线所占比例较多；清水沟DPⅣ剖面还存在Ⅲ型曲线，主要为墨水瓶状孔，II型和Ⅲ型曲线所占比例基本一致。总体来说，研究区下侏罗统小煤沟组泥页岩中纳米级孔隙多为开放性平行板状狭缝孔和倾斜板狭缝孔为主，这些孔隙能够为吸附态和游离态的页岩气提供储存空间。

2.3孔径的分布

泥页岩的孔隙结构复杂，孔径分布很广，目前对于泥页岩孔隙的划分还未形成比较统一的认识，煤和化工领域广泛采用IUPAC孔隙分类方法。IUPAC将多孔材料的孔隙分为三类：微孔、介孔以及宏孔。参考前人不同的划分方案，结合本次研究，将孔径小于5nm的称为微孔，处于5nm～50nm的称为介孔，大于50nm的称为宏孔。本次研究对泥页岩样品进行了氮气吸附实验测试，获得了每个样品的孔隙结构参数（BJH孔体积，BET比表面积，平均孔径）见表1。

根据BJH理论求出沙柳沟TC5探槽与清水沟DPⅣ剖面样品的孔径分布曲线如图8，图中的纵坐标dV/dlogd表示孔体积对孔直径对数值的微分，能够反映纳米级孔隙的孔径分布峰值情况。根据其孔径分布曲线形态，孔径分布曲线可以划分为单峰型和双峰型两种。

单峰型：孔径分布曲线仅存在一个主峰（图中TC5-26和DPⅣ-4），孔径主要集中在3nm～5nm处，表明这个范围内的孔出现概率较大，由于介孔和宏孔一定量的存在，致使孔径分布曲线拖尾现象的存在。

双峰型：孔径分布曲线存在多个峰值，同样存在拖尾现象，分为两种情况：（1）如图9中TC5-1、TC5-8等，孔径分布呈现两个峰值，分别为3nm～5nm和10nm～20nm；（2）如图中TC5-7、TC5-15、TC5-19、TC5-24、DPⅣ-5等，两个峰值分别为3nm～5nm和40nm～60nm。

2.4比表面积与孔体积分布特征

研究区沙柳沟TC5探槽小煤沟组泥页岩样品比表面积介于4.1176m²/g～13.1326m²/g，平均为6.9973m²/g（图10），从不同孔隙类型对比表面积的贡献来看（图10），样品中微孔对比表面积的贡献率介于38.71%～72.55%，平均为58.83%；介孔对比表面积的贡献率介于25.45%～59.56%，平均为38.62%；宏孔对比表面积的贡獻率介于1.36%～3.22%，平均为2.55%。可以看出该区泥页岩比表面积主要由孔径不大于50nm的微孔和介孔贡献者，为页岩气的吸附提供的主要场所。

研究区清水沟DPⅣ剖面小煤沟组泥页岩样品比表面积介于5.0884m²/g～6.2644m²/g，平均为5.5483m²/g，相比沙柳沟TC5探槽泥页岩样品比表面积要稍小（图11），从不同孔隙类型对比表面积的贡献来看（图11），样品中微孔对比表面积的贡献率介于66.78%～70.28%，平均为68.79%；介孔对比表面积的贡献率介于26.52%～32.43%，平均为29.47%；宏孔对比表面积的贡献率介于0.79%～3.2%，平均为1.74%。同样的，孔径小于50nm的微孔和介孔对比表面积的贡献率占绝对优势，为页岩气的吸附提供的主要场所，相较于沙柳沟TC5探槽泥页岩样品，清水沟DPⅣ剖面泥页岩样品微孔和介孔对比表面积的贡献要更高。

研究区沙柳沟TC5探槽小煤沟组泥页岩样品孔体积为0.01 109cm³/g～0.036222cm³/g，平均为0.01 8228cm³/g（图12），从不同孔隙类型对孔体积的贡献来看（图12），样品中微孔所占孔体积介于9.28%～37.94%，平均为23.61%；介孔所占孔体积介于48.01%～73.91%，平均为58.14%；宏孔所占孔体积介于11.1%～23.58%，平均为18.25%；可以看出介孔是孔体积的主要贡献者，为页岩气的贮存提供主要场所，微孔和宏孔对孔体积的贡献率相对较低。

研究区清水沟DPⅣ剖面小煤沟组泥页岩样品孔体积

3.结论

（1）根据测试的泥页岩其孔径分布曲线形态，研究区孔径分布曲线可以划分为单峰型和双峰型两种。

（2）由以上比表面积、孔隙体积在不同孔径分布情况可知，泥页岩中比表面积主要由不大于50nm的微孔和介孔提供，是气体吸附的主要场所；介孔提供了主要的孔体积，是气体贮存的主要场所。并且研究发现，研究区的泥页岩各级孔径的比表面积与孔体积之间具有良好的相关性。

（3）研究区下侏罗统小煤沟组泥页岩中纳米级孔隙多为开放性平行板状狭缝孔和倾斜板狭缝孔为主，这些孔隙能够为吸附态和游离态的页岩气提供储存空间。