页岩油储层孔隙发育特征及表征方法

孙 超，姚素平

（1.滁州学院地理信息与旅游学院，安徽滁州239000；2.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210023）

中国页岩油分布较广，其中在东部断陷盆地古近系湖相页岩层段广泛发育页岩油聚集成藏，且在辽河坳陷、济阳坳陷等地区获得了页岩工业油流。北美地区高产页岩油区与中国东部富含页岩油地区的成藏条件存在明显差异，前者为海相页岩、热演化程度较高、干酪根类型以Ⅱ型为主，后者为陆相页岩、埋藏较浅、普遍处于低成熟-成熟阶段、干酪根类型以Ⅰ型为主；就页岩油性质而言，北美地区的油质较轻、黏度低、可动性好，而中国东部地区的含蜡量高、油质较重、黏度偏高、可动性差。尽管中国页岩油勘探取得了重要进展，但其页岩油可采储量十分有限，这不仅与中国东部页岩油具有低成熟、高黏度和高含蜡等特点而导致的流动困难有关，也与页岩油储层的孔隙发育特征有关。页岩油储层基质的孔隙以纳米孔隙为主，纳米孔喉的大小制约着页岩油的流动，低成熟的特性使得处于生油窗内的富有机质泥页岩的油气储集空间往往被早期生烃产物充填，从而影响对页岩油储集空间的结构表征和形态描述，因此页岩油储集空间的精确表征成为中国页岩油勘探和开发的关键问题。为此，笔者分析和总结了目前页岩油储层孔隙发育特征及表征方法，以期为页岩油储集空间的精确表征提供参考。

1 页岩油储层孔隙类型

泥页岩作为一种复杂的非均质性多孔介质，具有富有机质、富黏土矿物、低孔隙度和低渗透率等特征。对于泥页岩储层孔隙结构特征，尤其是针对孔隙度和孔径分布等页岩油气资源潜力评价和储集空间表征的关键参数，近年来更是得到了广泛的研究，且对于孔隙成因及控制因素也形成了一定的认识。孔隙结构是影响储层岩石物理力学性质和化学性质的一个重要参数，孔隙形状和孔径分布对油气的运移和储集能力有很大的影响。砂岩和碳酸盐岩储层的孔隙一般为微米级，而泥页岩的孔隙通常较小，从纳米级到微米级，分布范围较广，特别是有机质孔的孔径从几纳米至几百纳米均有分布［1-4］。

图1 页岩油储层孔隙发育特征及类型Fig.1 Characteristics and types of pores in shale oil reservoirs

页岩油储层具有多孔隙类型的特点，包括矿物颗粒间孔隙、溶蚀孔隙、晶间孔隙、化石内孔隙、黏土矿物孔隙、黄铁矿孔隙和有机质孔隙等（图1）；其中，有机质孔隙已被确定为页岩气赋存的重要孔隙系统，在干酪根和沥青中均有发育［5-9］。近年来，对于泥页岩孔隙类型的划分主要依据孔隙的发育特征、赋存位置、形态结构和成因等。一般可以将泥页岩中的孔隙划分为有机质孔隙和无机质孔隙；其中无机质孔隙包括基质黏土矿物孔隙（含裂缝）、其他矿物颗粒间隙和矿物粒内孔隙，有机质孔隙包括干酪根原生生物结构孔隙、固体干酪根转化为烃类流体而在干酪根内部形成的孔隙以及固体沥青再演化形成的孔隙［10-11］。

由于页岩油产出和富集的地层成熟度较低，处在生油窗内，尤其在中国东部地区泥页岩孔隙内滞留大量的高蜡原油，因此镜下观察孔隙的结构和形态特征会受到一定的影响。通过高分辨率场发射扫描电子显微镜可以观察到大量的基质孔隙，且相当部分的孔隙被有机质（沥青）充填。通过镜下观察和描述，将东营凹陷泥页岩孔隙划分为矿物颗粒间孔隙、矿物颗粒内孔隙和有机质孔隙；其中，矿物颗粒间孔隙、矿物颗粒内孔隙包括不同矿物颗粒间的粒间孔隙、矿物颗粒内部的粒内孔隙、溶蚀孔隙，以及矿物晶体内部形成的晶间孔隙，有机质孔隙包括有机质内部孔隙和有机质收缩孔（缝）（图1）。页岩油储层有机质内部孔隙的发育主要受成熟度影响，具有较高成熟度的有机质在热演化过程中生气，进而在有机质内部形成纳米级孔隙。BER⁃NARD等研究表明在镜质组反射率为0.5%～0.85%的页岩中没有产生有机质内部孔隙［5］。ZARGARI等观察发现，成熟样品（镜质组反射率为0.8%）的粒间孔隙发育较少，大量发育的黏土矿物孔隙被有机质充填，且未出现可见的有机质内部孔隙［12］。

2 页岩油储层孔隙表征方法

图2 页岩孔隙表征方法Fig.2 Characterization methods of pore in shale

在地质历史演化过程中，富有机质页岩可以在不同的沉积环境中形成，并经历压实、成岩、构造作用及地质流体的叠加改造，导致页岩孔隙和裂缝系统的多样性和复杂性。由于页岩气勘探开发的快速发展以及页岩孔隙主要为纳米孔隙的特点，近期的大量研究主要集中于页岩纳米孔隙的表征方法（图2）；但页岩油成熟度低，由于酸性有机流体的作用，形成毫米至纳米不同级别的溶蚀孔隙，且对页岩油的储集和流动具有重要影响；因此对页岩油储层孔隙和裂缝系统的表征需结合多种方法，从而达到对泥页岩孔缝系统全尺度的表征。中外众多学者采用不同的实验设备开展了大量的孔隙表征研究工作（图2），包括图像分析法（场发射扫描电子显微镜法、环境扫描电子显微镜法、透射电子显微镜法及原子力显微镜法等）、流体注入法（压汞法、气体吸附法及其他流体注入法等）和非流体注入法（计算机断层成像法、小角X射线散射法以及核磁共振法等），通过这些表征方法可以揭示孔隙的结构及分布特征［13-33］。

不同的页岩油储层孔隙表征方法在原理和应用上具有一定的差异性和局限性（表1），且各表征方法均具有一定的优势表征范围，几乎没有一种方法可以准确地表征页岩油储层所有孔隙的发育特征，通过对比分析和统一量纲、采用多种表征方法结合的方式对页岩油储层孔隙进行表征仍是目前页岩全尺度孔隙表征的可行方法。一些学者对此进行了相关的探讨，崔景伟等提出工业CT、微米-CT、纳米-CT法或聚焦离子束技术（FIB）系列图像分析法，以及压汞-氮气吸附-二氧化碳吸附法等流体注入法对泥页岩孔隙进行表征［13］。朱炎铭等应用低温二氧化碳吸附、低温液氮吸附和高压压汞等测试手段，提取出各自实验测试优势孔径段并进行整合，从全尺度对页岩孔隙分布进行定量化测定［14］。朱汉卿等利用低温氩气吸附法研究蜀南地区五峰组—龙马溪组富有机质页岩样品的微观孔隙结构特征，认为有机质含量是影响富有机质页岩微观孔隙发育的主要因素［15］。CHALMERS等认为需要多学科的方法来全面评价细粒沉积页岩储层的孔隙分布，而单一的方法并不能对页岩储层进行详细的评价，对于影响孔隙度和孔径分布特征的有机质类型，采用有机岩石学、场发射扫描电子显微镜和背散射电子显微镜来共同确认其显微组分［16］。尽管多种方法的融合在一定程度上解决了泥页岩孔隙表征多尺度的问题，但由于各种方法的孔隙测试原理和理论基础具有较大差异，因此多种方法融合的关键在于应尽量保证孔隙测试原理的相似性，例如流体注入法的融合、不同尺度图像分析法的融合以及不同非流体注入法的融合。

不同的页岩油储层孔隙表征方法存在一定的局限性。例如，氮气吸附法不能精确刻画泥页岩中的大孔隙和微裂缝；压汞法一般是用来分析介孔隙和大孔隙，但汞的侵入会导致泥页岩孔隙结构遭到破坏，进而影响测量结果的可靠性，且理论模型一般假设待测孔隙为圆柱体，也会造成结果与实际情况存在偏差；扫描电子显微镜一般只能用来观察页岩样品的局部孔隙特征，不能反映孔隙和微裂缝的空间分布。此外，用以观察的页岩样品在人工处理过程中，孔隙基本结构易被破坏，且受人为因素影响产生大量孔隙和微裂隙，最终会导致错误的分析结果。在实际应用中，纳米-CT法的最大分辨率仅为50 nm，不能满足孔径小于50 nm的纳米孔隙的三维立体图像构建要求，透射电子显微镜的分辨率可以达到纳米孔隙成像的要求，但不能得到三维结构模型，而聚焦离子束技术和扫描电子显微镜法可以对泥页岩样品进行二维平面图像分析和三维立体图像构建，得到高分辨率扫描电子显微镜图像，将三维立体图像构建的分辨率降低几个纳米级别，聚焦离子束技术的步进决定了纵向上对孔隙的识别程度，可以根据实际需要进行相应的调节。

表1 常用孔隙表征方法对比Table1 Comparison of commonly used pore characterization methods

不同的页岩油储层孔隙表征方法得到的孔径范围也不同。小角X射线散射法和氮气吸附法得到的孔径分布结果相对较窄，约为1～100 nm；核磁共振冷孔计法得到的孔径为1～600 nm，分布范围明显扩大；场发射扫描电子显微镜观察的孔径范围广，受分辨率影响，可以统计直径大于2 nm的孔隙，需对大量不同放大倍数的图像进行统计，才可以更接近反映真实的孔径分布特征；核磁共振T2弛豫时间法和压汞法测得的孔径范围尺度大，且均可以得到定量的孔隙度参数，二者结合能够更好地反映孔隙结构特征。

3 碎状样品孔隙表征方法

3.1 样品处理

在对泥页岩碎状样品孔隙进行表征时，采用不同极性的溶剂对样品进行逐次抽提，探讨溶剂抽提对低成熟-成熟烃源岩孔隙测定的影响，以便合理地选取富油泥页岩孔隙测定的预处理方法。使用的抽提溶剂包括正己烷（C6H14）、氯仿（CHCl3）、甲醇-丙酮-氯仿（MAC）三元溶剂（质量比为23∶30∶47）、二硫化碳/N-甲基吡咯烷酮（CS2/NMP，体积比为1∶1）和二氯甲烷/甲醇（DCH/MeOH，体积比为9∶1），根据抽提溶剂的极性由小到大依次对样品进行处理。CS2/NMP溶剂处理后得到的孔径分布特征较其他溶剂得到的孔径分布特征存在明显的差异，且无一定的规律性，说明采用CS2/NMP强极性溶剂对样品处理，虽然能够萃取出更多的赋存于孔隙中的有机质组分，且在不破坏有机质化学结构的情况下具有很强的抽提能力，但对孔隙的影响较大，破坏了泥页岩孔隙的结构和形态，导致最终测得的孔隙度参数偏低［12］。正己烷溶剂极性较弱，对有机质的萃取和孔隙结构的影响有限，处理后得到的细介孔隙（孔径为2～10 nm）的体积占总孔隙体积的比例明显小于更高极性溶剂的。极性高的氯仿、MAC三元溶剂和二氯甲烷/甲醇溶剂能够很好地萃取出赋存于介孔隙中的有机质，尤其是对细介孔隙中赋存有机质的萃取。溶剂极性的差异性、有机质组分的多样性以及孔隙分布的复杂性共同影响着泥页岩抽提后的孔隙分布特征，经有机溶剂萃取后可以在一定程度上反映真实的孔隙空间，有利于更好地表征泥页岩的孔隙分布特征。

3.2 氮气吸附法

氮气吸附法在表征微孔隙的孔径分布、比表面积等方面具有独特优势，近年来被广泛用于对各种多孔材料孔隙的表征。吸附法是将一种吸附质分子吸附在待测粉末样品表面，根据吸附量来评价待测粉末样品的比表面积及孔隙分布；根据吸附质的不同，可以将吸附法分为氮气吸附法、吸碘法、吸汞法和吸附其他分子方法，其中以氮分子作为吸附质的吸附法需要在液氮温度下进行吸附，又称氮气吸附法。吸附质氮分子具有性质稳定、分子直径小且安全无毒等特点，为目前应用较广的、测定多孔比表面积及孔隙分布的吸附质。

国际纯化学与应用化学联合会将气体吸附等温线分成6种类型（Ⅰ—Ⅵ型），具有4种回滞环类型（H1—H4型），4种回滞环类型可以反映不同的孔隙形态特征，根据其吸附和脱附曲线类型可以判别样品的孔隙特征。Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅳ型吸附等温线类型在非常规储层中常见，尤其是Ⅳ型［17］吸附等温线的主要特征为回滞环，与介孔隙的毛细管凝聚作用相关；其吸附曲线前段上升缓慢，后段急剧上升；在相对压力接近1时尚未吸附饱和，表明样品在吸附氮气过程中发生毛细孔凝聚现象。孔隙结构特征和类型的差异可以反映在回滞环类型上，H2和H3型回滞环反映无规则孔隙结构，H1型回滞环反映尺寸和排列都十分规则的孔隙结构，而H4型回滞环反映微孔隙和介孔隙混合以及含有狭窄的裂隙孔［18］。

本次研究选取样品的吸附曲线在饱和蒸汽压附近很陡，脱附曲线在中等压力处很陡，与H3型回滞环接近，反映孔隙结构具有一定的无规则孔隙特征，颗粒内部孔隙结构具有平行壁的狭缝状孔隙特征，狭缝状孔隙可能与泥页岩中黏土矿物颗粒的片状结构特征有关。纹层状灰质泥岩的BET比表面积明显大于层状灰质泥岩和块状泥岩。DFT孔径分布中各孔径段孔容比分析结果显示，纹层状灰质泥岩在0～10 nm孔径段对应的孔容比明显大于层状灰质泥岩和块状泥岩，在纹层状和层状灰质泥岩中微孔隙（孔径小于2 nm）占有一定的比例，而块状样品中微孔隙的占比为0。将0～10 nm孔径段的孔容比与BET比表面积数据做散点分布图，二者呈现出非常好的正相关关系，说明孔隙的比表面积主要是由小孔径孔隙提供，也为油气的附着提供了有利场所。

3.3 压汞法

压汞法的原理是基于汞对一般固体表面具有不润湿，受界面张力影响，汞难以进入孔隙中，需在外界压力作用下，使其进入多孔材料孔隙中。根据毛细管压力理论，孔径越小，所需要的外界压力就越大，外压力与进汞量的净值成反比。汞渗入相应既定大小的孔隙中，压入汞的量代表内部孔隙的体积；在施压的过程中，随着压力的增加，汞的进入量随之变化，计算其进入量，即可以测得多孔材料孔隙容积的变化和分布特征。

在进行高压压汞实验分析时，将样品经碎样处理至符合压汞要求，同时对泥页岩样品进行钻心、取心，以获取圆柱体样品进行压汞实验，并与同层的碎状样品结果进行对比分析。压汞实验结果显示，碎状样品的孔隙度为3.3%～10.9%，而圆柱体样品的孔隙度明显偏低，均低于0.1%，产生该偏差的原因主要是圆柱体样品在压汞实验中汞难以进入所造成，但二者在孔径分布上具有一定的相似性，差别在于圆柱体样品的压汞实验结果显示大孔径孔隙较为发育，其原因为压汞实验中汞优先进入大孔隙，碎状样品进汞饱和度较高，而汞难以注入圆柱体样品的小孔径孔隙，导致汞注入量偏低。

3.4 小角X射线散射法

小角散射是由于物质内部存在纳米级的电子密度起伏不均匀区，当X射线（中子束）入射时会在原光束周围小角度范围内（小于5°）产生相干散射现象，可以定性和定量分析数埃至数百埃尺度的电子密度不均匀区的特征。目前，小角X射线散射法是研究多孔材料孔隙结构的有效方法之一，其具有制样简单、适用范围宽等优点，可以获得散射体的大小、形状和分布等信息，尤其是待测样品开孔和闭孔全部的孔隙信息［19-21］。COHAUT等使用小角X射线散射法表征无烟煤的孔隙，探讨不同温度下热处理后无烟煤的孔隙变化特征［19］。RADLINSKI等采用小角X射线散射法和小角中子射线散射法表征煤和沉积岩的孔隙度、孔径分布及比表面积等参数，并评价了方法的适用性和优越性［20-21］。

分析泥页岩系统取心井由浅至深样品经不同溶剂抽提后得到的介孔隙的孔径分布特征发现，成熟度相对低的样品经正己烷抽提后的介孔隙分布曲线与原始样品并没有明显改变，而氯仿、MAC三元溶剂及二氯甲烷/甲醇溶剂抽提后的介孔隙分布曲线则发生了明显变化；成熟度相对高的样品经正己烷抽提后，介孔隙分布曲线亦发生明显变化，表明成熟度高的泥页岩中赋存的原油更易被抽提，这可能与不同热演化阶段泥页岩中赋存原油的物性有关，即随着泥页岩埋深的增加，热演化程度也随之增高，生烃产物特征也会发生变化，早期生成的沥青质经热演化转变为分子质量较低的流体烃类，流动性更强。由于随着热演化过程中生烃产物组分的变化，不同极性的氯仿、MAC三元溶剂、二氯甲烷/甲醇溶剂与充填物之间存在相似相溶的关系，因此抽提后得到的介孔隙分布特征也存在一定的差异；实验结果显示，这3种溶剂抽提后得到的最可几孔径对应的孔隙体积占比变化较大，具有较明显的差异；而成熟度更高的样品经3种溶剂抽提后得到的最可几孔径对应的孔隙体积占比的差异性明显较低，抽提后样品最可几孔径均出现在10 nm左右，且由于正己烷极性较弱，抽提后得到的最可几孔径有微幅减少，氯仿、MAC三元溶剂及二氯甲烷/甲醇溶剂抽提后得到的最可几孔径明显降低，平均孔径也表现为相同的降低趋势。

3.5 核磁共振法

核磁共振法是指原子核与磁场之间的相互作用，采用较低的磁场强度，通过对泥页岩中的流体1H核磁信号进行检测，从而获得孔隙中流体的T2弛豫时间谱，可用于分析泥页岩的物性和渗流特征。低场核磁共振法是一种快速、有效的微孔隙结构定量表征方法，T2弛豫时间法已被广泛应用于研究碎屑岩、碳酸盐岩、泥页岩和煤等常规油气储层和非常规致密储层的孔隙度［22-24］。

泥页岩孔隙流体中1H核的T2弛豫时间与孔隙半径成正比，弛豫时间越长对应的孔隙越大，孔隙越小对应的驰豫时间越短，核磁共振信号量反映的是孔隙内流体的含量［22］。LI等采用核磁共振法对云南东部下寒武统筇竹寺组页岩储层的物性进行研究，同时对样品进行孔隙度和渗透率实验，以及应用场发射扫描电子显微镜法进行孔隙表征研究，通过横向T2弛豫时间谱的形状和分布确定孔隙类型，根据相关公式计算得到孔隙比表面积分布和孔径分布［23］。

核磁共振冷孔计法是岩石微孔隙系统研究最适用的方法之一，其为核磁共振法与GIBBS，THOM⁃SON等研究的受限材料的相变理论相结合，用以表征多孔材料孔径分布的新方法，可以直接测量开孔体积，因此测量结果具有更高的精度［24］。WEBBER等利用核磁共振冷孔计法对含有机质的多孔岩石和生物炭进行研究，较好地揭示了岩石的孔隙结构，包括孔径分布特征和孔隙体积，并认为其显著的特点是孔隙中含有的液体和挥发组分不会对测试结果产生影响［25］。

笔者将泥页岩样品处理为碎状样品后，再进行逐次抽提处理，采用核磁共振冷孔计法对原始样品、正己烷抽提及氯仿抽提处理后的样品分别进行实验分析，原始样品、正己烷抽提和氯仿抽提处理后饱和水，得到累积总孔隙率分别为0.009，0.094和0.068 cm3/g，总孔隙率值增长明显，且正己烷抽提和氯仿抽提处理后得到的孔径分布对应的孔隙率具有相似的变化关系。

4 块状样品孔隙表征方法

4.1 图像分析法

图像分析法能够直观、方便、快捷地获取孔隙形态等方面的特征，高分辨率的场发射扫描电子显微镜法被广泛应用于页岩孔隙的观察，通过扫描电子显微镜图像可以识别孔隙的大小、形态、结构以及成因等诸方面信息，因此，图像分析法被普及应用于孔隙表征研究。但图像分析法在应用过程中也存在一定的问题，影响其研究结果的可信度与精确度的因素包括以下3个方面：①合理的电压和电流数值设置能够提高图像的质量，但仪器本身的缺陷导致图像质量提高具有一定的限度，无法对微孔隙进行观察，不能真正得到所有孔隙形态和孔径的分布特征。②泥页岩纳米-微米级孔隙的非均质性强，如何去除其造成的影响，得到真实的泥页岩孔隙分布特征是亟待解决的问题。小范围的观察虽能解决分辨率的问题，但观察的孔隙代表性缺失，在较大的视野下观察孔隙，代表性有一定提高，但对更小的纳米孔隙的表征会受到限制，因此需选择合适的视野范围，防止非均质性带来的影响，多观察多统计，科学地表征泥页岩纳米孔隙的结构、形态和分布。③为了获得更多的孔隙信息，正确地统计泥页岩中有机质孔隙和基质矿物孔隙的数量、孔径等，需对泥页岩样品进行合理的预处理，以使泥页岩纳米孔隙的图像质量明显提高。

4.1.1 样品处理

在样品的前期处理上，常用的方法有氩离子抛光技术和聚焦离子束技术，为得到高分辨率图像提供了强有力的支撑。泥页岩样品在进行上述处理之前，原始样品需进行初步的砂纸打磨，打磨目数从几百目到几千目依次过渡，直至适合抛光载物台或离子束刻蚀载物台的固定要求。

4.1.2 二维平面图像分析

针对扫描电子显微镜灰度图像介孔隙数字图像识别和定量处理，LIU等开发了Pores（Particles）and Cracks Analysis System（PCAS）作为孔隙系统与裂隙系统识别和定量分析的专业软件，可以很好地对高分辨率扫描电子显微镜图像进行定量分析［26］。该软件在实际应用过程中与传统的人工测量方法对比，具有简单高效、可重复操作等特点，与其他图像处理方法相比也具有明显的优势，不仅可以自动识别图像中的各种孔隙和裂隙形态，还可以定量表征孔缝的相关信息，给出定量的相关参数以及统计学参数［26-27］。焦堃等将PCAS软件应用于泥页岩和煤的纳米孔隙的识别和表征，为纳米孔隙的定量表征提供了有效的方法［28］。在使用PCAS处理扫描电子显微镜图像时，通过选择合适的灰度阈值，将所有孔隙从背景中分离出来，将灰度图像转换为孔隙-背景的二元图像，软件自动识别出大小不一的孔隙，并用不同颜色标识，给出孔隙的个数、周长、面积、长度、宽度、定向性和形状系数等几何参数，以及孔隙率、概率熵和分形维数等孔隙系统的统计参数。

在根据场发射扫描电子显微镜图像进行孔隙定量表征时，为保证数据的可靠性和代表性，需对大面积范围的孔隙进行统计，这给孔隙识别带来一定的困难（图3）。例如图3c为放大10 000倍数观察得到的图像，保存图片的分辨率为1 536×1 103，扫描电子显微镜图像宽度为20.7 μm，因此对应的每个像素点宽度为13.5 nm，造成对更小孔隙识别的困难，无法对低于像素点宽度的孔隙进行统计；若如图3d和3e放大17 500倍数，对应像素点宽度为7.7 nm，则对小孔径孔隙的识别明显增强，但需对更多的图片进行统计，增加了工作量。PCAS软件在处理扫描电子显微镜图像时，首先调节灰度阈值将图像二值化，得到黑白孔隙图片，底色为黑色，孔隙为白色；然后对孔隙识别并填充颜色（图3f—3h），有效区分相连通的孔隙；再根据扫描电子显微镜图像的像素大小，对孔隙基本数据进行提取；最后进行统计学计算，得到孔隙定量表征的相关参数。

图3 聚焦离子束技术/扫描电子显微镜图像经PCAS软件处理示例Fig.3 An example of FIB/SEM image processed by PCAS software

从表2可以看出，根据图3c，3d，3e识别的孔隙数量分别为399，246和141个，最小孔隙对应的孔径分别为34.7，23.8和19.5 nm。对于最小孔径的识别取决于图像的放大倍数和分辨率，图3d取自图3c的局部，由于图像面积的减少，各项孔隙参数值存在一定的差异。图3d的放大倍数更高，小孔径孔隙识别增多，也会导致一些孔隙参数的改变。图3e取自同一刻蚀面的不同区域，与图3d的识别范围一致，但二者的孔隙分布相关参数和数值存在明显差异，图3e观察到有机质的充填，且由于有机质收缩孔缝的参与，其与基质孔隙从结构和形态上具有明显差异，势必会影响相关孔隙参数的统计。

4.1.3 三维立体图像构建

目前对于泥页岩及煤的三维立体图像构建方法主要为计算机断层扫描法（CT）和聚焦离子束技术/扫描电子显微镜法，其中聚焦离子束技术/扫描电子显微镜法为研究页岩气储层三维储集空间发育特征的主要手段［29-33］。CAO等通过聚焦离子束技术/扫描电子显微镜法重构三维空间结构，建立一个新的关于干酪根和有机质的耦合模型，计算微米尺度页岩油孔隙的渗透率，讨论总有机碳含量、压力对模型渗透率结果的影响，并认为当总有机碳含量小于11%、压力大于0.1 MPa时，干酪根分布的影响可以忽略不计［29］。ZHOU等对四川盆地南部龙马溪组页岩聚焦离子束技术处理得到的连续图像进行三维立体图像构建，对样品孔隙相关参数进行计算，得到孔径平均值为32 nm，孔隙度为3.62%，二维和三维孔隙发育特征表明有机质中的纳米孔隙占页岩储集空间的主要地位［30］。邹才能等采用高性能纳米-CT表征系统和聚焦离子束技术/扫描电子显微镜法，从纳米尺度对岩石孔隙精细三维结构特征进行表征［31］。朱如凯等利用聚焦离子束技术/扫描电子显微镜法与纳米-CT、微米-CT法对不同岩性的储层进行了不同尺度的孔喉三维空间重构，为孔喉连通性的研究和评价提供了技术支撑［32］。

表2 扫描电子显微镜图像经PCAS软件处理结果Table2 Results of SEM images processed by PCAS software

由构建的页岩油储层样品的三维立体图像和孔隙分布（图4）可以看出，构建的三维立体图像的体积为7 043.14 μm3（图4a），提取的孔隙体积占构建的三维立体图像体积的0.44%（图4b），孔隙不发育的主要原因为有机质（沥青）的广泛充填对基质孔隙的识别和定量表征造成一定的困难。由于有机质（沥青）充填过程中会夹杂各种碎屑矿物，因此不能简单的将有机质（沥青）所占据的区域计算到孔隙的分布中，否则会导致孔隙度过大，且有机质（沥青）充填过程伴随着干酪根生烃排烃作用，有机酸的产生也会对基质的脆性矿物进行溶蚀，形成的孔隙或空间亦被有机质填充。图4b显示出孔隙的三维分布特征，提取的孔隙具有各自的独立性，孔隙之间连通性较差，仅在局部区域的孔隙相互连通，导致这种情况的原因除了孔隙的分散性，还有图像的分辨率偏低，影响了孔隙的提取结果。有的页岩油储层样品显示，被有机质填充的孔隙占基质孔隙的比例较小（图4c），基质孔隙较为发育、连通性较好（图4d），孔隙体积占构建的三维立体图像体积的3.20%，孔隙类型以刚性矿物与黏土矿物之间、以及刚性矿物之间的粒间孔隙为主。

图4 页岩油储层三维立体图像构建及孔隙分布Fig.4 Three-dimensional model of shale oil reservoir and pore distribution

4.2 计算机断层扫描法

计算机断层扫描法是利用X射线或γ射线穿透物质后强度的衰减作用研究物质的结构特征，对样品无损害，按照成像分辨率从毫米级、微米级和纳米级将其划分为工业CT、微米-CT和纳米-CT法等。姚艳斌等采用高精度的微米-CT法对煤的孔、裂隙进行三维建模，并精细描述其孔、裂隙的尺度及在空间上的发育展布特征［22］。LIN等通过计算机断层扫描法对英格兰北部的页岩样品进行三维立体图像构建，其分辨率跨越3个数量级（7.7 mm～7 nm），用于定量评价孔隙和有机质的大小、几何形状及连通性［33］。

图5 应用计算机断层扫描法对页岩油储层进行三维立体图像构建Fig.5 Three-dimensional reconstruction of shale oil reservoir by computerized tomography scanning technique

笔者在上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站（BL13W1）对页岩油储层样品进行了显微成像（微米-CT法），该显微断层成像的原理简单，类似于众所周知的医用CT。当微米-CT法应用于物体成像时，通过旋转样品垂直于光束方向的角度（0～180°），记录一系列的投影像（通常为1 000幅以上），然后利用CT重构软件对这些图像进行重构，即可以得到原始物体的三维图像。东营凹陷古近系沙四段页岩油储层样品经氩离子抛光后在场发射扫描电子显微镜下观察（图5a，5b），为更清晰的表征沥青的空间分布特征，利用计算机断层扫描法，应用设备最大分辨率（650 nm）进行成像（图5c）。结果显示，有机质在孔隙中的充填现象非常明显，泥质基质孔隙和方解石重结晶孔隙均被有机质充填；泥质纹层与方解石纹层接触面发育平行层理微裂缝，垂直层理的微裂缝也有发育，且贯穿泥质纹层和方解石纹层；有机质主要通过与基质连接的微裂缝运移至方解石重结晶孔隙，泥质基质中的有机质呈分散状，平行于层理分布，孔隙中充填有机质的规模整体较大，由此可知在泥页岩热演化早期生烃作用明显，且以生沥青为主，生成的物质主要通过微裂缝或连通的孔隙进行运移，由于生烃作用产生有机酸，会溶蚀一部分脆性矿物，这部分溶蚀空间也被沥青充填。

5 结论

东营凹陷页岩油储层孔隙可以划分为矿物颗粒间孔隙、矿物颗粒内孔隙和有机质孔隙。其中，矿物颗粒间孔隙、矿物颗粒内孔隙包括不同矿物颗粒间的粒间孔隙、矿物颗粒内部的粒内孔隙、溶蚀孔隙，以及矿物晶体内部形成的晶间孔隙；有机质孔隙包括有机质内部孔隙和有机质收缩孔（缝）。不同矿物颗粒间的粒间孔隙占主体地位，受有机质充填的影响，有机质收缩孔（缝）也较为发育。小角X射线散射法分析结果显示，研究区页岩油储层孔隙最可几孔径出现在10 nm左右，压汞法和图像分析法定量分析得到的泥页岩孔隙度普遍较低，最大值约为10%。

不同的泥页岩孔隙表征方法的原理和应用范围具有明显的差异。利用图像学表征方法结合图像处理软件及分形理论，可以对孔隙图像进行定量评价，包括孔隙的复杂性、孔隙度及孔径分布等。核磁共振法、小角X射线散射法、计算机断层扫描法等方法进行实验分析时，对样品不具有破坏性。压汞法、氮气吸附法、小角X射线散射法以及核磁共振法是通过确定假设的理论模型来定量研究页岩油储层的孔隙结构，计算得到页岩油储层孔隙的孔径、分布、比表面积和体积等参数。在泥页岩孔隙三维立体图像构建方面，主要的方法为计算机断层扫描法、聚焦离子束技术和扫描电子显微镜法，流体渗流示踪技术也得到了初步的应用。

页岩油储层孔隙表征方法可以归纳为图像分析法、流体注入法和非流体注入法3种类型。各种表征方法均具有优、缺点，为减少由于单一页岩油储层孔隙表征方法存在局限性的影响，将多种表征方法结合使用，通过对比和统一量纲方式，在一定程度上提高了页岩油储层孔隙表征的准确性，为优化孔隙表征方法提供了有价值的参考。随着科技的不断进步和仪器设备的不断改进，更多更好的孔隙表征方法将应用于针对泥页岩纳米孔隙的定性和定量表征；此外，需进一步研究和论证传统的孔隙表征方法在样品处理及原理上的适用性，优化表征方法，综合各方法获得的数据体，以达到真正实现对泥页岩孔隙的全息表征。