如何探索頁巖微觀世界的奧秘

近年來，我國石油天然氣對外依存度持續(xù)上升，頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，既是天然氣資源的重要補充，又是一種低碳清潔能源，在促進我國社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型及推動能源清潔低碳發(fā)展中扮演著關(guān)鍵角色。在“碳達峰、碳中和”背景下，頁巖氣已成為近年來我國天然氣增儲上產(chǎn)的新亮點，預(yù)計到2025年我國天然氣產(chǎn)量增量的29%來自頁巖氣，對保障國家能源安全具有重要意義。在過去近20年里，我國眾多學(xué)者對頁巖儲層特征進行了大量研究，認為頁巖是指由粒徑較小的碎屑顆粒、黏土和有機質(zhì)等組成，具有低孔、特低滲、致密的物性特征，以發(fā)育微-納米孔隙體系為主要特點，因此頁巖內(nèi)部的微觀孔隙結(jié)構(gòu)不僅影響了頁巖氣的儲集和運移，還決定了頁巖氣的最終資源量。

為了探索頁巖內(nèi)部的微觀世界，地質(zhì)學(xué)家從定性和定量兩方面對微觀孔隙大小、類型及形態(tài)等進行精細刻畫，甚至可以動態(tài)模擬孔隙的演化過程。早期地質(zhì)學(xué)家主要借助光學(xué)顯微鏡開展頁巖內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征相關(guān)研究工作，包括普通薄片、鑄體薄片和熒光檢測等手段，探究頁巖內(nèi)部礦物顆粒的種類、大小、分布特征及孔隙填充情況等，總體研究程度較低，基本局限于毫米級至微米級的定性觀察范圍內(nèi)，無法滿足人類進一步探索微觀世界的迫切需求。隨著科研儀器設(shè)備的發(fā)展和進步，掃描電鏡開始逐漸成為地質(zhì)學(xué)家探索微觀世界更加可靠的工具，包括場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）、掃描電鏡礦物分析（QEMSCAN）和聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）等多種儀器被廣泛應(yīng)用。地質(zhì)學(xué)家仿佛獲得了一雙更加敏銳的眼睛，頁巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)觀察精度從微米級提高至納米級，從而觀察到了納米級孔隙的形態(tài)和分布特征，實現(xiàn)了對頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維立體重建，為研究頁巖內(nèi)部礦物顆粒的空間分布及相互之間的連通性等提供了有效依據(jù)。

在定量研究方面，目前主要通過流體侵入法、核磁共振（NMR）和小角散射等研究手段對頁巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)進行定量表征?？紤]到研究成本等因素影響，目前流體侵入法使用較為廣泛，包括了二氧化碳吸附法、氮氣吸附法和高壓壓汞法。這三種流體侵入法的測量范圍有所差異，二氧化碳吸附法可檢測的有效孔徑范圍為0.35—2nm，主要用于對孔徑小于2nm的微孔進行定量表征，氮氣吸附法可檢測的有效孔徑范圍為1.6—100nm，主要用于對孔徑范圍在2—50nm的介孔進行定量表征，高壓壓汞法可測量大于3.6nm的孔徑，主要用于對孔徑大于50nm的宏孔進行定量表征，在實際應(yīng)用中通常將三種方法相結(jié)合，對頁巖內(nèi)部的孔隙進行全孔徑聯(lián)合表征，以獲取頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布等信息，總體測試過程相對簡單，獲取數(shù)據(jù)較為全面。

盡管上述方法已經(jīng)為地質(zhì)學(xué)家研究頁巖的微觀世界獲取了豐富的資料，但為了進行更加深入的探索，越來越多的學(xué)者開始以上述定性和定量方法獲取的實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石學(xué)、地球化學(xué)、測井等多種數(shù)據(jù)資料，采用多元統(tǒng)計方法，將上述各項資料相結(jié)合，建立三維頁巖儲層評價模型，實現(xiàn)對頁巖的多尺度、高分辨率定性和定量化表征，從而揭示了頁巖微觀世界的奧秘。