大城-文安地區頁巖儲層孔隙結構特征

＊張健雅

（河北省煤田地質勘查院 河北 054000）

研究區位于河北省平原區的大城煤田及深部，大地構造位置位于中朝準地臺、華北斷坳、冀中臺陷的大城斷凸的斜坡上，總體構造形態為一個被新生界覆蓋的復式向斜。區內山西組和太原組地層中的暗色泥巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖及煤層有機質含量較高，具有豐富的頁巖氣資源潛力。

孔隙結構特征與頁巖生、儲氣能力關系密切。筆者以大城-文安地區石炭-二疊系地層頁巖儲層為例，基于SEM對孔隙形態定性分析基礎上，采用高壓壓汞與低溫氮氣體吸附法，對研究區內儲層的孔隙結構特征進行了定量研究，以更準確的了解區內石炭-二疊系地層頁巖氣生儲能力，分析該區頁巖儲層微觀非均質性對頁巖氣存儲及排采的影響。

1.樣品采集與測試方法

掃描電子顯微鏡法、高壓壓汞法與氮氣吸附法是分析頁巖儲層孔隙結構的常用實驗技術手段。前者可以直觀觀測到頁巖氣孔隙形態結構，但在測定孔隙大小時耗時較長，且統計代表性有一定局限；而后兩種手段則定量測量儲集空間。高壓壓汞法測試孔徑范圍廣泛，上限為1mm；氮氣吸附法測試孔徑范圍為0～500nm，測試下限為0.35nm[1-2]。三種手段結合，可以更精準探測頁巖孔隙結構及分布。

2.實驗測試結果與分析

(1)儲層孔隙形貌特征

掃描電鏡分析結果顯示，研究區石炭-二疊系地層泥頁巖孔隙主要發育微裂縫、粒內孔隙、粒間孔隙及有機質孔隙。泥頁巖樣品中多順層發育微裂隙，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空間，且有利于后期壓裂開發。

(2)孔徑分布特征

目前，孔隙大小分類標準尚不統一，本文采用霍多特分類標準，微孔（＜10nm）、過渡孔（10nm～102nm）、中孔（102nm～103nm）、大孔（103nm～105nm）。

①高壓壓汞測試分析

頁巖氣儲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]。研究區石炭-二疊系樣品壓汞測試結果顯示孔隙度為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，壓實作用較強有關。

分析研究區石炭-二疊系樣品的壓力曲線，可以根據進汞曲線大致將它們分為兩類：

第1種類型（圖1、圖2），初始進汞較慢、進汞量較少。結果顯示：主導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。開放孔較為發育，孔隙連通性比較好。此儲層結構有利于頁巖氣的吸附、儲存及流通。

圖1 壓汞曲線圖

圖2 孔徑分布圖

第2種類型（圖3、圖4），進汞曲線初始階段緩慢增長后，除D31、D13樣品外，均保持一小段的水平后又快速上升達到飽和。結果顯示：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，此種孔隙結構類型對頁巖氣的解吸、擴散和滲透不利。

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。微孔和過渡孔對孔體積、總比表面積貢獻最大。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集空間，吸附氣賦存于有機質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所[6-7]。由于微孔、過渡孔孔喉半徑小，微裂隙發育相對較少，氣體主要以擴散形式運移，這為頁巖氣保存和富集提供良好的條件。

②氮氣吸附測試分析

所有樣品氮氣吸附曲線形態基本呈反“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，尾部突然急劇上升，至相對壓力達到1.0時吸附飽和現象也沒出現，該現象表明在吸附氮氣階段發生了毛細孔凝聚現象[8]。

圖5 氮氣吸附解吸等溫線

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

氮氣吸附測試試驗表明石炭-二疊系樣品的孔表面積分布在4.930～27.201m2/g，平均為12.9284m2/g?？左w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%?？紫额愋筒煌?，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.結論

石炭-二疊系頁巖樣品中的孔隙形態多樣，主要有微裂縫、粒內孔隙、粒間孔隙及有機質孔隙。豐富的微裂縫網絡可以為頁巖氣游離氣提供存儲空間，連通微孔和過渡孔，有利于頁巖氣體存儲與滲流。

聯合壓汞試驗和氮氣吸附試驗對頁巖儲層孔徑分布進行定量分析，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。各級孔隙均有發育，主要為微孔，其次為過渡孔，中孔和大孔不甚發育。微孔和過渡孔為頁巖氣體吸附和存儲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，后期進行增產措施，同樣有利于氣體的滲流擴散。