页岩孔隙的形态和类型及其影响因素

黄美鑫

(河南理工大学 河南 焦作 454000)



页岩孔隙的形态和类型及其影响因素

黄美鑫

(河南理工大学 河南 焦作 454000)

页岩孔隙是气体赋存和运移的重要通道，研究页岩孔隙对页岩气资源评价和勘探开发具有重要意义。本文分析了页岩的孔隙形态和类型及其影响因素，表明页岩的孔隙形态主要以平行板状孔、楔形孔和墨水瓶孔为主；孔隙类型包括粒间孔、粒内孔、有机质孔、溶蚀孔和微裂缝；压实作用、有机质生烃作用、粘土矿物转化作用、溶蚀作用均会影响孔隙的形态和类型。

页岩；孔隙形态；孔隙类型；影响因素

页岩气是一种重要的非常规天然气资源。目前页岩气已在美国、加拿大、中国、阿根廷等实现了商业化开发。已有研究初步认为，赋存于中-微孔隙中的页岩气主要以吸附态存在，而赋存于宏孔隙和微裂缝中的页岩气则主要以游离态存在。页岩是复杂的多孔介质，其显著特点是孔隙结构细小，主体以微孔隙和中孔隙为主，这也决定了页岩气的赋存状态以吸附作用为主，页岩气的赋存状态与页岩的显微孔隙结构具有密切的联系。页岩储层中纳米孔隙的发现，标志着储层孔隙结构研究重点已从常规储层的毫米至微米级孔隙转向非常规储层的纳米级孔隙、纳米孔隙结构的表征、纳米孔隙发育规律及纳米孔隙对页岩油气聚集的影响等等研究，认识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。

一、页岩孔隙的研究方法

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。利用常规扫描电镜(SEM)和Nano-CT(CT)等技术可以直接观察孔隙的分布位置和形态，如果对样品进行氩离子抛光蚀刻处理则更有利于纳米级孔隙的观测。高压压汞法(MICP)可以定量测出约3nm至400000nm之间的孔径分布特征，而液氮吸附法和二氧化碳吸附法(CO2/N2)可以分别测出在2nm至100nm和0.4nm至2n之间的孔。小角度和超小角度中子散射(SANS/USANS)、核磁共振光谱(NMR)等一系列先进技术来定性定量研究页岩的纳米级孔隙。国内外通常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全面描述页岩孔隙特征。

二、孔隙形态

页岩孔隙孔隙形态多样，存在一端封闭的不透气性孔，开放性的透气性孔和墨水瓶孔等多种孔隙，且孔隙之间的连通性较差，以细颈广体的墨水瓶孔和四周开放的平行板状孔以及楔形型孔为主(图1)，其孔径范围在5nm-10000nm左右。

图1 页岩孔径形态

三、孔隙类型

页岩孔隙主要有粒间孔、粒内孔、有机质孔、溶蚀孔和微裂缝5种类型。

(一)粒间孔数量多，分布广泛，粒间孔的类型按孔隙边缘的矿物组成可分为：同矿物粒间孔，即孔隙周围的矿物组成成分大致相同，如黏土矿物粒间孔，黄铁矿粒间孔等；多矿物粒间孔，发育于两种及两种以上的不同形态矿物颗粒的接触部位，该类孔隙的连通性好。

(二)粒内孔在黏土矿物中发育居多孔隙形态单一，常为不规则球形或椭球形，属于纳米级孔隙，这些孔隙的形成与黏土矿物的转化有关。Kuila U等认为黏土矿物在压实作用中挤压成片状，片与片之间则是孔隙，而纳米级孔隙主要发育在页岩基质中。

(三)有机质孔分布于页岩中的有机质中，该孔隙孔径较小，形态复杂，总体呈网状分布，有机质本身就是良好的溶剂，加之孔隙数量多，比表面积大，该类孔隙对甲烷的吸附起着重要的作用。

(四)溶蚀孔在溶蚀作用下孔径进一步扩大，在粒间孔边缘可见不规则的矿物溶蚀残余，孔隙形态不规则；石英、方解石等易溶矿物边缘在酸的作用下，形成的石英溶蚀孔、方解石溶蚀孔等。

(五)微裂缝的发育与脆性矿物的含量明显正相关，且在流体压力作用下易形成的张性裂缝，缝宽较宽，胶结物或充填物少，裂缝延展方向单一，延展性好。微裂缝具有很好的连通性，是页岩气储存和运移的重要场所。

四、影响页岩孔隙的因素

孔隙类型受很多因素影响，例如矿物组分、有机质、流体性质、水文、埋藏深度等。不同地区页岩孔隙成因类型也有着明显的差异。研究一致认为，页岩孔隙主要受压实作用、有机质生烃作用、粘土矿物转化作用、溶蚀作用等影响。

(一)压实作用。在没有成岩的近地面泥浆，有颗粒间孔和颗粒内孔，并作为泥浆被埋藏，压实的和岩化。在压实过程中，大量的颗粒间孔和颗粒间孔被破坏，尤其是在韧性有机质丰富泥浆。压实可以降低孔隙体积。Pommer M.等还认为在较高的成熟度时，原生孔隙通过胶结作用，二次有机质填充作用，和更大的压实作用进一步破坏。

(二)有机质生烃作用。在烃热成熟度(热演化)的作用中，有机质孔隙在干酪根中形成。孔隙的形成与有机质的热演化程度有关，演化程度越高，有机质热解释放的气体越多，在流体压力的作用下，有利于孔隙的形成和孔径的扩大。

(三)粘土矿物转化作用。成岩初期，黏土基质失水收缩，在黏土颗粒内部产生裂缝。蒙脱石向伊利石转化过程中，蒙脱石构造塌陷形也能成大量微裂缝。

(四)溶蚀作用。溶蚀作用主要发生在中埋藏阶段以及有机质达到生烃窗之后的成岩阶段。石英、方解石等脆性矿物在酸性流体或者矿物自身分解的酸性物质的作用下发生溶解，促进石英溶蚀孔、方解石溶蚀孔等孔隙的发育。在深度，化学性质不稳定颗粒溶蚀可以创建更多颗粒内孔。

也有研究认为，较大孔隙与矿物有关，较小孔隙与有机质有关。在低成熟度，孔隙度和孔径大小直接相关的是方解石丰度，而有机质的含量几乎没有关系。

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黄美鑫(1991-)，女，汉族，四川绵阳人，在读硕士，河南理工大学能源学院矿业工程专业，研究方向：煤层气地质。