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Effects of brittle／ductile deformation of coal measure shale on pore structure in Juhugeng Mining Area， Qinghai
我国的页岩气勘探开发具有巨大的潜力［1－2］，但是，我国含煤盆地普遍受到后期构造运动的影响［3］，含煤岩系常常发生不同程度的变形和变位，导致煤系气页岩储层也普遍遭受了后期改造，从而发生脆性或韧性变形［4］。 煤系页岩的变形对储层物性特征的影响是普遍存在的，也是影响煤系页岩气勘探开发的重要因素［5］。 页岩储层的变形程度越高，纳米孔隙越发育，比表面积越大，因而其气体吸附量则越大［6］。 其中，页岩的脆性变形或韧性变形被认为是影响页岩储层的重要形式［4，7］，其不仅增大了纳米孔孔容和比表面面积［8］，也对孔隙类型和孔径分布产生影响［9］。 因此，研究煤系页岩脆／韧性变形的宏观和微观变形特征是探讨煤系页岩储层特征的重要基础。
青海聚乎更矿区是复杂构造区煤系页岩气赋存的典型地区［10－11］，也是青海省能源发展的重要矿区，拥有较强的资源勘探开发潜力。 矿区内由南向北广泛发育逆冲断层，三叠系地层逆冲推覆于侏罗系地层之上，侏罗纪含煤岩系被断层切割，使得其中的页岩储层发生了不同程度的变形。 由于不同部位的页岩所受到的温压条件的不同以及页岩本身力学性质的差异，使得研究区内的页岩发生了脆、韧性变形差异，这种脆、韧性变形差异对页岩储层孔隙结构的影响是不同的［11］。 因此，为了探索聚乎更矿区煤系页岩脆、韧性变形差异对储层孔隙结构的影响，笔者以矿区内中侏罗统的页岩储层为研究对象，采集典型钻孔中断裂带处的页岩样品，研究其宏观及微观尺度下的变形特征，在此基础上，探讨脆／韧性变形特征对页岩孔隙的影响，为研究区页岩气的勘探开发打下基础。
研究区所在的聚乎更矿区位于木里煤田的西南部，木里煤田位于青海省北部，大地构造位置属于中祁连断隆带［12］。
研究区主体出露中侏罗统含煤岩系，主要为河流、滨浅湖、三角洲沉积相，也是煤系泥页岩赋存层位［13］，下伏地层为非整合接触的上三叠统地层，同时，在研究区的南缘，上三叠统推覆于中侏罗统之上（图1）。
图1 研究区构造纲要图及采样钻孔位置（据文献［14］，有修改）
Fig.1 Structure outline of study area and sampling drills location （modified from Reference ［14］）
在喜山运动期间，受由南向北挤压应力，矿区形成了一系列近东西走向的逆冲断层（图1）［14］，对研究区含煤岩系造成了大量破坏，使煤系泥页岩产生脆、韧性变形［11］。 研究区现今构造的整体形态为一复式向斜，在东西向延展的逆冲断层推覆下，研究区原有的含煤沉积向斜盆地被破坏分割成为2 个似单斜构造形态，构成了研究区总体构造形式［11］。
采集研究区4 个钻孔中中侏罗煤系页岩脆、韧性变形样品共13 件，其中脆性变形6 件，韧性变形7件。 所采钻孔位于研究区南缘逆冲推覆地区（图1），推覆系统为上三叠统地层，原地系统为中侏罗统地层。 变形样品位于中侏罗统地层中的断层附近，为喜山运动期推覆构造形成［11，14］，样品信息见表1。 利用扫描电镜实验观测所有样品的脆／韧性变形特征，以归纳总结出聚乎更矿区煤系页岩的脆／韧性变形标志。 此外，对所有样品进行XRD、TOC 以及平均镜质体反射率（Ro）试验的前置处理，挑选出样品成分相差不大的页岩样品6 个（表2），利用低温液氮实验以及核磁共振实验对样品的孔隙结构进行测试，以探讨精细的脆／韧性变形页岩的孔隙结构差异性。
表1 扫描电镜样品信息
Table 1 Scanning electron microscope sample information
样品编号 地层深度／m 层位 变形方式Ⅰ－1， Ⅰ－2， Ⅰ－3， Ⅰ－4， Ⅰ－5， Ⅰ－6 419～745 中侏罗统 脆性Ⅱ－1， Ⅱ－2， Ⅱ－3， Ⅱ－4， Ⅱ－5， Ⅱ－6， Ⅱ－7 630～1 125 中侏罗统 韧性
表2 低温液氮与核磁共振实验样品信息
Table 2 Sample information of low temperature N2 adsorption／desorption and nuclear magnetic resonance （NMR） experiments
矿物组成质量分数／%样品编号 变形方式石英 黏土矿物 其他TOC 含量／% Ro／%Ⅰ－1 44.20 48.80 7.00 1.46 0.95Ⅰ－2Ⅰ－3脆性43.30 49.30 7.40 0.60 0.97 42.90 50.30 6.80 0.50 1.13Ⅱ－1 42.60 50.50 6.90 0.60 1.11Ⅱ－2Ⅱ－3韧性44.60 50.90 4.50 1.21 1.18 43.60 49.20 7.20 1.97 1.21
选取样品中代表性层状碎片，长轴不超过0.5 cm，采用HITACHI S－4800 型冷场发射扫描电镜对变形样品进行观察，区别出主要显微变形特征，并分析样品中孔隙分布特征和形态特征。
每个样品取制备好的过筛60 ～80 目（0.20 ～0.25 mm） 的粉末样2 ～3 g，利用比表面积分析仪（NOVA200e），依据SY／T6 154—1995，采用“静态容量法”对样品进行氮吸附实验，并按照BET 多分子层吸附公式计算试样的比表面积，再利用BJH 模型计算样品的孔容和孔径分布。
核磁共振仪器型号为MRicroMR12－025V。 实验中主要的测量参数：等待时间TW ＝3 000 ms，回波个数NECH＝10 000，回波时间TE ＝0.1 ms。 将块状样品抽真空后以20 MPa 的压力在蒸馏水中饱和24 h，测试饱水样品弛豫时间T2。 将饱水样放入离心机中，以6 000 r／min（约1.38 MPa）的转速离心4 h，测试离心处理后样品的弛豫时间T2。
通过宏观肉眼观察以及扫描电镜下观测，对研究区变形煤系页岩样品的脆、韧性识别标志总结如下。
3.1.1 脆性变形标志
宏观上看（图2），脆性变形有明显断口（A－01），断裂面较为平整且无拉伸或压扭现象（A－02，A－03），有时也会有明显的擦痕和阶步（A－04）。 总体上，样品仍保持了相当的硬度。
微观上看（图2），具有大量的张性微裂隙（A－05，A－06），也存在紧闭的剪性裂隙（A－07），或表现出先张性后剪切的交错裂隙（A－08），这是脆性变形的标志之一。 同时，脆性裂隙长度变化较大，且无充填（Α－09，Α－10），同时发现有孔隙被微裂隙切割的现象（A－11，A－12）。
图2 研究区煤系页岩脆性变形特征
Fig.2 Brittle deformation characteristics of coal measure shales in research area
3.1.2 韧性变形标志
宏观上看（图3），韧性变形使得样品破碎得更为明显，断口并不平整（a－01），甚至表面呈现出不规则的流纹（a－02，a－03），以及出现压扭的特征（a－02，a－03），同时，韧性变形使得样品质地较软，易碎且碎裂部分呈粉末状（a－04）。
图3 研究区煤系页岩韧性变形特征
Fig.3 Ductile deformation characteristics of coal measure shales in research area
微观上看（图3），样品表现出大量的揉皱现象（a－05，a－06），改变了原有的成层状状分布的矿物颗粒的排布方式，增大了矿物颗粒间的孔隙（a－05，a－06，a－07），这也是韧性变形的标志之一。 本次所采样品除表现出大量的扭折带之外（a－07，a－08），还表现出其他具有韧性特征的现象：①孔隙表现出明显的压缩变形（a－09，a－10），粒间孔所受影响较大（a－11，a－12）；②压剪性裂隙大量出现，裂隙呈紧密闭合状态（a－13，a－14），亦有书斜式微裂纹出现（a－15，a－16）；③剪切裂隙表现出带状纹理，切口常见碎屑（a－17，a－18）；④成层状紧密排列的片状黏土矿物的不规则翻立（a－19，a－20），使得原本紧密排列的黏土矿物出现颗粒间孔隙。
3.1.3 脆／韧性变形对孔隙的改造
从图中不难看出，研究区页岩孔隙类型主要为粒间孔（图2、图3），包括碎屑粒间孔和片状黏土矿物的层间孔，其次为粒内孔，而有机质孔则最少。 页岩的脆、韧性变形对孔隙的改造特征为：
1）脆性变形的页岩中，孔隙时常有被裂隙切割的现象，包括粒间孔和粒内孔，从而导致孔隙体积增大和孔隙间的连通。 韧性变形中大量的揉皱和扭折带则极大地改变了页岩微观颗粒的排布，从而导致孔隙结构的变化。
2）韧性变形的页岩中，大量的揉皱现象以及片状粘土矿的不规则翻立不仅挤压了粒间孔，也使得原本紧密排列的矿物间出现了更多的空隙。 但揉皱现象对粒内孔及有机质孔影响并不明显。 此外，韧性变形在压缩孔隙的同时，也进一步缩小了孔隙间的连通通道，尤其体现在片状黏土矿物的层间孔隙上，这会使得孔隙间的连通性降低。
3）脆性变形几乎可以切割任何类型的孔隙，并使得孔隙连通性进一步增大，但不会影响矿物颗粒排列方式。 而韧性变形主要通过改变矿物颗粒排列方式来影响孔隙结构，增大粒间孔隙的同时也会导致孔隙连通性进一步降低。
需要指出的是，上述改造主要发生在黏土矿物中，而页岩中黏土矿物表面是页岩气吸附的主力位置［15－17］，因此，不难看出，黏土矿物中的孔隙受脆／韧性变形的改造程度对页岩储层有着重要影响。
低温液氮实验是测试样品孔隙结构的经典实验，可以有效地反映页岩中微、小孔的发育情况，实验测试的氮气吸／脱附曲线以及孔径分布特征如图4 所示。 可以看出，测试样品中氮气的最大吸附吸附量顺序为Ⅱ－2＞Ⅱ－3＞Ⅱ－1＞Ⅰ－3＞Ⅰ－1＞Ⅰ－2。因此，不难看出，韧性变形样品的气体最大吸附量明显比脆性变形样品多。
图4 脆／韧性变形样品的氮气吸／脱附曲线以及孔径分布特征
Fig.4 N2 adsorption／desorption curves and pore size distribution of brittle／ductile deformation samples
此外，所有样品的吸／脱附曲线均存在着“迟滞回线”，即脱附曲线与吸附曲线明显不重合，这意味着样品中存在着瓶颈型孔、平行板状孔、尖劈型孔等孔隙结构相对较为复杂的孔［18－19］，其中，脱附曲线有明显下降的“小陡坎”被认为是瓶颈型孔的标志。可以看出，所有试验样品的孔隙均含有瓶颈型孔等结构较为复杂的孔（图4a），总结起来，脆性变形和韧性变形样品的孔隙类型相差不大，即脆性变形和韧性变形对页岩孔隙类型的影响并未表现出差异性。 但从孔径分布的情况来看（图4b），脆／韧性变形样品的孔径分布曲线峰值均在孔径3～5 nm，但在该孔径段内韧性变形样品的孔容要明显高于脆性变形样品（图4b 的纵坐标dV／（lgd）是孔容对孔径微分的一种形式，常与孔径d 作图，用于表示孔容随孔径变化率的规律）。
通过对试验数据的拟合计算，得到样品不同孔径段的孔容以及比表面积分布见表3、图5。 韧性变形样品的总孔容分布为11.970×10－3 ～13.820×10－3 mL／g，平均12.907×10－3mL／g，脆性变形样品的总孔容分布为5.546×10－3 ～7.20×10－3 mL／g，平均6.357×10－3 mL／g；同时，韧性变形样品的BET 比表面积为5.779～8.287 m2／g，平均6.980 m2／g，明显高于脆性变形样品（4.343～4.545 m2／g，平均4.460 m2／g）。
表3 样品不同孔径段的孔容分布
Table 3 Pore volume distribution of different pore sizes
样品 变形方式 不同孔径BJH 孔容／（10－3 mL·g－1）BJH 孔比表面积／（m2·g－1）＜10 nm 10～100 nm ＞100 nm总孔容／（10－3 mL·g－1）＜10 nm 10～100 nm ＞100 nm BET 比表面积（m2·g－1）Ⅰ－1 3.889 1.444 0.473 5.806 3.481 0.237 0.012 4.545Ⅰ－2Ⅰ－3脆性3.268 1.755 0.523 5.546 2.806 0.292 0.012 4.493 3.240 3.120 1.360 7.720 2.890 0.390 0.020 4.343Ⅱ－1 8.120 3.710 1.990 13.820 7.024 0.532 0.029 8.287Ⅱ－2Ⅱ－3韧性4.980 5.860 1.120 11.970 4.039 0.659 0.036 5.779 5.480 4.710 2.740 12.930 4.483 0.665 0.040 6.874
可以看出，韧性变形样品的总孔容和比表面积均明显高于脆性变形样品，结合扫描电镜实验结果，不难发现，矿物颗粒的排布方式被改变是使得孔容和比表面积增大的主要原因：韧性变形使得紧密排列的黏土矿物产生揉皱、扭折带、以及不规则翻立等现象，产生了新的矿物颗粒间孔隙，同时也增大了比表面积；脆性变形几乎不改变矿物颗粒的排列方式，因而也不会明显增大孔容和比表面积。 由图5 进一步发现，在孔径小于10 nm 以及10 ～100 nm 段，韧性变形样品的孔容和比表面积均明显大于脆性变形样品，因此可以推断，韧性变形引起的孔容和比表面积增大主要出现在孔径小于100 nm 的段内。
图5 样品不同孔径段的孔容及比表面积分布
Fig.5 The pore volume and specific surface area distributions of different pore sizes
采用“T2 c 法”对核磁共振实验结果进行处理［20－22］。 其计算方法为：在样品的饱水与离心的T2累积孔隙度曲线上，从离心后累积孔隙度曲线的最大处做一条与X 轴平行的直线，与饱水的累积孔隙度曲线交于一点，该点的X 轴值就是T2c 值（图6）。
T2c值所对应的孔隙半径rc为常数，可根据离心压力Pc求得，则第i 个弛豫时间T2i所对应的孔径rci由式（1）和式（2）［21］可求出。
其中，σ 为液面张力，一般取0.076 N／m；θ 为液面润湿角，一般取60°［22］。 因此，式（2）可改写为rc ＝0.14／Pc。
此外，核磁共振实验还可测试样品的有效孔隙度，即可流动体孔隙度［23］，其不仅能存储甲烷气，而且可以允许其在其中渗滤，较好地反映了孔隙的连通性。 样品的有效孔隙度即为饱水状态下所测孔隙度与离心状态下的束缚水所测孔隙度之差，可以通过两者的T2谱计算求得，公式如下：
其中，S（T2）为T2谱分布曲线；Tmin为T2最小值，ms；Tmax为T2最大值，ms；T2c 为T2 截止值，ms；IBV 为束缚流体饱和度，%，非连通性孔隙；IFF为可动流体饱和度，%，为了可连通的有效孔隙度占总孔隙度的比例（图6）；有效孔隙度值即为总孔隙度与FFI 的乘积。
图6 T2c法以及束缚流体饱和度（以样品I－1 为例）
Fig.6 T2c method and bound fluid saturability（Taking sample I－1 as an example）
脆／韧性变形样品的孔隙度、孔径分布、BVI、FFI 以及有效有孔隙度的计算结果见表4。 可以看出，韧性变形样品孔隙度为4.39%～7.34%，明显高于脆性变形样品的孔隙度。
表4 样品核磁共振计算结果
Table 4 Calculation results of nuclear magnetic resonance （NMR） experiments
样品编号 变形方式 孔隙度／%不同孔径孔容／（10－3 cm3·g－1）＜10 nm 10～100 nm 100～1 000 nm ＞1 000 nm IBV／% IFF／% 有效孔隙度／%Ⅰ－1Ⅰ－2Ⅰ－3脆性1.24 9.83 53.89 10.66 13.65 65.11 34.89 0.43 2.76 14.87 79.02 37.51 16.92 73.77 26.23 0.72 1.82 1.82 98.00 19.60 29.58 75.31 24.69 0.45Ⅱ－1Ⅱ－2Ⅱ－3韧性4.39 176.50 143.95 14.62 19.35 69.38 30.62 1.34 7.34 34.90 420.63 166.41 12.85 65.64 34.36 2.52 4.45 11.91 151.84 49.76 24.60 66.10 33.90 1.51
无论是脆性变形还是韧性变形样品，孔径小于100 nm 的孔容占据了主导地位。 但不同的是，韧性变形样品中孔径小于100 nm 的孔容明显高于脆性变形样品，这与低温液氮试验结果一致。 样品的有效孔隙度由FFI 值计算得出，可以看出，韧性变形样品的有效孔隙度在1.34%～2.52%，也明显高于脆性变形样品的有效孔隙度。
此外，根据不同孔径范围内非连通孔（束缚流体）所占比例的分布（图7），可以得出脆／韧性变形方式对孔隙连通性的影响程度：孔径在小于10 nm范围内，韧性变形样品中非连通孔隙所占比例为89.40% ～99. 55%， 明 显 高 于 脆 性 变 形 样 品 的61.42%～77.08%；在10 ～100 nm，两者相当；孔径100～1 000 nm时，韧性变形样品中非连通孔所占比例则明显低于脆性变形样品；而当孔径大于1 000 nm 时，韧性变形样品中非连通孔所占比例则远低于脆性变形样品。
图7 非连通孔在不同孔径段范围内所占比
Fig.7 Percentages of un－connective pores with different pore sizes
因此，随着孔径的增大，韧性变形样品中非连通孔所占比例逐渐降低，而韧性变形样品中非连通孔所占比例变化并不明显。 由此可以推断，韧性变形使得小孔径孔隙的连通性降低，但会使得大孔径孔隙的连通性增加，而脆性变形则是无差别影响不同孔径范围内的孔隙连通性。
1）脆性变形使得煤系页岩出现大量的具有明显断口的破裂面，但并未改变样品的硬度，也没有改变矿物颗粒的排列方式，且存在着大量的张性或剪性裂隙切割孔隙（包括粒间孔和粒内孔）的现象。
2）韧性变形使得煤系页岩质地较软，大量的揉皱、扭折带、以及不规则翻立等现象是韧性变形的标志，其改变了矿物颗粒紧密的排布方式，使得孔容和比表面积增大。 同时，大量的挤压变形也使得原生的孔隙出现受压缩而变形的现象。
3）脆性变形和韧性变形对页岩孔隙类型的影响并未表现出差异性，但韧性变形样品的总孔容和比表面积均明显高于脆性变形样品。 同时，韧性变形引起的孔容和比表面积增大主要出现在孔径小于100 nm段。
4）韧性变形样品的孔隙度以及有效孔隙度均高于脆性样品。 此外，韧性变形使得小孔径孔隙的连通性降低，但会使得大孔径孔隙的连通性增加，而脆性变形则是无差别影响不同孔径范围内的孔隙连通性。
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