利用微米X射線顯微鏡研究陸相延長組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

王羽， 汪麗華， 王建強， 王彥飛

(1.中國科學院上海應用物理研究所微觀界面物理與探測重點實驗室， 上海 201800；2.中國科學院大學， 北京 100049；3.中國科學院上海高等研究院上海同步輻射裝置， 上海 201204；4.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029)

得益于海相頁巖層系油氣資源的鉆完井和壓裂技術(shù)革新，美國成為世界上最早實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的國家,其頁巖氣資源主要來自海相或海陸過渡相地層[1]。美國頁巖氣的成功商業(yè)化為中國頁巖油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)探索提供了一定經(jīng)驗和借鑒[2]。我國廣泛發(fā)育有海相、陸相和海陸過渡相三類富有機質(zhì)頁巖[3]，頁巖氣可采資源量排名世界第二，其中陸相頁巖氣可采資源潛力為7.9×1012m3[4]。然而，與海相富有機質(zhì)頁巖相較，陸相頁巖在沉積環(huán)境、干酪根類型、有機質(zhì)成熟度和礦物組分等方面存在較大差異[5-7]。當前，我國海相頁巖氣儲量評估方法與壓裂技術(shù)基本達成共識，然而關(guān)于陸相頁巖氣(油)的研究在廣度與深度上遠遠不足。鄂爾多斯盆地作為我國中新生代大型內(nèi)陸坳陷沉積盆地，發(fā)育有石炭系、二疊系和三疊系等系列頁巖沉積。其中三疊系延長組7段(C7)烴源巖埋藏淺，有機質(zhì)豐度高，熱演化程度低，具有良好的頁巖氣(油)成藏條件[8-9]，有必要對其展開深入研究。

頁巖孔隙結(jié)構(gòu)是決定儲層儲集與運移能力的關(guān)鍵，對構(gòu)建頁巖氣滲流模型[10]、完善壓裂技術(shù)[11]具有重要意義。Loucks等[12]研究表明頁巖中孔隙類型豐富，包括粒間孔、粒內(nèi)孔、微裂縫和有機孔等，不同類型孔隙結(jié)構(gòu)成因不同，對頁巖氣儲集能力的貢獻亦不相同。Wang等[13]證實頁巖礦物基質(zhì)與有機質(zhì)分布模式在一定程度上控制和反映頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征。王躍鵬等[14]提出延長組頁巖中普遍發(fā)育的紋理結(jié)構(gòu)會形成平行層理的孔縫結(jié)構(gòu)，嚴重時造成井壁坍塌。前人工作表明，研究頁巖孔隙結(jié)構(gòu)有必要同時考慮有機質(zhì)與礦物基質(zhì)的空間分布特征。研究者圍繞鄂爾多斯C7頁巖孔隙結(jié)構(gòu)已開展了大量研究工作，但是受測試方法的限制，對其微觀結(jié)構(gòu)的認識仍較為薄弱。吳銀輝等[15]、楊維磊等[16]、龐銘等[7]、Jiang等[17]通過氣體吸附實驗、高壓壓汞實驗和核磁共振實驗對C7頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征展開研究，結(jié)果表明C7頁巖中3～30nm的孔隙對總孔隙度貢獻最大，為構(gòu)建頁巖孔隙模型提供了重要數(shù)據(jù)參考，但是上述成果對閉孔表征不足且缺乏對孔隙空間結(jié)構(gòu)特征的直觀認識。徐紅衛(wèi)等[18]采用掃描電鏡對C7頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征展開研究，其研究成果表明C7頁巖中主要發(fā)育納米級狹縫型黏土礦物層間孔，然而其采用機械拋光制樣對頁巖表面孔隙結(jié)構(gòu)造成了一定破壞，同時缺乏對頁巖不同組分三維空間分布特征的認識。

1—逆沖推覆帶； 2—古板塊碰撞對接帶； 3—河流。圖1 鄂爾多斯盆地遙科1井構(gòu)造位置示意圖Fig.1 Geotectonic position of Yaoke-1 Well, Ordos Basin

目前，油氣領(lǐng)域多采用氬離子拋光-掃描電鏡方法對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進行直觀觀測[13,19-20]。該方法有助于快速認識頁巖孔隙類型、分布模式及孔徑范圍等，然而不足以提供精確數(shù)據(jù)用以構(gòu)建頁巖氣三維滲流模型。對頁巖三維結(jié)構(gòu)的認識主要是利用微米X射線顯微鏡(micro X-ray microscope)[13,21]、納米X射線顯微鏡(nano-transmission X-ray microscope, TXM)[21-24]與聚焦離子束-掃描電子顯微鏡(focused ion beam-scanning electron microscope, FIB-SEM)[25-27]。與TXM和FIB-SEM方法相較，微米X射線顯微鏡方法的掃描范圍大且成本較低，是研究陸相頁巖紋理結(jié)構(gòu)特征的重要技術(shù)手段?；诖?，本文選取鄂爾多斯盆地南緣代表性C7頁巖，采用氬離子拋光-掃描電鏡與同步輻射微米X射線顯微鏡方法，對C7頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征進行詳細表征，探究陸相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征影響因素，以期為完善陸相頁巖氣產(chǎn)能評估與壓裂技術(shù)提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

C7頁巖實驗樣品采自鄂爾多斯盆地遙科一(YK1)井。YK1井位于陜西省銅川市，構(gòu)造位置屬于鄂爾多斯盆地南緣渭北隆起構(gòu)造單元(圖1)。長7油層組位于延長組中下部，代表湖盆最大擴張期。該時期隨著盆地強烈沉陷，湖盆從長8期開始至長7期達到鼎盛時期，環(huán)繞湖盆退積型三角洲廣泛發(fā)育并在開闊的淺湖-深湖區(qū)形成延長組的最主要的生油巖系[16]。巖心觀測發(fā)現(xiàn)，C7頁巖以黑色油頁巖、凝灰?guī)r與含油砂巖為主，夾雜碳酸鹽巖薄層，如圖2所示。

圖2 遙科1井延長組7段巖性柱狀圖與巖心樣品Fig.2 Lithological column and core sample of Member 7, Yanchang Formation shale from Yaoke-1 Well

X射線粉晶衍射測試表明，C7頁巖樣品中的石英與長石平均含量較高(分別為32%和24%)，碳酸鹽巖和黃鐵礦含量相對較低，分別為9%和3%。脆性礦物平均含量大于50%，有利于天然裂隙和人工誘導裂縫的發(fā)育。黏土礦物含量為33%，幾乎全部由伊蒙混層組成。伊蒙混層中伊利石含量為80%，主要為有序混層礦物(R=1型)，表明延長組7段頁巖處于成巖階段中期[28]。實驗樣品有機碳平均含量為4.79%，屬于富有機質(zhì)頁巖，其平均鏡質(zhì)體反射率為0.72%，對應有機質(zhì)未成熟或低成熟階段。

1.2 樣品測試和數(shù)據(jù)分析方法

1.2.1掃描電鏡測試

選取新鮮頁巖樣品薄片(～1cm2)，對其進行初步機械拋光后(2400目)，放入離子減薄儀(LJB-1A，沈陽華業(yè)公司)，利用氬離子束轟擊預拋光的表面，得到品質(zhì)較高的平面進行掃描電鏡觀察。制樣過程中，氬離子減薄儀的工作電壓為5kV，電流為100μA，拋光時間為10～12h[19,25]。掃描電鏡觀測利用Merlin Compact LE0 1530 VP電鏡(卡爾·蔡司公司)完成，礦物元素組成定性定量分析使用AZtec X-Max能譜儀(牛津儀器)進行。實驗時掃描電鏡加速電壓為5kV，工作距離為4～6mm；能譜儀的工作電壓為15kV，工作距離為8～10mm。

1.2.2同步輻射X射線顯微鏡測試

利用砂紙將C7頁巖樣品打磨成圓柱形，直徑大約5mm。微米X射線顯微鏡掃描實驗在上海同步輻射裝置X射線成像及生物醫(yī)學應用光束線(BL13W1)[29]開展。X射線在磁場強度1.9T、磁周期14cm的十六極擺動器中激發(fā)，通過Si(111)雙晶單色器進行單色化后穿過樣品，然后被帶有閃爍體的電荷耦合元件系統(tǒng)接收[11]。本文實驗像素尺寸為3.25μm，能量為25keV,樣品到探頭的距離為10cm。掃描過程中將樣品的一端固定在旋轉(zhuǎn)樣品臺上。整個實驗中樣品臺共旋轉(zhuǎn)180°，每隔0.2°采集一張投影圖像。通過樣品臺的旋轉(zhuǎn)，采集不同視角的投影圖像，利用PITRE (phase-sensitive X-ray image processing and tomography recons-truction)軟件進行圖像重構(gòu)[30]。首先，利用5張暗場圖像與20張明場圖像進行背景強度校正；其次，將采集的投影圖像轉(zhuǎn)換成正弦圖像并進行歸一化處理；最后，利用濾波反投影方法對正弦化圖像進行重構(gòu)[31]。

1.2.3數(shù)據(jù)分析方法

微米X射線顯微鏡重構(gòu)數(shù)據(jù)利用Avizo軟件進行分析。首先，選擇頁巖代表性體積塊1625μm1625μm1625μm，利用非局部均值濾波算法對所選CT圖像進行平滑。其次，依據(jù)孔隙、有機質(zhì)、碳酸鹽巖和硅酸鹽巖等對X射線的吸收系數(shù)差異,采用閾值分割方法進行圖像分割，實現(xiàn)延長7段頁巖三維結(jié)構(gòu)的重建與可視化。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙二維結(jié)構(gòu)特征

本文在參考Loucks等[12]頁巖孔隙分類方案基礎上，依據(jù)孔隙成因與其賦存特征將C7頁巖氣儲集空間劃分為無機孔、有機孔和微裂縫三類，如表1所示。

2.1.1無機孔和微裂縫結(jié)構(gòu)特征

C7頁巖中無機孔廣泛發(fā)育，包括粒間孔、黏土礦物層間孔和溶蝕孔等。粒間孔主要發(fā)育在脆性礦物周緣和黏土碎屑之間。脆性礦物周緣孔以狹縫形為主，孔長約1μm，孔寬約100nm (圖3a)，在C7頁巖中普遍發(fā)育；粉砂級黏土巖屑彼此連接，形成原生粒間孔，是C7頁巖中發(fā)育最多的孔隙類型，以三角形為主，孔徑集中于30～250nm，連通性較好(圖3b)。黏土礦物層間孔發(fā)育在黏土礦物層間，以平直狹縫狀為主，孔長1～3μm，孔寬數(shù)十納米(圖3c)，發(fā)育較少。溶蝕孔是烴源巖生烴過程中產(chǎn)生大量有機酸將礦物溶解所形成的次生孔隙。C7頁巖中溶蝕孔數(shù)量較少且孤立存在，以凹坑狀為主，孔徑50～300nm(圖3d)。

表1 遙科1井延長7段頁巖孔隙類型及其特征

a—狹縫狀礦物周緣孔; b—原生粒間孔,以三角形為主; c—黏土礦物層間孔,呈平直狹縫狀; d—凹坑狀溶蝕孔,連通性差; e—黃鐵礦晶內(nèi)孔,呈圓形; f—圖3e中十字標記區(qū)域能譜圖; g—生物孔; h—銳鈦礦晶間孔; i—圖3h中十字標記區(qū)域能譜圖; j, k, l—微裂縫。圖3 遙科1井延長7段頁巖中無機孔和微裂縫發(fā)育特征Fig.3 Mineral matrix pores and micro fractures developing in C7 Member shale from Yaoke-1 Well

C7頁巖中同時發(fā)育黃鐵礦晶內(nèi)孔和銳鈦礦晶間孔等特殊的孔隙類型。黃鐵礦晶內(nèi)孔見圖3e。能譜圖(圖3f)表明圖3e中十字標記區(qū)域元素組成主要為Fe、S、O、Si。該類孔隙基本呈圓形，黃鐵礦質(zhì)孔隙壁厚3～5μm，孔徑數(shù)十微米，孔隙部分或全部被礦物碎屑或有機質(zhì)充填，彼此之間并無連通性。銳鈦礦晶間孔如圖3h和圖3i所示，孔徑集中于數(shù)百納米，連通性較好。此前在海相沉積威遠九老洞組頁巖[19]、遼河凹陷沙河街組頁巖[32]中均觀測到該類型孔隙，表明銳鈦礦晶間孔的主要形成機理并非受控于沉積環(huán)境。C7頁巖中亦發(fā)育少許生物孔，如圖3g所示，孔徑30～50nm，推測為生物遺體被礦物質(zhì)充填所形成。

微裂縫在C7頁巖中較為發(fā)育，以構(gòu)造裂縫為主。構(gòu)造裂縫一般沿機械不穩(wěn)定面發(fā)育，如脆性礦物與片狀黏土礦物的外部或顆粒之間(圖3j，3k)，或沿黏土礦物層理發(fā)育(圖3l)，較平直，延伸尺度較大，長數(shù)微米，寬度幾百納米。普遍發(fā)育的微裂縫是溝通各類微觀孔隙的橋梁，為頁巖氣運移提供了重要的滲流通道。

2.1.2有機質(zhì)與有機孔發(fā)育特征

a, b, c—有機孔,主要發(fā)育在有機質(zhì)之間; d, e, f, g, h, i—有機質(zhì)賦存特征。圖4 遙科1井延長7段頁巖中有機孔和有機質(zhì)的賦存特征Fig.4 Organic pores and organic matter in C7 Member shale from Yaoke-1 Well

C7頁巖中有機孔發(fā)育較少，依據(jù)發(fā)育形態(tài)和成因可分成兩類。第一類有機孔發(fā)育在離散狀有機質(zhì)內(nèi)部，其形成受控于有機質(zhì)生烴作用，發(fā)育極少，呈橢圓狀或凹坑狀(圖4a)等，孔徑30～200nm。另外一類有機孔與有機黏土礦物共生，是C7頁巖中有機孔最主要的存在形式。該類有機孔具有繼承性結(jié)構(gòu)，受黏土礦物層間孔的形貌控制，以狹縫狀或?qū)訝顬橹鳎鐖D4b和4c所示。黏土礦物強烈的吸附能力促使有機質(zhì)在烴源巖中富集，與黏土礦物以結(jié)合態(tài)存在。在有機質(zhì)生烴過程中，黏土礦物降低了生烴反應活化能，同時為其提供了電子(OH-)和質(zhì)子(H+)來源。類似結(jié)構(gòu)在四川盆地頁巖氣勘探有利儲層龍馬溪組海相頁巖中發(fā)現(xiàn)較多[6]，不僅佐證了黏土礦物的催化生烴作用，而且說明陸相頁巖有機孔的形成機理與海相頁巖具有一定相似性。

C7頁巖中存在大量致密有機質(zhì)，大小數(shù)百納米至數(shù)微米，形態(tài)復雜，主要受控于無機孔縫的形狀。圖4d中有機質(zhì)彼此連接，填充于不規(guī)則狀礦物碎屑粒間孔中，與粒間孔邊緣完全接觸；圖4e中條帶狀有機質(zhì)充填于粒間孔中，彼此孤立存在，單個有機質(zhì)長達數(shù)十微米；圖4f中條帶狀有機質(zhì)則充填于黏土礦物層間，取向與黏土礦物一致，寬50～200nm。部分有機質(zhì)與黃鐵礦共生，表現(xiàn)為包裹關(guān)系，如圖4g所示，黃鐵礦晶間孔幾乎完全被有機質(zhì)充填，僅在有機質(zhì)與微晶之間殘余少許孔縫。致密有機質(zhì)與礦物基質(zhì)接觸面之間發(fā)育部分孔隙，該類孔隙往往與有機質(zhì)取向一致，呈鋸齒狀、平直狀和三角狀等，孔徑集中于數(shù)微米，如圖4h和圖4i所示。

2.2 頁巖三維結(jié)構(gòu)特征

C7頁巖微米X射線重構(gòu)圖像如圖5a所示。圖像中灰度值由白(255)到黑(0)代表物質(zhì)的密度由大到小。結(jié)合掃描電鏡數(shù)據(jù)判斷，白色部分主要為黃鐵礦，灰白色部分主要是鈣質(zhì)或鋁鐵質(zhì)礦物；黑色部分代表低密度物質(zhì)，理論上包括微孔隙、微裂縫和有機質(zhì)。以下將低密度物質(zhì)界定為有機質(zhì)，主要原因如下：掃描電鏡觀測證實C7頁巖中主要發(fā)育納米孔，本文微米X射線掃描實驗(分辨率3.25μm)不足以識別；從重構(gòu)圖像中可以看出，低密度物質(zhì)大小集中于亞微米至微米，主要呈帶狀或星點狀等，與掃描電鏡下有機質(zhì)的形貌大小一致；剖面線(圖5b)經(jīng)過低密度物質(zhì)時，灰度值均在90左右(孔隙灰度值接近0)。

a—頁巖微米X射線重構(gòu)圖像: 有機質(zhì)(黑色)，黃鐵礦(白色)； b—L1、L2為a圖中剖面線所示物質(zhì)的灰度值剖面圖?？v坐標:灰度值。圖5 基于X射線重構(gòu)圖像的物質(zhì)識別Fig.5 Segmentations based on X-ray microscopy images

圖6 延長7段頁巖三維重構(gòu)圖像Fig.6 Three dimensional reconstructions of C7 Member shale

經(jīng)過物相分割，通過三維數(shù)值模擬得到C7頁巖三維結(jié)構(gòu)，如圖6所示。有機質(zhì)、鈣質(zhì)(包括鋁鐵質(zhì))礦物和黃鐵礦分別以紅色，綠色以及黃色標記，空白區(qū)域代表硅鋁質(zhì)礦物(石英和長石等)。圖6表明C7頁巖中，有機質(zhì)與鈣質(zhì)、鋁鐵質(zhì)礦物排列有序，在微米尺度上具有明顯的紋層結(jié)構(gòu)，黃鐵礦則以無序狀分散在礦物基質(zhì)中。

圖6b展示了C7頁巖有機質(zhì)三維空間分布特征。有機質(zhì)體積含量為3.4%，整體呈紋層結(jié)構(gòu)。大部分有機質(zhì)體積較小，均勻地分散于礦物基質(zhì)中；少數(shù)有機質(zhì)體積較大，取向與紋層一致，如圖7a所示。圖7a是圖6b中部分有機質(zhì)的放大圖，從圖中能夠看出該有機質(zhì)顆粒長約700μm，寬約80μm，呈不完全連續(xù)分布。鈣質(zhì)和鋁鐵質(zhì)礦物的三維空間結(jié)構(gòu)如圖6c所示，其體積百分數(shù)達7.5%，同樣具有紋層結(jié)構(gòu)，取向與有機質(zhì)分布模式一致。與有機質(zhì)的均勻分布不同，鈣質(zhì)與鋁鐵質(zhì)礦物在某些紋層內(nèi)出現(xiàn)富集。此外，少量鋁鐵質(zhì)礦物呈球狀，體積較大,如圖7b所示，隨機分布于礦物基質(zhì)中。黃鐵礦體積含量較低，約0.7%，在三維空間中隨機分布，如圖6d所示。黃鐵礦顆粒大小集中于10～20μm，相對均勻地分散于礦物基質(zhì)中；少數(shù)黃鐵礦聚集在一起，形成團塊兒狀集合體。部分黃鐵礦可能充填于生物遺體中，其三維結(jié)構(gòu)放大圖如圖7c所示。從圖中可以看出，該類孔呈不封閉的球狀，孔徑約45μm。

a—有機質(zhì); b—鋁鐵質(zhì)礦物; c—黃鐵礦晶內(nèi)孔。圖7 延長7段頁巖中不同物相三維結(jié)構(gòu)的放大圖Fig.7 Enlarged images showing three dimensional structures of different phases in C7 Member shale

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征與其控制因素

掃描電鏡觀測結(jié)果表明C7頁巖中無機孔和微裂縫最為發(fā)育。無機孔以發(fā)育在黏土碎屑顆粒之間的原生粒間孔為主，黏土礦物層間孔和脆性礦物周緣孔等海相頁巖中普遍發(fā)育的孔隙類型發(fā)現(xiàn)較少。一方面，頁巖中大量存在的碎屑狀黏土礦物為孔隙發(fā)育提供了物質(zhì)基礎，是控制主要孔隙類型發(fā)育的重要因素之一；另一方面受成巖作用控制，原生層間孔和脆性礦物周緣孔難以保存[33]。與四川盆地廣泛發(fā)育的海相頁巖相較，C7頁巖中有機孔鮮有發(fā)育[5-7]。有機孔的形成、形貌及大小主要與有機質(zhì)含量、類型和熱成熟度密切相關(guān)。鄂爾多斯盆地三疊系C7頁巖熱演化程度較低，大部分處于低成熟階段，因此不具備大量發(fā)育有機孔的條件。有機質(zhì)主要呈致密態(tài)，不均勻地充填于無機孔與微裂縫中，在一定程度上進一步降低了孔隙度。

掃描電鏡測試表明C7頁巖中介孔數(shù)量占絕對優(yōu)勢，對孔隙體積貢獻最大，提供了主要的儲集空間。黏土礦物顆粒細小，分選好，是介孔大量發(fā)育的關(guān)鍵因素。鄂爾多斯盆地長7期深湖細粒沉積背景導致原始的粒間孔隙相對較小[34-35]；強烈的壓實作用使顆粒間緊密接觸，同時膠結(jié)作用使大的粒間孔隙消失，殘留了小尺度的粒間孔隙[36]。C7頁巖中亦發(fā)育少量宏孔，孔徑主體數(shù)百納米，主要以粒間孔和微裂縫形態(tài)存在。脆性礦物含量較高是宏孔發(fā)育的重要原因。但是細粒黏土礦物與有機質(zhì)的充填作用，在一定程度上導致宏孔數(shù)量降低。

2.4 對頁巖氣運移和壓裂的啟示

本文利用微米X射線顯微鏡證實C7頁巖在微米尺度上具有明顯的紋層結(jié)構(gòu)，有機質(zhì)紋層發(fā)育且連續(xù)性強，表明C7頁巖具有較強塑性。李麗慧等[37]通過三軸壓裂實驗證實該類結(jié)構(gòu)中，壓裂縫以沿紋層擴展為主且易再次閉合，從而降低了儲層的可壓裂性。不過，隨著有機質(zhì)成熟度的增加，該結(jié)構(gòu)沿層理方向易于形成相互連接的孔隙網(wǎng)絡，從而有利于頁巖氣的橫向運移[38]。掃描電鏡測試表明各紋層中的微米級微構(gòu)造裂縫發(fā)育較多，王躍鵬等[14]認為該類裂縫可能是由于水進入頁巖內(nèi)部發(fā)生水化作用，導致黏土礦物沉淀而形成的。該結(jié)構(gòu)意味著水力壓裂開采技術(shù)容易破壞C7頁巖結(jié)構(gòu)的完整性，引發(fā)井壁坍塌等嚴重問題。

3 結(jié)論

本文利用氬離子拋光-掃描電鏡和微米X射線顯微鏡方法，對鄂爾多斯陸相延長7段頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征進行研究。測試結(jié)果表明：①受黏土碎屑和成巖作用控制，延長7段頁巖中主要發(fā)育納米級粒間孔與微米級微裂縫，是頁巖氣的主要儲運空間。有機質(zhì)主要呈致密狀，有機孔發(fā)育較少，一般與有機黏土礦物共存。②延長7段頁巖在微米尺度上具有明顯的紋層結(jié)構(gòu)，有機質(zhì)紋層發(fā)育且連續(xù)性強，不利于儲層壓裂。同時，大量存在的黏土礦物與微裂縫在水力壓裂時容易引發(fā)井壁坍塌等嚴重問題。

微米X射線顯微鏡技術(shù)是深入研究陸相頁巖紋層三維結(jié)構(gòu)特征的有效方法，與氬離子拋光-掃描電鏡技術(shù)結(jié)合，有利于實現(xiàn)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的多尺度多維度綜合表征。本文研究成果可為后期頁巖氣水平井結(jié)構(gòu)設計、提高井壁穩(wěn)定性提供改進思路。