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2024年5月22日发(作者:)
2019年5月
May2019
岩 矿 测 试
ROCKANDMINERALANALYSIS
Vol.38,No.3
260-269
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.
QIMing-hui,LIJun-jun,CAOQian.ThePoreStructureCharacterizationofShaleBasedonScanningElectronMicroscopyand
[J].RockandMineralAnalysis,2019,38(3):260-269.JMicroVision【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
,2,3,2,3
戚明辉
1
,李君军
4
,曹茜
1
(1.页岩气评价与开采四川省重点实验室,四川成都610091;
2.四川省科源工程技术测试中心,四川成都610091;
3.自然资源部复杂构造区页岩气勘探开发工程技术创新中心,四川成都610091;
4.中石油浙江油田分公司,浙江杭州310023)
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
.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
要分布在
0
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。
关键词:孔隙类型划分;孔隙结构表征;扫描电镜观察;JMicroVision;泥页岩
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。
中图分类号:P575.2;P588.22文献标识码:A
泥页岩作为一种特殊的油气储层,具有低孔、特
1-2]
。孔隙作为低渗以及孔隙结构复杂多样的特征
[
泥页岩中油气的储存空间,不同类型孔隙对储存的
3-6]
油气产能贡献不同
[
。泥页岩孔隙分布特征等方
面的研究是进行页岩气资源勘探开发的基础,针对
如何准确表征和评价泥页岩孔隙特征也是目前研究
7-10]
。近年来,国内外很多学者采用图像处的热点
[
理软件(如ImageJ、JMicroVision等软件)对扫描电镜
图像进行二值化处理进而对泥页岩孔隙特征进行评
8]
对比分析了边缘检测分割法、流域分价。王羽等
[
收稿日期:2019-01-16;修回日期:2019-03-18;接受日期:2019-04-09
基金项目:四川省科技厅科技支撑计划项目(2017GFW0175);省院省校合作项目(2018JZ0003)
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。
—260—
第3期戚明辉,等: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第38卷
割法、手动和自动阈值分割法对扫描电镜二次电子
11]
图像中的不同类型孔隙的分割效果;Keller等
[
基
于ImageJ软件对北美Opalinus页岩孔隙图像进行
了二值化处理,进而观察图像中的孔隙;张磊磊
12]
等
[
通过CorelDraw软件对扫描电镜观察图像中各
类型孔隙进行识别,用不同颜色加以圈定、区分和分
析,得出所分析样品的孔隙类型及其相应的面孔率
13]
数据;白明岗等
[
利用场发射扫描电镜和PerGeos
数字岩石处理系统,对上扬子地区盆地外围龙马溪
组富有机质页岩储集空间类型和有机质微纳米孔隙
用导电胶将其粘附于样品片上,放入氩离子抛光仪器
中进行抛光处理。样品制备完成后对其进行喷金处
理增强导电性,再使用导电胶将其固定在样品台上,
Quanta250FEG)观利用场发射环境扫描电子显微镜(
察泥页岩样品中微孔隙的发育位置及形状大小,该高
EI公司制造,具有高真空、分辨率扫描电镜由美国F
TM
低真空和ESEM环境真空三种真空模式,可对各种
样品(导电样品、不导电样品,特别是对含水、含油的
样品等)进行形貌观察和分析,根据得到的表面像和
成分像对样品进行结构和成分表征。结合能谱分析
结构及发育特征进行了研究。这些研究主要是针对
微孔隙发育个数及孔径大小进行评价,针对孔隙的
形状系数、概率熵等形态特征参数并没有进行详细
研究
[11-17]
。不同类型孔隙,其形态特征差异较大,
对应的形态参数分布特征在指示孔隙演化方面具有
一定的指示意义
[18]
。
基于上述分析,本文主要采用氩离子抛光和场
发射扫描电镜对陆相泥页岩微观孔隙分布特征进行
研究,同时结合JMicroVision图像处理软件对不同类
型孔隙发育数目、孔径、面孔率及不同形态特征等参
数进行表征,为研究微孔隙的成因及演化奠定基础。
1 实验部分
1.1 实验样品
本研究中选取的18个样品,对应地层岩性多为
深灰色、黑(灰)色泥页岩夹暗色炭(铁)质泥岩,分
别对其进行岩石热解分析、有机碳含量测试、全岩
+
黏土矿物X射线衍射分析、氩离子抛光处理以及扫
描电镜观察。测试结果(表1)表明,研究样品富含
腐泥型-混合型干酪根,干酪根类型主要为
Ⅱ
1型,
总有机碳(TOC)含量平均约2.8%,镜质体反射率
(Ro)主要分布在1.3%左右。通过X射线衍射全
岩分析对矿物成分进行分析,矿物成分以黏土矿物
为主,平均含量高达41%,石英平均含量为25%,长
石平均含量为17%,含有少量碳酸盐岩和黄铁矿,
此外黏土矿物以伊利石为主,伊-蒙混层、绿泥石及
高岭石次之。
1.2 实验方法
本次实验采用美国GATAN685型抛光仪对实验
样品进行氩离子抛光操作,首先从样品垂直层理各切
下大小合适的薄片,选取其中一面进行粗抛光处理,
再用热熔胶将其粘于铜质抛光器上,分别按照粒径
600目、800目、1500目、2000目、5000目的超薄金刚
砂纸进行研磨并清理,抛光面平整度达标的样品即可
从铜质抛光器上取下,放入烘箱保持90℃烘干;然后
仪(INCAx-max20)对样品不同矿物组分进行微区成
分分析,对其孔隙类型进行划分。
表1 泥页岩样品的基本特性
Table1 Characteristicsoftheselectedshalesamples
样品TOCRo有机质
矿物含量(%)
编号(%)(%)类型
石英长石碳酸盐黏土矿物黄铁矿其他
13.5761.21
Ⅱ
1201564487
24.3371.96
Ⅱ
1241234993
32.0451.16
Ⅱ
12524133143
46.4352.29
Ⅱ
1201235654
55.8921.21
Ⅱ
1211734838
65.1981.26
Ⅱ
1202264561
72.7401.38
Ⅱ
151043762
82.6973.27
Ⅰ
58444300
90.7841.10
Ⅰ
3010204000
103.1991.11
Ⅱ
1241455142
112.5411.18
Ⅱ
1243023824
123.4961.08
Ⅰ
301235320
136.5311.16
Ⅱ
1262504522
146.8112.85
Ⅱ
1273503260
156.0093.11
Ⅰ
232554160
161.3981.01
Ⅰ
3616382323
171.0960.99
Ⅰ
271873954
182.2400.97
Ⅰ
2726122762
JMicroVision图像分析软件是当前主流图像分析
软件之一,包含了大部分常见的图像处理操作,具有
高效的可视化系统和创新功能,可用于手动或自动量
化和测量高清晰度图像的组件,获取某一特定区域对
应的统计学特征参数,实现了将图像分析技术与定量
表征技术相结合。本次研究过程中,利用
JMicroVision图像分析软件对SEM图像进行分析时,
首先划定工作区域,即根据所有描述对象的形状对其
进行轮廓进行勾画,设定比例尺等一系列参考值,然
后通过选择合适的灰度阈值,将所描述的孔隙从图像
背景中分离出来,针对不同类型孔隙也可以采用不同
颜色进行标记,进而提取不同类型孔隙的几何参数,
包括孔隙个数、等效圆直径、宽度、周长、面积等参数。
—261—
第3期
岩 矿 测 试
http:ww.ykcs.ac.cn
∥
w
2019年
2 结果与讨论
2.1 测试样品微孔隙扫描电镜表征结果
泥页岩中孔隙成因复杂,不同类型孔隙具有明显
19-31]
的差异性,划分方案多样
[
。本文采用氩离子抛
1000至×40000多种放大倍数下光和扫描电镜在×
对18个样品储集空间进行详细观察和描述,研究了
)。结果表明泥页岩储储层孔隙类型及其特征(图1
层中孔隙类型多样,形态各异,基于Loucks(2012)和
Cao等(2015)的泥页岩储层孔隙类型划分方
21,23-24]
,根据不同类型孔隙发育成因对其进行分案
[
类,划分为无机孔隙、有机质孔隙和微裂缝三大类。
无机孔隙划分为原生孔隙和次生孔隙两类,其中原生
孔隙包括:晶(粒)内孔、晶(粒)间孔和晶间隙,次生
孔隙包括:晶(粒)内溶孔和晶(粒)间溶孔。有机质
孔隙划分为有机质热成因孔(包括:出油孔、出气孔
和气孔群)以及收缩孔(缝)(表2),微裂缝主要为
构造缝,其发育主要与岩石脆性、地层压力及成岩作
[25]
用有关。
2.2 微孔隙发育特征参数的选取
使用JMicroVision图像分析功能软件对不同类
型孔隙分布特征进行表征时,选取当量圆直径来表
32]
,狭长型不规则孔隙的当量圆直径可征孔隙大小
[
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。
图1 泥页岩储层孔隙特征描述照片
Fig.1 Characteristicsofporesinshalegasreservoir
—262—
第3期戚明辉,等: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第38卷
表2 泥页岩储层孔隙分类
Table2 Characteristicsofporeclassificationofshalegasreservoir
孔隙类型
无机孔隙原生孔隙
无机孔隙原生孔隙
无机孔隙原生孔隙
无机孔隙次生孔隙
有机质热
有机质孔
成因孔
有机质孔
微裂缝
晶(粒)内孔
(图1-a,b)
晶(粒)间孔
(图1-c,d)
晶间隙
(图1-e)
成因机制
矿物成岩作用过程中保留下来的微孔隙
矿物颗粒沉积或再生长过程中保留下来微
孔隙
矿物(尤其是黏土矿物)成岩转化过程中形
成的间隙
分布特征
常见于黏土矿物颗粒、石英、长石等晶体内,
形状不规则
常见于黏土矿物颗粒及黄铁矿等晶体间
发育于矿物晶体层间或颗粒边缘,多呈片状
分布
常见于黏土矿物、长石等晶体内(间),性状
不规则
晶(粒)内溶孔(图1-f),
不稳定矿物因发生溶蚀作用而形成
晶(粒)间溶孔(图1-g)
出油孔(图1-h),
出气孔(图1-i),
j)气孔群(图1-
出油孔、出气孔偶见于热演化程度较低的
有机质不同演化阶段生烃、排烃过程中,
有机质中,气孔群常见于热演化程度较高的
油气聚积形成
有机质中,呈分散的不规则分布
有机质热演化(失水)过程中收缩形成
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
有机质与矿物结合边缘或内部
呈高角度裂缝切层发育
收缩孔(缝)(图1-k)
l)构造缝(图1-
表示为D=4A/L=4×(a×b)/2×(a+b)=2a×b/
(a+b),其中a、b分别为孔隙长度和宽度;定义面
孔率为扫描电镜图片上的孔隙面积与该图片总面积
EM观察图像中(同一放大的百分比。在不同样品S
倍数:×16000),利用JMicroVision软件分别测量每
张扫描电镜图片上不同孔隙的面积和整个图片上样
品区域的总面积,将两值相比,求出不同孔隙的面孔
率值;选取形状系数来研究不同孔隙的形态分布特
征,形状系数F为:
2
F=4×S/C
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