大城-文安地區(qū)頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征

＊張健雅

（河北省煤田地質(zhì)勘查院 河北 054000）

研究區(qū)位于河北省平原區(qū)的大城煤田及深部，大地構(gòu)造位置位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)、華北斷坳、冀中臺(tái)陷的大城斷凸的斜坡上，總體構(gòu)造形態(tài)為一個(gè)被新生界覆蓋的復(fù)式向斜。區(qū)內(nèi)山西組和太原組地層中的暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層有機(jī)質(zhì)含量較高，具有豐富的頁巖氣資源潛力。

孔隙結(jié)構(gòu)特征與頁巖生、儲(chǔ)氣能力關(guān)系密切。筆者以大城-文安地區(qū)石炭-二疊系地層頁巖儲(chǔ)層為例，基于SEM對(duì)孔隙形態(tài)定性分析基礎(chǔ)上，采用高壓壓汞與低溫氮?dú)怏w吸附法，對(duì)研究區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了定量研究，以更準(zhǔn)確的了解區(qū)內(nèi)石炭-二疊系地層頁巖氣生儲(chǔ)能力，分析該區(qū)頁巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性對(duì)頁巖氣存儲(chǔ)及排采的影響。

1.樣品采集與測(cè)試方法

掃描電子顯微鏡法、高壓壓汞法與氮?dú)馕椒ㄊ欠治鲰搸r儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的常用實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。前者可以直觀觀測(cè)到頁巖氣孔隙形態(tài)結(jié)構(gòu)，但在測(cè)定孔隙大小時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)，且統(tǒng)計(jì)代表性有一定局限；而后兩種手段則定量測(cè)量?jī)?chǔ)集空間。高壓壓汞法測(cè)試孔徑范圍廣泛，上限為1mm；氮?dú)馕椒y(cè)試孔徑范圍為0～500nm，測(cè)試下限為0.35nm[1-2]。三種手段結(jié)合，可以更精準(zhǔn)探測(cè)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及分布。

2.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

(1)儲(chǔ)層孔隙形貌特征

掃描電鏡分析結(jié)果顯示，研究區(qū)石炭-二疊系地層泥頁巖孔隙主要發(fā)育微裂縫、粒內(nèi)孔隙、粒間孔隙及有機(jī)質(zhì)孔隙。泥頁巖樣品中多順層發(fā)育微裂隙，是微孔和中孔的溝通通道[3-4]，使得孔隙間連通性好，為頁巖氣提供了大量的存儲(chǔ)空間，且有利于后期壓裂開發(fā)。

(2)孔徑分布特征

目前，孔隙大小分類標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一，本文采用霍多特分類標(biāo)準(zhǔn)，微孔（＜10nm）、過渡孔（10nm～102nm）、中孔（102nm～103nm）、大孔（103nm～105nm）。

①高壓壓汞測(cè)試分析

頁巖氣儲(chǔ)層中微孔隙的存在提供了大量表面積，為氣體提供潛在吸附位置[5]。研究區(qū)石炭-二疊系樣品壓汞測(cè)試結(jié)果顯示孔隙度為1.02%～9.15%，主要集中在4%以下，平均3.25%。密度測(cè)試顯示樣品的孔隙度為1.49%～9.06%，主要集中在3%以下，平均3.55%。表明石炭-二疊系樣品的孔隙度總體較低，這與其埋藏較深，壓實(shí)作用較強(qiáng)有關(guān)。

分析研究區(qū)石炭-二疊系樣品的壓力曲線，可以根據(jù)進(jìn)汞曲線大致將它們分為兩類：

第1種類型（圖1、圖2），初始進(jìn)汞較慢、進(jìn)汞量較少。結(jié)果顯示：主導(dǎo)孔隙的分選性差異較大，孔徑分布在 3～1000nm之間，小于10nm的微孔占比較大，10～100nm的過渡孔次之。開放孔較為發(fā)育，孔隙連通性比較好。此儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)有利于頁巖氣的吸附、儲(chǔ)存及流通。

圖1 壓汞曲線圖

圖2 孔徑分布圖

第2種類型（圖3、圖4），進(jìn)汞曲線初始階段緩慢增長(zhǎng)后，除D31、D13樣品外，均保持一小段的水平后又快速上升達(dá)到飽和。結(jié)果顯示：孔徑分布較集中，分選較好，多集中在3～100nm，以微孔和過渡孔為主，孔隙連通性不好，孔徑范圍內(nèi)大多為半封閉孔，僅有少量孔為開放孔。僅初始階段存有一定量的大孔甚至微裂隙，此種孔隙結(jié)構(gòu)類型對(duì)頁巖氣的解吸、擴(kuò)散和滲透不利。

圖3 壓汞曲線圖

圖4 孔徑分布圖

石炭-二疊系地層暗色泥巖孔體積主要分布在3.5×10-3～46.8×10-3ml/g，平均為15.0×10-3ml/g；泥巖比表面積主要分布在1～113×10-3cm2/g，平均為19.22×10-3cm2/g。微孔和過渡孔對(duì)孔體積、總比表面積貢獻(xiàn)最大。頁巖氣主要以吸附氣和游離氣組成，孔體積為游離氣提供主要的儲(chǔ)集空間，吸附氣賦存于有機(jī)質(zhì)顆粒與黏土顆粒表面，樣品的中微孔和過渡孔為頁巖吸附氣提供主要的場(chǎng)所[6-7]。由于微孔、過渡孔孔喉半徑小，微裂隙發(fā)育相對(duì)較少，氣體主要以擴(kuò)散形式運(yùn)移，這為頁巖氣保存和富集提供良好的條件。

②氮?dú)馕綔y(cè)試分析

所有樣品氮?dú)馕角€形態(tài)基本呈反“S”型，以D18和D11樣品為例，通過吸附等溫線BET分類，曲線與Ⅱ型吸附等溫線相似，前半段曲線緩慢上升，后微向上揚(yáng)，尾部突然急劇上升，至相對(duì)壓力達(dá)到1.0時(shí)吸附飽和現(xiàn)象也沒出現(xiàn)，該現(xiàn)象表明在吸附氮?dú)怆A段發(fā)生了毛細(xì)孔凝聚現(xiàn)象[8]。

圖5 氮?dú)馕浇馕葴鼐€

一般封閉性孔不能產(chǎn)生吸附回線，本次所有測(cè)試樣品均形成吸附回線，表明了石炭-二疊系頁巖儲(chǔ)層孔隙形態(tài)為開放型。

氮?dú)馕綔y(cè)試試驗(yàn)表明石炭-二疊系樣品的孔表面積分布在4.930～27.201m2/g，平均為12.9284m2/g。孔體積分布在0.00851cm3/g～0.04650cm3/g，平均為0.01965cm3/g。比表面積分布直方圖和孔體積分布直方圖（圖6、圖7）顯示：過渡孔的比表面積占總比表面積7.61%，微孔比表面積占總比表面積的92.39%。過渡孔和微孔孔體積分別占總體積的31.06%和68.94%。孔隙類型不同，孔體積也各不相同，微孔提供了大部分孔體積和比表面積，為頁巖氣存儲(chǔ)提供了絕大部分空間。

圖6 比表面積分布直方圖

圖7 孔體積分布直方圖

3.結(jié)論

石炭-二疊系頁巖樣品中的孔隙形態(tài)多樣，主要有微裂縫、粒內(nèi)孔隙、粒間孔隙及有機(jī)質(zhì)孔隙。豐富的微裂縫網(wǎng)絡(luò)可以為頁巖氣游離氣提供存儲(chǔ)空間，連通微孔和過渡孔，有利于頁巖氣體存儲(chǔ)與滲流。

聯(lián)合壓汞試驗(yàn)和氮?dú)馕皆囼?yàn)對(duì)頁巖儲(chǔ)層孔徑分布進(jìn)行定量分析，孔隙度較低，多分布在3%以下，連通性較好，有利于后期壓裂排采。各級(jí)孔隙均有發(fā)育，主要為微孔，其次為過渡孔，中孔和大孔不甚發(fā)育。微孔和過渡孔為頁巖氣體吸附和存儲(chǔ)提供了大量比表面積及體積。存在一定量的半封閉孔，但其孔體積和比表面積中等，后期進(jìn)行增產(chǎn)措施，同樣有利于氣體的滲流擴(kuò)散。