第27卷第12期2012年12月地球科学进展ADVANCESINEARTHSCIENCEVol．27No．12Dec．，2012
崔景伟，邹才能，朱如凯，等．页岩孔隙研究新进展［J］．地球科学进展，2012，27（12）：1319-1325．［CuiJingwei，ZouCaineng，ZhuRukai，etal．Newadvancesinshaleporosityresearch［J］．AdvancesinEarthScience，2012，27（12）：1319-1325．］
页岩孔隙研究新进展*
崔景伟1，邹才能1，2，朱如凯1，2，白斌1，2，吴松涛1，2，王拓1（1．中国石油勘探开发研究院，北京100083；2．提高采收率国家重点实验室，北京100083）
摘要：随着非常规油气勘探的兴起页岩孔隙研究备受重视，如何研究页岩孔隙已经成为非常规油气首要解决的问题之一，其对页岩油气勘探层位选取、资源潜力评价和油气渗流能力计算具有重要意义。对页岩微—纳米孔隙表征技术、页岩孔隙类别的划分以及页岩孔隙演化规律分别进行了综述并指出存在问题，同时结合最新研究进展对页岩孔隙研究进行展望。提出工业CT—微米CT—纳米CT/FIB系列辐射扫描方法和压汞（MICP）—氮气吸附（N2）—二氧化碳吸附（CO2）
流体法是
孔隙定量表征的最优方法，通过单井孔隙度测井资料与实验室测定结果建立校正图版指导储层孔隙发育段优选；页岩孔隙分类研究还应该考虑含油气性，利用原子力显微镜等工具加强孔隙含油性研究；孔隙演化规律研究应该采用模拟实验和真实剖面样品对比并结合矿物组成分析等寻找主控因素。关键词：页岩；孔隙表征；孔隙分类；孔隙演化中图分类号：P62文献标志码：A文章编号：1001-8166（2012）12-1319-07
1引言
近年来，世界范围内掀起一场“页岩气革命”，北美地区已形成Barnett，Fayetteville，Haynesville在内的8个重要页岩气产区，探明可采储量约24×1012m3，仅美国2011年产量就达到1800×108m3；中国、欧洲、印度、澳大利亚以及新西兰等国家和地区也相继开展了页岩气勘探的选区评价和先导试验［1～5］。2011年中国国土资源部评估中国页岩气可采资源量约为25×1012m3，中国石油和中国石化分别在四川盆地古生界海相页岩和陆相页岩中取得页岩气勘探的突破。另外，美国还在福特沃斯盆地（FortWorth）Barneet页岩层系、南加州西海湾盆地（WesternGulfBasin）Eagleford页岩层系和威利斯顿盆地（WillistonBasin）Bakken页岩层系获得工业性原油产量，而纯页岩贡献量存在争议［6～8］。页岩层系油气勘探表明，页岩不仅能作为生油岩和盖层，还能成为储层。近年来，国内外加强了对页岩油气成藏机理和评价方法的研究，美国地质调查局（USGS）专家提出“连续性油气聚集”的概念，并认为页岩油气是其中
的一种，属于非常规油气［9，10］。非常规页岩油气勘探的核心不同于常规油气勘探的寻找圈闭而是寻找储层，而页岩微—纳米孔隙的识别和定量，孔隙分类
和赋集油气有效性判识以及孔隙演化规律的认识是页岩储层研究的难点和重点，其对页岩油气水平井层位选取、资源潜力评价和油气渗流能力计算具有
重要意义。
2页岩储集空间表征
近年来，国外在泥页岩储层的平面微观特征研究方面进行了大量的工作，对象集中在泥页岩微孔隙和微裂缝［11～15］。采用的仪器和分析手段包括高
分辨率的场发射扫描电镜、原子力显微镜（AFM）、
收稿日期：2012-07-09；修回日期：2012-09-13．*基金项目：中国博士后科学基金项目“鄂尔多斯盆地延长组长7泥页岩孔喉表征与石油聚集机制”（编号：2012M510481）；国家油气重
大专项“国家大型气田及煤层气开发项目”（编号：20082X05001）资助．作者简介：崔景伟（1980-），男，河北衡水人，博士后，主要从事非常规页岩油气地质综合研究．E-mail：jingwei．cui@126．com小角散射（SAXS）和透射电子显微镜等手段［13，14，16］。同时，通过对比泥页岩机械剖光和氩离子切割抛光之后的效果，得出观察泥页岩孔隙平面分布在制样阶段最好进行氩（Ar）离子抛光。另外，为了观察泥页岩孔隙的三维分布特征，采用了样品无损检测的3DX-射线微米CT、Nano-CT以及破坏样品的双离子束（FIB-SEM）手段，并结合能谱（ESD）或背散射图像（BEI）还可以实现不同矿物成分的三维分布图像［14，17，18］（图1）。国内的学者在充分调研和吸收国外页岩储层研究的基础上，也开始尝试利用氩离子抛光技术对页岩样品进行处理，在高分辨率扫描电镜下观察页岩纳米级孔隙与微裂缝的结构特征。不仅对泥岩烃源岩的孔隙形态特征与大小进行了初步的探讨［19，20］，还在四川盆地海相页岩中首次发现微米—纳米级孔隙与微裂缝发育，并利用场发射—扫描电镜和纳米CT扫描重构了泥/页岩和砂岩中的孔隙结构［21，22］。双离子束系统（FIB-SEM）实现样品切割和扫描电镜良好结合，实现切割与扫描同时进行，结合图像重构软件和能谱，实现泥页岩储集空间的三维重构和观察，尽管分辨率提高到2nm可以实现真正的纳米级储集空间表征，但是该方法属于破坏式。CT技术在表征泥页岩三维储层方面也有巨大潜力，特别是Nano-CT实现纳米级孔隙三维立体观测，其分辨率可以达到50～70nm，若结合图像处理技术可以对泥页岩储层连通性、各向异性和孔隙度等进行定量评价，引入逾渗理论可实现泥页岩储集空间内流体流动的探讨［23］。但是纳米CT技术同样存在样品尺寸和分辨率之间的矛盾，这对非均质性很强的页岩而言可能分析结果不具代表性，因此建议岩芯先实行工业CT扫描进行类别划分，再按类别将样品进行微米CT扫描并再分类，最后对不同类别样品分别进行纳米CT扫描使得分析样品具有代表性，形成工业CT—微米CT—纳米CT/FIB系列扫描分析的表征手段。不同于光学辐射方法，流体渗入方法也是储集空间表征的重要手段。如，汞作为非润湿性的流体，利用不润湿性的汞进入量和进入压力之间的关系，可以根据Washburn方程得出压力对应的孔喉半径，高压（＞0．7MPa）40s达到平衡，低压（＜0．7MPa）10s即达到平衡后，根据每个压力步下进入的汞量即为压力对用孔喉半径下的孔隙度。但是，由于压力的限制，压汞测得孔隙度缺少部分纳米级尺寸的孔隙度，一般常用正态分布来估算［24］。孔隙的形状不一定是圆柱状、压汞存在遮挡效应（即样品表面的狭窄孔喉可能导致样品内部较大孔喉内部流体无法进入）和边界效应（压汞在很低的压力下进入狭窄孔喉内）可能会对压汞法的测试结果造成部分影响。本文提出利用N2吸附和CO2吸附分别测定介孔（2～50nm）和微孔（＜2nm）的方法实现对缺失部分空隙大小和孔径分布的测定，形成高压压汞（MICP）—氮气吸附（N2）—二氧化碳吸附（CO2）流
体法（图2）。但是N2吸附和CO2吸附测定介孔（2～50nm）和微孔（＜2nm）的孔容和孔径分布可能
受到页岩粉碎程度、页岩含水量和页岩非均质性等方面因素影响。总之，页岩孔隙的表征和定量研究在实验室已经取得重要的进展。但是不同沉积环境下页岩（海相、海陆过渡相和海相）以及不同有机质类型页岩（Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型）内部孔隙发育特征及控制因素
对比研究需要加强。此外，如何将采集分析样品孔隙表征技术放大到地质尺度上并指导页岩油气的勘探是未来页岩油气储层研究的一个重要的发展方向。可以通过单井密集取样分析孔隙与孔隙度测井方法如声波测井、中子测井和密度测井等结合建立校正图板并尽而推广。
3页岩孔隙分类标准和含油气有效性
一般认为页岩内（83±4）%孔隙度来自纳米孔隙的贡献。IUPAC按照孔径的大小分为极微孔（＜1．5nm）、超微孔（0．5～2．0nm）、介孔（2．0～50nm）和大孔（＞50nm），其中＞2nm的介孔采用
BJH方法或者密度泛函理论（DFT）计算，＜2nm的
微孔现在采用的较多的也是参考密度泛函方法（DFT）方法计算。根据孔隙的连通性分为盲孔（单
边连通）、闭孔（孤立无连通）和连通孔。邹才能等［21］提出页岩中喉隙直径＜2μm的为纳米孔喉，2μm～2mm之间为微米孔喉，＞2mm的为宏观孔
喉。有机质丰度较高的页岩中（TOC1%～20%），＜50nm的孔隙占据绝大部分的孔隙度。Katsube等［25］指出4400～5600m深度下页岩孔大小为2．7～11．5nm，大于25nm的孔隙很少。此外，国外学者对泥
页岩中的微观孔隙大小进行了统计和研究［11，12，26］。其中，Chalmers等建议取消错误的纳米孔叫法，根据国际纯粹和应用化学联合会的分类法称为微孔［27，28］。
目前主要根据电镜观察进行的分类方法中几种代表性的分类见表1：一种是页岩中孔隙介质可分为4类：无机矿物基质、有机质、天然裂缝以及水力
0231地球科学进展第27卷压裂缝［29］；另一种是将页岩孔隙分为有机物孔、黄铁矿粒间孔、生物化石中矿物微裂缝等孔隙类型［14］；还有一类是将泥页岩中的微观孔隙分为页硅酸盐孔（PF-pore）、碳酸盐溶蚀孔（CD-pore）和有机质孔（OM-pore）。比较简单和实用的方案是将泥页岩中的孔隙分为有机质孔、粒间孔隙和粒内孔隙3类［30］，既考虑简单可行性还考虑油气润湿性和油气
流动差异。
表1页岩孔隙分类依据和类别Table1Classificationandtypesofshaleporosity依据分类孔径大小孔隙连通性孔隙基质
1大孔毫米孔闭孔粒间孔无机孔页硅酸盐孔
2中孔微米孔盲孔粒内孔有机质孔碳酸盐孔
3超微孔纳米孔通孔有机质孔自然裂缝有机质孔
4极微孔///人工裂缝/
毫无疑问，现今的孔隙分类不管是孔隙大小还是形貌均没有考虑含油气性能。有效孔隙度才是流体流动的空间，而不是总孔隙度，不包括孤立孔。JoachimDorsch［31］提出了泥岩的有效孔隙度测定方法。汞孔隙度和氦孔隙度以及水浸入方法测试孔隙度为有效孔隙度。Freeze等［32］指出在低渗透沉积物中内扩散被认为是主要的运移方式，与基质孔隙相比裂缝孔隙度是主要的扩散通道。Pearson等［33］提出泥岩的孔隙包括总孔隙度（或者物理孔隙度，没有被矿物颗粒占据的体积），平流孔隙度（与平均线性流速有关），扩散孔隙度（与扩散基质和物质有关），地球化学孔隙度（流体反应的孔隙度，在泥岩中一般等于其他孔隙度的30%～70%）。目前，利用扫描电镜可以看到页岩热模拟样品中存在沥青球，环境扫描电镜观测到沥青膜和裂缝沥青，但是各类纳米级孔隙的含油性的观测受控于分辨率和真空—低真空环境中的挥发作用不可能实现。如果孔隙含油气，即使轻质组分挥发也应该在孔隙内残留重质部分沥青质，因此，建议加强微—纳米孔隙内残留沥青质的研究，这样可以作为含油气有效性的直接证据（图3）。简言之，页岩孔隙分类标准和关注角度导致类别不同。但是对页岩油气勘探而言，如何实现页岩孔隙含油气性及饱和度确定才是页岩储层的关键。如何加强测井手段的预测无疑是一个重要的研究方向，孔隙流体和测井资料本身品质无疑是重要的影响因素。4页岩孔隙演化研究Connell-Madore等［36］通过加拿大Beaufort-Mackenzie盆地28块样品分析显示微孔孔隙度（10～250μm）随着砂质的增加而增加，随着粘土和粉砂含量的增加而减小；中孔（0．025～10μm）孔隙度随着砂质和粘土的增加而增加，随着砂质含量的增加而降低；纳米孔隙度（2．5～25nm）与颗粒之间缺少明显的相关性。美国Barnett页岩，Haynesville页岩以及加拿大Buckinghorse，Shaftesbury页岩的孔径分布实验显示中孔和微孔在甲烷吸附能力方面的重要性，发现微孔和甲烷吸附能力之间存在良好的正相关关系，微孔主要分布在有机质中，且随着成熟度增加而增加［28］。Barnett页岩贫粘土矿物，钙质和硅质页岩粒内孔隙约占据总孔隙的20．15%，碳酸盐颗粒内部的孔隙主要是有机质成熟过程中流体溶蚀形成［37］。