基于扫描电镜和JMicro Vision图像分析软件的泥页岩孔隙结构表征研究

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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

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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

本文标签： 孔隙页岩进行发育类型