武乡区块山西组泥页岩孔隙结构及分形特征研究

曹 磊，郭英海

(1.江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006;2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏徐州 221006;3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116;4.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221008)

作为一种新的清洁能源，页岩气越来越受到重视，近几年来，随着国内页岩气研究工作不断成熟以及资源勘探开发工作的不断深入，页岩孔隙特征逐渐成为含气性评价和勘探开发的重要参考依据(Curtis，2002;陈跃等，2018)。一些学者(刘冲等，2018;黄兴龙，2018;刘家橙等，2019;赵帮胜等，2019)已经针对鄂尔多斯盆地、豫西及鲁西南等地区山西组泥页岩进行了研究，并指出了不同尺度的孔隙分布特征和发育情况。郭英海等(2015)、陈尚斌(2016)、朱炎铭等(2016)等对页岩孔隙类型、形态、孔径分布等进行了初步研究，认为页岩孔隙特征影响着储层的赋存状态和气藏储集能力。

沁水盆地位于山西省东南部，煤系气含量高，是当前中国煤层气开发程度最高的盆地(秦勇等，2016)。很多学者对页岩气进行了研究(聂海宽等，2011;郭英海等，2015;朱炎铭等，2016)，并取得一定的成果，但沁水盆地东部海陆过渡相页岩微观孔隙结构特征研究程度相对较低，需要进一步深入研究。本文以沁水盆地武乡区块Y井为切入点，借助XRD、低温液氮吸附和高压压汞等测试，对泥页岩的孔隙结构进行分析，并基于低温液氮吸附的FHH分形模型，探讨孔隙结构非均质性，为研究区泥页岩储层储集能力预测和页岩气勘探提供基础依据。

1 地质背景

沁水盆地地处太行山西麓，属于侵蚀中深区，地形较为复杂，沟谷纵横，切割较为强烈(苏育飞等，2016)(图1)。盆地北部及东部的泥岩比西部及南部的泥岩分布厚。研究区武乡区块位于沁水盆地中东部，山西组发育泥岩、泥页岩、页岩、砂岩和煤层。根据研究区Y井钻孔资料，山西组(K7底～K8底)厚度在37.43～71.46 m之间，平均厚度为46.18 m，泥页岩形成于三角洲分流间湾、泥炭沼泽等沉积环境(田志强，2016)。

图1 研究区总体构造图Fig.1 Overall structure map of the study area

2 样品和实验

样品采自于沁水盆地东部武乡地区Y井，选取山西组4块泥页岩样品为实验对象，样号分别为Y1、Y2、Y3和 Y4，采样位置如图2。在岩芯观察的基础上，将泥页岩样品首先磨制成薄片在显微镜下鉴定，初步确定样品岩石学和矿物学特征。用碎样机将样品破碎，筛分至200目以下进行XRD实验，碾磨至40～60目做低温液氮实验，取直径2 cm泥页岩样品进行高压压汞测试，并对这些样品进行有机质(TOC)测试。

图2 研究区采样位置图Fig.2 Sampling position

XRD实验在中国矿业大学(徐州)的现代分析测试中心完成，仪器为美国 Rigaku公司生产的 D/Max-3B型X射线衍射仪。TOC实验在中国石化华东分公司石油勘探开发研究院实验中心完成，仪器型号为CS-230红外碳硫分析仪，按照 GB/T19145-2003方法测定。高压压汞实验所用仪器为Auto Pore IV 9500 V1.09全自动高压汞仪，测定的孔径下限为3.0 nm，最大测试压力为413.79 MPa。低温液氮实验所用仪器为美国Micromeritics Instrument Corporation，型号Tristar3020，分析范围:材料比表面积0.01 m2/g至无上限，孔径分析范围17～500Å，可测全吸附的吸-脱附曲线、BET(比表面积)及 Langmuir比表面积、平均孔尺寸和单点总孔体积、BJH介孔、HK微孔等。

3 矿物组成与有机地球化学特征

XRD测试结果显示(表1)，泥页岩样品的矿物组成主要由黏土矿物和石英组成，含少量斜长石、黄铁矿、钾长石、菱铁矿等。其中，黏土矿物含量介于56.2% ～76.1%之间，平均值为64.7%;黏土矿物中伊/蒙混层(I/S)含量介于46.0% ～64.0%之间，平均值为55.2%;伊利石含量介于11.0% ～33.0%之间，平均值为20.8%;高岭石含量介于1.0% ～27.0%之间，平均值为15.8%;绿泥石含量介于2.0% ～16.0%之间，平均值为8.3%;石英含量介于19.6% ～38.3%之间，平均值为31.0%;斜长石含量介于1.4% ～1.7%之间，平均值为1.6%;钾长石含量介于0.6% ～1.3%之间，平均值为0.9%，含量较低;菱铁矿含量介于0.8% ～1.8%之间，平均1.4%;黄铁矿含量介于0.0% ～1.6%之间，平均值为0.6%。

表1 研究区山西组泥页岩TOC含量及矿物组成分析结果Table 1 TOC content and mineral composition of mud shale in Shanxi Formation of the study area

泥页岩样品的有机质(TOC)含量介于1.8%～8.1%之间，平均值为4.5%，有机质含量较高。

4 孔隙结构特征及分形特征

4.1 孔隙结构

泥页岩孔隙结构按孔径分类方案有很多，被广泛使用的分类方案主要有两种:一种是依据IUPAC的划分标准，将孔隙分为微孔隙(＜2 nm)、介孔隙(2～50 nm)和宏孔隙(＞50 nm)(Rouquerol et al.，1994);另一种是Hodot(1996)以10的N次方为基准的孔隙分类方案，将孔隙分为大孔(＞1 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)、小孔(10～100 nm)和微孔(＜10 nm)(Drummond and Israelachvili，2002;陈冬霞等，2002;崔景伟等，2012)。本文采用IUPAC的划分方案。

4.1.1 高压压汞实验

高压压汞实验可以测量泥页岩样品的渗透率、孔隙度及以大孔为主的孔隙的孔径分布特征(曹涛涛等，2015)。对研究区泥页岩样品进行压汞实验发现，样品渗透率介于0.000 2×10-3～0.000 5×10-3μm2之间，平均值为0.000 3×10-3μm2，属于超低渗-非渗储层(＜1×10-3μm2);孔隙度介于2.0%～3.5%之间，平均值为2.87%，与北美页岩孔隙度(2% ～15%)(赵帮胜等，2019)相比偏低。

根据高压压汞曲线(图3)可以看出，研究区泥页岩样品压汞曲线总体可以分为2段:初始平台段和末端上扬段。在低压段(＜10 MPa)，随着压力的增大，进汞饱和度基本无变化，约为0，表现为一个较长的平台状，属于初始平台段。在高压段(＞10 MPa)，随着压力的增加，进汞饱和度快速增加，直到最大压力，属进汞曲线的末端上扬段。当压力小于10 MPa时，进汞量基本为0;当压力大于10 MPa(对应的孔隙半径＜50 nm)时，进汞量随着压力的增大呈线性增长，这说明泥页岩孔隙中小于50 nm的孔隙比较发育。研究区泥页岩样品的分选系数为0.852 4～1.017 7，平均为0.957 333。退汞曲线形态呈凹型，孔隙滞后环较窄，反映了研究区山西组泥页岩样品孔隙连通性较差，开放孔较少(陈尚斌等，2012)。

在泥页岩样品的孔径分布图(图4)中可以看出主要有2个峰，峰值孔径分别在5～7 nm和15 nm左右。这说明研究区泥页岩样品主要发育5～7 nm及15 nm左右的孔隙，介孔最为发育。

图3 泥页岩样品的压汞测试结果 Fig.3 Mercury test results of mud shale samples

4.1.2 低温液氮实验

图4 压汞实验孔径分布图Fig.4 Pore size distribution chart of mercury pressure experiment

压汞实验适用于测试大孔径的孔隙，而低温氮气吸附实验适合测试孔径范围在50 nm以下的孔隙。高压压汞实验结果显示，本区泥页岩样品中介孔孔隙最为发育，因此进一步对其进行了低温液氮实验以精准测试孔隙大小。观察武乡地区Y井山西组泥页岩样品的低温液氮吸附和脱附曲线(图5)后，发现曲线呈倒S型。Brunauer(1994)把等温线类型分为5类，本文样品吸附曲线属于该分类方案中的Ⅱ型曲线，而脱附曲线属于IUPAC分类方案(陈尚斌等，2012)中的H2型，兼具H1型及H3型，属De Boer分类方案中的B型，兼具E型及C型，主要发育裂缝形孔隙。脱附曲线在相对压力由大变小过程中在接近0.5时急剧下降，应是由于样品内部狭缝平板型孔和“细瓶颈”孔发育引起的。

低温液氮吸附结果显示，Y井泥页岩BET比表面积在10.022～15.454 m2/g之间，平均值为13.342 m2/g;平均孔直径分布在5.56～6.50 nm之间，平均值为5.75 nm，平均孔径在介孔范围内;总孔隙体积在0.008 12～0.012 54 cm3/g之间，平均孔体积为0.01 cm3/g，微孔体积约占总孔体积的19.85%，介孔体积约占总孔体积69.87%，宏孔体积约占总孔体积10.28%，可见介孔是孔容的主要贡献者。

图5 泥页岩样品的低温液氮吸附与脱附曲线 Fig.5 Low temperature liquid nitrogen adsorption and desorption curve of mud shale

图6 低温液氮实验孔径分布图Fig.6 Aperture distribution of low temperature liquid nitrogen experiment

从孔径分布图(图6)中可知，山西组泥页岩集中型主峰均分布于1.18 nm附近，说明武乡地区Y井泥页岩储层孔隙孔径以1.18 nm及以下的纳米级微孔孔隙为主。

综合低温液氮及压汞实验的分析结果可知，武乡地区Y井山西组泥页岩孔隙中主要发育介孔和微孔，15 nm及以下的孔隙是孔容的主要贡献者。

4.2 孔隙结构分形特征

4.2.1 页岩孔隙分型特征

根据Pfeiferp和Frenkel-Halsey-Hill(FHH)的分形模型公式:ln V=K ln［ln(p0/p)］+C，K=D-3(p0为气体吸附的饱和蒸气压，p为平衡压力，V为p对应的吸附体积，K为常数，D为分形维数)(陈燕燕等，2015)，对武乡地区Y井山西组泥页岩的低温液氮实验数据进行处理并计算出分形维数D，然后选取p0/p＞0.45的吸附数据对ln V与ln［ln(p0/p)］进行拟合。拟合结果(图7)表明，ln V与ln［ln(p0/p)］呈负的线性相关性，K=-0.266～-0.203，根据D=3+K求出分形维数D值介于2.760～2.800之间，相关因数R2均在0.95以上。一般来说，D值越靠近3，孔隙结构越复杂，储集性能越好，非均质性越强;D值靠近2，说明泥页岩孔隙表面属于光滑表面(Jaroniec，1995)。样品D值接近于3，说明Y井泥页岩孔隙结构较复杂且非均质性较强。

图7 研究区山西组泥页岩分形维数图Fig.7 Fractal dimension of mud shale in Shanxi Formation of the study area

4.2.2 分形维数影响因素

研究区山西组泥页岩矿物成分主要是黏土矿物和石英，因此详细讨论了两种主要矿物对分形维数的影响。如图8所示，分形维数D与黏土矿物含量之间的相关性不强，相关因素R2为0.480 1;分形维数与石英含量呈弱负相关性，相关因素R2为0.589 8，即分形维数随石英含量的增加而降低，其原因可能是研究区二叠系山西组泥页岩中石英的微裂缝发育程度较差。

进一步探讨分形维数与泥页岩各参数之间的关系，发现分形维数与总孔体积呈高度线性正相关关系，相关因素R2为0.890 9(图9)，即分形维数随平均孔径增加而增加;分形维数与BET比表面积拟合的相关因素R2为0.493 3，二者相关性不强;分形维数与平均孔径拟合的相关因素R2为0.923 1，呈高度线性负相关，即随着平均孔径的增大分形维数变小。分形维数与TOC含量拟合的相关因素R2为0.931 8，呈高度线性正相关，这表明有机质含量的增加使孔隙结构变得更加复杂。

图8 山西组泥页岩矿物成分与分形维数关系图Fig.8 Relationship between mineral composition and fractal dimension of mud shale in Shanxi Formation

综上所述，研究区Y井山西组泥页岩分形维数接近3，非均质性较强;总孔体积、平均孔径和TOC含量是泥页岩储层分形维数接近3的重要影响因素。

5 结论

(1)Y井山西组泥页岩矿物组成以黏土矿物和石英为主，有机碳含量高。泥页岩中孔隙以微孔和介孔为主，主要发育狭缝平板型孔和“细瓶颈”孔。泥页岩吸附曲线呈倒S型，属于Brunauer等温线类型分类方案中的Ⅱ型曲线，其解吸回线属于IUPAC分类方案中的 H2型，兼具 H1型及 H3型，属 De Boer分类方案中的B型，兼具E型及C型。泥页岩孔隙中主要发育介孔和微孔(＜50 nm)，15 nm及以下的孔隙是孔容的主要贡献者。

(2)采用FHH分形模型进行分析，分形维数D值介于2.760～2.800之间，D值接近3说明研究区泥页岩孔隙内部结构比较复杂，非均质性较强。矿物成分、总孔体积、平均孔径和TOC含量是泥页岩储层分形维数接近于3的重要影响因素。