臨興區塊上古生界煤系頁巖孔隙結構多尺度定性–定量綜合表征

劉 成，丁萬貴，張 健，陳 鑫，吳 鵬，柳雪青，李洋冰，馬立濤，胡維強，孔 為，李 勇

臨興區塊上古生界煤系頁巖孔隙結構多尺度定性–定量綜合表征

劉 成1,2，丁萬貴3，張 健4，陳 鑫1,2，吳 鵬3，柳雪青1,2，李洋冰1,2，馬立濤1,2，胡維強1,2，孔 為1,2，李 勇5

(1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2. 中海油能源發展股份有限公司非常規勘探開發重點實驗室，天津 300452；3. 中聯煤層氣股份有限公司，北京 100011；4. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；5. 中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

為了揭示鄂爾多斯盆地東緣海陸過渡相頁巖微觀孔隙結構特征及其主控因素，豐富對該區塊海陸過渡相煤系頁巖孔隙發育特征與孔隙結構的認識，對臨興地區頁巖進行掃描電鏡、高壓壓汞和液氮吸附分析以表征微觀孔隙結構特征，同時結合孔隙率、TOC含量、巖石礦物含量、黏土相對含量、有機質成熟度測試結果對頁巖孔隙結構發育主控因素進行研究。結果表明：研究區頁巖發育粒內孔、粒間孔、溶蝕孔和微裂縫，有機質內部偶見孔隙、可見微裂隙，與礦物伴生時周邊發育微裂隙；頁巖總孔容介于0.001 46～0.010 81 mL/g，介孔占比81.9%，比表面積介于0.35～ 3.65 m2/g，孔徑分布以單峰型為主，分布范圍主要在200 nm以內，主峰孔徑在45 nm左右，本溪組、太原組頁巖孔隙連通性優于山西組，太原組宏孔占比優于本溪組、山西組；頁巖總有機碳含量對頁巖孔隙發育的影響復雜，對宏孔發育具有一定的積極作用，脆性礦物含量對總孔、介孔發育有積極作用，黏土礦物含量對總孔和介孔發育起消極作用，其中，脆性礦物和黏土礦物通過影響介孔的發育來控制頁巖中孔隙的發育程度。基于頁巖孔隙結構多尺度定性–定量表征及其控制因素研究對臨興區塊海陸過渡相頁巖氣資源量評價、甜點優選與開發具有重要指導意義，豐富了對海陸過渡相頁巖儲層的地質認識。

頁巖；孔隙結構；孔徑分布；壓汞；液氮吸附；臨興區塊

中國的頁巖氣資源潛力巨大，探明頁巖氣可采儲量近2萬億m3[1]。學者們對南方海相頁巖開展了地質和開發條件評價研究[2-6]，其中四川盆地及其周緣五峰組–龍馬溪組已實現經濟開采[7]，近年來，業界逐漸關注海陸過渡相和陸相泥頁巖的天然氣資源[8-11]，探井中發現頁巖氣顯示[7]。戴金星等[12]研究指出鄂爾多斯盆地石炭–二疊系煤系泥頁巖氣藏是促進中國天然氣發展再上新臺階的新領域，估算認為鄂爾多斯盆地煤系泥頁巖氣資源量為7萬億m3。

頁巖作為頁巖氣資源評價的重要儲層，廣泛發育納米級孔隙，其孔隙結構類型及發育特征影響泥頁巖儲層的儲集性能，是頁巖氣資源潛力評價的重要參數。在孔隙結構表征方面，通常從定性和定量兩個方面進行評價，利用多種方法對儲集層進行孔隙結構的多尺度表征，研究手段主要基于高分辨率掃描電鏡，結合氬離子拋光、納米CT掃描、聚焦離子束，對頁巖孔隙形貌、孔隙類型進行描述，或通過高壓壓汞、低溫液氮吸附、二氧化碳吸附測試定量表征頁巖孔徑分布情況[13]。

近年來，許多學者基于場發射掃描電鏡等觀察孔隙形貌特征來識別海陸過渡相頁巖多種孔隙類型[10,14-16]。采用高壓壓汞、低溫液氮吸附和二氧化碳吸附等手段對頁巖孔隙結構進行定量表征已經成為常用方法。前人[2,8,14-15]采用上述手段分別對上揚子海相龍馬溪組頁巖、鄂爾多斯盆地東北部臨興–神府地區山西組頁巖、黔北地區龍潭組海陸過渡相泥頁巖、柴達木盆地東緣上石炭統海陸過渡相頁巖進行孔隙結構表征。

臨興區塊位于鄂爾多斯盆地東緣，是非常規天然氣勘探開發的熱點區域，發育石炭–二疊系海陸過渡相地層本溪組、太原組、山西組[17]，該套地層泥頁巖常作為氣源巖[18]，為頁巖氣資源勘探開發的重點層位。對該套泥頁巖儲層孔隙結構進行綜合研究將為后期頁巖氣資源量評價、甜點優選與開發提供重要參考。

筆者以臨興區塊晚古生代本溪組–太原組–山西組煤系泥頁巖為研究對象，通過場發射掃描電子顯微鏡(含氬離子拋光)、高壓壓汞、低溫液氮吸附等測試手段，結合各自實驗測試優勢孔徑段，對頁巖形貌產狀特征進行定性–半定量描述，對孔隙大小分布進行全尺度定量化測定，討論孔隙發育特征的控制因素，以期為研究區頁巖氣層優選提供參考。

1 樣品采集與實驗方法

1.1 樣品采集

頁巖樣品來自鄂爾多斯盆地東緣臨興區塊上古生界上石炭統本溪組、下二疊統太原組、山西組。研究區構造位置為伊陜斜坡和晉西撓褶帶的過渡帶，總體為單斜構造，致密砂巖、泥巖、煤互層發育，區域內發育穩定，自東向西地層埋深逐漸加大，山西組–太原組–本溪組為主要含煤地層，主要發育于海陸過渡相的沉積環境，泥頁巖儲層發育(圖1)。分別在本溪組、太原組和山西組采樣分析，首先開展孔隙率、TOC含量、全巖X衍射和黏土礦物含量分析、有機質成熟度等基礎測試分析。相關實驗均按國家標準開展，結果見表1。實驗樣品孔隙率介于0.4%～2.9%，平均為1.9%，鏡質體隨機反射率ran介于0.92%～1.10%，平均為1.04%，已經達到成熟階段，有機碳質量分數介于1.68%～4.47%，平均為2.90%，有機質豐度高。

圖1 區域構造與巖性柱狀圖

表1 樣品信息

1.2 實驗方法

本次研究為獲得不同尺度孔隙的分布特征，采用高壓壓汞實驗、低溫液氮吸附實驗對煤系頁巖中不同尺度的孔隙進行測試，采用場發射掃描電鏡進行微觀孔隙特征觀察，采用衍射儀對頁巖黏土礦物類型及含量進行測試，各項實驗均在中海油能源發展股份有限公司非常規實驗中心進行。

1.2.1 高壓壓汞實驗

本次實驗采用AutoPore Ⅳ 9500全自動壓汞儀，最大壓力228 MPa，孔徑測量范圍5 nm～ 1 000 μm。基于Washburn公式測定不同壓力下注入煤孔隙中的汞體積，得到汞壓力與注入汞體積之間的關系曲線，再由曲線分析獲得相關孔隙數據。

1.2.2 低溫液氮吸附實驗

低溫液氮吸附實驗使用ASAP2460全自動比表面積及孔徑分析儀開展樣品測試分析，樣品在–195.8℃液氮浴中進行。氮分子能量降低，在范德華力作用下被固體表面吸附，達到動態平衡，比表面積測試范圍在0.01 m2/g以上，孔徑測試范圍在0.35～500 nm。

1.2.3 場發射掃描電鏡實驗

頁巖樣品制備時，采用Ilion 697對頁巖樣品進行氬離子拋光，拋光時間2 h左右，樣品拋光面噴涂很薄的金層或碳層，以增加頁巖表面的導電性。處理后的頁巖樣品采用FEI Quanta FEG450型場發射掃描電鏡觀察孔隙特征，可觀察的最小孔徑為2 nm，選擇二次電子探頭和背散射電子探頭相結合，二次電子探頭主要負責觀察礦物形態，背散射電子探頭主要負責觀察孔隙。

1.2.4 X衍射實驗

采用D/max-2600型X射線衍射儀進行頁巖樣品黏土礦物類型及相對含量測試。首先清洗樣品，將清洗并干燥后的樣品粉碎至粒徑小于1 mm；粉碎后的樣品用蒸餾水浸泡12 h，期間進行不定時攪拌，黏土懸浮后，每8 h用虹吸管吸取一次粒徑小于2 μm的懸浮液，虹吸4次后將抽出的黏土懸浮液沉淀2～3 d，去掉上部清液，剩余液體進行離心；將離心后的黏土加蒸餾水調配成懸浮液，用移液管吸取懸浮液滴于載玻片上，將載玻片放于水平玻璃板上在無塵的環境下自然風干后上機分析。

2 實驗結果與分析討論

2.1 孔隙形貌定性－半定量觀測

2.1.1 孔隙形貌特征

氬離子拋光–場發射掃描電鏡實驗發現，樣品中有機質較為發育，呈塊狀、條帶狀、浸染狀、不規則狀填充于孔隙或順層分布于裂隙中，有機質內部偶見孔隙(圖2a、圖2b)，局部發育納米級孔(圖2c)，孔徑分布介于7～833 nm，呈泡狀、多角形狀，可見微裂隙，塊狀有機質包裹黃鐵礦和碎屑礦物，或與黃鐵礦等伴生，有機質內部孔隙整體不發育，但周邊發育微裂隙(圖2b、圖2d)，容易形成連通的孔隙網絡，且有機質存在較強的吸附性，使得沿有機質分布的孔裂隙成為頁巖氣重要的儲集空間。太原組、本溪組有機質孔裂隙發育程度要優于山西組(圖2a—圖2d，表2)。

樣品中碎屑礦物溶蝕孔隙發育，呈楔狀、凹坑狀、多角形狀、蜂窩狀等多種形態(圖2e—圖2f，表2)，有的呈分散狀分布于基質中，有的與裂隙連通，有的長石發生溶蝕后形成粒內孔隙，納米級孔隙發育，孔隙排列一般沒有明顯規律(圖2f)，鏡下還可見黏土礦物集合體充填孔隙(圖2g)，溶蝕孔孔徑介于9 nm～3 μm(多大于200 nm)，主要分布于50 nm以內(圖2h)。山西組、太原組溶蝕孔較為發育，本溪組溶蝕孔少見。

樣品粒內孔隙發育，主要包括礦物粒內孔(含粒內微裂縫和溶蝕粒內孔)、黏土礦物晶間孔、黏土礦物層間縫(圖2e、圖2g—圖2k，表2)，呈拉長形、多角形狀、蜂窩狀和凹坑狀，孔徑介于9～767 nm。黃鐵礦粒內孔多成蜂窩狀分布，各個孔隙彼此獨立，因黃鐵礦多與有機質伴生，因此此類孔隙可作為頁巖氣的儲集空間。黏土礦物晶間孔孔隙形態不規則，孔隙之間具有一定的連通性，且黏土礦物與有機質混生(圖2k)，黏土礦物晶間孔、層間縫是良好的儲集空間和氣體微觀滲流通道，孔隙發育程度和連通性取決于黏土礦物集合形態，在山西組–太原組–本溪組各個層段均較為發育。

另外，樣品粒間孔也較為發育，主要發育于礦物顆粒接觸處(圖2g、圖2l)、有機質邊緣(圖2b、圖2f、圖2i)，孔隙形態呈近圓形、多角形、拉長形，多數為原生孔隙，分布較為分散，排列一般無規律，粒間孔孔徑介于17～671 nm。孔隙之間具有一定的連通性，為天然氣流動提供了微觀運移通道，提高了儲層滲流能力。

除孔隙發育外，微裂縫較為發育，常見于礦物顆粒邊緣(圖2b、圖2d、圖2g)、顆粒內部(圖2f、圖2j、圖2k、圖2l)、有機質內部(圖2f)，呈鋸齒狀、片狀、彎曲狀、X形、Y形，裂縫延伸良好，裂隙寬度主要介于10～500 nm，長度為微米級。微裂縫是頁巖氣重要的滲流通道，是連接微裂縫與宏觀裂縫的橋梁。裂縫的發育程度是評價儲層優劣的重要指標之一。掃描電鏡觀察表明，樣品中裂縫形態多樣，裂縫延伸長度很少橫跨整個切片表面，該類微裂縫的發育使儲層可壓裂性好，能夠形成裂縫網絡，既能成為天然氣的儲集空間，也能增加儲層的滲透性。

(a) 太原組，有機質和黃鐵礦伴生，發育較多有機質孔；(b) 本溪組，偶見有機質內部發育少量微孔隙；(c) 本溪組，發育有機質孔；(d) 山西組，塊狀有機質包裹黃鐵礦(Pr)和碎屑礦物，周邊發育微裂隙；(e) 太原組，偶見團塊狀有機質和閃鋅礦(Sp)伴生，有機質孔較發育；(f) 太原組，塊狀有機質內部孔隙不發育，見少量碎屑礦物溶蝕孔隙；(g) 山西組，鈉長石(Ab)等顆粒溶蝕形成粒內孔隙，高嶺石(K)等黏土礦物發育晶間孔隙；(h) 山西組，碎屑礦物溶蝕孔隙部分被黏土礦物充填；(i) 山西組，黏土礦物發育晶間孔；(j) 山西組，有機質包裹閃鋅礦(Sp)，發育少量晶間孔；(k) 山西組，有機質與黏土礦物混生；(l) 山西組，有機質包裹粒狀黃鐵礦，黃鐵礦部分碎裂；(m) 圖d對應點黃鐵礦能譜圖；(n) 圖e對應點閃鋅礦能譜圖

表2 孔隙類型發育特征及圖像分析結果

2.1.2 與南方海相頁巖比對

以南方海相五峰組–龍馬溪組、牛蹄塘組、荷塘組為比對研究對象。多數學者研究表明，南方海相頁巖有機孔發育[2,5,19-25]，五峰組–龍馬溪組有機質納米孔發育，形貌多樣，孔徑多數小于100 nm；牛蹄塘組頁巖和荷塘組頁巖有機質孔較為發育，多為納米級孔隙，孔徑分布于300 nm以內，但部分有機質內孔隙發育。相較于海相頁巖，臨興區塊本溪組–太原組–山西組頁巖有機質孔隙發育程度低，孔徑較大。

與研究區較為類似，南方海相頁巖溶蝕孔隙較為發育[2,5,19-21,23,25]，主要分布于脆性礦物和部分黏土礦物內，納米級、微米級孔隙均有發育；粒內孔多發育于黏土礦物、黃鐵礦集合體和部分脆性礦物內[2,5,20-21,23]，含碎屑礦物內部溶蝕孔隙，多數為納米級孔隙，黃鐵礦集合體和部分脆性礦物粒內孔隙彼此獨立性較強；粒間孔發育于礦物顆粒接觸處、有機質與礦物顆粒接觸的周緣，孔徑或孔隙寬度多為納米級[2,5,19,23,25]；微裂縫發育于礦物顆粒內部、碎屑顆粒邊緣、有機質內部和黏土層間縫[2,5,19-21]，縫寬幾十納米至數百納米不等，長度多為微米級。

2.2 頁巖孔隙定量表征

通過場發射掃描電鏡觀察，海陸過渡相山西組–本溪組頁巖儲層孔隙類型多樣，孔隙網絡復雜，呈現出多種孔隙類型組合的特征。考慮到電鏡觀察范圍的局限性，僅能定性–定量表征孔隙，在掃描電鏡研究的基礎上，利用高壓壓汞、低溫液氮吸附實驗，實現對頁巖孔徑多尺度表征。

頁巖孔隙結構復雜，孔徑分布范圍較廣，頁巖孔徑劃分方案較多。霍多特提出將煤孔隙系統劃分為4類：微孔(<10 nm)、小孔(10～100 nm)、中孔(100～1000 nm)及大孔(＞1000 nm)[26]；IUPAC提出將多孔介質孔隙劃分為3類：微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)[27]；R. G. Loucks等[28]依據北美Barnett頁巖儲層研究，將頁巖孔隙劃分為2類：納米孔(<0.75 μm)、微米孔(>0.75 μm)；盧雙防等[29]將頁巖油儲層孔隙分為4類：微孔喉(<25 nm)、小孔喉(25～100 nm)、中孔喉(100～1000 nm)、大孔喉(>1 000 nm)。頁巖以納米級孔隙為主，IUPAC提出的孔隙劃分方案對于定量評價頁巖的孔徑分布適用性較好，目前在海相、陸相和海陸過渡相頁巖儲層孔隙分類評價中被廣泛采用[2,8,11,30-32]。

2.2.1 高壓壓汞測試分析

高壓壓汞實驗顯示，不同頁巖樣品進汞–退汞曲線形成回滯曲線(圖3)。根據滯后環寬度以及進/退汞體積差不同，對樣品的孔隙特征進行分析，將樣品孔隙大致分為3種類型。

圖3 樣品進退汞曲線類型

Ⅰ類孔隙以9、11號樣品為代表，均位于太原組，進汞量大，進汞飽和度介于71.3%～72.0%，平均為71.6%，進汞–退汞曲線滯后環較小，進退汞體積差較大，進汞曲線呈現出近“S”形，退汞曲線呈逐漸下降趨勢，退汞效率介于27.2%～29.9%，平均為28.6%，表明孔隙中發育開放孔、半開放孔，孔隙分布特征表現為單峰態，孔隙連通性好。

Ⅱ類孔隙以7、16、17和18號樣品為代表，7號位于太原組，16、17和18號位于本溪組，進汞量一般，進汞飽和度介于54.2%～71.1%，平均為58.9%，進汞–退汞曲線滯后環較小，進退汞體積差較大，進汞曲線呈現出近“S”形、反“S”形疊置的現象，退汞曲線呈逐漸下降趨勢，退汞效率介于31.5%～35.0%，平均為33.1%，表明發育一定的半開放孔，孔隙分布存在多峰現象，孔隙連通性較好。

Ⅲ類孔隙以1、2、4號樣品為代表，均位于山西組，進汞量大，進汞飽和度介于69.6%～70.9%，平均為70.2%，進汞–退汞曲線滯后環寬大，進退汞體積差較大，進汞曲線呈近“S”形，退汞曲線呈反近“S”形，退汞效率介于22.6%～23.9%，平均23.2%，退汞曲線中間段退汞速率快，排驅壓力介于5.5～20.7 MPa，平均為13.3 MPa，表明孔隙中墨水瓶孔發育，多尺度孔徑孔隙發育，孔隙結構復雜、連通性差。

高壓壓汞階段進汞量與孔徑分布曲線可以表征頁巖介孔和宏孔的分布情況(圖4)，不同孔徑階段進汞量分布圖呈單峰或雙峰狀態，孔徑分布集中在4～300 nm，主峰分布于10～40 nm，孔隙喉道峰值均表現為以介孔為主的“單峰型”和“雙峰型”特征，“雙峰型”包括16、17、18號樣品，其余樣品為“單峰型”。

圖4 壓汞實驗孔徑分布

高壓壓汞測試結果表明(表3)，宏孔孔容大小依次為太原組>山西組>本溪組。

2.2.2 低溫液氮吸附測試分析

依據頁巖樣品的相對壓力和氮氣吸附–脫附量繪制等溫線，判斷其孔隙結構特征，根據BET法計算樣品比表面積，采用BJH法計算樣品孔徑分布。

本溪組–太原組–山西組各頁巖樣品低溫氮吸附–脫附曲線略有差別(圖5)。吸附曲線整體呈近反“S”形，根據等溫吸附線的BET分類，曲線形態為Ⅱ型吸附類型，曲線形態前段略向上凸，為單分子層吸附向多分子層吸附過渡階段，中段平緩上升，為多分子層吸附階段，后段急劇上升，相對壓力接近1時，樣品仍未達到飽和吸附狀態，表明樣品在吸附過程中發生了毛細孔凝聚現象，含有一定量的大孔隙。

表3 本溪組–太原組–山西組頁巖孔隙結構參數

圖5 頁巖的低溫氮氣吸附–解吸等溫線

樣品吸附曲線與脫附曲線在較高相對壓力階段(/0>0.4)不重合，形成滯后回線。根據IUPAC推薦分類，吸附回線可分為4類。根據曲線特征，本溪組–太原組–山西組頁巖脫附曲線特征接近于H3型，兼有H4型曲線特征，呈現出多種孔隙形態疊加的特征。前人研究[3,19-20]認為，因毛細管凝聚現象的存在，開放孔能產生滯后回線，半開放孔不能產生滯后回線，另一種特殊形態–墨水瓶孔能產生滯后回線，且脫附曲線存在一個急劇下降的拐點。從滯后回線來看，各樣品在相對壓力0.4～0.5范圍內均存在拐點，表明墨水瓶孔在樣品中發育較普遍，隨著埋深增加，曲線整體呈現出滯后環逐漸變小、脫附曲線拐點下降幅度變小的趨勢，表明開放孔(平行壁狹縫狀、無定型)、半開放孔(楔形、板狀、圓錐)發育程度增加，墨水瓶孔發育程度下降。

據BET法計算比表面積(表3)可知，頁巖樣品比表面積大小依次為本溪組>山西組>太原組。

據BJH法計算孔徑，結果表明，平均孔徑大小依次為山西組>太原組>本溪組。頁巖中孔隙形態多樣，形狀不規則，孔隙大小各不相同，可通過不同孔徑的孔隙體積分布進行表征。圖6為BJH法計算得到的孔徑分布圖，不同壓力階段孔容分布存在4個峰：1 nm左右、8～10 nm、28～50 nm和107～115 nm，主峰為28～50 nm，表明該孔徑范圍內孔隙體積占比最大。比較壓汞法測試與液氮吸附法測試結果可知，孔徑分布存在較大范圍的重疊。

圖6 液氮吸附BJH模型孔徑分布

從微孔孔容、介孔孔容分布來看(表3)，山西組、太原組、本溪組頁巖中孔隙孔容差異不大，孔隙分布以介孔為主。

2.2.3 全尺度孔徑分布聯合表征

高壓壓汞和低溫氮吸附兩種手段對微米級孔隙、納米級孔隙可進行多尺度、較全面的定量表征，但因兩種手段計算方法不同，定量表征結果存在疊加現象，對兩種方法表征孔隙分布的最優結果進行疊加分析，宏孔(孔徑大于50 nm)孔隙參數測試采用高壓壓汞實驗手段，介孔(2～50 nm)與微孔(<2 nm)孔隙參數測試采用低溫液氮吸附實驗手段。聯合高壓壓汞、液氮吸附手段多尺度孔隙表征分布(圖7)表明，孔徑分布以單峰型為主，主峰孔徑在45 nm左右，孔徑分布在200 nm以內，層位越深，孔徑分布范圍越小。從3種孔隙類型來看，介孔對孔容的貢獻最大，占比可達81.9%，微孔對孔容貢獻最小(表3)。由此可見，介孔是頁巖中氣體賦存的主要場所。

2.3 孔隙發育主控因素

前人研究表明[2,8,19]，頁巖孔隙結構發育情況與總有機碳含量(TOC)、脆性礦物含量、黏土礦物含量及類型密切相關。總有機碳含量與頁巖孔隙率關系相對復雜(圖8a)，二者線性相關性系數低，脆性礦物發育對頁巖孔隙率起到了貢獻作用，這與脆性礦物發育粒間孔、晶間孔、溶蝕孔相關，黏土礦物與孔隙率呈負相關性，這與黏土礦物充填大孔隙或裂縫導致孔隙體積下降有關。

圖7 壓汞–液氮吸附手段聯合表征孔徑的多尺度分布

圖8 頁巖不同尺度孔隙發育程度與主控因素相關關系

海相頁巖有機質孔發育，孔隙發育程度與總有機碳含量往往呈正相關關系[33]。然而，研究區本溪組–太原組–山西組海陸過渡相頁巖成熟度較低，鏡質體隨機反射率ran介于0.92%～1.10%(表1)，孔隙類型多樣，導致總有機碳含量與孔容的相關性相對復雜，與海相頁巖不同。頁巖的總孔容與總有機碳含量呈一定的正相關關系(圖8b)，與介孔、微孔相關性不明顯，這與頁巖中有機質孔隙發育程度低、微裂縫發育以及有機質周邊裂縫發育的情況一致(圖2b、圖2d)。

不同的礦物類型對孔隙發育的控制作用各異，脆性礦物與黏土礦物作為頁巖中主要的礦物成分，對孔隙發育具有不同的影響。脆性礦物對孔裂隙的形成具有建設作用，能夠促進孔隙發育。脆性礦物含量與總孔容、介孔孔容呈線性正相關關系(圖8c)，與微孔、宏孔無相關性，這與脆性礦物中發育粒內孔隙、粒間孔隙發育相關，脆性礦物對宏孔或裂縫的形成沒有明顯的貢獻，這與掃描電鏡下觀察的裂縫發育情況一致。

黏土礦物含量越高，總孔容越小，黏土礦物含量與介孔呈線性負相關關系(圖8d)。然而，不同的黏土礦物組分對孔隙發育影響各異。從黏土礦物類型及含量來看，巖石中發育伊/蒙混層，未見綠/蒙混層，成巖過程中只發生了伊利石化，在此過程中往往促進了長石溶解，形成孔隙。黏土礦物對孔隙的充填作用又導致了孔隙體積下降(圖2g)。因此，黏土礦物種類不同，對孔隙體積的影響復雜。

3 結論

a. 臨興區塊頁巖中發育粒內孔、粒間孔、溶蝕孔和微裂縫，有機質較為發育，有機質內部偶見孔隙、可見微裂隙，與礦物伴生時周邊發育微裂隙，孔隙類型復雜，孔裂隙形態多樣。山西組、太原組溶蝕孔較為發育，本溪組溶蝕孔少見。

b. 研究區頁巖樣品的總孔容介于1.46×10–3～ 10.81×10–3mL/g，介孔占比81.9%，是頁巖中氣體賦存的主要場所，比表面積介于0.35～3.65 m2/g，頁巖微觀孔隙呈現出多種孔隙形態疊加的特征，隨著埋深增加，開放孔、半開放孔發育程度增加，墨水瓶孔發育程度下降，孔徑分布以單峰型為主，主峰孔徑在45 nm左右，孔徑主要分布范圍在200 nm以內，層位越深，孔徑分布范圍越小。本溪組、太原組頁巖孔隙連通性優于山西組，太原組宏孔占比優于本溪組、山西組。

c. 對不同尺度孔隙發育主控因素進行分析可知，總有機碳含量對頁巖孔隙發育的影響復雜，脆性礦物含量對頁巖的總孔容、介孔發育有積極作用，黏土礦物含量對孔隙發育的影響復雜，對介孔發育起消極作用。脆性礦物和黏土礦物主要通過影響介孔的發育來影響頁巖中孔隙的發育程度。

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Qualitative-quantitative multi scale characteristics of shale pore structure from Upper Paleozoic coal-measures in Linxing area

LIU Cheng1,2, DING Wangui3, ZHANG Jian4, CHEN Xin1,2, WU Peng3, LIU Xueqing1,2, LI Yangbing1,2, MA Litao1,2, HU Weiqiang1,2, KONG Wei1,2, LI Yong5

(1. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452, China; 2. CNOOC Energy Technology & Services Limited Key Laboratory for Exploration & Development of Unconventional Resources, Tianjin 300452, China; 3. China United Coalbed Methane Company Limited, Beijing 100011, China; 4. CNOOC Research Institute Company Limited, Beijing 100028, China; 5. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

In order to reveal the micro-pore structure characteristics of marine-continental transitional shale and its main controlling factors in the eastern margin of Ordos Basin, and to enrich the understanding of pore development characteristics and pore structure of marine-continental transitional coal-bearing shale in the block, scanning electron microscope, high-pressure mercury injection and liquid nitrogen adsorption analysis were used to characterize the micro-pore structure characteristics of shale in Linxing area. Furthermore, porosity, total content of organic carbon, mineral content, clay relative content and organic matter maturity were tested to study the main controlling factors of development of shale pore structure. The results show that there are intra-granular pores, intergranular pores, dissolution pores and micro-cracks developed in the shale. There are occasional pores and micro-cracks in the organic matter, when it is associated with minerals, micro-cracks develop around the shale. The total pore volume of shale is between 0.001 46 mL/g and 0.010 81 mL/g, the mesoporous proportion is 81.9%, and the specific surface area is between 0.35-3.65 m2/g in the study area. The pore size distribution is dominated by single peak type, the distribution range is mainly within 200 nm, and the main peak pore size is about 45 nm. The pore connectivity of shale in Benxi Formation and Taiyuan Formation is better than that Shanxi Formation, the macro-pore ratio of shale in Taiyuan Formation is better than that in Benxi Formation and Shanxi Formation. The total organic carbon content has a complex effect on the development of shale pore, but it has a positive effect on macro-pore development. The brittle mineral content of shale have positive effect on total pore and mesoporous development, while the clay mineral content has negative effects on mesoporous development. Brittle mineral and clay mineral control the development degree of pores in shale mainly by affecting the development of mesoporous pores. The study of qualitative-quantitative multi-scale characterization of shale pore structure and its controlling factors has important guiding significance for the evaluation, sweet spot optimization and development of marine-continental transitional shale gas resources in Linxing area, and enrich the geological understanding of marine-continental transitional shale reservoir.

shale; pore structure; pore size distribution; mercury injection; liquid nitrogen adsorption; Linxing area

語音講解

P618.13

A

1001-1986(2021)06-0046-12

2021-05-21；

2021-10-18

國家自然科學基金面上項目(42072194)；國家科技重大專項項目(2016ZX05066)

劉成，1988年生，男，安徽六安人，碩士研究生，工程師，從事非常規油氣勘探開發實驗研究工作. E-mail：liucheng14@cnooc.com.cn

丁萬貴，1969年生，男，吉林松原人，工程師，從事非常規油氣開發生產管理與研究工作. E-mail：dingwg2@cnooc.com.cn

劉成，丁萬貴，張健，等. 臨興區塊上古生界煤系頁巖孔隙結構多尺度定性–定量綜合表征[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：46–57. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.005

LIU Cheng，DING Wangui，ZHANG Jian，et al. Qualitative-quantitative multi scale characteristics of shale pore structure from Upper Paleozoic coal-measures in Linxing area[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：46–57. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.005

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(責任編輯 范章群)