湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩微观孔隙特征及主控因素
孙寅森 郭少斌
摘要：随着中国页岩气研究的不断深入，页岩储层微观孔隙特征的研究越来越受到众多学者重视。为了深入了解湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩孔隙特征，综合利用扫描电镜、氩离子抛光场发射扫描电镜、氮气吸附/脱附试验以及核磁共振试验等对页岩孔隙特征进行定性观察和定量表征，并结合有机地球化学分析数据以及岩石矿物全岩定量分析结果，探讨页岩孔隙发育的主控因素。结果表明：湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩发育6种孔隙类型，主要有粒内孔、粒间孔、黏土矿物层间孔、有机质孔隙，还可见部分黄铁矿晶间孔以及微裂缝；页岩孔径大小主要分布在2～5 nm之间，以中孔隙为主，还发育少量微孔隙和大孔隙，峰值在2～5 nm之间的孔隙是页岩孔隙体积的主要贡献者；页岩孔隙结构类型以板状孔等狭缝形孔为主，还发育部分圆筒形孔、锥形管孔等；总有机碳主要控制页岩微孔隙、中孔隙的发育，黏土矿物含量主要影响页岩中孔隙的发育，而脆性矿物含量控制页岩大孔隙的发育。
关键词：页岩；孔隙特征；控制因素；氮气吸附/脱附；核磁共振；上震旦统；陡山沱组
中图分类号：P618.13；TE122文献标志码：A
Abstract： With the deeply research on shale gas in China， the study on the characteristics of microscopic pores of shale reservoir is focused on. In order to further understand the characteristics of shale pores from Upper Sinian Doushantuo Formation in the western of Hunan and Hubei， China， the scanning electron microscope （SEM）， argon ion polishingfield emission scanning electron microscope （FESEM）， nitrogen adsorption/desorption and nuclear magnetic resonance （NMR） tests were used to make qualitative observation and quantitative characterization of shale porosity under different scales； combined with the whole rock quantitative analysis data of organic geochemistry and rock minerals， the main controlling factors on shale porosity were discussed. The results show that there are 6 types of pores from Doushantuo Formation in the western of Hunan and Hubei， including intergranular， intragranular， pyrite intercrystalline， interlayer， organic pores and micro cracks； the pore diameters of shales are 25 nm， and the middle pore mainly develops， a small amount of micro and macro pores develop； the pores with the peak diameters of 25 nm are the main contributor to shale pore volume； the types of shale pore structure are mainly narrow plate pore， and partly cylinder pore， conical pore， etc.； total organic carbon is the main contributor to the development of micro and middle pores， and the content of clay mineral mainly affects the development of middle pore， and the content of brittleness mineral mainly controls the development of macro pore.
Key words： shale； pore characteristic； controlling factor； nitrogen adsorption/desorption； nuclear magnetic resonance； Upper Sinian； Doushantuo Formation
0引言
近年来，随着中国页岩气研究的不断深入，南方页岩气勘探已经取得了突破性进展，针对页岩储层微观孔隙特征的研究越来越受到众多学者的重视[17]。页岩气主要以吸附态和游离态赋存于页岩孔隙中[14]，因而页岩孔隙特征的研究显得尤为重要。页岩孔隙特征的研究主要包括页岩孔隙类型及形态特征、孔径分布、孔隙体积、比表面积、空间结构特征以及孔隙连通性等[5]。
目前，南方海相页岩气主要研究层位集中在中上扬子地区下寒武统、上奥陶统—下志留统以及上二叠统，而对上震旦统陡山沱组页岩的研究极少[89]。因此，需要针对上震旦统陡山沱组泥页岩储层微观孔隙特征展开深入研究。目前，国内外学者主要采用偏光显微镜、高分辨率扫描电镜、CT扫描等图像分析技术对页岩孔隙类型、形态特征及成因等进行观察描述，或通过低温液氮吸附试验、CO2吸附试验、高压压汞等流体注入法定量表征页岩孔径分布及结构特征[67]。由于单一方法表征页岩孔隙特征都存在一定局限性，所以本文综合利用扫描电镜及氩离子抛光场发射扫描电镜技术对湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩样品不同孔隙尺度下孔隙形态特征进行定性观察，并通过氮气吸附/脱附試验定量分析泥页岩的孔径分布以及孔隙空间结构特征等，同时选用无损检测法（核磁共振试验）深入分析页岩孔隙的连通性以及结构特征等，并结合全岩定量分析数据以及有机地球化学分析资料，通过相关性分析讨论页岩孔隙的主控因素，以期能为湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩气的勘探与评价提供科学依据。
1材料与方法
1.1样品采集
页岩样品均采自中扬子湘鄂西地区黄陵背斜新钻页岩气预探井。在陡山沱组初期，早震旦世南沱冰川融化，海侵范围不断扩大，此时中扬子地区海水较浅；进入陡山沱组中、晚期，古地理环境发生急剧变化，形成各种深水、浅水沉积物，该期沉积的泥页岩在湘鄂西地区非常发育，主要为深水陆棚相沉积[9]。页岩样品总有机碳主要分布在04%～19%之间，大于1%的样品占总量的600%，平均总有机碳为101%。有机质类型主要为Ⅱ型干酪根，有机质成熟度较高，镜质体反射率普遍大于200%，最高达到405%，大多进入到高成熟—过成熟阶段（表1）。本文优选了4块页岩样品进行氮气吸附/脱附试验，优选了4块页岩样品进行核磁共振试验。
1.2测试分析
同时选用扫描电镜和氩离子抛光场发射扫描电镜试验对页岩样品进行观察。试验是在中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室完成的。氩离子抛光场发射扫描电镜试验前需要利用氩离子束轰击预抛光表面，得到高品质的页岩截面，然后进行扫描电镜观察。试验抛光仪所用设备为IB09010CP型离子截面抛光仪，制样过程减薄仪的工作电压为10 kV，电流束为10 μA；扫描电镜所用设备为JSM6700F型冷场发射扫描电子显微镜，观察过程中扫描电镜的加速电压为10 kV。
核磁共振试验是在中国石油勘探开发研究院廊坊分院非常规油气实验室完成的。试验采用的设备为RecCore04型低磁场核磁共振岩样分析仪。试〖CM（22〗验前首先对页岩样品进行预处理：将页岩样品放在70 ℃的干燥箱内干燥24 h，然后抽真空8 h，最后放入蒸馏水中饱和8 h。试验过程主要有3个步骤：①页岩样品在100%饱含水的情况下进行核磁共振试验；②取出页岩样品放入离心泵中，在138 MPa的离心压力下高速离心1.5 h，使页岩样品处于理想的残余水状态；③将离心后的页岩样品进行残余水状态下的核磁共振试验。因此，可同时获得每个页岩样品100%饱含水状态下和残余水状态下的2个T2谱，进而分析页岩的孔隙结构。
氮气吸附/脱附试验是在河北省沧州市华北油田邦达新技术有限公司实验室完成的。试验采用HBY200022型比表面及孔径测定仪。页岩样品经过90 ℃加热1 h后，加热至350 ℃真空脱气5 h，然后放入液氮瓶中进行等温吸附/脱附测定，仪器测试孔径范围为035～50000 nm，吸附/脱附相对压力为0001～0995。根据BET法计算页岩比表面积，应用BJH法可得到页岩样品孔径分布范围[1011]。〖LL〗
2结果分析
2.1孔隙类型
目前，国内外页岩孔隙类型的分类标准很多，邹才能等从孔隙大小、发育位置、形状特征、成因等多个角度提出过多种划分方案[1，1214]。本文在泥页岩定性观察描述中的页岩孔隙分类借鉴Loucks等提出的页岩微孔隙分类方法[1516]。依据储层基质分类，并结合上震旦统陡山沱组页岩孔隙发育特征，将研究区页岩孔隙划分为无机矿物孔隙、有机质孔隙和微裂缝3种类型。无机矿物孔隙主要包括粒间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔、黏土矿物层间孔等。每一种孔隙的孔径分布、孔隙形态及成因机制见表2。为了方便统计，定量研究中的孔隙分类借鉴国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）对孔隙的定义，将页岩孔隙划分为微孔隙（孔径小于2 nm）、中孔隙（孔径为2～50 nm）和宏（大）孔隙（孔径大于50 nm）[12]。
2.1.1无机矿物孔隙
無机矿物孔隙主要是赋存于无机矿物颗粒内部或微晶之间的微孔隙[1516]，根据赋存位置可划分为粒内孔、粒间孔、黄铁矿晶间孔以及黏土矿物层间孔等[图1、图2（a）～（c）]。
粒内孔发育于颗粒内部，孔隙形态多呈圆形或椭圆形，孔径分布范围广，多为纳米级，也有少量可达微米级及以上[图1（a）～（d）、图2（c）]。图1（c）、（d）中孔隙可能是有机质热演化生烃过程中产生的有机酸、二氧化碳等与石英、长石、碳酸盐岩等发生化学反应溶解形成的；图1（a）、图1（b）、图2（c）中孔隙可能是在成岩演化过程中黏土矿物或其他不稳定矿物转化为伊利石或其他矿物形成的。前者形成的孔隙多孤立存在，连通性较差；后者形成的孔隙多与其他孔隙相伴生，连通性相对较好[15，17]。
黏土矿物层间孔主要通过矿物边缘及表面连接富集形成的。扫描电镜照片显示，湘鄂西地区上震旦统陡山沱组黏土矿物层间孔非常发育，孔隙形态多为狭缝形、网状、不规则孔，孔径分布从上百纳米至数微米都有[图1（a）、（b）、（d）]。该类孔隙的形成与黏土矿物自身组成成分的结构特征有关。湘鄂西地区上震旦统陡山沱组黏土矿物主要为伊利石和伊蒙混层，还有少量高岭石和绿泥石。伊利石多呈叶片状、丝发状；伊蒙混层呈蜂窝状、棉絮状等；高岭石多呈书页状、手风琴状；绿泥石呈针叶、花瓣状。因而黏土矿物成岩过程中易于形成层间孔。黏土矿物成分自身排列无序，可能导致层间孔分选差以及形状不规则，既可以形成连通性较好的网状层间孔，也存在连通性相对较差的狭缝形层间孔和不规则层间孔等。这些不同类型的层间孔还可与粒间孔一起形成孔隙网络，提高页岩的储渗能力[18]。
粒间孔主要发育在矿物颗粒之间，是常规储层中比较常见的储集空间类型，在页岩储层中同样发育。图1（d）～（f）、图2（a）显示研究区页岩粒间孔以三角形、不规则多边形、狭缝形为主，孔径分布范围较广，从几百纳米到几微米均有发育。该孔隙形态与矿物成分关系密切。图1（d）、图2（a）为黏土矿物与脆性矿物不紧密堆积形成的狭缝形粒间孔；图1（e）、（f）为脆性矿物之间彼此接触形成的三角形和不规则多边形粒间孔。
黄铁矿晶间孔是黄铁矿晶体生长过程中不紧密堆积形成的晶间孔，多以草莓状单体或集合体出现，孔径分布从几十纳米至几百纳米都有[图2（b）]。黄铁矿与有机质赋存关系密切，通常以充填或包裹式共存，在富有机质泥页岩层系中普遍存在[15，17]。
2.1.2有机质孔隙
有机质孔隙是分布在有机质内部的孔隙。Loucks等研究认为有机质孔隙是富有机质页岩储层最重要的孔隙类型，是页岩气主要的赋存空间[1516]。湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩样品中有机质孔隙发育不均衡，同一块页岩样品有机质仅有部分发育有机质孔隙，还有部分不发育[图2（e）]。
孔隙形态多样，有层状有机质孔隙[图2（d）]、网状有机质孔隙[图2（h）]等，多呈近圆形、椭圆形、狭缝形等，孔径分布多在几纳米至几百纳米之间，也有少量孔隙达到微米级[图2（d）～（h）]。蒲泊伶等研究发现，当热演化成熟度达到0.6%时，有机质孔隙才会产生[5]。这表明有机质孔隙与有机质热演化过程密切相关，可能由于干酪根热演化生烃过程中消耗了有机质成分，产生了孔隙或者收缩缝。此外，有机质孔隙的形成与有机质类型和丰度有关，可能由于有机质分布不均一导致同一块页岩样品有机质存在差异，所以存在同一块页岩样品同时出现有机质孔隙发育和不发育的现象。
2.1.3微裂缝
微裂缝的形成与页岩沉积构造和成岩演化作用导致应力变化有关，一般裂缝长度可达微米级[15，17，19]。根据裂缝成因机制可将微裂缝划分为构造裂缝、成岩收缩裂缝、高压碎裂缝和人为裂缝等[15]。湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩中微裂缝广泛发育[图1（e）、（f），图2（i）～（l）]。图2（i）、（j）可见成岩收缩缝，该类裂缝多发生在不同矿物颗粒周缘，应是成岩过程中脱水导致的；由图1（e）、（f）及图2（i）、（j）、（l）可见高压碎裂缝，该类裂缝应是成岩过程中受局部应力作用导致矿物颗粒发生破裂形成的；图2（k）为构造裂缝，该类裂缝较平直，普遍尺度较大，裂隙延伸较好，裂隙宽度多小于数百纳米，长度在数十微米至毫米级。规模较大的构造裂缝有时还可以沟通其他类型孔隙，形成相互交错的立体渗流网络，为页岩气提供有效的赋存空间，也是气体运移的主要通道，对气体的微观运移具有重要意义[17]。
2.1.4SEM与FESEM图像观察比较
由于不同的仪器和测量方法观察的孔隙尺度范围不一致[2021]，本文同时选取了扫描电镜（SEM）和氩离子抛光场发射扫描电镜（FESEM）两种方法对页岩样品的微观孔隙特征进行定性观察。根据陡山沱组泥页岩镜下特征（图1、2）可知：扫描电镜不仅能够宏观定性观察页岩孔隙发育特征，还能直观显示页岩孔隙结构、矿物成分形态特征以及有机质的赋存状态等，但是由于扫描电镜预处理过程采用机械抛光，导致薄片表面形态不规则，观察到的页岩孔隙以微米—毫米级大孔隙为主，纳米级孔隙难以分辨；而氩离子抛光场发射扫描电镜利用氩离子抛光替代了机械抛光，样品表面平整，更有利于页岩镜下观察，可以清楚地观察页岩纳米级孔隙的分布，但是无法分辨矿物的形态特征[57]，还需要借助能谱分析识别矿物成分。因此，两种方法综合运用更有利于页岩孔隙特征的全面定性观察。
2.2氮气吸附/脱附试验分析
2.2.1孔隙比表面积、体积与孔径分布特征
通过4块页岩样品的氮气吸附/脱附试验，利用BET法求取比表面积（表3），可知湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩孔隙比表面积主要分布在3158～7928 m2·g-1，平均为6104 5 m2·g-1。依据BJH法可对页岩孔隙体积和孔径分布进行研究[1011]，试验页岩样品的孔隙体积为0002 14～0008 04 mL·g-1，平均孔隙体积为0005 722 5 mL·g-1。测试样品平均孔径为270～469 nm，平均为3597 5 nm。图3中页岩孔径分布特征能够反映出孔径的主要分布范围以及对孔隙体积的贡献。从图3可以看出，湘鄂西地区上震旦统陡山沱组微观孔隙孔径分布范围为2～50 nm，主峰值主要分布在2～5 nm之间，表明该孔径段的孔隙是陡山沱组孔隙体积的主要贡献者。
2.2.2吸附/脱附曲线特征
根据吸附与凝聚理论，页岩作为一种有孔矿物，可以通过氮气吸附/脱附试验获得测试样品的吸附/脱附曲线（图4），而吸附/脱附曲线形态可以较好地表征页岩的孔隙结构特征[2226]。目前应用较多的是Brunauer等提出的5类划分方案[11]。图4中不同曲线类型代表的典型孔隙结构具有比较单一的形状、大小分布特征，但实际曲线并不是单一类型的孔隙结构，往往都是不同典型曲线的复合叠加，因而呈现复杂的曲线形态。
圖5为湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩岩芯的氮气吸附/脱附曲线。根据各样品曲线形态特征可以发现，所有测试样品均有吸附回线，而封闭性孔隙一般不能产生吸附回线，表明页岩储层孔隙形态呈开放状态[2326]。各吸附曲线形态上略有差异，但是整体呈S型，与Ⅱ型吸附等温线类似，是中孔类多孔介质的显著特征。吸附曲线与脱附回线在压力较高段分离形成吸附回滞环，说明页岩孔隙存在毛细管凝聚现象。吸附回线与IUPAC标准中的H4型回线接近，表明陡山沱组孔隙结构不规整，孔径分布不均衡，存在微孔隙和中孔隙，而且多为狭缝形孔隙。参考Brunauer等提出的划分方案[11]，可将陡〖CM（22〗山沱组吸附/脱附曲线划分为3类：样品N1、N6为〖LL〗Ⅰ类，样品N12为Ⅱ类，样品N19为Ⅲ类（图5）。Ⅰ类吸附/脱附曲线在相对压力小于0.5时，脱附曲线与吸附曲线重合，在相对压力为05～06时出现明显拐点，相对压力接近0.9时，吸附/脱附曲线显著增加，吸附体积相对较大，此类曲线对应的孔隙以狭窄的平行板孔为主，还存在部分两端开口的圆筒形孔、锥形管孔以及墨水瓶孔；Ⅱ类吸附/脱附曲线形态与Ⅰ类相似，只是拐点相对平缓，此类曲线对应的孔隙以狭缝形板状孔和四端开口的锥形平板孔为主，还有少量两端开口的锥形管孔；Ⅲ类吸附/脱附曲线拐点不明显，近平行，吸附回滞环较小，吸附体积较小，此类曲线对应的孔隙主要为四端开口的锥形平板孔，也有少量的狭窄平行板孔。
综上所述，湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩孔隙多为开放型孔隙，孔隙结构不规整，孔径分布不均，存在微孔隙、中孔隙和少量大孔隙，多发育狭缝形孔。孔隙类型多样，主要有平行板孔、圆筒形孔、锥形管孔。结合泥页岩的矿物组成和结构特征，泥页岩页理发育以及黏土矿物层间孔等可能是平行板状孔和锥形平板孔脱附回线普遍的主要原因，圆筒形孔与锥形孔可能与泥页岩有机质孔隙、粒间孔和粒内孔有关。这说明湘鄂西地区上震旦统陡山沱组主要孔隙类型为黏土矿物层间孔、有机质孔隙、粒间孔、粒内孔等。
2.3核磁共振试验分析
早在20世纪80年代，核磁共振方法已广泛应用于评价碎屑岩和碳酸盐岩等常规储集岩孔隙结构特征[2729]，但对泥页岩孔隙结构的评价还很少。核磁共振方法对泥页岩孔隙结构的研究主要是通过采用较低的磁场强度对页岩孔隙中流体的1H核磁信号进行检测，从而获取孔隙中流体的T2谱[3031]。孔隙流体中1H核的横向弛豫时间（t）与孔隙半径（r）存在以下关系
式中：ρ2为岩石横向弛豫强度；S为岩石孔隙总表面积；V为孔隙体积；Fs为孔隙几何形状因子，对于球状孔隙，Fs=3，对于柱状喉道，Fs=2。
岩石为多孔介质，由不同大小孔隙或喉道组成。这些孔隙和喉道对应不同的核磁弛豫信号，总的核磁弛豫信号是由不同大小孔隙的核磁弛豫信号叠加而成，因而通过式（1）可以间接反映孔隙比表面积或孔径分布比例[31]。
本文对湘鄂西地区上震旦统陡山沱组4块页岩样品进行核磁共振试验。图6为页岩样品T2谱。从图6可以看出：陡山沱组页岩样品饱含水状态下T2谱分布特征为不对称非连续双峰，无单峰T2谱，左峰幅度远大于右峰，左峰弛豫时间主要分布在01～100 ms，主峰处为1 ms，右峰弛豫时间主要分布在10～1 000 ms，不同样品主峰稍有变化，在50～100 ms之间；离心后，右峰基本消失，左峰略有减小，基本不变。根据T2谱时间与孔径大小的关系，可以大致推测陡山沱组2个T2谱峰主要反映了2种主要孔径范围的孔隙。中、微孔隙谱峰最大，表明中、微孔隙所占比例较大，大孔隙与微裂缝相对较少；中、微孔隙谱峰离心前后变化不大，说明中、微孔隙连通性较差，束缚在中、微孔隙中的残留水无法分离出；而右峰离心后谱峰基本消失，表明大孔隙与微裂缝连通性好，有利于流体运移。
3讨论
3.1页岩孔隙特征
不同孔隙研究分析方法各有优缺点，而且表征的页岩孔径范围也不尽相同。扫描电镜下陡山沱组泥页岩样品上可见大量微米级孔隙，少见纳米级孔隙，矿物成分的空间形态特征也清晰可辨，还可以直观识别矿物成分；而氩离子抛光场发射扫描电镜下陡山沱组泥页岩纳米级孔隙清晰可见，少见微米级孔隙；扫描电镜更适合微米级孔隙的观察，氩离子抛光场发射扫描电镜更适用于纳米级孔隙观察，两者综合利用有利于泥页岩孔隙全尺度定性观察。氮气吸附/脱附试验能够定量表征页岩孔径分布、孔隙体积、比表面积以及孔隙结构特征等，但是该试验主要研究中孔隙的发育特征，不能表征页岩全孔径特征；核磁共振试验可以获得包括非连通孔隙在内的某孔径范围内所有孔隙和喉道的体积以及孔径分布特征等信息，但是测试费用比较昂贵[6，31]；两者综合分析能够对页岩孔隙进行更全面的定量研究。
湘鄂西地区上震旦统陡山沱组泥页岩孔隙类型复杂多样，主要发育有粒间孔、黏土矿物层间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔、有机质孔隙以及微裂缝等；页岩孔隙尺度范围变化较大，从纳米级到微米级都有发育；孔隙结构比较复杂，可分为3种，主要为板状孔等狭缝形孔，还有部分圆筒形孔、锥形管孔等。综合分析氮气吸附/脱附、核磁共振试验，该区页岩样品以微孔隙、中孔隙为主，还有少量大孔隙和微裂缝等，其中孔径在2～5 nm之间的孔隙是页岩孔隙体积的主要贡献者，大孔隙、微裂缝连通性较好，但是微孔隙、中孔隙连通性均较差。
3.2页岩孔隙发育控制因素
页岩孔隙发育的控制因素众多， 主要包括总有机碳（TOC）、热成熟度、干酪根类型以及矿物组分等[17，19，32]。本文所选湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩样品矿物类型主要有黏土矿物和石英，还有少量方解石、白云石以及黄铁矿。通过交会图分析页岩有机质、黏土矿物、脆性矿物等含量（质量分数，下同）与页岩比表面积，孔隙体积以及微孔隙、中孔隙、大孔隙体积分数的相关性。结果表明：总有机碳与页岩孔隙度具有较好的正相关性[图7（a）]，伴随总有机碳的增加，页岩孔隙比表面积也呈上升趋势[图7（b）]，表明总有机碳是陡山沱组页岩孔隙发育的主控因素之一； 总有机碳与微孔隙（孔径小于2 nm）体积分数相關性不明显，剔除异常点后呈正相关性[图7（c）]，可能是受测试仪器精度所限，本次测试仪器对孔径小于2 nm的微孔隙还不能准确测量；总有机碳与中孔隙（孔径为2～50 nm）体积分数呈正相关性[图7（d）]，与大孔隙（孔径大于50 nm）体积分数呈负相关性[图7（e）]，表明总有机碳是陡山沱组页岩样品中微孔隙和中孔隙的主要贡献者，对大孔隙影响不大。总有机碳主要通过热演化生烃作用形成有机质孔隙，生烃过程中产生的CO2溶于水形成碳酸，而且与有机酸还可以溶解长石、方解石等易溶矿物，形成粒间孔、粒内孔等[32]。
图7（f）、（g）可见黏土矿物含量与页岩比表面积、孔隙体积存在一定正相关性，即黏土矿物含量的增加可以增加页岩孔隙比表面积和孔隙体积，更有利于气体吸附存储。这是因为黏土矿物粒度细而且具有黏土晶层形成的层间微孔隙。图7（h）～（j）可见黏土矿物含量与微孔隙体积分数呈较好的负相关性，与中孔隙体积分数呈正相关性，与大孔隙体积分数关系不明显，说明黏土矿物含量是陡山沱组页岩样品中孔隙的主要贡献者。图7（k）、（l）显示随着脆性矿物含量的增加，页岩孔隙体积和比表面积均呈下降趋势，而且脆性矿物含量与中孔隙体积分数呈负相关性，与大孔隙体积分数呈正相关性[图7（m）、（n）]，说明脆性矿物含量是湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩样品大孔隙的主要贡献者。脆性矿物含量的增加有利于页岩微裂缝的形成，而且脆性矿物之间由于矿物形态的不一致容易形成微米级的粒间孔等。
通过分析黄铁矿含量与总有机碳的相关性，发现两者呈现较好的正相关性[图7（o）]，黄铁矿含量与孔隙度也呈一定正相关性[图7（p）]。黄铁矿常与有机质共生，Loucks等研究发现有机质孔隙还容易受到与其共生的不同无机矿物的影响[15，17]。黏土矿物和黄铁矿对烃源岩成烃演化有一定的催化作用，而且在成岩演化作用过程中，黄铁矿对有机质孔隙形态还能够起到一定的保护作用。无机矿物的催化作用可以提高页岩有机质生烃演化的速率，同时还可以促使其产生更多有机质孔隙[17，19]，因而有机质与无机矿物的赋存关系也对页岩孔隙发育存在一定影响。
4结语
（1）湘鄂西地区上震旦统陡山沱组泥页岩在扫描电镜下可见大量微米级孔隙，少见纳米级孔隙，矿物成分的空间形态特征也清晰可辨，还可以直观识别矿物成分，
而氩离子抛光场发射扫描电镜下页岩纳米级孔隙清晰可见，少见微米级孔隙。扫描电镜更适合微米级孔隙的观察，而氩离子抛光场发射扫描电镜更适合于纳米级孔隙观察，两者综合使用有利于泥页岩孔隙全尺度定性观察。两者综合定性观察发现湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩发育有6种孔隙类型，主要有粒间孔、黏土矿物层间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔、有机质孔隙以及微裂缝等，页岩孔隙尺度范围变化较大，从纳米级到微米级均有发育。
（2）氮气吸附/脱附试验显示陡山沱组泥页岩孔径分布呈单峰特征，以中孔隙发育为主，发育少量微孔隙、大孔隙和微裂缝，峰值在2～5 nm之间的孔隙是页岩孔隙体积的主要贡献者。陡山沱组孔隙结构比较复杂，可分为3种，主要为板状孔等狭缝形孔，还有部分圆筒形孔、锥形管孔等。
（3）核磁共振试验显示T2谱呈不对称非连续性双峰，左峰幅度远大于右峰，左峰峰值主要分布在01～100 ms，右峰峰值主要分布在10～100 ms。根据T2谱时间与孔径大小的关系，可推测页岩样品微孔隙、中孔隙占主要部分，还有少量大孔隙和微裂缝等，但是微孔隙、中孔隙连通性均较差，而大孔隙、微裂缝连通性较好。
（4）总有机碳是页岩孔隙的主控因素之一。有机质含量主要控制页岩微孔隙、中孔隙的发育，黏土矿物含量主要影响中孔隙的发育，脆性矿物含量控制页岩大孔隙的发育。总有机碳主要通过热演化生烃作用影响页岩孔隙发育，矿物成分除了由于本身的结构特征对孔隙发育有一定影响外，其与有机质的赋存关系也间接控制孔隙的发育。
（5）本文研究认识为湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩储层评价提供了一定的科学指导依据，同时也存在一定的不足。受氮气吸附/脱附试验样品测试数量所限，对不同页岩孔隙主控因素的相关性分析存在一定局限性，后期将逐渐补充完善试验数据，并对不同页岩孔隙发育的控制因素进行深入研究分析；同时，由于页岩孔径大小分布范围广，本次试验项目不够全面，页岩孔径范围测量受到一定限制，后期需要完善页岩全孔径的分布规律研究。
参考文献：
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收稿日期：20161031
基金项目：国家科技重大专项项目（2016ZX05034001）
作者简介：孙寅森（1986），男，湖北咸宁人，中国地质大学（北京）工学博士研究生，Email：sunyinsen@163.com。
通讯作者：郭少斌（1962），男，山东福山人，教授，博士研究生导师，工学博士，Email：guosb58@126.com。
摘要：随着中国页岩气研究的不断深入，页岩储层微观孔隙特征的研究越来越受到众多学者重视。为了深入了解湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩孔隙特征，综合利用扫描电镜、氩离子抛光场发射扫描电镜、氮气吸附/脱附试验以及核磁共振试验等对页岩孔隙特征进行定性观察和定量表征，并结合有机地球化学分析数据以及岩石矿物全岩定量分析结果，探讨页岩孔隙发育的主控因素。结果表明：湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩发育6种孔隙类型，主要有粒内孔、粒间孔、黏土矿物层间孔、有机质孔隙，还可见部分黄铁矿晶间孔以及微裂缝；页岩孔径大小主要分布在2～5 nm之间，以中孔隙为主，还发育少量微孔隙和大孔隙，峰值在2～5 nm之间的孔隙是页岩孔隙体积的主要贡献者；页岩孔隙结构类型以板状孔等狭缝形孔为主，还发育部分圆筒形孔、锥形管孔等；总有机碳主要控制页岩微孔隙、中孔隙的发育，黏土矿物含量主要影响页岩中孔隙的发育，而脆性矿物含量控制页岩大孔隙的发育。
关键词：页岩；孔隙特征；控制因素；氮气吸附/脱附；核磁共振；上震旦统；陡山沱组
中图分类号：P618.13；TE122文献标志码：A
Abstract： With the deeply research on shale gas in China， the study on the characteristics of microscopic pores of shale reservoir is focused on. In order to further understand the characteristics of shale pores from Upper Sinian Doushantuo Formation in the western of Hunan and Hubei， China， the scanning electron microscope （SEM）， argon ion polishingfield emission scanning electron microscope （FESEM）， nitrogen adsorption/desorption and nuclear magnetic resonance （NMR） tests were used to make qualitative observation and quantitative characterization of shale porosity under different scales； combined with the whole rock quantitative analysis data of organic geochemistry and rock minerals， the main controlling factors on shale porosity were discussed. The results show that there are 6 types of pores from Doushantuo Formation in the western of Hunan and Hubei， including intergranular， intragranular， pyrite intercrystalline， interlayer， organic pores and micro cracks； the pore diameters of shales are 25 nm， and the middle pore mainly develops， a small amount of micro and macro pores develop； the pores with the peak diameters of 25 nm are the main contributor to shale pore volume； the types of shale pore structure are mainly narrow plate pore， and partly cylinder pore， conical pore， etc.； total organic carbon is the main contributor to the development of micro and middle pores， and the content of clay mineral mainly affects the development of middle pore， and the content of brittleness mineral mainly controls the development of macro pore.
Key words： shale； pore characteristic； controlling factor； nitrogen adsorption/desorption； nuclear magnetic resonance； Upper Sinian； Doushantuo Formation
0引言
近年来，随着中国页岩气研究的不断深入，南方页岩气勘探已经取得了突破性进展，针对页岩储层微观孔隙特征的研究越来越受到众多学者的重视[17]。页岩气主要以吸附态和游离态赋存于页岩孔隙中[14]，因而页岩孔隙特征的研究显得尤为重要。页岩孔隙特征的研究主要包括页岩孔隙类型及形态特征、孔径分布、孔隙体积、比表面积、空间结构特征以及孔隙连通性等[5]。
目前，南方海相页岩气主要研究层位集中在中上扬子地区下寒武统、上奥陶统—下志留统以及上二叠统，而对上震旦统陡山沱组页岩的研究极少[89]。因此，需要针对上震旦统陡山沱组泥页岩储层微观孔隙特征展开深入研究。目前，国内外学者主要采用偏光显微镜、高分辨率扫描电镜、CT扫描等图像分析技术对页岩孔隙类型、形态特征及成因等进行观察描述，或通过低温液氮吸附试验、CO2吸附试验、高压压汞等流体注入法定量表征页岩孔径分布及结构特征[67]。由于单一方法表征页岩孔隙特征都存在一定局限性，所以本文综合利用扫描电镜及氩离子抛光场发射扫描电镜技术对湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩样品不同孔隙尺度下孔隙形态特征进行定性观察，并通过氮气吸附/脱附試验定量分析泥页岩的孔径分布以及孔隙空间结构特征等，同时选用无损检测法（核磁共振试验）深入分析页岩孔隙的连通性以及结构特征等，并结合全岩定量分析数据以及有机地球化学分析资料，通过相关性分析讨论页岩孔隙的主控因素，以期能为湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩气的勘探与评价提供科学依据。
1材料与方法
1.1样品采集
页岩样品均采自中扬子湘鄂西地区黄陵背斜新钻页岩气预探井。在陡山沱组初期，早震旦世南沱冰川融化，海侵范围不断扩大，此时中扬子地区海水较浅；进入陡山沱组中、晚期，古地理环境发生急剧变化，形成各种深水、浅水沉积物，该期沉积的泥页岩在湘鄂西地区非常发育，主要为深水陆棚相沉积[9]。页岩样品总有机碳主要分布在04%～19%之间，大于1%的样品占总量的600%，平均总有机碳为101%。有机质类型主要为Ⅱ型干酪根，有机质成熟度较高，镜质体反射率普遍大于200%，最高达到405%，大多进入到高成熟—过成熟阶段（表1）。本文优选了4块页岩样品进行氮气吸附/脱附试验，优选了4块页岩样品进行核磁共振试验。
1.2测试分析
同时选用扫描电镜和氩离子抛光场发射扫描电镜试验对页岩样品进行观察。试验是在中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室完成的。氩离子抛光场发射扫描电镜试验前需要利用氩离子束轰击预抛光表面，得到高品质的页岩截面，然后进行扫描电镜观察。试验抛光仪所用设备为IB09010CP型离子截面抛光仪，制样过程减薄仪的工作电压为10 kV，电流束为10 μA；扫描电镜所用设备为JSM6700F型冷场发射扫描电子显微镜，观察过程中扫描电镜的加速电压为10 kV。
核磁共振试验是在中国石油勘探开发研究院廊坊分院非常规油气实验室完成的。试验采用的设备为RecCore04型低磁场核磁共振岩样分析仪。试〖CM（22〗验前首先对页岩样品进行预处理：将页岩样品放在70 ℃的干燥箱内干燥24 h，然后抽真空8 h，最后放入蒸馏水中饱和8 h。试验过程主要有3个步骤：①页岩样品在100%饱含水的情况下进行核磁共振试验；②取出页岩样品放入离心泵中，在138 MPa的离心压力下高速离心1.5 h，使页岩样品处于理想的残余水状态；③将离心后的页岩样品进行残余水状态下的核磁共振试验。因此，可同时获得每个页岩样品100%饱含水状态下和残余水状态下的2个T2谱，进而分析页岩的孔隙结构。
氮气吸附/脱附试验是在河北省沧州市华北油田邦达新技术有限公司实验室完成的。试验采用HBY200022型比表面及孔径测定仪。页岩样品经过90 ℃加热1 h后，加热至350 ℃真空脱气5 h，然后放入液氮瓶中进行等温吸附/脱附测定，仪器测试孔径范围为035～50000 nm，吸附/脱附相对压力为0001～0995。根据BET法计算页岩比表面积，应用BJH法可得到页岩样品孔径分布范围[1011]。〖LL〗
2结果分析
2.1孔隙类型
目前，国内外页岩孔隙类型的分类标准很多，邹才能等从孔隙大小、发育位置、形状特征、成因等多个角度提出过多种划分方案[1，1214]。本文在泥页岩定性观察描述中的页岩孔隙分类借鉴Loucks等提出的页岩微孔隙分类方法[1516]。依据储层基质分类，并结合上震旦统陡山沱组页岩孔隙发育特征，将研究区页岩孔隙划分为无机矿物孔隙、有机质孔隙和微裂缝3种类型。无机矿物孔隙主要包括粒间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔、黏土矿物层间孔等。每一种孔隙的孔径分布、孔隙形态及成因机制见表2。为了方便统计，定量研究中的孔隙分类借鉴国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）对孔隙的定义，将页岩孔隙划分为微孔隙（孔径小于2 nm）、中孔隙（孔径为2～50 nm）和宏（大）孔隙（孔径大于50 nm）[12]。
2.1.1无机矿物孔隙
無机矿物孔隙主要是赋存于无机矿物颗粒内部或微晶之间的微孔隙[1516]，根据赋存位置可划分为粒内孔、粒间孔、黄铁矿晶间孔以及黏土矿物层间孔等[图1、图2（a）～（c）]。
粒内孔发育于颗粒内部，孔隙形态多呈圆形或椭圆形，孔径分布范围广，多为纳米级，也有少量可达微米级及以上[图1（a）～（d）、图2（c）]。图1（c）、（d）中孔隙可能是有机质热演化生烃过程中产生的有机酸、二氧化碳等与石英、长石、碳酸盐岩等发生化学反应溶解形成的；图1（a）、图1（b）、图2（c）中孔隙可能是在成岩演化过程中黏土矿物或其他不稳定矿物转化为伊利石或其他矿物形成的。前者形成的孔隙多孤立存在，连通性较差；后者形成的孔隙多与其他孔隙相伴生，连通性相对较好[15，17]。
黏土矿物层间孔主要通过矿物边缘及表面连接富集形成的。扫描电镜照片显示，湘鄂西地区上震旦统陡山沱组黏土矿物层间孔非常发育，孔隙形态多为狭缝形、网状、不规则孔，孔径分布从上百纳米至数微米都有[图1（a）、（b）、（d）]。该类孔隙的形成与黏土矿物自身组成成分的结构特征有关。湘鄂西地区上震旦统陡山沱组黏土矿物主要为伊利石和伊蒙混层，还有少量高岭石和绿泥石。伊利石多呈叶片状、丝发状；伊蒙混层呈蜂窝状、棉絮状等；高岭石多呈书页状、手风琴状；绿泥石呈针叶、花瓣状。因而黏土矿物成岩过程中易于形成层间孔。黏土矿物成分自身排列无序，可能导致层间孔分选差以及形状不规则，既可以形成连通性较好的网状层间孔，也存在连通性相对较差的狭缝形层间孔和不规则层间孔等。这些不同类型的层间孔还可与粒间孔一起形成孔隙网络，提高页岩的储渗能力[18]。
粒间孔主要发育在矿物颗粒之间，是常规储层中比较常见的储集空间类型，在页岩储层中同样发育。图1（d）～（f）、图2（a）显示研究区页岩粒间孔以三角形、不规则多边形、狭缝形为主，孔径分布范围较广，从几百纳米到几微米均有发育。该孔隙形态与矿物成分关系密切。图1（d）、图2（a）为黏土矿物与脆性矿物不紧密堆积形成的狭缝形粒间孔；图1（e）、（f）为脆性矿物之间彼此接触形成的三角形和不规则多边形粒间孔。
黄铁矿晶间孔是黄铁矿晶体生长过程中不紧密堆积形成的晶间孔，多以草莓状单体或集合体出现，孔径分布从几十纳米至几百纳米都有[图2（b）]。黄铁矿与有机质赋存关系密切，通常以充填或包裹式共存，在富有机质泥页岩层系中普遍存在[15，17]。
2.1.2有机质孔隙
有机质孔隙是分布在有机质内部的孔隙。Loucks等研究认为有机质孔隙是富有机质页岩储层最重要的孔隙类型，是页岩气主要的赋存空间[1516]。湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩样品中有机质孔隙发育不均衡，同一块页岩样品有机质仅有部分发育有机质孔隙，还有部分不发育[图2（e）]。
孔隙形态多样，有层状有机质孔隙[图2（d）]、网状有机质孔隙[图2（h）]等，多呈近圆形、椭圆形、狭缝形等，孔径分布多在几纳米至几百纳米之间，也有少量孔隙达到微米级[图2（d）～（h）]。蒲泊伶等研究发现，当热演化成熟度达到0.6%时，有机质孔隙才会产生[5]。这表明有机质孔隙与有机质热演化过程密切相关，可能由于干酪根热演化生烃过程中消耗了有机质成分，产生了孔隙或者收缩缝。此外，有机质孔隙的形成与有机质类型和丰度有关，可能由于有机质分布不均一导致同一块页岩样品有机质存在差异，所以存在同一块页岩样品同时出现有机质孔隙发育和不发育的现象。
2.1.3微裂缝
微裂缝的形成与页岩沉积构造和成岩演化作用导致应力变化有关，一般裂缝长度可达微米级[15，17，19]。根据裂缝成因机制可将微裂缝划分为构造裂缝、成岩收缩裂缝、高压碎裂缝和人为裂缝等[15]。湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩中微裂缝广泛发育[图1（e）、（f），图2（i）～（l）]。图2（i）、（j）可见成岩收缩缝，该类裂缝多发生在不同矿物颗粒周缘，应是成岩过程中脱水导致的；由图1（e）、（f）及图2（i）、（j）、（l）可见高压碎裂缝，该类裂缝应是成岩过程中受局部应力作用导致矿物颗粒发生破裂形成的；图2（k）为构造裂缝，该类裂缝较平直，普遍尺度较大，裂隙延伸较好，裂隙宽度多小于数百纳米，长度在数十微米至毫米级。规模较大的构造裂缝有时还可以沟通其他类型孔隙，形成相互交错的立体渗流网络，为页岩气提供有效的赋存空间，也是气体运移的主要通道，对气体的微观运移具有重要意义[17]。
2.1.4SEM与FESEM图像观察比较
由于不同的仪器和测量方法观察的孔隙尺度范围不一致[2021]，本文同时选取了扫描电镜（SEM）和氩离子抛光场发射扫描电镜（FESEM）两种方法对页岩样品的微观孔隙特征进行定性观察。根据陡山沱组泥页岩镜下特征（图1、2）可知：扫描电镜不仅能够宏观定性观察页岩孔隙发育特征，还能直观显示页岩孔隙结构、矿物成分形态特征以及有机质的赋存状态等，但是由于扫描电镜预处理过程采用机械抛光，导致薄片表面形态不规则，观察到的页岩孔隙以微米—毫米级大孔隙为主，纳米级孔隙难以分辨；而氩离子抛光场发射扫描电镜利用氩离子抛光替代了机械抛光，样品表面平整，更有利于页岩镜下观察，可以清楚地观察页岩纳米级孔隙的分布，但是无法分辨矿物的形态特征[57]，还需要借助能谱分析识别矿物成分。因此，两种方法综合运用更有利于页岩孔隙特征的全面定性观察。
2.2氮气吸附/脱附试验分析
2.2.1孔隙比表面积、体积与孔径分布特征
通过4块页岩样品的氮气吸附/脱附试验，利用BET法求取比表面积（表3），可知湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩孔隙比表面积主要分布在3158～7928 m2·g-1，平均为6104 5 m2·g-1。依据BJH法可对页岩孔隙体积和孔径分布进行研究[1011]，试验页岩样品的孔隙体积为0002 14～0008 04 mL·g-1，平均孔隙体积为0005 722 5 mL·g-1。测试样品平均孔径为270～469 nm，平均为3597 5 nm。图3中页岩孔径分布特征能够反映出孔径的主要分布范围以及对孔隙体积的贡献。从图3可以看出，湘鄂西地区上震旦统陡山沱组微观孔隙孔径分布范围为2～50 nm，主峰值主要分布在2～5 nm之间，表明该孔径段的孔隙是陡山沱组孔隙体积的主要贡献者。
2.2.2吸附/脱附曲线特征
根据吸附与凝聚理论，页岩作为一种有孔矿物，可以通过氮气吸附/脱附试验获得测试样品的吸附/脱附曲线（图4），而吸附/脱附曲线形态可以较好地表征页岩的孔隙结构特征[2226]。目前应用较多的是Brunauer等提出的5类划分方案[11]。图4中不同曲线类型代表的典型孔隙结构具有比较单一的形状、大小分布特征，但实际曲线并不是单一类型的孔隙结构，往往都是不同典型曲线的复合叠加，因而呈现复杂的曲线形态。
圖5为湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩岩芯的氮气吸附/脱附曲线。根据各样品曲线形态特征可以发现，所有测试样品均有吸附回线，而封闭性孔隙一般不能产生吸附回线，表明页岩储层孔隙形态呈开放状态[2326]。各吸附曲线形态上略有差异，但是整体呈S型，与Ⅱ型吸附等温线类似，是中孔类多孔介质的显著特征。吸附曲线与脱附回线在压力较高段分离形成吸附回滞环，说明页岩孔隙存在毛细管凝聚现象。吸附回线与IUPAC标准中的H4型回线接近，表明陡山沱组孔隙结构不规整，孔径分布不均衡，存在微孔隙和中孔隙，而且多为狭缝形孔隙。参考Brunauer等提出的划分方案[11]，可将陡〖CM（22〗山沱组吸附/脱附曲线划分为3类：样品N1、N6为〖LL〗Ⅰ类，样品N12为Ⅱ类，样品N19为Ⅲ类（图5）。Ⅰ类吸附/脱附曲线在相对压力小于0.5时，脱附曲线与吸附曲线重合，在相对压力为05～06时出现明显拐点，相对压力接近0.9时，吸附/脱附曲线显著增加，吸附体积相对较大，此类曲线对应的孔隙以狭窄的平行板孔为主，还存在部分两端开口的圆筒形孔、锥形管孔以及墨水瓶孔；Ⅱ类吸附/脱附曲线形态与Ⅰ类相似，只是拐点相对平缓，此类曲线对应的孔隙以狭缝形板状孔和四端开口的锥形平板孔为主，还有少量两端开口的锥形管孔；Ⅲ类吸附/脱附曲线拐点不明显，近平行，吸附回滞环较小，吸附体积较小，此类曲线对应的孔隙主要为四端开口的锥形平板孔，也有少量的狭窄平行板孔。
综上所述，湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩孔隙多为开放型孔隙，孔隙结构不规整，孔径分布不均，存在微孔隙、中孔隙和少量大孔隙，多发育狭缝形孔。孔隙类型多样，主要有平行板孔、圆筒形孔、锥形管孔。结合泥页岩的矿物组成和结构特征，泥页岩页理发育以及黏土矿物层间孔等可能是平行板状孔和锥形平板孔脱附回线普遍的主要原因，圆筒形孔与锥形孔可能与泥页岩有机质孔隙、粒间孔和粒内孔有关。这说明湘鄂西地区上震旦统陡山沱组主要孔隙类型为黏土矿物层间孔、有机质孔隙、粒间孔、粒内孔等。
2.3核磁共振试验分析
早在20世纪80年代，核磁共振方法已广泛应用于评价碎屑岩和碳酸盐岩等常规储集岩孔隙结构特征[2729]，但对泥页岩孔隙结构的评价还很少。核磁共振方法对泥页岩孔隙结构的研究主要是通过采用较低的磁场强度对页岩孔隙中流体的1H核磁信号进行检测，从而获取孔隙中流体的T2谱[3031]。孔隙流体中1H核的横向弛豫时间（t）与孔隙半径（r）存在以下关系
式中：ρ2为岩石横向弛豫强度；S为岩石孔隙总表面积；V为孔隙体积；Fs为孔隙几何形状因子，对于球状孔隙，Fs=3，对于柱状喉道，Fs=2。
岩石为多孔介质，由不同大小孔隙或喉道组成。这些孔隙和喉道对应不同的核磁弛豫信号，总的核磁弛豫信号是由不同大小孔隙的核磁弛豫信号叠加而成，因而通过式（1）可以间接反映孔隙比表面积或孔径分布比例[31]。
本文对湘鄂西地区上震旦统陡山沱组4块页岩样品进行核磁共振试验。图6为页岩样品T2谱。从图6可以看出：陡山沱组页岩样品饱含水状态下T2谱分布特征为不对称非连续双峰，无单峰T2谱，左峰幅度远大于右峰，左峰弛豫时间主要分布在01～100 ms，主峰处为1 ms，右峰弛豫时间主要分布在10～1 000 ms，不同样品主峰稍有变化，在50～100 ms之间；离心后，右峰基本消失，左峰略有减小，基本不变。根据T2谱时间与孔径大小的关系，可以大致推测陡山沱组2个T2谱峰主要反映了2种主要孔径范围的孔隙。中、微孔隙谱峰最大，表明中、微孔隙所占比例较大，大孔隙与微裂缝相对较少；中、微孔隙谱峰离心前后变化不大，说明中、微孔隙连通性较差，束缚在中、微孔隙中的残留水无法分离出；而右峰离心后谱峰基本消失，表明大孔隙与微裂缝连通性好，有利于流体运移。
3讨论
3.1页岩孔隙特征
不同孔隙研究分析方法各有优缺点，而且表征的页岩孔径范围也不尽相同。扫描电镜下陡山沱组泥页岩样品上可见大量微米级孔隙，少见纳米级孔隙，矿物成分的空间形态特征也清晰可辨，还可以直观识别矿物成分；而氩离子抛光场发射扫描电镜下陡山沱组泥页岩纳米级孔隙清晰可见，少见微米级孔隙；扫描电镜更适合微米级孔隙的观察，氩离子抛光场发射扫描电镜更适用于纳米级孔隙观察，两者综合利用有利于泥页岩孔隙全尺度定性观察。氮气吸附/脱附试验能够定量表征页岩孔径分布、孔隙体积、比表面积以及孔隙结构特征等，但是该试验主要研究中孔隙的发育特征，不能表征页岩全孔径特征；核磁共振试验可以获得包括非连通孔隙在内的某孔径范围内所有孔隙和喉道的体积以及孔径分布特征等信息，但是测试费用比较昂贵[6，31]；两者综合分析能够对页岩孔隙进行更全面的定量研究。
湘鄂西地区上震旦统陡山沱组泥页岩孔隙类型复杂多样，主要发育有粒间孔、黏土矿物层间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔、有机质孔隙以及微裂缝等；页岩孔隙尺度范围变化较大，从纳米级到微米级都有发育；孔隙结构比较复杂，可分为3种，主要为板状孔等狭缝形孔，还有部分圆筒形孔、锥形管孔等。综合分析氮气吸附/脱附、核磁共振试验，该区页岩样品以微孔隙、中孔隙为主，还有少量大孔隙和微裂缝等，其中孔径在2～5 nm之间的孔隙是页岩孔隙体积的主要贡献者，大孔隙、微裂缝连通性较好，但是微孔隙、中孔隙连通性均较差。
3.2页岩孔隙发育控制因素
页岩孔隙发育的控制因素众多， 主要包括总有机碳（TOC）、热成熟度、干酪根类型以及矿物组分等[17，19，32]。本文所选湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩样品矿物类型主要有黏土矿物和石英，还有少量方解石、白云石以及黄铁矿。通过交会图分析页岩有机质、黏土矿物、脆性矿物等含量（质量分数，下同）与页岩比表面积，孔隙体积以及微孔隙、中孔隙、大孔隙体积分数的相关性。结果表明：总有机碳与页岩孔隙度具有较好的正相关性[图7（a）]，伴随总有机碳的增加，页岩孔隙比表面积也呈上升趋势[图7（b）]，表明总有机碳是陡山沱组页岩孔隙发育的主控因素之一； 总有机碳与微孔隙（孔径小于2 nm）体积分数相關性不明显，剔除异常点后呈正相关性[图7（c）]，可能是受测试仪器精度所限，本次测试仪器对孔径小于2 nm的微孔隙还不能准确测量；总有机碳与中孔隙（孔径为2～50 nm）体积分数呈正相关性[图7（d）]，与大孔隙（孔径大于50 nm）体积分数呈负相关性[图7（e）]，表明总有机碳是陡山沱组页岩样品中微孔隙和中孔隙的主要贡献者，对大孔隙影响不大。总有机碳主要通过热演化生烃作用形成有机质孔隙，生烃过程中产生的CO2溶于水形成碳酸，而且与有机酸还可以溶解长石、方解石等易溶矿物，形成粒间孔、粒内孔等[32]。
图7（f）、（g）可见黏土矿物含量与页岩比表面积、孔隙体积存在一定正相关性，即黏土矿物含量的增加可以增加页岩孔隙比表面积和孔隙体积，更有利于气体吸附存储。这是因为黏土矿物粒度细而且具有黏土晶层形成的层间微孔隙。图7（h）～（j）可见黏土矿物含量与微孔隙体积分数呈较好的负相关性，与中孔隙体积分数呈正相关性，与大孔隙体积分数关系不明显，说明黏土矿物含量是陡山沱组页岩样品中孔隙的主要贡献者。图7（k）、（l）显示随着脆性矿物含量的增加，页岩孔隙体积和比表面积均呈下降趋势，而且脆性矿物含量与中孔隙体积分数呈负相关性，与大孔隙体积分数呈正相关性[图7（m）、（n）]，说明脆性矿物含量是湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩样品大孔隙的主要贡献者。脆性矿物含量的增加有利于页岩微裂缝的形成，而且脆性矿物之间由于矿物形态的不一致容易形成微米级的粒间孔等。
通过分析黄铁矿含量与总有机碳的相关性，发现两者呈现较好的正相关性[图7（o）]，黄铁矿含量与孔隙度也呈一定正相关性[图7（p）]。黄铁矿常与有机质共生，Loucks等研究发现有机质孔隙还容易受到与其共生的不同无机矿物的影响[15，17]。黏土矿物和黄铁矿对烃源岩成烃演化有一定的催化作用，而且在成岩演化作用过程中，黄铁矿对有机质孔隙形态还能够起到一定的保护作用。无机矿物的催化作用可以提高页岩有机质生烃演化的速率，同时还可以促使其产生更多有机质孔隙[17，19]，因而有机质与无机矿物的赋存关系也对页岩孔隙发育存在一定影响。
4结语
（1）湘鄂西地区上震旦统陡山沱组泥页岩在扫描电镜下可见大量微米级孔隙，少见纳米级孔隙，矿物成分的空间形态特征也清晰可辨，还可以直观识别矿物成分，
而氩离子抛光场发射扫描电镜下页岩纳米级孔隙清晰可见，少见微米级孔隙。扫描电镜更适合微米级孔隙的观察，而氩离子抛光场发射扫描电镜更适合于纳米级孔隙观察，两者综合使用有利于泥页岩孔隙全尺度定性观察。两者综合定性观察发现湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩发育有6种孔隙类型，主要有粒间孔、黏土矿物层间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔、有机质孔隙以及微裂缝等，页岩孔隙尺度范围变化较大，从纳米级到微米级均有发育。
（2）氮气吸附/脱附试验显示陡山沱组泥页岩孔径分布呈单峰特征，以中孔隙发育为主，发育少量微孔隙、大孔隙和微裂缝，峰值在2～5 nm之间的孔隙是页岩孔隙体积的主要贡献者。陡山沱组孔隙结构比较复杂，可分为3种，主要为板状孔等狭缝形孔，还有部分圆筒形孔、锥形管孔等。
（3）核磁共振试验显示T2谱呈不对称非连续性双峰，左峰幅度远大于右峰，左峰峰值主要分布在01～100 ms，右峰峰值主要分布在10～100 ms。根据T2谱时间与孔径大小的关系，可推测页岩样品微孔隙、中孔隙占主要部分，还有少量大孔隙和微裂缝等，但是微孔隙、中孔隙连通性均较差，而大孔隙、微裂缝连通性较好。
（4）总有机碳是页岩孔隙的主控因素之一。有机质含量主要控制页岩微孔隙、中孔隙的发育，黏土矿物含量主要影响中孔隙的发育，脆性矿物含量控制页岩大孔隙的发育。总有机碳主要通过热演化生烃作用影响页岩孔隙发育，矿物成分除了由于本身的结构特征对孔隙发育有一定影响外，其与有机质的赋存关系也间接控制孔隙的发育。
（5）本文研究认识为湘鄂西地区上震旦统陡山沱组页岩储层评价提供了一定的科学指导依据，同时也存在一定的不足。受氮气吸附/脱附试验样品测试数量所限，对不同页岩孔隙主控因素的相关性分析存在一定局限性，后期将逐渐补充完善试验数据，并对不同页岩孔隙发育的控制因素进行深入研究分析；同时，由于页岩孔径大小分布范围广，本次试验项目不够全面，页岩孔径范围测量受到一定限制，后期需要完善页岩全孔径的分布规律研究。
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收稿日期：20161031
基金项目：国家科技重大专项项目（2016ZX05034001）
作者简介：孙寅森（1986），男，湖北咸宁人，中国地质大学（北京）工学博士研究生，Email：sunyinsen@163.com。
通讯作者：郭少斌（1962），男，山东福山人，教授，博士研究生导师，工学博士，Email：guosb58@126.com。
