页岩孔隙结构研究进展及下扬子古生界页岩孔隙特征

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1、第39卷第1期2015年3月地质学刊Joumal“Geolog)，V01．39No．1March2015doi：10．3969／jissn．1674—3636．2015．01．13页岩孑L隙结构研究进展及下扬子古生界页岩孔隙特征李霞，王勤，黄志诚(南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210046)摘要：天然气可以吸附或以游离态赋存在富有机质泥页岩及其夹层中，使页岩成为一种重要的非常规储集体。页岩的微米一纳米级孔隙是页岩气富集的重要场所，常规孔隙研究手段难以适用，目前，国际上尚没有关于页岩孔隙类型的统一分类方案。因此，页岩的孔隙结构特征成为页岩气勘探开发中的关键问题。总

2、结近年来页岩孔隙结构的主要研究手段和分类，并初步分析了浙西一皖南下扬子地区古生界页岩的孔隙特征。关键词：页岩；孔隙结构；孔隙类型；页岩气；下扬子地区中图分类号：P618．13文献标识码：A文章编号：1674—3636(2015)O卜0013—120引言近年来，水平钻井技术、水力压裂技术的进步，使得低孔、低渗、开发难度大的页岩气等非常规油气资源的获取成为可能。页岩的孔隙结构是页岩气勘探开发中的关键问题。由于页岩的孔隙结构以微米一纳米级为主，常规测量方法并不完全适用于页岩。目前主要是通过高分辨率显微镜进行图像分析(Kwonetal，2004；DesboisetaLl，20

3、09；Loucksetal，2009，2012；Day—Stimtetal，2010；Millikenetal，2010；Cunisetal，2011；Slattetal，2011)，以及通过岩石物理学的手段进行测量(田华等，2012；冉波等，2013；Chalmerseta1，2012)。本次研究从研究手段和分类方案的角度出发，总结了页岩孔隙特征的研究进展，并据此对下扬子地区古生界页岩孔隙结构特征展开分析。1孔隙结构的研究手段使用高分辨率显微镜进行图像观察是目前研究页岩孔隙结构的主要手段，其他学科(如化学工程和表面化学)用来研究微孔材料的一些方法亦可用于页岩孔隙的研

4、究，即通过岩石物理学的方法定量描述孔隙结构。1．1图像观察法图像观察法主要是通过高分辨率显微镜对孔隙结构进行直接观察，并根据图像分析孔隙大小、形状、分布等。目前使用的设备包括光学显微镜、扫描电镜(sEM)、透射电镜(，I’EM)、原子力显微镜(AFM)、x射线计算机断层成像(x—raycT)等。其中光学显微镜的分辨率较低，只能观察到微裂隙及少量微米级的孔隙。扫描电镜观察法是在新鲜的断面上观察孑L隙结构和裂隙，三维灰度成像，具有立体感较强、景深大、能定性识别黏土矿物组分等优点。Chalmers等(2012)根据国际理论和应用化学学会(IUPAC)的孔隙定义(Rouque

5、roleta1，1994)，将页岩孔隙划分为宏孔(>50nm)，中孔(介孑L)(2～50nm)，微孔(<2nm)三大类。使用钨灯丝的扫描电镜虽然可以对宏孔进行较好的成像(图1a)，但不能准确地对纳米级孔隙进行成像。高分辨率场发射扫描电镜(FE—SEM)和透射电镜的出现使获取纳米孔的清晰图像成为可能，FE—SEM观测精度可达O．04nm(邹才能等，2011)，TEM的分辨率更高，可观察孔隙内部结构(图lb)。此外，环境扫描电镜、原子力显微镜等也逐渐地应用于页岩孔隙微观结构的研究(张廷山等，2013；梁兴等，2014)；环境扫描电镜的样品不收稿日期：2014—06一18；

6、修回日期：2014—07—03；编辑：侯鹏飞基金项目：科技部“973计划”项目“中国南方古生界页岩气赋存富集机理和资源潜力评价”(2叭2cB214703)作者简介：李霞(1991一)，女，硕士研究生，研究方向为页岩显微构造，E—mail：lixia6583@126．com14地质学刊2015年需要喷碳或金，可在自然状态下观察页岩孑L隙结构(图lc)；而原子力显微镜与SEM相比，分辨率更高，不仅可显示样品表面的起伏形态，还可用于判别孔隙的类型。但受页岩的非均质性及成分的复杂性的限制，原子力显微镜仍需与其他实验方法配合使用(Javadpour，2009；Javadpour

7、etal，2012)。图1d为筇竹寺组页岩的AFM图像，规则排列的栅格间为纳米级孔隙，分辨率可达5nm，有锯齿状紧密排列的结构特征，可能是页岩中干酪根大分子团紧密排列的结果。一图1不同地区页岩高分辨率电镜的成像对比(a)Barnett页岩的SEM图像：比例尺l¨m，孔径约300一800nm(Sondergeldetal，20lO)；(b)Ar离子抛光后的BaHlett页岩的SEM图像、有机质孔隙：表面有研磨痕迹(kucksetal，2009)；(c)woodford页岩的FIB～sEM图像：表面非常平整，几乎看不到研磨痕迹，且能观察到有机质孔隙内的指