頁巖納米孔隙的結(jié)構(gòu)量化表征
——以川東南地區(qū)五峰組為例

郭 娟，趙迪斐，2，梁孝柏，楊 坤，李昊軒，龍代璽

（1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008）

0 引言

中國頁巖氣資源豐富、分布廣泛，尤其是四川盆地，具有頁巖氣開發(fā)的地質(zhì)基礎(chǔ)和較大的資源潛力，目前已經(jīng)在涪陵焦石壩地區(qū)等形成頁巖氣產(chǎn)能［1-2］。四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組是中國目前頁巖氣研究的熱點(diǎn)目標(biāo)層系［3-4］。中國頁巖氣勘探起步較晚，美國最先開始對(duì)頁巖氣的勘探開發(fā)［5］，從2012 年開始，中國頁巖氣開發(fā)進(jìn)入氣藏勘探和初步開采試點(diǎn)階段，目前，中國已經(jīng)成為世界第三大頁巖氣生產(chǎn)國。作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，頁巖氣的儲(chǔ)存空間主要為納米孔隙，以吸附和游離狀態(tài)為氣體的主要賦存方式［6-7］。納米孔隙是頁巖氣的主要儲(chǔ)集空間［8］，具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性［9］，孔隙類型與孔隙結(jié)構(gòu)的差異對(duì)頁巖儲(chǔ)層的物性、含氣性具有顯著影響［10］。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的表征與研究主要包括侵入式媒介法、圖像法、核磁共振法、氣體吸附法等［11-13］，氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡技術(shù)的發(fā)展［14］使獲取高分辨率的頁巖納米孔隙圖像成為可能，極大地促進(jìn)了納米孔隙的表征研究。在人工智能與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)快速發(fā)展的背景下，基于精細(xì)納米孔隙圖像，在海量圖像、數(shù)據(jù)中挖掘有效信息是加深儲(chǔ)層表征與孔隙研究深度的必要途徑。目前，納米孔隙的研究一般為定性觀測(cè)或以液氮、壓汞等實(shí)驗(yàn)方法對(duì)孔隙整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，通過圖像的數(shù)值化量化處理實(shí)現(xiàn)孔隙定量表征的研究仍相對(duì)較少［15-17］。

高精度圖像是對(duì)孔隙形貌的直接還原，具有真實(shí)性高、精度高的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)不同類型孔隙定量表征的基礎(chǔ)。通過圖像數(shù)值化方法獲得孔隙的量化參數(shù)，可以獲取不同類型孔隙的孔徑、面積、周長、形狀因子等分布特征［18］，進(jìn)而為頁巖儲(chǔ)層的物性與含氣性評(píng)價(jià)、賦存富集機(jī)理研究等提供基礎(chǔ)依據(jù)［15］。以四川盆地東南部上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖樣品為例，通過圖像數(shù)值化方法獲得孔隙的量化參數(shù)，開展頁巖納米孔隙的結(jié)構(gòu)定量表征，以期為頁巖氣儲(chǔ)層表征與研究提供新思路、新方法。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品選自四川盆地東部三泉剖面以及鹽津地區(qū)YJ-1 井的上奧陶統(tǒng)五峰組灰黑色炭質(zhì)頁巖（圖1）。三泉剖面位于川東地區(qū)，在大地構(gòu)造上屬于川東高陡構(gòu)造褶皺區(qū)，YJ-1 井處于四川盆地南緣地區(qū)，鹽津地區(qū)北部與川中低緩褶皺區(qū)過渡，西部毗鄰川滇南北構(gòu)造帶，南側(cè)為滇中、黔中隆起（圖1）。研究區(qū)內(nèi)五峰組頁巖穩(wěn)定發(fā)育［19］，頂部為觀音橋段灰質(zhì)泥頁巖或泥質(zhì)灰?guī)r。五峰組頁巖為滯留盆地沉積，與下伏臨湘組整合接觸，與上覆志留系龍馬溪組整合接觸（圖2），主要形成于滯留-強(qiáng)還原環(huán)境，有機(jī)碳含量高［20］。五峰組厚度相對(duì)較小，頁巖氣主要以水平井的方式生產(chǎn)，五峰組與龍馬溪組底部均是層系內(nèi)主要的壓裂目標(biāo)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖及取樣位置Ⅰ.川西—川北山前坳陷區(qū)；Ⅱ.川中平緩地塊區(qū)；Ⅲ.川西南低緩構(gòu)造褶皺區(qū)；Ⅳ.川南中緩構(gòu)造褶皺區(qū)；Ⅴ.川東高陡構(gòu)造褶皺區(qū)；Ⅵ.川黔坳陷斷褶帶褶區(qū)Fig.1 Structural outline and sampling location of the study area

圖2 三泉剖面、YJ-1 井五峰組巖性柱狀圖及取樣位置Fig.2 Lithological column and sampling location of Wufeng Formation of Sanquan section and well YJ-1

選取代表性樣品（三泉剖面S-1 樣品與YJ-1 井Y-1 樣品）開展氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡、X 射線衍射、TOC 測(cè)試等實(shí)驗(yàn)分析以及圖像處理（Image processing）。五峰組測(cè)試樣品的基本信息如表1 所列，樣品礦物組分以石英與黏土礦物為主，還含有少量碳酸鹽礦物、長石、黃鐵礦等組分，TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.8%（S-1）與2.4%（Y-1）。選樣時(shí)，S-1 樣品與Y-1 樣品的礦物類型一致，礦物含量相近，有機(jī)質(zhì)含量差異也不大，以便通過圖像數(shù)值化表征五峰組孔隙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。目前，上揚(yáng)子地區(qū)的頁巖氣主采層位為五峰組—龍馬溪組底部，開采方式為水平井與水力壓裂。因此，頁巖儲(chǔ)層的開采主要是針對(duì)最優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層進(jìn)行小層開發(fā)，目標(biāo)層位在地層中所占厚度較小。五峰組與龍馬溪組底部數(shù)米范圍，是目前勘探開發(fā)的主要目的層位，對(duì)占據(jù)目的層位較大比例厚度的五峰組展開專門研究，具有理論與實(shí)際意義。

表1 測(cè)試樣品的礦物組分與有機(jī)質(zhì)含量Table 1 Mineral composition and organic matter content of test samples %

1.2 研究方法

將頁巖樣品進(jìn)行磨片、表面處理后，使用微區(qū)無噴金+氬離子拋光技術(shù)，并結(jié)合場發(fā)射掃描電鏡獲取五峰組頁巖納米尺度孔隙的高分辨率圖像。微區(qū)無噴金技術(shù)通過微區(qū)覆膜噴金，使表面在具有較好導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上，還具有還原表面樣貌以及5 nm 以下納米孔隙的能力。獲取圖像后，應(yīng)用Adobe Photoshop，Adobe Illustrator 以及Image J 軟件對(duì)高分辨率圖像進(jìn)行量化、數(shù)值化處理，并提取孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如孔隙面積、周長、短軸長度、長軸長度、面孔率等［21］。圖像數(shù)值化處理的步驟如下（圖3）：①用Adobe Photoshop 提高圖片的對(duì)比度，使孔隙結(jié)構(gòu)更加清晰易辨，并圈選出所有孔隙，圈選是最重要的一個(gè)步驟；全部圈選之后，將選好的孔隙填充為黑色，其余背景為白色；②應(yīng)用Adobe Illustrator 軟件，將圖片轉(zhuǎn)換為低保真度圖片，擴(kuò)展后導(dǎo)出；③在Adobe Illustrator 儲(chǔ)存圖片中應(yīng)用Image J直線工具確定圖像比例尺，而后將圖片二值化，并設(shè)置比例尺，通過Image J 的Analyze Particles 模塊導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

通過以上處理流程，可以獲得圖像中每個(gè)孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析整理，即可通過結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同類型孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)評(píng)價(jià)，也可以獲得整個(gè)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)特征。利用微區(qū)無噴金結(jié)合氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡觀測(cè)獲取頁巖表面高精度圖像，可獲取的單像素孔隙（實(shí)際為與單像素面積相似大小的孔隙）孔徑約為0.67 nm。

圖3 頁巖納米孔隙圖像二值化、孔隙量化流程Fig.3 Binarization and quantification of shale nanopore image

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 五峰組頁巖納米孔隙發(fā)育類型

掃描電鏡觀測(cè)顯示，川東南地區(qū)五峰組頁巖納米孔隙發(fā)育類型復(fù)雜，依據(jù)孔隙發(fā)育的物質(zhì)組分與空間位置等，儲(chǔ)層主要孔隙類型包括有機(jī)質(zhì)孔隙、礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙、礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙、微裂隙等（圖4、表2）。樣品孔隙在微觀尺度分布不均一，孔隙的形貌、延展、內(nèi)壁特征、空間分布差異顯著。有機(jī)質(zhì)孔隙在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部密集發(fā)育［圖4（a）］，黃鐵礦微晶間也發(fā)育有有機(jī)質(zhì)孔隙［圖4（b）］，礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙成因主要包括礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)缺陷與溶蝕作用，部分礦物粒內(nèi)孔隙在礦物內(nèi)部發(fā)育，連通性較差［圖4（c）］，部分屬于礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙［圖4（d）］與鑄模孔隙［圖4（e）］，故可分為礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙與礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙，微裂隙常發(fā)育在礦物組分間［圖4（f）］。

圖4 川東南地區(qū)五峰組頁巖樣品的納米孔隙特征（a）有機(jī)質(zhì)孔隙，Y-1 井，1 581 m，氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡；（b）黃鐵礦微晶間發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，三泉剖面，氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡；（c）礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙，Y-1 井，1 581 m，氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡；（d）有機(jī)質(zhì)孔隙與礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙，三泉剖面，氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡；（e）礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙，三泉剖面，氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡；（f）微裂隙，三泉剖面，氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡Fig.4 Nanopore characteristics of shale samples of Wufeng Formation in southeastern Sichuan

表2 川東南地區(qū)五峰組頁巖儲(chǔ)層樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征Table 2 Pore structure characteristics of shale reservoir of Wufeng Formation in southeastern Sichuan

2.1.1 有機(jī)質(zhì)孔隙

五峰組頁巖樣品中有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度較好［圖4（a），（b）］，觀測(cè)表明，五峰組頁巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)孔隙主要為熱成因孔隙，一是由干酪根生烴形成，二是由瀝青裂解形成，有機(jī)質(zhì)的成熟度決定了有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育程度［13］。有機(jī)質(zhì)孔隙孔徑一般處于納米尺度，其孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦物孔隙的主要分布范圍，可以為儲(chǔ)層提供豐富的儲(chǔ)集空間與吸附點(diǎn)位，使儲(chǔ)層氣體主要以吸附態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)孔隙表面［6］。孔隙圖像的數(shù)值化量化表征反映，五峰組頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙全孔徑為0.67～122.00 nm，峰值為0.67～20.00 nm，平均孔徑約為14.46 nm，其中0.67 nm 的孔徑分布下限對(duì)應(yīng)圖像單像素的直徑大小，在孔隙識(shí)別時(shí)，與單像素面積相近的孔隙將被識(shí)別為單像素點(diǎn)。采用國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的劃分方法［22］，按孔徑大小將孔隙劃分為：微孔＜2 nm、介孔2～50 nm、大孔＞50 nm。

因此，五峰組頁巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)孔隙多為介孔，少部分為小孔和大孔。儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)孔隙形態(tài)多樣，發(fā)育有橢圓形、近圓形、凹坑形等，局部可見狹縫形有機(jī)質(zhì)孔隙，以橢圓形、近圓形為主。五峰組樣品的有機(jī)質(zhì)孔隙相對(duì)集中在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，受到有機(jī)質(zhì)分布的影響［23］［圖4（a）］；部分黃鐵礦微晶中有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育良好，發(fā)育在草莓狀黃鐵礦集合體內(nèi)部，屬于對(duì)儲(chǔ)層微觀儲(chǔ)集空間具有貢獻(xiàn)的孔隙類型［24］［圖4（b）］，黃鐵礦微晶間有機(jī)質(zhì)孔隙孔徑集中在2～50 nm。

2.1.2 礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙

礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙是指礦物晶體形成過程中，由于晶體生長缺陷、包裹體、次生加大缺陷等形成的［25］，主要處于礦物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)孔隙，連通性較差。礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙多呈凹坑形［圖4（c）］，對(duì)儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)貢獻(xiàn)率低，礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙的孔徑分布主要為1.01～151.84 nm，集中在10～40 nm，平均孔徑約為34.61 nm。與有機(jī)質(zhì)孔隙相比，礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙的孔徑相對(duì)更大，但礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙的連通性明顯更差，親氣性弱。

2.1.3 礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙

礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙是碳酸鹽礦物、長石等易溶蝕礦物被流體部分溶解后形成的孔隙。因礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙主要在礦物與酸堿性流體的接觸面形成，因此連通性較好，易與礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙區(qū)分。礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙的孔徑一般處于數(shù)百納米級(jí)或微米級(jí)，近地表樣品中的部分溶蝕孔隙可達(dá)毫米尺度，屬于次生風(fēng)化作用所致。對(duì)于川東南地區(qū)的五峰組頁巖樣品［圖4（e）—（f）］，儲(chǔ)層礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙的孔徑分布在3.2～9375.0 nm，其中，只有少數(shù)孔隙的孔徑處于100 nm 以下，大多數(shù)孔隙的孔徑集中在100～1 000 nm，常發(fā)育在礦物周緣［圖4（d）］，屬于礦物被部分溶蝕形成，可以通過孔徑及發(fā)育位置與其他類型孔隙相區(qū)別。

2.1.4 微裂隙

五峰組頁巖樣品中的微裂隙較為發(fā)育，形狀一般為狹縫形，微裂隙的長度處于幾百納米到幾微米不等［圖4（f）］，微裂隙成因復(fù)雜，主要成因是頁巖儲(chǔ)層受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生的力學(xué)薄弱面破裂［20］。陳相霖等［26］研究認(rèn)為，微裂隙還可以與其他孔隙相接觸，從而形成頁巖氣體流通的通道，微裂隙對(duì)于氣體的運(yùn)移具有重要意義。

2.2 五峰組頁巖納米孔隙的圖像數(shù)值化處理

通過圖像數(shù)值化處理，獲得納米孔隙圖像中總孔隙面積、孔隙周長、孔隙數(shù)量、面孔率等整體參數(shù)，以及每個(gè)孔隙的面積、周長、長軸長度、短軸長度、寬度、高度等單孔隙結(jié)構(gòu)量化信息。基于上述數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步獲取每個(gè)孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如形狀因子、伸長率、熵值等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層各類孔隙發(fā)育特征的定量表征［21］。

2.3 五峰組頁巖納米孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)

遴選出的頁巖納米孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括形狀因子、圓度、伸長率、偏心率等，可以定量表征孔隙的發(fā)育程度與結(jié)構(gòu)特征。不同類型孔隙的形狀因子、圓度、伸長率、偏心率等參數(shù)范圍與峰值存在差異，可以作為甄別與評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)的依據(jù)。其中，形狀因子定義為：

式中：ff為形狀因子；S為孔隙面積，nm2；C為孔隙周長，nm。

選用多張有機(jī)質(zhì)孔隙的代表性孔隙圖片，其結(jié)構(gòu)參數(shù)提取結(jié)果如表3 所列。

表3 Y-1 井代表性孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)提取Table 3 Extraction of pore structure parameters from representative pictures of well Y-1

3 討論

3.1 五峰組頁巖孔隙發(fā)育比例

川東南地區(qū)五峰組頁巖主要發(fā)育4 種類型的孔隙，包括有機(jī)質(zhì)孔隙、礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙、礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙、微裂隙。據(jù)面孔率統(tǒng)計(jì)反映，五峰組頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙面孔率約為1.4%，礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙面孔率為0.3%，礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙面孔率為0.06%，微裂隙面孔率為0.3%，說明在五峰組的頁巖儲(chǔ)層中，有機(jī)質(zhì)孔隙占比最高，是最為發(fā)育的孔隙類型（圖5），其次為礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙與微裂隙。面孔率的差異不僅與孔隙數(shù)量相關(guān)，而且與孔隙面積以及在相應(yīng)物質(zhì)組分中的發(fā)育程度相關(guān)。

圖5 川東南地區(qū)五峰組頁巖不同類型納米孔隙對(duì)儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)比例Fig.5 Contribution ratio of different types of nanopores of Wufeng Formation shale to reservoir space in southeastern Sichuan

3.2 五峰組頁巖儲(chǔ)層孔隙類型及量化表征

掃描電鏡觀測(cè)顯示，儲(chǔ)層中各類孔隙結(jié)構(gòu)差異顯著，常規(guī)方法僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品孔隙系統(tǒng)的整體分析，而缺乏對(duì)各類孔隙進(jìn)行量化表征的能力［24］。通過圖像數(shù)值化，對(duì)編號(hào)后的孔隙進(jìn)行分類與信息提取，獲取4 種主要類型孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4 所列。

由表4 可知，有機(jī)質(zhì)孔隙數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余3種孔隙類型，其孔徑主要分布在介孔范圍內(nèi)，可以為儲(chǔ)層提供豐富的儲(chǔ)集空間與吸附點(diǎn)位，有利于頁巖氣富集、賦存；礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙發(fā)育數(shù)量少而孔徑相對(duì)較小，多分布在幾十納米左右，大多數(shù)屬于與孔隙系統(tǒng)不連通的無效孔隙；礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙的面積差別最大，這是因?yàn)榈V物粒內(nèi)溶蝕孔隙的溶蝕程度存在差異，與礦物成分以及礦物周緣接觸關(guān)系有關(guān)；微裂隙的結(jié)構(gòu)特征差異顯著，這是由于在沉積過程中，巖石所受應(yīng)力的方向、強(qiáng)度不同，儲(chǔ)層內(nèi)部力耦方向不同，因此造成巖石不同程度的拉伸或擠壓，從而形成微裂隙的結(jié)構(gòu)差異。

在氣體吸附實(shí)驗(yàn)中，川東南地區(qū)五峰組頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙的孔徑多小于100 nm，而礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙與微裂隙的孔徑多遠(yuǎn)大于100 nm，說明儲(chǔ)層的微孔與小孔主要由有機(jī)質(zhì)孔隙與礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙組成，中孔主要由有機(jī)質(zhì)孔隙與礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙組成，而大孔主要由礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙與微裂隙組成，這與掃描電鏡觀察結(jié)果一致［27］。

形狀因子是表征孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，可以表征孔隙形狀的不規(guī)則性，而偏心率可以表征孔隙的趨圓性，以形狀因子、偏心率對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析（圖6）。對(duì)比4 種孔隙類型的形狀因子數(shù)量分布特征，圖6（a）中礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙的形狀因子分布在0.65～0.95 內(nèi)，在0.8～0.9 內(nèi)發(fā)育峰值；有機(jī)質(zhì)孔隙變化則相對(duì)平緩，主要分布在0.55～0.85，有機(jī)質(zhì)孔隙形狀因子的特征與有機(jī)質(zhì)成熟度有關(guān)［18］，礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙與有機(jī)質(zhì)孔隙的形狀因子變化趨勢(shì)基本一致。由圖6（b）可知，五峰組頁巖樣品的形狀因子大部分為0.7～0.9，說明以有機(jī)質(zhì)孔隙等為代表的橢圓—近圓形孔隙占比最多，并以最為發(fā)育的孔隙數(shù)量構(gòu)成頁巖氣儲(chǔ)存介質(zhì)，微裂隙和礦物相關(guān)孔隙等發(fā)育尺度相對(duì)較大，構(gòu)成儲(chǔ)層中的微觀傳輸介質(zhì)，吸附儲(chǔ)集孔隙與滲流孔隙共同構(gòu)成頁巖氣孔隙體系［28］。

表4 川東南地區(qū)五峰組頁巖主要類型孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Structural parameters of major pore types of Wufeng Formation shale in southeastern Sichuan

圖6 川東南地區(qū)五峰組4 種孔隙的形狀因子的單獨(dú)分布（a）與整體分布（b）Fig.6 Single distribution（a）and overall distribution（b）of four types of pore shape factors of Wufeng Formation in southeastern Sichuan

3.3 五峰組頁巖孔隙的綜合表征

在上述對(duì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的量化表征中，4 種孔隙的形狀因子分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異，但孔隙系統(tǒng)的儲(chǔ)集能力并不是由單一的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，孔隙的面積、形狀因子、孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)都影響著儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)的儲(chǔ)集能力，對(duì)孔隙系統(tǒng)的綜合表征，有助于找出影響儲(chǔ)集空間性質(zhì)的關(guān)鍵因素。孔隙面積與形狀因子交會(huì)圖可以反映納米尺度孔隙發(fā)育的集中特性。圖7（a）中，孔隙群集中發(fā)育在圖像左側(cè)，即孔隙面積介于50～400 nm2，形狀因子集中分布在0.4～1.0，整體來看，有機(jī)質(zhì)孔隙具有孔徑越小，越趨近于圓形的趨勢(shì)；圖7（b）中，礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙的孔隙數(shù)量相對(duì)較少，但仍有一些孔隙的形狀因子為0.7～0.9（對(duì)應(yīng)孔隙面積分布在0～1 000 nm2），對(duì)儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)有限；圖7（c）中，礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙的分布范圍較大，在形態(tài)上，大部分為近圓形或次圓形；圖7（d）中，微裂隙發(fā)育數(shù)量較少，所占面積比有機(jī)質(zhì)孔隙、礦物粒內(nèi)孔隙相對(duì)更大。以圖7為例，不同類型孔隙具有不同的發(fā)育尺度和孔徑分布，各項(xiàng)參數(shù)的分布范圍存在差異，綜合這些由圖像獲取的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，提取其分布差異，可以為基于圖像信息數(shù)值化提取的孔隙分類與自動(dòng)識(shí)別乃至機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)支撐，通過對(duì)孔隙面積與形狀因子、孔徑等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的交會(huì)圖分析，也可以提取孔隙參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型孔隙的綜合表征。

圖7 川東南地區(qū)五峰組4 種類型孔隙的形狀因子與孔隙面積的組合分布Fig.7 Combination distribution of shape factor and pore area of four types of pores of Wufeng Formation in southeastern Sichuan

4 結(jié)論

（1）通過孔隙編號(hào)與信息提取，獲取了每個(gè)孔隙的孔隙面積、周長、孔徑、形狀因子、圓度、伸長率、偏心率等結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上開展了對(duì)川東南地區(qū)五峰組孔隙圖像的量化表征。

（2）川東南地區(qū)五峰組頁巖納米孔隙主要發(fā)育4 種類型：有機(jī)質(zhì)孔隙、礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙、礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙、微裂隙。有機(jī)質(zhì)孔隙分布較為集中，孔徑較小；礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙數(shù)量少、孔徑相對(duì)較小，連通性較差；礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙的孔徑變化范圍較大；微裂隙發(fā)育在納米—微米尺度，連通性較好。有機(jī)質(zhì)孔隙、礦物粒內(nèi)結(jié)構(gòu)孔隙與微裂隙對(duì)川東南地區(qū)五峰組微觀儲(chǔ)集空間貢獻(xiàn)較大。

（3）川東南地區(qū)五峰組孔隙形狀因子大部分分布在0.7～0.9，說明以有機(jī)質(zhì)孔隙等為代表的近圓形孔隙占比最多；通過孔隙面積與形狀因子交會(huì)圖獲取了不同類型孔隙的集中特性，依據(jù)不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的交會(huì)圖版，可以作為孔隙識(shí)別分類的依據(jù)；通過孔隙編號(hào)與量化處理，提出一種進(jìn)行孔隙定量表征的方法，可為孔隙研究、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、含氣性預(yù)測(cè)等研究提供參考。

致謝：中國礦業(yè)大學(xué)劉蕾、李川、王廣周、王培清、盧琪榮等為研究工作做出了一些貢獻(xiàn)；中國礦業(yè)大學(xué)丁映霞、中國地質(zhì)調(diào)查局楊昭穎、頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心/重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院曾春林、焦偉偉、余川、汪生秀、曾祥亮等提供了指導(dǎo)和幫助，在此表示感謝！