页岩孔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)

页岩孔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—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—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

0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—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(Kwon et al,2004；Desbois et al,2009；Loucks et al,2009,2012；Day-Stirrat et al,2010；Milliken et al,2010；Curtis et al,2011；Slatt et al,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；Chalmers et al，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(TEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线计算机断层成像(X-ray CT)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孔隙结构和裂隙，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(Rouquerol et al,1994)，将页岩孔隙划分为宏孔(>50 nm)，中孔(介孔)(2～50 nm)，微孔(<2 nm)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0.04 nm(邹才能等, 2011)，TEM的分辨率更高，可观察孔隙内部结构(图1b)。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需要喷碳或金，可在自然状态下观察页岩孔隙结构(图1c)；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 et al,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5 nm，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。

由于常用的岩样抛光技术会在样品表面留下擦痕，导致人为的孔隙及微裂隙，因此在使用场发射扫描电镜和透射电镜观察页岩的孔隙结构时，常使用氩离子研磨(Ar-ion beam milling)和聚焦离子束(FIB)研磨等精细研磨抛光技术。氩离子研磨不受样品硬度的影响且操作面积较大，能够获得较光滑的平面，但仍可观察到研磨抛光的痕迹(图1e)，其加工区域一般为1.5 mm×0.5 mm，常与SEM结合使用，识别的孔隙尺寸可到5 nm(Loucks et al,2009，2012)。FIB研磨技术可消除表面的粗糙形成平坦的表面(Erdman et al,2006；Keller et al,2011)，常与FE-SEM和TEM相结合，观察页岩储层中的宏孔和中孔及其内部结构(图1f)。如果使用FIB研磨对样品进行连续的减薄，就可实现岩石组构的三维成像(Lemmens et al,2010；Curtis et al,2012b；Bai et al,2013)。但FIB研磨技术的离子刻槽范围很小，且受样品颗粒尺寸的影响，难以约束大范围的孔隙结构状态(Chalmers et al,2012)，同时镓离子有可能对样品表面造成破坏(Erdman et al,2006)。

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1 μm，孔径约 300～800 nm(Sondergeld et al,2010)；(b) Ar离子抛光后的Barnett页岩的SEM图像、有机质孔隙：表面有研磨痕迹(Loucks et al,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状结构(Curtis et al,2012a)；(d) Barnett页岩的TEM图像：可观察到的孔径最小为2 nm，有机质成海绵状的结构(据Curtis et al,2011)；(e) 龙马溪组页岩的ESEM图像(张廷山等,2013)；(f) 筇竹寺组页岩的AFM图像：纳米孔隙成规则栅格状排列，有锯齿状的结构特征，其宽度可达5 nm(梁兴等, 2014)Fig.1　Comparison of high-resolution electron microscopic images for shales in different areas(a) SEM image of the Barnett shale, scale of 1 μm, pore size of about 300～800 mm (Sondergeld et al, 2010);(b) SEM image of the Barnett shale after argon ion polishing, and organic matter pore. Grinding trace can be seen in the shale surface (Loucks et al, 2009);(c) FIB-SEM image of the Woodford shale, with a smooth surface and no grinding trace. Finger-like structure can be observed in the organic matter pores (Curtis et al, 2012a)；(d) TEM image of the Barnett shale, with a minimum pore size of 2 nm, and spongy organic matter (Curtis et al, 2011);(e) ESEM image of the Longmaxi Formation shale (Zhang et al, 2013);(f) AFM image of the Qiongzhusi Formation shale. The nanometer pores display a regular grid arrangement, with a serrated texture, up to 5 nm wide (Liang et al, 2014)

X-ray CT技术根据不同物体对X射线的吸收能力的不同，利用计算机三维成像技术重建断层影像，在页岩的研究中则主要用于判断米—毫米尺度岩芯的层理及矿物优选方向、密度等(Josh et al，2012)。Micro-CT、Nano-CT的原理与X-ray CT相同，但具备更高的分辨率，Micro-CT分辨率在1 μm内，Nano-CT的分辨率最高可达50 nm(邹才能等，2011)。然而，Nano-CT的分辨率无法对中孔、微孔进行观察，因此崔景伟等(2012)提出先进行工艺CT-微米、再进行CT-纳米和CT/FIB系列扫描分析的研究方法。

1.2　物理测量法

此类方法直接测量页岩的孔隙大小、分布、孔隙率和比表面积，主要包括压汞法(Mercury Injection Capillary Pressure， MICP)、气体吸附分析(CO2吸附法、N2吸附法)和核磁共振法(NMR)。

压汞法是通过测量不同外压下进入页岩孔隙中汞的量，绘制进退汞曲线，来获得页岩孔隙体积的分布状态。压汞仪的最大工作压力决定其探测的最小孔径，探测范围为7.5～ 75 000 nm，可获得孔隙率、比表面积及孔径分布等孔隙结构参数。压汞法存在如下局限性:(1) 页岩为低孔、低渗的致密岩石时，压汞所需的高压会对页岩造成人为破坏而引起误差；(2) 压汞法的假设条件(圆柱状孔隙且表面光滑)与页岩的复杂孔隙类型及粗糙表面不相符；(3) 孔喉的存在会影响测量结果(谢晓永等,2006；Giesche,2006)。

气体吸附法用于测量等温不等压条件下样品表面对N2和CO2的吸附量，通过吸附-脱附等温线来获得页岩孔隙体积、孔径分布及孔隙形态等信息(陈尚斌等, 2012,2013；钟太贤, 2012；Chalmers et al,2012)。气体吸附法探测下限取决于气体分子直径，N2吸附的探测范围一般为1.5～300 nm(梁兴等，2014)，因此页岩的中孔分布可利用基于B￣r￣u￣n￣a￣u￣e￣r￣-￣E￣m￣m￣ett-Teller(BET)、Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方程模型(谢晓永等,2006；Bustin et al,2008)的N2气体吸附分析测定。CO2气体可以进入0.35 nm的孔隙，因此可获得页岩的微孔分布(Bustin et al,2008)。由于压汞法探测上限为1 mm，气体吸附法探测下限为0.35 nm，所以前者可以反映页岩宏孔甚至微裂缝的信息，而后者可以有效反映页岩中纳米孔隙的分布(谢晓永等，2006；田华等，2012)。因此，为揭示页岩孔隙结构的全貌，页岩中的宏孔可用压汞法测定，介孔用N2气体吸附法测定，微孔用CO2气体吸附法测定(田华等,2012；Bustin et al,2008；Ross et al,2009)。基于气体吸附等温线，淬火固体密度泛函理论(QSDFT)通过粗糙度来定量描述表面几何形态，可计算介孔和微孔的孔径分布，适于页岩复杂孔隙结构的研究(杨侃等，2013；Neimark et al,2009)。

测井核磁共振技术利用有磁矩的原子核吸收射频辐射能量时产生的核磁共振现象，可获得各种有机和无机化合物的结构信息，近年来也应用于测量页岩孔隙率及孔径分布(孙军昌等,2012；邹才能等，2013；Washburn et al，2013)。以1H核为研究对象所获得的谱图称为氢核磁共振波谱图。由于孔隙的大小与氢核的弛豫率成反比关系，一般采用T2(流体的弛豫时间)谱(刘堂宴等,2003)，测试孔径范围一般为8 nm～80 μm(邹才能等,2013)。由于其探测对象是孔隙流体中的氢核，因而避开了岩性和有机碳的影响，可以有效反映储层总孔隙度、有效孔隙度等信息，并可以利用T2谱的形态和裂缝饱和度将页岩气的储集空间分为两大类: 孔隙型和裂隙型(丁娱娇等,2014)。但由于核磁共振法受测试环境、仪器参数、样品的微孔隙、顺磁性物质及流体类型等因素影响，此方法亦存在局限性:(1) 获得的孔隙率低于压汞法孔隙率及氦孔隙率(Yao et al,2010)；(2) 由于页岩中纳米级孔隙的流体弛豫时间短，可能低于仪器下限而无法探测(焦堃等,2014)；(3) 难以区分有机质孔隙中的水和有机质，造成数据解读复杂(焦堃等,2014)。因此，目前利用核磁共振法研究页岩孔隙结构特征存在较大的难度，需要仪器精度和数据解释方法的突破。

以上对页岩孔隙结构的常用研究手段的优缺点进行了总结(表1)，随着新技术的不断应用，图像观察法和物理测量法相结合已成为定量研究页岩孔隙结构的趋势。

2孔隙分类方法

孔隙的形态、大小及分布是进行孔隙分类的主要标准。使用图像观察法，可以将孔隙划分为粒内孔、粒间孔、有机质孔及微裂隙，而依据物理测量法可对孔隙的大小进行分类。

2.1　基于图像观察法的孔隙分类

此分类方案与常规储层的孔隙分类方案基本类似，在图像观察的基础上，依据孔隙的发育位置及其与岩石颗粒之间的关系对孔隙进行分类。结合氩离子研磨和SEM观察的结果，Loucks等(2009)首次提出了有机质纳米孔隙(Organoporosity)的概念，Ambrose(2010)、Passey等(2010)、Schieber(2010)、Curtis等(2011)等都证实了页岩中有机质孔隙的存在。Slatt等(2011)通过对美国Barnett和Woodford页岩中孔隙类型的定性观察研究，划分出6类页岩孔隙: 黏土矿物絮体间孔隙、有机质孔隙、粪球粒内孔隙、化石碎屑内孔隙、颗粒内孔隙、微裂隙通道。

表1　页岩孔隙结构的研究手段

Loucks等(2012)进一步提出了页岩基质孔隙(基质中未被充填的空间)的三端元分类模型: 粒间孔、粒内孔和有机质孔隙。(1) 粒间孔主要是塑性颗粒(片状黏土矿物、粪球粒等)、脆性颗粒(石英、长石、自生黄铁矿和生物碎屑等)之间的孔隙。(2) 粒内孔主要是颗粒内部的孔隙，如化石、云母、黄铁矿微球粒等内部的孔隙，也包括颗粒内的溶蚀孔(例如长石的溶蚀孔)。(3) 有机质孔隙为发育在有机质内部的粒内孔隙。与基质孔隙相对应，非基质孔隙是指不受单个基质颗粒影响，即与破裂有关的孔隙。

上述三端元分类模型方案得到了国内许多学者的认可(蒋裕强等，2010；陈尚斌等，2012；王玉满等，2012；吴勘等，2012；朱日房等，2012；黄振凯等，2013等；司马立强等，2013)。然而与北美稳定的富有机质海相泥页岩相比，中国的沉积盆地发育了海相、陆相及海陆过渡相3类富含有机质的泥页岩，具有自身的特性。国内学者在研究四川、鄂尔多斯等地的页岩孔隙时提出了各种孔隙分类方案，但基本上可以按照Loucks等(2012)的分类方案进行汇总(表2)。

表2　中国页岩孔隙分类方案汇总

2.2　基于物理测量法的孔隙分类

图像观察法在测定孔隙大小分布时，统计代表性较差，测定时间较长，且难以反映储层的岩石物理性质(田华等,2012；Loucks et al,2012)。而压汞法与气体吸附法等方法可以对页岩的孔隙大小进行统计，为建立孔隙与岩石物性的关系提供了基础(田华等,2012)。但是,关于宏孔、中孔(介孔)及微孔的分类界线目前还存在争议。Chalmers等(2012)将页岩孔隙划分为宏孔(>50 nm)，中孔(介孔)(2～50 nm)，微孔(<2 nm)，并将中孔进一步划分为细介孔(2～10 nm)、中介孔(10～25 nm)和粗介孔(25～50 nm)，认为中孔和微孔对页岩储层的孔隙率具有较大贡献。冉波等(2013)重新厘定了四川盆地南缘五峰—龙马溪组页岩的孔隙大小分布: 宏孔(>1 000 nm)、中孔(10～1 000 nm)、微孔(<10 nm)，其分类界限较粗，与煤储层常采用的霍比特分类一致。根据笔者对下扬子地区页岩的SEM 观察及PCAS统计，下扬子地区古生界页岩孔隙的孔径较大，0.1～1.0 μm的孔隙占50%以上，平均孔径约为0.100～1.886 μm，所以采用冉波等(2013)的分类方案更恰当。

此外，进退汞曲线、等温吸附回线(吸附曲线和脱附曲线在压力较高的部分不重合，形成吸附回线)亦可反映一定的孔隙形态及孔隙的连通性(严济民等,1986；陈尚斌等,2012, 2013；魏祥峰等,2013；杨超等,2013)。国际纯化学与应用化学联合会根据吸附回线区分出圆柱、圆锥、平板和墨水瓶4种孔隙形态(刘辉等, 2005)。开放性孔(包括两端开口的圆筒孔及四边开放的平行板孔)都能产生吸附回线，而封闭性孔(包括一端封闭的圆筒形孔、一端封闭的平行板孔及一端封闭的圆锥形孔)不能产生吸附回线。作为特例的墨水瓶孔，它虽是一端封闭的,却能产生吸附回线。所以，根据进退汞曲线和吸附回线可以判断孔隙的开放性与连通性，并推断岩石的渗透性。值得注意的是，该方法仅对开放孔有效，由于页岩的孔隙形态各异，实际测量中可能只有少数孔隙与这5类吸附曲线相合(魏祥峰等,2013)。

2.3　综合分类

于炳松(2013)提出了页岩孔隙产状-结构综合分类方案。首先对页岩孔隙的产状进行3级分类: 第一级为大类，根据孔隙发育与岩石颗粒之间的关系分为基质孔隙和裂隙两大类；再根据孔隙发育在颗粒的内外将基质孔隙大类进行第二级分类，包括粒间孔隙、粒内孔隙和有机质孔隙；然后根据发育孔隙的颗粒属性及颗粒间的关系进行第三级分类即亚类(表3)。在此基础上，结合孔隙大小进行结构分类，分为微孔、中孔及宏孔3类。此分类方案将图像观察与物理测量指标相结合、孔隙结构与孔隙产状相结合，有助于对孔隙成因和演化进行有效分析。不同特征的页岩所适用的孔隙分类方法不同，据笔者的SEM定性观察及PCAS统计，下扬子地区古生界页岩孔隙分类方案可以综合Loucks等(2012)、冉波等(2013)分类方案进行。

表3　综合分类法

注：据于炳松,2013修改

3下扬子地区古生界页岩的孔隙特征

本次研究在浙西—皖南下扬子地区采集了古生界荷塘组、胡乐组和宁国组的页岩样品，利用光学显微镜和普通SEM对样品进行图像分析。南京幕府山下寒武统荷塘组采集了粉砂质-炭质泥岩样品。浙西安吉胡村剖面的下寒武统荷塘组受到侵入岩的影响，所采样品包括硅质岩。皖南宁国胡乐剖面的中奥陶统胡乐组、宁国组均受到风化作用，所采样品主要为炭质页岩。

首先对页岩样品进行光学显微镜观察，受分辨率的限制，只可见微米级的孔隙和微裂隙(图2)。结合SEM观察，下扬子地区古生界页岩样品中的孔隙类型主要为粒间孔、粒内孔及微裂隙，其中粒间孔包括黏土矿物(高岭石、伊利石等)、边缘溶蚀孔、石英、石膏、云母、黄铁矿之间的孔隙。

图2　光学显微镜下观察的幕府山(南京)荷塘组粉砂质-炭质泥岩的微裂隙及孔隙(a) 单偏光；(b) 插入石膏试板的影像：微裂隙及孔隙呈紫红色Fig.2　Optical microscopical images of micro-fissures and pores in the Hetang Fm. silty-carbonaceous mudstone from the Mufu Mountain, Nanjing(a) Under a polarized light microscope；(b) An image after inserting gypsum plate, with purple red micro-fissures and pores

图3为下扬子地区古生界页岩粒间孔的SEM图像，荷塘组硅质页岩中，片状高岭石之间发育线状、圆状、椭圆状粒间孔，平均孔径0.322 μm，边缘可见溶蚀孔(2～5 μm)及微裂隙，且粒间孔和溶蚀孔断续相连，说明孔隙具有一定的连通性(图3a)。安徽宁国胡乐组炭质泥岩中含有晶型较好、成草莓球状的黄铁矿，发育0.1 μm圆状黄铁矿粒间孔，黄铁矿周围为黏土矿物，黄铁矿与黏土矿物之间发育了粒间孔，孔径约0.114～0.799 μm(图3b)。皖南宁国组炭质页岩发育线状、条状、缠绕状或扭曲状的伊利石粒间孔(图3c)，孔径约0.686～14.174 μm，平均2.119 μm。浙西荷塘组硅质页岩中可见高岭石粒间孔和黄铁矿粒间孔(图3d)层状、条带状石膏粒间孔(图3e)、片状云母粒间孔(图3f)，石膏粒间孔孔径约1.142～36.521 μm，平均3.215 μm，云母粒间孔的孔径为0.279～6.138 μm。

下扬子地区古生界页岩样品的粒内孔主要为碳酸盐溶蚀孔(图4a、b)、石英粒内孔(图4b)和化石内粒内孔(图4c)，孔径分布约为0.050～0.714 μm，平均孔径约0.1 μm。在浙江安吉荷塘组硅质页岩中，还可以观察到藻类体腔的粒内孔(图4c)，平均孔径约0.45 μm，以及石英之间的微裂隙(图4b—c)，长约2.23 μm。由此可以看出下扬子地区古生界页岩孔隙孔径较大，0.1～1.0 μm的孔隙占50%以上，平均孔径约为0.100～1.886 μm，因此下扬子地区古生界页岩孔隙分类方案可以综合Loucks等(2012)的三端元分类方案，以及冉波等(2013)的宏孔(>1 000 nm)、中孔(10～1 000 nm)、微孔(<10 nm)分类方案。

图3　下扬子地区古生界页岩粒间孔的SEM图像(a) 浙江安吉县寒武纪荷塘组硅质页岩的粒间孔；(b) 安徽宁国胡乐组炭质泥岩黄铁矿周围的粒间孔；(c) 皖南宁国组炭质页岩：可见伊利石粒间孔、石英粒间孔、黄铁矿粒间孔的线状、条状、圆状几何形态；(d—f) 浙西荷塘组硅质页岩：可见(d)高岭石粒间孔、黄铁矿粒间孔的圆状、椭圆状几何形状；(e) 石膏粒间孔的片状、三角状几何形态；(f) 云母粒间孔的片状几何形态Fig.3　SEM images of intergranular pores in the Paleozoic shales from the lower Yangtze area(a) Intergranular pore in the Precambrian Hetang Fm. siliceous shale of Anji county, Zhejiang Province；(b) Intergranular pore around pyrite in the Hule Fm. carbonaceous mudstone of the Ningguo area, Anhui Province；(c) Ningguo Fm. carbonaceous shale in south Anhui Province, with linear, stripped and round-shaped illite intergranular pores, quartz intergranular pores and pyrite intergranular pores；(d-f) Hetang Fm. siliceous shale in western Zhejiang Province. Round and oval-shaped kaolinite intergranular pores are observed in (d)；(e) Sheet-like and triangular gypsum intergranular pores；(f) Sheet-like mica intergranular pores

图4　下扬子古生界页岩粒内孔的SEM图像(a) 皖南胡乐组炭质页岩：可见碳酸盐溶蚀粒内孔的圆形、椭圆形的几何形态；(b) 浙西荷塘组硅质页岩：可见碳酸盐溶蚀孔、石英粒内孔的圆状、椭圆及不规则几何形态；(c)浙江安吉荷塘组硅质页岩藻类体腔的粒内孔及石英之间的微裂隙Fig.4　SEM images of intragranular pores in the Paleozoic shales from the lower Yangtze area(a) Hule Fm. carbonaceous shale in south Anhui Province, with round and oval-shaped intragranular pores formed by carbonate dissolution; (b) Hetang Fm. siliceous shale in western Zhejiang Province, with round, oval and irregular carbonate and quartz intragranular pores; (c) Hetang Fm. siliceous shale, with intragranular pores in algae cavity and quartz micro-fissures

图5　利用PCAS方法统计浙江安吉县荷塘组硅质页岩的面孔隙率图(a—d) 为样品表面不同部位的SEM图,其相对应的PIAS处理的结果图像分别为图(e—h)；彩色区域为孔隙，面孔隙率分别为9.97%、8.42%、11.2%、5.09%，平均面孔隙率为8.67%Fig.5　Photos showing surface porosity of the Hetang Fm. siliceous shales from Anji county, Zhejiang Province used the PCAS method(a-d) are SEM images for different parts of the sample surface, and the corresponding images after PCAS process are (e-h); colorized areas are porosity, representing surface porosity of 9.97%, 8.42%, 11.2% and 5.09%, respectively; the average surface porosity is 8.67%

高分辨率显微镜获得的显微图像可以利用Photoshop、ArcGIS、PCAS(Liu et al，2011)等图像分析软件进行定量研究(张廷山等,2013；焦堃等,2014)。由于图像观察法的观察区域很小，需要进行大量观察才能获得具有统计意义的孔隙结构。图5为利用Photoshop、PCAS统计浙江安吉县荷塘组硅质页岩的面孔隙率的实例。选取1个断面不同部位的4张SEM图(图5a—d)，先使用Photoshop将孔隙圈出，然后再用PCAS定量统计，处理的图像分别为图5e—h，彩色区域指示孔隙，获得的面孔隙率分别为9.97%、8.42%、11.2%、5.09%。因此，该断面的平均面孔隙率约为8.67%。由于样品成分和结构的不均一性，且受选取图像的随机性、张数、分辨率及图像分析软件自身(如PCAS中阈值的选定)的影响，图像分析软件所得的结果可能难以代表整个硅质页岩样品的平均孔隙率。为获得更具统计意义的孔隙结构参数，需要使用岩石物理手段进行定量。

据PCAS不完全统计(表4)，下扬子浙西—皖南地区古生界页岩样品的孔径约0.084～36.521 μm，平均约1.035 μm，0.1～1.0 μm的粒间孔占50%以上。根据下扬子古生界页岩样品的孔径大小和平均面孔隙率，下扬子古生界页岩的微孔隙较为发育且孔径较大，具有良好的页岩气储集能力。

表4　下扬子地区浙西—皖南古生界页岩微孔隙类型及PCAS方法的不完全统计

4结论

(1) 图像观察法和物理测量法是页岩孔隙结构的常用研究手段。通过对页岩孔隙的直接观察，结合图像处理软件可获得孔隙形态和分布信息。而压汞法、气体吸附分析、核磁共振法等岩石物理学方法可获得统计意义上的页岩孔隙大小、分布、孔隙率和比表面积。介绍了国内外代表性的页岩孔隙分类方案，基于图像观察将页岩微孔隙分为粒间孔、粒内孔、有机质孔隙及微裂隙，基于物理测量按照孔径大小分为微孔、中孔及小孔，而近年提出的产状-结构分类方案则是将图像观察与物理定量分类相结合。

(2) 利用SEM观察了下扬子浙西—皖南地区古生界页岩的孔隙结构，并结合Photoshop和PCAS方法进行分析，结果显示该区古生界页岩的主要孔隙类型为黏土矿物粒间孔、黄铁矿粒间孔、化石体腔粒内孔及溶蚀孔等，孔径范围为0.084～36.521 μm，平均约1.035 μm，中孔(10～1 000 nm)占50%以上。下寒武统荷塘组硅质页岩的面孔隙率可达8.67%，较大的孔径及面孔隙率暗示下扬子地区古生界页岩微孔隙较为发育，具有良好的页岩气储集能力。

5致谢

感谢尹宏伟教授、俞国华高级工程师和张文同学在采样过程中的大力支持，以及李娟老师在扫描电镜实验过程中的指导和建议。

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A review of pore structures of shales and characteristics of pores in the Paleozoic shales from the Lower Yangtze region

LI Xia,WANG Qin,HUANG Zhi-cheng

(School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210046, Jiangsu, China)

Abstract：Natural gas can be found in organic-rich mud shales and their interlayers in an adsorption state or a free state, and shale formations are thus considered to be an important unconventional reservoir. Micro-nanoscale pores of shales are important space for shale gas accumulation. Common techniques used in conventional gas reservoirs are not suitable for shale gas. and till now there has been no common belief about the classification of pores in shales. Therefore, structures of pores in shale formations remain a key problem in the exploration of shale gas. This paper summarizes the recent techniques and classification used in pore structures of shales, and presents examples of the Paleozoic shales in the Lower Yangtze region.

Keywords：shale; pore structure; pore types; shale gas; Lower Yangtze region

作者简介：李霞(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为页岩显微构造,E-mail:lixia6583@126.com

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”(2012CB214703)

收稿日期：2014-06-18；修回日期：2014-07-03；编辑：侯鹏飞

中图分类号：P618.13

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2015)01-0013-12

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.01.13