砂巖和泥巖礦物組成及孔隙結(jié)構(gòu)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(zhì)

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(nèi)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(gòu)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(huán)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(guān)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(qū)別，但上段泥巖夾層略多些[1]。

根據(jù)礦床4個試驗地段水文孔揭露顯示，該組地層在礦床內(nèi)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(zhì)泥巖，厚度20～50 m。因礦區(qū)北東、北西部有構(gòu)造存在，該層位埋深、厚度變化較大。據(jù)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(zhì)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(yè)礦體存在。據(jù)該區(qū)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(zhì)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(nèi)蒙古通遼地區(qū)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(qū)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(jié)合，可以更精準地探測砂巖和泥巖孔隙結(jié)構(gòu)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(jù)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(chǎn)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(tài)容積法，通過質(zhì)量守恒方程、靜態(tài)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(jié)構(gòu)特征來自于代表性區(qū)域和典型區(qū)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(jié)果分析

3.1 礦物成分分析

對樣品的礦物成分進行測定，結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)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(nèi))，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(nèi)見破裂隙，多晶石英及硅質(zhì)巖巖屑少見；填隙物由黏土質(zhì)雜基及鈣質(zhì)膠結(jié)物組成，黏土質(zhì)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(zhì)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(nèi)見微裂紋，填隙物由黏土質(zhì)雜基及硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)物組成，以黏土質(zhì)雜基為主，黏土質(zhì)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(zhì)重結(jié)晶為石英的次生加大邊；鐵質(zhì)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(jié)溶蝕孔隙，孔隙通常不規(guī)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(jié)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(tài)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(chǎn)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(jù)黏土礦物的生長規(guī)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(jié)

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(shù)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(fā)育，構(gòu)成了一個較為完整的孔隙網(wǎng)絡(luò)體系，砂巖大孔和中孔較發(fā)育，泥巖微孔、小孔較發(fā)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(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔、裂隙組成，填隙物由黏土質(zhì)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。