如何探索頁巖微觀世界的奧秘

近年來，我國石油天然氣對外依存度持續上升，頁巖氣作為一種非常規天然氣，既是天然氣資源的重要補充，又是一種低碳清潔能源，在促進我國社會發展全面綠色轉型及推動能源清潔低碳發展中扮演著關鍵角色。在“碳達峰、碳中和”背景下，頁巖氣已成為近年來我國天然氣增儲上產的新亮點，預計到2025年我國天然氣產量增量的29%來自頁巖氣，對保障國家能源安全具有重要意義。在過去近20年里，我國眾多學者對頁巖儲層特征進行了大量研究，認為頁巖是指由粒徑較小的碎屑顆粒、黏土和有機質等組成，具有低孔、特低滲、致密的物性特征，以發育微-納米孔隙體系為主要特點，因此頁巖內部的微觀孔隙結構不僅影響了頁巖氣的儲集和運移，還決定了頁巖氣的最終資源量。

為了探索頁巖內部的微觀世界，地質學家從定性和定量兩方面對微觀孔隙大小、類型及形態等進行精細刻畫，甚至可以動態模擬孔隙的演化過程。早期地質學家主要借助光學顯微鏡開展頁巖內部微觀孔隙結構特征相關研究工作，包括普通薄片、鑄體薄片和熒光檢測等手段，探究頁巖內部礦物顆粒的種類、大小、分布特征及孔隙填充情況等，總體研究程度較低，基本局限于毫米級至微米級的定性觀察范圍內，無法滿足人類進一步探索微觀世界的迫切需求。隨著科研儀器設備的發展和進步，掃描電鏡開始逐漸成為地質學家探索微觀世界更加可靠的工具，包括場發射掃描電鏡（FESEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）、掃描電鏡礦物分析（QEMSCAN）和聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）等多種儀器被廣泛應用。地質學家仿佛獲得了一雙更加敏銳的眼睛，頁巖內部的孔隙結構觀察精度從微米級提高至納米級，從而觀察到了納米級孔隙的形態和分布特征，實現了對頁巖內部結構的三維立體重建，為研究頁巖內部礦物顆粒的空間分布及相互之間的連通性等提供了有效依據。

在定量研究方面，目前主要通過流體侵入法、核磁共振（NMR）和小角散射等研究手段對頁巖內部的孔隙結構進行定量表征。考慮到研究成本等因素影響，目前流體侵入法使用較為廣泛，包括了二氧化碳吸附法、氮氣吸附法和高壓壓汞法。這三種流體侵入法的測量范圍有所差異，二氧化碳吸附法可檢測的有效孔徑范圍為0.35—2nm，主要用于對孔徑小于2nm的微孔進行定量表征，氮氣吸附法可檢測的有效孔徑范圍為1.6—100nm，主要用于對孔徑范圍在2—50nm的介孔進行定量表征，高壓壓汞法可測量大于3.6nm的孔徑，主要用于對孔徑大于50nm的宏孔進行定量表征，在實際應用中通常將三種方法相結合，對頁巖內部的孔隙進行全孔徑聯合表征，以獲取頁巖的孔隙結構和孔徑分布等信息，總體測試過程相對簡單，獲取數據較為全面。

盡管上述方法已經為地質學家研究頁巖的微觀世界獲取了豐富的資料，但為了進行更加深入的探索，越來越多的學者開始以上述定性和定量方法獲取的實驗數據為基礎，結合巖石學、地球化學、測井等多種數據資料，采用多元統計方法，將上述各項資料相結合，建立三維頁巖儲層評價模型，實現對頁巖的多尺度、高分辨率定性和定量化表征，從而揭示了頁巖微觀世界的奧秘。