页岩微观孔隙成因类型研究

何建华，丁文龙，付景龙，李昂，代鹏

页岩微观孔隙成因类型研究

何建华1，2，3，丁文龙1，2，3，付景龙2，李昂3，代鹏3

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；2.中国地质大学（北京）海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083；3.中国地质大学（北京）页岩气资源战略评价国土资源部重点实验室，北京100083）

运用场发射扫描电镜对黔北及黔西北地区黑色页岩微观孔隙的大小、形态、分布以及渗流特征进行了观察与描述，并以孔隙成因与孔隙发育位置为主次分类依据，将页岩孔隙分为原生沉积型、成岩后生改造型及混合成因型3个大类和粒间孔、晶内孔、古生物化石孔及有机质孔等10个亚类。探讨了影响页岩孔隙发育的主要因素及孔隙演化特征，对页岩储层的含气性研究具有一定的理论意义和实践价值。

页岩储层；微观孔隙；扫描电镜；孔隙类型划分；孔隙演化

0 引言

自美国的非常规油气勘探与开发取得成功以来，页岩油气一直是非常规油气勘探领域的亮点与热点，针对页岩储层的微观孔隙特征研究更是其重点与难点［1-3］。页岩孔隙不仅在一定程度上影响了页岩的吸附性能，而且其结构特征更影响了油气的渗流能力，决定了页岩油气勘探层位的选取和资源潜力评价［4］。

邹才能等［5］借助场发射扫描电镜观察到了页岩中存在非常丰富的微观孔隙。目前，针对页岩微观孔隙的研究手段越来越多［6-7］，主要有场发射扫描电镜、聚焦离子束扫描电镜、纳米CT及微米CT等，其中基于氩离子抛光后的场发射扫描电镜及背散射成像都可很好地表征孔隙特征，同时还可分辨出在机械抛光过程中由于页岩表面硬度不同所造成的不规则形貌以及新鲜断面上由于样品破裂造成的假孔隙［8］。运用场发射扫描电镜能清楚地观察到页岩中孔隙和有机质的分布、形态及连通特征等。

笔者以黔北及黔西北地区100多块页岩露头及岩心样品为主要研究对象，在野外露头观测、系统采样及室内场发射扫描电镜照相等基础工作之上，结合前人研究成果，根据岩石孔隙发育特征，观察及总结页岩中孔隙的类型、大小、形态和分布，提出页岩孔隙成因类型综合分类方案，探讨影响页岩孔隙发育的主要因素及孔隙演化特征。

1 页岩孔隙成因类型划分

目前，国内外对页岩微观孔隙的划分依据及类型并不统一。邹才能等［5］在研究威201井页岩时，首次发现了纳米级孔隙，并将其分为有机质纳米孔、颗粒内纳米孔及微裂缝。国际理论化学与应用化学联合会（IUPAC）将孔隙分为微孔隙（＜2 nm）、中孔隙（2～50 nm）和宏孔隙（＞50 nm）［1］。杨峰等［8］的划分依据侧重于孔隙发育位置和成因；聂海宽等［9］的划分依据是矿物质与有机质的联系；杨元等［10］提出以孔隙形态和成因作为划分依据；崔景伟等［1］认为应以孔隙连通性作为划分依据；胡琳等［11］认为应以页岩孔隙的分形特征作为划分依据。国外学者［12-15］在研究美国主要页岩气产层的微观孔隙时并没有具体分类方案。前人对页岩孔隙的划分方案要么依据单一，要么未说明依据，只作页岩孔隙单纯描述。笔者认为对页岩的孔隙类型进行分类至少需要考虑3个方面的原则：①需要确定分类的依据原则，并且需要有主次之分。先确定大类，而后确定其亚类及次亚类。②简单可行原则。划分出来的结果应既利于镜下页岩孔隙类型的确定，也利于页岩孔隙特征的描述。③分类要兼顾孔隙大小及其连通性的原则。单纯的孔隙类型划分方案是很难有实际研究意义的，因为页岩孔隙的大小及其连通性，很大程度上决定了页岩的吸附性能及产出特点，这对后期页岩气的资源评价及具体开发方案的实施显得尤为重要。因此，笔者本着这3个原则提出页岩孔隙成因类型综合分类方案（表1）。

表1 页岩微观孔隙划分方案Table 1The classification scheme of micropore in shale reservoir

笔者以孔隙成因为主要分类依据，将页岩孔隙分为原生沉积型、成岩后生改造型及混合成因型3个大类；以孔隙发育位置为次要依据，将其分为粒间孔、自生矿物晶间孔、矿物质孔和有机质孔等10个亚类；依据具体发育部位、充填特性及渗流特性将其分为粒屑孔、絮凝团块孔、体腔孔和格架孔等若干个次亚类（参见表1）。其中以粒间孔、有机质孔、矿物质孔和微裂缝为主，它们占了页岩微观孔隙的绝大部分。

（1）粒间孔

粒间孔以粒屑孔最常见，主要指沉积环境中的碎屑矿物颗粒（长石、石英、方解石、岩屑及原生黏土矿物等）相互支撑构成的，并未被其他矿物充填而保存下来的原始孔隙。粒屑孔形态与颗粒外缘一致，表现为环状包围碎屑矿物，边缘较为清晰，孔径为1～10 um，孔喉一般紧闭，与其他类型孔隙联系较少（图版Ⅰ-1)。粒间孔的存在为游离气提供了一定的存储空间。

（2）有机质孔

有机质孔主要指页岩中有机质颗粒内部及其组合形成的网络孔隙［8］。该类孔隙是页岩微观孔隙最为重要的类型，也是所占比例最大的孔隙类型，主要包括有机质内部孔、干酪根网络孔及沥青质孔，它们与有机质的成熟度有关，通常在低成熟度页岩样品中缺乏该类纳米级孔隙，而在较高成熟度页岩样品中该类孔隙富集［7］。该类孔隙直径一般为8～850 nm，最大可达到微米级，孔隙形状以近圆形或椭圆形（图版Ⅰ-2）为主，有时也可见不规则形，如弯月形和弯管束状等。该类孔隙的渗滤性能与其排列方式关系很大，如有机质集中于横向连续层（微裂缝）中，则可在页岩中产生很好的渗滤通道。

（3）黏土矿物孔

黏土矿物孔经过成岩作用后会大量减少，不如早期发育，并且比表面积也大大减少，气体吸附能力也会减弱。吉利明等［16］研究认为，在常见的黏土矿物中，对气体吸附能力最强的是蒙脱石，其次是高岭石与绿泥石，最差的是伊利石。但这些黏土矿物的存在对页岩气的富集还是很有利的。黏土矿物孔直径一般为10～200 nm，多集中于50～100 nm，形状常为不规则的多边形（图版Ⅰ-3)，主要受黏土矿物的排列方式控制。

（4）微裂缝

微裂缝主要由构造运动、页岩储层破裂作用及差异水平压实作用等后生改造作用形成［17］。微裂缝常呈锯齿状或曲线状（图版Ⅰ-4)，主要受矿物脆性差异大小控制，微裂缝长度一般为1～20 um。如果没有被后期充填，微裂缝将会是良好的渗滤通道，并可成为页岩气产出的高速通道。微裂缝不但可以成为游离态页岩气富集的储渗空间,增加游离态页岩气的含量，而且也有助于吸附态页岩气的解析,并成为页岩气运移与开采的通道［18］。

2 沉积环境对页岩孔隙发育的影响

页岩孔隙类型及大小的影响因素较多，主要包括沉积环境、成岩作用、演化程度和有效应力等［9］，其中沉积环境不仅控制了页岩中主要矿物颗粒的类型、分布和含量等，而且也影响了古生物的活动区域、有机质的分布及后生成岩改造等［19］。不同沉积相的页岩其原始的岩石矿物学特征存在差异，造成了页岩成岩作用差别较大，从而间接影响了页岩储层的孔隙特征，即不同性质的页岩在经历了一系列后生成岩改造后，可能表现出不同的储层特征。

早寒武世牛蹄塘期，黔北及黔西北地区沉积环境整体为北西地区较浅，往南东方向水体逐渐加深，沉积相整体由砂质陆棚逐渐向浅水陆棚和深水陆棚过渡，在浅水陆棚区局部也分布一些水下砂质浅滩（图1）。这样的沉积环境控制了碎屑矿物、黏土矿物和有机碳等的分布及含量变化。横向上，沉积相由砂质陆棚向深水陆棚过渡，造成了区内碎屑矿物、自生脆性矿物与黏土矿物等含量变化差异明显，碎屑矿物含量呈增加趋势（增高幅度为20%～40%），自生脆性矿物含量略有降低，黏土矿物含量明显降低（降低幅度为15%～20%）（图2）。这主要是由于随着水体加深，陆源补给减弱，沉积环境向还原环境过渡，自生脆性矿物和黏土矿物的来源都会减少，故含量有所降低。受沉积环境控制的主要矿物含量及有机碳分布均会进一步影响页岩孔隙的发育程度。纵向上，沉积环境由深水陆棚到浅水陆棚变迁过程中，碎屑矿物含量的变化与自生脆性矿物及黏土矿物的含量变化相反，碎屑矿物质量分数由下部的69%降低为顶部的49.5%，而自生脆性矿物和黏土矿物的质量分数分别增加了12.2%和5.5%。

图1 黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩层段主要矿物质量分数对比Fig.1Contrast of the major mineral content of shale of Niutitang Formation of the Lower Cambrian in northern Guizhou

图2 黔北及黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙影响因素Fig.2The influencing factors of pore of the lower Cambrian Niutitang Formation in northern and northwestern Guizhou

研究区页岩以发育中孔及微孔为主，中孔体积与黏土矿物含量呈正相关，而与碎屑矿物含量呈负相关关系［图2（a）］。中孔提供了主要的孔隙空间，是孔隙度的最大贡献者［8］，为游离气提供了主要储存空间。微孔体积与黏土矿物含量及碎屑矿物含量的相关性均不明显，而与有机碳含量呈弱正相关关系［参见图2（b）］，这是由于深水还原环境通常有利于有机质的富集，并且在其中发育大量微孔，这些微孔具有较大的比表面积及较低的孔隙度，它们为吸附气的赋存提供了主要场所。另外，碎屑矿物、黏土矿物及有机碳分布均会影响孔隙发育类型［20］。一般粒内孔常见于碎屑矿物及黏土矿物中（图版Ⅰ-3），粒间孔常见于碎屑矿物（特别是自生脆性矿物，如石英与长石等）颗粒相互支撑的孔隙间（图版Ⅰ-1），而有机质孔只存在于有机质赋存的位置（颗粒间的间隙中）（图版Ⅰ-4）。微裂缝的形成主要与石英和黏土矿物相关，前者裂缝的形成主要是由于石英与周围矿物应力强度在受力过程中的差异性造成，而后者裂缝的形成主要与黏土矿物在成岩过程中的脱水作用有关（图版Ⅰ-4）。

3 页岩孔隙演化特征

页岩沉积后会经历一系列成岩后生变化，主要包括机械压实作用、化学压固作用和黏土矿物的转化与脱水作用等，其次是溶蚀作用（图3）。

崔景伟等［1］根据镜质体反射率将页岩孔隙演化划分为不同阶段，作出了页岩不同孔隙类型演化规律简图，但未具体说明各成岩作用对页岩不同孔隙类型的影响及孔隙的变化规律如何，而成岩作用在不同演化阶段对页岩孔隙的影响是不同的。在早成岩阶段，主要表现为机械压实作用和化学压固作用，这时页岩的原生粒间孔会随埋藏深度的增加而减少（参见图3）。据文献［21］报道，Schmidt V S等认为在埋藏深度大于3 000 m时，页岩原生孔隙只能保留1%～2%。在中成岩阶段，有机质达到生烃门限，有机质发生脱羧基作用而产生CO2，后期CO2溶于水形成碳酸，碳酸溶蚀碳酸盐岩与长石等易溶矿物而产生溶孔。晚成岩阶段，页岩孔隙小，渗透能力差，导致流体交换不畅，使溶蚀作用大大受到限制。与此同时，由于有机质的生烃作用，其自身体积产生亏损，形成了一些有机质孔。Jarvie等［22-23］的实验研究表明，若页岩有机碳（TOC）的质量分数平均为6.41%，有机质的密度平均为1.18 g/cm3，当处于生干气阶段时，有机质分解大约可产生4.3%的孔隙度，这对页岩孔隙的贡献是巨大的。黔北及黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩中的伊/蒙混层矿物中蒙脱石相对质量分数平均为19.5%，并且其有机质成熟度（Ro）平均为2.71%，已达到晚成岩阶段，正处于干气生成阶段，这些有机质孔的形成为页岩气提供了大量的存储空间。

图3 页岩孔隙演化特征简图(据文献[1]修改）Fig.3Diagram of pore evolution characteristics in shale

4 结论

（1）以孔隙成因为主要分类依据，将页岩微观孔隙分为原生沉积型、成岩后生改造型及混合成因型3个大类和粒间孔、晶内孔、古生物化石孔及有机质孔等10个亚类与若干个次亚类，其中以粒间孔、有机质孔、黏土矿物孔及微裂缝为主。

（2）页岩微观孔隙影响因素较多，其中受沉积环境控制的主要矿物类型及含量与有机质含量不仅影响了页岩微观孔隙的发育大小，也影响了页岩微观孔隙的发育类型。

（3）在整个埋藏过程中，不同演化阶段成岩作用对页岩孔隙的影响不同。黔北及黔西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩演化整体处于晚成岩阶段，正处于干气大量生成阶段，该阶段形成的有机质孔为页岩气提供了储存空间。

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（本文编辑：李在光）

Study on genetic type of micropore in shale reservoir

HE Jianhua1，2，3，DING Wenlong1，2，3，FU Jinglong2，LI Ang3，DAI Peng3
（1.School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory for Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Abundance Mechanism，Ministry of Education，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；3.Key Laboratory for Shale Gas Exploitation and Assessment，Ministry of Land and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

By using field emission scanning electron microscope,this paper observed and described the size,shape, distribution and seepage characteristics of micropore in dark shale in northern and northwestern Guizhou.Based on the genesis,the pores were divided into three categories∶primary sedimentary pores,secondary pores and mixed pores. Based on the development location,the pores were divided into ten sub-categories,such as intergranular pores,intracrystalline pores,fossiliferous pores,organic matter pores and so on.The influencing factors for the pore development and the pore evolution characteristics of shale were discussed,which has important theoretical and practical significance forthestudyonshalereservoir.

shale reservoir；micropore；scanningelectron microscope；division ofpore types；pore evolution

TE122.2+3

：A

2013-10-31；

2014-02-10

国家自然科学基金面上项目“渤海湾盆地济阳坳陷古近系陆相富有机质页岩裂缝研究”（编号：41372139）与“中国南方下古生界海相富有机质页岩裂缝发育程度与主控因素定量关系研究”（编号：41072098）和国家重大科技专项专题“渤海湾盆地页岩油气资源评价”（编号：2011ZX05018-001-002）与“沾化凹陷罗家地区沙三下亚段泥页岩储层裂缝形成与分布预测”（编号：2011ZX05009-002-205）联合资助

何建华（1990-），男，中国地质大学（北京）在读硕士研究生，研究方向为石油构造分析、非常规油气构造和裂缝及其与含气性关系。地址：（100083）北京市海淀区学院路29号中国地质大学能源学院。E-mail：hejianhuadizhi@163.com

丁文龙（1965-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事石油构造分析、非常规油气构造和裂缝及其与含气性关系等方面的教学与科研工作。E-mail：dingwenlong2006@126.com。

1673-8926（2014）05-0030-06