李陽陽，李賢慶，張學慶，肖賢明，于振鋒，王保玉

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；3.中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京 100083；4.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048006；5.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司，山西晉城 048000)

頁巖氣已成為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，加快推進頁巖氣的勘探開發(fā)對緩解中國油氣供需矛盾具有重要意義[1]。世界頁巖氣主要分布在北美洲、亞太、南美、中東和北非地區(qū)[2]。美國、中國和加拿大已實現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)開發(fā)。中國含煤盆地多，煤系泥頁巖廣泛發(fā)育，形成時代跨度較大，從石炭系至新近系均有分布[3]，在南方地區(qū)、中東部地區(qū)、西北地區(qū)及青藏地區(qū)具有良好的頁巖氣勘探前景[4]。我國對頁巖氣儲層特征及評價主要集中在南方海相頁巖，而對華北地區(qū)廣泛發(fā)育的海陸過渡相煤系頁巖氣儲層研究較少。海陸過渡相煤系泥頁巖地層頻繁與煤層、致密砂巖互層，縱橫向變化快，單層厚度小，累計厚度大，受地質(zhì)構(gòu)造、沉積相影響較大[5]。

沁水盆地是華北地區(qū)重要的含煤盆地，普遍發(fā)育海陸過渡相煤系泥頁巖[6]，具有較好的頁巖氣資源潛力。學者針對沁水盆地及部分有利區(qū)已開展過砂巖、頁巖氣的勘探與資源評價[7-10]，但針對沁水盆地陽泉區(qū)塊煤系頁巖氣儲層特征的研究較少。筆者基于井下巖心樣品，運用巖石熱解、X射線衍射、掃描電鏡、高壓壓汞、低溫N2和CO2氣體吸附實驗方法，擬對沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖的有機質(zhì)特征、礦物組成、儲層孔隙類型、儲集物性、孔隙結(jié)構(gòu)特征進行研究，旨在為沁水盆地煤系頁巖氣儲層評價與優(yōu)選提供基礎(chǔ)資料和科學依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地位于山西省東南部，總體呈NNE—SSW向復式向斜構(gòu)造[11]，是中生代末在古生界基底上發(fā)育形成的近南北向的大型復式向斜構(gòu)造盆地，盆地總體構(gòu)造較簡單，內(nèi)部次級褶皺發(fā)育，斷裂不太發(fā)育，處于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，僅在盆地邊緣發(fā)育一些較大規(guī)模的斷裂，邊緣構(gòu)造活動性增強[12]。沁水盆地歷經(jīng)華北陸表海盆地、內(nèi)陸表海海陸交替沉積為主的近海坳陷及陸相碎屑巖沉積為主的內(nèi)陸坳陷的古地理演化過程[13]，具有煤層氣開發(fā)優(yōu)勢[14]。陽泉區(qū)塊位于沁水盆地北部。

沁水盆地地層發(fā)育較全，自下(老)而上(新)主要有下古生界中奧陶統(tǒng)峰峰組(O2f)、上古生界上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)、上石炭-下二疊統(tǒng)太原組(C2-P1)t、下二疊統(tǒng)山西組(P1s)和下石盒子組(P1x)、中二疊統(tǒng)上石盒子組(P2s)和石千峰組(P2sh)、中生界三疊系(T)、新生界第四系[15]。太原組沉積期是盆地主成煤期，沉積地層平均厚度約105 m，煤層與灰?guī)r、暗色泥巖和砂巖交替沉積，山西組沉積期是另一個主成煤期，煤層與碎屑巖伴生發(fā)育，沉積地層厚度平均80 m。上古生界煤系泥頁巖分布于二疊系下石盒子組、山西組和石炭-二疊系太原組(圖1)，泥頁巖單層厚度小，為1～20 m，巖性組合主要為泥頁巖、煤層、砂巖與灰?guī)r互層。

2 樣品與實驗方法

選取沁水盆地陽泉區(qū)塊3口鉆井(YQ-01、YQ-02、YQ-04)的18塊樣品，采自山西組、太原組、石盒子組煤系頁巖巖心，為灰黑色、黑色泥巖和炭質(zhì)泥巖，取樣深度為267～625 m。本次研究主要采用了巖石熱解、X射線衍射、掃描電子顯微鏡、高壓壓汞、低溫N2和CO2氣體吸附實驗方法，均按照國家或行業(yè)推薦的實驗規(guī)范或標準完成。

巖石熱解分析實驗在OGE－Ⅱ油氣評價儀上進行，操作過程嚴格依據(jù)GB/T18602—2012《巖石熱解分析》。全巖礦物含量使用日本理學Dmax/2000-PC-X射線衍射儀測定，定量分析采用步進掃描，按照(GB5225—86)的K值法完成。頁巖孔隙特征的掃描電鏡(SEM)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)測試儀器為MerlinGemini型顯微鏡(高分辨率模式下可達3.0 nm)和Quanta200F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(分辨率可達1.8 nm)上進行。高壓壓汞實驗在AutoPore Ⅳ9500型壓汞儀上完成，測試孔徑范圍為5 nm～950 μm，壓汞法可以提供頁巖總孔隙率、宏孔甚至微裂縫的信息。N2吸附實驗采用ASAP2460型比表面及孔隙分析儀，應(yīng)用BJH理論對N2吸附-脫附曲線進行分析，可以得到孔隙幾何形態(tài)、介孔的孔容和比表面積以及平均孔徑等信息。CO2吸附實驗采用ASAP2020型比表面及孔隙分析儀，并應(yīng)用DFT模型對CO2吸附-脫附曲線進行分析，可以得到孔隙幾何形態(tài)、微孔的孔容和比表面積等信息。實驗采用的吸附-脫附相對壓力(p/p0)范圍為0.001～0.998。

圖1 沁水盆地陽泉區(qū)塊取樣井位置及上古生界地層綜合柱狀圖Fig.1 Location map of sampling wells in Yangquan Block of Qinshui Basin and comprehensive histogram of Upper Paleozoic strata

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 有機質(zhì)特征

總有機碳含量(TOC)是評價泥頁巖生氣質(zhì)量好壞的重要指標[16]。見表1，沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品有機質(zhì)豐度普遍較高，TOC質(zhì)量分數(shù)平均為4.90%。石盒子組煤系頁巖TOC質(zhì)量分數(shù)平均為8.81%，山西組煤系頁巖TOC質(zhì)量分數(shù)平均為14.10%，太原組煤系頁巖TOC質(zhì)量分數(shù)平均為1.79%，在煤層附近受煤層發(fā)育影響，TOC含量較高。石盒子組煤系頁巖生烴潛量(S1+S2)為0.50～3.29 mg/g，平均值為1.69 mg/g，山西組煤系頁巖生烴潛量為0.29～3.49 mg/g，平均值1.78 mg/g，太原組煤系頁巖生烴潛量為0.10～0.56 mg/g，平均值0.24 mg/g。可見，沁水盆地陽泉區(qū)塊石盒子組和山西組煤系頁巖具有較高的生烴潛量，而太原組煤系頁巖生烴潛量相對較低。

確定有機質(zhì)成熟度常用的指標是鏡質(zhì)體反射率(Rran)，它是頁巖氣評價的重要參數(shù)。研究區(qū)頁巖樣品Rran分布在2.09%～2.56%，平均為2.32%，熱解最高峰溫Tmax介于541～592℃，平均值為564℃(表1)。該區(qū)上古生界煤系頁巖顯微組分組成中，以鏡質(zhì)組含量最高，惰質(zhì)組含量次之，殼質(zhì)組含量較低，有機質(zhì)類型主要為Ⅲ型干酪根，有機質(zhì)成熟度高，屬于過成熟階段，有利于生氣。

3.2 礦物組成

煤系頁巖具有復雜的礦物組分，礦物組分含量不同影響著頁巖孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響氣體的吸附和儲存。黏土礦物對氣體有較強的吸附能力，其含量的高低影響著頁巖吸附含氣量的大小[9,17-18]。全巖X衍射實驗分析得出陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品黏土礦物質(zhì)量分數(shù)最高，為23.9%～71.4%，平均為50.0%，石英質(zhì)量分數(shù)次之，介于27%～60.0%，平均39.8%，伊蒙混層平均質(zhì)量分數(shù)為27.5%，伊利石質(zhì)量分數(shù)平均為11.7%，高嶺石質(zhì)量分數(shù)平均為7.1%，綠泥石質(zhì)量分數(shù)平均為3.7%，白云石平均質(zhì)量分數(shù)為2.4%(表2)。頁巖中脆性礦物含量是頁巖儲層能夠通過壓裂造縫獲得工業(yè)氣流的重要原因之一[19-21]。與北美地區(qū)Barnett頁巖[22]、新疆阜康地區(qū)八道灣組頁巖[23]相比，陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖的黏土礦物含量較高，脆性礦物含量較低，表明陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖儲層可壓裂性較差，會影響頁巖氣的開發(fā)，但因黏土礦物吸附性強，有利于吸附更多的頁巖氣。

表1 沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品的基本物性特征Table 1 Basic characteristics of coal measures shale samples from Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

表2 沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品礦物組成Table 2 Mineral composition of coal-measure shale samples from Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

3.3 孔隙類型特征

泥頁巖作為致密儲層，孔隙系統(tǒng)復雜?？紫堵适窃u價頁巖儲層孔滲能力和游離氣含量的重要參數(shù)，頁巖孔隙率越大，頁巖總含氣量越高[24]。頁巖儲層中孔容與孔比表面積是重要的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，其大小及發(fā)育特征直接影響頁巖氣的賦存，對于頁巖氣資源量評估起到重要作用[25-26]。沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品孔隙率介于2.76%～11.10%，平均6.61%，滲透率分布范圍為(0.003 5～0.011 2)×10-3μm2，平均為0.006 3×10-3μm2，屬于低孔低滲特征，但與淮南煤田山西組煤系頁巖[27]相比，孔隙率和滲透率相對稍高。

利用掃描電鏡可以直觀地觀察頁巖中孔隙的賦存狀態(tài)。R.G.Loucks等[17]把孔隙分為粒間孔、粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔和微裂縫，受礦物組成、壓實和溶蝕等作用影響，孔隙發(fā)育類型及形態(tài)多樣[28]。根據(jù)掃描電鏡結(jié)果，可以看出陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品中有粒間孔、粒內(nèi)孔和微裂縫(圖2)。粒間孔和粒內(nèi)孔主要發(fā)育于礦物基質(zhì)中，這類孔隙易受壓實作用、溶解作用和礦物相變等成巖作用控制。頁巖樣品中粒間孔受礦物組成種類以及壓實、溶解作用等影響，孔隙形態(tài)呈片狀、三角形及不規(guī)則形狀(圖2a—圖2c)，此類孔隙連通性較好，有利于頁巖氣的運移。粒內(nèi)孔在黏土礦物顆粒層間有一定發(fā)育(圖2c—圖2e)，孔徑相對較小，較易受到構(gòu)造、成巖應(yīng)力作用的影響，由于黏土礦物內(nèi)部層狀和片狀結(jié)構(gòu)，黏土基質(zhì)可以形成有效的支撐，使得部分孔隙在演化中得以保存。有機質(zhì)孔是頁巖儲層獨有且重要的氣體吸附空間，形態(tài)多為橢圓形、圓形和蜂窩狀，但此類孔隙在研究區(qū)并不發(fā)育，僅在少量樣品中可見(圖2f)，有機質(zhì)孔發(fā)育程度較北美地區(qū)Barnett頁巖[22]和淮南煤田山西組煤系頁巖[27]都要低，原因可能是由于研究區(qū)煤系頁巖處于過成熟階段，同時受多期次海侵、海退交互沉積相變及地質(zhì)構(gòu)造的影響，一部分孔隙扭曲變形，遭到破壞而閉合[29-31]。微裂縫是頁巖氣產(chǎn)出的基本通道，有利于頁巖氣的儲存和滲流，也是孔隙系統(tǒng)的重要組成部分[32]，在研究區(qū)也能看到部分微裂縫(圖2g—圖2i)，主要為外力作用下形成的外生裂隙，它們多是沿片狀黏土礦物裂開形成的裂縫?？傮w而言，陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖中的微米-納米級孔隙為頁巖氣的賦存提供了儲集空間。

圖2 沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品掃描電鏡圖像Fig.2 Scanning electron microscope images of coal-measure shale samples from Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

3.4 孔隙結(jié)構(gòu)特征

頁巖孔隙的結(jié)構(gòu)特征影響儲層的儲集性能[33-36]。根據(jù)國際理論與應(yīng)用化學聯(lián)合會(IUPAC)標準，將頁巖納米級孔隙按孔徑d大小劃分為宏孔(d＞50 nm)、介孔(d=2～50 nm)和微孔(d＜2 nm)3種類型[37-38]。為綜合表征頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及不同孔徑分布特征，本文分別采用高壓壓汞實驗、低溫N2吸附實驗、低溫CO2吸附實驗對宏孔、介孔和微孔的孔隙結(jié)構(gòu)特征進行研究。

沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品N2吸附-脫附曲線(圖3a)與IUAPC定義的Ⅳ型等溫吸附曲線和H3型遲滯環(huán)類型相似[24-25]。吸附曲線在相對壓力(p/p0)＜0.5時，曲線向上微凸，當相對壓力(p/p0)＞0.5時，曲線由緩慢上升逐漸變?yōu)檠杆偕仙?，在相對壓?p/p0)接近1.0時曲線急劇上升。樣品在吸附氮氣的過程中出現(xiàn)了毛細管凝聚的現(xiàn)象，脫附曲線與吸附曲線不完全重合，產(chǎn)生了回滯環(huán)，脫附曲線在相對壓力(p/p0)=0.5時陡然下降，在相對壓力(p/p0)小于0.45時，與吸附曲線相差較小，隨著相對壓力的減小，逐漸趨于重合。表明陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖孔隙結(jié)構(gòu)以狹縫型孔和板狀孔為主。陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品CO2吸附-脫附曲線(圖3b)與IUAPC定義的Ⅰ型等溫曲線相似，其吸附氣量整體增加較少，在飽和蒸氣壓階段吸附量接近飽和，可以反映出頁巖中微孔填充現(xiàn)象，說明有小于2 nm微孔的存在，因為此時的CO2吸附-脫附過程是在相對壓力(p/p0)較小的情況下進行，沒有毛細管凝聚現(xiàn)象的產(chǎn)生，所以脫附曲線與吸附曲線重合。

結(jié)合高壓壓汞法、低溫N2和CO2氣體吸附實驗結(jié)果(表3和圖4)，進一步分析陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品表明：平均孔徑介于21.58～37.83 nm，平均28.80 nm，較淮南煤田山西組煤系頁巖[27]略大。陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品總孔容介于0.025 5～0.051 7 mL/g，平均為0.038 9 mL/g，微孔、介孔、宏孔的孔容平均分別為0.004 3、0.025 9、0.008 6 mL/g，其中，介孔所占比例最高，其次是宏孔，微孔雖數(shù)量較多，但其體積小，因此所占比例最小。陽泉區(qū)塊煤系頁巖樣品的總比表面積主要分布在12.64～40.98 m2/g，平均為28.43 m2/g，微孔、介孔、宏孔的比表面積平均值分別為14.38、12.76、1.28 m2/g，為頁巖氣的儲集和吸附提供了儲存空間。陽泉區(qū)塊煤系頁巖樣品總孔容和總比表面積與黔北地區(qū)龍馬溪組海相頁巖[39]相仿，但孔容分布有所不同，黔北地區(qū)龍馬溪組海相頁巖宏孔孔容更大。陽泉區(qū)塊煤系頁巖樣品總孔容和總比表面積較川南地區(qū)龍馬溪組海相頁巖[40]較大，不同類型孔隙分布特征基本一致。

表3 沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of pore structure of coal-measure shale samples from Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

圖4 沁水盆地陽泉區(qū)塊煤系頁巖孔隙孔容和比表面積分布Fig.4 Distribution of the pore volume and the specific surface area of coal-measure shale in Yangquan Block,Qinshui Basin

陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖樣品孔隙的孔容與比表面積之間存在一定的關(guān)系(圖5)：微孔、介孔的孔容與比表面積呈良好的正相關(guān)性，而宏孔孔容與比表面積則相關(guān)性差?？傮w而言，孔容與比表面積呈一定的正相關(guān)性，這與張敏等[23]對新疆阜康地區(qū)八道灣組頁巖樣品的研究認識基本一致。

綜上所述，沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖總孔容平均為0.0389 mL/g，總比表面積平均為28.43 m2/g，平均孔徑為28.80 nm，孔隙主要為微孔、介孔，因而具有較好的頁巖氣儲集性能，但頁巖儲層可壓裂性較差，會對頁巖氣的開發(fā)造成不利的影響。

圖5 沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖孔容與比表面積的關(guān)系Fig.5 Relationship between the pore volume and the specific surface area of coal-measure shale of Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

4 結(jié)論

a.沁水盆地陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖有機質(zhì)豐度較高(TOC平均為4.9%)，熱演化程度處于過成熟階段(Rran平均2.32%)；礦物組分中黏土礦物含量較高(質(zhì)量分數(shù)平均為50.0%)，脆性礦物含量較低。

b.陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖具有低孔低滲特征，孔隙率平均為6.61%，滲透率平均為0.006 3×10-3μm2，孔隙類型以粒間孔、粒內(nèi)孔和微裂縫為主，為頁巖氣的賦存提供了儲集空間。

c.陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖孔隙總孔容為0.025 5～0.051 7 mL/g(平均0.038 9 mL/g)，總比表面積為12.64～40.98 m2/g(平均28.43 m2/g)，微孔、介孔的孔容與比表面積呈良好的正相關(guān)性，說明微孔和介孔是陽泉區(qū)塊煤系頁巖氣儲集的主要載體。

d.陽泉區(qū)塊上古生界煤系頁巖具有較好的頁巖氣儲集性能，但頁巖儲層可壓裂性較差，會影響頁巖氣的開發(fā)。