頁巖納米孔隙的結構量化表征
——以川東南地區五峰組為例

郭 娟，趙迪斐，2，梁孝柏，楊 坤，李昊軒，龍代璽

（1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221008）

0 引言

中國頁巖氣資源豐富、分布廣泛，尤其是四川盆地，具有頁巖氣開發的地質基礎和較大的資源潛力，目前已經在涪陵焦石壩地區等形成頁巖氣產能［1-2］。四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組是中國目前頁巖氣研究的熱點目標層系［3-4］。中國頁巖氣勘探起步較晚，美國最先開始對頁巖氣的勘探開發［5］，從2012 年開始，中國頁巖氣開發進入氣藏勘探和初步開采試點階段，目前，中國已經成為世界第三大頁巖氣生產國。作為一種重要的非常規天然氣資源，頁巖氣的儲存空間主要為納米孔隙，以吸附和游離狀態為氣體的主要賦存方式［6-7］。納米孔隙是頁巖氣的主要儲集空間［8］，具有極強的非均質性［9］，孔隙類型與孔隙結構的差異對頁巖儲層的物性、含氣性具有顯著影響［10］。目前，國內外學者對頁巖孔隙結構的表征與研究主要包括侵入式媒介法、圖像法、核磁共振法、氣體吸附法等［11-13］，氬離子拋光-場發射掃描電鏡技術的發展［14］使獲取高分辨率的頁巖納米孔隙圖像成為可能，極大地促進了納米孔隙的表征研究。在人工智能與數據挖掘技術快速發展的背景下，基于精細納米孔隙圖像，在海量圖像、數據中挖掘有效信息是加深儲層表征與孔隙研究深度的必要途徑。目前，納米孔隙的研究一般為定性觀測或以液氮、壓汞等實驗方法對孔隙整體結構進行研究，通過圖像的數值化量化處理實現孔隙定量表征的研究仍相對較少［15-17］。

高精度圖像是對孔隙形貌的直接還原，具有真實性高、精度高的優點，是實現不同類型孔隙定量表征的基礎。通過圖像數值化方法獲得孔隙的量化參數，可以獲取不同類型孔隙的孔徑、面積、周長、形狀因子等分布特征［18］，進而為頁巖儲層的物性與含氣性評價、賦存富集機理研究等提供基礎依據［15］。以四川盆地東南部上奧陶統五峰組頁巖樣品為例，通過圖像數值化方法獲得孔隙的量化參數，開展頁巖納米孔隙的結構定量表征，以期為頁巖氣儲層表征與研究提供新思路、新方法。

1 實驗樣品與研究方法

1.1 實驗樣品

實驗樣品選自四川盆地東部三泉剖面以及鹽津地區YJ-1 井的上奧陶統五峰組灰黑色炭質頁巖（圖1）。三泉剖面位于川東地區，在大地構造上屬于川東高陡構造褶皺區，YJ-1 井處于四川盆地南緣地區，鹽津地區北部與川中低緩褶皺區過渡，西部毗鄰川滇南北構造帶，南側為滇中、黔中隆起（圖1）。研究區內五峰組頁巖穩定發育［19］，頂部為觀音橋段灰質泥頁巖或泥質灰巖。五峰組頁巖為滯留盆地沉積，與下伏臨湘組整合接觸，與上覆志留系龍馬溪組整合接觸（圖2），主要形成于滯留-強還原環境，有機碳含量高［20］。五峰組厚度相對較小，頁巖氣主要以水平井的方式生產，五峰組與龍馬溪組底部均是層系內主要的壓裂目標。

圖1 研究區構造綱要圖及取樣位置Ⅰ.川西—川北山前坳陷區；Ⅱ.川中平緩地塊區；Ⅲ.川西南低緩構造褶皺區；Ⅳ.川南中緩構造褶皺區；Ⅴ.川東高陡構造褶皺區；Ⅵ.川黔坳陷斷褶帶褶區Fig.1 Structural outline and sampling location of the study area

圖2 三泉剖面、YJ-1 井五峰組巖性柱狀圖及取樣位置Fig.2 Lithological column and sampling location of Wufeng Formation of Sanquan section and well YJ-1

選取代表性樣品（三泉剖面S-1 樣品與YJ-1 井Y-1 樣品）開展氬離子拋光-場發射掃描電鏡、X 射線衍射、TOC 測試等實驗分析以及圖像處理（Image processing）。五峰組測試樣品的基本信息如表1 所列，樣品礦物組分以石英與黏土礦物為主，還含有少量碳酸鹽礦物、長石、黃鐵礦等組分，TOC 質量分數分別為2.8%（S-1）與2.4%（Y-1）。選樣時，S-1 樣品與Y-1 樣品的礦物類型一致，礦物含量相近，有機質含量差異也不大，以便通過圖像數值化表征五峰組孔隙系統的結構特征。目前，上揚子地區的頁巖氣主采層位為五峰組—龍馬溪組底部，開采方式為水平井與水力壓裂。因此，頁巖儲層的開采主要是針對最優質儲層進行小層開發，目標層位在地層中所占厚度較小。五峰組與龍馬溪組底部數米范圍，是目前勘探開發的主要目的層位，對占據目的層位較大比例厚度的五峰組展開專門研究，具有理論與實際意義。

表1 測試樣品的礦物組分與有機質含量Table 1 Mineral composition and organic matter content of test samples %

1.2 研究方法

將頁巖樣品進行磨片、表面處理后，使用微區無噴金+氬離子拋光技術，并結合場發射掃描電鏡獲取五峰組頁巖納米尺度孔隙的高分辨率圖像。微區無噴金技術通過微區覆膜噴金，使表面在具有較好導電性的基礎上，還具有還原表面樣貌以及5 nm 以下納米孔隙的能力。獲取圖像后，應用Adobe Photoshop，Adobe Illustrator 以及Image J 軟件對高分辨率圖像進行量化、數值化處理，并提取孔隙的結構參數，如孔隙面積、周長、短軸長度、長軸長度、面孔率等［21］。圖像數值化處理的步驟如下（圖3）：①用Adobe Photoshop 提高圖片的對比度，使孔隙結構更加清晰易辨，并圈選出所有孔隙，圈選是最重要的一個步驟；全部圈選之后，將選好的孔隙填充為黑色，其余背景為白色；②應用Adobe Illustrator 軟件，將圖片轉換為低保真度圖片，擴展后導出；③在Adobe Illustrator 儲存圖片中應用Image J直線工具確定圖像比例尺，而后將圖片二值化，并設置比例尺，通過Image J 的Analyze Particles 模塊導出數據。

通過以上處理流程，可以獲得圖像中每個孔隙的結構參數，結合數據分析整理，即可通過結構參數實現不同類型孔隙的結構參數評價，也可以獲得整個樣品的孔隙結構特征。利用微區無噴金結合氬離子拋光-場發射掃描電鏡觀測獲取頁巖表面高精度圖像，可獲取的單像素孔隙（實際為與單像素面積相似大小的孔隙）孔徑約為0.67 nm。

圖3 頁巖納米孔隙圖像二值化、孔隙量化流程Fig.3 Binarization and quantification of shale nanopore image

2 實驗結果

2.1 五峰組頁巖納米孔隙發育類型

掃描電鏡觀測顯示，川東南地區五峰組頁巖納米孔隙發育類型復雜，依據孔隙發育的物質組分與空間位置等，儲層主要孔隙類型包括有機質孔隙、礦物粒內結構孔隙、礦物粒內溶蝕孔隙、微裂隙等（圖4、表2）。樣品孔隙在微觀尺度分布不均一，孔隙的形貌、延展、內壁特征、空間分布差異顯著。有機質孔隙在有機質內部密集發育［圖4（a）］，黃鐵礦微晶間也發育有有機質孔隙［圖4（b）］，礦物粒內結構孔隙成因主要包括礦物粒內結構缺陷與溶蝕作用，部分礦物粒內孔隙在礦物內部發育，連通性較差［圖4（c）］，部分屬于礦物粒內溶蝕孔隙［圖4（d）］與鑄模孔隙［圖4（e）］，故可分為礦物粒內結構孔隙與礦物粒內溶蝕孔隙，微裂隙常發育在礦物組分間［圖4（f）］。

圖4 川東南地區五峰組頁巖樣品的納米孔隙特征（a）有機質孔隙，Y-1 井，1 581 m，氬離子拋光-場發射掃描電鏡；（b）黃鐵礦微晶間發育有機質孔隙，三泉剖面，氬離子拋光-場發射掃描電鏡；（c）礦物粒內結構孔隙，Y-1 井，1 581 m，氬離子拋光-場發射掃描電鏡；（d）有機質孔隙與礦物粒內溶蝕孔隙，三泉剖面，氬離子拋光-場發射掃描電鏡；（e）礦物粒內溶蝕孔隙，三泉剖面，氬離子拋光-場發射掃描電鏡；（f）微裂隙，三泉剖面，氬離子拋光-場發射掃描電鏡Fig.4 Nanopore characteristics of shale samples of Wufeng Formation in southeastern Sichuan

表2 川東南地區五峰組頁巖儲層樣品孔隙結構特征Table 2 Pore structure characteristics of shale reservoir of Wufeng Formation in southeastern Sichuan

2.1.1 有機質孔隙

五峰組頁巖樣品中有機質孔隙發育程度較好［圖4（a），（b）］，觀測表明，五峰組頁巖儲層有機質孔隙主要為熱成因孔隙，一是由干酪根生烴形成，二是由瀝青裂解形成，有機質的成熟度決定了有機質孔隙的發育程度［13］。有機質孔隙孔徑一般處于納米尺度，其孔徑遠遠小于礦物孔隙的主要分布范圍，可以為儲層提供豐富的儲集空間與吸附點位，使儲層氣體主要以吸附態賦存于有機質孔隙表面［6］。孔隙圖像的數值化量化表征反映，五峰組頁巖有機質孔隙全孔徑為0.67～122.00 nm，峰值為0.67～20.00 nm，平均孔徑約為14.46 nm，其中0.67 nm 的孔徑分布下限對應圖像單像素的直徑大小，在孔隙識別時，與單像素面積相近的孔隙將被識別為單像素點。采用國際理論與應用化學聯合會（IUPAC）的劃分方法［22］，按孔徑大小將孔隙劃分為：微孔＜2 nm、介孔2～50 nm、大孔＞50 nm。

因此，五峰組頁巖儲層有機質孔隙多為介孔，少部分為小孔和大孔。儲層有機質孔隙形態多樣，發育有橢圓形、近圓形、凹坑形等，局部可見狹縫形有機質孔隙，以橢圓形、近圓形為主。五峰組樣品的有機質孔隙相對集中在有機質內部，受到有機質分布的影響［23］［圖4（a）］；部分黃鐵礦微晶中有機質孔隙發育良好，發育在草莓狀黃鐵礦集合體內部，屬于對儲層微觀儲集空間具有貢獻的孔隙類型［24］［圖4（b）］，黃鐵礦微晶間有機質孔隙孔徑集中在2～50 nm。

2.1.2 礦物粒內結構孔隙

礦物粒內結構孔隙是指礦物晶體形成過程中，由于晶體生長缺陷、包裹體、次生加大缺陷等形成的［25］，主要處于礦物內部的結構孔隙，連通性較差。礦物粒內結構孔隙多呈凹坑形［圖4（c）］，對儲層孔隙系統貢獻率低，礦物粒內溶蝕孔隙的孔徑分布主要為1.01～151.84 nm，集中在10～40 nm，平均孔徑約為34.61 nm。與有機質孔隙相比，礦物粒內結構孔隙的孔徑相對更大，但礦物粒內結構孔隙的連通性明顯更差，親氣性弱。

2.1.3 礦物粒內溶蝕孔隙

礦物粒內溶蝕孔隙是碳酸鹽礦物、長石等易溶蝕礦物被流體部分溶解后形成的孔隙。因礦物粒內溶蝕孔隙主要在礦物與酸堿性流體的接觸面形成，因此連通性較好，易與礦物粒內結構孔隙區分。礦物粒內溶蝕孔隙的孔徑一般處于數百納米級或微米級，近地表樣品中的部分溶蝕孔隙可達毫米尺度，屬于次生風化作用所致。對于川東南地區的五峰組頁巖樣品［圖4（e）—（f）］，儲層礦物粒內溶蝕孔隙的孔徑分布在3.2～9375.0 nm，其中，只有少數孔隙的孔徑處于100 nm 以下，大多數孔隙的孔徑集中在100～1 000 nm，常發育在礦物周緣［圖4（d）］，屬于礦物被部分溶蝕形成，可以通過孔徑及發育位置與其他類型孔隙相區別。

2.1.4 微裂隙

五峰組頁巖樣品中的微裂隙較為發育，形狀一般為狹縫形，微裂隙的長度處于幾百納米到幾微米不等［圖4（f）］，微裂隙成因復雜，主要成因是頁巖儲層受地質構造應力作用產生的力學薄弱面破裂［20］。陳相霖等［26］研究認為，微裂隙還可以與其他孔隙相接觸，從而形成頁巖氣體流通的通道，微裂隙對于氣體的運移具有重要意義。

2.2 五峰組頁巖納米孔隙的圖像數值化處理

通過圖像數值化處理，獲得納米孔隙圖像中總孔隙面積、孔隙周長、孔隙數量、面孔率等整體參數，以及每個孔隙的面積、周長、長軸長度、短軸長度、寬度、高度等單孔隙結構量化信息。基于上述數據，可以進一步獲取每個孔隙的結構參數，如形狀因子、伸長率、熵值等，進而實現儲層各類孔隙發育特征的定量表征［21］。

2.3 五峰組頁巖納米孔隙的結構參數

遴選出的頁巖納米孔隙結構參數主要包括形狀因子、圓度、伸長率、偏心率等，可以定量表征孔隙的發育程度與結構特征。不同類型孔隙的形狀因子、圓度、伸長率、偏心率等參數范圍與峰值存在差異，可以作為甄別與評價孔隙結構的依據。其中，形狀因子定義為：

式中：ff為形狀因子；S為孔隙面積，nm2；C為孔隙周長，nm。

選用多張有機質孔隙的代表性孔隙圖片，其結構參數提取結果如表3 所列。

表3 Y-1 井代表性孔隙的結構參數提取Table 3 Extraction of pore structure parameters from representative pictures of well Y-1

3 討論

3.1 五峰組頁巖孔隙發育比例

川東南地區五峰組頁巖主要發育4 種類型的孔隙，包括有機質孔隙、礦物粒內結構孔隙、礦物粒內溶蝕孔隙、微裂隙。據面孔率統計反映，五峰組頁巖有機質孔隙面孔率約為1.4%，礦物粒內結構孔隙面孔率為0.3%，礦物粒內溶蝕孔隙面孔率為0.06%，微裂隙面孔率為0.3%，說明在五峰組的頁巖儲層中，有機質孔隙占比最高，是最為發育的孔隙類型（圖5），其次為礦物粒內結構孔隙與微裂隙。面孔率的差異不僅與孔隙數量相關，而且與孔隙面積以及在相應物質組分中的發育程度相關。

圖5 川東南地區五峰組頁巖不同類型納米孔隙對儲集空間的貢獻比例Fig.5 Contribution ratio of different types of nanopores of Wufeng Formation shale to reservoir space in southeastern Sichuan

3.2 五峰組頁巖儲層孔隙類型及量化表征

掃描電鏡觀測顯示，儲層中各類孔隙結構差異顯著，常規方法僅能實現對樣品孔隙系統的整體分析，而缺乏對各類孔隙進行量化表征的能力［24］。通過圖像數值化，對編號后的孔隙進行分類與信息提取，獲取4 種主要類型孔隙的結構參數如表4 所列。

由表4 可知，有機質孔隙數量遠遠大于其余3種孔隙類型，其孔徑主要分布在介孔范圍內，可以為儲層提供豐富的儲集空間與吸附點位，有利于頁巖氣富集、賦存；礦物粒內結構孔隙發育數量少而孔徑相對較小，多分布在幾十納米左右，大多數屬于與孔隙系統不連通的無效孔隙；礦物粒內溶蝕孔隙的面積差別最大，這是因為礦物粒內溶蝕孔隙的溶蝕程度存在差異，與礦物成分以及礦物周緣接觸關系有關；微裂隙的結構特征差異顯著，這是由于在沉積過程中，巖石所受應力的方向、強度不同，儲層內部力耦方向不同，因此造成巖石不同程度的拉伸或擠壓，從而形成微裂隙的結構差異。

在氣體吸附實驗中，川東南地區五峰組頁巖中有機質孔隙的孔徑多小于100 nm，而礦物粒內溶蝕孔隙與微裂隙的孔徑多遠大于100 nm，說明儲層的微孔與小孔主要由有機質孔隙與礦物粒內結構孔隙組成，中孔主要由有機質孔隙與礦物粒內溶蝕孔隙組成，而大孔主要由礦物粒內溶蝕孔隙與微裂隙組成，這與掃描電鏡觀察結果一致［27］。

形狀因子是表征孔隙結構的重要參數，可以表征孔隙形狀的不規則性，而偏心率可以表征孔隙的趨圓性，以形狀因子、偏心率對孔隙結構進行進一步分析（圖6）。對比4 種孔隙類型的形狀因子數量分布特征，圖6（a）中礦物粒內結構孔隙的形狀因子分布在0.65～0.95 內，在0.8～0.9 內發育峰值；有機質孔隙變化則相對平緩，主要分布在0.55～0.85，有機質孔隙形狀因子的特征與有機質成熟度有關［18］，礦物粒內溶蝕孔隙與有機質孔隙的形狀因子變化趨勢基本一致。由圖6（b）可知，五峰組頁巖樣品的形狀因子大部分為0.7～0.9，說明以有機質孔隙等為代表的橢圓—近圓形孔隙占比最多，并以最為發育的孔隙數量構成頁巖氣儲存介質，微裂隙和礦物相關孔隙等發育尺度相對較大，構成儲層中的微觀傳輸介質，吸附儲集孔隙與滲流孔隙共同構成頁巖氣孔隙體系［28］。

表4 川東南地區五峰組頁巖主要類型孔隙的結構參數Table 4 Structural parameters of major pore types of Wufeng Formation shale in southeastern Sichuan

圖6 川東南地區五峰組4 種孔隙的形狀因子的單獨分布（a）與整體分布（b）Fig.6 Single distribution（a）and overall distribution（b）of four types of pore shape factors of Wufeng Formation in southeastern Sichuan

3.3 五峰組頁巖孔隙的綜合表征

在上述對頁巖孔隙結構的量化表征中，4 種孔隙的形狀因子分布等結構參數存在差異，但孔隙系統的儲集能力并不是由單一的結構參數決定的，孔隙的面積、形狀因子、孔徑等結構參數都影響著儲層孔隙系統的儲集能力，對孔隙系統的綜合表征，有助于找出影響儲集空間性質的關鍵因素。孔隙面積與形狀因子交會圖可以反映納米尺度孔隙發育的集中特性。圖7（a）中，孔隙群集中發育在圖像左側，即孔隙面積介于50～400 nm2，形狀因子集中分布在0.4～1.0，整體來看，有機質孔隙具有孔徑越小，越趨近于圓形的趨勢；圖7（b）中，礦物粒內結構孔隙的孔隙數量相對較少，但仍有一些孔隙的形狀因子為0.7～0.9（對應孔隙面積分布在0～1 000 nm2），對儲集空間的貢獻有限；圖7（c）中，礦物粒內溶蝕孔隙的分布范圍較大，在形態上，大部分為近圓形或次圓形；圖7（d）中，微裂隙發育數量較少，所占面積比有機質孔隙、礦物粒內孔隙相對更大。以圖7為例，不同類型孔隙具有不同的發育尺度和孔徑分布，各項參數的分布范圍存在差異，綜合這些由圖像獲取的孔隙結構參數，提取其分布差異，可以為基于圖像信息數值化提取的孔隙分類與自動識別乃至機器學習、深度學習提供數據支撐，通過對孔隙面積與形狀因子、孔徑等孔隙結構參數的交會圖分析，也可以提取孔隙參數間的內在關系，實現對不同類型孔隙的綜合表征。

圖7 川東南地區五峰組4 種類型孔隙的形狀因子與孔隙面積的組合分布Fig.7 Combination distribution of shape factor and pore area of four types of pores of Wufeng Formation in southeastern Sichuan

4 結論

（1）通過孔隙編號與信息提取，獲取了每個孔隙的孔隙面積、周長、孔徑、形狀因子、圓度、伸長率、偏心率等結構參數，并在此基礎上開展了對川東南地區五峰組孔隙圖像的量化表征。

（2）川東南地區五峰組頁巖納米孔隙主要發育4 種類型：有機質孔隙、礦物粒內結構孔隙、礦物粒內溶蝕孔隙、微裂隙。有機質孔隙分布較為集中，孔徑較小；礦物粒內結構孔隙數量少、孔徑相對較小，連通性較差；礦物粒內溶蝕孔隙的孔徑變化范圍較大；微裂隙發育在納米—微米尺度，連通性較好。有機質孔隙、礦物粒內結構孔隙與微裂隙對川東南地區五峰組微觀儲集空間貢獻較大。

（3）川東南地區五峰組孔隙形狀因子大部分分布在0.7～0.9，說明以有機質孔隙等為代表的近圓形孔隙占比最多；通過孔隙面積與形狀因子交會圖獲取了不同類型孔隙的集中特性，依據不同孔隙結構參數的交會圖版，可以作為孔隙識別分類的依據；通過孔隙編號與量化處理，提出一種進行孔隙定量表征的方法，可為孔隙研究、儲層評價、含氣性預測等研究提供參考。

致謝：中國礦業大學劉蕾、李川、王廣周、王培清、盧琪榮等為研究工作做出了一些貢獻；中國礦業大學丁映霞、中國地質調查局楊昭穎、頁巖氣勘探開發國家地方聯合工程研究中心/重慶地質礦產研究院曾春林、焦偉偉、余川、汪生秀、曾祥亮等提供了指導和幫助，在此表示感謝！