孫寅森 郭少斌

摘要：隨著中國頁巖氣研究的不斷深入，頁巖儲層微觀孔隙特征的研究越來越受到眾多學(xué)者重視。為了深入了解湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖孔隙特征，綜合利用掃描電鏡、氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡、氮氣吸附/脫附試驗以及核磁共振試驗等對頁巖孔隙特征進(jìn)行定性觀察和定量表征，并結(jié)合有機地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)以及巖石礦物全巖定量分析結(jié)果，探討頁巖孔隙發(fā)育的主控因素。結(jié)果表明：湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖發(fā)育6種孔隙類型，主要有粒內(nèi)孔、粒間孔、黏土礦物層間孔、有機質(zhì)孔隙，還可見部分黃鐵礦晶間孔以及微裂縫；頁巖孔徑大小主要分布在2～5 nm之間，以中孔隙為主，還發(fā)育少量微孔隙和大孔隙，峰值在2～5 nm之間的孔隙是頁巖孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者；頁巖孔隙結(jié)構(gòu)類型以板狀孔等狹縫形孔為主，還發(fā)育部分圓筒形孔、錐形管孔等；總有機碳主要控制頁巖微孔隙、中孔隙的發(fā)育，黏土礦物含量主要影響頁巖中孔隙的發(fā)育，而脆性礦物含量控制頁巖大孔隙的發(fā)育。

關(guān)鍵詞：頁巖；孔隙特征；控制因素；氮氣吸附/脫附；核磁共振；上震旦統(tǒng)；陡山沱組

中圖分類號：P618.13；TE122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： With the deeply research on shale gas in China， the study on the characteristics of microscopic pores of shale reservoir is focused on. In order to further understand the characteristics of shale pores from Upper Sinian Doushantuo Formation in the western of Hunan and Hubei， China， the scanning electron microscope （SEM）， argon ion polishingfield emission scanning electron microscope （FESEM）， nitrogen adsorption/desorption and nuclear magnetic resonance （NMR） tests were used to make qualitative observation and quantitative characterization of shale porosity under different scales； combined with the whole rock quantitative analysis data of organic geochemistry and rock minerals， the main controlling factors on shale porosity were discussed. The results show that there are 6 types of pores from Doushantuo Formation in the western of Hunan and Hubei， including intergranular， intragranular， pyrite intercrystalline， interlayer， organic pores and micro cracks； the pore diameters of shales are 25 nm， and the middle pore mainly develops， a small amount of micro and macro pores develop； the pores with the peak diameters of 25 nm are the main contributor to shale pore volume； the types of shale pore structure are mainly narrow plate pore， and partly cylinder pore， conical pore， etc.； total organic carbon is the main contributor to the development of micro and middle pores， and the content of clay mineral mainly affects the development of middle pore， and the content of brittleness mineral mainly controls the development of macro pore.

Key words： shale； pore characteristic； controlling factor； nitrogen adsorption/desorption； nuclear magnetic resonance； Upper Sinian； Doushantuo Formation

0引言

近年來，隨著中國頁巖氣研究的不斷深入，南方頁巖氣勘探已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，針對頁巖儲層微觀孔隙特征的研究越來越受到眾多學(xué)者的重視[17]。頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于頁巖孔隙中[14]，因而頁巖孔隙特征的研究顯得尤為重要。頁巖孔隙特征的研究主要包括頁巖孔隙類型及形態(tài)特征、孔徑分布、孔隙體積、比表面積、空間結(jié)構(gòu)特征以及孔隙連通性等[5]。

目前，南方海相頁巖氣主要研究層位集中在中上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)以及上二疊統(tǒng)，而對上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖的研究極少[89]。因此，需要針對上震旦統(tǒng)陡山沱組泥頁巖儲層微觀孔隙特征展開深入研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要采用偏光顯微鏡、高分辨率掃描電鏡、CT掃描等圖像分析技術(shù)對頁巖孔隙類型、形態(tài)特征及成因等進(jìn)行觀察描述，或通過低溫液氮吸附試驗、CO2吸附試驗、高壓壓汞等流體注入法定量表征頁巖孔徑分布及結(jié)構(gòu)特征[67]。由于單一方法表征頁巖孔隙特征都存在一定局限性，所以本文綜合利用掃描電鏡及氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡技術(shù)對湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖樣品不同孔隙尺度下孔隙形態(tài)特征進(jìn)行定性觀察，并通過氮氣吸附/脫附試驗定量分析泥頁巖的孔徑分布以及孔隙空間結(jié)構(gòu)特征等，同時選用無損檢測法（核磁共振試驗）深入分析頁巖孔隙的連通性以及結(jié)構(gòu)特征等，并結(jié)合全巖定量分析數(shù)據(jù)以及有機地球化學(xué)分析資料，通過相關(guān)性分析討論頁巖孔隙的主控因素，以期能為湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖氣的勘探與評價提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣品采集

頁巖樣品均采自中揚子湘鄂西地區(qū)黃陵背斜新鉆頁巖氣預(yù)探井。在陡山沱組初期，早震旦世南沱冰川融化，海侵范圍不斷擴大，此時中揚子地區(qū)海水較淺；進(jìn)入陡山沱組中、晚期，古地理環(huán)境發(fā)生急劇變化，形成各種深水、淺水沉積物，該期沉積的泥頁巖在湘鄂西地區(qū)非常發(fā)育，主要為深水陸棚相沉積[9]。頁巖樣品總有機碳主要分布在04%～19%之間，大于1%的樣品占總量的600%，平均總有機碳為101%。有機質(zhì)類型主要為Ⅱ型干酪根，有機質(zhì)成熟度較高，鏡質(zhì)體反射率普遍大于200%，最高達(dá)到405%，大多進(jìn)入到高成熟—過成熟階段（表1）。本文優(yōu)選了4塊頁巖樣品進(jìn)行氮氣吸附/脫附試驗，優(yōu)選了4塊頁巖樣品進(jìn)行核磁共振試驗。

1.2測試分析

同時選用掃描電鏡和氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡試驗對頁巖樣品進(jìn)行觀察。試驗是在中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室完成的。氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡試驗前需要利用氬離子束轟擊預(yù)拋光表面，得到高品質(zhì)的頁巖截面，然后進(jìn)行掃描電鏡觀察。試驗拋光儀所用設(shè)備為IB09010CP型離子截面拋光儀，制樣過程減薄儀的工作電壓為10 kV，電流束為10 μA；掃描電鏡所用設(shè)備為JSM6700F型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察過程中掃描電鏡的加速電壓為10 kV。

核磁共振試驗是在中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院非常規(guī)油氣實驗室完成的。試驗采用的設(shè)備為RecCore04型低磁場核磁共振巖樣分析儀。試〖CM（22〗驗前首先對頁巖樣品進(jìn)行預(yù)處理：將頁巖樣品放在70 ℃的干燥箱內(nèi)干燥24 h，然后抽真空8 h，最后放入蒸餾水中飽和8 h。試驗過程主要有3個步驟：①頁巖樣品在100%飽含水的情況下進(jìn)行核磁共振試驗；②取出頁巖樣品放入離心泵中，在138 MPa的離心壓力下高速離心1.5 h，使頁巖樣品處于理想的殘余水狀態(tài)；③將離心后的頁巖樣品進(jìn)行殘余水狀態(tài)下的核磁共振試驗。因此，可同時獲得每個頁巖樣品100%飽含水狀態(tài)下和殘余水狀態(tài)下的2個T2譜，進(jìn)而分析頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)。

氮氣吸附/脫附試驗是在河北省滄州市華北油田邦達(dá)新技術(shù)有限公司實驗室完成的。試驗采用HBY200022型比表面及孔徑測定儀。頁巖樣品經(jīng)過90 ℃加熱1 h后，加熱至350 ℃真空脫氣5 h，然后放入液氮瓶中進(jìn)行等溫吸附/脫附測定，儀器測試孔徑范圍為035～50000 nm，吸附/脫附相對壓力為0001～0995。根據(jù)BET法計算頁巖比表面積，應(yīng)用BJH法可得到頁巖樣品孔徑分布范圍[1011]?！糒L〗

2結(jié)果分析

2.1孔隙類型

目前，國內(nèi)外頁巖孔隙類型的分類標(biāo)準(zhǔn)很多，鄒才能等從孔隙大小、發(fā)育位置、形狀特征、成因等多個角度提出過多種劃分方案[1，1214]。本文在泥頁巖定性觀察描述中的頁巖孔隙分類借鑒Loucks等提出的頁巖微孔隙分類方法[1516]。依據(jù)儲層基質(zhì)分類，并結(jié)合上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖孔隙發(fā)育特征，將研究區(qū)頁巖孔隙劃分為無機礦物孔隙、有機質(zhì)孔隙和微裂縫3種類型。無機礦物孔隙主要包括粒間孔、粒內(nèi)孔、黃鐵礦晶間孔、黏土礦物層間孔等。每一種孔隙的孔徑分布、孔隙形態(tài)及成因機制見表2。為了方便統(tǒng)計，定量研究中的孔隙分類借鑒國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）對孔隙的定義，將頁巖孔隙劃分為微孔隙（孔徑小于2 nm）、中孔隙（孔徑為2～50 nm）和宏（大）孔隙（孔徑大于50 nm）[12]。

2.1.1無機礦物孔隙

無機礦物孔隙主要是賦存于無機礦物顆粒內(nèi)部或微晶之間的微孔隙[1516]，根據(jù)賦存位置可劃分為粒內(nèi)孔、粒間孔、黃鐵礦晶間孔以及黏土礦物層間孔等[圖1、圖2（a）～（c）]。

粒內(nèi)孔發(fā)育于顆粒內(nèi)部，孔隙形態(tài)多呈圓形或橢圓形，孔徑分布范圍廣，多為納米級，也有少量可達(dá)微米級及以上[圖1（a）～（d）、圖2（c）]。圖1（c）、（d）中孔隙可能是有機質(zhì)熱演化生烴過程中產(chǎn)生的有機酸、二氧化碳等與石英、長石、碳酸鹽巖等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)溶解形成的；圖1（a）、圖1（b）、圖2（c）中孔隙可能是在成巖演化過程中黏土礦物或其他不穩(wěn)定礦物轉(zhuǎn)化為伊利石或其他礦物形成的。前者形成的孔隙多孤立存在，連通性較差；后者形成的孔隙多與其他孔隙相伴生，連通性相對較好[15，17]。

黏土礦物層間孔主要通過礦物邊緣及表面連接富集形成的。掃描電鏡照片顯示，湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組黏土礦物層間孔非常發(fā)育，孔隙形態(tài)多為狹縫形、網(wǎng)狀、不規(guī)則孔，孔徑分布從上百納米至數(shù)微米都有[圖1（a）、（b）、（d）]。該類孔隙的形成與黏土礦物自身組成成分的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組黏土礦物主要為伊利石和伊蒙混層，還有少量高嶺石和綠泥石。伊利石多呈葉片狀、絲發(fā)狀；伊蒙混層呈蜂窩狀、棉絮狀等；高嶺石多呈書頁狀、手風(fēng)琴狀；綠泥石呈針葉、花瓣狀。因而黏土礦物成巖過程中易于形成層間孔。黏土礦物成分自身排列無序，可能導(dǎo)致層間孔分選差以及形狀不規(guī)則，既可以形成連通性較好的網(wǎng)狀層間孔，也存在連通性相對較差的狹縫形層間孔和不規(guī)則層間孔等。這些不同類型的層間孔還可與粒間孔一起形成孔隙網(wǎng)絡(luò)，提高頁巖的儲滲能力[18]。

粒間孔主要發(fā)育在礦物顆粒之間，是常規(guī)儲層中比較常見的儲集空間類型，在頁巖儲層中同樣發(fā)育。圖1（d）～（f）、圖2（a）顯示研究區(qū)頁巖粒間孔以三角形、不規(guī)則多邊形、狹縫形為主，孔徑分布范圍較廣，從幾百納米到幾微米均有發(fā)育。該孔隙形態(tài)與礦物成分關(guān)系密切。圖1（d）、圖2（a）為黏土礦物與脆性礦物不緊密堆積形成的狹縫形粒間孔；圖1（e）、（f）為脆性礦物之間彼此接觸形成的三角形和不規(guī)則多邊形粒間孔。

黃鐵礦晶間孔是黃鐵礦晶體生長過程中不緊密堆積形成的晶間孔，多以草莓狀單體或集合體出現(xiàn)，孔徑分布從幾十納米至幾百納米都有[圖2（b）]。黃鐵礦與有機質(zhì)賦存關(guān)系密切，通常以充填或包裹式共存，在富有機質(zhì)泥頁巖層系中普遍存在[15，17]。

2.1.2有機質(zhì)孔隙

有機質(zhì)孔隙是分布在有機質(zhì)內(nèi)部的孔隙。Loucks等研究認(rèn)為有機質(zhì)孔隙是富有機質(zhì)頁巖儲層最重要的孔隙類型，是頁巖氣主要的賦存空間[1516]。湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖樣品中有機質(zhì)孔隙發(fā)育不均衡，同一塊頁巖樣品有機質(zhì)僅有部分發(fā)育有機質(zhì)孔隙，還有部分不發(fā)育[圖2（e）]。

孔隙形態(tài)多樣，有層狀有機質(zhì)孔隙[圖2（d）]、網(wǎng)狀有機質(zhì)孔隙[圖2（h）]等，多呈近圓形、橢圓形、狹縫形等，孔徑分布多在幾納米至幾百納米之間，也有少量孔隙達(dá)到微米級[圖2（d）～（h）]。蒲泊伶等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱演化成熟度達(dá)到0.6%時，有機質(zhì)孔隙才會產(chǎn)生[5]。這表明有機質(zhì)孔隙與有機質(zhì)熱演化過程密切相關(guān)，可能由于干酪根熱演化生烴過程中消耗了有機質(zhì)成分，產(chǎn)生了孔隙或者收縮縫。此外，有機質(zhì)孔隙的形成與有機質(zhì)類型和豐度有關(guān)，可能由于有機質(zhì)分布不均一導(dǎo)致同一塊頁巖樣品有機質(zhì)存在差異，所以存在同一塊頁巖樣品同時出現(xiàn)有機質(zhì)孔隙發(fā)育和不發(fā)育的現(xiàn)象。

2.1.3微裂縫

微裂縫的形成與頁巖沉積構(gòu)造和成巖演化作用導(dǎo)致應(yīng)力變化有關(guān)，一般裂縫長度可達(dá)微米級[15，17，19]。根據(jù)裂縫成因機制可將微裂縫劃分為構(gòu)造裂縫、成巖收縮裂縫、高壓碎裂縫和人為裂縫等[15]。湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖中微裂縫廣泛發(fā)育[圖1（e）、（f），圖2（i）～（l）]。圖2（i）、（j）可見成巖收縮縫，該類裂縫多發(fā)生在不同礦物顆粒周緣，應(yīng)是成巖過程中脫水導(dǎo)致的；由圖1（e）、（f）及圖2（i）、（j）、（l）可見高壓碎裂縫，該類裂縫應(yīng)是成巖過程中受局部應(yīng)力作用導(dǎo)致礦物顆粒發(fā)生破裂形成的；圖2（k）為構(gòu)造裂縫，該類裂縫較平直，普遍尺度較大，裂隙延伸較好，裂隙寬度多小于數(shù)百納米，長度在數(shù)十微米至毫米級。規(guī)模較大的構(gòu)造裂縫有時還可以溝通其他類型孔隙，形成相互交錯的立體滲流網(wǎng)絡(luò)，為頁巖氣提供有效的賦存空間，也是氣體運移的主要通道，對氣體的微觀運移具有重要意義[17]。

2.1.4SEM與FESEM圖像觀察比較

由于不同的儀器和測量方法觀察的孔隙尺度范圍不一致[2021]，本文同時選取了掃描電鏡（SEM）和氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）兩種方法對頁巖樣品的微觀孔隙特征進(jìn)行定性觀察。根據(jù)陡山沱組泥頁巖鏡下特征（圖1、2）可知：掃描電鏡不僅能夠宏觀定性觀察頁巖孔隙發(fā)育特征，還能直觀顯示頁巖孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分形態(tài)特征以及有機質(zhì)的賦存狀態(tài)等，但是由于掃描電鏡預(yù)處理過程采用機械拋光，導(dǎo)致薄片表面形態(tài)不規(guī)則，觀察到的頁巖孔隙以微米—毫米級大孔隙為主，納米級孔隙難以分辨；而氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡利用氬離子拋光替代了機械拋光，樣品表面平整，更有利于頁巖鏡下觀察，可以清楚地觀察頁巖納米級孔隙的分布，但是無法分辨礦物的形態(tài)特征[57]，還需要借助能譜分析識別礦物成分。因此，兩種方法綜合運用更有利于頁巖孔隙特征的全面定性觀察。

2.2氮氣吸附/脫附試驗分析

2.2.1孔隙比表面積、體積與孔徑分布特征

通過4塊頁巖樣品的氮氣吸附/脫附試驗，利用BET法求取比表面積（表3），可知湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖孔隙比表面積主要分布在3158～7928 m2·g-1，平均為6104 5 m2·g-1。依據(jù)BJH法可對頁巖孔隙體積和孔徑分布進(jìn)行研究[1011]，試驗頁巖樣品的孔隙體積為0002 14～0008 04 mL·g-1，平均孔隙體積為0005 722 5 mL·g-1。測試樣品平均孔徑為270～469 nm，平均為3597 5 nm。圖3中頁巖孔徑分布特征能夠反映出孔徑的主要分布范圍以及對孔隙體積的貢獻(xiàn)。從圖3可以看出，湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組微觀孔隙孔徑分布范圍為2～50 nm，主峰值主要分布在2～5 nm之間，表明該孔徑段的孔隙是陡山沱組孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者。

2.2.2吸附/脫附曲線特征

根據(jù)吸附與凝聚理論，頁巖作為一種有孔礦物，可以通過氮氣吸附/脫附試驗獲得測試樣品的吸附/脫附曲線（圖4），而吸附/脫附曲線形態(tài)可以較好地表征頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征[2226]。目前應(yīng)用較多的是Brunauer等提出的5類劃分方案[11]。圖4中不同曲線類型代表的典型孔隙結(jié)構(gòu)具有比較單一的形狀、大小分布特征，但實際曲線并不是單一類型的孔隙結(jié)構(gòu)，往往都是不同典型曲線的復(fù)合疊加，因而呈現(xiàn)復(fù)雜的曲線形態(tài)。

圖5為湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖巖芯的氮氣吸附/脫附曲線。根據(jù)各樣品曲線形態(tài)特征可以發(fā)現(xiàn)，所有測試樣品均有吸附回線，而封閉性孔隙一般不能產(chǎn)生吸附回線，表明頁巖儲層孔隙形態(tài)呈開放狀態(tài)[2326]。各吸附曲線形態(tài)上略有差異，但是整體呈S型，與Ⅱ型吸附等溫線類似，是中孔類多孔介質(zhì)的顯著特征。吸附曲線與脫附回線在壓力較高段分離形成吸附回滯環(huán)，說明頁巖孔隙存在毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象。吸附回線與IUPAC標(biāo)準(zhǔn)中的H4型回線接近，表明陡山沱組孔隙結(jié)構(gòu)不規(guī)整，孔徑分布不均衡，存在微孔隙和中孔隙，而且多為狹縫形孔隙。參考Brunauer等提出的劃分方案[11]，可將陡〖CM（22〗山沱組吸附/脫附曲線劃分為3類：樣品N1、N6為〖LL〗Ⅰ類，樣品N12為Ⅱ類，樣品N19為Ⅲ類（圖5）。Ⅰ類吸附/脫附曲線在相對壓力小于0.5時，脫附曲線與吸附曲線重合，在相對壓力為05～06時出現(xiàn)明顯拐點，相對壓力接近0.9時，吸附/脫附曲線顯著增加，吸附體積相對較大，此類曲線對應(yīng)的孔隙以狹窄的平行板孔為主，還存在部分兩端開口的圓筒形孔、錐形管孔以及墨水瓶孔；Ⅱ類吸附/脫附曲線形態(tài)與Ⅰ類相似，只是拐點相對平緩，此類曲線對應(yīng)的孔隙以狹縫形板狀孔和四端開口的錐形平板孔為主，還有少量兩端開口的錐形管孔；Ⅲ類吸附/脫附曲線拐點不明顯，近平行，吸附回滯環(huán)較小，吸附體積較小，此類曲線對應(yīng)的孔隙主要為四端開口的錐形平板孔，也有少量的狹窄平行板孔。

綜上所述，湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖孔隙多為開放型孔隙，孔隙結(jié)構(gòu)不規(guī)整，孔徑分布不均，存在微孔隙、中孔隙和少量大孔隙，多發(fā)育狹縫形孔?？紫额愋投鄻樱饕衅叫邪蹇?、圓筒形孔、錐形管孔。結(jié)合泥頁巖的礦物組成和結(jié)構(gòu)特征，泥頁巖頁理發(fā)育以及黏土礦物層間孔等可能是平行板狀孔和錐形平板孔脫附回線普遍的主要原因，圓筒形孔與錐形孔可能與泥頁巖有機質(zhì)孔隙、粒間孔和粒內(nèi)孔有關(guān)。這說明湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組主要孔隙類型為黏土礦物層間孔、有機質(zhì)孔隙、粒間孔、粒內(nèi)孔等。

2.3核磁共振試驗分析

早在20世紀(jì)80年代，核磁共振方法已廣泛應(yīng)用于評價碎屑巖和碳酸鹽巖等常規(guī)儲集巖孔隙結(jié)構(gòu)特征[2729]，但對泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的評價還很少。核磁共振方法對泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的研究主要是通過采用較低的磁場強度對頁巖孔隙中流體的1H核磁信號進(jìn)行檢測，從而獲取孔隙中流體的T2譜[3031]?？紫读黧w中1H核的橫向弛豫時間（t）與孔隙半徑（r）存在以下關(guān)系

式中：ρ2為巖石橫向弛豫強度；S為巖石孔隙總表面積；V為孔隙體積；Fs為孔隙幾何形狀因子，對于球狀孔隙，F(xiàn)s=3，對于柱狀喉道，F(xiàn)s=2。

巖石為多孔介質(zhì)，由不同大小孔隙或喉道組成。這些孔隙和喉道對應(yīng)不同的核磁弛豫信號，總的核磁弛豫信號是由不同大小孔隙的核磁弛豫信號疊加而成，因而通過式（1）可以間接反映孔隙比表面積或孔徑分布比例[31]。

本文對湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組4塊頁巖樣品進(jìn)行核磁共振試驗。圖6為頁巖樣品T2譜。從圖6可以看出：陡山沱組頁巖樣品飽含水狀態(tài)下T2譜分布特征為不對稱非連續(xù)雙峰，無單峰T2譜，左峰幅度遠(yuǎn)大于右峰，左峰弛豫時間主要分布在01～100 ms，主峰處為1 ms，右峰弛豫時間主要分布在10～1 000 ms，不同樣品主峰稍有變化，在50～100 ms之間；離心后，右峰基本消失，左峰略有減小，基本不變。根據(jù)T2譜時間與孔徑大小的關(guān)系，可以大致推測陡山沱組2個T2譜峰主要反映了2種主要孔徑范圍的孔隙。中、微孔隙譜峰最大，表明中、微孔隙所占比例較大，大孔隙與微裂縫相對較少；中、微孔隙譜峰離心前后變化不大，說明中、微孔隙連通性較差，束縛在中、微孔隙中的殘留水無法分離出；而右峰離心后譜峰基本消失，表明大孔隙與微裂縫連通性好，有利于流體運移。

3討論

3.1頁巖孔隙特征

不同孔隙研究分析方法各有優(yōu)缺點，而且表征的頁巖孔徑范圍也不盡相同。掃描電鏡下陡山沱組泥頁巖樣品上可見大量微米級孔隙，少見納米級孔隙，礦物成分的空間形態(tài)特征也清晰可辨，還可以直觀識別礦物成分；而氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡下陡山沱組泥頁巖納米級孔隙清晰可見，少見微米級孔隙；掃描電鏡更適合微米級孔隙的觀察，氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡更適用于納米級孔隙觀察，兩者綜合利用有利于泥頁巖孔隙全尺度定性觀察。氮氣吸附/脫附試驗?zāi)軌蚨勘碚黜搸r孔徑分布、孔隙體積、比表面積以及孔隙結(jié)構(gòu)特征等，但是該試驗主要研究中孔隙的發(fā)育特征，不能表征頁巖全孔徑特征；核磁共振試驗可以獲得包括非連通孔隙在內(nèi)的某孔徑范圍內(nèi)所有孔隙和喉道的體積以及孔徑分布特征等信息，但是測試費用比較昂貴[6，31]；兩者綜合分析能夠?qū)搸r孔隙進(jìn)行更全面的定量研究。

湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組泥頁巖孔隙類型復(fù)雜多樣，主要發(fā)育有粒間孔、黏土礦物層間孔、粒內(nèi)孔、黃鐵礦晶間孔、有機質(zhì)孔隙以及微裂縫等；頁巖孔隙尺度范圍變化較大，從納米級到微米級都有發(fā)育；孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可分為3種，主要為板狀孔等狹縫形孔，還有部分圓筒形孔、錐形管孔等。綜合分析氮氣吸附/脫附、核磁共振試驗，該區(qū)頁巖樣品以微孔隙、中孔隙為主，還有少量大孔隙和微裂縫等，其中孔徑在2～5 nm之間的孔隙是頁巖孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者，大孔隙、微裂縫連通性較好，但是微孔隙、中孔隙連通性均較差。

3.2頁巖孔隙發(fā)育控制因素

頁巖孔隙發(fā)育的控制因素眾多， 主要包括總有機碳（TOC）、熱成熟度、干酪根類型以及礦物組分等[17，19，32]。本文所選湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖樣品礦物類型主要有黏土礦物和石英，還有少量方解石、白云石以及黃鐵礦。通過交會圖分析頁巖有機質(zhì)、黏土礦物、脆性礦物等含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）與頁巖比表面積，孔隙體積以及微孔隙、中孔隙、大孔隙體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)性。結(jié)果表明：總有機碳與頁巖孔隙度具有較好的正相關(guān)性[圖7（a）]，伴隨總有機碳的增加，頁巖孔隙比表面積也呈上升趨勢[圖7（b）]，表明總有機碳是陡山沱組頁巖孔隙發(fā)育的主控因素之一； 總有機碳與微孔隙（孔徑小于2 nm）體積分?jǐn)?shù)相關(guān)性不明顯，剔除異常點后呈正相關(guān)性[圖7（c）]，可能是受測試儀器精度所限，本次測試儀器對孔徑小于2 nm的微孔隙還不能準(zhǔn)確測量；總有機碳與中孔隙（孔徑為2～50 nm）體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)性[圖7（d）]，與大孔隙（孔徑大于50 nm）體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)性[圖7（e）]，表明總有機碳是陡山沱組頁巖樣品中微孔隙和中孔隙的主要貢獻(xiàn)者，對大孔隙影響不大?？傆袡C碳主要通過熱演化生烴作用形成有機質(zhì)孔隙，生烴過程中產(chǎn)生的CO2溶于水形成碳酸，而且與有機酸還可以溶解長石、方解石等易溶礦物，形成粒間孔、粒內(nèi)孔等[32]。

圖7（f）、（g）可見黏土礦物含量與頁巖比表面積、孔隙體積存在一定正相關(guān)性，即黏土礦物含量的增加可以增加頁巖孔隙比表面積和孔隙體積，更有利于氣體吸附存儲。這是因為黏土礦物粒度細(xì)而且具有黏土晶層形成的層間微孔隙。圖7（h）～（j）可見黏土礦物含量與微孔隙體積分?jǐn)?shù)呈較好的負(fù)相關(guān)性，與中孔隙體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)性，與大孔隙體積分?jǐn)?shù)關(guān)系不明顯，說明黏土礦物含量是陡山沱組頁巖樣品中孔隙的主要貢獻(xiàn)者。圖7（k）、（l）顯示隨著脆性礦物含量的增加，頁巖孔隙體積和比表面積均呈下降趨勢，而且脆性礦物含量與中孔隙體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)性，與大孔隙體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)性[圖7（m）、（n）]，說明脆性礦物含量是湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖樣品大孔隙的主要貢獻(xiàn)者。脆性礦物含量的增加有利于頁巖微裂縫的形成，而且脆性礦物之間由于礦物形態(tài)的不一致容易形成微米級的粒間孔等。

通過分析黃鐵礦含量與總有機碳的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性[圖7（o）]，黃鐵礦含量與孔隙度也呈一定正相關(guān)性[圖7（p）]。黃鐵礦常與有機質(zhì)共生，Loucks等研究發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)孔隙還容易受到與其共生的不同無機礦物的影響[15，17]。黏土礦物和黃鐵礦對烴源巖成烴演化有一定的催化作用，而且在成巖演化作用過程中，黃鐵礦對有機質(zhì)孔隙形態(tài)還能夠起到一定的保護(hù)作用。無機礦物的催化作用可以提高頁巖有機質(zhì)生烴演化的速率，同時還可以促使其產(chǎn)生更多有機質(zhì)孔隙[17，19]，因而有機質(zhì)與無機礦物的賦存關(guān)系也對頁巖孔隙發(fā)育存在一定影響。

4結(jié)語

（1）湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組泥頁巖在掃描電鏡下可見大量微米級孔隙，少見納米級孔隙，礦物成分的空間形態(tài)特征也清晰可辨，還可以直觀識別礦物成分，

而氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡下頁巖納米級孔隙清晰可見，少見微米級孔隙。掃描電鏡更適合微米級孔隙的觀察，而氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡更適合于納米級孔隙觀察，兩者綜合使用有利于泥頁巖孔隙全尺度定性觀察。兩者綜合定性觀察發(fā)現(xiàn)湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖發(fā)育有6種孔隙類型，主要有粒間孔、黏土礦物層間孔、粒內(nèi)孔、黃鐵礦晶間孔、有機質(zhì)孔隙以及微裂縫等，頁巖孔隙尺度范圍變化較大，從納米級到微米級均有發(fā)育。

（2）氮氣吸附/脫附試驗顯示陡山沱組泥頁巖孔徑分布呈單峰特征，以中孔隙發(fā)育為主，發(fā)育少量微孔隙、大孔隙和微裂縫，峰值在2～5 nm之間的孔隙是頁巖孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者。陡山沱組孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可分為3種，主要為板狀孔等狹縫形孔，還有部分圓筒形孔、錐形管孔等。

（3）核磁共振試驗顯示T2譜呈不對稱非連續(xù)性雙峰，左峰幅度遠(yuǎn)大于右峰，左峰峰值主要分布在01～100 ms，右峰峰值主要分布在10～100 ms。根據(jù)T2譜時間與孔徑大小的關(guān)系，可推測頁巖樣品微孔隙、中孔隙占主要部分，還有少量大孔隙和微裂縫等，但是微孔隙、中孔隙連通性均較差，而大孔隙、微裂縫連通性較好。

（4）總有機碳是頁巖孔隙的主控因素之一。有機質(zhì)含量主要控制頁巖微孔隙、中孔隙的發(fā)育，黏土礦物含量主要影響中孔隙的發(fā)育，脆性礦物含量控制頁巖大孔隙的發(fā)育?？傆袡C碳主要通過熱演化生烴作用影響頁巖孔隙發(fā)育，礦物成分除了由于本身的結(jié)構(gòu)特征對孔隙發(fā)育有一定影響外，其與有機質(zhì)的賦存關(guān)系也間接控制孔隙的發(fā)育。

（5）本文研究認(rèn)識為湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖儲層評價提供了一定的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)，同時也存在一定的不足。受氮氣吸附/脫附試驗樣品測試數(shù)量所限，對不同頁巖孔隙主控因素的相關(guān)性分析存在一定局限性，后期將逐漸補充完善試驗數(shù)據(jù)，并對不同頁巖孔隙發(fā)育的控制因素進(jìn)行深入研究分析；同時，由于頁巖孔徑大小分布范圍廣，本次試驗項目不夠全面，頁巖孔徑范圍測量受到一定限制，后期需要完善頁巖全孔徑的分布規(guī)律研究。

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收稿日期：20161031

基金項目：國家科技重大專項項目（2016ZX05034001）

作者簡介：孫寅森（1986），男，湖北咸寧人，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工學(xué)博士研究生，Email：sunyinsen@163.com。

通訊作者：郭少斌（1962），男，山東福山人，教授，博士研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士，Email：guosb58@126.com。