煤系页岩矿物组成特征与含气量关系探析

尚 慧

(晋城职业技术学院，山西晋城 048026)

0 引言

页岩气是一种自生自储的油气资源，成烃母质在页岩内部产生后，先储集于有机质孔隙之中，再经由数次运移直至矿物间孔隙内。有机质成熟度、孔隙度、矿物组成、渗透率、储层厚度都是评估页岩气潜能的重要参数。在页岩气评价中，矿物特性是评估页岩气潜能的重要参考依据。前人对于页岩气储层的研究结果显示，超过50%的页岩气储集于矿物基质孔隙之中，但难于开发[1]；其他裂隙的发育额外提供了油气储集的空间，且能增加储层的渗透率，并能提供油气运移通道，增加油气生产率。页岩脆性矿物的含量对于页岩层中的裂隙有重要影响，一般而言，富含石英、长石、方解石等脆性矿物的页岩层有较高的脆性，其裂隙的发育优于富含黏土矿物的页岩层。黏土矿物含量较高的页岩层塑性较强，且其裂隙以平面重叠的状态分布，不利于油气储集[2]。依照北美页岩气产业发展的经验，我国在评估页岩气重点探勘区域(如四川盆地海相页岩分布区)时，对黏土矿物含量小于50%且脆性矿物含量高的页岩储层更为青睐。本研究基于国内华北地区海陆过渡相煤系页岩赋存区，展开了一些试验，试图构建该区域矿物组成与页岩气特性之间的某种联系。

1 工作方法

1.1 概况

本例中选择山西沁水盆地南部煤系地层中发育的页岩层作为研究对象，采样点具体位于晋城市沁水县柿庄镇西沟附近。该区煤系沉积地层分布总体为NE-SW复式向斜构造，东西宽约0.7 km，南北长约11 km，赋存有大量的高阶煤炭资源与煤层气资源，同时其下部石炭―二叠系泥页岩非常发育，总厚度一般为60～110 m[2]。本次共采集该地3口已完成钻孔内(编号分别为QS301、QS302、QS306)的6件页岩样品，采样深度约为865～1 300 m。

1.2 矿物组成分析

自研究区域采集不同深度的钻井页岩样本后，进行用样前处理，制备成标准岩石薄片。以偏光显微镜搭配矿物数点方式计量矿物组成，单片计数300点，记录矿物组成百分比及粗孔特征；同时使用扫描电镜在高倍率下对样本的微孔隙、微小矿物及结构进行观察，放大倍率约6.5×105倍。经过正式数点记录前的测试，发现本批样品普遍存在石英、碳酸盐、长石类矿物含量偏多，但界限不明显的状况。为了便于在后文阐述本研究主要观点，突出两类矿物在页岩矿物组成及含气性的贡献。在不影响镜下鉴定的基本研究方法前提下，特别对其进行了后期的影像单独放大和高亮效果处理。

1.3 页岩含气量测试

页岩中气体的开发对象主要有各种储集体系中的游离及吸附态气体为主，也包括一定成分的物理、化学包体气和溶解气。对页岩含气量的测试，即是在去除岩石表面和外部杂气的基础上，通过一定手段打开其内部封闭空间，并采用各种方法使多元气体完全释放出来，然后进行静态或动态测量。页岩气量测试较为复杂，首先要选择一种合理的解析手段，能够使不同赋存形态的气体都充分脱离岩体；脱气过程不仅要迅速、彻底，也要保证实验温度和压力保持在一定限度以下；此外，脱出气体的进样形式也是学界一直探讨的重点。只有保证含气量测试的严谨和科学，才能够最大程度获取页岩气中所蕴含的地质、地球化学信息。

本例中采用笔者曾研发的一种高真空下电磁脉冲碎岩脱气系统进行(图1)[3]。该方式下使用特制的样品封存及解析罐，利用电磁脉冲作用于岩石内部，将矿物颗粒快速分离并持续碎至粉末状，再通过高温作用使页岩气完全释放。单次盛样量约50 g左右，破碎时间2 min。气体释放体积测定采用MAT271气体质谱仪，质量检测范围最大可达到为300～360 amu(原子质量单位)，混合气体常规浓度检测比重为0.000 1%～100%。检测原理为利用不同气体化学组分的分子量差异，运用磁场扫描对其逐个分离后进行测定。所测气样包含轻烃、氮气、氧气、二氧化碳、氢气、氦气、氩气、氪、氙等页岩气主要组分及稀有气体成分。

①页岩破碎装置；②温控器；③冷阱；④分子泵；⑤载气储罐；⑥流量阀；⑦抽气泵；⑧取样口；⑨气体富集装置；⑩截止阀

2 研究结果

2.1 矿物组成特征

经过镜下鉴定，发现样本中的矿物来源较为丰富，主要包括成岩过程中的自生矿物和陆源矿物。镜下观察陆源矿物主要有石英、长石、碳酸盐类矿物和黏土矿物等，大部分自形程度完好的方解石和黄铁矿为成岩过程中的自生矿物。矿物具体组成特征见表1。

表1 样本矿物组成观察结果

图2为样本岩石薄片于偏光显微镜下的岩相照片。观察结果显示306井样本的石英矿物所占比例较大，且粒径较大，矿物颗粒间的胶结物较少。石英的抗风化能力与其他矿物相比来得强，不易受风化作用而产生黏土矿物造成孔隙阻塞。302井样本亦含有高比例的石英，孔隙率及渗透率良好。302-01样本石英含量略高于302-02，然而由矿物数点结果得知302-02页岩的长石含量约为302-01的两倍，由于长石稳定性较差，易形成黏土矿物而阻塞孔隙，因此302井上段页岩层之孔隙率及渗透率不如下段良好。

301井页岩岩相照片 302井页岩岩相照片 306井页岩岩相照片(A:单偏光；B:正交偏光)

301井样本的石英矿物含量皆低于40%，且可观察到以黏土矿物为主的基质较多，且矿物颗粒间充满岩屑以及胶结物。岩层中可观察到石英、长石及云母等矿物存在，然而这些矿物受风化作用影响显得较为破碎，且大部分皆形成黏土矿物填充于孔隙中，在薄片观察中难以细分；当中301-01样本的胶结物在六个岩石切片中出现陡增，孔隙阻塞情形最为严重。

总体来看，石英含量较高的样本具有较良好的孔隙率及渗透率。在302井与306井的比较中可推测长石含量可能会导致孔隙阻塞，造成孔隙率及渗透率下降，然而长石亦可能受溶解作用产生次生孔隙，即便在镜下并无观察到。低孔隙率及低渗透率的样本中皆可观察到黏土矿物形成的胶结物阻塞孔隙的情况，关于黏土矿物的生成不利于油气的储集与开采的研究已成共识，但关于长石影响页岩垂向层段局部倒转的情况还属少见。长石类矿物在风化和沉积过程中，易受到沉积物中流体和酸液的侵蚀而发生部分溶解；但这种溶解的进程会在它内部表现出较大的差异性。因长石类矿物主要包括钾长石、钠长石、钙长石等，三类矿物在相同的温压条件下溶解速度和向其他矿物(如部分黏土矿物)转化程度有很大出入。部分表现为脆性矿物属性，部分黏土特征更加明显。

本例中黏土矿物分布在脆性矿物颗粒之间，呈黑褐色不规则团块状，类似胶结物。镜下显示为不透明或半透明，一般和硫化物、隐晶质石英和有机质混合共生。利用扫描电镜对岩样黏土矿物的孔隙结构进行微观观察，可见其中主要为：伊利石、绿泥石和蒙脱石。其中伊利石主要以不规则的片状或鳞片状形式出现，且直径较长，边缘锯齿状，厚度不大，但彼此交错重叠，部分显示蠕虫状特征；绿泥石以玫瑰状或叶片状为主，厚度较小，大小极不匀称，很多呈卷曲形式半包裹在脆性矿物表面；蒙脱石结晶程度较差，颗粒较小，约一半以上呈团状或絮状形式存在。

此外，图3可看到页岩样本中的石英矿物上有莓球状黄铁矿集合体生成，此情形可能阻塞脆性矿物上的微孔隙而降低流体通过率。图3b、图3c观察中亦可见到莓球状黄铁矿集合体出现于黏土矿物中。如图3c所示样本的观察可见到黏土矿物中有微孔隙生成，推测其原因应为矿物的溶解扩散作用所致，虽然这些微孔体系会增加水、气扩散效应，然而其相互之间连通率不佳，对于渗透率的影响并不大；唯有脆性矿物间形成的多切面微裂隙对岩层的渗透率起到的作用较大，且提供油气生成后额外的储集空间，而黏土矿物中的孔道多以平面微孔为主，对于油气储集的效益可能不大。

图3 页岩样本多维度SEI影像Figure 3 Multidimensional SEI image of shale samples

2.2 样品含气量结果

选取上述光学鉴定同批页岩切削后保留的大块岩心样品，单个岩石重量约300 g,在相对洁净和干燥的环境中将其加工为均重50 g左右的解析样品4份，并迅速放入特制解析罐中封闭备用。为保证测试结果的可靠性，对同一样品进行4次平行试验。

测试过程：样品封装后，将罐体上方抽气管线一分支接入机械泵体中进行恒压抽气，打开罐体上方截止阀，此目的为去除样品表面吸附的杂气；抽气一定时间后关闭机械泵，打开另一侧抽气管线并接入高真空分子泵中，待分子泵显示系统中气量接近真空值后，启动电磁破碎装置进行碎样，破碎时间约40s(参照致密烃源岩粉碎时长试验标准)；打开解析罐上方进样口，气体通过负压方式进入质谱端，记录此时气量大小并分析化学组成；初次破碎释气结束后，将系统中低温封存的CO2气体加热后释放，单独测量；此步骤结束后，对罐体内粉碎后的岩样进行140 ℃恒温加热10min,使剩余的滞留残余气再次释放并进入质谱端测量。如此两个步骤反复进行3次，直至样品内所有气体全部得以释放并被有效计量。通过对不同样品的重复性解吸测试，取平均值作为最终参考，根据脱气后的气体总量，按照样品体积和质量转换为标准状态下钻孔剖面页岩气含量，同时得到页岩气主要组分表2所示。

表2 页岩样品真空破碎后解吸气测量结果

据此可知，山西沁水盆地南缘煤系页岩具有相当的总含气量和烃类化学组分规模；破碎后释气量具有一定线性分布规律，主要组分以轻烃和二氧化碳为主，平均分别为56%和23%以上，空气成分基本在9%以下；烃类的主要组成为甲烷，含量达90%以上，并含少量的乙烷，含量平均为9 %；页岩气特征为干气，干燥系数达0.93以上。

3 结果分析

从上述结果可以看出，样本所在区域随着勘探深度的不断增加，大部分矿物垂向变化也很明显。无论页岩气有机地球化学特征从属于何种类型，对于矿物组成影响下的气体化学构成特别是烃类气体生产能力来说都具有普遍适用性。随着脆性矿物含量的增加，页岩总含气量和碳质气体组分含量也持续增加，同时黏土矿物含量随之减少。证明我国华北地区煤系页岩储层特征与北美地区页岩和我国南方古生代页岩赋存区具有一定地质地化共性。

煤系页岩形成过程中，来自上覆沉积物的压力逐渐增大，搬运至盆地内部的大颗粒矿物逐渐失去支撑而破碎，同时颗粒间隙随之增大；但由于不同矿物颗粒组成形式、形状、抗压能力差异较大，导致页岩内孔隙形态千差万别[4-7]。脆性矿物若能以绝对比例和相对完整的形态保留下来，对平衡上覆岩层压力的贡献依然是最大的。本例中经过光学鉴定，发现样本中主要脆性矿物主体结构依然完好，并且总含量超七成以上，避免了黏土和有机质的进一步黏连，保留了大量可供油气流通的原生孔隙和微裂缝。

本例中发现有大量碳酸盐成分，且其含量大于一般煤系页岩赋存代表区域，这与沁水盆地南缘特殊地质演化阶段和古地理环境有关。一般来说，碳酸盐矿物容易受到水和酸性流体的侵蚀而迅速转化或形成大量溶蚀边，导致孔隙、裂隙通道被封锁[8-9]。但从研究中发现，本区碳酸盐矿物有接近四成以上保存完好，部分边界虽然也出现溶蚀、次生现象，但总体厚度不大，且矿物转化程度也较低，推测可能为该地古地理环境利于中下层岩石中水分迅速下泄排出，碳酸质得以相对完整地保存下来；而且在发现的溶蚀边内部出现多孔结构，也间接帮助了油气组分的释出。另外，作为本区还原沉积环境的标志物，大量发现的莓球状黄铁矿的成因及分布也是我们需要关注的一个方面。因黄铁矿结晶作用较弱，其表面和内部呈现疏松多孔形态，在矿物组成特征上，可将其视为“黏土化的脆性矿物”，总体来说还是为岩石孔隙结构的发育贡献了一定力量；且黄铁矿等硫化物与其他矿物的共生能力很强，极易吸附在较大颗粒矿物周围，无形中充当了脆性矿物的“保护伞”，且能在黏土矿物中占据一定空间，有利于次生孔隙的进一步扩展[10-13]。综上所述，多种脆性矿物的存在有利于煤系页岩内部孔隙结构的保存和发育，对于含气量的增加是主导性的。

黏土矿物一般被视为会阻碍页岩内部孔隙发育，但这种阻碍作用也是复杂的。因为其塑性表现较强，在压力作用下很容易变形，导致堵塞矿物颗粒间隙和微孔；但同时我们也发现，有些情况下黏土矿物会联结成围绕基底颗粒之间相互平行且稳定抗挤压的特殊结构，反而在岩石内部撑起了一条条能够联通的层间微裂缝。但前提条件是这种后生形成的黏土裂缝体系是建立在脆性矿物颗粒较大且分布较均匀的情况之下的，总体来说，黏土矿物总量的增加是不利于页岩气流动的。但由于其对有机质形成和演化的辅助作用，在实验室含气量解析试验中，只要岩石结构被完全打开，气量是不受此类矿物影响的。但从工业开发角度来讲，则明显呈现相反结果，需要辩证对待。

同样为黏土矿物，伊利石的含量、形态和胶结特征也在很大程度上影响着煤系页岩的储层特性。在沉积旋回的各个阶段，伊利石的来源主要有两种：陆源碎屑沉积和自生自储形式[14-15]。源于风化侵蚀后的大量黏土碎屑在短时间内搬运沉积于盆地内部，矿物颗粒易受高速湍流撞击而支离破碎，晶型极不完整，且容易堵塞其他矿物颗粒间孔道；而本例中通过镜下观察，还是能够看到高岭石的较完整骨架和颗粒界限的，说明其来源可能大部分为原生沉积物中的硅酸盐矿物经蚀变重结晶后转化而来，较少受到外力影响，这种情况下生成的伊利石对颗粒间隙的充填作用相对较弱。从样品伊利石及其他黏土矿物含量和含气量表现来看，垂向上黏土含量随深度增加减小，但总体变化不大；而气量增幅较大，表明在本例样本中没有明显表现出黏土成分对页岩气活动的阻滞效应。

从上述结果中分析，沁水盆地南部煤系页岩层矿物结构虽然也遵循此消彼长的规律，但因该地区分布有大面积石灰岩层，为整个页岩体系的物质组成贡献了大量碳酸盐成分，且因碳酸盐沉积后作用水含量较少，碳酸盐类矿物并未形成胶质堵塞孔隙，反而增加了脆性矿物的含量和平均分布，在后期各种地质营力作用下，为页岩气运移所必需的裂缝和孔隙提供了便利。本区黏土矿物基本上以低变质程度下的伊利石为主，虽然部分蚀变胶结化，但从结果来看并未影响含气性能，还观察到可能因其粒度较粗，且有大量平均分布的脆生矿物支撑孔道，因此并未对整体矿物组成、岩层结构和有机质运移带来实质影响。而一定比例的绿泥石、黄铁矿和蒙脱石等，对有机质生烃效果和吸附量的提升却起到了催化作用。

要特别提到的是，矿物中长石组分在一定层段的增加对页岩气含量产生了一定程度的影响：因长石可进一步经风化或变质作用形成塑性矿物，会对岩石内部流体通道产生阻碍，要特别予以关注。

4 结论

1)以沁水盆地南部为代表的华北煤系页岩储层矿物组成较为丰富，主要以石英、碳酸盐等脆性矿物为主，可占到70%～89%；另外为黏土矿物，约占7%～18%，且含有一定比例的长石成分。页岩气生成量与脆性矿物和黏土矿物的比例有着密不可分的关系，整体矿物组成和结构分布特征有利于页岩气生成及运移，可作为煤层气以外的下一步勘探开发目标。

2)在对煤系页岩结构的进一步分析中发现，代表性矿物的占比、矿物晶体保存完好程度、各矿物次生结构的发育程度是影响储层物性和页岩含气量的主要因素。本例中脆性矿物含量较高，且结构完整、保存条件较好，为页岩气运移提供了广泛的颗粒间隙和骨架支撑；黏土矿物生成的部分次生微裂缝结构平衡了由其塑性变形带来的不利作用。

3)对页岩含气量的实验室测试设备和系统仅用来做特征和关联性对比，在方法上还存在着一些不足：如在样品气进样前富集处理技术还有待改进，需要辨别和分离组分中C2+以上的烃类含量；另外，本例所指页岩气主要为解吸部分，对于之前地下页岩层逸散部分气量的还需要结合一定的回归计算公式加以补充。