不同边长及分辨率下陆相页岩微孔隙非均质特性分析——以鄂尔多斯盆地瑶科1井长72页岩为例

尚彦军，赵 斌，胡瑞林，邵 鹏

(1.中国科学院 地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国石油 塔里木油田分公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000)

作为最重要的烃源岩，厚100～120 m的上三叠统长7段半深湖—深湖相富有机质黑色页岩层是鄂尔多斯盆地页岩气主要目的层之一，其储层物性特征研究已较多[1-3]。虽然长7泥页岩有机碳含量最高[2]，但陆相成因致其非均质特性明显，使得对其孔裂隙结构的分布特性研究历来受到重视，如观测发现粒间孔和晶间孔为主的孔隙矿物质孔，镜质体和丝质体中的微裂缝形态分析等[3]。对以灰黑色—黑色薄层油页岩夹条带状凝灰岩的长72多尺度纹层研究建立结构模型，得到跨尺度纹层厚度分形维数为1.06[4]。为评价孔隙结构的非均质性，网络连通熵被用于表征孔隙和喉道网络的连通性[5]。

这些研究集中在某个关键参量方面，尤其是微米尺度以上的视域范围，而对微观孔隙几何参量关系的分析还不够丰富。因此，有必要借助微观CT技术，对不同尺度立体空间的孔隙非均质性参量开展统一对比分析。

1 实验样品

将采自鄂尔多斯盆地铜川地区瑶曲镇瑶科1井的上三叠统长72层的页岩岩心制备成CT实验样品。实验在中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室完成。用微型取心钻机从岩心中取出截面直径2 mm的圆柱，进一步经激光精加工仪器加工成标准圆柱体，用于微米CT实验分析。取出截面直径0.5 mm、轴向长度大于1 mm的样品，再用激光精加工仪器切割成截面直径65 μm、轴向长度65 μm的微型小圆柱体(表1)，用于纳米CT实验分析。

2 实验方法

2.1 微米CT

将直径2 mm、高度2 mm的圆柱形样品装入微米CT仪器(Xradia VERSA-500 micro-CT，美国)样品台上，关上腔门防辐射，调整好扫描参数，在光源电压80 kV、曝光时间30 s、镜头视域2 mm×2 mm条件下，扫描24 h，扫描获取1 984张灰度图像(表1)。将CT扫描获取的大量二维图像，用专门软件分析计算，获得孔隙结构图像和相关参数。应用Reconstructor技术重构成3D图像，在3D图像中随机切取7个(边长分别为100，200，300，400，500，600，700 μm)不同尺度空间范围的立方块体。

扫描重构后3D图像直观显示孔隙在样品中的分布状态。应用Floodfill和Generate Surface技术，从样品截图中提取出孔隙、微裂缝的几何信息；应用Analysis技术计算样品孔隙度、各部分孔隙体积、各个孔隙长宽分布等。扫描重构后应用Connected技术，显示截图区内孔隙的连通情况。

2.2 纳米CT

将样品装入纳米CT仪器(Xradia L-200 Nano-CT ULTRAXRM，美国)样品台上，关上腔门防辐射，调整好扫描参数，在光源电压35 kV、曝光时间120 s、镜头视域65 μm×65 μm条件下，开始扫描40 h，得到1 021张灰度图像(表1)，用专门的软件对图像分析计算，获得孔隙结构相关参数。

将扫描获取的二维断层图重构成3D图像，计算孔隙和微裂缝几何信息。使用3D图像直观显示岩心形态、岩心中孔隙的分布形态、孔隙连通性的分布形态等。在3D图像中随机切取4个(边长分别为10，20，30，39 μm)立方块，提取其中孔隙、微裂缝的几何信息。应用专业计算机图像处理软件中Crop, Threshod, Floodfill, Analysis等图像函数算法，分析扫描得到的图像，计算样品的一些基本参数，如孔隙度、孔隙体积、孔隙宽度、配位数等，可三维直观显示样品中孔隙分布形态和孔隙连通性的分布形态等。

3 实验结果

3.1 CT图像

应用Reconstructor技术重构后生成3D图像,在其中分别提取11个不同边长(微米CT：100～700 μm，纳米CT：10～39 μm)的立方块空间范围(图1，图2)。

这些不同尺寸边长立方块体中有些是有重叠的，如边长400、600和700 μm的3张图像就有大部分一致的地方(图1)，但大部分图像区间都是不重叠的。纳米CT由于分辨率的提高和边长比微米CT图像小了一个数量级而呈现出局部放大效果，微小孔隙和矿物成分的差异性得以进一步放大，显示出更强的非均质性(图2)。从图1可见边长越小其孔隙(包括孔隙和裂隙，后者又称为喉道)结构图像的非均质性越明显，长条形或弯或直的裂隙影像显示比孔隙更为突出。从微米和纳米2种CT图像中测得有机质TOC含量为4.33%。微孔隙类型以粒间孔和晶间孔为主，微裂缝发育于有机组分(黑色)中或沿不同矿物边界延伸发育(图2)。整体看高角度微裂隙定向排列特征明显，规模较大，有机组分边缘的中度倾斜裂隙数量较多(图3)。

表1 微米—纳米CT扫描实验条件

图1 样品微米CT扫描重构图像

图2 样品纳米CT扫描重构图像

扫描后提取孔隙信息，包括孔隙和裂隙(喉道)的3D分布状态与连通状态。其中应用Connected技术显示出截图区内孔隙的连通情况(图4)。图4中同种颜色表示该部分孔隙相互连通，6种不同颜色表示6种孔隙一般不互相连通。

从图4可见纳米CT图像中孔隙更为分散，连通性更差，分区数目比较有限；而微米CT连通性变化较大，分区数目也比较多。

图3 微米CT扫描重构边长700 μm的立方块体及微裂隙分布

图4 应用Connected技术显示的截图区内的孔隙连通情况

3.2 孔隙参数

CT扫描重构后，应用Watershed技术，从样品截图中取出孔隙，将孔隙与基质分离，从3D角度显示样品中孔隙的分布情况；应用Analysis技术计算样品的孔隙度、各部分孔隙体积、各个孔隙长宽分布等；应用Connected技术，显示出截图区内孔隙的连通情况(图4)。在此基础上，计算出孔隙的配位数、喉道半径与孔隙半径的比值等参数值(表2)。这里假设裂缝为椭球体，长轴为扫描分析所得的孔隙长度，短轴为扫描分析所得的孔隙宽度，并假设中轴长度在长轴长和短轴长之间取一随机数。页岩孔隙结构由孔隙和喉道2部分组成，其中喉道是连接孔隙的通道，每个孔隙可与若干个喉道相连，与一个孔隙相连的喉道数被称为配位数。配位数为零的孔隙为孤立孔隙，配位数为1的孔隙为端孔隙(或死孔隙)。孔隙和裂隙数量随着边长的增加而呈较为稳定的指数型增加(图5a)。因为纳米CT分辨率提高而显示出比大边长的微米CT图像更多数量的孔隙。裂隙数的变化趋势不很稳定，相对而言孔隙数量随边长增加而增大的变化趋势比较清楚。这样的变化趋势为面密度(孔隙和裂隙总长度除以边长的平方)计算提供了基础，得到了面密度随边长增加而变小的总体规律(表2)。

图5中除图5a外，其余分别给出了样品孔隙长度、宽度、长宽比值、喉孔半径比值和配位数等5个参量的最大值、最小值和平均值。最小值即图像扫描分辨率，对微米CT和纳米CT两者分别为1 μm和65 nm。

微米CT图像中孔隙均长7～10 μm，且随着边长增加而缓慢增大，最大值变化于70～100 μm；孔隙均宽3～4 μm，随边长增加而缓慢增大但变化幅度小，最大值20～40 μm。纳米CT孔隙均长0.4 μm，最大值10～15μm；孔隙均宽一般为0.2μm，最大值3～10 μm(图5b，5c)。

表2 不同边长立方块的孔隙特征

图5 CT扫描图像中不同边长立方块孔隙参量变化对比

长宽比值平均值约2.0,最大8～12(微米CT)、4～10(纳米CT)(图5d)。喉孔半径比值平均值为0.3～0.6，最大值1～2，即总体看大部分在1以内，但个别大于1，说明了在微观尺度上有些位置喉道半径较大，而孔隙半径相对要小，这其中没有将有机质部分区别开来而放在一起统计，同时也进一步表明陆相页岩CT观测条件下微裂隙宽度的空间变化不可忽视(图5e)。

由于页岩的孔隙度较低，一般在2%～4%，连通性一般比较差。喉道和孔隙简化为球和棍而构成球棍网络[5]。与一个孔隙相连的喉道数被称为配位数。使用微米CT扫描页岩微结构，获取孔隙喉道信息以及孔隙连通图(图4)。计算并统计不同边长立方块空间中孔隙数及其相应的配位数。由图5f可见配位数均值全部小于2，最大值4～12,显示该样品中总体看盲端结点的比例较大，即死孔隙数量较多，而配位数较大的图像中孔隙数目较少，孔隙宽度都较大(表2)。换言之，长度一定情况下，长宽比越小一般配位数会比较高。将长宽比做区间数量统计发现，微米和纳米CT图像中该比值的峰值分别为1～3和1～2，随着边长尺寸的增加该区间的孔隙数量相应稳步增加(图6)。同时图像有高比例重叠部分的几个边长(400，600，700 μm)的图像所获取到的长宽比结果非常接近(图6a)；边长30 μm和300 μm的立方块体中相对粗大孔隙数量明显增多，长宽比呈现出一定的异常高值。

图6 不同观测尺度下长宽比值的孔隙数量变化曲线

4 讨论

不同于海相页岩，陆相页岩沉积环境相对变化较大而呈现较明显的非均质性[6-9]。以往研究表明长7页岩有机质孔多呈孤立状分布，储集空间以粒间孔、粒内孔和微裂缝为主[10]。在微观CT和纳米CT2个不同尺度观测条件下表现出孔隙的长、宽和长宽比值较大的离散性，且最大值变化范围较大，长宽比最大值变化最大，说明在长期沉积压实作用下孔隙的闭合是其渗透性变差的重要原因。有效连通的孔隙对渗透性特征变好很关键。在浅表长期卸荷风化作用下，页岩表现出页理而不同于一定深度下钻孔岩心的纹层，应是这些压实闭合孔隙的张开。鄂尔多斯盆地延长组湖相页岩有机质丰度高，但正处于中成岩阶段 A 期，热演化程度相对较低，导致有机质孔不发育，有机质表面几乎没有发育有机质孔隙[11]。因此在连通性和渗透性都较差的页岩中，如果要提高渗透性就需要加大孔隙的张开，尤其是对粗大孔隙的利用[12]。由于受到关键参数骨架体积的影响，孔隙率测试结果会出现一定的误差[13]，本文仅限于长72页岩及微纳米观测尺度，随样品体积增大孔隙度略有增大，但基本稳定在3.5%～4.0%(表2)。本文对鄂尔多斯陆相页岩的非均质性分析中，未将海相页岩的孔隙参数引入做对比。陆相和海相页岩结构特征的对比分析可参考相关文献[14-17]。

受仪器分辨率和样品处理方法的影响，页岩中更小的孔隙难以被观测到。在利用CT扫描对页岩孔隙组分，尤其是对有机孔进行观察时，由于大的有机孔较容易识别，中等孔隙和小孔隙难以观测，因此应避免仅从CT扫描观测结果对有机孔孔径分布进行统计分析及判断。

5 结论

(1) 采用微米CT和纳米CT扫描及3D图像重构分析，相关的Analysis等软件对孔隙信息的提取等技术，得到了11种边长及不同分辨率的孔隙非均质特征指标变化情况。

(2) 样品中孔隙、裂隙数量和体积随边长增加而呈指数增大，面密度随边长增大而减小。孔隙长宽平均值及其比值变化不大。微米CT图像中孔隙均长7～10 μm，且随边长增加而缓慢增大，最大值70～100 μm；孔隙均宽3～4 μm，随边长增加而缓慢增大，最大值20～40 μm。纳米CT图像中孔隙均长约0.4 μm，最大值10～15 μm；孔隙均宽一般0.2 μm，最大值3～10 μm。孔隙长宽比均值约为2，喉道与孔隙等效半径比值为0.5左右；孔隙数量在长宽比为1～3之间出现一个数量急剧增长的高峰值。

(3) 作为表征孔隙连通性指标的配位数，与宽度平均值关系较为密切，随长宽比增大而最大配位数增大。总体看上三叠统长72黑色页岩连通性不好，配位数峰值为10左右。边长30 μm和300 μm图像中较大尺度微孔隙发育，导致相应长宽比值异常增大。

致谢：论文修改过程中得到了审稿专家及新疆工程学院陈飞老师的专业指教和帮助，谨致谢忱。