2018, Vol. 36扩展功能
文章信息
- 赵迪斐, 郭英海, 朱炎铭, WangGeoff, 刘静, 崇璇, 张敬霞
- ZHAO DiFei, GUO YingHai, ZHU YanMing, WANG Geoff, LIU Jing, CHONG Xuan, ZHANG JingXia
- 龙马溪组页岩黄铁矿微观赋孔特征及地质意义
- Micropore Characteristics and Geological Significance of Pyrite in Shale Rocks of Longmaxi Formation
- 沉积学报, 2018, 36(5): 864-876
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2018, 36(5): 864-876
- 10.14027/j.issn.1000-0550.2018.077
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文章历史
- 收稿日期：2017-09-18
- 收修改稿日期: 2017-11-13
2. 中国矿业大学资源与地球科学学院, 江苏徐州 221116;
3. 昆士兰大学化学工程学院, 昆士兰州 布里斯班 4072
2. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;
3. School of Chemical Engineering, University of Queensland, Brisbane, Queensland 4072, Australia
我国页岩气资源储量丰富，分布广泛，开发潜力巨大，在涪陵焦石坝等页岩气区取得了商业化勘探开发成果，但页岩气地质理论的研究仍处于起步和快速发展阶段[1-2]。优质储层发育特征及其含气性是页岩气有效储层勘探开发与资源评价的核心问题，页岩气一般为原地聚集成藏，其含气特征受多因素影响[3-4]，其中，储层物质成分(矿物组分与有机质组分)被认为是形成各类孔隙的物质基础，也是储层页岩气吸附、运移、成藏的重要控制因素[5-7]。随着页岩气地质研究的进展，对页岩储层各类物质成分及其纳米尺度赋孔特征展开专门研究，已经成为加深储层微观储集空间及其影响页岩气赋存富集机理认识的内在要求。
四川盆地龙马溪组页岩普遍含有黄铁矿组分，其含量一般介于1%~5%，平均含量可达2%以上[8-9]。目前，页岩黏土矿物、脆性矿物的研究成果已经较为丰富，黄铁矿也逐渐引起学者的重视，已经有学者针对页岩气储层黄铁矿对沉积环境的指示意义、黄铁矿与有机碳含量(TOC)相关性以及黄铁矿本身的矿物学特征等展开研究[10-13]，但作为页岩储层的重要矿物成分，尤其是在黄铁矿与优质储层参数的相关性良好的前提下，页岩黄铁矿的研究成果相对较少，仍然聚焦在其矿物学特征或者沉积意义上，而其孔隙性特征方面的专门研究成果则较为缺乏，虽然页岩黄铁矿对孔隙系统有贡献是普遍认识，但现阶段对其孔隙性的认识也还存在一定争议，即其孔隙的属性(有机孔隙或无机孔隙)、孔隙的发育程度(需要纳米尺度下的精细研究)和重要性(尤其是未能实现量化评价)等不够明确，作为海相页岩重要的基本物质成分，其孔隙发育特征及对页岩储层孔隙系统的贡献程度等认识仍停留在定性阶段，量化程度低，尤其是页岩基质中莓状黄铁矿内发育的纳米尺度孔隙特征，需要采用高精度观测手段在纳米尺度下展开专门研究，如何量化评价其贡献程度也需要进一步利用可以实现微观量化的新技术方法展开探索，故页岩黄铁矿的发育特征、赋孔特征等还存在进一步深入研究的必要。本文以龙马溪组页岩气储层为例，基于氩离子抛光—场发射扫描电镜(FE-SEM)、能谱、X射线衍射(XRD)等实验技术手段，利用图像处理技术(Image Processing)定量评价表征莓状黄铁矿对页岩储层孔隙系统的贡献，进一步加深页岩气储层孔隙系统的研究，同时提出基于图像处理方法进行特定孔隙类型研究的技术流程，供页岩储层及孔隙研究参考。
1 实验样品与测试条件 1.1 测试样品渝东南地区位于四川盆地东部，处于扬子板块东南部、黔中隆起以北，研究区内志留系龙马溪组黑色页岩储层发育，分布广泛，是我国页岩气商业化勘探开发的核心层系，具有厚度大、有机碳含量高、热演化程度高、脆性良好、储层物性良好等特点[8, 14]。龙马溪组沉积环境主体为局限的深水陆棚沉积，沉积时期是我国南方挤压最强烈的时期，早期为深水陆棚沉积环境，晚期变为泥质深、浅水陆棚，泥砂质、砂质、灰质浅水陆棚及台地边缘相共存的沉积格局[15]。龙马溪组页岩是优质的页岩气储层，尤其是下部、底部有机质丰度最高、脆性最好，与五峰组共同成为页岩气勘探开发的核心层段。
实验样品主要取自研究区内的石柱打风坳剖面、綦江观音桥剖面、南川三泉剖面、南川泉A井及涪陵焦石坝JY-13井等(图 1)，取样总计200余块，主要是龙马溪组中—下部、底部的高有机质层位样品，岩性以黑色碳质富笔石泥、页岩为主，干酪根类型为Ⅰ型，有机碳含量(TOC)在1.2%~6%之间，成熟度介于2.074%~2.38%之间，等效镜质体反射率[16]介于3.26%~3.98%之间，热演化程度达到了成熟—过成熟阶段。
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| 图 1 取样位置及区域古地理格局(据郭英海等，2004) Figure 1 Sampling locations and regional paleogeographic pattern (after Guo et al., 2004) |
页岩储层矿物成分细小，孔隙处于纳米级尺度，为其观测研究带来技术难题[5, 10]。龙马溪组下部、底部页岩被研究及实践证明为优质储层段及开发目标段，故本文选取中下部及底部样品展开进一步测试研究。首先，利用氩离子抛光技术处理样品表面，进而应用场发射扫描电镜进行图像观测[5]，结合能谱进行储层基质中黄铁矿形貌学特征及赋孔特征的研究；在此基础上，考虑到莓状黄铁矿集合体为莓球状，各切面孔隙信息提取差异小，可以利用图像处理技术(Image Processing)[17]量化莓状黄铁矿集合体内部孔隙对储层基质孔隙系统的贡献比例，进而获取其对储集空间的贡献程度，并进一步讨论其储层意义。首先对200块样品进行手标本研究，选取40块进行扫描电镜观测及矿物成分测试，进一步选取20块样品(取自泉A井、JY-13井等)进行进一步的氩离子抛光—场发射扫描电镜观测。因希望尽可能多的收集龙马溪组下—底部优质储层样品，本文不选取具体剖面进行纵向分析，而是收集优质储层段样品进行综合研究。
1.3 测试方法与仪器因矿物分离法会破坏原有孔隙结构，本文利用场发射扫描电镜结合软件图像处理(Image Processing)实现定量评价。场发射扫描电镜观测实验所用仪器为FEI Helios Nanolab 600i聚焦离子电子双束显微镜和日立高新S-4700冷场发射扫描电子显微镜。观测前利用氩离子抛光技术对观测页岩样品进行表面处理，获得高品质观测面，利用场发射扫描电镜(含能谱)在纳米尺度对储层物质成分、孔隙进行观测。
X射线衍射实验采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪，制样规程依据SY/T5163—1995标准，先对样品进行粉碎处理，将所得筛析300目的粉末置于10 mL试管并与蒸馏水相混合进行超声波分散处理，取悬浮液自然晾干得测试粉末。测试条件为：Cu靶，Kα辐射(Cu Target, Kα radiation)，测量精度：角度重现性±0.000 1°；测角仪半径≥200 mm，测角圆直径可连续改变；最小步长0.000 1°；角度范围(2 θ)：-110°~168°；温度范围：室温-1 200 ℃；最大输出：3 kW；稳定性：±0.01%，管电压为40 kV，管电流为30 mA。物相分析对照物质标准粉末衍射资料，按照标准分析方法和衍射判定标准进行成分分析。
2 储层岩石学特征龙马溪组页岩储层主要由底部、下部的碳质页岩和中上部的钙质页岩、粉砂质页岩组成，上部陆源粉砂质含量增多，颜色变浅，有机质丰度降低，顶部可见泥质灰岩透镜体等。下部页岩储层以水平层理为典型特征，富笔石化石，保存完好，分异度低(图 2a)，底部碳质页岩色深可污手。野外观测及样品观察显示，龙马溪组黄铁矿较为发育，剖面常因黄铁矿氧化而呈黄褐色(图 2b)，可见黄铁矿沿层分布(图 2c，d)、成层分布(图 2e)、沿裂缝或节理分布(图 2f，g)或呈结核状产出(图 2h)，页岩基质内也可见分散发育的自形晶体黄铁矿。
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| 图 2 龙马溪组野外观测及样品特征 a.笔石化石丰富，观音桥剖面；b.剖面因黄铁矿氧化而呈黄褐色，观音桥剖面；c.黄铁矿沿层分布，石柱打风坳剖面；d.富集黄铁矿的层面，石柱打风坳剖面；e.黄铁矿成层分布，石柱打风坳剖面；f.黄铁矿在裂缝内发育，南川三泉剖面；g.黄铁矿沿节理发育，石柱打风坳剖面；h.黄铁矿呈结核状，石柱打风坳剖面 Figure 2 Field observation and characteristics of Longmaxi Formation samples |
X射线衍射(XRD)结果显示储层物质成分复杂，矿物组分主要包括黏土矿物及脆性矿物，黄铁矿是普遍发育的矿物类型。图 3示部分样品的矿物组分测试结果，样品F1~F6取自JY-13井龙马溪组底部，样品Q1~Q5取自泉A井龙马溪组中下部。黏土矿物包含伊利石、绿泥石、伊蒙混层、蒙脱石、高岭石等；脆性矿物中石英含量最高，长石、方解石、白云石含量较低；基质中黄铁矿含量在0.1%~4%之间。龙马溪组页岩储层矿物组分的垂向变化显示，底部石英含量极高，如样品F1~F6，阴极发光示自生石英较为发育，石英总含量向上减少，但陆源石英含量向上增多，方解石含量向上增加，整体而言，底部具有最高的脆性矿物含量。
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| 图 3 典型龙马溪组中下部、底部储层样品矿物组分特征 Figure 3 Mineral components of typical samples from middle-lower and bottom Longmaxi Formation |
据形成时期与发育机制的不同，泥页岩中的黄铁矿可分为同沉积黄铁矿与成岩期黄铁矿[17]，同沉积时期黄铁矿形成于沉积—成岩早期的浅埋藏、弱压实条件下，莓状结构的黄铁矿集合体是同沉积期特有的黄铁矿类型，其发育主要受到水体环境与水动力条件影响，高硫化氢含量的闭塞水体有利于莓状黄铁矿的发育，若缺氧/含氧界面在沉积物/水界面以上，莓状黄铁矿也可以在埋藏前形成[13, 18-20]；成岩期黄铁矿是成岩作用过程中储层以有机质为还原剂，形成硫化亚铁后经不同途径形成的黄铁矿类型[13]，可以进一步分为沿裂隙分布的层状自形晶黄铁矿及基质中散布的颗粒状黄铁矿，成岩期储层经历了压实、交代等成岩作用，储层更为致密，可供黄铁矿晶体生长的储层空间有限，后期形成的裂隙、微裂隙等空间是其生长的主要空间，控制、影响了黄铁矿的形态与大小。据黄铁矿形貌特征及产出位置，龙马溪组页岩储层中主要发育有四种类型的黄铁矿，即(聚)莓状、单莓状、基质自形晶体状和裂缝自形晶体状(图 4)，其中，莓状黄铁矿是页岩基质中最为发育的黄铁矿类型，单莓状、基质自形晶体状黄铁矿也发育在页岩基质中，但发育数量较少，裂缝自形晶体状主要发育在由方解石、黄铁矿充填的裂缝或沉积层间缝中。
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| 图 4 龙马溪组页岩黄铁矿的发育类型 a，b.扫描电镜下的莓状黄铁矿及其能谱；c.扫描电镜下的单球状黄铁矿；d.页岩裂缝中发育的自形晶体状黄铁矿；e，f.页岩基质中发育的自形晶体状黄铁矿及其能谱 Figure 4 The types of pyrite in shale reservoir of Longmaxi Formation a, b. show the framboidal pyrites under SEM (with EDS); c. shows single-spherical pyrite under SEM; d. shows the euhedral crystals of pyrite developed in cracks in shale; e, f. show the euhedral crystals of pyrite developed in shale matrix (with EDS) |
(聚)莓状黄铁矿集合体由等粒度的亚微米级黄铁矿晶体或微晶体紧密堆积而成，存在于现代和古代缺氧沉积物及沉积岩中，是富有机质沉积物的特征矿物之一[21-23]。龙马溪组下部页岩储层莓状黄铁矿极为发育(图 4a，b)，粒径一般在5 μm左右。单莓状黄铁矿以单个莓球状产出[24]，发育数量极少(图 4c)。自形晶体状的黄铁矿产出于页岩裂缝(图 4d)或页岩基质(图 4e，f)，基质中的自形黄铁矿或分散分布，或聚集为透镜状条带，但在基质中发育数量相对较少。
3.2 莓状黄铁矿与纳米孔的发育特征莓状黄铁矿是龙马溪组页岩基质中的主要黄铁矿类型，图 5中样品取自泉A井，示莓状黄铁矿在页岩基质中的分布特征，其中a，b，c取样位置由中下部至底部，由图可知，在背散射观测条件下，莓状黄铁矿呈现亮白色、圆球状，由数百个等大小、同形状的微晶组成(图 5a~d)；由中下部至底部莓状黄铁矿含量增多，但粒径减小(图 5e，f)。泉A井典型样品莓状黄铁矿的粒径D、微晶粒径d、D/d比值等统计信息见表 1。
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| 图 5 龙马溪组中下部页岩储层莓状黄铁矿的分布特征 a~d均为氩离子抛光处理后应用场发射扫描电镜的观测图像，可见页岩基质中大量分布的莓状黄铁矿(图中石英、黏土矿物等矿物呈浅灰—深灰色，有机质为灰黑色，而黄铁矿为亮白色)，图e, f是对图d中莓状黄铁矿微观形态的进一步放大观测 Figure 5 The distribution characteristics of framboidal pyrite in lower Longmaxi shale reservoir a~d are all observation results of field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) using samples processed by argon ion polishing (in the figures, minerals such as quartz and clay are in light gray to dark gray, the organic matter is colored in gray-black, and the pyrite is bright white). figures e and f are further magnified observations of the microstructure of the framboidal pyrite in Figure d |
| 样品 | 统计数/个 | 莓状黄铁矿粒径D/μm | 莓状黄铁矿最大粒径/μm | 微晶粒径d/μm | D/d比值 |
| Q-1 | 90 | 1.1~10.2 | 10.2 | 0.4~1.1 | 9 |
| Q-6 | 89 | 0.7~14.3 | 14.3 | 0.4~0.7 | 5 |
| Q-10 | 51 | 0.7~7.2 | 7.2 | 0.5~1 | 4 |
| Q-11 | 63 | 0.6~6.7 | 6.7 | 0.4~0.6 | 4 |
| Q-13 | 34 | 1.0~8.1 | 8.1 | 0.4~0.6 | 5 |
| S-2 | 25 | 1.2~8.7 | 8.7 | 0.4~0.5 | 7 |
| S-3 | 41 | 0.9~6.9 | 6.9 | 0.3~0.7 | 5 |
| S-5 | 33 | 1.1~5.3 | 4.3 | 0.4~0.6 | 5 |
| S-9 | 40 | 1.6~10.5 | 10.5 | 0.4~0.8 | 6 |
当莓状黄铁矿切面为非正中切面的时候，所统计的粒径一般会小于莓状黄铁矿的真实粒径，但其绝对偏差不会超过10%[25-26]。统计结果显示，莓状黄铁矿集合体直径D大小有一定差异，最大粒径介于4.3~14.3 μm，黄铁矿微晶粒径分布在0.3~1.1 μm，D/d比值介于4~9(表 1)。对莓状黄铁矿进行进一步观察，莓状黄铁矿集合体内部孔隙除少量以微晶间粒间孔隙发育外，大部分微晶间充填有机质；莓状黄铁矿晶间有机质内发育大量有机质纳米孔(图 6a，b，c)，未完全充填有机质的黄铁矿也发育有少量粒间孔；黄铁矿内部有机纳米孔隙直径主要分布在10~200 nm，以10~50 nm区间最为发育，可以划分为百纳米以上及以下两个主要分布区间，百纳米以上的孔隙主要分布在黄铁矿微晶周缘，百纳米以下孔隙则主要发育在有机质内部(图 6d，e，f)，后者所占比例更高。
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| 图 6 莓状黄铁矿的发育特征与赋孔特征 a.莓状黄铁矿形貌，背散射观测; b.莓状黄铁矿微晶间孔隙发育; c.进一步放大，微晶间充填有机质，有机质内部孔隙发育; d/e/f.选取典型莓状黄铁矿，对其微晶间纳米级孔隙特征进行观测. Figure 6 The development characteristics and pores of framboidal pyrite |
莓状黄铁矿孔隙主要是微晶间有机质纳米孔的认识，与先前部分研究对龙马溪组或我国其他页岩气地层黄铁矿孔隙发育特征的认识有一定差异[27-31]，也与北美页岩孔隙的经典分类存在差异[10]，部分研究认为，黄铁矿孔隙主要是受化学沉淀作用和重结晶作用控制的集合体内部晶间孔(Intercrystalline pores within pyrite framboids)[32]，而非黄铁矿内部的有机质纳米孔，观测精度是导致黄铁矿集合体内部孔隙类型认识出现差异的原因，只有在纳米尺度下才能实现对莓状黄铁矿集合体内部微小孔隙的成像研究。Loucks et al.[10]建立的页岩储层孔隙系统分类中，孔隙被划分为基质矿物孔隙、有机孔隙和裂缝孔隙三类，构成了完整的纳米—微米孔隙系统，但在分类中，黄铁矿孔隙被列入了基质矿物孔隙的粒内孔一类中，属于孔隙系统三端元图(Organic matter pores-Interparticle pores-Intraparticle pores)的Intraparticle pores端元，这会使孔隙系统中这一部分孔隙的结构性质与对页岩气影响(亲气性、吸附性、连通性、有效性、空间分布等)的认识出现偏差，莓状黄铁矿集合体内部的有机质孔隙较为发育，是与有机质演化有成因联系的一类孔隙，故结合页岩储层孔隙的系统分类，将龙马溪组页岩黄铁矿孔隙划分至有机质孔隙端元(图 7)。
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| 图 7 莓状黄铁矿孔隙归入有机孔隙的页岩储层孔隙系统分类 A.页岩储层微观储集空间的基本类型；B.基于孔隙系统三端元分类(Loucks et al.[10])，将莓状黄铁矿孔隙划至有机孔隙 Figure 7 Pore type classification modifying framboidal pyrite pores to organic-matter pores A. Basic types of microscopic reservoir space in shale reservoir; B. the shale pore classification ternary diagram (Loucks et al.[10]) modifying framboidal pyrite pores to organic-matter pores |
莓状黄铁矿孔隙是页岩储层孔隙的基本类型之一[5, 33-36]，是致密页岩储集空间的重要组成部分[28-29, 31-32, 37]。孔隙定量评价与量化表征是页岩气储层研究的难点和热点，学者们已经尝试从多角度对页岩储层孔隙进行量化研究[38-39]，但仍然没有形成可以定量评价特定类型孔隙的适用方法。为定量表征页岩储层莓状黄铁矿对储层孔隙系统的贡献程度，本文采用如下技术手段：1)利用氩离子抛光—场发射电镜获得页岩微区图像，并对图像中的莓状黄铁矿进行放大观测，获取分辨率达到纳米尺度的微观图像；2)利用图像处理软件，圈定莓状黄铁矿孔隙的发育面积和孔隙的发育孔径，并利用面孔率法确定莓球体孔隙发育程度的参数；3)对微区图像进行处理，获取莓状黄铁矿在微区内所占面积比例，以面积比例乘以莓球体孔隙发育程度的平均参数，从而获得莓状黄铁矿对储层孔隙系统贡献程度的定量表征结果。图 7示部分样品莓状黄铁矿孔隙的定量评价结果。
实验结果显示(表 2)，莓状黄铁矿集合体有机质孔隙在10~50 nm区间最为发育；50 nm以下的孔隙可占孔隙数量的90 %以上，Bar=500 nm观测条件下面孔率可达6.1 %(图 8a)；而在少数微晶较为分散的黄铁矿中，有机质孔隙发育孔径较大，在10~1 500 nm间均有分布，孔隙主要发育在300 nm以下，面孔率达8.12%(图 8b)；少量莓状黄铁矿中有机质孔、微晶间粒间孔均有发育，面孔率达7.14%(图 8c)；非正中切面的莓状黄铁矿粒径较小，但孔隙仍然较为发育，莓状黄铁矿内面孔率达3.88%，Bar=1 μm条件下面孔率为0.73%(图 8d)。
| 样品 | 莓状黄铁矿平均粒径/μm | 黄铁矿面积比率/% | 莓状黄铁矿平均面孔率/% | 样品平均面孔率/% | 孔隙贡献参数/% |
| Q-1 | 3.35 | 1.24 | 6.02 | 2.0 | 3.73 |
| Q-6 | 4.13 | 1.42 | 7.12 | 2.4 | 2.96 |
| Q-10 | 3.81 | 2.16 | 8.34 | 2.7 | 6.67 |
| Q-11 | 3.12 | 1.45 | 5.79 | 2.1 | 4.00 |
| Q-13 | 4.07 | 2.54 | 4.85 | 1.8 | 6.84 |
| S-2 | 3.34 | 1.14 | 5.18 | 1.6 | 3.69 |
| S-3 | 3.52 | 2.46 | 6.17 | 1.9 | 7.99 |
| S-5 | 3.25 | 1.50 | 3.15 | 1.8 | 2.62 |
| S-9 | 3.95 | 1.34 | 8.17 | 2.5 | 4.38 |
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| 图 8 莓状黄铁矿孔隙的定量评价 Figure 8 Quantitative evaluation of pores in framboidal pyrite |
对各样品黄铁矿进行随机观测统计，进而对所得结果进行计算分析，莓状黄铁矿集合体所占面积(含页岩黄铁矿集合体微晶及微晶间的有机质、孔隙)比率介于1.24%~2.42%之间，平均值为1.69%；莓状黄铁矿集合体的面孔率值介于3.14%~10.02%，平均值为6.09%，远高于页岩基质的平均面孔率，说明页岩黄铁矿孔隙对储层孔隙系统具有正贡献，是储层中具正贡献的重要孔隙类型之一。据黄铁矿面积比率、莓状黄铁矿平均面孔率与基质平均面孔率得到莓状黄铁矿的孔隙贡献参数，参数介于0.7%~7%之间，绝大部分图像显示贡献比例大于2%，说明龙马溪组下部、底部优质储层中莓状黄铁矿含量相对较高、赋孔发育，莓状黄铁矿集合体对储层孔隙系统具有正贡献，且孔隙直径细小，以吸附孔为主。此外，黄铁矿与其他矿物、有机质具有明显的力学性质差异，其周缘与其他物质成分的接触位置往往发育孔隙或富集吸附能力较强的有机质，有利于气体的吸附[35, 40]，说明黄铁矿对储层孔隙系统还应有更大的贡献程度。五峰组—龙马溪组页岩经历漫长的地质热演化，莓状黄铁矿集合体晶体间有机质纳米孔在微晶间有机质内部集中发育，与页岩基质中有机质颗粒内部发育的有机纳米孔类似，构成了蜂窝状的有机质孔隙网络，孔隙间连通性较好，有利于其赋存页岩气的脱吸附与扩散、渗流。除莓状黄铁矿外，页岩中还发育有少量自形黄铁矿，对大孔、裂缝有一定封堵作用。
莓状黄铁矿与微晶间的有机质孔隙具有成因上的联系。黄铁矿微晶间有机质在成岩热演化过程中形成了大量的纳米级孔隙，而微晶集合体所形成的刚性构架(多为应力三角结构区)可以构成微晶间孔隙保存的良好条件(图 9)，龙马溪组页岩储层经历的深埋过程中强压实等成岩作用导致残余原生孔隙几乎不发育，而微晶间的显微应力保护结构则非常有利于孔隙在后期成岩过程中的保存，这可能是莓状黄铁矿集合体赋孔率高的原因之一。
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| 图 9 莓状黄铁矿形成的孔隙保护结构 Figure 9 The protection structure of pores in framboidal pyrite |
对页岩储层孔隙的研究已经从类型特征认知阶段深入到了成因机理认识阶段，而在更加深入的成因机理研究中，常用技术手段难以提供足够的细节信息，尤其是针对不同类型孔隙的专门研究。孔隙图像技术手段结合矿物有机质识别则可以为非常规储层微观储集空间研究提供一种2维尺度下的替代方法，在一定程度上提供精细的孔隙参数与信息，也具有一定的研究精度保证[25-26]，是目前技术条件下进行专门孔隙研究较为可靠的技术方案，这也是其他孔隙研究技术不具备的优势，如压汞、液氮吸附、CT技术、核磁共振等，均只能获取孔隙的总体特征，而不能实现针对某一类孔隙的专门表征。图像技术手段可以为孔隙成因、孔隙评价、赋孔特征、赋气机理、渗流网络等研究提供基础，也可以为储层孔隙精细建模研究提供基础参数。故结合前述研究技术手段，提出一套基于图像处理技术的非常规储层孔隙分类表征与评价的技术流程(Work Flow)，基于样品图像获取—图像基础处理—结构参数抽提—参数统计与分析—地质意义讨论的思路流程，实现对非常规储层微观储集空间的分类研究(图 10)。
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| 图 10 基于图像处理技术的非常规储层孔隙分类表征与评价技术流程 Figure 10 Work flow of unconventional reservoir characterization and evaluation of classified pores based on image processing |
除前文所量化研究的储集空间意义外，莓状黄铁矿粒径分布特征是恢复古海洋的氧化还原状态行之有效的方法之一[17, 23, 41]。页岩黄铁矿与储层油气性具有一定关系[13, 42]，利用黄铁矿的矿物学特征，可以为页岩气勘探开发和烃源岩研究评价提供基础依据。黄铁矿是还原环境的标志矿物，其粒径特征可以辅助优质储层影响因素的分析和预测，进一步区分闭塞环境和贫—厌氧环境[13]。莓状黄铁矿在埋藏后，便不再受成岩期及岩化期的影响，硫化环境下莓状黄铁矿平均粒径约(5.0±1.7) μm，大于10 μm的低于4%，而在非硫化环境下，莓状黄铁矿平均粒径可达(7.7±4.1) μm，10%~50%的莓状黄铁矿颗粒超过10 μm[18]。测试结果显示，龙马溪组下部的优质储层样品莓状黄铁矿平均粒径小于4 μm，属于硫化环境(图 11)，个别样品大于平均粒径4 μm，判断为贫氧—厌氧环境；依据Box-and-whisker图解[43]方法，龙马溪组下部样品粒径介于1~15 μm，最大粒径(MFD)小于20 μm，属于硫化[44]、闭塞环境[40]；D/d值可以反映沉积—成岩期的有机质保存条件相对优劣[13]，测试值介于4~9，其值偏小，说明龙马溪组优质储层段有机质保存条件较好。在沉积物中莓状黄铁矿可以提供可靠信息用于沉积环境氧化还原条件的判断，帮助识别缺氧条件下的静海环境[11]，进而为优质储层发育机理提供依据。由于莓状黄铁矿与有机质在龙马溪组内的富集均受控于缺氧还原的海水环境，具有成因联系，使其含量与TOC具有极好的相关性[45]，可以在一定程度上反映龙马溪组富有机质优质储层的分布，也使储层黄铁矿研究具备勘探应用意义；目前，页岩气地球物理勘探进展迅速，复电阻率勘探中电极化率参数对黄铁矿敏感性良好[46]，龙马溪组内富黄铁矿层段与富TOC层段叠合，吸附能力强，而富黄铁矿使储层极化特征得到加强，进而为利用复电阻率法进行优质储层的电法勘探提供了理论基础。
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| 图 11 泉A井龙马溪组下部优质储层段莓状黄铁矿平均粒径 & 标准偏差二元图解及Box-and-whisker图解 Figure 11 The binary figure of average particle size & standard deviation and Box-and-whisker plot for lower Longmaxi Formation shale of Well QuanA |
(1) 龙马溪组页岩储层普遍发育黄铁矿，类型主要包括(聚)莓状黄铁矿、单莓状黄铁矿、基质自形晶体状黄铁矿和裂缝自形晶体状黄铁矿，其中莓状黄铁矿是基质中最主要的发育类型；莓状黄铁矿集合体粒径主要介于3 ~10 μm之间，平均粒径约5 μm，集合体由黄铁矿微晶构成，微晶间充填有有机质。
(2) 莓状黄铁矿集合体内部孔隙主要是所充填有机质内发育的纳米孔，应归入有机成因孔隙端元；图像处理定量表征显示，龙马溪组下部、底部优质储层中莓状黄铁矿含量相对较高、赋孔发育，可为组内优质储层段贡献0.7%~7%的孔隙比例，对储层孔隙系统具有正贡献，且孔隙直径细小，以吸附孔为主，但连通性相对较好，有利于其渗流释放。
(3) 基于图像处理技术的非常规储层孔隙分类表征与评价技术，利用样品图像获取—图像基础处理—结构参数抽提—参数统计与分析—地质意义讨论的技术流程，可以实现非常规储层不同类型微观储集空间的分类研究。
(4) 除孔隙意义外，龙马溪组基质黄铁矿还与有机质具有成因联系，可以为优质储层发育机理研究与优质储层预测提供依据，其极化特征可以为页岩气复电阻率勘探提供理论依据，在页岩气储层研究、勘探开发中具有重要页岩气地质意义。
致谢: 论文得到国家留学基金资助；感谢李壮福副教授、沈玉林副教授为文章提出的宝贵建议。| [1] |
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