宁镇地区下志留统高家边组富有机质页岩孔隙结构

2016年3月，第22卷，第1期，159-170页March2016，Vol.22，No.1，pp.159-170高校地质学报GeologicalJournalofChinaUniversities宁镇地区下志留统高家边组富有机质页岩孔隙结构李晋宁1，姚素平1*，孙超1，丁海21.南京大学地球科学与工程学院，南京210023；2.安徽省煤田地质局勘查研究院，合肥230088摘要：通过氩离子抛光-场发射扫描电镜、小角X射线散射及低温氮气吸附实验，对宁镇地区下志留统仑山5井等高家边组底部富有机质泥页岩孔隙结构进行分析，为下扬子区下志留统富有机质泥页岩的储层评价提供依据。研究表明：高家边组富有机质泥页岩含有大量的纳米级孔隙，包括有机质孔、矿物粒间孔、矿物粒内孔、微裂缝等，孔径分布复杂；优势孔径分布为介孔段，孔隙直径主要为2~50nm。影响孔径分布的主要因素是矿物组成，脆性矿物和黏土矿物对微孔和介孔都有一定的影响，而有机质含量对泥页岩总体孔隙特征的影响并不明显。关键词：宁镇地区；高家边组；氩离子抛光-场发射扫描电镜；小角X射线散射；低温氮气吸附；孔隙结构中图分类号：P618.13文献标识码：A文章编号：1006-7493（2016）01-0159-12PoreStructureofOrganic-richShalesintheLowerSilurianGaojiabianFormationfromNingzhenArea，JiangsuProvinceLIJinning1,YAOSuping1*,SUNChao1,DINGHai21.SchoolofEarthSciencesandEngineering，NanjingUniversity，Nanjing210023，China；2.ExplorationResearchInstituteAnhuiProvincialBureauofCoalGeology,Heifei230088,ChinaAbstract:ToprovidedataforthereservoirevaluationofthelowerSilurianorganic-richshalesintheLowerYangtzeRegion,inthisstudyweanalyzethecharacteristicsofporestructuresoftheshalesbasedonthestudyofsamplesfromtheLunShan5wellintheNingzhenArea.Comprehensivemethodswereemployed,mainlyincludingfieldemissionscanningelectronmicroscopy(FE-SEM),smallangleX-rayscattering(SAXS)andlow-temperaturenitrogenadsorption(LT-N2GA).Resultsindicatethattheporesintheshalesaregenerallynanoscaleandcanbeclassifiedintofourtypesingeneral,i.e.,organicpores,interparticlepores,mineralmatrixporesandmicrofractures.Theinterparticleporesdominateamongthesemultipletypesofpores.Theporesizedistributionoftheshalesarecomplex,asmesopores(2~50nm)weredistributedmostwidelyandsomemicropores(＜2nm)andmacropores(＞50nm)havealsobeenobserved.Intermsofthecontrolsoftheporesizedistributionoftheshales,weconductacorrelationbetweenporevolumeandbrittleminerals(e.g.,quartz,pyriteandalbite)contents,claycontentsandTOC.Itisimpliedthatmineralcompositionsaretheprimarycontrol,contentsofbrittlemineralsandclaymineralsalsoplayacertaininfluence(especiallyformicroporesandmesopores),whereasTOChastheleastimpacts.Keywords:NingzhenArea；GaojiabianFormation；fieldemissionscanningelectronmicroscopy(FE-SEM)；smallangleX-rayscattering(SAXS)；low-temperaturenitrogenadsorption(LT-N2GA)；porestructure.Correspondingauthor:YAOSuping，Professor；E-mail：[e-mail]:10.16108/j.issn1006-7493.2015237_____________________________收稿日期：2015-11-23；修回日期：2016-01-17基金项目：江苏省科技支撑项目（BE2013115）；国家“973”计划课题（2014CB239102）；国家自然基金项目（41172139；41372127）联合资助作者简介：李晋宁，男，1991年生，硕士研究生；E-mail:[e-mail]*通讯作者：姚素平，男，教授，博导，主要从事有机地球化学和环境地球化学研究；E-mail:[e-mail]高校地质学报22卷1期当前，页岩气勘探开发在我国四川盆地及其周缘地区取得了一系列的重大突破（陈尚斌等，2011；聂海宽等，2009；Yangetal.，2015），已形成涪陵、长宁、威远等页岩气产区，尤其在川东南焦石坝地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩层中发现了国内首个近四千亿方的大型页岩气田（段雯娟，2014），也是北美以外世界首个页岩气重大商业发现，对我国南方页岩气的勘探开发起到了极大的推动作用。然而，形成于相似古地理环境的下扬子区上奥陶统五峰组－下志留统高家边组页岩气潜力目前仍不清晰，这不仅仅是由于研究程度十分薄弱，更重要的是长期以来难以取得高家边组底部富有机质黑色泥页岩样品，现有的评价多是基于露头风化层的样品，难以真实地评价这套富有机质泥页岩的页岩气潜力。本文根据对江苏宁镇地区仑山5井实钻岩芯的分析，探讨了该区高家边组底部富有机质黑色泥页岩孔隙结构特征，试图为江苏地区乃至下扬子区下志留统页岩气的勘探开发提供科学依据（图1）。1地质背景与样品下扬子地区下志留统高家边组具有较好的成烃物质基础，烃源岩分布较为广泛。且在局部地区的高家边组底部发现有沥青，表明高家边组烃源岩存在生烃证据。该地区出露的高家边组总体上以泥质岩类为主，其中下部的页岩呈青灰色、深灰色和灰色，页理发育，产笔石。这种页岩相当于现代半深海至深海环境中的蓝色软泥或灰色软泥沉积。笔石以及页岩的出现说明为静水或较深水环境（沈淑鑫等，2015；毛凤鸣等，2005）。高家边组的上段，颜色逐渐转变为黄绿色为主，所含笔石也明显减少，且岩性转变为页岩夹透镜状或薄层状粉细砂岩，浪成波痕发育，反映为水体开始变浅的滨外陆棚环境，偶受风暴的影响。其上覆的中志留统坟头组岩性明显变粗，主要为灰黄色长石质石英砂岩，砂岩中见冲洗交错层理，为典型的海岸相沉积。总体来看，高家边组自下而上由半深海到陆棚沉积，而到坟头组则转变为海岸沉积（戎嘉余等，2010；王清晨等，（红色框为研究区位置，绿色点为仑山5井井位，黑色等值线代表高家边组黑色页岩沉积厚度）图1下志留统高家边组构造—岩相古地理及采样位置图（李志明等，1997；戎嘉余等，2010；陈安定，2006）Fig.1Tectonic-lithofaciespalaeogeagraphymapoftheLowerSilurianGaojiabianFormationandsampinglocation1601期李晋宁等：宁镇地区下志留统高家边组富有机质页岩孔隙结构2008；李双建等，2008）。因此，高家边组下部的笔石页岩到上部的黄绿色页岩以及上覆的坟头组记录了一个完整的海退层序（图1）。2样品与实验方法江苏宁镇地区仑山地区下志留统沉积时期处于下扬子前陆盆地前渊泥页岩沉积区（图1），沉积厚度较大，总体环境和四川盆地焦石坝地区龙马溪组沉积时期相近，后者由深水陆棚逐渐过渡为浅水陆棚沉积相（郭彤楼等，2014）。宁镇仑山5井和汤山2井，钻井的目的均是揭示高家边组底部黑色页岩。其中，仑山5井高家边组黑色页岩岩芯厚度约为38.2m，主要岩性包括：下部深灰色泥页岩，页理发育，产笔石，说明形图2江苏省宁镇地区下志留统仑山5井高家边组岩性柱状图及取样位置Fig.2LithologicalcolumnoftheheLowerSilurianGaojiabianFormationinNingzhenArea,Jiangsuprovince161高校地质学报22卷1期成于缺氧或低氧的环境；中部灰黑色—黑色泥岩夹深灰色粉砂质泥岩；上部灰白色—深灰色含粉砂质泥页岩，夹灰白色粉砂岩（图2）；汤山2井主体岩性为灰黑色泥页岩。整体上都与四川盆地东南缘五峰组—龙马溪组底部岩相一致（郭彤楼等，2014；梁超等，2012）。本次实验样品共13块，其中仑山5井12块、汤山2井1块，均取自高家边组底部81.5m硅质炭质页岩。总有机碳（TOC）测试实验仪器：德国elementar公司varioMACROelementalanalyzer。样品用玛瑙研钵研磨成粉末，过200目筛，用盐酸处理后上机测试。镜质体反射率（Ro）测试仪器为Zeiss公司Axioskop40Pol显微镜及j&m公司MSP210光度计，反射率标准物质GBW13401钆镓石榴石，GBW13402钇铝石榴石，GBW13403蓝宝石及GBW13404K9玻璃，实验参照标准“沉积岩中镜质组反射率测定方法（SY/T5124-1995）”。泥页岩样品的常见矿物含量通过全岩XRD实验获取，依照“沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X衍射分许方法（SY/T5163-2010）”，测试仪器为D8DISCOVER型X射线衍射仪，工作电压为40kV，电流为30mA，温度22℃，湿度35%。氩离子抛光仪器型号为Gatanmodel693，离子束能量为0.1~6.0KeV；抛光后的样品在FEI公司型号为Quanta450-FEG场发射扫描电子显微镜上观察，分辨率为0.8~3.0nm，加速电压为200V~30kV，工作模式为高真空。小角X射线散射实验样品采用粉末试样，将泥页岩样用玛瑙研钵研磨成粉末，过200目筛，无颗粒感。测试时用专用透明胶带将样品均匀地粘在胶带上，制成合适厚度的片状试样。实验仪器为X-raymar165探测器，X射线入射光光波为0.124nm，样品至探测器为2.03m。用玛瑙研钵将样品研磨至40~60目粉末，在实验前烘干样品，并放入样品管在100℃下热脱气处理，直至气压持续低于5Pa达5h以上，然后进行低压N2等温吸附实验。实验仪器为美国Micromeritics公司ASAP2020M型全自动气体吸附系统，其理论分辨率为比表面积0.0001m2/g，孔径分布范围：0.35~500nm，微孔区段的分辨率为0.02nm，孔体积0.0001cm3/g（N2，STP）。采用BET比表面积和BJH孔径分布模式。样品基础地球化学分析数据和全岩分析结果见于表1。3实验结果3.1场发射扫描电镜观