砂巖和泥巖礦物組成及孔隙結構分析

卓錦沂，劉偉巖，王曉雨

(石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

1 礦層地質

姚家組上段巖性總體為細砂巖，常見有淺灰色細砂巖、粉砂巖及少量粗砂巖夾灰色泥巖。其常見為板狀及槽狀水平、交錯層理，分選均一般，粒內局部見微裂紋，有的被碳酸鹽填充。含礦砂巖厚度較大，一般約為30～50 m，其碎屑成分以巖屑為主，黃鐵礦及深灰色泥巖夾層，上段頂部厚層約為5～15 m，厚度達10多m，常見為棕紅色泥巖，構成了上部良好的隔水層。姚家組上段泥巖與砂巖組成了多個較完整的下粗上細正旋，砂巖對下伏泥巖具有強烈的沖刷作用，底部有沖刷面存在。上面分布有大量泥礫及礫石，最大粒徑可達4 cm，主要為紫紅色泥礫。由于后期遭受還原作用而使部分泥礫帶灰色環邊，該段厚度為25 m，一般為70 m左右。上段與下段呈明顯的沖蝕接觸關系，沖刷面上為礫巖含礫砂巖，下段與上段之間地層一巖性無多大區別，但上段泥巖夾層略多些[1]。

根據礦床4個試驗地段水文孔揭露顯示，該組地層在礦床內埋深為141.7～1 700 m，厚度為66.7～83.5 m，其間夾2～3層灰色、紫紅色泥巖，粉砂質泥巖，厚度20～50 m。因礦區北東、北西部有構造存在，該層位埋深、厚度變化較大。據錢Ⅱ-SW-14C孔揭露，該含水層隔水頂板位置為166.30～170 m，厚度3.70 m，巖性主要為紫紅色泥巖，隔水性能良好；含水層位置為170.0～231.0 m，厚度61.00 m，巖性主要為淺灰色細砂巖、灰色細砂巖，其間夾多層灰色、淺紅色粉砂質泥巖，含水性、富水性較差。試驗段該層位底部局部可見鈾礦化異常，但品位低，厚度小，無工業礦體存在。據該區段水文孔揭露顯示，含水層隔水底板位置為218.90～238.20 m，厚度3.0～5.20 m，巖性為紫紅色泥巖、紫紅色粉砂質泥巖，致密、堅硬，隔水性良好。

2 樣品采集與測試

實驗樣品來自于內蒙古通遼地區鈾礦層姚家組，采集后立刻用保鮮膜裹好，防止巖樣氧化造成實驗誤差。對樣品進行巖性鑒定，按照礦物顆粒大小及礦物組成的不同，將通遼地區砂巖分為砂巖和泥巖，如圖1所示。通過巖樣破碎機和研磨機將所選試樣制成<200粉末、50～80目顆粒和2～10 mm顆粒，分別進行XRD、液氮吸附和高壓壓汞實驗和薄片實驗。高壓壓汞法測試孔徑范圍廣泛，孔徑范圍>10 nm；氮氣吸附法測試孔徑范圍為0～100 nm[2-3]。兩種手段結合，可以更精準地探測砂巖和泥巖孔隙結構及分布。

S01砂巖；S02泥巖圖1 樣品采集及巖性劃分Fig.1 Sample collection and lithologic division

低溫液氮和高壓壓汞實驗測試過程嚴格依據國家標準GB/T 21650.1-2008。汞實驗測試流程：低溫氮吸附采用美國麥克公司產生的 ASAP 2460吸附儀，儀器孔徑為0.35～500 nm，實驗室測試前，樣品在200℃抽真空處理6～8 h，測試溫度是液氮溫度77 k。測量方法采用靜態容積法，通過質量守恒方程、靜態氣體平衡和壓力完成吸附的測定過程，計算固體的比表面和孔徑分布[4]。高壓壓汞實驗采用AutoPore IV 9500全自動壓汞儀，測試前真空抽到50 mm汞柱，測試溫度為室溫。壓汞儀使用壓力最大約為600 MPa，儀器孔徑測量范圍為0.003 3～950 μm，通過改變注入壓力的大小得到砂巖樣品的孔徑分布曲線[5]。采用掃描電子顯微鏡(SEM)(日立SU8000)觀察樣品的孔隙形貌。依照測定標準SY/T5162-2014，試樣直徑不超過2.5 mm、厚度不超過20 mm塊狀物體。將樣品置入噴金箱中，在真空條件下將金粉末噴在其表面，以提高電導率，獲得更好的觀察效果。孔隙結構特征來自于代表性區域和典型區域。

圖2 MIP和LTN2A實物圖Fig.2 Real products of MIP and LTN2A

圖3 SEM實物圖Fig.3 Real products of SEM

3 結果分析

3.1 礦物成分分析

對樣品的礦物成分進行測定，結果見表1。從表1可以看出，泥巖的礦物成分比較復雜，砂巖中含量最多的為石英，占60.2%。斜長石占22.1%，鉀長石占12.1%。黏土礦物最少，占1.6%。泥巖石英含量最多，為49.6%。斜長石為15.6%，黏土礦物為10.7%，鉀長石為11%，白云石為8.8%。方解石最少，為4.3%。總體而言，砂巖中石英、鉀長石、斜長石含量略高于泥巖，而泥巖的黏土礦物含量略高于砂巖。砂巖中方解石、白云石、鐵白云石和普通輝石含量較少，某樣品中并未檢測到。

表1 試樣礦物含量分析Tab.1 Analysis of mineral content of samples

3.2 孔隙結構特征分析

高壓壓汞法，測得泥巖孔體積為0.116 1 mL/g，砂巖測得孔體積為0.181 3 mL/g，砂巖孔體積明顯多于泥巖。砂巖孔隙體積多分布于大孔和中孔，而泥巖孔隙體積多分布于小孔。泥巖樣品高壓壓汞比表面為7.52 m2/g，砂巖樣品高壓壓汞比表面為2.13 m2/g，泥巖比表面積明顯高于砂巖，說明微小孔是比表面積占主導，而中大孔是孔體積占主導。

液氮吸附，測得泥巖孔隙體積為0.021 8 mL/g，砂巖孔隙體積為0.009 41 mL/g，泥巖測得孔隙比表面積為11.614 2 m2/g，砂巖孔隙比表面積為2.977 m2/g。

全孔徑分布，砂巖大孔、中孔體積占比較大，分別為75.624%、16.053%，小孔和微孔占比較小，分別為7.178%和1.47%；泥巖的微孔、小孔孔隙體積占比較大，分別為4.968%、45.539%，中孔、大孔孔隙體積占比更小，分別為20.337%和29.156%。砂巖大孔、中孔比表面積占比較小，分別為1.851%和10.367%，小孔和微孔占比較大，分別為31.822%和55.96%；泥巖的微孔、小孔孔隙體積占比較大，分別為51.527%、44.987%，中孔、大孔孔隙體積占比更小，分別為3.255%和0.231%。中孔和大孔提供了大量的孔容，是提供滲流的重要場所，而微孔和小孔控制了砂巖和泥巖孔隙總比表面積，是氣體吸附存儲的重要場所。

圖4 砂巖樣品全尺度分布情況Fig.4 Full scale distribution of sandstone samples

表2 孔隙結構數據Tab.2 Pore structure data

3.3 孔隙空間特征分析

砂巖孔隙主要為粒間孔，少見晶間孔(主見黏土礦物間)及破裂隙(見石英、長石粒內)，由石英、長石、巖屑端元組成，磨圓一般，次棱角狀、次圓狀常見，分選差，有的顆粒粒內見破裂隙，多晶石英及硅質巖巖屑少見；填隙物由黏土質雜基及鈣質膠結物組成，黏土質雜基由<0.005 mm的黏土礦物組成，常見沿砂粒邊緣分布，部分相對聚集填隙于砂粒間，褐鐵礦化較明顯，有的見晶間孔；鈣質成分為白云石，半自形菱形-它形粒狀，填隙狀分布，粒度0.03～0.2 mm。

泥巖孔隙主要為粒間孔、破裂隙，以破裂隙相對較多，由石英、長石、巖屑端元組成，磨圓較差，以次棱角狀為主，次圓狀較少見，石英端元主見單晶石英，有的粒內見微裂紋，填隙物由黏土質雜基及硅質、鐵質膠結物組成，以黏土質雜基為主，黏土質雜基由<0.005 mm的黏土礦物組成，大部分相對聚集分布似紋層狀，少部分相對聚集填隙于砂粒間，具不均勻褐鐵礦化；硅質重結晶為石英的次生加大邊；鐵質呈微粒狀、塵點狀，相對聚集填隙狀分布。

砂巖和泥巖孔隙主要為粒間孔，粒間孔隙位于巖石顆粒之間，受到顆粒、填隙物多類的溶解溶蝕作用而形成，主要為長石、方解石膠結溶蝕孔隙，孔隙通常不規則，邊緣為鋸齒狀[6]，該砂巖孔隙存在于可溶性碎屑顆粒或碎屑顆粒之間的可溶性膠結物中，孔隙大小變化大，個別長石或碎屑顆粒被完全侵蝕形成大孔隙。溶蝕孔孔隙[7]形態取決于可溶性礦物的空間分布特征，如條帶狀可溶性礦物可以溶解并產生微裂縫。晶間微孔包括晶間孔和晶間溶孔，晶間孔隙一般分布在侵蝕顆粒和巖屑顆粒之間，如伊利石、高嶺石和綠泥石之間混層礦物裂隙。根據黏土礦物的生長規律，這些孔隙具有良好的取向性，在砂巖中，主要為晶間礦物之間的孔隙。

圖5 孔隙空間分布Fig.5 Pore space distribution

圖6 空間類型圖版Fig.6 Space type plate

4 小結

鈾礦床中，砂巖和泥巖主要礦物為石英、鉀長石、斜長石，泥巖黏土礦物含量略高于砂巖，且泥巖中方解石、白云石、鐵白云石和普通輝石含量較多，礦物復雜。砂巖和泥巖脆性指數大于50%，具有良好的脆性特征。

儲層中砂巖和泥巖的大孔、中孔、小孔、微孔中均有一定程度的發育，構成了一個較為完整的孔隙網絡體系，砂巖大孔和中孔較發育，泥巖微孔、小孔較發育。大孔、中孔是砂巖孔隙體積的主要貢獻者，小孔、微孔是砂巖孔隙比表面積的主要貢獻者。

砂巖和泥巖孔隙主要由粒內孔、晶間孔、溶蝕孔、裂隙組成，填隙物由黏土質雜基組成，儲集空間較復雜。砂巖儲層的粒間孔隙較少，孔隙度較小，喉道通道較細，沒有較好的貫通通道，因此儲集和滲流性較差。