馬如英，張健，王猛,3，馬文鵬，趙健光

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.陜西煤田地質(zhì)項(xiàng)目管理咨詢有限公司，陜西 銅川 727000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)連續(xù)氣藏，是由熱成因、生物成因或混合成因形成的天然氣，主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于頁(yè)巖(泥巖)中及其所夾碳酸鹽巖中[1]。近年來(lái)，在頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，頁(yè)巖的微觀非均質(zhì)性受到眾多學(xué)者關(guān)注?；谠囼?yàn)手段，主要從有機(jī)質(zhì)賦存特征和有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征；礦物組分含量和空間分布特征；微觀孔隙類(lèi)型、發(fā)育和連通性特征；頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙性和力學(xué)脆性受有機(jī)質(zhì)、礦物的發(fā)育特征影響；頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性和氣體吸附性評(píng)價(jià)等方面展開(kāi)研究[2-7]。此外，在數(shù)據(jù)提取上，T.B.B.Mandelbrot[8]提出的幾何分形理論在描述復(fù)雜多孔介質(zhì)方面取得了廣泛的應(yīng)用。不同學(xué)者應(yīng)用image pro plus(IPP)分析頁(yè)巖及煤中各孔隙類(lèi)型時(shí)，指出各孔隙類(lèi)型的非均質(zhì)性較強(qiáng)，具有明顯的分形特征[9-10]。

沁水盆地作為我國(guó)重要的聚煤盆地，經(jīng)歷了多期次的海侵海退，發(fā)育一套典型的以碎屑巖為主，夾有碳酸鹽巖和煤層的海陸過(guò)渡相沉積地層。在沁水盆地的非常規(guī)天然氣勘探中，發(fā)現(xiàn)幾乎所有煤層氣井都含有頁(yè)巖氣，且在某些致密砂巖中發(fā)現(xiàn)了工業(yè)氣流[12]。17口井的測(cè)井資料顯示，沁水盆地泥頁(yè)巖主要發(fā)育在石炭-二疊系煤系地層中，頁(yè)巖氣資源較為豐富，且太原組是頁(yè)巖氣最有利勘探層位[12-15]，具有較大的勘探潛力。

目前，學(xué)者們已展開(kāi)對(duì)沁水盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層特征(組分和孔隙結(jié)構(gòu)特征)和含氣性特征的相關(guān)研究[14-17]，由于頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要發(fā)育在納米尺度上，受研究尺度和量化程度影響，研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性仍處于起步階段，因此，需要更加精細(xì)地表征頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性特征，進(jìn)一步探討頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性特征對(duì)頁(yè)巖氣賦存、富集、開(kāi)采的影響。本文以沁水盆地石炭-二疊系山西組和太原組為研究對(duì)象，分析頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)地化特征和礦物成分特征，基于SEM描述各孔隙類(lèi)型的分形特征，通過(guò)高壓壓汞和低溫氮吸附試驗(yàn)，表征頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征并探討影響孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育的因素。在此基礎(chǔ)上，討論了組成頁(yè)巖儲(chǔ)層物質(zhì)成分特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)儲(chǔ)層含氣性的影響機(jī)理，以期為沁水盆地海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣的研究和勘探提供一定的理論參考。

1 研究區(qū)概況

沁水盆地處于我國(guó)山西省東南部，形成于華北古生界基底之上的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。在加里東時(shí)期，經(jīng)歷隆生→剝蝕→夷平→準(zhǔn)平原化作用，為沉積成巖作用奠定了良好的條件。在石炭-二疊紀(jì)，盆地內(nèi)廣泛發(fā)育海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖地層，其中煤系頁(yè)巖主要以山西組和太原組為主，太原組發(fā)育一套潮汐三角洲、障壁島和碳酸鹽巖沉積體系，山西組為一套河控三角洲沉積地層，巖性主要為泥巖、含粉砂泥巖、細(xì)粒砂巖和碳酸鹽巖等。在二疊紀(jì)晚期—三疊紀(jì)發(fā)生大規(guī)模的沉降運(yùn)動(dòng)，使區(qū)內(nèi)大規(guī)模煤系頁(yè)巖得以封存、保留。盆地內(nèi)構(gòu)造穩(wěn)定，主要以開(kāi)闊的短褶皺為主，幅度和面積較?。粩嗔巡话l(fā)育，主要集中于盆地邊緣，以東為太行山隆起，以西為霍山隆起(圖1)。因而從沉積到構(gòu)造活動(dòng)，均有利于頁(yè)巖氣的富集成藏。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖(文獻(xiàn)[11])及采樣點(diǎn)層序柱狀圖

2 樣品與試驗(yàn)

在本次研究中，巖石樣品均采自沁水盆地石炭-二疊紀(jì)地層，共采集53塊巖樣(山西組13塊，太原組40塊)，巖性多為泥巖、砂巖和粉砂巖。各項(xiàng)試驗(yàn)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)要求進(jìn)行相關(guān)測(cè)試分析。其中有機(jī)碳含量和巖石熱解分析依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19145-2003和GB/T18602-2012，使用CS-800O和G-2000V儀進(jìn)行試驗(yàn)；干酪根類(lèi)型和鏡質(zhì)組反射率分析依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5125-1996和SY/T5124-1995，儀器為L(zhǎng)eica DM4500p；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5163-2010，使用日本理學(xué)SmartLab對(duì)全巖和黏土礦物X射線衍射試驗(yàn)；掃描電鏡依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5162-1997，采用Tescan/OXFORD型掃描電鏡進(jìn)行鏡下觀察。壓汞試驗(yàn)應(yīng)用Quantchorme poremaster儀，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21650.1-2008在30 ℃進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)前將樣品制成1 cm3的小塊，在70～80 ℃下干燥12 h，試驗(yàn)中，最大進(jìn)汞壓力為413 MPa；低溫氮吸附試驗(yàn)是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21650.3-2011，儀器為V-Sorb 2800TP等溫吸附儀，試驗(yàn)前，樣品需制成60～80目的顆粒，在-196 ℃下進(jìn)行抽真空預(yù)處理3 h；甲烷等溫吸附試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19560-2008，應(yīng)用ISO-300等溫吸附儀，在30 ℃條件下，油浴鍋溫度控制精度0.1 ℃，壓力測(cè)量精度0.689 5 kPa下進(jìn)行試驗(yàn)；含氣量檢測(cè)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19559-2008，儀器為HT-WB12恒溫水浴解吸箱和解吸罐。

3 結(jié) 果

3.1 源巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)

頁(yè)巖儲(chǔ)層集源、儲(chǔ)、蓋為一體，儲(chǔ)層內(nèi)氣藏為連續(xù)型，有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，不僅是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層生烴潛力、生烴機(jī)理、生烴類(lèi)型、生烴階段的重要參數(shù)，而且還是研究頁(yè)巖氣成因機(jī)理的基礎(chǔ)。本文采用顯微組分法和巖石熱解法分析有機(jī)質(zhì)類(lèi)型，測(cè)試結(jié)果顯示，Y3井山西組和太原組有機(jī)質(zhì)類(lèi)型指數(shù)(TI)均小于0，氫指數(shù)(IH)均小于100，從而有機(jī)質(zhì)(干酪根)類(lèi)型為腐殖型Ⅲ(表1)。TOC為0.41%～11.93%，平均2.44%；其中TOC<1%的樣品占15.09%，1%≤TOC<2%的樣品占43.40%，TOC≥2%的樣品占41.51%；根據(jù)《頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法》，將TOC>1%的海陸過(guò)渡相頁(yè)巖儲(chǔ)層視為有潛力的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層[14]。因此，Y3井山西組和太原組頁(yè)巖屬于較好的烴源巖。

表1 有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)和巖石熱解參數(shù)

有機(jī)質(zhì)成熟度是表征有機(jī)質(zhì)熱演化程度的重要參數(shù)，指示有機(jī)質(zhì)是否進(jìn)入生氣窗的標(biāo)志?，F(xiàn)今多數(shù)學(xué)者選用鏡質(zhì)組反射率(R)和巖石熱解峰溫(Tmax)反映有機(jī)質(zhì)熱演化的程度。試驗(yàn)結(jié)果表明，Ro介于2.17%～2.65%，平均2.38%；Tmax介于434.34～564.74 ℃，平均509.78 ℃。因而Y3井山西組和太原組頁(yè)巖均已達(dá)到高成熟-過(guò)成熟階段圖2(a)和(b)，源巖熱解生成干氣為主，從而為頁(yè)巖儲(chǔ)層成藏奠定了基礎(chǔ)。

圖2 Y3井Ro與Tmax含量分布

3.2 礦物成分特征

全巖和黏土礦物X射線測(cè)試結(jié)果顯示(圖3)，Y3井頁(yè)巖主要由脆性礦物和黏土礦物組成。其中石英含量24.9%～63.0%，平均39%，且縱向上變化較?。稽S鐵礦含量0.8%～4.6%，平均2.4%；菱鐵礦含量3.7%～10.9%，平均7.3%；碳酸鹽巖含量1.11%～15.4%，平均5.3%。黏土礦物總量26.6%～71.6%，平均55.6%，其中高嶺石含量27.5%～91.6%，平均60.6%；伊利石含量8.4%～61.0%，平均34.9%；綠泥石含量3.6%～23.1%，平均12.1%，僅在Y3-45樣品中含有蒙皂石。整體而言，隨著深度增加，伊利石和高嶺石呈相反的變化趨勢(shì)，黏土礦物總量逐漸減小，石英含量變化不大，脆性指數(shù)BI逐漸增大，脆性指數(shù)[BI=(石英(%)/石英(%)+黏土礦物(%)+碳酸鹽巖(%))×100%]介于24.0%～70.3%，平均40.5%。

圖3 Y3井頁(yè)巖礦物組成

3.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.3.1 孔隙形貌特征

基于SEM可以獲取頁(yè)巖中不同類(lèi)型孔裂隙的發(fā)育狀況和半定量獲取孔裂隙參數(shù)，本文依據(jù)孔隙形貌-產(chǎn)狀形貌分類(lèi)方案，將掃描電鏡獲得的孔隙劃分為有機(jī)質(zhì)孔、粒內(nèi)孔、粒間孔和微裂隙4種類(lèi)型。

有機(jī)質(zhì)孔：有機(jī)質(zhì)孔是頁(yè)巖氣富集的重要場(chǎng)所，在本次測(cè)試樣品中大量發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，主要為較孤立的納米級(jí)橢圓形孔和條帶狀微米級(jí)孔(圖4(a))，其中部分條帶狀孔被黏土礦物和黃鐵礦所充填。因而，有機(jī)質(zhì)孔不僅發(fā)育大量的納米級(jí)儲(chǔ)集空間，而且還提供一定的滲流孔隙。此外，有機(jī)質(zhì)孔隙易受后期成巖作用被拉伸擠壓變形。

粒內(nèi)孔：粒內(nèi)孔隙主要發(fā)育于碳酸鹽巖、黃鐵礦、石英表面(圖4(b)～(d))，由于不同礦物性質(zhì)的差異，形成不同成因機(jī)制的粒內(nèi)孔隙，多見(jiàn)溶蝕孔和原生粒內(nèi)孔。其中碳酸鹽巖和黃鐵礦易受溶蝕,往往在表面發(fā)育溶蝕孔，草莓狀黃鐵礦進(jìn)一步溶蝕使黃鐵礦晶體脫落形成鑄模孔；由于石英較穩(wěn)定，保留了孔隙的原始形態(tài)。此類(lèi)孔隙多呈不規(guī)則橢圓狀，大小不一，連通性差，部分被黏土礦物所充填。

粒間孔：粒間孔主要發(fā)育于脆性礦物顆粒之間或脆性礦物作為支撐與其他碎屑物質(zhì)(石英、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽巖)之間，見(jiàn)圖4(d)和(i)，多見(jiàn)草莓狀黃鐵礦粒間孔，形態(tài)不一，孔徑從幾納米到幾十納米不等。由于塑性礦物最易擠壓變形，從而大大影響儲(chǔ)層的滲透性。

微裂隙：微裂隙作為頁(yè)巖儲(chǔ)層中氣體的主要滲流通道和游離氣的儲(chǔ)集空間，其發(fā)育程度直接影響氣體的儲(chǔ)存和后期的開(kāi)采。鏡下微裂隙普遍發(fā)育，主要發(fā)育碳酸鹽巖內(nèi)生微裂隙、黏土片層間微裂隙和有機(jī)質(zhì)與黏土礦物接觸微裂隙，見(jiàn)圖4(j)～(l)，其中，碳酸鹽巖和黏土片層間微裂隙膠結(jié)物充填較少，形態(tài)較平直，縫寬大多從幾十納米到幾微米,而有機(jī)質(zhì)與黏土礦物接觸微裂隙易受碎屑物質(zhì)和膠結(jié)物的影響。

圖4 Y3井典型孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.3.2 孔隙形貌分形特征

法國(guó)數(shù)學(xué)家Mandelbrot(1975)提出的幾何分形理論跳出維度的限制，用來(lái)描述物體自身相似性或局部與整體的相似性，其基本原理為：假設(shè)A為n維歐氏空間中的一個(gè)有界集合，若A可以表示為自身的Nr個(gè)互相不覆蓋的子集時(shí)，則A具有自相似性，A的分形維數(shù)D計(jì)算式為

(1)

式中：r為坐標(biāo)方向上尺度因子；Nr為有界集合A的互相不覆蓋的子集。

基于前人大量研究表明，頁(yè)巖樣品孔隙的復(fù)雜程度可以用孔隙表面積(A)與孔隙長(zhǎng)軸(R)表示，表達(dá)式[18,9]為

(2)

式中：β/2為lnA與lnR線性擬合的斜率;C為常數(shù)，樣品二維圖像的孔隙形態(tài)的分形維數(shù)可表示為D=3-β/2。

基于分形理論，n維空間的一個(gè)幾何多面體的分形維數(shù)應(yīng)滿足n-1

基于本次SEM分辨率限制，使用IPP軟件只觀察了部分介孔和宏孔的孔隙形態(tài)，如圖4(e)～(h)所示，通過(guò)擬合,自IPP軟件獲得孔隙參數(shù)，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖孔隙表面積(lnA)和長(zhǎng)軸(lnR)具有顯著的線性關(guān)。因此，Y3井山西組和太原頁(yè)巖各類(lèi)孔隙均符合分形維數(shù)的定義，且具有明顯的分形特征(圖5)。如表2所示，頁(yè)巖各類(lèi)孔隙分形維數(shù)D介于2.45～2.55間，頁(yè)巖部分介孔和宏孔的分形維數(shù)偏低，可能由于頁(yè)巖中發(fā)育較多的有機(jī)質(zhì)孔和石英粒內(nèi)孔有關(guān)，這些孔隙除了部分被黏土礦物和其他碎屑物質(zhì)充填外，均保留了自身原有的孔隙形態(tài)，多呈橢圓形或較簡(jiǎn)單的形態(tài)。

表2 基于SEM獲得的孔隙參數(shù)

圖5 分形特征

3.3.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)IUPAC分類(lèi)方案，按照孔隙直徑大小把孔隙劃分為宏孔(≥50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(≤2 nm)3種類(lèi)型[4]。本文基于高壓壓汞和低溫氮吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表征Y3井頁(yè)巖樣品的宏孔和介孔的孔隙結(jié)構(gòu)特征。壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Y3井頁(yè)巖宏孔孔徑為27.08～15 440.00 nm，平均5 273.87 nm；比表面積為0.001 1～2.041 7 m2/g，平均0.519 2 m2/g；比孔容為0.003 3～0.026 8 cm3/g，平均0.011 1 cm3/g。低溫氮吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，介孔孔徑為6.432 2～20.907 2 nm，平均9.610 4 nm；BET比表面積為1.379 5～12.051 4 m2/g，平均8.218 0 m2/g；孔體積為0.007 2～0.026 7 cm3/g，平均0.016 8 cm3/g。頁(yè)巖儲(chǔ)層中比表面積和孔體積的發(fā)育程度和分布特征直接影響氣體的賦存，壓汞數(shù)據(jù)顯示(圖6(a)和(b))，宏孔中大于200 nm的孔徑對(duì)比表面積幾乎無(wú)貢獻(xiàn)，而對(duì)宏孔

圖6 不同孔徑對(duì)孔隙比表面積和比孔容的貢獻(xiàn)

比孔容的發(fā)育有一定貢獻(xiàn)，不同孔段差異較大；基于SEM圖像可以看出，宏孔在發(fā)育過(guò)程中，部分孔隙被其他碎屑物種所充填，而有些則被完整的保存下來(lái)，因而，有些宏孔的孔體積較大。與宏孔不同的是，介孔孔徑6.432 2～9.587 0 nm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的介孔BET比表面積和孔體積差異較小，而孔徑為20.907 2 nm時(shí)所對(duì)應(yīng)的BET比表面積最小，但都大于宏孔的比表面積和孔體積(圖6(c)和(d))。因此，相對(duì)于宏孔而言，介孔更有利于氣體的儲(chǔ)存。

3.4 含氣量特征

3.4.1 等溫吸附特征

頁(yè)巖儲(chǔ)層對(duì)氣體的吸附能力決定其儲(chǔ)存能力小，本文基于等溫吸附試驗(yàn)，利用Langmuir模型，表征Y3井山西組和太原組頁(yè)巖對(duì)氣體的吸附能力，并根據(jù)Langmuir吸附等溫(式(1))計(jì)算出頁(yè)巖樣品的等溫吸附量。Langmuir吸附等溫式為

(3)

式中：V為頁(yè)巖在氣體壓力為p時(shí)吸附的氣體量；VL為L(zhǎng)angmuir體積，即蘭氏體積；pL為L(zhǎng)angmuir壓力，即蘭氏壓力。

計(jì)算結(jié)果顯示，4個(gè)頁(yè)巖樣品的最大吸附量為0.755 8 cm3/g，縱向上逐漸減小，均低于我國(guó)海相頁(yè)巖的等溫吸附量(1.73～3.28 cm3/g)。其中，TOC含量與蘭氏體積呈較好的相關(guān)性(R2=0.90)；礦物含量對(duì)蘭氏體積的影響較為復(fù)雜，伊利石含量促進(jìn)頁(yè)巖對(duì)氣體的吸附，而高嶺石起抑制作用；黏土礦物和石英整體上與蘭氏體積不具明顯的關(guān)系，可能由于樣品質(zhì)量太小或TOC含量較高，致使兩種礦物與氣體吸附量不具明顯的關(guān)系(圖7(a)～(c))。

圖7 Y3井CH4等溫吸附曲線和垂向含氣量變化特征

3.4.2 實(shí)測(cè)含氣量

Y3井57頁(yè)巖樣品含氣量試驗(yàn)顯示，解吸氣量為0.162 6～0.854 8 cm3/g，平均0.394 4 cm3/g；損失氣量為0.006 0～0.116 0 cm3/g，平均0.0294 cm3/g；殘余氣量為0.110 9～0.514 0 cm3/g，平均0.233 7 cm3/g；總含氣量為0.296 9～1.295 5 cm3/g，平均0.652 0 cm3/g?？v向上，山西組與太原組接觸層段含氣量較高，自太原組含氣量開(kāi)始減小，在井深1 169 m時(shí)又開(kāi)始增大，最大值達(dá)到1.295 5 cm3/g。絕大多數(shù)樣品的總含氣量大于頁(yè)巖氣工業(yè)開(kāi)發(fā)的下限值0.5 cm3/g[20]，因此，Y3井頁(yè)巖儲(chǔ)層具有一定的勘探潛力。

4 討 論

4.1 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)影響因素

通過(guò)SEM和X射線，對(duì)Y3井頁(yè)巖樣品礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量和定性分析發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖主要由有機(jī)質(zhì)和黏土礦物(高嶺石和伊利石)及石英等礦物組成，其孔隙特征受有機(jī)質(zhì)、黏土礦物和石英等礦物的影響，結(jié)合高壓壓汞和低溫氮吸附試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)Y3井頁(yè)巖物質(zhì)成分與宏孔和介孔的相關(guān)性進(jìn)行分析。

結(jié)果顯示(圖8)，TOC含量與宏孔和介孔的孔徑、孔體積和比表面積均無(wú)明顯的線性關(guān)系，有機(jī)質(zhì)在熱演化過(guò)程中產(chǎn)生大量的納米級(jí)孔隙，而部分較大的介孔和宏孔被后期的碎屑物質(zhì)充填，導(dǎo)致TOC含量整體上與宏孔的孔隙參數(shù)均無(wú)明顯的相關(guān)性。同樣，基于SEM鏡下圖像，頁(yè)巖中部分宏孔被碎屑物質(zhì)所充填，礦物含量與宏孔的孔徑關(guān)系較為復(fù)雜；高嶺石含量促進(jìn)介孔孔徑的發(fā)育，而伊利石含量與介孔的孔徑呈負(fù)相關(guān)。高嶺石與宏孔的比孔容和比表面積呈負(fù)相關(guān)，而與介孔的孔體積和BET比表面積均不具明顯的相關(guān)性；伊利石含量與宏孔的比孔容和比表面積均呈正相關(guān)，與介孔的孔徑呈負(fù)相關(guān)，但伊利石與介孔的孔體積和BET比表面積相關(guān)性較弱；黏土礦物整體上有利于宏孔的比孔容與介孔的孔體積和BET比表面積的發(fā)育，與宏孔的比表面積不具明顯的相關(guān)性。因此，一方面，黏土礦物自身發(fā)育大量的黏土片層間微裂隙及孔隙，為氣體提供大量的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道；另一方面，黏土礦物會(huì)充填其他孔隙，大大降低了儲(chǔ)層的孔滲性。石英含量與宏孔的比孔容和介孔的孔體積和BET比表面積均呈負(fù)相關(guān)，與宏孔的比表面積不具明顯的相關(guān)性，可能由與部分石英粒內(nèi)孔被黏土礦物或其他碎屑物質(zhì)充填導(dǎo)致。

圖8 不同參數(shù)對(duì)Y3井頁(yè)巖宏孔與介孔的關(guān)系

4.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性影響因素

儲(chǔ)層含氣量的多少是決定頁(yè)巖氣能否開(kāi)采的前提，而組成頁(yè)巖的各組分(有機(jī)質(zhì)、石英、黏土礦物等)對(duì)頁(yè)巖氣的高效開(kāi)采有重要影響。本文從頁(yè)巖儲(chǔ)層主要的物質(zhì)組成(TOC、石英、黏土礦物)對(duì)總含氣量和解吸氣量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)TOC含量和解吸氣量、損失氣量、總含氣量均具有一定的正相關(guān)性；Ro與解吸氣量、總含氣量呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為R12=0.67，R22=0.78，進(jìn)而說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的豐度和熱演化程度對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性的評(píng)價(jià)起關(guān)鍵性作用(圖9(a)(b))。依據(jù)前人研究，伊利石吸附氣體的能力大于高嶺石的[21]，因而在解吸過(guò)程中，高嶺石與解吸氣量和總含氣量具有一定的正相關(guān)性，而伊利石往往抑制氣體的解吸，與解吸氣量和含氣量多呈負(fù)相關(guān)，但在整體上，黏土礦物與解吸氣量和總含氣量呈負(fù)相關(guān)(圖9(c)和(d))。石英是組成頁(yè)巖的主要礦物之一，可能由于其穩(wěn)定的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，增加了與其他物質(zhì)間的粒間孔隙，使孔隙的比表面積和比孔容有所增加，因此，石英含量與解吸氣量和總含氣量均呈明顯的正相關(guān)(圖9(c)和(d))。頁(yè)巖氣主要以吸附氣和游離氣賦存于頁(yè)巖儲(chǔ)層中，吸附氣大多吸附在發(fā)育微孔和介孔的孔隙表面，而游離氣主要賦存于宏孔或微裂隙中[22]，由(圖9(e)和(f))可以看出，解吸氣含量與介孔的BET比表面和比孔容具較好的正相關(guān)性，且從(圖7(d))可以看出，解吸氣量是構(gòu)成總含氣量的主要組成部分，因而在后期工程開(kāi)采中，應(yīng)考慮加大對(duì)介孔孔隙的改造程度。

圖9 頁(yè)巖不同組分對(duì)含氣量的影響

5 結(jié) 論

(1)Y3井山西組和太原組有機(jī)質(zhì)(干酪根)類(lèi)型為腐殖型Ⅲ；TOC含量較高，其中TOC>1%的樣品占84.91%，且頁(yè)巖經(jīng)歷了較高的熱演化過(guò)程，從而Y3井頁(yè)巖儲(chǔ)層具有較好的生烴基礎(chǔ)。脆性指數(shù)偏低，平均40.5%。

(2)SEM下介孔和宏孔的孔隙分形維數(shù)中等偏低，具明顯的分形特征；高壓壓汞和低溫氮吸附孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)表明，介孔對(duì)孔隙表面積和孔體積的貢獻(xiàn)大于宏孔。其中，高嶺石含量有利于介孔孔徑的發(fā)育，而不利于宏孔比孔容和比表面積的發(fā)育；伊利石含量不利于介孔孔徑的發(fā)育，且與介孔比孔容和BET比表面積不具明顯的相關(guān)性；黏土礦物有利于宏孔比孔容并且有利于介孔孔體積和BET比表面積的發(fā)育。石英含量不利于宏孔比孔容的發(fā)育，且不利于介孔孔體積和BET比表面積的發(fā)育。

(3)樣品最大吸附量較低，其中，TOC和伊利石含量均有利于氣體的吸附，高嶺石起抑制作用；黏土礦物和石英整體上與蘭氏體積不具有明顯的關(guān)系。絕大多數(shù)樣品的總含氣量大于頁(yè)巖氣工業(yè)開(kāi)發(fā)的下限值0.5 cm3/g。TOC和Ro與解吸氣量、總含氣量均呈較好的相關(guān)性，且高嶺石含量與解吸氣量和總含氣量也具有一定的正相關(guān)性，而伊利石往往抑制氣體的解吸。整體上，黏土礦物與解吸氣量和總含氣量呈負(fù)相關(guān)；石英含量與解吸氣量和總含氣量均呈明顯的正相關(guān)；解吸氣含量與介孔的BET比表面和比孔容呈較好的正相關(guān)。