淮北孙疃煤矿下石盒子组页岩储层孔隙类型及影响因素

马建华，何金先*，周逃涛，张加齐，蔡博文，刘梦楠

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

非常规油气资源丰富，占全球80%左右的资源总量，在三大非常规天然气(页岩气、致密砂岩气、煤层气)中，页岩气储量最为丰富[1]。我国页岩气资源丰富，且已在四川等地成功实现了商业化生产。华北海相、海陆过渡相地区整体构造相对稳定，地质保存条件较好，具有良好的开发前景[1]。目前对淮北地区的研究主要集中在区域地质构造、水文地质特征及沉积环境等宏观方面[2-4]，对页岩储层微观孔隙类型的研究有待进一步深入。

页岩储层中发育的孔隙与裂缝可以作为内部天然气渗流通道与储集空间，影响后期压裂改造方案的实施。研究孔隙类型与发育情况，有助于提高对页岩储层孔隙的系统认知，为页岩气的勘探开发提供一定帮助[5]。国际纯粹化学与应用化学联合会将页岩孔隙分为：微孔(<2nm)、介孔(2～50nm)以及宏孔(>50nm)。Loucks等(2012)将页岩气储层微观孔隙分为三大类，包括有机质孔，粒内孔和粒间孔[6]。于炳松兼顾孔隙产状与孔径大小，提出产状-结构综合分类方案[7]。

1 样品采集与测试

孙疃煤矿位于安徽省北部濉溪县境内，南北长约10km，东西宽3～5km，面积43km2。构造位置位于淮北煤田南部的童亭背斜东翼，整体构造相对简单，以断裂构造为主，自北向南发育一系列走向NE正断层，地层倾角较小，且沿走向和倾向变化不大(图1)[2]。孙疃煤矿主要含煤地层为石炭系太原组、二叠系下石盒子组与山西组[2, 4]。本次实验样品采取均来自下石盒子组，其厚度为206.7～264.4m，底部以灰白色厚层铝土质泥岩为其与山西组的分界线，顶部以灰白色厚层砂岩为其与上石盒子组的分界线。

本次研究采取下石盒子组深度范围为279.73～346.0m的有代表性的页岩岩芯样品，对样品进行扫描电子显微镜、X射线能谱仪、有机碳含量及X 射线衍射分析等分析测试。扫描电镜及X射线衍射实验测试是利用中国矿业大学现代分析与计算中心的FEI Quanta TM 250X4型号扫描电镜和配套的X射线能谱分析系统完成，其原理是用细聚焦的电子束在样品表面激发出不同的电子信号，再由探测器进行选择性地收集处理所需的电子信号，将其转化为图像[8]。有机碳含量测定依据国标GB/T476—2008《煤中碳和氢的测定方法》，在江苏地质矿产设计研究院完成。全岩X射线衍射分析是在中国矿业大学现代分析与计算中心完成，该实验的具体操作如下：取样品中新鲜部分50～100g,人工粉碎,取约5g样品放入研磨钵中研磨至约300目,进行X射线衍射(XRD)检测矿物成分。XRD测试条件为：Cu(单色)工作电压为 40 kV，工作电流30mA，狭缝宽1mm；以4°/min的速率在3°～85°(2θ)范围内扫描。

图1 淮北孙疃煤矿构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Suntuan coalmine, Huaibei

2 实验结果

2.1 孔隙类型

基于孙疃煤矿下石盒子组页岩样品扫描电镜观察结果，结合前人[6- 7, 9]对页岩储层分类方法，依据孔隙与岩石颗粒之间的联系，本次研究将孙疃煤矿页岩储层孔隙类型划分为粒间孔隙(发育在晶体与颗粒之间)、粒内孔隙(包含在颗粒边界以内)、有机质孔隙(发育在有机质内)和微裂缝共4种孔隙类型。

2.1.1 粒间孔隙

粒间孔主要发育在埋藏较浅的沉积物中，集中在矿物颗粒与晶体、颗粒之间及晶体之间的接触处。粒间孔隙多成拉长形、不规则多边形，少数孔隙由颗粒构成刚性骨架会使得孔隙较为规则(图2a)。粒间孔隙多为原生孔隙，也有少量由溶蚀作用形成的次生孔隙(图2b)。

扫描电镜的观察结果表明研究区粒间孔隙广泛的分布在基质中，排列无规律。在脆性颗粒之间、脆性颗粒与黏土之间发育的粒间孔隙较多。研究区粒间孔隙包括颗粒间孔隙(图2a、图2c)、晶间孔隙(图2d、图2e)以及溶蚀孔隙(图2b)。其中溶蚀孔隙是由淋滤、溶蚀、交代等作用形成的孔隙[8]，分布无规律，直径较大，一般在10μm以上。溶蚀形成的粒间孔隙常常会被有机质或其他矿物充填。粒间孔为游离气提供了富集场所，连通的粒间孔还可以作为渗流通道。

(a.脆性矿物格架之间孔隙(346.0m NY-8); b.样品发育的溶蚀孔隙(308.0m NY-4); c.脆性矿物与黏土之间存在的宏孔(346.0m NY-8);d.脆性矿物之间发育的粒间孔隙与微裂隙(340.0m NY-7); e.宏孔内部发育的粒间孔隙与微裂隙(340.0m NY-7); f.云母片节理之间的粒内孔隙(340.0m NY-7);g.与黄铁矿伴生的有机质孔隙(340.0m NY-7); h.充填的曲线状微裂隙(326.3m NY-6); i.极细的莓状黄铁矿(346.0m NY-8)； j.石英雏晶(326.3m NY-6); k.发育的书页状高岭石集合体(280.2m NY-3); l.六边形片板状高岭石(340.0m NY-7))图2 孙疃煤矿下石盒子组页岩扫描电镜特征图Figure 2 Xiashihezi Formation shale SEM features image from Suntuan coalmine

2.1.2 粒内孔隙

粒内孔隙由黏土矿物转化、溶蚀作用、晶体结核内部自生及颗粒基质收缩形成[10]。研究区云母集合体内矿片间孔隙(图2f)，其长度在10μm左右，宽度在1μm以下，成因可能是由于伊利石的白云母化[10]。据研究[9]，若晶体在堆积过程中混入杂质，后期杂质被溶蚀也会产生粒内孔隙，与溶蚀形成的粒间孔隙相比其直径较小，一般在1μm以下。黏土矿物转化过程中的脱水收缩对粒内孔隙的增加也有一定帮助。

2.1.3 有机质孔隙

有机质孔隙由有机质母质在生烃演化过程中形成，主要发育在沥青质体与镜质体中，气孔呈现出圆形、椭圆形、短管形等形状，孔壁光滑，孔内没有填充物，尺度多在纳米级[8]。有机质孔常与黄铁矿伴生(图2g)，其发育程度与储层生排烃的程度呈正相关，且有机质孔隙的发育受到TOC与有机质成熟度的控制[11-12]。

Jarvie发现有机质的生烃演化对于孔隙度的增加显著[13]，演化后残留的有机质孔隙是内部气体吸附与聚集的优先场所，且有机质演化过程中形成的有机酸、CO2、H2S等酸性气体也会对页岩内部的碳酸盐岩与长石等矿物进行侵蚀，形成次生溶蚀孔隙，丰富储层孔隙类型，改善储层孔隙结构[1-15]。

2.1.4 微裂隙

微裂隙主要由构造运动、页岩储层破裂作用及差异水平压实作用形成，呈现出锯齿状或者曲线状，长度在1～20μm，主要受脆性矿物含量的影响[10]。作为沟通微观孔隙与宏观裂缝的桥梁，微裂隙在有机质颗粒、黏土矿物以及脆性骨架矿物中均可以发育[16]。

构造微裂隙(图2d)是在地质构造应力下形成的方向性明显的裂隙，形成的时间与地质构造活动基本同步，大多呈现出直线或者折线状。构造运动会产生构造微裂隙为储层提供渗流通道，产生的矿物碎屑也使得粒间孔隙发育，但也使得储层更加致密，使得与黏土矿物相关的孔隙类型大量减少[5]。矿物结晶收缩产生的微裂隙内部通常有较多矿物充填(图2e、图2h)，可能会影响气体渗流，但会伴生大量连通性较好的粒间孔隙。总体来说，微裂隙为游离的页岩气提供了良好的储集空间，同时伴随着其他孔隙类型的产生与消失。

2.2 矿物成分

根据X射线能谱仪测试结果，可知淮北孙疃煤矿下石盒子组页岩矿物成分主要为石英和高岭石矿物，并有少量云母等矿物(图3)。根据X射线衍射测试结果(表1、图4)，研究区下石盒子组页岩矿物成分以黏土矿物和石英为主，部分样品含有少量的长石、黄铁矿、菱铁矿与云母。矿物成分定量分析结果表明(表1)，9个样品中的矿物含量较为相似。总体而言，黏土矿物的含量最高，为50.1%～70.7%，平均达到62.6%，黏土矿物以高岭石为主，其他矿物含量较少。石英含量为27.2%～48.2%，平均为35.2%。埋深由小到大呈现出波状变化。

2.2.1 脆性指数的计算

页岩中矿物组成包括脆性矿物和非脆性矿物，脆性矿物如石英、长石影响储层在压裂之后形成的裂隙系统的发育，从而影响内部天然气的渗流[17]。利用脆性指数可以表示页岩的脆性水平。北美页岩脆性指数K的计算一般根据公式：

K=K石英/(K石英+K方解石+K黏土矿物)×100%

(1)

陈吉等研究认为石英、长石、方解石等矿物也具有一定的脆性，提出了脆性指数的修正公式[11]。

K修正=(K石英+K长石+K方解石+K白云石)/(K石英+

K长石+K方解石+K白云石+K黏土矿物)×100%

(2)

研究区公式(1)与公式(2)计算结果对比发现二者数值接近，对分析结果无本质影响。故采用公式(1)计算脆性指数。计算结果发现研究区煤系页岩脆性指数主要为27.8%～49.0%，平均达36.0%。根据美国页岩气开采经验，脆性指数大于20%页岩就具有较好的压裂性。孙疃煤矿下石盒子组页岩的脆性指数较大，内部脆性矿物较多，储层的抗压实性与脆性较好，粒间孔隙与微裂隙较容易发育与保留。

矿物元素含量能谱图分析点石英、高岭石(346.0m NY-8)O:52.08%Si:22.67%Al:15.32%C:5.61%云母(326.3m NY-6)O:55.75%Si:20.14%Al:13.36%K:2.15%Na:0.17%图3 孙疃煤矿下石盒子组页岩X射线能谱分析结果Figure 3 Suntuan coalmine Xiashihezi Formation shale X-ray energy spectrum analysis result

表1 孙疃煤矿下石盒子组页岩主要矿物成分数据表

图4 孙疃煤矿下石盒子组页岩XRD测试定性分析图Figure 4 Suntuan coalmine Xiashihezi Formation shaleXRD qualitative analysis diagram

2.3 有机质特征

有机质丰度、有机质类型及其成熟度对页岩气的产生与赋存有着很大的影响。据研究[18]，可采页岩气藏一般具有三个有机地球化学条件：①TOC含量>2.0%的富有机质页岩; ②菌藻生源并且无陆源贡献的Ⅱ型干酪根；③成熟度Ro>1.3%。

有机碳含量测试结果(表2)表明孙疃煤矿下石盒子组煤系页岩有机碳含量在0.47%～1.86%，平均为0.846%。邻区淮南新集矿区下石盒子组有机碳含量在0.60%～6.05%，平均为3.01%[19]。两淮地区下石盒子组有机碳含量总体上在中等水平，淮南地区下石盒子组有机碳含量普遍高于淮北地区。结合岩心样品也可以看出，淮北地区下石盒子组页岩颜色以浅灰色至灰色为主，整体有机碳含量较低。造成有机质含量差异的原因一方面可能是地区沉积环境与水动力条件的差异，另一方面也可能因为样品数量限制使得测试结果有差异。但研究区页岩发育在煤层附近，可以考虑煤层气与页岩气的合层开采降低成本。

根据前人研究[19-20]，徐淮地区下石盒子组页岩显微组分以惰质组、镜质组为主，有机质类型以腐殖来源的Ⅲ型和Ⅱb型干酪根为主，利于生气。

镜质体反射率常作为烃源岩成熟度的评价方法。淮北煤田下石盒子组页岩镜质组反射率在0.70%～2.14%，平均为1.16%，淮南煤田为0.73%～1.18%，平均为0.93%[21]。宿州地区下石盒子组泥岩Ro为1.64%～1.90%，平均值为1.78%[19]。徐淮地区下石盒子组页岩有机质达到成熟至高成熟阶段，有利于内部有机质孔隙的发育与气体扩散。

3 讨论

3.1 沉积环境对孔隙类型的影响

沉积环境影响着矿物成分与有机质的分布以及后生成岩作用的改造[10]。前人研究认为下石盒子组沉积环境为三角洲沉积环境，湖泊、沼泽广泛分布于分流间湾地区，接受海水与河水的共同作用，且以河流控制为主[4, 16，22]。在扫描电子显微镜下观察到极细莓状的黄铁矿(图2i)与碎屑状分布的石英雏晶(图2j)证明当地为还原性的沉积环境且与外界连通性较差[23]。

大量陆源区的碎屑物质随着河流进入三角洲地区，为当地的植物生长提供充足养分。缺氧、弱水动力的还原性环境有利于有机质富集，为有机质孔隙的发育提供了基础。而较高的有机碳含量在一定程度上促进页岩储层微裂隙的发育[24]。另一方面，大量碎屑物质沉积有利于自生脆性矿物与黏土矿物的形成[10]，使得黏土矿物内部的粒内孔隙与脆性矿物颗粒之间的粒间孔隙广布，高岭石形成的酸性水体条件也会促进溶蚀孔隙发育[25]。

表2 淮南淮北地区下石盒子组有机质含量

3.2 成岩阶段对孔隙类型的影响

成岩作用包括压实作用、胶结作用与溶蚀作用等影响着孔隙类型的发育、分布与保存，使得不同成岩阶段储层孔隙类型有着显著的差异[9]。基于下石盒子组矿物成分与有机质成熟度等信息，结合镜下观察的孔隙发育情况，可以认为下石盒子组页岩成熟度达到了中成岩阶段，此时储层已经固结，孔隙类型包括原生孔隙与次生孔隙均可以保留[26]。

中成岩阶段的压实作用使得孔隙度减小，尤其是与黏土矿物相关的粒间孔隙与粒内孔隙会大量减少[10]。中成岩阶段的有机质成熟度较高，有利于页岩气渗流与扩散，促进有机质孔发育。并且有机质演化中形成的有机酸、CO2、H2S等酸性气体也会通过孔裂隙运移促进溶蚀孔隙(图2b)发育，有利于内部粒间孔隙的扩大，为后期烃类侵位提供了重要的储集空间[26]。

3.3 矿物组成对孔隙类型的影响

页岩中的矿物主要由石英、长石、碳酸盐等脆性矿物以及高岭石、伊利石等黏土矿物组成，但本研究页岩样品的脆性矿物最主要是石英，黏土矿物则以高岭石为主。

3.3.1 黏土矿物对孔隙类型的影响

黏土矿物可以吸附有机质与天然气，同时黏土在有机质向烃类转化中起到催化作用，从而促进内部有机质孔隙的发育；另一方面黏土矿物演化时会因为脱水收缩产生粒内孔隙与微裂隙[9, 27]。

黏土矿物集合体的存在对于粒内孔隙的发育贡献较大，且一般形成的粒内孔隙在深部均相互连通[28]。由扫描电镜观察到书页状、蠕虫状的高岭石集合体与假六方板状的单个高岭石晶体(图2k、图2l)，发育有大量的粒间孔隙与粒内孔隙，使得Si4+、Al3+通过连通内外部的孔裂隙连续进入形成高岭石[25]。

3.3.2 脆性矿物对孔隙类型的影响

石英、长石等脆性矿物具有较强的抗压实能力，可以相互支撑形成刚性骨架(图2a)，有利于粒间孔隙的形成与保护，大尺度的粒间孔隙可以在内部发育小型的微裂隙与晶间孔隙(图2e)。脆性矿物在构造演化中可以在颗粒内部形成较为平直的微裂隙(图2d)，胶结物少，有利于油气渗流。

根据扫描电子显微镜的观察结果，粒内孔常见于碎屑矿物与黏土矿物中，粒间孔常见于脆性矿物颗粒相互支撑的孔隙间以及脆性矿物与黏土矿物胶结处(图2a、图2c)。黏土矿物与脆性矿物的分布对于粒间孔隙与微裂隙的发育也有一定影响，如石英与黏土之间微裂隙与粒间孔隙的产生是由于不同矿物因为脆性不同在受力时产生差异变形[10]。

4 结论

(1)淮北孙疃煤矿下石盒子组页岩孔隙类型丰富，包括粒间孔隙、粒内孔隙、有机质孔隙以及微裂隙。粒间孔隙包括颗粒间孔隙、晶间孔隙、溶蚀孔隙等；粒内孔隙包括黏土集合体内矿片间孔隙等。

(2)淮北孙疃煤矿下石盒子组为三角洲沉积环境，还原性的水体环境有利于有机质、黏土矿物以及碎屑矿物的富集，为有机质孔、黏土矿物与脆性矿物之间的粒内孔隙、粒间孔隙的发育提供了基础。

(3)根据矿物成分、有机质成熟度与孔隙类型判断研究区页岩成熟度达到中成岩阶段。与黏土矿物相关的孔隙类型因为压实作用大量减少，但仍有一定量的原生孔隙与次生孔隙可以保留。有机质成熟度较高，有大量烃类生成，有机质孔隙发育，有机质演化过程中的酸性物质会进一步溶蚀扩大内部的孔隙空间。

(4)研究区主要矿物组成为高岭石与石英。黏土矿物可以催化有机质，促进内部有机质孔隙的生成；另一方面黏土矿物在演化中脱水收缩也会产生粒内孔隙与微裂隙。脆性矿物抗压实能力较强，有利于粒间孔隙的形成与保护。在黏土矿物与脆性矿物之间由于受力性质的差异广泛发育粒间孔隙与微裂隙。