泥页岩孔隙结构表征方法及影响因素研究
1前言
页岩气是一种典型的非常规天然气，在20世纪70年代中期之前曾被归入非经济可采资源，随着天然气开发技术的进步以及对天然气的依赖逐渐变为经济可采资源。页岩气因其资源潜力巨大和经济效益显著受到各国政府及能源公司的重视，在北美地区已经取得了良好的勘探开发效益。作为目前页岩气产能最大的国家—美国，页岩气已成为继致密砂岩气和煤层气之后的又一重要的非常规天然气资源。
中国海相页岩十分发育，分布广、厚度大[1]。中国巨厚的烃源岩，良好的生烃条件，寻找页岩气藏具有较好的可行性，其中最有勘探潜力为四川盆地下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组[2]。
泥页岩中的基质孔隙网络是由纳米到微米级别的孔隙组成。在页岩气体系内这些伴生有天然裂缝的孔隙，构成了在开发过程中让气体从泥页岩流动到诱导裂缝中的渗流网络[3]。国外已广泛利用纳米CT、FIB-SEM、气体吸附法、高压压汞法和核磁共振等先进研究手段来对页岩孔隙结构进行大量的微观观测与分析，已经证实了这些泥岩中的不同孔隙的存在。在国内也有一些学者对泥页岩储集层特征、类型及其形成条件进行研究，并提出页岩气储集层的评价参数。邹才能等通过纳米CT技术在泥页岩中首次发现了纳米级孔隙，掀开了油气储集层纳米级孔隙研究的序幕[4]。但是目前对于泥页岩中的孔隙体系尚没有统一的分类方案，这将不利于人们对泥页岩中复杂多变的孔隙特征的识别，而且常规测试手段分析泥页岩孔隙结构还存在多种局限。介于泥页岩作为页岩气这种重要非常规气藏的储层，其孔隙类型、孔隙结构及其连通性都是评价页岩气储层的关键因素，我们有必要对泥页岩孔隙类型以及其结构特征进行系统的研究。本文主要是通过归纳总结近年来国内外学者在泥页岩孔隙研究中对其孔隙的描述以及表征的方法基础上，找到适合国内泥页岩孔隙的分类体系以及能够准确客观表征泥页岩孔隙结构的方法，为页岩气的勘探开发提供支持。
2国内外研究现状
北美是全球目前唯一实现页岩气商业化开采的地区。美国页岩气开采最早，可追溯到1821
年，在纽约州Chautauqua县Fredonia镇，William A.Hart等人钻开了北美的第一口页岩气井，但当时由于产量较小没有得到重视，直到20世纪80年代中期，由于水平钻完井技术和水力压裂技术的进步，使得页岩气的生产进入大规模发展阶段[5]。截至2008年底，美国已完钻页岩气井约42000口，产量首次超过煤层气，达到507×108m3，占美国天然气总产量的10%[6]。
页岩气的开发在北美取得成功后在全世界范围内掀起了页岩气勘探开发的热潮，但是在页岩气的勘探开发过程中遇到了很多不同于常规气藏的技术难题，其中重要的一点就是对泥页岩储层中的微米到纳米级复杂的孔隙结构特征的认识还不成熟。因此近年来国内众多学者对泥页岩孔隙结构展开了大量的研究。
2009年，F.P.Wang和R.M.Reed[7]等人通过高分辨率扫描电镜（SEM）对岩芯进行观察页岩储层不仅孔隙尺度远远小于常规储层，而且内部孔隙类型复杂多样。人们发现页岩储层一般具有四种不同类型的孔隙结构即有机质孔隙、基质孔隙、天然裂缝和人工裂缝，几种孔隙的孔隙尺度、壁面润湿性等均存在较大差异。其中有机质孔隙是页岩储层发育的独特孔隙类型，其孔喉半径在纳米量级而且在岩石基质中分布不连续，但是有机质孔隙是页岩气藏中重要的气体储集空间，有机质丰度与储层渗透率、气井后期产能之间具有非常紧密的联系，甚至被称为页岩储层内部“隐蔽的气体高速公路”。
2010年，M.E.Curtis[8]等人通过FIB/SEM等技术观察了来自九个不同地层的岩芯，认识到岩样的微观结构十分复杂，主要有不同含量的石英、粘土、干酪根和碳酸盐岩，和硫铁矿。干酪根的含量在不同岩样中变化很大，但在Barnett、Woodford和Horn River等页岩中干酪根含有大量有机孔隙。相反在Haynesville页岩中却发现很少量得干酪根和大量的硅酸盐孔隙度。Eagle Ford页岩中既含有有机质孔隙度又含有硅酸盐孔隙度。同时，也发现孔隙度与硫铁矿有关。
2010年，C.H.Sondergeld[9]等人提出了SEM方法的改进。通过将原来对岩石表面进行离子磨削，获得高精度成像。这种方法可以去除留有大量类似裂缝的凹坑的有机质。
2011年，M.E.Curtis和Ray JA等人运用STEM技术观察了Barnett、Woodford、Horn River 和Haynesville页岩岩样的纳孔。在Barnett、Woodford、Horn River岩样中观察到了干酪根中的内部孔隙结构。Barnett岩样中干酪根的内部孔隙结构显现出类似海绵状。Woodford岩样的STEM图像显示出不同干酪根中的孔隙度有较大的变化，这说明除了热成熟度之外另有因素影响孔隙形成。Haynesville页岩岩样的图像中显示出大量的硅酸盐孔隙。
2012年Baojun Bai[10]等通过对泥页岩样品进行200张连续的SEM图像切片堆叠重建了泥页岩样品的3D模型，并且用亚微米孔隙模型得出了样品的一些岩石物理参数如孔隙度、渗透率和弯曲度。
2011年，龙鹏宇，张金川[11]等人对泥页岩裂缝的发育特征及其对产量的影响进行了研究。提出页岩气产量高低直接与泥页岩内部天然微裂缝发育程度有关，裂缝的存在某种程度上提高了水力压裂效应的有效性，从而极大改善了泥页岩的渗流能力，同时，泥页岩中存在的微小孔洞、微裂缝和纳米级微孔隙也是深层热成因页岩气藏的重要聚集空间。
但是目前国内外均未形成较为统一的泥页岩孔隙类型分类方案，这不利于人们对泥页岩内部复杂孔隙系统的识别和认识。较为有代表性的分类方案包括ROBERT G. LOUCKS等2009年提出的泥页岩孔隙分类、https://www.doczj.com/doc/1414300567.html,ner等2010年的泥页岩孔隙描述分类、ROBERT G. LOUCKS等2012年的泥页岩分类以及聂海宽，张金川等2011年的泥页岩孔隙分类[12]。
2.1孔隙分类
2.1.1R GLoucks等2009年提出的泥页岩孔隙分类
R G LOUCKS，R M REED等人在2009年通过对33个来自北部Fort Worth盆地的Barnett 页岩的硅质泥岩相岩心样品详细的岩相学和SEM研究，一些孔隙类型被识别且根据大小分成两个一般的类别：微孔（孔隙直径≥0.75μm）和纳米孔（孔隙直径<0.75μm）。纳米孔位于有机质内部，在黄铁矿中相对少见，到目前为止在我们的Barnett样品中式数量最多的孔隙类型。在这项研究中，位于有机质中的孔隙被叫做粒内有机纳米孔。纳米孔也在平行层理，束状，富有机质薄层中颗粒较好的基质中，其中孔隙不仅在有机质颗粒内也在它们之间。尽管裂缝孔隙已经被提出为烃类在页岩中的储集和运移途径，在Barnet页岩中仅仅只发现了一个具有孔隙度的天然微裂缝，尽管运用了大量的缩放的手段搜索。胶结过的微裂缝和裂缝可见，但是，只是在富碳酸盐的泥岩中。
（1）微孔
大多数微孔和整个微化石，化石碎片，或者草莓状黄铁矿结核有关。一些主要的粒内孔和化石体腔如有孔虫有关可见。然而，大多数化石相关的，主要的粒内孔充填了碳酸盐，二氧化硅，和黄铁矿胶结物。在一些富含贝类的Barnett泥岩层中，已经被二氧化硅代替的化石含有少量的粒内孔。微孔也和成岩矿物有关，如黄铁矿或者石英，这不完全充填了可能是海藻孢子留下的小空隙。沿着粉砂级的长石中的解理面溶蚀形成的次生孔隙也发现了。草莓状黄铁矿结核中的纳米到微米级别晶间孔随结核的大小而变。小一点的结核（大小2-10mm）包含的孔隙大小主要是从0.05到1mm，然而更大的结核中的孔隙直径从1到5mm。作为一组的，微孔在Barnett泥岩中相对罕见除了这些在草莓状黄铁矿结核中的。
（2）纳米孔
粒间纳米孔（在颗粒之间的孔隙）罕见。这些发现的孔隙形成于较大颗粒的边缘且散布于颗粒很好的基质中。和颗粒边缘相关的粒间孔倾向于较大（直径数百纳米长）且在粉砂质的薄层中更常见。尽管总体上这些孔隙并不常见，但是在一些样品中局部可以观察到成簇状。
粒内有机纳米孔（颗粒内部的孔隙）构成了Barnett页岩中最广泛大量的孔隙类型。形状从近乎球形到多边形，其中轻微的不规则椭圆体是最常见的形状。
在泥岩中纳米孔主要以三种形式出现，其中两种和有机质有关。大多数纳米孔发现于离散的有机质颗粒中。另外的纳米孔发现于平行层理面的富有机质束且和极细粒的基质有关，但是没有与任何有机颗粒有直接联系。因为大多数的有机孔发现于有机质中，特别是有机颗粒。
2.1.2 https://www.doczj.com/doc/1414300567.html,ner等2010年的泥页岩孔隙描述分类
https://www.doczj.com/doc/1414300567.html,ner等人在2010年通过次级和离子抛光背散射扫描电镜研究了Haynesville，Horn River，Barnett 和Marcellus 四个著名的非常规页岩气藏，归纳描述了其中几种主要的孔隙类型，包括基质晶间孔、有机孔（干酪根控制）、有机孔（团块和颗粒）、粒内孔、溶蚀孔、粒间孔。
在https://www.doczj.com/doc/1414300567.html,ner等人的这项研究中对有机孔进行了详细的描述，将有机孔根据控制因素的不同又分为两种小类，但是对于晶间孔、粒内孔、粒间孔和溶蚀孔这些孔隙类型的划分不够明确，如粒内孔可能就会包含了某些晶间孔和溶蚀孔在内。
2.1.3 R GLoucks等2012年的泥页岩分类
Loucks和Reed等人根据世界多个地区的页岩气储层的微观孔隙图像资料，详细的统计分类描述，建立了一种三端元式的泥页岩孔隙分类。这三个基本的端元包括：（1）粒间孔，（2）粒内孔和（3）有机孔。裂缝孔隙由于不受单个基质颗粒控制，所以不在这个分类之中。在这个基本的三大类孔隙基础上，通过对粒间孔、粒内孔和有机孔细致深入的研究，将粒间孔、粒内孔和有机孔向下又进行了细分，其中粒间孔分为颗粒之间的孔隙、晶粒之间的孔隙、粘土薄片间孔隙、脆性颗粒边缘孔隙；粒内孔分为黄铁矿结核内部晶间孔、粘土集合内的薄片间孔、球粒和粪球粒内孔、溶蚀边缘孔、化石体腔孔、晶体铸模孔、化石铸模孔；有机孔即位于有机质内部的孔隙。
Loucks和Reed等人提出的这套泥页岩孔隙分类方案客观详实的介绍了泥页岩中存在的
复杂的孔隙类型，而且其三端元的孔隙分类是以孔隙和颗粒之间的关系为依据，这便于人们在电镜下观察识别出不同类型的孔隙。
2.1.4聂海宽，张金川等2011年的泥页岩孔隙分类
聂海宽，张金川等在2011年主要采用物理测试和扫描电镜观察相结合的方法对四川盆地及其周缘下寒武统和上奥陶统下志留统41块黑色页岩样品的孔隙类型进行研究，物理测试可以直接得出孔隙的大小，而扫描电镜不但解决了物理测试无法直接观察孔隙的问题，同时也弥补了光学显微镜焦深小、分辨能力低的不足，可以直接观察孔隙的类型、大小和结构等。页岩的孔隙按演化历史可以分为原生孔隙和次生孔隙；按大小可以分为微型孔隙(孔径<0.1μm)、小型孔隙(孔径<1μm)、中型孔隙(孔径<10μm)和大型孔隙(孔径>10μm)。鉴于孔隙种类对页岩储集类型、含气特征、聚气特征和气体产出等有重要影响，因此，按孔隙类型进行划分，分为有机质(沥青)孔和/或干酪根网络、矿物质孔(晶内孔、晶间孔、溶蚀孔和杂基孔隙等)以及有机质和各种矿物之间的孔隙等3类，这些孔隙是主要的储集空间，赋存了大量的天然气，孔隙度大小直接控制着天然气的含量。
有机质孔和干酪根网络这种孔隙的孔径一般为纳米级，表现为吸收孔隙，是吸附态赋存的天然气主要储集空间。生油层中的有机质并非呈分散状，主要是沿微层理面分布，进一步证实，生油岩中还存在三维的干酪根网络。微层理面可以理解为层内的沉积间断面，其本身有相对较好的渗透性，再加上相对富集的有机质可使其具有亲油性，若再有干酪根的相连，那么在大量生气阶段，易形成相互连通的、不受毛细管阻力的亲油网络，是页岩中天然气富集的重要孔隙类型之一。微孔直径一般小于2nm，中孔直径在2~50nm，大孔隙直径一般大于50nm；随孔隙度的增加，孔隙结构发生变化(微孔变成中孔，甚至大孔隙)，孔隙内表面积也增大[13]。矿物质孔主要包括晶间(颗粒间)孔、晶内(颗粒内)孔、溶蚀孔和杂基孔隙等。有机质和矿物质之间的孔主要指有机质和矿物之间的各种孔隙，该类孔隙只占页岩孔隙的一小部分，但却意义重大。该类孔隙连通了有机质(沥青)孔和/或干酪根网络和矿物质孔，把两类孔隙连接起来，使得有机质中生成的天然气能够运移至矿物质孔赋存，某种程度上有微裂缝的作用，对页岩气的聚集和产出至关重要。
这种孔隙分类体系是以孔隙与有机颗粒以及其他矿物质之间的位置关系为分类依据的，能够较为直观的反映泥页岩中各类孔隙与颗粒的位置关系，有利于人们识别出孔隙类型，并且指出了有机质和矿物质之间的孔隙对于天然气运移的重要作用。但是其中矿物质孔这个大类下的晶间(颗粒间)孔、晶内(颗粒内)孔、溶蚀孔和杂基孔隙这些次级分类却值得商榷。晶间
(颗粒间)孔、晶内(颗粒内)孔是以孔隙与颗粒和晶粒的位置关系来划分的，而溶蚀孔却是以成因来划分的，这样的孔隙分类就显得比较混乱，无法准确的区分泥页岩中大量的类型复杂多变的孔隙。
2.2孔隙表征方法
目前国外的研究人员在泥页岩孔隙特征的研究上已经做了大量的工作，其中包括定性的孔隙的观察和定量的孔径分布以及孔隙度的测试等。
在定性观察方面，采用的仪器和分析手段包括高分辨率的场发射扫描电镜、原子力显微镜( AFM)、小角散射( SAXS) 和透射电子显微镜等手段［14］。通过对比泥页岩机械剖光和氩离
子切割抛光之后的效果，得出要想更好的观察泥页岩孔隙平面分布，在制样阶段最好进行氩离子抛光。另外，为了观察泥页岩孔隙的三维分布特征，采用了样品无损检测的3D X-射线微米CT、Nano-CT以及破坏样品的双离子束(FIB-SEM)手段，并结合能谱(ESD)或背散射图像(BSE)还可以实现不同矿物成分的三维分布图像［15］。国内的学者在充分调研和吸收国外泥页岩储层研究的基础上，也开始尝试利用氩离子抛光技术对页岩样品进行处理，在高分辨率扫描电镜下观察页岩纳米级孔隙与微裂缝的结构特征。不仅对泥岩烃源岩的孔隙形态特征与大小进行了初步的探讨［16］，还在四川盆地海相页岩中首次发现微米纳米级孔隙与微裂缝发育，并利用场发射扫描电镜和纳米CT扫描重构了泥/页岩和砂岩中的孔隙结构［17］。CT技术在表征泥页岩三维储层方面有着巨大潜力，尤其是Nano-CT实现了纳米级孔隙三维立体观测，其分辨率可以达到50～70nm，若结合图像处理技术可以对泥页岩储层连通性各向异性和孔隙度等进行定量评价，引入逾渗理论可实现泥页岩储集空间内流体流动的探讨。
在定量分析测试方面主要运用到了压汞法，气体吸附法以及核磁共振法来分析泥页岩的孔径分布规律[18]。
气体吸附法主要包括氮气吸附法和二氧化碳吸附法，其中氮气更易制备且价格较为便宜，因此实验室常采用氮气吸附法。氮气吸附法的具体原理为：采用氮气（N2）为吸附质气体，恒温下逐步升高气体分压，测定页岩样品对其相应的吸附量，由吸附量对分压作图，可得到页岩样品的吸附等温线；反过来逐步降低分压，测定相应的脱附量，由脱附量对分压作图，则可得到对应的脱附等温线。页岩的孔隙体积由气体吸附质在沸点温度下的吸附量计算。在沸点温度下，当相对压力为1或接近于1时，页岩的微孔和中孔一般可因毛细管凝聚作用而被液化的吸附质充满。根据毛细管凝聚原理，孔隙的尺寸越小，在沸点温度下气体凝聚所需的分压就越小。而在不同分压下所吸附的吸附质液态体积对应于相应尺寸孔隙的体积，故可
由孔隙体积的分布来测定孔径分布。低温低压（<-196℃，<0.127MPa）下N2的等温吸附可以反映中孔的分布，通过BJH方程可以计算体积分布。计算公式如下：
VVVVVV=?rr VVVV rr kkVV+△tt VV/22?22?△VV VV?△tt VV?AA cccc VV?11cc?11?
式中：V pn为孔隙容积；r pn为最大孔半径；r kn为毛细管半径；Vn为毛细管体积；t n为吸附的氮气层厚度；Acj为先前排空后的面积。
高压压汞孔径分析是常用的储层孔喉分布测定方法，将液态汞（Hg）注入样品，注入压力与孔半径满足Washburn方程：
DD=22rr=?4444cc444444VV
式中：D为页岩孔隙直径，cm；r为页岩孔隙半径，cm；θ为汞与页岩表面的浸润角，°；σ为汞的表面张力，10-3N/m；P为注入压力，Pa。
根据Y oung-Duper方程[19]，外加压力迫使汞进入孔隙所作的功与浸没粉末表面所要的功相等，进而求得比表面积，由孔容和比表面可估算平均孔半径。压汞仪探测的最小孔径值取决于最大工作压力。页岩表面不均匀性及由此引起的液固作用会影响表面张力和扩散系数的测定，造成孔隙分布曲线的误差。由于页岩中孔隙十分微小，汞不易进入页岩中纳米级的孔隙，且高压压汞会造成人工裂隙，影响测定结果，故高压汞孔径分析法主要分析大孔范围的孔隙。页岩样品需在110℃下烘干2h，将其中的自由水与吸附水烘干，并在低压下进行抽真空处理。
由于页岩储层岩性极为致密，具有亚微米、纳米级的孔隙特征及较强的非均质性，常规的岩石物性分析方法在对页岩储层进行测试时会面临较大的问题，测试结果误差较大或效率较低。19世纪30年代，物理学家伊西多·拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转，这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识，人们在发现核磁共振现象之后很快就在生物、医药等领域产生了实际用途。直至最近，核磁共振在石油勘探及开发领域得到发展，广泛应用于测井解释及岩心分析方面。
在进行核磁共振检测之前，多孔介质流体中的质子是随机取向排列的。当多孔介质放入仪器中时，仪器的磁场使这些质子磁化。首先，仪器的永磁场使质子有沿着磁场方向的磁化矢量，然后又发射交变电磁场使这些被极化的质子从新的平衡位置翻转。撤销交变磁场后，质子开始回到原来的平衡位置，这一过程叫做弛豫。使用CPMG序列能够产生一系列的自旋回波，这些回波串构成了NMR测试的原始数据。孔隙度是岩石孔隙空间的量度，它是岩石孔隙体积占岩石总体积的比值，范围在0%-100%之间。如果岩石被水饱和，核磁共振自旋回
波串的初始幅度或T 2分布曲线围成的面积与探测范围内的孔隙流体中的氢原子数量成正比。因此，这一幅度经刻度后就可以给出岩石的孔隙度值。对饱和水的岩样测得的核磁共振自旋回波串的初始幅度，可利用标准刻度样品进行刻度，将初始幅度转换成孔隙度，转换公式为：
?=??
×M(0)M(0)?×NS NS ?×10120(RG 1?rg 1)×2(RG 2?rg 2) 其中，?为待测样品孔隙度；??为标准样品孔隙度；M(0)为待测样品核磁共振自旋回波
串的初始幅度，M(0)?为标准样品核磁共振自旋回波串的初始幅度；
NS 为待测样品累加次数；NS ?为标准样品累加次数。 对于采用CPMG 序列测量岩样的横向弛豫过程，自旋回波串的衰减过程可表示为： M (t )=M(0)?f n e ??t T 2n ?∞n =0 其中，M(0)代表核磁共振自旋回波串的初始幅度；T 2n 代表第n 种弛豫分量横向弛豫时间；
f n 代表第n 种弛豫分量的相对衰减幅度。 因此，可将100% 饱和模拟地层水的岩样进行核磁共振所得核磁共振自旋回波串反演得到T 2谱。由T 2谱可以评价岩石的束缚水饱和度。束缚水饱和度的评价基于以下假设：可动流体赋存于大孔隙中，而束缚流体赋存于小孔隙中。由于T 2值是与孔隙尺寸有关的，因此可以选择一个T 2值，小于该值对应的流体存在于小孔隙中，大于该值则流体存在于大孔隙中，此值称为T 2截止值。通过在T 2分布上的划分，T 2截止值将T 2分布分为两部分，一部分代表孔隙束缚流体，另一部分则代表可动流体。
核磁共振的渗透率测量是基于实验和理论模型及其相互关系的结合。最为常用的核磁渗透率预测模型是基于束缚水饱和度的coates 模型，常用的公式为：
k =???4
?FEI ?2 其中，FFI 为可动水饱和度；BVI 为束缚水饱和度。参数c 可通过对一组样品进行实验拟合确定，或者由经验给出。 确定T 2截止值的过程，先把岩样用水100%饱和，测量一个T 2谱分布曲线，并得到累加孔隙度曲线。然后，对岩样做脱水处理，在给定的压力条件下，对岩样进行离心实验使自由水脱出岩样，孔隙空间中只剩下束缚水。再对此时的岩样做核磁共振测量，得到一个T 2分布及累加孔隙度曲线和束缚水孔隙体积值。根据这些观测结果，以束缚水孔隙体积值作一条横轴平行线，得到与100%饱和岩样的累加孔隙度曲线的交点，再过此交点作一条纵轴平行线与横轴相交，交点对应的T 值即是所需要的T 截止值。由于核磁共振仅对岩石孔隙中的流体
有信号响应，在对饱和含氢流体岩石进行核磁共振岩芯实验时岩石骨架矿物对核磁信号的影响很小。因此，通过核磁共振岩芯实验可以测得岩石的孔隙度、渗透率，而且将核磁共振岩芯实验与气水离心结合还可以测得岩石的可流动流体饱和度等参数）。目前，核磁共振岩芯实验多应用于碳酸盐岩和砂岩的分析中，在页岩气藏中应用还处于探索起步阶段，应用较少。孙军昌等2012年使用低磁场核磁共振岩样分析仪系统研究了页岩核磁共振T2谱响应特征页岩核磁孔隙度与常规孔隙度的差异并结合离心实验结果标定了页岩可动流体T2截止值及基质储层游离气饱和度大小实验结果表明页岩核磁共振T2谱与砂岩具有明显的差别页岩可动流体T2截止值基质游离气饱和度也明显小于砂岩储层研究结果对于核磁共振技术在页岩气开发中的应用具有重要的基础指导作用[20]。
核磁共振是由原子核与磁场之间的相互作用引起的。根据核磁共振基本原理，可以用下式表示多孔介质中流体的弛豫特征：
1 2=12B+12D+12S
式中，1/T2代表孔隙流体总的弛豫速率（T2称为横向弛豫时间），ms-1；T2B、T2D和T2S 分别为孔隙流体的体弛豫、扩散弛豫和表面弛豫时间。
由于低磁场核磁共振仪器对实验岩芯施加的磁场为均匀磁场，这使得扩散弛豫时间几乎为零，同时孔隙流体具有较大的体弛豫时间T2B，因此，上式中的1/T2D及1/ T2B可以忽略掉。因此可简化为
1 2≈12S=ρS
由式可得
S=11
2
式中，ρ 代表岩石横向表面弛豫强度系数，μm/ms；S代表岩石孔隙总表面积，μm2；V 代表孔隙体积，μm3。
岩石在完全饱和水的情况下，孔隙内水的弛豫特性受到岩石孔隙结构的影响，表现出不同的弛豫特性，核磁共振测量的信号是由不同大小孔隙内水的信号的叠加，经过复杂的数学拟合得到核磁共振T2谱。因此几谱的分布反映了孔隙大小的分布，大孔隙内的组份对应长的T2值，小孔隙组份对应短的T2值。既然几分布谱和压汞曲线都反映了岩石的孔隙结构特征，那么两者之间必然存在密切的关系。如果应用压汞或毛管压力曲线刻度核磁共振资料，建立定量转换关系，就可以应用核磁共振资料对孔隙结构进行评价，为了建立孔隙半径与孔弛豫时间的定量转换关系式，在双对数坐标系内建立T2谱与孔隙半径分布的对应分布图，然后求
取2个谱图的相关系数。从下式中知T2和r c是成正比关系，因为压汞孔径分布数据点是按照对数选取的，为了减少大孔径数据点的分布权重，在双对数坐标下建立了T2和r c的对应关系式r c=C×T2。式中，C为转换模型系数。对于不同的岩心具有不同的转换系数，转换系数的大小与孔径和孔喉比相关。转换系数随着孔渗比的增大而减小，同时受顺磁物质含量的影响，随着顺磁物质含量的增加，转换系数增大[46]。
3孔隙结构的影响因素
3.1构造作用对孔隙结构的影响
在漫长的地质历史时期储集岩经历了复杂的成岩作用及其演化过程，影响储层的孔隙类型、组合和结构特征[21]。构造作用对沉积物埋深的控制可以在压实等成岩作用上体现出来。对于抬升应力释放等使一定范围内的岩石破裂而形成的裂缝对储集岩孔隙结构能起到改善作用。
3.2沉积作用对孔隙结构的影响
不同沉积微相环境中形成的岩石由于具有不同的水动力条件和沉积方式。形成的沉积物颗粒大小、填隙物含量、矿物组分和岩石结构特征(分选性、磨圆度等)均具差异。或者同一沉积微相由于物源条件不同造成岩石组分和结构的差异，均能导致储层原始物性及孔渗条件具有一定差异，也对埋藏后期的成岩作用类型和强度产生影响。如成分成熟度较低的沉积物一方面抗压实能力弱。不利于原生孔隙的保存，但另一方面也为后期溶蚀作用、次生孔隙的发育奠定了物质基础。
在泥页岩储层中，由于孔隙主要以存在于粘土和有机质中的微孔和介孔为主，因此矿物组分和干酪根类型以及有机质成熟度等对于孔隙结构将产生较大的影响，Mark E. Curtis等在2012年对8个Woodford的页岩样品运用FIB-SEM技术进行观察，样品中有机孔是否发育与Ro值有关，Ro小于0.9%的样品不见次生有机孔，但是当Ro大于2%时有机孔也变的很少，这说明Ro不足以决定有机孔的发育，而且发现经历相同热成熟史的区域其有机孔也有明显差别，在同一个样品中左边的有机质不发育有机孔而右边的有机质含有大量有机孔，这更好的佐证了有机孔的发育还和有机质类型等有关[22]。
3.3成岩作用对孔隙结构的影响
储层尤其是低孔低渗储层的复杂孔隙结构特征一般不是沉积时期形成的，而是成岩多期改造作用的结果，储集岩孔隙结构及其演化主要受成岩作用的类型、强度和成岩演化序列等因素的综合影响和控制成岩作用不仅影响储集空间的演化和孔喉结构特征．还最终决定了现今储层的孔隙结构特征和物性好坏．通过成岩作用的研究可确定储层孔隙空间的形成和演化过程，以及成岩矿物对储集物性的影响．从而较好地评价储层孔隙结构[23]。而成岩作用的影响主要包括压实压溶作用和胶结作用对孔隙结构的破坏以及溶蚀作用的和破裂作用的改善。对于泥页岩这种致密型的储层而言破裂作用形成的裂缝和微裂缝虽不能显著提高储层的储集性能，但裂缝的存在可以非常有效地增加储层的渗流性能，使孔喉连通性变好。在强压实胶结原生孔隙基本消失背景下，次生溶孔和构造破裂缝的发育程度最终决定了储层的物性和孔隙结构的好坏。
4结论和总结
通过对国内外众多的泥页岩孔隙结构研究文献的调研，得出了以下结论：
（1）虽然目前国内外对泥页岩孔隙结构研究的文献和科研报告数量较多，但是大都是通过对比前人的研究方法，并未提出新的研究方法和研究手段。
（2）现今国内外学者还未在泥页岩的孔隙分类这方面形成统一的方案，各自使用自己的孔隙描述术语，这不利于人们更为深刻的认识和研究泥页岩内部孔隙结构。在现有的泥页岩孔隙分类方案中，以Loucks2012年提出的三端元孔隙分类体系最具代表性，其根据孔隙和岩石内部颗粒之间的相互关系，将泥页岩孔隙划分为三大端元：粒间孔、粒内孔和有机孔，但其分类并未涉及到裂缝，因为裂缝不受单个颗粒的控制。
（3）页岩孔隙结构的表征分为定性和定量两个方向。其中定性的研究更为方便快捷，直观的观察到泥页岩内部孔隙特征，运用的手段包括高分辨率的场发射扫描电镜、原子力显微镜( AFM)、小角散射( SAXS) 和透射电子显微镜等手段。通过对比泥页岩机械剖光和氩离子切割抛光之后的效果，得出要想更好的观察泥页岩孔隙平面分布，在制样阶段最好进行氩离子抛光。另外，为了观察泥页岩孔隙的三维分布特征，采用了样品无损检测的3D X-射线微米CT、Nano-CT以及破坏样品的双离子束(FIB-SEM)手段，并结合能谱(ESD)或背散射图像(BSE)还可以实现不同矿物成分的三维分布图像。定量研究可以为定性研究提供客观的数据支撑，运用的手段主要包括氮气吸附法测试孔径分布和比表面积，高压压汞法和核磁共振法测试孔
径分布。
（4）在对泥页岩孔隙结构进行了大量研究之后，我们可以通过研究成果结核区域地质资料和有机地化资料以及物性特征等对泥页岩孔隙结构影响因素进行探讨。
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第二章岩石中的空隙与水分 一、名词解释 1．岩石的透水性：岩石允许水透过的能力。 2．孔隙：松散岩石中，颗粒或颗粒集合体之间的空隙。 3．孔隙度：松散岩石中，某一体积岩石中孔隙所占的体积。 4．裂隙：各种应力作用下，岩石破裂变形产生的空隙。 5．裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩石体积的比值。 6．岩溶率：溶穴的体积与包括溶穴在内的岩石体积的比值。 7．溶穴：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞。 8．给水度：地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积。 9．重力水：重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力作影响下运动的那部分水。 10．毛细水：受毛细力作用保持在岩石空隙中的水。 11．支持毛细水：由于毛细力的作用，水从地下水面沿孔隙上升形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持。 12．悬挂毛细水：由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层会保留与地下水面不相联接的毛细水。 13．容水度：岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。 14．孔角毛细水：在包气带中颗粒接点上由毛细力作用而保持的水。 15．持水度：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。 二、填空 1．岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分步和运动具有重要影响。 2．岩石空隙可分为松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、和可溶岩石中的溶穴。3．孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。 4．松散岩层中，决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，
影响混凝土孔含量和孔结构的主要因素 一、原材料的影响 1、集料 混凝土中，集料体积占总体积的3/4左右，集料的最大粒径、颗粒、形状、弹性模量等均会对混凝土的强度、碱集料反应、体积稳定性以及耐久性等性能产生重要的影响。研究表明:岩石的孔隙率较小，为0%-5%，又有足够高的强度承受冻结的破坏力;同时骨料被硬化水泥浆体包裹，水分首先为浆体饱和。所以混凝土受冻融的薄弱环节应该是硬化浆体，骨料对抗冻性的影响相对说是次要因素。但是如果掺加引气剂，集料对含气量是有一定影响的。粗集料本身对引气没有很大的影响，但粗集料会影响混凝土拌合物的干硬性，从而间接影响气泡的形成。通常如果粗集料量大，拌合物浆体量就较少，其混凝土的含气量一般就较低。细集料对引气较为重要的影响是细集料的颗粒尺寸，随着细集料细度提高，含气量有下降的趋势。 2、水泥 水泥对引气物理方面的影响主要与水泥的细度有关，较细的水泥由于比表面积大，需水量也就较大，则相对可用于气泡形成的水量减少了，使得气泡形成变得较为困难，同时浆体粘度的增大也使气泡更难以形成。 3、外加剂和矿物质掺合料 目前，使混凝土高性能化的途径有两条: (1) 在混凝土中掺加高效减水剂(即超塑化剂)。近几年许多学者研究超塑化剂对气泡体系的影响，他们得出的结论是:利用三聚氰胺或蔡系类超塑化剂来提高新拌混凝土和易性将引起气泡间距系数增大，气泡比表面积降低，含气量损
失。超塑化剂对气泡体系的影响包括两个方而:首先，超塑化剂提高了浆体流动性，从而增大了气泡聚合的可能性;其二，超塑化剂增加了水泥颗粒间的排斥力，从而削弱了起防止气泡聚合作用的气泡周围水泥浆薄壳作用。 (2) 在混凝土中掺加活性矿物质掺和料。矿物质掺和料对混凝土含气量的影响，除类似水泥细度外，粉煤灰和硅灰中的碳含量由于缓慢抑制引气剂的作用而对气泡的形成与稳定性有一定的影响国内有研究报道，对于质量较差的III级粉煤灰，以1.5超量系数超量取代法水泥，每增加10%粉煤灰，混凝土引气量将降低1%~2%。对于硅灰混凝土，由于其浆体密实和低渗透性，冻融其间水分向气泡迁移更困难，通常必须其有比普通混凝土更小的气泡间距系数来满足抗冻性要求。 根据高性能混凝土定义的有关内涵蔡跃波认为:没有塑化剂的混凝土不可能是高性能混凝土，而没有活性掺和料的混凝土也不应该称之为高性能混凝土。另一方面，当今世界所面临的资源和环境保护问题日益严峻，生产高耐久性混凝土以及使其朝着可持续发展材料方向发展是大势所趋。因此合理的应用粉煤灰、矿渣、硅灰等工业废渣成为解决这一问题的最佳选择。 二、配合比的影响 1、水灰比 水灰比对引气有一定影响，水灰比越大，相对可用于气泡形成的水量多，使得气泡的形成变得较为容易，同时浆体粘度的较小也使气泡更易形成。反之，则难引入气体。所以通常贫混凝土比富混凝土较易引气。 2、砂率 砂率是否适当，对于混凝土的品质有着很大的影响，砂率大，则比表面积大，
中国页岩气形成机理地质特征及资源潜力 摘要：页岩气是以自生自储为主的非常规天然气，是油气资源中的新型矿种。 由于页岩气储层低孔低渗，要实现大规模开采必须克服许多理论和技术上的难题。本文分析中国页岩气基本特征、形成机理与富集条件、面临的难题等, 对中国页 岩气资源潜力进行预测, 以期为中国页岩气的研究和勘探开发提供依据。 关键词：非常规油气 ;页岩气;源岩油气 页岩气是一种潜在资源量非常巨大的非常规天然气资源，具有含气面积广、 资源量大、开采技术要求高、生产寿命长、稳产周期长等特点。近年来，严峻的 能源紧张形势使页岩气资源在世界范围内受到了广泛的关注。 一、页岩气勘探开发现状 油气工业的发展主要历经构造油气藏、岩性地层油气藏、非常规油气藏三个 阶段。油气藏分布方式分别有单体型、集群型、连续型三种类型。从构造油气藏 向岩性地层油气藏转变是第一次理论技术创新,以寻找油气圈闭为核心;从岩性地 层圈闭油气藏向非常规连续型油气藏转变是第二次理论技术创新或革命,以寻找有 利油气储集体为核心,致密化“减孔成藏”机理新论点突破了常规储集层物性下限与 传统圈闭找油的理念。随着勘探开发技术不断进步,占有80%左右资源的非常规油气，如页岩气、煤层气、致密气、致密油、页岩油等已引起广泛关注,并得到有效 开发, 在油气储产量中所占比例也逐年提高。传统观点仅认识到页岩可生油、生气,未认识到页岩亦可储油、储气,更未认识到还能聚集工业性页岩油、页岩气。 近年来,典型页岩气的发展尤为迅速,地质认识不断进步,优选核心区方法、实验分 析技术、测井评价技术、资源评价技术、页岩储集层水平井钻完井、同步多级并 重复压裂等先进技术获得应用, 形成“人造气”是页岩气快速发展的关键因素。页岩气突破的意义在于: 突破资源禁区,增加资源类型与资源量。 2、挑战储集层极限,实现油气理论技术升级换代,水平井多级压裂等核心技术，应用于其他致密油气等非常规和常规油气储集层中更加经济有效,可大幅度提高油 气采收率。 3、带动非常规油气技术发展,推动致密油气、页岩油等更快成为常规领域。 二、中国富有机质页岩特征 源岩油气是一种新资源类型, 包括页岩油、页岩气、煤层气等,自生自储,主要 产自源岩内储集层中。页岩是由粒径小于0.0039 mm的细粒碎屑、黏土、有机质 等组成,具页状或薄片状层理、易碎裂的一类沉积岩,也称为细粒沉积岩。页岩气 是指从富有机质黑色页岩中开采的天然气,或自生自储、在页岩纳米级孔隙中连续 聚集的天然气。中国三类富有机质页岩泛指海相、海陆交互相及陆相页岩和泥岩, 重点指含油气盆地中的优质泥质烃源岩,图中为依据中国页岩发育的层系和分布特 点编制的三类页岩分布图。中国南方地区海相页岩多为硅质页岩、黑色页岩、钙 质页岩和砂质页岩,风化后呈薄片状,页理发育。海陆过渡相页岩多为砂质页岩和 炭质页岩。陆相页岩页理发育, 渤海湾盆地、柴达木盆地新生界陆相页岩钙质含 量高,为钙质页岩,鄂尔多斯盆地中生界陆相页岩石英含量较高。 2、中国页岩形成的区域地质背景。古生代，在中国南方、华北及塔里木地区形成了广泛 的海相和海陆过渡相沉积, 发育多套海相富有机质页岩和海陆过渡相煤系炭质页岩。在后期改造过程中, 部分古生界海相页岩经历了挤压变形或隆升。四川盆地、华北地区、塔里木盆地构
第二章微观孔隙结构类型划分及特点 2.1 微观孔隙结构类型的研究方法 随着油田开采技术的发张，从一开始单纯依靠天然能量驱油逐渐发展到用注水注气疯方法开采石油，于是开始出现了多相渗流，贝克莱—勒弗莱脱关于水驱油非活塞式驱替理论的提出，奠定了多相渗流的基础，拟压力方法的引入使油气两相渗流得到了有效的解决。 油气储集层是油气储集的场所和油气云翳的通道。它有着极其复杂的内部空间结构和不规则的外部集合形状，它是渗流的前提条件，所以必须对其进行了解。按其成因可分为：原生孔隙、次生孔隙、混合空隙。 （1）原生孔隙 指原始沉积物固有的空隙，如（陆源碎屑）粒间孔、（陆源碎屑）粒内孔等。原生粒间孔经机械压实作用改造后变小，习惯上称之为原生缩小粒间孔，此类孔隙在本区不甚发育（图2-5, 图2-6）。 图2-5少量原生缩小粒间孔；单偏光10×10 Fig. 2-5 Fine-grained arkose lithic sandstone 图2-6少量原生粒间孔；单偏光：10×10 Fig. 2-6 Fine-grained arkose lithic sandstone （2）次生孔隙 经次生作用（如淋滤、溶解、交代、重结晶等成岩作用）所形成的空隙称为次生孔隙。构成本区砂岩主要储集空间的次生孔隙由溶解成岩作用形成。主要包括粒内溶孔、铸模孔隙和胶结物内溶孔。
图 2-7长石粒内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-7 Arcosic intergranular dissolved pore, plainlight 10×10 图2-8岩屑粒内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-8Lithic intergranular dissolved pore， plainlight 10×10 粒内溶孔见于易溶的陆源长石颗粒、岩屑和内源介形虫骨壳。其中长石粒内溶孔常依长石颗粒的解理缝、双晶缝、裂隙外延伸展（图2-7）。陆源岩屑遭受部分溶蚀后形成岩屑粒内溶孔，粒内见有难溶组分（图2-8）。本区还可见介形虫化石，体腔内先期充填的碳酸盐胶结物后来发生溶解，形成溶蚀孔隙。特征是介形虫壳体基本完整，体内见有残余的碳酸盐矿物（图2-9）。 图2-9 介形虫体腔内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-9 Within mussel-shrimp dissolved porem plainlight 10×10 图2-10长石铸模孔隙., 单偏光10×20 Fig. 2-10 Arcosic matrix pore, plainlight 10×20 溶解作用强烈可使陆源碎屑、内源颗粒（如生物介壳、鲕粒等）被全部溶解掉，若该颗粒外形轮廓、解理缝、岩石结构等自身特征尚可辨识时，称此种空隙为铸模孔隙。本区的铸模孔隙有长石铸模孔隙和岩屑铸模孔隙，前者发育（图2-10）。
第36卷第4期2005年7月 锅 炉 技 术 BOIL ER T ECH NO L OGY Vol.36,No.4 Jul.,2005 收稿日期:20040712 基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目子课题(G199902210532) 作者简介:周毅(,男,东南大学动力工程系硕士研究生。 文章编号: CN311508(2005)04003405 半焦孔隙结构的影响因素 周 毅, 段钰锋, 陈晓平, 赵长遂, 吴 新 (东南大学动力系洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210096) 关键词: 部分气化;半焦;孔隙结构;喷动流化床 摘 要: 用氮气等温吸附(77K)方法测量了原煤及其加压、常压部分气化后半焦的BET 比表面积,并通过BJH 法计算了孔比表面积、孔容积、孔径和孔分布。根据测试结果,从气化操作条件、半焦颗粒粒径、半焦工业分析3方面分析了影响半焦孔隙结构的因素。常压喷动流化床气化中,挥发分析出或热解对半焦孔隙的生成和发展起到主导作用;而加压气化过程中,炭发生的气化反应对半焦孔隙的生成和发展有更加重要的影响。实验中发现在一定的气化工况下,煤焦存在一个合适的颗粒尺寸范围,能形成比较大的孔比表面积和孔容积,有利于增强煤焦的气化反应。 中图分类号: T Q 534 文献标识码: A 1 前言 第二代增压流化床联合循环发电技术采用了煤的部分气化,将产生的中低热值煤气用于提高烟气轮机入口的燃气温度,而煤部分气化后的半焦则送入PFBC 锅炉中燃烧。它克服了第一代增压流化床联合循环系统中燃气轮机入口温度低的弱点,使系统净发电效率可望达到45%~47%[1],从而实现电站较高的整体发电效率。半焦作为煤部分气化后的产物,与原煤相比在表面形态、内部结构及化学组成上都有很大的不同。孔隙结构是半焦物理结构的主要部分,其内表面积和孔隙的大小直接决定了半焦的吸附特性和反应速率,对气化和燃烧过程都有显著的影响。因此,对半焦的孔隙特性进行相关的研究,无论在半焦研究的基础理论方面还是在半焦的实际应用过程中,均具有重要的地位。许多研究者对气化和燃烧过程中煤焦的孔隙结构作过研究,但煤焦结构的复杂性 也限制了该研究的深入开展。本文从工业化和半工业化的部分气化炉中取得半焦样品,测定了其比表面积、孔比表面积、孔径和孔容等参数,并对这些参数的影响因素作了详细的分析和探讨。 2 实验部分 2.1实验样品 本实验的样品主要分为两大系列:加压系列(PC 、2-PC)与常压(A C)系列。每个系列中又包括2个种类:原煤和半焦,其中加压系列的半焦又分别取自初始气化的非稳定过渡工况(PC 系列)和稳定6h 后的稳态气化工况(2-PC 系列)。加压系列的样品来自东南大学热能研究所热输入2MW 增压喷动流化床(PFG)多功能热态实验台;常压系列的样品来自南京某厂常压喷动流化床煤气炉。煤样都是徐州烟煤,其工业分析和元素分析见表1,半焦是煤气炉在表2所示运行工况下取得。 表1 常压、加压气化用原煤的工业分析和元素分析 % 煤 样 工业分析(空干基) 元 素 分 析 A FC V M C ad H ad O ad N ad S ad 加压气化用煤22.9945.8728.94 2.2060.46 4.128.72 1.110.40常压气化用煤 25.36 46.25 26.11 2.29 56.54 3.71 8.31 0.87 0.48
泥页岩孔隙结构表征方法及影响因素研究 1前言 页岩气是一种典型的非常规天然气，在20世纪70年代中期之前曾被归入非经济可采资源，随着天然气开发技术的进步以及对天然气的依赖逐渐变为经济可采资源。页岩气因其资源潜力巨大和经济效益显著受到各国政府及能源公司的重视，在北美地区已经取得了良好的勘探开发效益。作为目前页岩气产能最大的国家—美国，页岩气已成为继致密砂岩气和煤层气之后的又一重要的非常规天然气资源。 中国海相页岩十分发育，分布广、厚度大[1]。中国巨厚的烃源岩，良好的生烃条件，寻找页岩气藏具有较好的可行性，其中最有勘探潜力为四川盆地下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组[2]。 泥页岩中的基质孔隙网络是由纳米到微米级别的孔隙组成。在页岩气体系内这些伴生有天然裂缝的孔隙，构成了在开发过程中让气体从泥页岩流动到诱导裂缝中的渗流网络[3]。国外已广泛利用纳米CT、FIB-SEM、气体吸附法、高压压汞法和核磁共振等先进研究手段来对页岩孔隙结构进行大量的微观观测与分析，已经证实了这些泥岩中的不同孔隙的存在。在国内也有一些学者对泥页岩储集层特征、类型及其形成条件进行研究，并提出页岩气储集层的评价参数。邹才能等通过纳米CT技术在泥页岩中首次发现了纳米级孔隙，掀开了油气储集层纳米级孔隙研究的序幕[4]。但是目前对于泥页岩中的孔隙体系尚没有统一的分类方案，这将不利于人们对泥页岩中复杂多变的孔隙特征的识别，而且常规测试手段分析泥页岩孔隙结构还存在多种局限。介于泥页岩作为页岩气这种重要非常规气藏的储层，其孔隙类型、孔隙结构及其连通性都是评价页岩气储层的关键因素，我们有必要对泥页岩孔隙类型以及其结构特征进行系统的研究。本文主要是通过归纳总结近年来国内外学者在泥页岩孔隙研究中对其孔隙的描述以及表征的方法基础上，找到适合国内泥页岩孔隙的分类体系以及能够准确客观表征泥页岩孔隙结构的方法，为页岩气的勘探开发提供支持。 2国内外研究现状 北美是全球目前唯一实现页岩气商业化开采的地区。美国页岩气开采最早，可追溯到1821
北美地区典型页岩气盆地成藏条件解剖 1、阿巴拉契亚盆地俄亥俄页岩系统 （1）概况 阿巴拉契亚盆地（Appalachian）位于美国的东部,面积280000平方公里，包括New York西部、Pennsylvania、West Virginia、Ohio、Kentucky和Tennessee 州等，是美国发现页岩气最早的地方。俄亥俄（Ohio）页岩发育在阿巴拉契压盆地西部,分布在肯塔州东北部和俄亥俄州，是该盆地的主要页岩区（图2）。该区古生代沉积岩是个巨大的楔形体，总体上是富含有机质页岩、碎屑岩和碳酸盐岩构成的旋回沉积体。 图1 美国含页岩气盆地分布图 1953年，Hunter和Young对Ohio页岩气3400口井统计，只有6%的井具有较高自然产能（平均无阻流量为2.98万m2/d），主要原因是这些井的页岩中天然裂缝网络比较。其余94%的井平均产量为1726m3/d，经爆破或压裂改造后产量达8063m3/d，提高产量4倍多。1988年前，美国页岩气主要来自Ohio页岩气系统。截止1999年末,该盆地钻了多达21000口页岩井。年产量将近34亿m3。天然气资源量58332—566337亿m3,技术性可采收资源量4106~7787亿m3。每口井的成本$200000-$300000，完井成本$25~$50。 （2）构造及沉积特征 阿巴拉契亚盆地东临Appalachian山脉，西濒中部平原，构造上属于北美地台和阿巴拉契亚褶皱带间的山前坳陷。伴随Laurentian古陆经历了由被动边缘型
向前陆盆地的演化过程。盆地以前寒武纪结晶岩为基底，古生代沉积岩呈巨大的楔形体(最大厚度12 000 m)埋藏于不对称的、向东变深的前陆盆地中。寒武系和志留一密西西比系为碎屑岩夹碳酸盐岩，奥陶系为碳酸盐岩夹页岩，宾夕法尼亚系为碎屑岩夹石灰岩及煤层。总体上由富有机质泥页岩(主要为碳质页岩)、粉砂质页岩、粉砂岩、砂岩和碳酸盐岩等形成3～4个沉积旋回构成，每个旋回底部通常为富有机质页岩，上部为碳酸盐岩。泥盆系黑色页岩处于第3个旋回之中，分布于泥盆纪Acadian 造山运动下形成的碎屑岩楔形体内（James,2000）。该页岩层可再分成由碳质页岩和较粗粒碎屑岩互层组成的五个次级旋迥(Ettensohn ，1985)。它们是在阿卡德造山运动的动力作用下和Catskill 三角洲的向西进积中沉积下来的。 （3）页岩气成烃条件分析 ①页岩分布特征 阿巴拉契亚盆地中南部最老的泥盆纪 页岩层系属于晚泥盆世。Antrim 页岩和New Albany 大致为Chattanooga 页岩和Ohio 页 岩的横向同位层系（Matthews,1993）。在俄 亥俄东边和南边,Huron 段分岔。有的地区已 经被插入的灰色页岩和粉砂岩分成两个层。 俄亥俄页岩系统，覆盖于Java 组之上 (图3)。由三个岩性段组成：下部 Huron 段 为放射性黑色页岩，中部Three Lick 层为 灰色与黑色互层的薄单元，上部Cleveland 段为放射性黑色页岩。俄亥俄页岩矿物组成 包括：石英、粘土、白云岩、重金属矿（黄 铁矿）、有机物。 图2是西弗吉尼亚中部和西部产气区泥 盆纪页岩层的地层剖面。中上泥盆统的分布 面积约128，000mi 2(331，520km 2)，它们沿 盆地边缘出露地表。页岩埋藏深度为610～ 1520m ，页岩厚度一般在100－400ft(30— 120m),泥盆系黑色页岩最大厚度在宾夕尼亚州的中北部(图3)(deWitt 等，1993)。 ②页岩地球化学特征 图4表示Ohio 页岩下Huron 段烃源岩有机碳等值线图。从镜质体反射率特征来图2 阿巴拉契亚盆地西部中泥盆统－下密西西比系剖面 （据Moody 等，1987）
基金项目：国家科技重大专项“页岩气勘探开发关键技术研究项目”（编号：２０１１ＺＸ０５０１８）。 作者简介：钟太贤，１９６４年生，高级工程师；现主要从事油气田勘探开发科技管理工作。地址：（１００００７）北京市东城区东直门北大街９号中国石油大厦。电话：（０１０）５９９８６０１７。Ｅ‐ｍａｉｌ：ｚｈｔｘ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ 中国南方海相页岩孔隙结构特征 钟太贤 中国石油天然气集团公司科技管理部 钟太贤．中国南方海相页岩孔隙结构特征．天然气工业，２０１２，３２（９）：１‐４． 摘 要 我国南方古生界页岩成熟度高，页岩储层孔隙、裂隙类型多样，微米—纳米级孔隙发育。正确认识页岩孔隙特征是研究上述地区页岩气赋存状态，储层性质与流体间相互作用，页岩吸附性、渗透性、孔隙性和气体运移等的基础。为此，采用观察描述和物理测试两类方法对南方海相页岩孔隙特征进行了研究：前者通过手标本、光学显微镜、扫描电镜、核磁共振光谱学法、小角度Ｘ射线散射法等手段直观描述页岩孔隙的几何形态、连通性和充填情况，统计孔隙优势方向和密度，拍摄照片等，以确定页岩成因类型；后者通过Ｈｅ孔隙率测定、压汞实验、低温液氮吸附、低温ＣＯ２吸附等方法定量测试页岩孔容、孔径大小及其分布、孔隙结构、比表面积等，以评价页岩含气性。结果表明：该区古生界页岩储层中纳米级孔隙以干酪根纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主，喉道呈席状、弯曲片状，孔隙直径介于１０～１０００ｎｍ，主体范围为３０～１００ｎｍ，纳米级孔隙是致密储层连通性储集空间的主体；按孔径大小，将页岩储集空间分为５种类型：裂隙（孔径大于１００００ｎｍ）、大孔（孔径介于１０００～１００００ｎｍ）、中孔（孔径介于１００～１０００ｎｍ）、过渡孔（孔径介于１０～１００ｎｍ）、微孔（孔径小于１０ｎｍ）。 关键词 中国南方地区 古生代 海相页岩 储集层 纳米级孔隙 观察描述法 物理测试法 页岩气 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００‐０９７６．２０１２．０９．００１ 国外已广泛利用氩离子抛光‐ＳＥＭ、纳米ＣＴ、ＦＩＢ‐ＳＥＭ等先进研究手段来对页岩储层进行大量的微观观测与分析，页岩之所以能够作为储层，是因为其中大 量发育纳米级—微米级孔隙。页岩储层非均质性极强，渗透率极低，天然气赋存状态、渗流方式有别于常规储层，大大推进了页岩储层描述表征技术进步，实现了页岩从烃源岩到储层的革命性转变。已有的研究成果表明：气体（流体）活动的体积大小依赖于孔隙的大小且存在于孔隙的中心部位，这个部位分子与分子之间以及分子与孔隙壁之间相互作用力的影响最弱；在孔径小于２ｎｍ的孔隙内，ＣＨ４分子通常在孔隙壁作用力场影响下处于吸附状态，由于孔隙壁效应使得超临界ＣＨ４以结构化方式存在；直到孔径达到５０ｎｍ，气体的热力学状态发生改变，分子才在孔隙中产生运动。正是这种纳米级孔隙的大量存在，特别是与微米级孔隙相连接的纳米级孔隙网络共同控制了页岩气的赋存和运移机理［１］ ，以及由此导致的气体热力学状态 的复杂性，使得页岩气成藏特征难以用传统的达西流模型很好地进行表述。页岩气主要以３种状态存在于页岩储层中：①以物理或化学的形式吸附在干酪根和黏土颗粒表面上；②以游离气的形式存在于有机质分解或其他成岩、构造作用所形成的孔隙或裂缝中；③少量页岩气甚至可以在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。其中，以游离态和吸附态为主，而孔隙大小则是决定其存在状态的关键：在较大孔隙中页岩气主要以游离方式储集在孔隙裂缝中，而在较小孔隙中页岩气通 常以吸附状态为主［２‐４］ 。由此可见，孔隙度大小直接控制着游离态天然气的含量，而渗透率则是判断页岩气藏是否具有开发经济价值的重要参数，二者构成了页岩储层研究中最重要的２个参数。 １ 页岩孔隙结构实验分析技术 目前，国内对于页岩储集空间的研究还处于探索
储层微观孔隙结构研究进展 1.储层微观孔隙结构的影响因素和成因分析 储层微观孔隙结构受多因素影响，成因分析是储层孔隙结构研究的最基本的内容，它能帮助研究者从深层次准确把握储层孔隙结构的特征，受到研究者的高度重视。 1.1地质作用对储层微观孔隙结构的影响 储层物性受沉积作用、成岩作用、构造作用的共同控制。沉积作用对碎屑岩结构、分选、磨圆、杂基含量等起到明显的控制作用，不同的沉积环境对碳酸盐岩的结构组分影响很大。从沉积物脱离水环境之后，随着埋藏深度的不断加深，一系列的成岩作用使得储层物性进一步复杂化。一般而言，压实作用、压溶作用、胶结作用对储层物性起破坏性作用；交代作用、重结晶作用、溶蚀作用对储层物性起到建设性作用。而构造作用产生的裂缝等对物性的改造有较为显著地影响，使储层的非均质性更加明显，而这一点在碳酸盐岩储层中尤为突出。 1.2油气田开发对储层微观孔隙结构的影响 储层孔隙结构影响着储层的注采开发，同时，随着注水、压裂等一系列油气田开发增产措施的实施，储层孔隙结构也相应发生了变化。王美娜等研究了注水开发对胜坨油田坨断块沙二段储层性质的影响，发现注水开发一定程度上改善了储层孔隙结构。唐洪明等以辽河高升油田莲花油层为例，研究了蒸汽驱对储层孔隙结构和矿物组成的影响。结果表明，蒸汽驱导致储层孔隙度、孔隙直径增大，喉道半径、渗透率减小，增强了孔喉分布的非均质性。 2．储层微孔隙结构研究方法 2.1成岩作用方法 该方法通过对各种成岩作用在储层孔隙结构演化中的作用进行梳理，从而了解储层孔隙结构对应发生的变化。该方法的优点是对孔隙结构的成因可以有比较深入的认识，缺点是偏向于定性分析，难以有效的定量化表征。刘林玉等对白马南地区长砂岩成岩作用进行了分析，认为压实作用和胶结作用强烈地破坏了砂岩的原生孔隙结构，溶蚀作用和破裂作用则有效地改善了砂岩的孔隙结构。 2.2铸体薄片观察法 该方法是将带色的有机玻璃或环氧树脂注入岩石的储集空间中，待树脂凝固
页岩孔隙结构及多层吸附分形模型 分形是1975年由美国学者Mandelbrot [1]首先提出的。自然界中的物体形态各异，结构复杂，组合多样，远远超出了一般意义上研究的规则形状范畴。因此，仅仅采用理想的规则模型研究这些非均质性强、结构差异大的目标有很大的局限性，而这些复杂结构往往表现出 分形特征中的幂律关系[2]。Katz 等[3]把分形几何理论用来分析多孔介质内部的几何结构。他 们的研究表明；多孔介质的孔隙空间和孔隙界面都具有分形结构，有相同的分形维数，并且可以由分形维数来预测多孔介质的孔隙度。目前在多孔介质孔隙、渗流、吸附等方面已有许多基于分形几何学的研究。 在本章节中，将分别对多孔介质分形孔隙结构模型和具有分形表面的多层吸附分形模型进行研究，在已有模型的基础上进行修正，通过理论分析和实验验证将模型应用于泥页岩的孔隙结构和吸附特性研究上，分析分形维度对泥页岩多孔介质各种物性参数的影响。 多孔介质孔隙结构模型 Menger 海绵模型是应用最为广泛的多孔介质分形模型，Menger 海绵模型是在Sierpinski 方毯的基础上在三维空间中的扩展[4]。Menger 海绵模型能够对许多多孔介质进行有效的表 征。Jin Yi [5]改变了Menger 海绵模型的构造过程，构造出了具有连通结构的“SmVq ”孔隙 模型，同时给出了模型分形维度的计算公式： ()332log 23log log log m q mq N D m m +?== (1) 其中，D 是分形维数；N 代表剩余的小立方体个数；m 是每边分割的分数。 采用该方法构造孔隙结构模型：1、将边长为R 的正方体分成 个小立方体，每个小立方体边长为，沿贯穿每个面中心的相互垂直轴线挖去q 个小立方体；2、在得到的小立方体基础上，重复步骤1。 图1 两次迭代后的SmVq 模型截面图 Hunt [6]指出，多孔介质多为固体介质和孔隙两相组成。如果多孔介质具有分形特征那么要么是孔隙分形要么是固相介质分形。在分形模型建立的过程中，一般对固相介质进行分形
页岩气国内外研究现状 一、页岩气的定义 关于页岩气的定义，Curtis 认为页岩气可以是储存在天然裂隙和颗粒间孔隙中的游离气，也可以是干酪根和页岩颗粒表面的吸附气或者是干酪根和沥青质中的溶解气。中国地质大学张金川教授给出的定义是：主体位于暗色泥页岩或者高碳泥页岩中，以吸附和游离状态为主要存在方式的地层中的天然气聚集。 二、页岩气资源的地质特征 2.1 多相态存在于致密页岩中 页岩气是以有游离、吸附和溶解状态存在于暗色泥页岩中的天然气，其赋存形式具有多样性，但以游离态和吸附态为主，溶解态仅少量存在。从美国的情况看，游离气在20%~80%之间，吸附气在80%~20%之间，范围很宽，其中部分页岩气含少量溶解气。游离气主要存在于粒间空隙和天然裂隙中，吸附气则存在于基质表面。随着页岩气研究的不断深入，学者们开始认为吸附态页岩气至少占到总储量的一半。天然气在页岩中的生成、吸附与溶解逃离，如图1 所示，当吸附在基质表面的气量达到饱和后，富余的气体会解析进入基质孔隙，然后随着天然气的产出，裂隙内压力降低，基质内气体进入裂隙聚集后流出。 2.2 源岩层系 页岩系统包括富有机质页岩，富有机质页岩与粉砂岩、细砂岩夹层，粉砂岩、细砂岩夹富有机质页岩；页岩气形成于富有机质页岩，储存于富有机质页岩或一套与之密切相关的连续页岩组合中，不同盆地页岩气层组合类型不相同。即页岩气为源岩层系天然气聚集的一种，为天然气生成后，未排出源岩层系，滞留在源岩层系中形成的。源岩层系油气聚集除页岩气外，还包括煤层气、页岩油和油页
岩。 2.3 页岩气为连续型油气聚集 Curtis对页岩气（Shale gas）进行了界定，并认为页岩气在本质上就是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，它具有普遍的地层饱含气性、隐蔽聚集机理、多种岩性封闭和相对很短的运移距离，它可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在，在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。即页岩气为连续型气藏（图1）。 2.4 页岩气为源岩层系油气聚集 在页岩气藏中，天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，甚至砂岩地层中，为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式。从某种意义来说，页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果。 中国页岩气藏与北美地区相比较有以下特殊性：( 1) 海相页岩热演化程度较高(Ro值为2. 5%～5. 0% ) 、构造活动较强，需寻找保存有利的地区，避开露头和断裂破坏区：( 2) 陆相页岩热演化程度较低、分布非均质性较强：( 3) 地面多山地、丘陵等复杂地表，埋藏较深(5000～7000m) 。所以在勘探开发过程要有针对性地采取合理措施开发我国页岩气。张金川等学者认为页岩气成藏模式介于煤层气和根缘气之间，表现为过渡特征，并将我国页岩气资源富集类型分为：南方型、北方型和西北型。
页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集为典型的“原地”成藏模式，页岩气大部分吸附在有机质和粘土矿物表面，与煤层气相似，另一部分以游离状态储集在基质孔隙和裂缝孔隙中，与常规储层相似。页岩气藏按其天然气成因可分为两种主要类型：热成因型和生物成因型，此外还有上述两种类型的混合成因型。北美地区是全球唯一实现页岩气商业开发的地区。目前北美地区已发现页岩气盆地近３０个，发现Ｂａｒｎｅｔｔ等６套高产页岩。２００８年，北美地区的页岩气产量约占北美地区天然气总产量的１３％。至２００８年底，美国页岩气井超过４．２万口；页岩气年产量６００亿方以上，约占美国当年天然气总产量的１０％。目前，美国已发现页岩气可采储量约７．４７万亿方。ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ盆地密西西比系Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气藏的成功开采掀起了全球开采页岩气的热潮。美国涉足页岩气的油气公司已从２００５年２３家增至２００８年６０多家；欧洲石油公司纷纷介入美国的页岩气勘探开发。页岩气作为一种非常规油气藏在国内也逐步受到关注。页岩气藏形成的主体是富有机质页岩，它主要形成于盆地相、大陆斜坡、台地凹陷等水体相对稳定的海洋环境和深湖相、较深湖相以及部分浅湖相带的陆相湖盆沉积体系，如ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ盆地Ｂａｒｎｅｔｔ组沉积于深水（１２０￣２１５ｍ）前陆盆地，具有低于风暴浪基面和低氧带（ＯＭＺ）的缺氧厌氧特征，沉积营力基本上通过浊流、泥石流、密度流等悬浮机制完成，属于静水深斜坡盆地相。生物成因气的富集环境不同于热成因型页岩气。富含有机质的浅海地带，寒冷气候下盐度较低、水深较大的极地海域，以及大陆干旱－半干旱的咸水湖泊都是生物成因气形成的有利沉积环境；而缺氧和少硫酸盐是生物气大量生成的生化环境。在陆相环境中，由于淡水湖相盐度低，缺乏硫酸盐类矿物，甲烷在靠近地表不深的地带即可形成。但由于埋得太浅，大部分散失或被氧化，不易形成气藏。只有在半咸水湖和咸水湖，特别是碱性咸水湖中，可以抑制甲烷菌过早地大量繁殖，同时也有利于有机质的保存。埋藏到一定深度后，有机质分解，使ＰＨ值降低到６．５￣７．５范围时，产甲烷的细菌才能大量繁殖。这时形成的甲烷就比较容易保存，并能在一个条件下聚集成气藏。（１）热成熟度（Ｒｏ）。美国五大页岩气系统的页岩气的类型较多，既有生物气、未熟－低熟气、热解气，又有原油、沥青裂解气据（Ｃｕｒｔｉｓ，２００２），这些类型的天然气形成的成熟度范围较宽，可以从０．４００％变化到２．０％，页岩气的生成贯穿于有机质生烃的整个过程。不同类型的有机质在不同演化阶段生气量不同，页岩中只要有烃类气体生成（Ｒ＞０．４％），就有可能在页岩中聚集起来形成气藏。 生物成因气一般形成于成熟度较差的岩层中。密执安盆地Ａｎｔｒｉｍ生物成因型页岩的Ｒ仅为０．４％￣０．６％，未进入生气窗，页岩Ｒｏ越高，ＴＯＣ越低，越不利于生物气的形成。而福特沃斯盆地Ｂａｒｎｅｔｔ页岩热成因型气藏的页岩处于成熟度大于１．１％的气窗内，Ｒｏ值越高越有利于天然气的生成。所以热成熟度不是判断页岩生烃能力的唯一标准。 （２）有机碳含量（ＴＯＣ）。有机碳含量是评价页岩气藏的一个重要指标，多数盆地研究发现页岩中有机碳的含量与页岩产气率之间有良好的线性关系，原因有两方面：①是因为有机碳是页岩生气的 物质基础，决定页岩的生烃能力，②是因为它决定了页岩的吸附气大小，并且是页岩孔隙空间增加的重要因素之一，决定页岩新增游离气的能力。如Ａｎｔｒｉｍ黑色页岩页岩气以吸附气为主（７０％以上），含气量１．４１５￣２．８３ｍ／ｔ，高低与有机碳含量呈现良好的正相关性。Ｒｏｓｓ等的实验结果表明，有机碳与甲烷吸附能力具有一定关系，但相关系数较低（Ｒ２＝０．３９）。他认为在这个地区有机碳与吸附气量关系还可能受其他多种因素的影响，如粘土成分及含量、有机质热成熟度等。（１）矿物成分。页岩中的矿物成分主要是粘土矿物、陆源碎屑（石英、长石等）以及其他矿物（碳酸盐岩、黄铁矿和硫酸盐等），由于矿物结构、力学性质的不同，所以矿物的相对含量会直接影响页岩的岩石力学性质、物性、对气体的吸附能力以及页岩气的产能。粘土矿物为层状硅酸盐，由于Ｓｉ－Ｏ四面体排列方式，决定了它电荷丰富、表面积大，因此对天然气有较强的吸附能力，并且不同的粘土矿物对天然气的吸附能力也不同，蒙皂石吸附能力最强，高岭石、绿泥石次之，伊利石最弱。石英则增强了岩石的脆性，增强了岩石的造缝能力，也是水力压裂成功的保证。Ｎｅｌｓｏｎ认为除石英之外，长石和白云石也是黑色页岩段中的易脆组分。但石英和碳酸盐矿物含量的增加，将降低页岩的孔隙，使游离气的储集空间减少，特别是方解石的胶结作用，将进一步减少孔隙，因此在判断矿物成分对页岩气藏的影响时，应综合考虑各种成分对储层的影响。 （２）储集空间。页岩气除吸附气吸附在有机质和粘土矿物表面外，游离气则主要储集在页岩基质孔隙和裂缝等空间中。虽然页岩为超致密储层，孔隙度和渗透率极低，但是在孔隙度相对较高的区带，页岩气资源潜力仍然很大，经济可采性高，特别是吸附气含量非常低的情况下。页岩中孔隙包括原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙系统由微孔隙组成，内表面积较大。在微孔隙中拥有许多潜在的吸附地方，可储存大量气体。裂缝则沟通页岩中的孔隙，页岩层中游离态天然气体积的增加和吸附态天然气的解析，增强岩层渗透能力，扩大泄油面积，提高采收率。一般来说，裂缝较发育的气藏，其品质也较好。美国东部地区产气量高的井，都处在裂缝发育带内，而裂缝不发育地区的井，则产量低或不产气，说明天然气生产与裂缝密切相关。实际上，裂缝一方面可以为页岩中天然气的运移提供通道和储集空间，增加储层的渗透性；另一方面裂缝也可以导致天然气的散失和水窜。 （３）储集物性。页岩的物性对产量有重要影响。在常规储层研究中，孔隙度和渗透率是储层特征研究中最重要的两个参数，这对于页岩气藏同样适用。据美国含气页岩统计，页岩岩心孔隙度小于４％￣６．５％（测井孔隙度４％￣１２％），平均５．２％；渗透率一般为 （０．００１￣２）×１０μｍ，平均４０．９×１０μｍ。页岩中也可以有很大的孔隙度，并且有大量的油气储存在这些孔隙中，如阿巴拉契亚盆地的Ｏｈｉｏ页岩和密歇根盆地的Ａｎｔｒｉｍ页岩，孔隙度平均为５％￣６％，局部可高达１５％，游离气可以充满孔隙中的５０％。页岩的基质渗透率很低，但在裂缝发育带，渗透率大幅度增加，如在断裂带或裂缝发育带，页岩储层的孔隙度可达１１％，渗透率达２×１０μｍ。页岩气藏是自生自储型气藏，从某种意义来说，页气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果，烃源岩中天然气向常规储层初次运移的通道为裂缝、断层等，所以连通烃源岩和常规［１］［２］［３］ ［４］［５］ ［６］［７］３－３２ －６２－３２１ 沉积环境 ２ 生烃条件 ３ 储集条件 ４ 保存条件 ｏｏ岩（转１２９页） 页岩气成藏地质条件分析 黄菲 王保全 ① ② （中法渤海地质服务有限公司 ②中海石油＜中国＞有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院） ①摘要关键词页岩气藏为自生自储型气藏，它的生烃条件、储集条件、保存条件相互影响，息息相关，热成熟度和有机碳含量控制页岩的生气能力，而有机碳含量还影响页岩的储集性，是增加页岩孔隙空间的重要因素；页岩气藏储层致密，孔隙度和渗透率极低，裂缝的存在会提高储层的渗透率，矿物成分影响其储集性能，其中粘土矿物有利于增加微孔隙，并且增加岩石对天然气的吸附能力，而石英和白云石脆性较大，则有利于增加储层中的裂缝，并且对水力压裂造缝有利；页岩气藏对保存条件的要求较低。 页岩气有机碳含量热成熟度储集条件保存条件
第二章 微观孔隙结构类型划分及特点 2.1 微观孔隙结构类型的研究方法 随着油田开采技术的发张，从一开始单纯依靠天然能量驱油逐渐发展到用注水注气疯方法开采石油，于是开始出现了多相渗流，贝克莱—勒弗莱脱关于水驱油非活塞式驱替理论的提出，奠定了多相渗流的基础，拟压力方法的引入使油气两相渗流得到了有效的解决。 油气储集层是油气储集的场所和油气云翳的通道。它有着极其复杂的内部空间结构和不规则的外部集合形状，它是渗流的前提条件，所以必须对其进行了解。按其成因可分为：原生孔隙、次生孔隙、混合空隙。 （1）原生孔隙 指原始沉积物固有的空隙，如（陆源碎屑）粒间孔、（陆源碎屑）粒内孔等。 原生粒间孔经机械压实作用改造后变小，习惯上称之为原生缩小粒间孔，此类孔隙在本区不甚发育（图2-5, 图2-6） 。 图2-5少量原生缩小粒间孔；单偏光10×10 Fig. 2-5 Fine-grained arkose lithic sandstone 图2-6少量原生粒间孔；单偏光：10×10 Fig. 2-6 Fine-grained arkose lithic sandstone （2）次生孔隙 经次生作用（如淋滤、溶解、交代、重结晶等成岩作用）所形成的空隙称为次生孔隙。构成本区砂岩主要储集空间的次生孔隙由溶解成岩作用形成。主要包括粒内溶孔、铸模孔隙和胶结物内溶孔。
图2-7长石粒内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-7 Arcosic intergranular dissolved pore, plainlight 10×10 图2-8岩屑粒内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-8 Lithic intergranular dissolved pore， plainlight 10×10 粒内溶孔见于易溶的陆源长石颗粒、岩屑和内源介形虫骨壳。其中长石粒内溶孔常依长石颗粒的解理缝、双晶缝、裂隙外延伸展（图2-7）。陆源岩屑遭受部分溶蚀后形成岩屑粒内溶孔，粒内见有难溶组分（图2-8）。本区还可见介形虫化石，体腔内先期充填的碳酸盐胶结物后来发生溶解，形成溶蚀孔隙。特征是介形虫壳体基本完整，体内见有残余的碳酸盐矿物（图2-9）。 图2-9 介形虫体腔内溶孔；单偏光10×10 Fig. 2-9 Within mussel-shrimp dissolved porem plainlight 10×10 图2-10长石铸模孔隙., 单偏光10×20 Fig. 2-10 Arcosic matrix pore, plainlight 10×20 溶解作用强烈可使陆源碎屑、内源颗粒（如生物介壳、鲕粒等）被全部溶解掉，若该颗粒外形轮廓、解理缝、岩石结构等自身特征尚可辨识时，称此种空隙为铸模孔隙。本区的铸模孔隙有长石铸模孔隙和岩屑铸模孔隙，前者发育（图2-10）。
中国页岩气形成条件及勘探实践 中国非常规天然气已实现了致密气、煤层气资源的规模化工业生产，正在寻求实现页岩气资源的有效开发。为此，通过对中国富有机质页岩形成构造背景、地质特征、页岩气形成条件及影响因素的分析，认为中国富有机质页岩时代多、类型丰富、形成环境复杂，不同类型富有机质页岩地质特征与页岩气形成条件差异明显。中国富有机质页岩形成环境有5类：①克拉通边缘半深 水深水陆棚相(扬子地区下古生界)；②克拉通边缘沼泽相(华北地区石炭-二叠系)；③前陆盆地湖-沼相(四川盆地上三叠统、西部地区三叠-侏罗系)；④裂谷盆地断(坳)陷半深-深湖相(渤海湾盆地古近系和新近系、松辽盆地白垩系)；⑤大型陆内坳陷盆地深湖相(鄂尔多斯盆地三叠系)。中国页岩气形成条件可归纳为：①富有机质页岩发育具有广泛性；②富有机质页岩展布具有不均衡性；③不同类型页岩成气潜力具有多样性；④页岩储层具有差异性。中国页岩气区带类型可以划归4种类型：热裂解页岩含气区、热成熟页岩含气区、深埋热成熟页岩含气区和生物气低成熟页岩含气区。中国页岩气勘探实践表明：中国拥有丰富的页岩气资源量，随着理论与技术的突破、经济条件的改善，未来中国页岩气资源有较好发展前景。 自20世纪80年代初中国改革开放以来，伴随着经济迅速发展和崛起，中国也成为越来越多资源的净进口国，1993年首次成为石油净进口国，2006年又跨入天然气净进口国之列。目前，中国的石油对外依存度超过55%，天然气的对外依存度也接近10%。为保障中国能源供给安全，缓解石油对外过渡依赖，扩大天然气消费量，1987年中国开始了煤层气的地质评价与勘探开发技术探索，2006年实现规模开发，至2010年底在鄂尔多斯、沁水、渤海湾3个盆地探明煤层气地质储量2734×108m3，年产煤层气15×108m3。2000年开始了致密气的勘探开发和技术发展，至20 10年已在中国陆上形成了鄂尔多斯盆地上古生界、四川盆地上三叠统须家河组两大致密气产区，在吐哈、松辽、渤海湾、塔里木4个盆地发现规模致密气储量，累计探明致密气储量2.9×1012m3，年产致密气226×108m3。 随着北美页岩气勘探开发区带的快速扩展和页岩气产量的大幅飙升，页岩气迅速成为天然气重要勘探开发新热点，在全球掀起了一场轰轰烈烈的“页岩气革命”。2005年以来，我国开始了规模性的页岩气前期地质评价与勘探开发先导试验，借鉴北美经验，依靠理论创新，强化技术进步，边研究边发展，有序推进。迄今，中国已在富有机质页岩地质特征、页岩气形成地质条件、有利页岩气远景区带等认识上取得重要进展，在页岩气勘探开发先导试验中于四川盆地古生界海相页岩等取得重要发现，未来发展需要突破“理论、技术、成本与环境”四道关。 1页岩气内涵与特征 页岩气为产白极低孔隙度和渗透率、以富有机质页岩为主的储集岩系中的天然气。气体成分以甲烷为主，赋存方式为游离气和吸附气并存，属自生自储、原位饱和成藏[1]。页岩气的开发必须通过大型人工造缝(网)工程才能形成工业产能，因此，也将其称之为“人造气藏”(Artificia l Reservoir)。 与常规及其他非常规天然气藏不同，页岩气自身具有明显特征(表1)[2～5]。主要特征表现在：①页岩气成因类型多，可以形成于有机质演化的各阶段，包括生物成因气、热成因气和热裂解成