徐良偉，楊克基，魯文婷，李霄，魏浩

1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

2.河北地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)資源河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050031

3.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

4.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000

5.河北地質(zhì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中心，石家莊 050031

0 引言

頁巖氣資源在全球范圍內(nèi)十分豐富，中國頁巖氣藏分布十分廣泛，全國海相頁巖氣資源量約為3.74×1013m3，其中南方頁巖氣資源量約3.20×1013m3，略低于美國，而技術(shù)可采資源量居世界第一[1-3]。資源潛力巨大的頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于頁巖的微納米孔隙中，泥頁巖以微納米級為主的基質(zhì)孔隙空間連同相鄰的自然裂縫，構(gòu)成了頁巖氣的形成、儲(chǔ)集、運(yùn)移系統(tǒng)。納米尺度下的孔隙類型、大小及分布很大程度上影響了頁巖油氣的儲(chǔ)集性能和泥頁巖的封蓋能力，泥頁巖“源—儲(chǔ)—蓋”一體的頁巖氣系統(tǒng)現(xiàn)已被眾多學(xué)者普遍接受[4-7]。因此，泥頁巖中的微納米孔隙影響著頁巖氣的賦存狀態(tài)及傳輸機(jī)制，進(jìn)而對頁巖氣的成藏富集產(chǎn)生重要影響。而低孔低滲特征的泥頁巖儲(chǔ)層極大制約著頁巖氣的規(guī)模建產(chǎn)，作為衡量和評價(jià)儲(chǔ)層優(yōu)劣的重要因素，泥頁巖微觀孔隙儲(chǔ)集空間的研究一直備受國內(nèi)外石油地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注[8-10]。

富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中普遍發(fā)育微納米孔隙系統(tǒng)，因受內(nèi)因和外因的影響，其演化規(guī)律較為復(fù)雜。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的孔隙系統(tǒng)主要由有機(jī)質(zhì)孔和無機(jī)礦物基質(zhì)孔組成，在實(shí)際地質(zhì)埋藏演化過程中孔隙系統(tǒng)的形成與演化，以及微納米孔隙系統(tǒng)如何控制頁巖氣的富集成藏是近年來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，已有大量學(xué)者利用高精度和高分辨率的納米級實(shí)驗(yàn)技術(shù)對不同演化階段的自然成熟泥頁巖樣品的孔隙系統(tǒng)展開了全面而深入的表征與分析，以期揭示孔隙系統(tǒng)的構(gòu)成、形成、演化的機(jī)理，并探討其對頁巖氣成藏富集的影響。但因同一地區(qū)不同時(shí)代和沉積構(gòu)造環(huán)境、不同地區(qū)不同物質(zhì)來源的泥頁巖受形成條件等多因素影響，自然成熟泥頁巖的有機(jī)質(zhì)特征、礦物組成和含量、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等內(nèi)部與外部的非均質(zhì)性較強(qiáng)，學(xué)者們所得到的孔隙系統(tǒng)形成與演化的規(guī)律也各不相同[11-15]。為了避免地質(zhì)非均質(zhì)性的干擾，揭示熱成熟生烴演化單一因素對孔隙系統(tǒng)形成與演化的影響，近些年來學(xué)者們普遍采用熱模擬實(shí)驗(yàn)對未成熟—低成熟泥頁巖樣品進(jìn)行人工熟化，期望建立統(tǒng)一的演化模式來探討在此過程中孔隙系統(tǒng)形成與演化的規(guī)律[16-20]。但針對I型、II型、III型干酪根的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖從未成熟、低成熟、成熟、高成熟至過成熟階段全成熟度范圍全面而深入的模擬實(shí)驗(yàn)較少，并且將其與自然演化樣品進(jìn)行對比，分析實(shí)際地質(zhì)條件下孔隙系統(tǒng)形成發(fā)育規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。大多數(shù)學(xué)者僅針對某種干酪根類型泥頁巖在某一成熟階段中孔隙系統(tǒng)演化進(jìn)行了模擬，并且各個(gè)學(xué)者所采用原始樣品的有機(jī)地球化學(xué)特征和礦物組成與含量，以及在不同模擬實(shí)驗(yàn)中所設(shè)置的模擬時(shí)間、升溫程序、壓力與流體條件各不相同，這些因素使得以往研究成果均難展示頁巖在地質(zhì)歷史時(shí)期真實(shí)的演化規(guī)律，因而目前尚無統(tǒng)一且廣泛適用的孔隙系統(tǒng)演化模式與規(guī)律可供對比分析和參考。

本文論述了近年來富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)孔隙表征研究的發(fā)展歷程、形成與發(fā)育影響因素，總結(jié)了自然演化序列和模擬成熟序列泥頁巖孔隙系統(tǒng)形成與演化的過程與模式，以期全面而深入地認(rèn)識泥頁巖孔隙系統(tǒng)的形成與演化規(guī)律，豐富頁巖氣微觀儲(chǔ)層評價(jià)科學(xué)理論，深化頁巖油氣資源成藏富集機(jī)理的認(rèn)識，總結(jié)目前存在的科學(xué)問題，并提出研究展望。

1 復(fù)雜泥頁巖孔隙系統(tǒng)研究發(fā)展歷程

經(jīng)歷數(shù)十年的歷程，因表征儀器與實(shí)驗(yàn)手段不斷向高精度、高分辨率、多維度的趨勢發(fā)展，泥頁巖微納米孔隙在理論創(chuàng)新與實(shí)踐認(rèn)識方面取得了長足的進(jìn)步，推動(dòng)了泥頁巖儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)與非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)的發(fā)展?？v觀國內(nèi)外學(xué)者對泥頁巖孔隙系統(tǒng)的研究進(jìn)程，大致可以將泥頁巖孔隙系統(tǒng)的研究劃分為科學(xué)探索發(fā)現(xiàn)階段、理論實(shí)踐發(fā)展階段、演化模式建立階段。

1.1 科學(xué)探索階段（1971—2000年）

1971 年，O’Brienet al.[21]、Bennettet al.[22]利用顯微分析技術(shù)對黏土礦物進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)絲片狀黏土礦物可以通過面與面、面與邊緣、邊緣與邊緣相互接觸，并定向排列，可以形成“紙房構(gòu)造”，這一發(fā)現(xiàn)首次聚焦于泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)，并將非常規(guī)儲(chǔ)層相關(guān)的研究引入人們的視野。

1985 年，IUPAC 對固體材料進(jìn)行研究時(shí)，對De Boer 提出的吸附回線5 分法進(jìn)行改進(jìn)，將N2吸附解吸曲線分為四種類型，對每種類型曲線所對應(yīng)的孔隙類型進(jìn)行了解釋，這一研究后來被引用到泥頁巖儲(chǔ)層微納米孔隙系統(tǒng)的表征中來，是現(xiàn)今常用的一種表征泥頁巖中孔規(guī)模和形態(tài)的技術(shù)手段[23]。

1990年，O’Brienet al.[24]又發(fā)現(xiàn)了泥頁巖的絮狀黏土礦物聚合體中發(fā)育的開放孔隙，這些經(jīng)過長期演化而被保留下來的開放孔隙和“紙房構(gòu)造”能為分子直徑為3.8 nm 的甲烷提供吸附和聚集空間。因而，絮狀黏土礦物中的粒間孔隙被認(rèn)為是泥頁巖中最早發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)集空間。

1992 年，Katsube[25]研 究 發(fā)現(xiàn)，埋深 為4 400～5 600 m的頁巖孔隙直徑介于2.7～11.5 nm，而直徑大于25 nm 的孔隙較少。之后關(guān)于泥頁巖孔隙相關(guān)的研究報(bào)道相對不多。

1.2 理論成型階段（2001—2014年）

2001 年至2010 年是非常規(guī)納米油氣儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)飛速發(fā)展的十年。由于泥頁巖儲(chǔ)層具有不同于常規(guī)油氣儲(chǔ)層的孔徑小、物性低等特征，因而常規(guī)油氣儲(chǔ)層表征技術(shù)應(yīng)用于泥頁巖儲(chǔ)層時(shí)局限性較大。得益于聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、寬離子束掃描電子顯微鏡（BIB-SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等高分辨率電子顯微圖像分析技術(shù)，高壓壓汞、低壓N2和CO2吸附等流體注入技術(shù)，微納米CT、核磁共振（NMR）、小角度中子散射（SANS）或超小角度中子散射（USANS）等非流體注入技術(shù)，泥頁巖儲(chǔ)層微納米孔隙結(jié)構(gòu)定性觀察與定量分析得到了極大發(fā)展[26-27]。

2002 年，Curtis[28]對美國Michigan 盆地Antrim 頁巖，Appalachian 盆 地Ohio 頁 巖，F(xiàn)ort Worth 盆 地Barnett 頁巖，Illinois 盆地New Albany 頁巖，San Juan盆地Lewis 頁巖五大頁巖氣系統(tǒng)頁巖氣的成藏條件進(jìn)行了分析，是較早全面介紹美國五大商業(yè)開發(fā)頁巖氣系統(tǒng)及孔隙特征的報(bào)道。

2003 年，張金川等[29]較早論述了頁巖氣的成藏機(jī)理與成藏主控地質(zhì)因素，認(rèn)為頁巖是既生又儲(chǔ)的儲(chǔ)集層，其孔隙和裂縫系統(tǒng)的發(fā)育程度決定了其含氣豐度。

2007 年，Jarvieet al.[5]發(fā)現(xiàn)TOC 含量為7%的頁巖在生烴過程中可以消耗35%的有機(jī)碳，使其孔隙空間增加4.9%，較早提出了生烴會(huì)使泥頁巖孔隙空間增大的論斷。

2009 年，Singhet al.[30]首次提出泥頁巖儲(chǔ)層“納米級孔隙”的概念，標(biāo)志著泥頁巖儲(chǔ)層相關(guān)的概念體系和系統(tǒng)的孔隙分類開始建立。同年，Chalmerset al.[31]采用IUPAC的標(biāo)準(zhǔn)，將泥頁巖中的孔隙分為微孔、介孔、宏孔，這種分類方案雖然不能準(zhǔn)確的反應(yīng)孔隙的形態(tài)、成因及連通性能，但這一分類卻為泥頁巖孔隙系統(tǒng)的定量表征奠定了基礎(chǔ)。也是在2009 年，Rosset al.[32]最早對美國Fort Worth 盆地Barnett 頁巖中的有機(jī)質(zhì)孔和孔隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了報(bào)道，揭示了富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中絕大多數(shù)的納米級孔隙分布于有機(jī)質(zhì)中或形成于其邊部。

2010 年，Passeyet al.[33]認(rèn)為，泥頁巖中50%以上的儲(chǔ)集空間由納米級的有機(jī)質(zhì)孔隙提供，這一報(bào)道使有機(jī)質(zhì)孔的重要性被人們所重視。同年，Sondergeldet al.[34]研究證實(shí)，泥頁巖中的絕大多數(shù)孔隙分布于有機(jī)質(zhì)中，其余的孔隙則與礦物成份與含量等因素有關(guān)，并將頁巖中的孔隙分為礦物間孔、有機(jī)質(zhì)孔、黃鐵礦粒間孔、生物化石孔、微裂縫等。同年，Milneret al.[35]為了便于對北美不同層系的泥頁巖展開研究，將其所觀察到的孔隙分為基質(zhì)晶間孔、有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔3大類。

2011 年，Slattet al.[36]對Barnett 和Woodford 頁巖進(jìn)行了氬離子拋光，然后進(jìn)行掃描電鏡觀察，首次建立了有機(jī)質(zhì)中的三維孔隙模型，并將泥頁巖中的孔隙分為有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土絮體間孔隙、糞球粒內(nèi)孔隙、化石碎屑內(nèi)孔隙、顆粒內(nèi)孔隙和微裂縫。同年，鄒才能等[6]利用掃描電鏡和納米CT在中國四川盆地志留系頁巖中發(fā)現(xiàn)了納米級孔隙新類型，開啟了微觀儲(chǔ)層特征與烴類演化時(shí)空匹配關(guān)系的研究，使油氣勘探向致密油氣和納米油氣方向發(fā)展，打破了國內(nèi)油氣儲(chǔ)層宏觀與微觀二分的觀點(diǎn)，標(biāo)志著油氣儲(chǔ)層納米級孔隙研究時(shí)代的到來。

2012 年，Locukset al.[37]以有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔、粒內(nèi)孔為三個(gè)端元，將泥頁巖儲(chǔ)層的基質(zhì)孔隙分為基質(zhì)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙和微裂縫三類，這一分類方法是目前主要流行的頁巖孔隙分類方案，奠定了泥頁巖孔隙分類的研究基礎(chǔ)。

2014 年，Modicaet al.[38]借助動(dòng)態(tài)模型模擬了有機(jī)質(zhì)孔形成與演化過程，提出隨著埋深增加，礦物質(zhì)孔隙規(guī)模不斷減少，而有機(jī)質(zhì)孔隙規(guī)模逐漸增加的規(guī)律。同年，焦堃等[27]在泥頁巖表征復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)時(shí)引入了概率熵、形狀系數(shù)、分形維數(shù)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，其中概率熵能夠反映孔隙的定向性，形狀系數(shù)用于表征孔隙的圓潤/粗糙程度，分形維數(shù)則可以揭示復(fù)雜形體的不規(guī)則性。白斌等[39]在泥頁巖儲(chǔ)層微納米孔隙結(jié)構(gòu)表征研究的基礎(chǔ)上，建立了泥頁巖孔隙表征實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法、參數(shù)與流程，提出了原生微孔與次生微孔的分類方案。其中，原生微孔可細(xì)分為粒間微孔和晶間微孔，次生微孔則可分為粒內(nèi)微孔、粒間溶蝕微孔、微裂縫。同年，于炳松[40]充分調(diào)研和總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者的研究觀點(diǎn)，提出了以產(chǎn)狀和結(jié)構(gòu)綜合分類的頁巖儲(chǔ)層分類方案，這一分類被絕大多數(shù)學(xué)者引用，成為目前最具有代表性的分類體系之一。此后，也有學(xué)者對泥頁巖的孔隙進(jìn)行了分類，但大多未被廣泛借鑒。

至此，泥頁巖儲(chǔ)層中普遍發(fā)育類型多樣的微納米級孔隙系統(tǒng)被學(xué)者們廣泛接受。圖像分析技術(shù)、流體注入技術(shù)、非流體注入技術(shù)等先進(jìn)的高精度和高分辨率觀測技術(shù)的利用，以及泥頁巖儲(chǔ)層微納米孔隙多種分類方案的提出，為泥頁巖微納米孔隙形成與演化機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)，為泥頁巖微納米孔隙演化模式的研究提供了技術(shù)支撐。

1.3 飛越發(fā)展階段（2014年至今）

針對泥頁巖孔隙特征的靜態(tài)表征，國內(nèi)外學(xué)者已在孔隙的形態(tài)、類型、成因、規(guī)模、分布與連通性等各方面開展了大量研究，經(jīng)過前期的廣泛積累，泥頁巖孔隙特征的靜態(tài)表征已有較為成熟的理論基礎(chǔ)體系，泥頁巖孔隙系統(tǒng)的研究也逐步趨于定量化。然而，現(xiàn)今的泥頁巖是地質(zhì)歷史時(shí)期演化的產(chǎn)物，為了揭示地質(zhì)歷史時(shí)期泥頁巖孔隙的形成與演化過程，明確頁巖油氣賦存富集機(jī)理，近些年來大量學(xué)者展開了泥頁巖動(dòng)態(tài)演化規(guī)律的研究，泥頁巖儲(chǔ)層微納米孔隙系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律也逐漸系統(tǒng)而深入。

2014 年，Chenet al.[16]通過封閉體系玻璃管在無水條件下對三塊TOC 含量不同的樣品進(jìn)行了熱模擬，首次用物理模擬實(shí)驗(yàn)的方法揭示了泥頁巖微納米孔隙結(jié)構(gòu)在熱成熟過程中的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，并將富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙體積和比表面積的形成與演化劃分為形成階段、發(fā)展階段、破壞階段（圖1）。

圖1 熱成熟作用下比表面積和孔隙體積變化特征（據(jù)文獻(xiàn)[16]修改）（A1，A2）富有機(jī)質(zhì)頁巖；（B1，B2）貧有機(jī)質(zhì)頁巖；（C1，C2）煤Fig.1 Surface area and pore volume of micro-and mesopores as functions of thermal maturity, as indicated by virtinite reflectance(modified from reference[16])(A1,A2)Organic rich shale;(B1,B2)Organic poor shale;(C1,C2)Coal

2015 年，Wanget al.[41]最早使用多尺度定性與定量相結(jié)合的方法，聯(lián)合使用低壓CO2吸附、低壓N2吸附、高壓壓汞法、掃描電鏡等技術(shù)對泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征（圖2）。同年，Tanget al.[42]和Huet al.[43]分別利用物理模擬的方法在室內(nèi)模擬了泥頁巖微納米孔隙的動(dòng)態(tài)演化過程，并利用流體注入技術(shù)對這一演化規(guī)律進(jìn)行了定量表征。

圖2 頁巖全尺度孔體積隨孔徑分布變化曲線（據(jù)文獻(xiàn)[41]修改）Fig.2 Full-scale distribution of pore volume with pore size in shale (modified from reference[41])

2016 年，Wanget al.[44]基于掃描電鏡網(wǎng)格劃分微孔隙辨識測量技術(shù)，結(jié)合Image J孔隙定量分析技術(shù)，對掃描電鏡照片中孔隙信息進(jìn)行提取和二值化處理，通過調(diào)整掃描電鏡照片的灰度值，將礦物基質(zhì)信息、有機(jī)質(zhì)信息等其他信息過濾，而只保留孔隙信息，以此實(shí)現(xiàn)了對泥頁巖孔隙形態(tài)與規(guī)模等特征的精確定量表征。在此基礎(chǔ)上，Wanget al.[44]引入多重分形幾何理論對泥頁巖儲(chǔ)層的多重分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算，有效的表征了泥頁巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，建立了孔隙分布非均質(zhì)性與儲(chǔ)集能力之間的關(guān)系，并對泥頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力進(jìn)行了評價(jià)（圖3）。

圖3 SEM 照片看有機(jī)質(zhì)孔隙信息提取分形分析過程與結(jié)果(a～c)和多重分形幾何計(jì)算過程(d～f)（據(jù)文獻(xiàn)[44]修改）Fig.3 (a-c) Fractal analysis process and results based on organic pore extraction; and (d-f) procedure for calculating the multifractal spectrum for SEM (modified from reference [44])

近年來，許多學(xué)者采用物理模擬的方法對泥頁巖孔隙系統(tǒng)形成與演化的過程進(jìn)行了模擬，在多尺度定性與定量表征技術(shù)的支持下，清楚直觀地表述了泥頁巖孔隙系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的形成與演化過程。因而，泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)特征的研究，逐漸從靜態(tài)單一技術(shù)的表征向動(dòng)態(tài)物理模擬聯(lián)合多尺度定性與定量相結(jié)合的表征方向發(fā)展。

2 富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)特征及發(fā)育影響因素

2.1 富有機(jī)質(zhì)泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)特征

通過對北美主要頁巖氣高產(chǎn)區(qū)以及我國頁巖氣勘探開采示范區(qū)的泥頁巖孔隙特征進(jìn)行系統(tǒng)梳理和全面總結(jié)，發(fā)現(xiàn)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的孔隙構(gòu)成具有異于常規(guī)油氣儲(chǔ)層的復(fù)雜孔隙系統(tǒng)特征，不同地區(qū)時(shí)代、不同形成條件的泥頁巖微觀孔隙發(fā)育類型不同，具體體現(xiàn)在：1）泥頁巖儲(chǔ)層具有富含微納米孔隙的特征，孔徑較小，結(jié)構(gòu)致密，連通性差，因而其物性特征顯著低于常規(guī)油氣儲(chǔ)層，也較常規(guī)油氣儲(chǔ)層孔隙更難分類與識別鑒定[5,37,40]；2）不同于常規(guī)油氣儲(chǔ)層，泥頁巖儲(chǔ)層的孔隙既常見于石英、長石、方解石、黏土礦物等礦物基質(zhì)，也可大量形成于有機(jī)質(zhì)中，而常規(guī)油氣儲(chǔ)層的孔隙則主要發(fā)育于砂巖中[7,45-46]；3）與常規(guī)油氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)主要受控于成巖作用不同，泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的形成與演化既與礦物成巖作用密切相關(guān)，更受有機(jī)質(zhì)生烴和排烴作用的影響。比如，有機(jī)質(zhì)生烴形成大量微納米孔隙的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，將對頁巖中的易溶礦物進(jìn)行溶蝕，導(dǎo)致泥頁巖的孔隙發(fā)育規(guī)模增大，而有機(jī)質(zhì)排烴等一般會(huì)造成泥頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及孔隙度降低[19,47-48]；4）除無機(jī)礦物成分外，泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的發(fā)育程度也與有機(jī)質(zhì)類型、含量、熱成熟度及分布特征緊密相關(guān)[49-50]。因此，與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，泥頁巖微納米孔隙廣泛發(fā)育且與有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)，是富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的重要特征。

值得提出的是，泥頁巖儲(chǔ)層中獨(dú)特的孔隙類型——有機(jī)質(zhì)孔，主要形成于有機(jī)質(zhì)熱成熟生烴過程中，分布在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部或邊緣，大小為幾納米至幾百納米，平均孔徑一般小于粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、晶內(nèi)孔等礦物基質(zhì)孔隙[6,51-52]。在未成熟—低成熟的泥頁巖中，有機(jī)質(zhì)孔主要以生油孔為主，形態(tài)呈圓形、橢圓形、不規(guī)則狀等，分布孤立，連通性較差。在成熟至高成熟階段的泥頁巖中，有機(jī)質(zhì)孔則以生氣孔為主，孔隙大小比生油孔更小，形態(tài)呈圓形、橢圓形、棱角狀或次棱角狀，分布孤立且密集，與生油孔不易區(qū)分。而在過成熟及成熟度更高的泥頁巖中，生氣孔將大量生成，大面積連片分布于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部或邊緣，形態(tài)類似于海綿狀，呈蜂窩狀、片麻狀，部份有機(jī)質(zhì)孔隙孔徑擴(kuò)大，與周邊相鄰孔隙連通[53-54]。此外，有機(jī)質(zhì)孔隙的比表面積大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，大量氣體可吸附于有機(jī)質(zhì)表面，或呈游離態(tài)富集于有機(jī)質(zhì)孔中。有機(jī)質(zhì)孔隙在二維和三維空間具有一定的連通性，這對于頁巖油氣的吸附、滲流和聚集具有重要意義。

2.2 富有機(jī)質(zhì)泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)發(fā)育影響因素

泥頁巖微納米孔隙形成與演化的影響因素總體上分為內(nèi)因和外因，外因主要為沉積環(huán)境、構(gòu)造背景、地層埋深、溫度和壓力等，而內(nèi)因則是巖性、礦物成份、TOC 含量、有機(jī)質(zhì)類型與成熟度、厚度和濕度等[55-57]。泥頁巖中各種類型孔隙的成因與演化機(jī)制較為復(fù)雜，各種內(nèi)外因在其形成與發(fā)育的不同時(shí)期對其影響程度不同。

在外部控制因素中，沉積環(huán)境、構(gòu)造背景共同決定了泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)條件，并進(jìn)一步控制了泥頁巖微納米孔隙的形成與演化。泥頁巖形成時(shí)的古地理格局、沉積環(huán)境和母巖類型對泥頁巖巖相和物質(zhì)組成具有明顯的影響，不同沉積環(huán)境條件下發(fā)育的泥頁巖有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來源存在較大差異，這就意味著影響孔隙結(jié)構(gòu)特征的主控因素不同，不同沉積環(huán)境下形成的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，其孔隙結(jié)構(gòu)，特別是有機(jī)質(zhì)孔隙特征主要受有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來源的控制。Wanget al.[58]對比了海陸相沉積富有機(jī)質(zhì)泥頁巖地質(zhì)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)因物源與沉積環(huán)境不同，海陸相頁巖雖然礦物組成上有一定的相似性，但在含量上較別較大，正是這些礦物組成的差異致使成巖過程中巖石抗壓實(shí)能力不同，進(jìn)而影響頁巖中礦物基質(zhì)孔與有機(jī)質(zhì)孔的形成與演化。Yanget al.[59]對我國四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組為代表的海相頁巖、下二疊統(tǒng)山西組為代表的海陸過渡相泥頁巖、鄂爾多斯盆地三疊系長7 段為代表的陸相泥頁巖的納米孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)孔對海相頁巖的孔體積和比表面積貢獻(xiàn)更大，而黏土礦物相關(guān)的孔隙對海陸過渡相和陸相頁巖的孔體積和比表面積貢獻(xiàn)更大。此外，其還發(fā)現(xiàn)海相頁巖的孔體積和比表面積均大于過渡相及陸相頁巖，海相頁巖主要以小于10 nm的墨水瓶型有機(jī)質(zhì)微中孔為主，而過渡相和陸相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖則主要發(fā)育30～70 nm的黏土礦物狹縫型中—宏孔。構(gòu)造條件穩(wěn)定，各種礦物類型較為發(fā)育，古生物化石豐富，有機(jī)質(zhì)含量高，構(gòu)成了頁巖儲(chǔ)層微納米孔隙形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，致使頁巖形成硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖等不同巖相，并發(fā)育不同類型的微納米級孔隙[56]。

在內(nèi)部影響因素中，巖性與礦物組成的變化控制了頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)，使得泥頁巖孔隙空間有一定程度的增大或減小[52]。國內(nèi)外具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的海相、陸相、海陸過渡相頁巖的脆性礦物含量一般都高達(dá)40%，這一標(biāo)準(zhǔn)適合后期頁巖氣的開發(fā)壓裂改造；脆性礦物的富集將使泥頁巖抗機(jī)械壓實(shí)能力提高，有利于頁巖原生孔隙的保存，也可以使頁巖更易產(chǎn)生裂縫。已有研究表明，脆性礦物含量與各級別孔隙呈現(xiàn)出一定程度的正相關(guān)關(guān)系，在不同地區(qū)這一規(guī)律也會(huì)有所不同，這一特征與不同的地質(zhì)條件和成巖作用有關(guān)[60-61]。黏土礦物的類型和含量也對頁巖納米孔隙的類型與數(shù)量具有重要影響。Bustinet al.[62]認(rèn)為頁巖中黏土礦物具有較大的比表面積和較高的孔隙體積。吉利明等[9]認(rèn)為蒙脫石具有的孔比表面積顯著高于伊利石、綠泥石、高嶺石等，并且不同黏土礦物晶層及孔隙結(jié)構(gòu)不同，孔比表面積存在很大差別。另外，在不同的成巖作用階段，黏土礦物之間會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化和脫水作用，產(chǎn)生層間微孔隙。脆性礦物與黏土礦物的相對含量及頁巖微納米儲(chǔ)集空間發(fā)育的相關(guān)性定量研究也已有大量學(xué)者報(bào)道。

TOC含量和干酪根類型影響著有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的孔體積和比表面積，而有機(jī)質(zhì)演化則制約著不同類型孔隙的演化趨勢[55-56,63]。已有較多研究表明，TOC含量對頁巖儲(chǔ)層孔隙具有重要的貢獻(xiàn)作用，TOC含量與泥頁巖各孔徑范圍孔隙的孔體積、比表面積、孔隙度大多呈正相關(guān)關(guān)系，是影響頁巖納米孔隙體積、比表面積、孔隙度的主控因素[46,64-65]。Beharet al.[66]研究發(fā)現(xiàn)，頁巖中5～50 nm的孔隙尺寸取決于干酪根類型，由偏腐泥混合型干酪根到腐泥型干酪根，泥頁巖的孔隙度和比表面積均減小。張廷山等[61]研究發(fā)現(xiàn)川南早古生代海相II型干酪根頁巖中微觀孔隙的比表面積和孔體系比I型干酪根頁巖更發(fā)育，認(rèn)為這是由于II 型干酪根主要來源于高等浮游生物，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較大且較為復(fù)雜，形成的II 型干酪根含有多環(huán)芳香烴及雜原子官能團(tuán)，使得微觀孔隙一般比I型干酪根大，進(jìn)而對頁巖的比表面積、孔體積等產(chǎn)生影響。有機(jī)質(zhì)成熟度與頁巖微觀儲(chǔ)層孔隙并不是單純的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，納米孔隙隨著熱演化程度如何變化也存在較大的爭議，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)成熟度是泥頁巖發(fā)生各種地質(zhì)作用的綜合體現(xiàn)[61-63,67]。隨著成熟度的增加，泥頁巖中的有機(jī)質(zhì)將不斷的生烴，并且礦物成分也將不斷發(fā)生轉(zhuǎn)化，為了揭示這些問題，國內(nèi)外較多學(xué)者對成熟度與孔隙系統(tǒng)演化的相關(guān)關(guān)系開展了定性或定量的研究。例如Curtiset al.[68]對Woodford 盆地成熟度為0.51%～6.36%的頁巖進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)成熟度低于0.9%的樣品中有機(jī)質(zhì)微孔較少，當(dāng)成熟度增加至2.0%時(shí)，有機(jī)質(zhì)微孔數(shù)量逐漸增多，成熟度大于2.0%以后有機(jī)質(zhì)孔隙數(shù)量反而減少。Huet al.[43]和Sunet al.[47]均對低成熟頁巖樣品進(jìn)行了模擬，并對模擬后的固體樣品的孔隙特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨熱成熟度的增高，相應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔隙度隨有機(jī)質(zhì)成熟度呈規(guī)律性的增加。而Xuet al.[20]通過物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨成熟度的增加，泥頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)呈先減小后增大而后再減小的變化規(guī)律，其分別在成熟度為0.86%和3.28%時(shí)達(dá)到最小值和最大值。

綜上可知，泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)的發(fā)育與演化是多方面因素綜合作用的結(jié)果。目前也有較多學(xué)者普遍認(rèn)為，成巖作用和有機(jī)質(zhì)生烴作用也是泥頁巖儲(chǔ)層納米孔隙系統(tǒng)發(fā)育的主控因素。其中，壓實(shí)作用和膠結(jié)作用等成巖作用是主要的減孔成巖作用，而溶蝕作用則是主要的增孔成巖作用[69-71]。

壓實(shí)作用是影響泥頁巖原生粒間孔、粒內(nèi)孔最為顯著的成巖作用，泥頁巖自沉積之后逐漸深埋過程中，因上覆沉積物的重量以及水體的重壓，使大量的孔隙水從泥頁巖的孔隙系統(tǒng)中排出，此期間的機(jī)械壓實(shí)作用致使泥頁巖的孔隙度迅速降低，原生的粒間孔、粒內(nèi)孔，以及部分晶間孔和晶內(nèi)孔等也將遭到嚴(yán)重的壓實(shí)破壞，而使泥頁巖儲(chǔ)層逐漸致密。郭秋麟等[72]認(rèn)為，當(dāng)埋深達(dá)到1 000 m、2 000 m、3 000 m時(shí)，泥頁巖的孔隙度分別從其剛沉積時(shí)的60%～80%降低至27%、16%、11%。在深埋壓實(shí)過程中，石英、長石等剛性礦物顆粒的存在將有利于孔隙的保存，而黏土礦物等易被擠壓變形的礦物成分容易導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)破壞[73-75]。埋藏成巖過程中，因地溫升高和黏土礦物的轉(zhuǎn)化，泥頁巖中也將形成方解石、黃鐵礦顆粒等自生礦物顆粒，重結(jié)晶于泥頁巖的孔隙裂縫中，也會(huì)致使泥頁巖的孔隙空間減小[74,76-77]。

有機(jī)質(zhì)生烴作用是不同于常規(guī)油氣儲(chǔ)層而屬于泥頁巖儲(chǔ)層的一種獨(dú)特的成巖作用類型，正是泥頁巖的有機(jī)質(zhì)生烴作用使其有機(jī)質(zhì)孔隙得以生成、發(fā)育并發(fā)生演化。在泥頁巖地層埋深增加，地溫逐漸升高的過程中，有機(jī)質(zhì)的成熟度將不斷升高，與此過程相伴隨的是烴類的不斷生成與有機(jī)質(zhì)孔隙的不斷形成與演化[77-79]。有機(jī)質(zhì)或干酪根在生烴的同時(shí)將排出有機(jī)酸，這些酸性流體是泥頁巖產(chǎn)生溶蝕作用的主要?jiǎng)恿?，泥頁巖中長石、碳酸鹽巖等易溶礦物在這些酸性流體的作用下部分或全部被溶蝕，形成次生溶蝕孔隙，致使泥頁巖孔隙空間變大，儲(chǔ)集條件得以改善[77,80-81]。

3 富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化模式

與常規(guī)油氣儲(chǔ)層孔隙的演化主要受控于無機(jī)成巖作用不同，泥頁巖作為烴源巖和儲(chǔ)層，其孔隙系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化不僅受到無機(jī)成巖作用的控制，還受有機(jī)質(zhì)的熱成熟生烴作用的影響[5,82-83]。一方面，有機(jī)質(zhì)熱成熟作用不僅控制有機(jī)質(zhì)孔的形成與演化，而且對無機(jī)孔隙形成與演化的影響較為明顯。另一方面，有機(jī)質(zhì)熱成熟作用在控制泥頁巖生、排烴能力的同時(shí)，還決定著泥頁巖中產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)孔隙的規(guī)模、分布、連通性能，對頁巖氣賦存的主要載體——有機(jī)質(zhì)及有機(jī)質(zhì)孔影響顯著?？傮w來看，目前學(xué)者們主要采用兩種方法建立了泥頁巖孔隙演化模式。第一種方法是直接對不同成熟度的自然成熟序列樣品采用多種手段表征不同尺度的孔隙結(jié)構(gòu)，對比不同演化階段孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征，分析孔隙系統(tǒng)演化規(guī)律。因這一方法所采樣品的地質(zhì)背景各不相同，因而得到的演化規(guī)律也不一致，隨著自然成熟序列頁巖樣品成熟度的增大，泥頁巖孔隙數(shù)量和規(guī)模增大或減小，有的甚至并無明顯變化規(guī)律[11-13,78,84]。第二種是采用物理模擬法，對未成熟或低成熟的樣品開展物理模擬實(shí)驗(yàn)，獲取不同成熟度階段的樣品，再利用圖像分析技術(shù)、流體注入技術(shù)、非流體注入技術(shù)對熱演化系列樣品孔隙形態(tài)、規(guī)模及結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行表征，定性或定量地反演孔隙演化的全過程，并建立基于模擬實(shí)驗(yàn)的孔隙系統(tǒng)演化模式[16-17,19-20]。

3.1 自然成熟序列泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化模式

采用不同成熟度的自然成熟序列樣品的對比分析來揭示納米孔隙系統(tǒng)演化規(guī)律的方法優(yōu)勢明顯，該方法是對目的層地質(zhì)歷史時(shí)期不同成熟度自然演化序列樣品展開對比研究，分析不同時(shí)期不同成熟階段泥頁巖樣品的微納米孔隙系統(tǒng)特征，總結(jié)自然成熟序列樣品孔隙系統(tǒng)演化模式。這一方法能真實(shí)可靠的反應(yīng)泥頁巖在實(shí)際地質(zhì)條件下的演化規(guī)律，但因樣品的微觀非均質(zhì)性及區(qū)域差異，且部分地區(qū)頁巖的埋深和分布不一，不同成熟度自然演化序列樣品難以獲得，且所得規(guī)律受非均質(zhì)性等各方面因素的干擾。因此，這一方法不能系統(tǒng)性的展示孔隙演化的過程，而且目前尚未獲得統(tǒng)一的基于自然成熟序列的泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)演化模式。

Curistet al.[11]是較早利用自然成熟序列樣品進(jìn)行泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化研究的學(xué)者，其利用氬離子拋光結(jié)合掃描電鏡技術(shù)對Woodford盆地東部地區(qū)不同成熟度的Barnett 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的觀察分析，是早期直接觀察法最典型的代表，其發(fā)現(xiàn)當(dāng)成熟度低于0.9%時(shí)泥頁巖的有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育，而進(jìn)入“生氣窗”以后因液態(tài)烴開始熱解和裂解，泥頁巖孔隙空間得以釋放，有機(jī)質(zhì)孔大量發(fā)育，孔隙體積開始增加，但是其并未建立不同成熟序列泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化的一般規(guī)律與模式。Mastalerzet al.[14]研究了采自Illinois 盆地的5 塊成熟度介于0.35%～1.41%的New Albany 頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)在成熟度增加至1.41%過程中，孔隙體積間歇性減小是因生成的石油和瀝青充填孔隙，而間歇性增大則與所生成的石油和瀝青被熱解或裂解而釋放其所占據(jù)的孔隙空間有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，其首次建立了孔隙度和微納米孔隙在熱成熟生烴過程中的一般演化模型（圖4），然而該模型樣品較少，且缺乏高過成熟階段（Ro>1.5%）孔隙演化規(guī)律的數(shù)據(jù)分析。此后，較多學(xué)者所得出的自然成熟序列泥頁巖的孔隙演化模式也是在這一模式基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的補(bǔ)充和修改。

圖4 熱成熟作用和生烴作用過程中孔隙變化模式示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[14]修改）Fig.4 Schematic diagram relating the observed changes in porosity maturation and hydrocarbon generation.Open circles on the porosity curves indicate the positions of the samples studied (modified from reference[14])

另外，值得一提的是Zhaoet al.[85]對四川盆地五峰—龍馬溪組四種巖相的自然成熟序列頁巖在各個(gè)成巖階段孔隙系統(tǒng)的演化特征進(jìn)行了定性與定量表征分析，并建立了熱成熟生烴與成巖作用過程中礦物基質(zhì)孔和有機(jī)質(zhì)孔演化的概念模式（圖5）。認(rèn)為隨著熱成熟度的增加和成巖作用的進(jìn)行，頁巖逐漸變得致密，原生孔隙空間逐漸減小，次生孔隙則主要形成和發(fā)育于硅質(zhì)、粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)/白云質(zhì)三種巖相的頁巖中。其中，有機(jī)質(zhì)孔隙主要是因硅質(zhì)頁巖中干酪根的生烴所產(chǎn)生，干酪根在高—過成熟階段生烴的同時(shí)可形成大面積連片分布的有機(jī)質(zhì)孔。而次生礦物孔隙主要是粉砂質(zhì)和鈣質(zhì)/白云質(zhì)頁巖中長石和白云石被溶蝕所形成的粒內(nèi)溶蝕孔。這一演化模式將有機(jī)質(zhì)生烴與成巖演化聯(lián)系起來，客觀生動(dòng)地展示了熱成熟度增加過程中所發(fā)生的成巖演化規(guī)律，揭示了常見的四種不同類型泥頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)質(zhì)孔隙的演化現(xiàn)象。

圖5 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖自然成熟序列泥頁巖成巖作用與孔隙演化概念模型（據(jù)文獻(xiàn)[85]修改）Fig.5 Conceptual model of detrital components controlling diagenetic pathway of natural mature sequence samples of Wufeng-Longmaxi Formation shale in Sichuan Basin (modified from reference[85])

近些年來，隨著頁巖油氣勘探開發(fā)熱潮的到來，國內(nèi)外學(xué)者也加大了對泥頁巖儲(chǔ)層微納米孔隙空間的研究力度。Topóret al.[12]對波蘭Baltic 盆地下志留統(tǒng)自然成熟序列頁巖孔隙演化特征進(jìn)行研究，建立了成熟度介于0.4%～3.5%的孔隙演化模式，但該模式在成熟度大于2.0%區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)較為缺乏，因而這一模式在高過成熟范圍內(nèi)的演化趨勢存在較大的不確定性。Pommeret al.[50]基于美國德州Eagle Ford自然成熟序列頁巖的研究，建立了成熟范圍處于0.5%～1.3%區(qū)間的孔隙演化模式，但這一研究并未解釋Ro>2.0%這一高過成熟區(qū)間孔隙的演化過程。Mastalerzet al.[14]所建立的孔隙演化概念模型較為直觀，但該模型也缺乏Ro大于1.41%的實(shí)測樣品數(shù)據(jù)，對于高—過成熟階段因樣品數(shù)量較少，因而其孔隙的演化規(guī)律也不確定。Wanget al.[13]在統(tǒng)計(jì)前人研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取川南五峰—龍馬溪組頁巖為研究對象，建立了從未成熟至過成熟范圍區(qū)間的孔隙結(jié)構(gòu)演化模式，該模式的建立標(biāo)志著自然成熟序列泥頁巖孔隙演化模式已趨于成熟和完善（圖6）。

圖6 自然成熟序列樣品孔隙結(jié)構(gòu)演化模式（a，b）美國Illinois盆地New Albany頁巖（據(jù)文獻(xiàn)[12]修改）；（c，d）川南下古生界頁巖和美國New Albany頁巖及Baltic盆地頁巖（據(jù)文獻(xiàn)[13]修改）Fig.6 Pore structure evolution model of natural mature sequence samples (modified from references[12-13])

此外，Weiet al.[75]基于鄂西宜昌地區(qū)黃陵背斜下寒武統(tǒng)水井沱組20件成熟度為2.18%～2.73%的過成熟富瀝青質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙的定量研究，明確了有機(jī)質(zhì)和礦物成份對泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響，并借助FE-SEM 鑒別了干酪根和瀝青質(zhì)中的海綿狀原生與次生有機(jī)質(zhì)孔，認(rèn)為這些有機(jī)質(zhì)孔隙的形成與發(fā)育和有機(jī)質(zhì)的熱成熟生烴作用有關(guān)，并建立了未成熟至過成熟階段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙演化的概念模型，該模型對熱成熟過程中有機(jī)質(zhì)孔隙的演化過程進(jìn)行了清晰和直觀的展示（圖7）。

圖7 未成熟—過成熟階段頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙演化模式（據(jù)文獻(xiàn)[75]修改）Fig.7 Schematic representation of the evolution of organic pores from immature to overmature stage(modified from reference[75])

綜上可知，目前學(xué)者們建立的自然成熟序列泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化模式主要是與有機(jī)質(zhì)生烴和成巖作用結(jié)合起來所建立的。成熟度是泥頁巖埋藏演化和成巖生烴的綜合體現(xiàn)，隨著成熟度增加至0.5%并進(jìn)入生烴門限，泥頁巖主要因機(jī)械壓實(shí)而逐漸致密，微納米孔隙空間在此階段逐漸減小。在成熟度增加至約1.0%時(shí)，有機(jī)質(zhì)達(dá)到生烴高峰，此時(shí)有機(jī)質(zhì)生烴產(chǎn)生的有機(jī)酸對泥頁巖的孔隙空間進(jìn)行溶蝕，使孔隙空間在此階段有一小幅度的增大，但其生成的烴類堵塞孔隙空間和壓實(shí)作用的持續(xù)進(jìn)行將至使孔隙空間在Ro達(dá)到1.0%時(shí)逐漸減小。在成熟度大于1.0%的高—過成熟階段，各個(gè)學(xué)者所得出的孔隙演化規(guī)律各不相同，但是在此區(qū)間有機(jī)質(zhì)生烴將使有機(jī)質(zhì)出油孔和出氣孔的數(shù)量逐漸增加，從而使泥頁巖的孔隙體積和比表面積逐漸增大，而此后的強(qiáng)壓實(shí)作用和有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙的逐漸坍塌，也將一定程度上使有機(jī)質(zhì)孔和礦物基質(zhì)孔隙空間減小。

3.2 模擬序列泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化特征

通過物理模擬獲取不同成熟度樣品來揭示泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化規(guī)律的方法能更加快速便捷地觀察到熱成熟過程中孔隙結(jié)構(gòu)演化的規(guī)律，用以指導(dǎo)勘探實(shí)踐。但這一方法也因研究目的、所選樣品、實(shí)驗(yàn)條件的不同，各個(gè)學(xué)者提出的演化規(guī)律各不相同。物理模擬法雖在一定程度上降低了地質(zhì)條件對樣品非均質(zhì)性的影響，樣品的演化雖主要受熱成熟度單一因素控制，可對比性較強(qiáng)，但也存在較多缺點(diǎn)，譬如難以真實(shí)模擬各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期實(shí)際的演化過程。再比如模擬手段主要分為封閉體系（封閉，產(chǎn)物不收集）、半開放體系（封閉，產(chǎn)物收集）、開放體系（開放，產(chǎn)物隨產(chǎn)隨排），孔隙結(jié)構(gòu)的演化也會(huì)受到人工模擬實(shí)驗(yàn)手段，以及如流體壓力、地層壓力等實(shí)驗(yàn)條件的影響[77,86-89]。對于大多數(shù)學(xué)者而言，在設(shè)置條件時(shí)都加入高壓液態(tài)水，以期接近實(shí)際的地質(zhì)條件，在相近的地層流體壓力、靜巖壓力、溫壓條件下開展熱模擬實(shí)驗(yàn)。盡管如此，由于所選模擬樣品的不同，孔隙表征的手段不同，得出的結(jié)論也不一致[82,86,90-91]。

吳松濤等[18]對鄂爾多斯延長組長7 泥頁巖原始樣品和模擬后樣品在同一位置開展納米CT 掃描、FE-SEM、低溫N2吸附表征，較早建立了各溫度下人工模擬樣品二維與三維孔喉系統(tǒng)定性與定量相結(jié)合演化模型。該模型顯示樣品的孔隙發(fā)育程度隨熱演化程度的升高先減小而后增大，大體上可以將演化過程劃分為快速減小階段、快速發(fā)育階段、保持穩(wěn)定階段（圖8）。

圖8 鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7 泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化綜合圖（據(jù)文獻(xiàn)[18]修改）Fig.8 Pore system evolution comprehensive model of Triassic Chang 7 in Ordos Basin (modified from reference[18])

Sunet al.[17]利用WYMN-3 型高溫高壓生排烴模擬儀，控制靜巖壓力、流體壓力、恒溫時(shí)間、加熱溫度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對富有機(jī)質(zhì)泥頁巖進(jìn)行物理模擬，對模擬后樣品的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)定量表征，揭示了孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)在熱成熟過程中的變化規(guī)律。Sunet al.[47]在其前期研究的基礎(chǔ)上，采用相同的模擬方法再次展開了模擬研究，揭示了不同模擬溫度下有機(jī)質(zhì)生烴演化與孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征的關(guān)系，其研究結(jié)果與Chenet al.[16]有些類似，將總孔體積與總比表面積的演化大體上劃分為調(diào)整、形成、發(fā)展三個(gè)過程，并將泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)在模擬成熟度增加過程中的演化過程分為250 ℃～300 ℃、350 ℃～375 ℃、400 ℃～500 ℃三個(gè)階段。發(fā)現(xiàn)在熱成熟度升高過程中，介孔結(jié)構(gòu)參數(shù)在250 ℃至300 ℃的模擬初期變化不明顯，自300 ℃顯著增大，自450 ℃至模擬結(jié)束轉(zhuǎn)而減小，而宏孔和微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)演化特征并無明顯規(guī)律（圖9）。

圖9 熱模擬生烴過程中孔隙結(jié)構(gòu)演化特征和排烴、殘烴演化特征（據(jù)文獻(xiàn)[47]修改）Fig.9 Pore structure, explusion and residual hydrocarbon evolution characteristics in thermal hydrocarbon generation(modified from reference[47])

Guoet al.[19]基于鄂爾多斯盆地延長組II 型低成熟富有機(jī)質(zhì)泥頁巖利用封閉玻璃管體系和自行設(shè)計(jì)的壓機(jī)半封閉體系熱模擬系統(tǒng)開展了物理模擬，并對封閉體系和半封閉體系泥頁巖總孔、宏孔、介孔、微孔的孔隙體系演化規(guī)律進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，在模擬溫度在300 ℃至600 ℃這一主要生油階段，殘留瀝青可以充填頁巖中初始孔隙和新生成的孔隙，在主生油階段以后，由于排烴作用的影響，頁巖孔隙更加發(fā)育。此外，隨著熱演化程度的升高，與介孔、大孔的發(fā)育模式明顯不同，頁巖微孔的發(fā)育主要與氣體或者輕烴的排烴有關(guān)，模擬升溫使封閉體系和半封閉體系微孔體積在350 ℃降低至最小值后逐漸增加。由于半開放體系中的有機(jī)質(zhì)演化較慢，尤其是殘留瀝青的二次裂解較為遲緩，以及半封閉體系生成的烴類部分被排出而不會(huì)占據(jù)樣品的孔隙空間，因而導(dǎo)致壓機(jī)半封閉體系熱解樣品的介孔、宏孔、總孔體積的增長都明顯高于封閉玻璃管體系（圖10）。

圖10 熱解樣品和原始樣品的熱解溫度與(a)總孔體積；(b)大孔體積；(c)介孔體積；(d)微孔體積的關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)[19]修改）Fig.10 Relationship between pyrolysis temperature and (a) total pore volume; (b) macropore volume; (c) mesopore volume;and (d) micropore volume of pyrolyzed and original samples (modified from reference[19])

Xuet al.[20]對未成熟II型富有機(jī)質(zhì)泥頁巖展開了封閉體系的無水熱模擬實(shí)驗(yàn)，模擬了從未成熟至過成熟階段（0.48%～4.05%）的孔隙演化過程，揭示了未成熟至過成熟這一較寬成熟度范圍內(nèi)孔隙演化的規(guī)律，將微孔、介孔、宏孔孔隙結(jié)構(gòu)的演化劃分為孔隙調(diào)整階段、孔隙發(fā)育階段、孔隙轉(zhuǎn)化或破壞階段，并在此基礎(chǔ)上建立了基于熱模擬實(shí)驗(yàn)的微納米孔隙結(jié)構(gòu)演化模式，該模式將微納米孔隙與吸附氣量的演化劃分為生油階段（EqRo<1.0%）、油裂解氣階段（1.0%3.28%）。相對來說，這是一套完整熱成熟序列的II 型富有機(jī)質(zhì)泥頁巖在無水條件下的孔隙系統(tǒng)演化模式，較為全面的展示了富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)從未成熟階段至過成熟階段全過程的演化規(guī)律（圖11）。

圖11 富有機(jī)質(zhì)頁巖微納米孔隙結(jié)構(gòu)與吸附能力演化模式（據(jù)文獻(xiàn)[20]修改）Fig.11 Evolution characteristics and model of nanoscale pore structure and adsorption capacity of oil shale during artificial thermal maturation (modified from reference[20])

此外，值得注意的是馬中良等[90]對西加拿大盆地未熟頁巖開展的熱模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙的形成與演變具有非均質(zhì)性，成熟度不是控制有機(jī)質(zhì)孔形成與發(fā)育的唯一決定因素，有機(jī)質(zhì)生烴時(shí)所發(fā)生的物理化學(xué)變化對有機(jī)質(zhì)孔的形成演化具有重要影響，同時(shí)生油階段生成的有機(jī)質(zhì)孔容易被熱解瀝青堵塞。Guoet al.[81]認(rèn)為，封閉體系中有機(jī)質(zhì)的生烴作用對無機(jī)孔隙的演化規(guī)律同樣起到一定的控制作用，有機(jī)質(zhì)熱演化作用會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，這些有機(jī)酸將導(dǎo)致黏土礦物成分與組構(gòu)發(fā)生變化，使得黏土礦物孔隙演化規(guī)律更加的復(fù)雜。同時(shí)有機(jī)質(zhì)生烴過程中產(chǎn)生的酸性流體使得儲(chǔ)層中碳酸鹽、長石等不穩(wěn)定的礦物發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生大量的次生溶蝕孔（圖12）。

圖12 成巖與生烴過程中孔體積和比表面積相關(guān)關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)[81]修改）Fig.12 Schematic diagram relating changes in pore volume and surface area to diagenesis and hydrocarbon generation(modified from reference[81])

因此，需要注意的是封閉體系、半封閉體系、開放體系生成油氣的量存在一定的差異，油氣在升溫過程中會(huì)發(fā)生熱解或裂解，這必將不同程度影響富有機(jī)質(zhì)頁巖在模擬升溫過程中孔隙結(jié)構(gòu)的演化特征。烴源巖是一種邊生邊排的半開放體系，其生排烴的過程并不是絕對封閉或開放，在實(shí)際地質(zhì)條件下，生成的烴類會(huì)有部份排出烴源巖而不會(huì)被熱解或裂解，殘留于烴源巖中的烴類將遭受熱裂解。液態(tài)烴的排出及殘留烴裂解的過程將對泥頁巖在模擬過程中孔隙結(jié)構(gòu)的演化產(chǎn)生顯著影響。因而，一般情況下半封閉體系和開放體系在模擬升溫過程對有機(jī)質(zhì)的消耗將比封閉體系大，并且自生油窗之后孔隙結(jié)構(gòu)的增量也比封閉體系大。在選擇模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意不同的體系對實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)物的影響以及地質(zhì)過程的可對比性，也要考慮到是否加水的實(shí)驗(yàn)條件，因?yàn)樗拇嬖跁?huì)為烴源巖生排烴過程和黏土礦物的轉(zhuǎn)化提供大量的H 源，可能會(huì)對泥頁巖孔隙系統(tǒng)的演化過程和結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

以上兩種研究方法均存在各自的優(yōu)勢與局限性，在討論所研究樣品的微孔縫動(dòng)態(tài)演化規(guī)律時(shí)，應(yīng)結(jié)合自然序列樣品與不同體系的物理熱模擬樣品展開對比研究，并與實(shí)際地質(zhì)條件結(jié)合，建立完整生烴過程的孔隙結(jié)構(gòu)演化模式，從而能更加準(zhǔn)確真實(shí)地揭示頁巖孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)際演化機(jī)理。

4 泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化研究展望

富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)紛繁復(fù)雜，類型、形態(tài)、演化規(guī)律多樣，連通性能多變，孔隙既存在于石英、長石、黏土礦物等礦物基質(zhì)，也廣泛發(fā)育于有機(jī)質(zhì)中。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)及其演化的研究是揭示頁巖油氣成藏富集機(jī)理的關(guān)鍵，也是非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。而富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)的形成與演化是多種內(nèi)因與外因綜合作用、互相耦合的結(jié)果。沉積環(huán)境決定了富有機(jī)質(zhì)泥頁巖形成孔隙的生烴條件和物質(zhì)基礎(chǔ)，而其所處環(huán)境的埋藏史與熱演化史則決定了其生排烴作用與成巖演化過程。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中有機(jī)質(zhì)生烴與無機(jī)礦物成巖的動(dòng)態(tài)耦合致使其孔隙系統(tǒng)無時(shí)無刻不在發(fā)生著演化。本文總結(jié)了前人的研究成果，分析認(rèn)為富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化的研究還存在以下問題仍需進(jìn)一步展開研究：

（1）不同物源條件和沉積環(huán)境下形成的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，其成巖過程和有機(jī)質(zhì)類型各不相同，在熱成熟生烴和成巖作用過程中孔隙系統(tǒng)演化的模式也可能有所不同。因而在進(jìn)行模擬研究之前，應(yīng)有針對性的選擇不同沉積環(huán)境和不同有機(jī)質(zhì)類型的樣品進(jìn)行深入研究，以彌補(bǔ)這一研究領(lǐng)域的缺陷，完善不同物源條件和沉積環(huán)境下形成的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙系統(tǒng)演化規(guī)律差異的研究。

（2）應(yīng)加強(qiáng)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)各項(xiàng)主控因素對其演化的定性、定量分析研究，深入分析熱成熟生烴作用和成巖作用對富有機(jī)質(zhì)泥頁巖微納米孔隙系統(tǒng)演化的影響，探討各種內(nèi)因和外因與各類微觀孔隙在演化過程中的相關(guān)性，尤其應(yīng)揭示脆性礦物、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)類型、TOC含量、成熟度等單一因素與孔隙系統(tǒng)演化的相關(guān)性，對此可以利用模擬實(shí)驗(yàn)通過控制變量法來揭示各個(gè)單一因素影響下孔隙系統(tǒng)演化的規(guī)律，采用定性與定量相結(jié)合的方法來展示這一演化過程，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)多因素、系統(tǒng)性、非均質(zhì)性等因素對孔隙系統(tǒng)演化的影響。

（3）應(yīng)改善模擬系統(tǒng)和模擬實(shí)驗(yàn)條件，使之更接近真實(shí)地質(zhì)條件。目前各個(gè)高校和研究機(jī)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)裝置繁多，根據(jù)各自的研究目的不同，目前設(shè)有封閉體系、半開放體系、開放體系等，也有無水與含水等熱模擬實(shí)驗(yàn)，得到的孔隙系統(tǒng)演化規(guī)律也是各有不同且差異較大，因而實(shí)驗(yàn)裝置的選擇和人為因素等對孔隙系統(tǒng)演化規(guī)律的揭示影響較大。在后續(xù)孔隙系統(tǒng)演化規(guī)律的研究中應(yīng)進(jìn)一步通過控制加熱條件、壓力條件、供液條件、產(chǎn)物收集條件、總控制條件和輔助條件來模擬不同的地質(zhì)環(huán)境，使得到的孔隙系統(tǒng)演化模式更加逼近實(shí)際地質(zhì)條件。

（4）提高不同成熟度序列樣品微納米孔隙系統(tǒng)測量精度和范圍，并聯(lián)合使用多維觀測技術(shù)對孔隙系統(tǒng)多維演化特征進(jìn)行表征。目前國內(nèi)外廣泛使用的流體注入技術(shù)、非流體注入技術(shù)、圖像分析技術(shù)能夠詳細(xì)的表征頁巖孔隙形態(tài)、類型、規(guī)模、分布等特征，但這些方法普遍存在一定的局限性。例如目前較前沿的Nano-CT技術(shù)能夠無損分析、連續(xù)掃描并對頁巖孔隙系統(tǒng)的演化進(jìn)行三維重構(gòu)，但其所測樣品非常細(xì)小，不能代表巖石的孔隙系統(tǒng)分布，也不能較好的反應(yīng)頁巖的非均質(zhì)性所造成的影響且實(shí)驗(yàn)價(jià)格昂貴。再比如目前較常用的低壓氣體吸附需要將頁巖樣品粉碎到粒徑至少為微米級別才能展開實(shí)驗(yàn)，但這一粉碎操作可能破壞了樣品原始的孔隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬性，而使測試結(jié)果失真。未來微納米孔隙系統(tǒng)測量的技術(shù)應(yīng)向廉價(jià)便捷、高效率、高精度、寬范圍方向發(fā)展，使泥頁巖孔隙系統(tǒng)的演化能夠直觀地、清晰的、形象地、多維度定性和定量的進(jìn)行表征。

致謝 感謝匿名評審專家對本稿件提出的建設(shè)性修改意見，促使稿件質(zhì)量得以提升。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）郭少斌教授、中國石油大學(xué)（華東）趙建華和劉國恒兩位老師也對本文的撰寫提供了諸多指導(dǎo)和幫助，在此一并深表感謝。