页岩储层孔隙特征与结构的观察研究_赵迪斐

收稿日期： 2014 － 03 － 02； 修订日期： 2015 － 02 － 03 基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 973） 资助项目 （ No． 2012CB214702） ； 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室（ 中国矿业大学） 开
放基金资助项目（ 编号： 2015 － 007） ； 中国矿业大学资源与地球科学学院科研训练项目（ No． 2013ZYXS07） ； 中国矿业大学资源与 地球科学学院科研训练项目（ No． 2013ZYXS20） ； 中国矿业大学大学生创新训练自拟项目（ No． X10290127） ． 作者简介： 赵迪斐（ 1991 － ） ，男（ 汉族） ，山东淄博人，硕士． E-mail： diffidiffi@ 126． com * 通讯作者： 郭英海（ 1963 － ） ，男（ 汉族） ，河北威县人，教授，工学博士． E-mail： guoyh@ cumt． edu． cn
对储层孔隙的发育孔径进行统计（ 表 1） ，获得 了主要孔隙类型的发育区间与形貌特征。观测显 示，有机质纳米孔的孔径分布介于 5 ～ 800 nm 之间，
主要孔径 ＜ 50 nm，发育形貌以圆孔状、椭圆状、不规 则状等为主； 粘土矿物片状孔的孔径分布介于 5 ～ 250 nm 之间，主要孔径 ＜ 50 nm，发育形貌为片层 状，骨架矿物间孔发 育 孔 径 区 间 较 大，介 于 100 ～ 2000 nm 间，形貌特征差异较大，微裂隙一般发育尺 度介于 3 ～ 15 μm，常发育于矿物组分的接触部位， 发育形貌一般为缝状，有时数条微裂隙可以相互组 合，形成微裂隙网络。
近年来，非常规油气藏研究开发日益深入，页岩 经历了由烃源岩或盖层而成为页岩气储层的认识， 页岩孔隙特征的研究受到广泛的重视［1，2］。与常规 油气储层相比，页岩储层孔隙孔径极小，结构复杂， 页岩气主要以吸附态存在于页岩储层孔隙、微裂隙 表面，或以游离态存在于孔缝中，孔隙主体处于纳米 级别［3］。
扫描电 镜 对 页 岩 孔 隙 的 研 究 已 较 为 普 遍［4］。 采用氩离子抛光 － 场发射扫描电镜观测页岩储层孔 隙发育特征，在较高的分辨率下观测页岩储层微观 孔隙的发育形态、分布和数量，是页岩储层孔隙的成 因和特征研究的重要手段。Ｒeed 等率先将氩离子 抛光技术应用于页岩样品孔隙的观测，通过蚀刻处 理得到超高品质的样品表面，并应用高分辨率扫描 电镜观测到纳米级别下的大量页岩孔隙［5］； Wang， Curtis 和 Loucks 等随后也应用氩离子抛光技术观测 了页岩储层孔隙特征［6 ～ 8］； Loucks 等对北美成功开 采的典型页岩气层 Barnett 页岩孔隙进行了系统观 测，以 0. 75nm 为界将页岩储层孔隙划分为微米孔 隙与纳米孔隙。我国页岩储层研究开展后，邹才能、
电子显微镜采用冷阴极场发射枪，结合高低双位二 次电子探头，仪器配有 YAG 型背散射电子探头。
2 结果分析
观测显示，页岩储层孔隙主要分布在纳米级别， 依据形貌 － 成因 － 孔径特征识别出多种类型孔隙， 包括有机质纳米级的粒内孔、粘土矿物集合体粒内 孔、粘土矿物粒间孔、莓状黄铁矿微晶间孔隙、骨架 矿物晶间孔和微裂隙等。各类孔隙形态特征、分布、 数量和孔径尺寸具有较大差异，孔隙间的连通性一 般较差，典型孔隙见图 1 （ 由 S-4700 型冷场发射扫 描电子显微镜拍摄） 。
主要孔径 ＜ 50 nm ＜ 50 nm
500 ～ 1 000 nm 缝状
发育形貌 圆孔状、椭圆状等
片状 差异较大
不同类型的孔隙对页岩储层贡献不同，纳米级 孔隙的主要贡献于页岩储层物性中的孔隙性，微裂 隙的主要贡献于储层渗透性。微米级的有机质颗粒 粒内发育数量众多的纳米级孔隙，具有巨大的比表 面积，吸附能力强，数量众多。微尺度效应显示，随 着孔径级别的降低比表面积急剧增大，为页岩提供 了巨大的吸附空间，有机质纳米孔的发育是优质页 岩气储层成藏的重要因素。由于页岩内粘土矿物含 量较高，粘土矿物孔隙也较为发育，可以提供一定的 吸附空间。莓状黄铁矿微晶间孔隙普遍发育，提供 少量吸附空间。微裂隙的发育对储层渗透性具有重 要意义，形成微裂隙网络有利于储层纳米级孔隙气
图 2 常规扫描电镜观测常见的问题。 a： 脱落的颗粒堆叠在样品表面（ Bar = 20 μm） ； b： 表面的凹凸不平不一定是孔隙（ Bar = 10 μm）
Fig． 2 Common problems of conventional scanning electron microscope observation． a： Stack particles on the surface； b： The uneven surface may not be the pores
陈尚斌、钟太贤和杨峰等先后对四川盆地古生界等 页岩孔隙进行了观测，认知了我国部分页岩孔隙的 发育特征［1，8 ～ 11］。
笔者以重庆南川、綦江五峰组 － 龙马溪组页岩 储层样品为例，通过氩离子抛光 － 场发射扫描电镜， 对页岩储层内孔隙、微裂隙的发育特征进行系统地 观测。对比常规扫描电镜与氩离子抛光 － 场发射扫 描电镜试验结果，并结合页岩储层孔隙的研究现状， 提出研究方法上的建议。在本文的研究中，将 1 微 米作为纳米级孔隙与微米级孔隙的分界。
体的渗流和释放。
3 储层孔隙研究方法的讨论
氩离子抛光的处理技术与场发射扫描电镜的高 分辨率 观 测 是 页 岩 储 层 孔 隙 研 究 进 展 的 重 要 因 素［12］。页岩孔隙的定性研究开始于常规扫描电镜。 主要问题包括： 样品处理在机械抛光时断裂碎落的 矿物组分微颗粒在样品表面堆积，形成假孔隙，并遮 挡、掩埋真实孔隙（ 图 2a） ； 样品表面受到机械抛光， 导致储层矿物组分断裂，在样品表面形成假孔隙，即 不规则形貌被误认为是孔隙（ 图 2b） 。页岩储层孔 隙主体是纳米级别，常规扫描电镜难以实现较高的
c： Organic matter nanopores； d： Dissolution pores of pyrite and granular mineral
第2 期
赵迪斐等： 页岩储层孔隙特征与结构的观察研究
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成 熟 度 有 相 关 性 ，随 着 成 熟 度 增 高 ，纳 米 孔 数 量 增 多，连通性 变 好； 图 1d 所 示 为 莓 状 黄 铁 矿 等 颗 粒 矿物受到 溶 蚀 作 用 而 形 成 的 孔 隙。此 外，页 岩 储 层还发育有粘土矿物孔隙等其他类型孔隙及各类 形态、成因的微裂隙。
不同 类 型 孔 隙 的 形 态 特 征 、孔 径 差 异 显 著 ，图 1a 所示 为 莓 状 黄 铁 矿 的 形 貌 特 征，微 晶 粒 径 在 350 nm 左右，微晶集合体粒径约 4. 4 μm； 图 1b 显 示 了 莓 状 黄 铁 矿 纳 米 级 的 微 晶 间 孔 隙 ，数 量 众 多 ； 图 1c 所示为有机质粒内的纳米级孔隙，形成于有 机质的生 烃、排 烃、演 化 过 程，观 测 时 发 现 有 机 质 粒内孔隙 形 态 多 样，包 括 圆 孔 状、椭 圆 状、弯 月 状 和不规则状 等，显 示 有 机 质 孔 隙 对 压 实 作 用 的 响 应 较 为 敏 感 ，有 机 质 纳 米 孔 的 数 量 与 热 演 化 程 度 、
（ 1． 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116； 2． 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室， 江苏 徐州 221008； 3． 兰州大学 地质科学与矿产资源学院，甘肃 兰州 730000）
摘 要： 页岩气储层孔隙特征与微观结构对页岩气勘探开发具有重要意义。以五峰组、龙马溪组样品为例，使用常 规扫描电镜、氩离子抛光 － 场发射扫描电镜对孔隙特征、微观结构进行观测，识别出多种成因 － 形貌孔隙类型，对 储层孔隙特征进行了刻画，认为页岩储层孔隙主体处于纳米级别，孔隙形态复杂，类型多样，微裂隙发育； 微米级的 孔隙与微观结构可以由常规扫描电镜直接观测，而氩离子抛光蚀刻处理有利于纳米级孔隙的定性观测。分析对比 了常规扫描电镜、氩离子抛光 － 场发射扫描电镜试验方法的优势与不足，提出将定性与定量研究手段相综合，在利 用扫描电镜系统观测页岩储层孔隙结构的基础上，结合使用高压压汞、气体吸附等定量化方法可以全面描述页岩 孔隙特征，是目前对页岩储层孔隙特征进行综合表征的最佳手段。 关键词： 页岩； 纳米孔； 结构特征； 扫描电镜； 氩离子抛光 中图分类号： P618. 13； TG115. 21 + 5. 3 文献标识码： A doi： 10. 3969 / j． 1000-6281. 2015. 02. 004
对所取样品进行氩离子抛光，蚀刻处理页岩样 品表 面，获 得 高 品 质 观 测 面。 观 测 使 用 仪 器 为 Helios Nanolab 600i 型聚焦离子电子双束显微镜和 S － 4700 型 冷 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜。 Helios Nanolab 600i 型聚焦离子电子双束显微镜电子束系 统采用肖特基空位场发射枪，镜筒内探头模式拥有 亚纳米级的分辨率，可以获得清晰的观测图像。离 子束系统采用镓离子源，可对样品进行纳米级精度 的精确 加 工。对 于 块 状 页 岩 样 品，可 直 接 切 割 出 50 nm以下厚度的薄片。S － 4700 型冷场发射扫描
第 34 卷 第 2 期 2015 年 4 月
电子显微学报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society
Vol来自百度文库 34，No. 2 2015-04
文章编号： 1000-6281（ 2015） 02-0099-06
页岩储层孔隙特征与结构的观察研究
赵迪斐1，2 ，贺明康1 ，张闯辉1 ，李艳芳3 ，解徳录1，2 ，仇 涛1 ，郭英海1，2 *
Fig． 1
图 1 氩离子抛光 － 场发射扫描电镜所观测的典型页岩储层纳米孔。 a： 莓状黄铁矿的微观形貌（ Bar = 2 μm） ； b： 发育的莓状黄铁矿微晶间孔隙（ Bar = 2 μm） ； c： 有机质粒内纳米级孔隙（ Bar = 500 nm） ； d： 莓状黄铁矿、颗粒矿物的溶蚀孔隙（ Bar = 2 μm） Typical nanopores of shale reservoir． a： The micro morphology of pyrite； b： Pores between microcrystallines in pyrite；
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电子显微学报 J． Chin． Electr． Microsc． Soc．
第 34 卷
有机质含量高，向上粉砂质、砂质含量增高，有机碳 含量降低，是优质的页岩气储层。
所取样品均为黑色碳质泥页岩。龙马溪组下部 页岩储层样品干酪根类型为 I 型，Ｒo 值约 2. 4% ， TOC 平均在 1. 2% ～ 3% ； 五峰组页岩储层样品有机 质类型为腐泥型，TOC 含量可高达 6. 78% ，Ｒo 达到 2. 074% 。利用钟宁宁等（ 1995） 提出的海相碳酸盐 岩中基质腐泥体反射率与等效海相镜质组反射率的 换算公式，两组地层热演化程度均达到了成熟 － 过 成熟阶段。
1 样品与测试条件
实验样品采自重庆南川三泉剖面及綦江观音桥 剖面的上奥陶统五峰组 － 下志留统龙马溪组页岩储 层。测试样品 7 块，其中龙马溪组样品 5 块，五峰组 样品 2 块。研究区五峰组 － 龙马溪组页岩储层及其 发育，分布广泛，厚度较大。两组页岩均发育于具有 还原性的海相环境，具有较高的有机质丰度、良好的 有机质类型、高热演化程度。五峰组页岩厚度较小， 研究区露头厚度约 1. 7 m，龙马溪组厚度较大，底部
表 1 页岩储层主要孔隙的发育区间与形貌特征 Table 1 The pore size distribution and morphology characteristics of shale reservoir pores
孔隙类型
有机质纳米孔 粘土矿物片状孔
骨架矿物间孔 微裂隙
孔径分布 5 ～ 800 nm 5 ～ 250 nm 100 ～ 2 000 nm 3 ～ 15 μm