基于扫描电镜和JMicroVision图像分析软件的泥页岩孔隙结构表征研究

戚明辉, 李君军, 曹茜

戚明辉, 李君军, 曹茜. 基于扫描电镜和JMicroVision图像分析软件的泥页岩孔隙结构表征研究[J]. 岩矿测试, 2019, 38(3): 260-269. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.201901160008
引用本文: 戚明辉, 李君军, 曹茜. 基于扫描电镜和JMicroVision图像分析软件的泥页岩孔隙结构表征研究[J]. 岩矿测试, 2019, 38(3): 260-269. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.201901160008
Ming-hui QI, Jun-jun LI, Qian CAO. The Pore Structure Characterization of Shale Based on Scanning Electron Microscopy and JMicroVision[J]. Rock and Mineral Analysis, 2019, 38(3): 260-269. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.201901160008
Citation: Ming-hui QI, Jun-jun LI, Qian CAO. The Pore Structure Characterization of Shale Based on Scanning Electron Microscopy and JMicroVision[J]. Rock and Mineral Analysis, 2019, 38(3): 260-269. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.201901160008

基于扫描电镜和JMicroVision图像分析软件的泥页岩孔隙结构表征研究

基金项目: 

省院省校合作项目 2018JZ0003

四川省科技厅科技支撑计划项目(2017GFW0175);省院省校合作项目(2018JZ0003)

四川省科技厅科技支撑计划项目 2017GFW0175

详细信息
    作者简介:

    戚明辉, 硕士, 工程师, 主要从事非常规油气储层评价研究。E-mail:158891057@qq.com

  • 中图分类号: P575.2;P588.22

The Pore Structure Characterization of Shale Based on Scanning Electron Microscopy and JMicroVision

  • 摘要: 孔隙发育特征是泥页岩储集能力评价的关键参数之一。扫描电镜观察法已普遍用于描述泥页岩的孔隙发育特征,但是目前文献中对泥页岩微孔隙类型划分比较混乱,孔隙结构特征参数的表征以定性描述为主,缺乏定量表征手段。本文选取了18个泥页岩样品为研究对象,通过氩离子抛光和高分辨率扫描电子显微镜图像观察,基于孔隙发育形态、位置及成因,对样品中不同孔隙进行类型划分;结合JMicroVision图像分析软件,应用泥页岩微孔隙描述技术和孔隙尺度分类统计技术,统计不同类型孔隙发育数量、孔径大小、面孔率、形状系数、概率熵等参数,对其分布特征进行评价。研究表明,晶(粒)间孔隙和有机孔隙比较发育,其次为晶(粒)内孔和晶间隙。不同类型孔隙其孔径分布以纳米级为主,不同类型孔隙分布较无序,其概率熵主要分布在0.5~0.7之间,对应的形状系数分布差异也较大。有机质孔隙的形状系数主要分布在0.6~0.7范围内,形状分布以椭圆形或近似圆形为主,晶(粒)间孔隙和晶(粒)内孔隙的形状系数主要分布在0.3~0.7,分析晶(粒)间孔隙和晶(粒)内孔隙形状系数分布特征主要是受原始孔隙形态、压实作用和溶蚀作用的影响。研究认为,SEM与JMicroVision相结合是定量研究不同类型微孔发育特征的有效手段,为研究微孔的形成和演化奠定了基础。
    要点

    (1) 采用氩离子抛光和高分辨率扫描电镜,对泥页岩微孔隙发育特征进行观察。

    (2) 基于发育形态、位置及成因,微孔隙被划分为有机孔隙、基质孔隙和微裂缝。

    (3) 结合JMicroVision图像分析软件,定量分析评价孔隙结构特征参数分布特征。

    HIGHLIGHTS

    (1) The characteristics of shale pore by using Ar-ion milling and Scanning Electron Microscopy were observated.

    (2) The pores based on the morphology, development location and genesis were classified.

    (3) Combined with JMicroVision, the distribution characteristics of pores parameters in shale were quantitatively analyzed.

  • 石英脉型黑钨矿是钨矿的一个工业类型,因其质量优于白钨矿而一直作为战略性资源加以保护性开采[1]。国内外的大型、超大型钨矿床均以白钨矿为主[2],而黑钨矿属于紧缺资源,其重要性等同于离子吸附型稀土矿。当前,黑钨矿主要产于中国的南岭地区,以赣南、粤北最为常见,并可见与绿柱石共生现象[3-5]。虽然近年来在江西北部也发现了大湖塘、朱溪等世界级超大型钨矿床,但含钨的矿石矿物仍是以白钨矿为主;前人曾提出“南钨北扩、东钨西扩”新认识[6],但黑钨矿能不能“跨过长江”,一直是个疑问。

    2012年以来,在陈毓川院士、盛继福等专家的指导下,项目组对陕西镇安一带的钨矿床开展了调查研究,在钻孔岩心首次发现石英脉中存在中-细晶黑钨矿与柱状晶体绿柱石共生的现象(图 1图 2)。

    图  1  陕西镇安W-Be矿区中石英脉见绿柱石和黑钨矿共生
    a—金云母片岩中发育切层石英脉,石英脉中见黑钨矿与绿柱石共生,发育团块状黄铁矿;b—石英脉中见黑钨矿与绿柱石共生,发育铬云母及细网脉状褐铁矿。
    Figure  1.  Pictures showing wolframite intergrowth with beryl in quartz vein in Zhen'an W-Be mine, Shannxi Province
    图  2  陕西镇安某地黑钨矿反射光显微镜下特征
    a—黑钨矿反射光下呈板状晶体,麻点发育,与绿柱石及石英共生;b—同一视域下斜交偏光下见黑钨矿发育接触双晶。Wf—黑钨矿;Qtz—石英;Brl—绿柱石。
    Figure  2.  Micrographs showing wolframite intergrowth with beryl in quartz vein in Zhen'an W-Be mine, Shannxi Province

    这一发现意义重大在于:一是黑钨矿可以出现在秦巴地区。秦巴地区作为中国中央造山带的核心部位,也是秦祁昆成矿域的核心部位,但一直没找到黑钨矿[1, 7-8],此次可能是首次发现;二是石英脉型黑钨矿可以出现在典型的造山带。虽然白钨矿在秦岭早有发现,但主要是矽卡岩型和斑岩型,独立地产于围岩地层和构造破碎带中的石英脉型黑钨矿尚未见报道;三是出现新的矿种组合,指出了新的找矿方向。以往的白钨矿主要与钼矿共伴生,此次发现的黑钨矿出现在白钨矿与铍矿共伴生的矿区,即除了W-Mo组合之外,还存在W-Be组合;四是石英脉型黑钨矿的发现,对深部找矿指明了新的方向。秦巴地区的钨矿目前正在进行勘查,但主要分布在远离岩体的地方,或者“找不到成矿母岩”,如镇安东阳矿区。

    由于石英脉型黑钨矿与花岗岩类关系密切,花岗岩体的查找是寻找此类钨矿的首要目标。石英脉型黑钨矿的发现,不但证明“南钨北扩”已经扩展至秦岭地区,还有可能出现在中条山[9]、太行山等,而且对深部找矿也指出了新的方向。

  • 图  1   泥页岩储层孔隙特征描述照片

    a—石英粒内微孔;b—黏土矿物粒内孔; c—片状伊蒙混层晶间孔;d—霉球状黄铁矿晶间孔;e—晶间隙;f—长石粒内溶孔;g—黏土矿物粒间溶孔;h—出油孔;i—出气孔;j—气孔群;k—有机质收缩缝;l—微裂缝。

    Figure  1.   Characteristics of pores in shale gas reservoir

    图  2   不同类型孔隙发育比例分布频率

    Figure  2.   Distribution frequency diagram of different pores

    图  3   不同类型孔隙的(a)孔径、(b)概率熵、(c)形状系数分布频率

    Figure  3.   Distribution frequency diagrams of (a) pore diameters, (b)probability entropy, (c)shape factor of different pores

    图  4   晶(粒)间孔隙发育数量与黏土矿物相对含量关系

    Figure  4.   Relationship between the number of inter- crystal (particle) pores and the content of clay

    图  5   有机质孔隙形状系数与有机质成熟度关系

    Figure  5.   Relationship between pore shape coefficient of organic matter and Ro

    表  1   泥页岩样品的基本特性

    Table  1   Characteristics of the selected shale samples

    样品编号 TOC(%) Ro(%) 有机质类型 矿物含量(%)
    石英 长石 碳酸盐 黏土矿物 黄铁矿 其他
    1 3.576 1.21 Ⅱ1 20 15 6 44 8 7
    2 4.337 1.96 Ⅱ1 24 12 3 49 9 3
    3 2.045 1.16 Ⅱ1 25 24 13 31 4 3
    4 6.435 2.29 Ⅱ1 20 12 3 56 5 4
    5 5.892 1.21 Ⅱ1 21 17 3 48 3 8
    6 5.198 1.26 Ⅱ1 20 22 6 45 6 1
    7 2.740 1.38 Ⅱ1 51 0 4 37 6 2
    8 2.697 3.27 5 8 44 43 0 0
    9 0.784 1.10 30 10 20 40 0 0
    10 3.199 1.11 Ⅱ1 24 14 5 51 4 2
    11 2.541 1.18 Ⅱ1 24 30 2 38 2 4
    12 3.496 1.08 30 12 3 53 2 0
    13 6.531 1.16 Ⅱ1 26 25 0 45 2 2
    14 6.811 2.85 Ⅱ1 27 35 0 32 6 0
    15 6.009 3.11 23 25 5 41 6 0
    16 1.398 1.01 36 16 38 23 2 3
    17 1.096 0.99 27 18 7 39 5 4
    18 2.240 0.97 27 26 12 27 6 2
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    表  2   泥页岩储层孔隙分类

    Table  2   Characteristics of pore classification of shale gas reservoir

    孔隙类型 成因机制 分布特征
    无机孔隙 原生孔隙 晶(粒)内孔(图 1-a, b) 矿物成岩作用过程中保留下来的微孔隙 常见于黏土矿物颗粒、石英、长石等晶体内,形状不规则
    无机孔隙 原生孔隙 晶(粒)间孔(图 1-c, d) 矿物颗粒沉积或再生长过程中保留下来微孔隙 常见于黏土矿物颗粒及黄铁矿等晶体间
    无机孔隙 原生孔隙 晶间隙(图 1-e) 矿物(尤其是黏土矿物)成岩转化过程中形成的间隙 发育于矿物晶体层间或颗粒边缘,多呈片状分布
    无机孔隙 次生孔隙 晶(粒)内溶孔(图 1-f),晶(粒)间溶孔(图 1-g) 不稳定矿物因发生溶蚀作用而形成 常见于黏土矿物、长石等晶体内(间),性状不规则
    有机质孔 有机质热成因孔 出油孔(图 1-h),出气孔(图 1-i),气孔群(图 1-j) 有机质不同演化阶段生烃、排烃过程中,油气聚积形成 出油孔、出气孔偶见于热演化程度较低的有机质中,气孔群常见于热演化程度较高的有机质中,呈分散的不规则分布
    有机质孔 收缩孔(缝)(图 1-k) 有机质热演化(失水)过程中收缩形成 有机质与矿物结合边缘或内部
    微裂缝 构造缝(图 1-l) 由局部构造作用所形成,主要与矿物的成岩作用、岩石脆性、地层压力以及构造活动(如断裂、褶皱等)相关 呈高角度裂缝切层发育
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-15
  • 修回日期:  2019-03-17
  • 录用日期:  2019-04-08
  • 发布日期:  2019-04-30

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