渝東南及黔西北地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層微觀孔隙表征

史 淼，于炳松，薛志鵬，時 文，孫夢迪

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

頁巖氣儲層的孔隙特征是決定該儲層含氣性的重要因素，同時也是對該儲層進(jìn)行評價的關(guān)鍵［1］。 儲層的微觀孔隙表征對頁巖氣資源的勘探、 開發(fā)以及資源潛力評價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)上古生界含氣頁巖已進(jìn)行了大量的研究，頁巖的熱成熟度低—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)有機質(zhì)孔，發(fā)育于有機質(zhì)內(nèi)部的孔隙［8］。 并且，國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(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 頁巖的孔隙類型以有機質(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］。

相對北美地區(qū)上古生界頁巖氣儲層而言，中國南方海相頁巖的形成年代更早(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巖氣儲集層位，以黑色頁巖、粉砂質(zhì)泥(頁)巖為主，含大量筆石，局部夾雜有硅質(zhì)泥巖，其有機質(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)為龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖內(nèi)除有機質(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、 富有機質(zhì)頁巖的孔隙特征。 首先使用高分辨率、高放大倍數(shù)的場發(fā)射掃描電鏡觀察，然后通過X射線微米CT掃描頁巖樣品，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南方海相高—過成熟富有機質(zhì)頁巖的孔隙類型與孔隙結(jié)構(gòu)特征。

1 樣品采集與測試

1.1 井位與樣品

本文以渝東南及黔西北地區(qū)龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖為研究對象，樣品取自渝頁1 井、習(xí)頁1 井及桐頁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1 井的4 塊樣品同時用于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)頁巖氣儲層采樣井地理位置

表1 研究區(qū)頁巖巖心樣品信息

1.2 測試方法

使用場發(fā)射掃描電鏡觀察孔隙的類型和大小。 場發(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］。 實驗工作條件：ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE 型場發(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，探測元素范圍：Be(4)-Fm(100)。 頁巖的結(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樣品表面進(jìn)行拋光處理，得到一個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)，同時利用X射線能譜儀探測組成礦物的化學(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。 分別對習(xí)頁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)對特征面進(jìn)行全面展示，可真實地反映出分辨精度下巖心內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)與相對密度大?。?1-22］。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙類型

按頁巖孔隙產(chǎn)狀的不同可分為礦物基質(zhì)孔、有機質(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)龍馬溪組黑色頁巖內(nèi)礦物基質(zhì)孔（包括粒間孔、粒內(nèi)孔）及有機質(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)量相對較多，且連通性好，可形成有效的可滲透孔隙網(wǎng)絡(luò)。相對粒內(nèi)孔與有機質(zhì)孔而言，粒間孔隙較大，為微米到納米量級，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，有機質(zhì)充填于大的孔隙內(nèi)。

圖2 研究區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層內(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。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)龍馬溪組頁巖粒內(nèi)孔的掃描電鏡照片

2.1.3 有機質(zhì)孔

有機質(zhì)孔也是粒內(nèi)孔，是發(fā)育于有機質(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，它直接決定著儲層的孔滲特征。 對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)龍馬溪組頁巖有機質(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?！白畲笄蚍ā笔前岩幌盗胁煌叽绲那蝮w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最大球之間的最小球而確立，“喉道”是連接兩個“孔隙”的單元［30］。最終，整個孔隙空間可被簡化為以“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)部孔隙的真實分布，圖像呈現(xiàn)的孔隙度會小于實際孔隙度。

3 結(jié) 論

（1）由場發(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）通過使用場發(fā)射掃描電鏡與X 射線微米CT掃描儀相結(jié)合的實驗手段，從二維、三維層面分別對龍馬溪組頁巖氣儲層內(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，部分孔隙為多個納米級孔隙的疊加。

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