孫寅森 郭少斌

摘要：隨著中國(guó)頁(yè)巖氣研究的不斷深入，頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙特征的研究越來(lái)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(yè)巖孔隙特征，綜合利用掃描電鏡、氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)以及核磁共振試驗(yàn)等對(duì)頁(yè)巖孔隙特征進(jìn)行定性觀察和定量表征，并結(jié)合有機(jī)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(yè)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(yè)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(jī)質(zhì)孔隙，還可見部分黃鐵礦晶間孔以及微裂縫；頁(yè)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(yè)巖孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者；頁(yè)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(jī)碳主要控制頁(yè)巖微孔隙、中孔隙的發(fā)育，黏土礦物含量主要影響頁(yè)巖中孔隙的發(fā)育，而脆性礦物含量控制頁(yè)巖大孔隙的發(fā)育。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖；孔隙特征；控制因素；氮?dú)馕?脫附；核磁共振；上震旦統(tǒng)；陡山沱組

中圖分類號(hào)：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(lái)，隨著中國(guó)頁(yè)巖氣研究的不斷深入，南方頁(yè)巖氣勘探已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙特征的研究越來(lái)越受到眾多學(xué)者的重視[17]。頁(yè)巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于頁(yè)巖孔隙中[14]，因而頁(yè)巖孔隙特征的研究顯得尤為重要。頁(yè)巖孔隙特征的研究主要包括頁(yè)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(yè)巖氣主要研究層位集中在中上揚(yáng)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(duì)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁(yè)巖的研究極少[89]。因此，需要針對(duì)上震旦統(tǒng)陡山沱組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙特征展開深入研究。目前，國(guó)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(duì)頁(yè)巖孔隙類型、形態(tài)特征及成因等進(jìn)行觀察描述，或通過(guò)低溫液氮吸附試驗(yàn)、CO2吸附試驗(yàn)、高壓壓汞等流體注入法定量表征頁(yè)巖孔徑分布及結(jié)構(gòu)特征[67]。由于單一方法表征頁(yè)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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)對(duì)湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁(yè)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(guò)氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)定量分析泥頁(yè)巖的孔徑分布以及孔隙空間結(jié)構(gòu)特征等，同時(shí)選用無(wú)損檢測(cè)法（核磁共振試驗(yàn)）深入分析頁(yè)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(jī)地球化學(xué)分析資料，通過(guò)相關(guān)性分析討論頁(yè)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(yè)巖氣的勘探與評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣品采集

頁(yè)巖樣品均采自中揚(yáng)子湘鄂西地區(qū)黃陵背斜新鉆頁(yè)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(kuò)大，此時(shí)中揚(yáng)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(yè)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(yè)巖樣品總有機(jī)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(jī)碳為101%。有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型干酪根，有機(jī)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(guò)成熟階段（表1）。本文優(yōu)選了4塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)，優(yōu)選了4塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)。

1.2測(cè)試分析

同時(shí)選用掃描電鏡和氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行觀察。試驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成的。氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡試驗(yàn)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(yè)巖截面，然后進(jìn)行掃描電鏡觀察。試驗(yàn)拋光儀所用設(shè)備為IB09010CP型離子截面拋光儀，制樣過(guò)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(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察過(guò)程中掃描電鏡的加速電壓為10 kV。

核磁共振試驗(yàn)是在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院非常規(guī)油氣實(shí)驗(yàn)室完成的。試驗(yàn)采用的設(shè)備為RecCore04型低磁場(chǎng)核磁共振巖樣分析儀。試〖CM（22〗驗(yàn)前首先對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行預(yù)處理：將頁(yè)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(yàn)過(guò)程主要有3個(gè)步驟：①頁(yè)巖樣品在100%飽含水的情況下進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)；②取出頁(yè)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(yè)巖樣品處于理想的殘余水狀態(tài)；③將離心后的頁(yè)巖樣品進(jìn)行殘余水狀態(tài)下的核磁共振試驗(yàn)。因此，可同時(shí)獲得每個(gè)頁(yè)巖樣品100%飽含水狀態(tài)下和殘余水狀態(tài)下的2個(gè)T2譜，進(jìn)而分析頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)。

氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)是在河北省滄州市華北油田邦達(dá)新技術(shù)有限公司實(shí)驗(yàn)室完成的。試驗(yàn)采用HBY200022型比表面及孔徑測(cè)定儀。頁(yè)巖樣品經(jīng)過(guò)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(cè)定，儀器測(cè)試孔徑范圍為035～50000 nm，吸附/脫附相對(duì)壓力為0001～0995。根據(jù)BET法計(jì)算頁(yè)巖比表面積，應(yīng)用BJH法可得到頁(yè)巖樣品孔徑分布范圍[1011]。〖LL〗

2結(jié)果分析

2.1孔隙類型

目前，國(guó)內(nèi)外頁(yè)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(gè)角度提出過(guò)多種劃分方案[1，1214]。本文在泥頁(yè)巖定性觀察描述中的頁(yè)巖孔隙分類借鑒Loucks等提出的頁(yè)巖微孔隙分類方法[1516]。依據(jù)儲(chǔ)層基質(zhì)分類，并結(jié)合上震旦統(tǒng)陡山沱組頁(yè)巖孔隙發(fā)育特征，將研究區(qū)頁(yè)巖孔隙劃分為無(wú)機(jī)礦物孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙和微裂縫3種類型。無(wú)機(jī)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(jī)制見表2。為了方便統(tǒng)計(jì)，定量研究中的孔隙分類借鑒國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）對(duì)孔隙的定義，將頁(yè)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(wú)機(jī)礦物孔隙

無(wú)機(jī)礦物孔隙主要是賦存于無(wú)機(jī)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(jí)，也有少量可達(dá)微米級(jí)及以上[圖1（a）～（d）、圖2（c）]。圖1（c）、（d）中孔隙可能是有機(jī)質(zhì)熱演化生烴過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、二氧化碳等與石英、長(zhǎng)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(guò)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(duì)較好[15，17]。

黏土礦物層間孔主要通過(guò)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(yè)狀、手風(fēng)琴狀；綠泥石呈針葉、花瓣?duì)睢Ｒ蚨ね恋V物成巖過(guò)程中易于形成層間孔。黏土礦物成分自身排列無(wú)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(duì)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(yè)巖的儲(chǔ)滲能力[18]。

粒間孔主要發(fā)育在礦物顆粒之間，是常規(guī)儲(chǔ)層中比較常見的儲(chǔ)集空間類型，在頁(yè)巖儲(chǔ)層中同樣發(fā)育。圖1（d）～（f）、圖2（a）顯示研究區(qū)頁(yè)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(zhǎng)過(guò)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(jī)質(zhì)賦存關(guān)系密切，通常以充填或包裹式共存，在富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系中普遍存在[15，17]。

2.1.2有機(jī)質(zhì)孔隙

有機(jī)質(zhì)孔隙是分布在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙。Loucks等研究認(rèn)為有機(jī)質(zhì)孔隙是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層最重要的孔隙類型，是頁(yè)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(yè)巖樣品中有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育不均衡，同一塊頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)僅有部分發(fā)育有機(jī)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(jī)質(zhì)孔隙[圖2（d）]、網(wǎng)狀有機(jī)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(jí)[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(shí)，有機(jī)質(zhì)孔隙才會(huì)產(chǎn)生[5]。這表明有機(jī)質(zhì)孔隙與有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程密切相關(guān)，可能由于干酪根熱演化生烴過(guò)程中消耗了有機(jī)質(zhì)成分，產(chǎn)生了孔隙或者收縮縫。此外，有機(jī)質(zhì)孔隙的形成與有機(jī)質(zhì)類型和豐度有關(guān)，可能由于有機(jī)質(zhì)分布不均一導(dǎo)致同一塊頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)存在差異，所以存在同一塊頁(yè)巖樣品同時(shí)出現(xiàn)有機(jī)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(yè)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(zhǎng)度可達(dá)微米級(jí)[15，17，19]。根據(jù)裂縫成因機(jī)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(yè)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(guò)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(guò)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(zhǎng)度在數(shù)十微米至毫米級(jí)。規(guī)模較大的構(gòu)造裂縫有時(shí)還可以溝通其他類型孔隙，形成相互交錯(cuò)的立體滲流網(wǎng)絡(luò)，為頁(yè)巖氣提供有效的賦存空間，也是氣體運(yùn)移的主要通道，對(duì)氣體的微觀運(yùn)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(cè)量方法觀察的孔隙尺度范圍不一致[2021]，本文同時(shí)選取了掃描電鏡（SEM）和氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）兩種方法對(duì)頁(yè)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(yè)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(yè)巖孔隙發(fā)育特征，還能直觀顯示頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分形態(tài)特征以及有機(jī)質(zhì)的賦存狀態(tài)等，但是由于掃描電鏡預(yù)處理過(guò)程采用機(jī)械拋光，導(dǎo)致薄片表面形態(tài)不規(guī)則，觀察到的頁(yè)巖孔隙以微米—毫米級(jí)大孔隙為主，納米級(jí)孔隙難以分辨；而氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡利用氬離子拋光替代了機(jī)械拋光，樣品表面平整，更有利于頁(yè)巖鏡下觀察，可以清楚地觀察頁(yè)巖納米級(jí)孔隙的分布，但是無(wú)法分辨礦物的形態(tài)特征[57]，還需要借助能譜分析識(shí)別礦物成分。因此，兩種方法綜合運(yùn)用更有利于頁(yè)巖孔隙特征的全面定性觀察。

2.2氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)分析

2.2.1孔隙比表面積、體積與孔徑分布特征

通過(guò)4塊頁(yè)巖樣品的氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)，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(yè)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(duì)頁(yè)巖孔隙體積和孔徑分布進(jìn)行研究[1011]，試驗(yàn)頁(yè)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(cè)試樣品平均孔徑為270～469 nm，平均為3597 5 nm。圖3中頁(yè)巖孔徑分布特征能夠反映出孔徑的主要分布范圍以及對(duì)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(yè)巖作為一種有孔礦物，可以通過(guò)氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)獲得測(cè)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(yè)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(shí)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(yè)巖巖芯的氮?dú)馕?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(cè)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(yè)巖儲(chǔ)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(shuō)明頁(yè)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(duì)壓力小于0.5時(shí)，脫附曲線與吸附曲線重合，在相對(duì)壓力為05～06時(shí)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，相對(duì)壓力接近0.9時(shí)，吸附/脫附曲線顯著增加，吸附體積相對(duì)較大，此類曲線對(duì)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(diǎn)相對(duì)平緩，此類曲線對(duì)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?jī)啥碎_口的錐形管孔；Ⅲ類吸附/脫附曲線拐點(diǎn)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(duì)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(yè)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?，主要有平行板孔、圓筒形孔、錐形管孔。結(jié)合泥頁(yè)巖的礦物組成和結(jié)構(gòu)特征，泥頁(yè)巖頁(yè)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(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙、粒間孔和粒內(nèi)孔有關(guān)。這說(shuō)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(jī)質(zhì)孔隙、粒間孔、粒內(nèi)孔等。

2.3核磁共振試驗(yàn)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(píng)價(jià)碎屑巖和碳酸鹽巖等常規(guī)儲(chǔ)集巖孔隙結(jié)構(gòu)特征[2729]，但對(duì)泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)還很少。核磁共振方法對(duì)泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的研究主要是通過(guò)采用較低的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)頁(yè)巖孔隙中流體的1H核磁信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，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(shí)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(qiáng)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(duì)于球狀孔隙，F(xiàn)s=3，對(duì)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(duì)應(yīng)不同的核磁弛豫信號(hào)，總的核磁弛豫信號(hào)是由不同大小孔隙的核磁弛豫信號(hào)疊加而成，因而通過(guò)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(duì)湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組4塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)。圖6為頁(yè)巖樣品T2譜。從圖6可以看出：陡山沱組頁(yè)巖樣品飽含水狀態(tài)下T2譜分布特征為不對(duì)稱非連續(xù)雙峰，無(wú)單峰T2譜，左峰幅度遠(yuǎn)大于右峰，左峰弛豫時(shí)間主要分布在01～100 ms，主峰處為1 ms，右峰弛豫時(shí)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(shí)間與孔徑大小的關(guān)系，可以大致推測(cè)陡山沱組2個(gè)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(duì)較少；中、微孔隙譜峰離心前后變化不大，說(shuō)明中、微孔隙連通性較差，束縛在中、微孔隙中的殘留水無(wú)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(yùn)移。

3討論

3.1頁(yè)巖孔隙特征

不同孔隙研究分析方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且表征的頁(yè)巖孔徑范圍也不盡相同。掃描電鏡下陡山沱組泥頁(yè)巖樣品上可見大量微米級(jí)孔隙，少見納米級(jí)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(shí)別礦物成分；而氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下陡山沱組泥頁(yè)巖納米級(jí)孔隙清晰可見，少見微米級(jí)孔隙；掃描電鏡更適合微米級(jí)孔隙的觀察，氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡更適用于納米級(jí)孔隙觀察，兩者綜合利用有利于泥頁(yè)巖孔隙全尺度定性觀察。氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)?zāi)軌蚨勘碚黜?yè)巖孔徑分布、孔隙體積、比表面積以及孔隙結(jié)構(gòu)特征等，但是該試驗(yàn)主要研究中孔隙的發(fā)育特征，不能表征頁(yè)巖全孔徑特征；核磁共振試驗(yàn)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(cè)試費(fèi)用比較昂貴[6，31]；兩者綜合分析能夠?qū)?yè)巖孔隙進(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(yè)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(jī)質(zhì)孔隙以及微裂縫等；頁(yè)巖孔隙尺度范圍變化較大，從納米級(jí)到微米級(jí)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?dú)馕?脫附、核磁共振試驗(yàn)，該區(qū)頁(yè)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(yè)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(yè)巖孔隙發(fā)育控制因素

頁(yè)巖孔隙發(fā)育的控制因素眾多， 主要包括總有機(jī)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(yè)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(guò)交會(huì)圖分析頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、脆性礦物等含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）與頁(yè)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(jī)碳與頁(yè)巖孔隙度具有較好的正相關(guān)性[圖7（a）]，伴隨總有機(jī)碳的增加，頁(yè)巖孔隙比表面積也呈上升趨勢(shì)[圖7（b）]，表明總有機(jī)碳是陡山沱組頁(yè)巖孔隙發(fā)育的主控因素之一； 總有機(jī)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(diǎn)后呈正相關(guān)性[圖7（c）]，可能是受測(cè)試儀器精度所限，本次測(cè)試儀器對(duì)孔徑小于2 nm的微孔隙還不能準(zhǔn)確測(cè)量；總有機(jī)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(jī)碳是陡山沱組頁(yè)巖樣品中微孔隙和中孔隙的主要貢獻(xiàn)者，對(duì)大孔隙影響不大?？傆袡C(jī)碳主要通過(guò)熱演化生烴作用形成有機(jī)質(zhì)孔隙，生烴過(guò)程中產(chǎn)生的CO2溶于水形成碳酸，而且與有機(jī)酸還可以溶解長(zhǎng)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(yè)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(yè)巖孔隙比表面積和孔隙體積，更有利于氣體吸附存儲(chǔ)。這是因?yàn)轲ね恋V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(shuō)明黏土礦物含量是陡山沱組頁(yè)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(yè)巖孔隙體積和比表面積均呈下降趨勢(shì)，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(shuō)明脆性礦物含量是湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁(yè)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(yè)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(jí)的粒間孔等。

通過(guò)分析黃鐵礦含量與總有機(jī)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(jī)質(zhì)共生，Loucks等研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)孔隙還容易受到與其共生的不同無(wú)機(jī)礦物的影響[15，17]。黏土礦物和黃鐵礦對(duì)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(guò)程中，黃鐵礦對(duì)有機(jī)質(zhì)孔隙形態(tài)還能夠起到一定的保護(hù)作用。無(wú)機(jī)礦物的催化作用可以提高頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)生烴演化的速率，同時(shí)還可以促使其產(chǎn)生更多有機(jī)質(zhì)孔隙[17，19]，因而有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)礦物的賦存關(guān)系也對(duì)頁(yè)巖孔隙發(fā)育存在一定影響。

4結(jié)語(yǔ)

（1）湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組泥頁(yè)巖在掃描電鏡下可見大量微米級(jí)孔隙，少見納米級(jí)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(shí)別礦物成分，

而氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下頁(yè)巖納米級(jí)孔隙清晰可見，少見微米級(jí)孔隙。掃描電鏡更適合微米級(jí)孔隙的觀察，而氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡更適合于納米級(jí)孔隙觀察，兩者綜合使用有利于泥頁(yè)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(yè)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(jī)質(zhì)孔隙以及微裂縫等，頁(yè)巖孔隙尺度范圍變化較大，從納米級(jí)到微米級(jí)均有發(fā)育。

（2）氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)顯示陡山沱組泥頁(yè)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(yè)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(yàn)顯示T2譜呈不對(duì)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(shí)間與孔徑大小的關(guān)系，可推測(cè)頁(yè)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(jī)碳是頁(yè)巖孔隙的主控因素之一。有機(jī)質(zhì)含量主要控制頁(yè)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(yè)巖大孔隙的發(fā)育?？傆袡C(jī)碳主要通過(guò)熱演化生烴作用影響頁(yè)巖孔隙發(fā)育，礦物成分除了由于本身的結(jié)構(gòu)特征對(duì)孔隙發(fā)育有一定影響外，其與有機(jī)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(shí)為湘鄂西地區(qū)上震旦統(tǒng)陡山沱組頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供了一定的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)，同時(shí)也存在一定的不足。受氮?dú)馕?脫附試驗(yàn)樣品測(cè)試數(shù)量所限，對(duì)不同頁(yè)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(bǔ)充完善試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)不同頁(yè)巖孔隙發(fā)育的控制因素進(jìn)行深入研究分析；同時(shí)，由于頁(yè)巖孔徑大小分布范圍廣，本次試驗(yàn)項(xiàng)目不夠全面，頁(yè)巖孔徑范圍測(cè)量受到一定限制，后期需要完善頁(yè)巖全孔徑的分布規(guī)律研究。

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收稿日期：20161031

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2016ZX05034001）

作者簡(jiǎn)介：孫寅森（1986），男，湖北咸寧人，中國(guó)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。