史 淼，于炳松，薛志鵬，時(shí) 文，孫夢(mèng)迪

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院）

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙特征是決定該儲(chǔ)層含氣性的重要因素，同時(shí)也是對(duì)該儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵［1］。 儲(chǔ)層的微觀孔隙表征對(duì)頁(yè)巖氣資源的勘探、 開發(fā)以及資源潛力評(píng)價(jià)等都有著重要的意義。目前，表征孔隙的方法主要有定性分析與定量分析兩種： 定性分析主要包括掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)觀察以及CT 三維斷層掃描等，而定量分析則包括壓汞分析、BET 比表面積分析、氣體等溫吸附、核磁共振(NMR)等技術(shù)方法［2-6］。北美地區(qū)上古生界含氣頁(yè)巖已進(jìn)行了大量的研究，頁(yè)巖的熱成熟度低—中等［7］，內(nèi)部的微觀孔隙可大致分類為：(1)粒間孔，發(fā)育于礦物顆粒與晶粒之間的孔隙；(2)粒內(nèi)孔，發(fā)育于顆粒(礦物、晶粒、 生物等)內(nèi)部的孔隙；(3)有機(jī)質(zhì)孔，發(fā)育于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙［8］。 并且，國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)將孔徑＜2nm 的稱為微孔，孔徑處于2～50nm的稱為中孔，而孔徑＞50 nm 的稱為宏孔［9］。 據(jù)此，北美石炭系Barnett 頁(yè)巖的孔隙類型以有機(jī)質(zhì)宏孔為主，孔徑大小約100 nm，還發(fā)育有大量孔徑處于5～15 nm 之間的中孔；而粒間孔、粒內(nèi)孔因膠結(jié)作用而變得稀少［10-11］。

相對(duì)北美地區(qū)上古生界頁(yè)巖氣儲(chǔ)層而言，中國(guó)南方海相頁(yè)巖的形成年代更早(層位多為下古生界寒武系及志留系)，且層系厚度更大、熱成熟度更高［12-14］，其中，渝東南及黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組是重要的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層位，以黑色頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥(頁(yè))巖為主，含大量筆石，局部夾雜有硅質(zhì)泥巖，其有機(jī)質(zhì)含量變化范圍較大且熱成熟度高，多處于高—過成熟期(Ro＞2.0%)［15］。 前人基于川渝地區(qū)的巖樣研究，認(rèn)為龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)除有機(jī)質(zhì)孔、 礦物質(zhì)孔(主要包括顆粒間孔及顆粒內(nèi)孔)較為發(fā)育外，還發(fā)育有一些微裂縫，并以中孔、宏孔為主［16-18］。 在前人研究基礎(chǔ)上，本文選擇渝東南及黔西北地區(qū)的3口井、12塊巖樣，通過定性的研究方法(場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察與X射線微米CT掃描) 來表征龍馬溪組高成熟度、 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的孔隙特征。 首先使用高分辨率、高放大倍數(shù)的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察，然后通過X射線微米CT掃描頁(yè)巖樣品，并提取其內(nèi)部孔隙的空間結(jié)構(gòu)，重建孔隙的網(wǎng)絡(luò)模型，力求更為直觀地展示我國(guó)南方海相高—過成熟富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的孔隙類型與孔隙結(jié)構(gòu)特征。

1 樣品采集與測(cè)試

1.1 井位與樣品

本文以渝東南及黔西北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為研究對(duì)象，樣品取自渝頁(yè)1 井、習(xí)頁(yè)1 井及桐頁(yè)1 井3 口井（井位見圖1）的巖心，共采樣12 塊(表1)，進(jìn)行掃描電鏡觀察(其中習(xí)頁(yè)1 井的4 塊樣品同時(shí)用于CT 掃描)，所采樣品均具高的熱成熟度(Ro平均值為2.54%)。

圖1 研究區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層采樣井地理位置

表1 研究區(qū)頁(yè)巖巖心樣品信息

1.2 測(cè)試方法

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察孔隙的類型和大小。 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡具有超高分辨率，能夠進(jìn)行各種固態(tài)樣品表面形貌的二次電子成像、 反射電子成像觀察及圖像處理等［19-20］。 實(shí)驗(yàn)工作條件：ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，加速電壓15kV，圖像分辨率0.8nm，室溫20℃；OXFORD X-act型X射線能譜儀，探測(cè)元素范圍：Be(4)-Fm(100)。 頁(yè)巖的結(jié)構(gòu)非常致密，含大量微孔隙，樣品斷面表面粗糙，若僅在新鮮斷面上鍍膜觀察其表面的微形貌特征，很難觀察到納米級(jí)孔隙及孔隙的形狀、大小、分布等特征，故先通過氬離子光束對(duì)樣品表面進(jìn)行拋光處理，得到一個(gè)平面后再在其表面噴鍍金(Au)膜，然后使用掃描電鏡觀察孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用X射線能譜儀探測(cè)組成礦物的化學(xué)成分并確定礦物種屬。

采用Xradia 公司生產(chǎn)的X 射線微米CT 掃描儀進(jìn)行掃描，分辨率范圍：0.5～70μm。 分別對(duì)習(xí)頁(yè)1 井的4 塊巖心樣品進(jìn)行全面掃描，掃描分辨率為14 μm。首先，觀測(cè)三維CT 圖像，選出微樣本鉆取區(qū)，確定微樣本的掃描分辨率；然后，從每塊巖樣選定區(qū)域內(nèi)鉆取出直徑為2 mm 的圓柱體微樣，再放入儀器進(jìn)行掃描。 利用CT 掃描可在不破壞樣品的條件下通過大量的圖像數(shù)據(jù)對(duì)特征面進(jìn)行全面展示，可真實(shí)地反映出分辨精度下巖心內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)與相對(duì)密度大?。?1-22］。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙類型

按頁(yè)巖孔隙產(chǎn)狀的不同可分為礦物基質(zhì)孔、有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫，其中礦物基質(zhì)孔可分為粒間孔與粒內(nèi)孔。 粒間孔包括顆粒間孔、礦物晶粒間孔、黏土礦物礦片間孔、剛性顆粒邊緣孔等。粒內(nèi)孔包括礦物集合體內(nèi)孔、顆粒內(nèi)孔、晶粒鑄?？滓约盎T模孔等，而礦物集合體內(nèi)孔又包括黃鐵礦結(jié)核內(nèi)晶間孔、黏土礦物集合體內(nèi)礦片間孔等［2，8］。

在掃描電鏡得到的圖像中，金屬礦物(主要為黃鐵礦)的亮度最高，黏土礦物與脆性礦物石英、方解石等亮度適中，有機(jī)質(zhì)的亮度低，而孔隙的亮度最低，可借顯像亮度不同初步區(qū)分出不同的礦物及孔隙。 由觀察知，渝東南、黔西北地區(qū)龍馬溪組黑色頁(yè)巖內(nèi)礦物基質(zhì)孔（包括粒間孔、粒內(nèi)孔）及有機(jī)質(zhì)孔較發(fā)育，并發(fā)育有少量微裂縫（圖2）。

2.1.1 粒間孔

粒間孔的數(shù)量相對(duì)較多，且連通性好，可形成有效的可滲透孔隙網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)粒內(nèi)孔與有機(jī)質(zhì)孔而言，粒間孔隙較大，為微米到納米量級(jí)，包括顆粒間孔、礦物晶粒間孔、黏土礦物礦片間孔、剛性顆粒邊緣孔等。 所觀察的樣品中以礦物晶粒間孔最為常見，如不同種屬的礦物晶粒間的孔隙(圖3a—3c)、黏土礦物晶粒之間的孔隙(圖3d)等，有機(jī)質(zhì)充填于大的孔隙內(nèi)。

圖2 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層內(nèi)不同孔隙的掃描電鏡照片

圖3 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖粒間孔的掃描電鏡照片

2.1.2 粒內(nèi)孔

發(fā)育于顆粒內(nèi)部的孔隙為粒內(nèi)孔，一般為納米量級(jí)。粒內(nèi)孔可以是原生的，也可以是經(jīng)后期成巖作用改造而形成的，在所觀察的樣品中粒內(nèi)孔較少，以礦物集合體內(nèi)孔和顆粒內(nèi)孔最為常見。

礦物集合體內(nèi)孔 （1）黏土礦物集合體內(nèi)礦片間孔，孔隙較小(圖4a)； （2）“草莓狀”黃鐵礦結(jié)核內(nèi)晶間孔隙，孔隙較大，孔徑多＞100 nm，為宏孔(圖4b—4d)。

顆粒內(nèi)孔 可見大量方解石礦物顆粒內(nèi)孔，孔徑多為50 nm 左右，有的孔徑＞50 nm，為中孔—宏孔(圖4e，4f)，這些孔隙可能是礦物顆粒經(jīng)后期溶蝕作用而形成。

圖4 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖粒內(nèi)孔的掃描電鏡照片

2.1.3 有機(jī)質(zhì)孔

有機(jī)質(zhì)孔也是粒內(nèi)孔，是發(fā)育于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙。 所取樣品的熱成熟度高(Ro平均值＞2.0%)，發(fā)育有大量的有機(jī)質(zhì)孔隙，形態(tài)多為圓形、橢圓形(圖5a，5b)，孔徑多大于50 nm，并且孔徑在100 nm 左右的孔隙居多，為宏孔(圖5c，5d)，少量孔徑在2～50 nm之間，為中孔(圖5c)。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)

孔隙結(jié)構(gòu)是孔隙與喉道發(fā)育的總貌，它直接決定著儲(chǔ)層的孔滲特征。 對(duì)CT 掃描的圖像提取宏孔隙，進(jìn)一步建立三維孔隙空間模型，可以更為直觀地表征孔隙結(jié)構(gòu)。需說明的是，由于X 射線微米CT 掃描儀的分辨率較低，巖樣內(nèi)部大量的納米級(jí)微孔還得不到精確的呈現(xiàn)。

2.2.1 二值化圖像

CT 掃描圖像的灰度值可以反映出巖石內(nèi)部物質(zhì)的相對(duì)密度，利用圖像分割技術(shù)可從256 色灰度圖中分辨出孔隙，得到孔隙結(jié)構(gòu)的二值化圖像［23-27］(圖6)，圖中明亮的白色部分反映高密度物質(zhì)(即巖石中的礦物基質(zhì))，深黑色部分則反映孔隙。

圖5 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔的掃描電鏡照片

2.2.2 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型

從二值化圖像中提取出 “損傷區(qū)域”(孔隙、微裂隙等），這些區(qū)域通常被稱為目標(biāo)區(qū)域，提取目標(biāo)區(qū)域的過程就是圖像分割［27］，而宏孔隙的空間結(jié)構(gòu)通過“最大球法”［28-29］來提取。“最大球法”是把一系列不同尺寸的球體填充到巖心三維圖像的孔隙空間中，通過這些相互疊合或包含的球串來表征整個(gè)巖心的孔隙結(jié)構(gòu)。 “孔隙”和“喉道”是表征孔隙結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基本單元，“孔隙”和“喉道”通過在球串中尋找局部最大球與兩個(gè)最大球之間的最小球而確立，“喉道”是連接兩個(gè)“孔隙”的單元［30］。最終，整個(gè)孔隙空間可被簡(jiǎn)化為以“孔隙”和“喉道”為單元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，形成“孔隙—喉道—孔隙”的配對(duì)關(guān)系。

從目標(biāo)區(qū)域中提取出結(jié)構(gòu)化的“孔隙—喉道”，并對(duì)其內(nèi)部孔隙的尺寸分布(包括孔隙和喉道半徑分布、孔喉半徑比分布、形狀因子分布等)及孔隙連通性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以建立巖心微樣的相分割模型(圖7a—7d)，模型中紅色部分表示礦物顆粒，藍(lán)色部分表示孔隙空間。

根據(jù)提取的“孔隙—喉道”模型可以重建孔隙的空間網(wǎng)絡(luò)模型（圖7a′—7d′）。 經(jīng)三維重建后，可清晰地看到孔隙在巖心微樣內(nèi)沿其內(nèi)部的微裂縫密集分布（圖7a′），在三維空間內(nèi)呈孤立狀不均勻分布（圖7b′)，巖樣內(nèi)孔隙的連通性較差。

由于X 射線微米CT 掃描儀器的分辨率較低，尚不足以揭示礦物顆粒內(nèi)部的微孔，故重建的三維孔隙空間模型僅還原了相應(yīng)精度下巖心內(nèi)部孔隙的真實(shí)分布，圖像呈現(xiàn)的孔隙度會(huì)小于實(shí)際孔隙度。

3 結(jié) 論

（1）由場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察，渝東南及黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖內(nèi)部除含礦物基質(zhì)孔(包括粒間孔和粒內(nèi)孔)外，還發(fā)育有大量的有機(jī)質(zhì)孔，多為宏孔及中孔。 粒間孔以不同礦物晶粒之間的孔隙最為豐富； 粒內(nèi)孔以礦物集合體內(nèi)孔和顆粒內(nèi)孔最為常見，如黏土礦物集合體內(nèi)礦片間孔、“草莓狀”黃鐵礦結(jié)核內(nèi)晶間孔以及方解石礦物顆粒內(nèi)孔等。

（2）X 射線微米CT 掃描與孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維重建揭示了龍馬溪組頁(yè)巖內(nèi)孔隙的空間分布及連通性，孔隙多呈孤立狀、帶狀分布，連通性較差。

圖6 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖巖心微樣內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)的提取

圖7 研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖巖心微樣的相分割模型與孔隙網(wǎng)絡(luò)模型

（3）通過使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡與X 射線微米CT掃描儀相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)手段，從二維、三維層面分別對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層內(nèi)孔隙的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定性表征。 使用高分辨率、高放大倍數(shù)的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡可更細(xì)致地觀察孔隙的類型和形態(tài)； 通過X 射線微米CT 掃描儀對(duì)孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的掃描、提取與三維重建，可以直觀地展現(xiàn)巖心內(nèi)部的孔隙分布，但受儀器分辨率的限制，部分孔隙為多個(gè)納米級(jí)孔隙的疊加。

［1］焦堃，姚素平，吳浩，等. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)表征方法研究進(jìn)展［J］. 高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，20(1)：151-161.

［2］于炳松. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙分類與表征［J］. 地學(xué)前緣，2013，20(4)：211-220.

［3］崔景偉，鄒才能，朱如凱，等. 頁(yè)巖孔隙研究新進(jìn)展［J］. 地球科學(xué)進(jìn)展，2012，27(12)：1319-1325.

［4］Curtis M E, Sondergeld C H, Ambrose R J, et al. Microstructural investigation of gas shales in two and three dimensions using nanometer-scale resolution imaging［J］. AAPG Bulletin, 2012,96(4)：665-677.

［5］馬永，鐘寧寧，黃小艷，等. 聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)在頁(yè)巖納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用［J］.電子顯微學(xué)報(bào)，2014，33(3)：251-256.

［6］伍岳，樊太亮，蔣恕，等. 海相頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙體系表征技術(shù)及分類方案［J］. 地質(zhì)科技情報(bào)，2014，33(4)：91-97.

［7］Curtis J B. Fractured shale-gas systems［J］. AAPG Bulletin,2002, 86(11)：1921-1938.

［8］Loucks R G，Reed R M，Ruppel S C，et al. Spectrum of pore types and networks in mudrocks and a descriptive classification for matrix-related mudrock pores［J］. AAPG Bulletin，2012，96(6)：1071-1098.

［9］Rouquerol J，Avnir D，F(xiàn)airbridge C W，et al. Recommendations for the characterization of porous solids［J］. Pure and Applied Chemistry, 1994, 66(8)：1739-1758.

［10］Slatt M R, O’Brien N R. Pore types in the Barnett and Woodford gas shales： Contribution to understanding gas storage and migration pathways in fine-grained rocks ［J］.AAPG Bulletin, 2007, 97(4)：579-601.

［11］Roger S, Prerna S, Gariel B, et al. Reservoir characterization of unconventional gas shales： Example from the Barnett shale［C］//Proceeding of AAPG Annual Convention, Texas. 2008：20-30.

［12］張金川，聶海寬，徐波，等. 四川盆地頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件［J］. 天然氣工業(yè)，2008，28(2)：151-156.

［13］董大忠，程克明，王玉滿，等. 中國(guó)上揚(yáng)子區(qū)下古生界頁(yè)巖氣形成條件及特征［J］. 石油與天然氣地質(zhì)，2010，31(3)：288-299.

［14］范二平，唐書恒，張成龍，等. 湘西北下古生界黑色頁(yè)巖掃描電鏡孔隙特征［J］. 古地理學(xué)報(bào)，2014，16(1)：133-142.

［15］李娟. 渝東南地區(qū)龍馬溪組黑色頁(yè)巖儲(chǔ)層特征——以鹿角剖面和渝頁(yè)1 井為例［D］. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2013.

［16］武景淑，于炳松，張金川，等. 渝東南渝頁(yè)1 井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙特征及其主控因素［J］. 地學(xué)前緣，2013，20(3)：260-269.

［17］聶海寬，邊瑞康，張培先，等. 川東南地區(qū)下古生界頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀類型與特征及其對(duì)含氣量的影響 ［J］. 地學(xué)前緣，2014，21(4)：331-343.

［18］郭旭升，李宇平，劉若冰，等. 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其控制因素［J］. 天然氣工業(yè)，2014，34(6)：9-16.

［19］陳麗華，繆昕，魏寶和. 掃描電鏡在石油地質(zhì)上的應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990：12-30.

［20］焦淑靜，韓輝，翁慶萍，等. 頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析方法研究［J］. 電子顯微學(xué)報(bào)，2012，31(5)：432-436.

［21］張朝宗. 工業(yè)CT 技術(shù)和原理 ［M］. 北京： 科學(xué)出版社，2009.

［22］白斌，朱如凱，吳松濤，等. 利用多尺度CT 成像表征致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)［J］. 石油勘探與開發(fā)，2013,40(3)：329-333.

［23］Ambrose R J, Hartman R C, Akkutlu Y, et al. New porescale consideration for shale gas in place calculations［C］//Proceeding of SPE Unconventional Gas Conference.Pennsylvania： SPE paper 131772, 2010.

［24］Suicmez V S，Touati M. Pore network modeling： A new technology for SCAL predictions and interpretations［C］// Proceeding of SPE Saudi Arabia symposium. Saudi Arabia： SPE paper 110961, 2007.

［25］楊更社，劉慧. 基于CT 圖像處理技術(shù)的巖石損傷特性研究［J］. 煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(5)：463-468.

［26］張青成，王萬(wàn)富，左建民，等. 煤巖CT 圖像二值化閥值選取及三維重構(gòu)技術(shù)研究［J］. CT 理論與應(yīng)用研究，2014，23(1)：45-51.

［27］馬天壽，陳平. 基于CT 掃描技術(shù)研究頁(yè)巖水化細(xì)觀損傷特性［J］. 石油勘探與開發(fā)，2014，41(2)：227-233.

［28］王金勛，劉慶杰，楊普華. 應(yīng)用Bethe 網(wǎng)絡(luò)研究孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)兩相相對(duì)滲透率的影響［J］. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，23(增刊)：130-132.

［29］Fredrich J T, Menendez B, Wong T F. Imaging the pore structure of geomaterials［J］. Science, 1995, 268：276-279.

［30］Hu Dong, Touati M, Aramco S, et al. Pore network modeling：Analysis of pore size distribution of Arabian core samples［C］//Proceeding of the 15th SPE Middle East Oil & Gas Show and Conference. Kingdom of Bahrain： SPE paper 105156, 2007.