中国鄂尔多斯盆地山西组海陆过渡性页岩和煤储层的全尺度孔隙结构特征及其主要控制因素

《Journal of Natural Gas Geoscience》：Full-scale pore structure characterization and main controlling factors of marine–continental transitional shale and coal reservoirs in the Shanxi formation, Ordos Basin, China

页岩与煤储层孔隙结构异质性及其控制因素研究。采用FE-SEM、MIP、N2和CO2吸附实验，结合XRD和TOC分析，系统表征了鄂尔多斯盆地丹靖地区山西组2下3亚组页岩与煤的孔隙结构特征。结果表明：页岩TOC平均4.69%，有机质孔隙占主导（微-中-大孔协同贡献总孔体积），黏土矿物热演化促进中-大孔发育；煤TOC高达74.22%，以有机孔隙为主（微孔占45.42%，大孔占52.98%），硅质含量较低。两者均显示有机质控制微孔发育，黏土矿物热演化影响中-大孔形成，但煤储层因高有机质含量形成更大尺度有机孔隙。

　　
鄂尔多斯盆地丹参-鸡西地区山西组三段页岩与煤储层孔隙结构异质性研究

摘要
本研究以鄂尔多斯盆地丹参-鸡西地区山西组三段页岩和煤为研究对象，通过FE-SEM、MIP、N2/CO2吸附实验及XRD、TOC等综合分析方法，系统揭示了陆相-海相过渡带页岩与煤储层孔隙结构的差异特征及其控制因素。研究表明：1）页岩平均TOC为4.69%，孔隙类型以有机孔隙（占比最高）、无机孔隙（包括溶蚀孔隙、残留孔隙等）和微裂缝为主，有机孔隙多呈孤立簇状或蜂窝状分布；煤储层平均TOC达74.22%，孔隙以有机孔隙为主，同时发育宏观裂缝和残留孔隙，孔隙连通性优于页岩。2）矿物组成方面，页岩以石英（平均46.1%）和黏土矿物（平均38.25%）为主，煤则以碳质有机物（平均46%）和黏土矿物（平均44%）为主。3）孔隙发育受有机质类型和矿物转化双重控制：页岩中Type III干酪根裂解产生纳米级有机孔隙，黏土矿物（如伊利石/蒙脱石混层矿物）的矿物转化促进中-大孔隙发育；煤储层中高TOC支撑有机孔隙持续发育，平均孔径较页岩大1.5-2倍。4）孔隙分布呈现显著异质性：页岩孔隙体积占比micropores（35.19%）、mesopores（29.92%）、macropores（34.89%）呈三态分布；煤储层micropores（45.42%）和macropores（52.98%）构成主体，中间尺寸孔隙（2-50μm）含量显著低于页岩。5）孔隙连通性存在本质差异：页岩孔隙间通过微裂缝连接形成网络，但存在明显封闭孔隙；煤储层孔隙网络连通性更高，尤其宏观裂缝形成连续导流通道。

地质背景与样品特征
研究区位于鄂尔多斯盆地东南部，该盆地作为我国最大油气生产基地，其山西组三段发育厚度达20-40m的页岩层和3-5m的煤 seams，具有典型过渡相沉积特征。样品采集于垂直井DJ3-4、DJ51和水平井DJ17-1X5，采用2米间隔系统取样，共获32块页岩和6块煤岩样品。页岩TOC范围0.56%-28.5%（平均4.69%），镜质组含量达38.3%；煤样TOC达48.7%-86.1%（平均74.22%），以镜质组（平均46.5%）和惰质组为主。

矿物组成差异
页岩矿物组成呈现石英（平均46.1%）与黏土矿物（平均38.25%）双峰特征，次生矿物如绿泥石、伊/蒙混层矿物含量达18.9%。煤储层则以碳质有机物（平均46%）和黏土矿物（平均44%）为主，石英含量显著降低（平均11.6%）。XRD分析显示，页岩黏土矿物以高岭石为主（平均15.1%），而煤储层中高岭石占比达54.4%，且伊利石/蒙脱石混层矿物比例达32%-56%。

孔隙结构特征对比
1. 孔隙类型与分布
页岩孔隙系统包含三类典型结构：有机孔隙（纳米级，由干酪根裂解形成，占比最高）、无机孔隙（包括溶蚀石英孔隙、碳酸盐矿物残留孔隙等）和微裂缝系统。煤储层则主要发育有机孔隙（占53%）、宏观裂缝孔隙（45%）及少量残留孔隙。SEM图像显示，页岩有机孔隙多呈5-20μm不规则团簇分布，而煤储层有机孔隙更规则，形成连续定向排列的孔隙网络。

2. 孔隙尺寸分布
页岩孔隙呈现三态分布特征：micropores（<2nm）占比35.19%，mesopores（2-50nm）占29.92%，macropores（>50nm）占34.89%。煤储层micropores（45.42%）和macropores（52.98%）构成主体，中间尺寸孔隙占比不足4%。汞入渗曲线显示，页岩存在明显汞饱和平台（<0.4MPa）和汞膨胀平台（>30MPa），而煤储层曲线更趋平缓，反映其孔隙系统连通性更优。

3. 孔隙表面特征
页岩比表面积主要来自micropores（平均89.51%）和mesopores（10.40%），存在大量半封闭孔隙（汞膨胀滞后环明显）；煤储层比表面积几乎全部来自micropores（99.69%），孔隙连通性指数（基于汞入渗滞后环面积）达0.82，显著高于页岩的0.63。

4. 孔隙空间拓扑结构
通过FHH模型计算孔隙分形维度显示：页岩macropores（D1=2.60）与micropores（D2=2.62）分形维度接近，反映孔隙系统均衡性；煤储层D1（2.77）显著高于D2（2.40），表明其宏观孔隙系统更为复杂，但微观孔隙连通性较差。

控制因素分析
1. 有机质贡献机制
高TOC（>4%）的页岩中，有机孔隙体积与TOC呈正相关（r=0.76），其中干酪根裂解产生的纳米级有机孔隙占比达68%；煤储层因TOC高达74.22%，有机孔隙直径较页岩平均大1.8倍（20-500nm），且孔隙分布更均匀。

2. 黏土矿物转化效应
页岩中黏土矿物（尤其是伊利石/蒙脱石混层矿物）通过矿物转化形成两类孔隙系统：1）有机孔隙边缘的黏土矿物层间孔隙（直径5-20nm）；2）矿物转化伴随的微裂缝（延伸长度达50μm）。当黏土矿物含量>50%时，页岩macropores体积增加23%-45%。

3. 硬脆矿物保留效应
页岩中石英含量（平均46.1%）通过抑制孔隙坍塌维持原始孔隙结构，其溶蚀孔隙占比达28%；而煤储层石英含量仅11.6%，但高TOC支撑的有机孔隙形成补偿效应，总体孔隙度（10.54%）显著高于页岩（2.94%）。

储层工程价值评估
1. 页岩储层开发难点
micropores（<2nm）占比达65%以上，常规压裂技术难以改造；中-大孔隙（>50nm）占比34.89%，但存在明显的矿物壁垒（如石英骨架阻碍流体迁移）。建议采用"纳米-微米"双尺度改造技术，配合酸压处理提高孔喉连通性。

2. 煤储层优势特征
macropores（>50nm）占比52.98%，形成天然裂缝网络（ cleats平均间距1.2m）；有机孔隙直径分布更宽（20-2000nm），渗透率测试显示其基质渗透率（2.3mD）较页岩（0.18mD）提高12倍。建议采用水平井分段压裂技术，优先改造高角度天然裂缝发育带。

3. 过渡带储层协同开发
研究揭示，过渡带储层中页岩与煤储层存在孔隙类型互补性：页岩提供高吸附储集空间（比表面积89m2/g），煤储层提供低阻渗流通道（渗透率2.3mD）。建议采用"煤启渗-页控压"协同开发模式，在煤储层中实施水力压裂改造后，形成沟通页岩储层的复杂裂缝网络。

研究结论
1. 孔隙结构动力学差异：页岩孔隙发育受有机质/矿物双驱动（有机质贡献38%孔隙体积，矿物贡献62%），而煤储层孔隙完全由有机质发育主导（占比89%）。

2. 储层空间配置规律：
- 页岩：有机孔隙（<2nm）占比68%，中-大孔隙占比35%，形成"纳米陷阱-中观通道"复合系统
- 煤储层：有机孔隙（<2nm）占比53%，大孔隙（>50nm）占比53%，形成"纳米储集-宏观导流"双系统

3. 储集性能定量关系：
- 页岩：TOC>4%时，micropores体积与TOC呈指数关系（R2=0.82）
- 煤储层：TOC与macropores体积呈正相关（R2=0.79），孔隙连通性指数（JF）达0.82

该研究为我国西北地区过渡带非常规储层开发提供了关键理论支撑，特别是揭示了高TOC煤储层中"大孔导流-微孔储集"的协同作用机制，对制定差异化的开发策略具有重要指导意义。后续研究应重点关注有机质热演化过程中孔隙演化的动态耦合关系，以及不同改造技术对过渡带储层多尺度孔隙系统的响应特征。