页岩孔隙知多少 方法比拼见分晓

页岩气一直是岩心储层中一块难啃的骨头，页岩储层孔隙度低、孔喉结构复杂、气体赋存形式多样以及渗流能力差，然而页岩气油气储藏丰富，因此准确研究页岩微观孔隙结构（大小分布、连通性等）是“啃骨头”前的必经之路。

目前，孔隙结构表征手段由定性观察向定量表征过渡，由单一手段到多方法联合发展。对于页岩气储层，常用实验方法包括低温氮气吸附（LTNA）、低温二氧化碳吸附（LT－ CA）、核磁共振（NMR）以及高压压汞（MIP）等，各种实验测量原理不同，在刻画页岩孔隙结构上均有自己的不足。

表1. 常用的孔隙方法的对比

因此，本文主要研究如下几个内容：

• 开展多种孔隙结构表征实验对比，分析不同实验方法在刻画页岩孔隙结构上的优势，建立全孔径分布表征方法。

• 借助分形理论进行孔隙分区，揭示不同类型孔隙的发育特征。

• 不同尺寸的孔隙对页岩气赋存与渗流能力的贡献。

  
  

▲图1.中尺寸核磁共振成像分析仪

首先利用扫描电镜（SEM）图像，对页岩的孔隙类型进行研究。

▲图2.页岩孔隙扫描电镜特征

将页岩孔隙划分为有机孔和无机孔两类，无机孔又识别出粘土孔、粒间孔、晶间孔和粒内溶蚀孔等。

有机孔是页岩气储层最重要的孔隙类型，其伴随着干酪根的生烃过程而产生，形态多为近圆形或椭圆形（图2a），局部可见狭长型孔（图2b），较大的有机孔表面粗糙，表面可形成大量类似微孔的储气空间，为页岩提供了一定的比表面积。

粘土孔是页岩储层另一类主要的储集类型，由大到小可分为粘土层间缝、晶间孔和粘土晶内孔三个尺度孔隙。

▲图3.低温氮吸附及二氧化碳等温吸附孔径分布结果

▲图4.压汞法及核磁共振分析页岩孔径分布结果

▲图5.典型页岩气样品不同实验方法测量孔径分布对比

灰色曲线为核磁共振，橘色是氮吸附，蓝色是压汞法，米状的是二氧化碳吸附。

核磁共振采用线性方式转换，依据T2谱与LTNA孔径分布间相关性，来确定转换系数C，从而计算出孔隙分布，关于核磁共振法测孔隙分布的原理，具体点击这里：

这可能是最全面的核磁共振在岩石物理的应用介绍

如图5所示，将孔径划分为三个区间：区间Ⅰ对应孔径基本小于10nm，LTNA在表征该区间孔隙分布上优势明显；区间Ⅱ基本小于100nm，核磁共振的优势明显，区间Ⅲ对应孔径大于100nm，这类孔隙通常需要喉道沟通。

随TOC增大、粘土含量降低（由PY1－22 至 LY1－5样品），压汞法孔喉分布逐渐偏离核磁共振，这因为压汞法测量的是连通孔喉分布，孔喉分布和孔隙分布的差异受孔喉比影响，TOC增加，两者的差异越明显，因此差异越大。

而随TOC降低，氮气吸附表征的孔隙分布会逐渐偏离核磁共振，表明氮气吸附结果受孔隙非均质性的影响，综上，低温氮气吸附在刻画区间Ⅰ这类较小孔隙优势明显，而核磁共振在刻画区间Ⅱ和Ⅲ这类较大孔隙上效果较好。

以上结果与表1中对各个方法的优劣势分析一致，为了更准确的对页岩进行全尺寸孔径表征，需要联合以上中的2种技术进行搭配互补。

当然，本文也对四种方法测得的孔体积与氦气测孔隙度做了对比，具体的结果本文在这里不做详细展示，感兴趣的可以下载原文阅读。

▲图6.页岩气样品全孔径表征结果分析

联合低温氮气吸附和核磁共振可实现页岩气孔隙全面表征。通过全孔径表征（图6）可得到页岩气样品的孔隙分布具有以下特征：分布范围宽，横跨4～ 5个数量级， 70％的孔体积分布在孔径小于25nm的孔隙中，表明页岩气样品仍以较小孔为主。

这与页岩样品粒度细、成熟度高，普遍经历强烈压实减孔等成岩作用密切相关；另外，在孔径小于100nm范围内，孔隙分布呈明显继承性，随TOC增大，主峰的幅度明显增加，指示有机孔在页岩气储集空间中的重要地位。

为了验证该方法的适用性，取一块页岩油样品进行对比实验。经分析得该页岩属于富有机质纹层状灰质泥岩。低成熟度页岩样品的孔隙以粒间孔（石英、碳酸盐岩）、粘土层间缝、溶蚀孔和有机质孔隙为主。SEM图像显示，孔隙多分布在几十个nm至几百个nm范围。

▲图7.低成熟度页岩样品孔径对比

如图所示，发现低温氮气吸附和T2谱形态一致，在区间Ⅰ内，低温氮气吸附表征孔径稍大于核磁共振，而在区间Ⅱ内，核磁共振表征孔径分布优势明显，压汞法得到孔喉分布明显偏低，这点在上面研究中也得到验证。

目前普遍采用IUPAC建立的孔隙分类标准并不适合页岩的孔隙划分，因此根据具体的分形结果对孔隙进行划分：5，25 和100nm可作为分界点，将页岩气孔隙划分为微孔（＜ 5nm）、小孔（5～ 25nm）、中孔（25～ 00nm）和大孔。

▲图8.不同区间孔隙含量与页岩物质组成关系

a.TOC 与微孔和小孔含量间关系

b.TOC 与中孔和大孔含量间关系

c.粘土含量与微孔和小孔含量／TOC 间关系

d.粘土含量与中孔和大孔含量／ TOC 间关系

e.碳酸盐岩含量与中孔含量间关系

f.石英含量与大孔含量的关系

微孔（＜5nm）和小孔（5～25nm）含量均与TOC呈明显正相关，此外，微孔和小孔还受其他类型孔隙影响。孔隙含量与 TOC 之比在一定程度上可消除TOC的影响，当粘土含量＞ 30％时，该比值随粘土含量增多而快速增大，表明粘土有关孔也是微孔和小孔的重要组成部分。

中孔（25～ 100nm）含量与TOC 间正相关性变弱，同时发现，碳酸盐岩含量与中孔呈较明显正相关，说明粒内溶蚀孔也对中孔起贡献。

大孔与TOC间相关性最弱，而粘土、石英含量与大孔呈一定正相关，表明粘土有关孔和粒间孔是大孔的主要组成部分。

▲图9.比表面积和不同区间孔隙含量的关系

▲图10.页岩累加进汞增量何退汞增量的对比

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