1.1   实验样品

页岩样品取自四川盆地威远区块威201井(W201) 和威202井(W202) 下寒武统九老洞组，采样深度分别为2756m和2562m。样品均为黑色泥页岩，矿物组成较为复杂。其中，W201样品中石英、长石含量较高(均为34%)，伊利石、绿泥石等黏土矿物含量为22%。此外，还含有一定量的碳酸盐岩(8%)和黄铁矿(5%)。W202页岩样品中石英和长石含量共计54%，伊利石、绿泥石等黏土矿物含量为24%，其他矿物包括碳酸盐岩(15%)和黄铁矿(2%)。

1.2   样品孔隙特征分析测试条件

氩离子抛光所用设备为LJB-1A离子减薄仪(沈阳华业公司)。具体步骤如下：首先，选取大小适中的页岩样品，使用2000目金刚砂纸将页岩表面初步磨平；然后，将抛光好的页岩薄片放入离子减薄仪中，设定合适的工作参数，用氩离子束轰击预抛光表面，得到品质较高的平面进行扫描电镜观察。制样过程中，氩离子减薄仪的工作电压为5 kV，电流100 μA，抛光时间10~12 h。

微米级孔隙实验观测利用Phenom ProX扫描电镜(复钠科学仪器有限公司)进行，放大倍数为100000倍，分辨率优于17nm；配备的硅漂移X射线探头，可探测5~95号元素的分布。纳米级有机孔的观测使用LE0 1530 VP Zeiss扫描电镜(卡尔·蔡司公司)进行，可实现高达0.8nm的高分辨成像。观测中扫描电镜的加速电压为10 kV，工作距离5~6 mm，能谱仪的工作电压为15 kV。

2.1   无机孔

无机孔主要是指赋存于无机矿物颗粒或微晶之间的孔隙，根据赋存位置划分成粒间孔、黄铁矿晶间孔、黏土矿物层间孔和粒内孔等。

粒间孔(图 1a、b、c、d)主要发育在石英、长石以及黏土碎屑颗粒之间，孔径几百纳米到几微米，形状不规则，多为三角形、多边形和狭缝形等。图 1a是发育在黏土岩屑间的孔隙，孔径可达数微米。成岩过程中，黏土矿物由于其自身的机械不稳定性，在压实过程中容易碎裂形成大量黏土岩屑，彼此堆积形成大量孔隙^[6]。图 1b是发育在脆性矿物岩屑颗粒之间的孔隙，通常是由于长石、石英等岩屑颗粒相互支撑而形成的不规则状孔隙。随着压实作用的加强，脆性矿物与黏土矿物之间由于硬度差异，在彼此接触边缘亦形成孔隙^[14]，如图 1c所示。方解石或白云石等碳酸盐岩，沿解理方向也会形成线性孔隙，如图 1d所示。少量黏土矿物发育在黄铁矿内部，形成蜂窝状粒间孔隙(图 1e)。粒间孔是九老洞组页岩重要的孔隙类型之一，该类孔隙连通性好，是游离态气体的主要赋存场所和渗流通道。

黄铁矿晶间孔在W201和W202九老洞组页岩中较为常见，孔径50~750 nm，形态主要表现为草莓状(图 1f)和他形(图 1g)。草莓状黄铁矿与有机质关系密切，数量相对大；他形黄铁矿通常与黏土矿物共存，分布范围广。单个黄铁矿晶体内部孔隙的连通性较好，但是晶体之间并无连通性。

黏土矿物层间孔主要通过矿物边缘或表面连接富集形成，分布范围广，通常具有较好连通性，是页岩气的重要渗流通道^[15]。根据孔隙形态，分为狭缝型层间孔、无规则层间孔和网状层间孔，孔径几百纳米至几微米。图 1h是发育在板状黏土矿物层间的狭缝型层间孔，该类孔隙基本沿黏土矿物解理方向发育，孔隙狭长且较为平直，可延伸数微米。图 1i和j是发育在片状黏土矿物间的层间孔。形成该类孔隙的黏土矿物自身排列无序，从而导致层间孔分选差，形状不规则。图 1k是网状层间孔，比表面积大，在各个方向上的连通性很好。但是相对于狭缝形层间孔和无规则层间孔，网状层间孔发育较少，推测是因为九老洞组页岩年代较老，受成岩与压实作用影响，网状孔隙难以保存的缘故^[14]。

粒内孔主要是由于页岩在生烃过程中，生成的有机酸或二氧化碳与石英、长石、碳酸盐岩等反应使其溶解形成^[16]。粒内孔多呈椭圆形或近圆形，孔径集中在100~500 nm，少数粒径可达1 μm左右，连通性较差。图 1l是发育在石英矿物颗粒内部的孔隙。能谱图(图 1n)表明图 1m中红色十字标记区域的元素组成主要为O、Si和少量C，推测为生物遗体被矿物充填形成的生物孔^[17]。

此外，九老洞组页岩中存在大量钛化合物形成的孔隙(图 1o、q、s)。能谱图(图 1p)表明图 1o中红色十字标记处的元素组成主要为Ti、O、S和Fe，矿物表面发育着密集的圆形溶蚀孔隙。图 1q和图 1s中矿物孔隙结构相似(图 1r是图 1q黑色矩形框内矿物结构放大图)，能谱图(图 1t)表明图 1s中红色标记处矿物的主要元素组成为Ti、O，推断该矿物为锐钛矿。此前在辽河凹陷沙河街组页岩^[18]、渝东南牛蹄塘组页岩^[19]中曾观测到类似孔隙结构，但是总体上有关锐钛矿晶间孔的报道较少，其发育特征和成藏意义尚需进一步研究。

图 1.  W201和W202页岩无机孔赋存形式及特征：a—黏土碎屑粒间孔；b—脆性矿物粒间孔；c—矿物粒间孔；d—矿物解理孔；e—黏土矿物粒间孔；f—草莓状黄铁矿晶间孔；g—他形黄铁矿晶间孔；h—狭缝型层间孔；i，j—无规则层间孔；k—网状层间孔；l—粒内孔；m，n—生物孔和相应的能谱；o，p，q，s，t—锐钛矿粒内孔和相应的能谱。图r是图q中黑色矩形框内矿物结构放大图。图m、图o、图s中的红色十字标记为元素能谱分析的位置

Figure 1.  Mineral matrix pores developed in W201 and W202 shale: a—interparticle pores between clay fragments; b—pores at the edge of rigid grains; c—interparticle pores between brittle mineral and clay fragment; d—cleavage crack; e—interparticle pores within clay mineral; f—intercrystalline pores within pyrite framboids; g—intercrystalline pores within anhedral pyrite; h—booklet pores between clay platelets; i, j—irregular pores between clay platelets; k—meshwork pores between clay platelets; l—intraparticle pores; m, n—moldic pores after fossils and X-ray energy spectrometric result; o, p, q, s, t—intraparticle pores within anatase and X-ray energy spectrometric result; r—close up photograph of the rectangular portion in (q). Red crosses in (m), (o) and (s) indicate energy dispersive spectrum analysis area

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2.2   有机孔

W201和W202九老洞组页岩有机孔发育相对较少，孔径主要集中在50~200 nm之间，少数有机孔孔径达到微米级。W201页岩有机孔主要发育在有机质内部，普遍呈凹坑状或片麻状。图 2a和图 2b是发育在W201页岩有机质内的微米级有机孔，孔径200~1000 nm，呈近圆形、椭圆形、凹坑状等。图 2c是发育在W201页岩有机质内的纳米级有机孔，孔径20~200 nm，主要呈片麻状。W202九老洞组页岩有机孔主要与有机黏土复合体(图 2g)共生，具有继承性结构，主要呈层状、狭缝状(图 2e、f)。黏土矿物强烈的吸附能力，促使有机质在烃源岩中富集，与黏土矿物以结合态存在, 不仅降低了生烃反应活化能，同时成岩过程中蒙脱石的伊利石化过程为有机质生烃提供了电子(OH^-)和质子(H⁺)来源^[20]。此前，相关学者在页岩气勘探开发有利储层美国巴奈特(Barnett)页岩^[13]、伍德福德(Woodford)页岩^[14]、四川盆地龙马溪组页岩^[17]中均发现类似结构，一定程度上佐证了黏土矿物催化生烃的作用。W202页岩有机质内亦发育着少量有机孔，如图 2h所示，为有机质内部的狭缝状孔隙。总体而言，九老洞组页岩有机孔相对孤立，连通性较差。并且，W201井与W202井九老洞组页岩中还发现大量致密有机质(图 2d)。

九老洞组页岩中有机质普遍以集合体形式出现，主要以游离态吸附于黏土矿物表面(图 2i)或与黏土呈粘附的絮状(图 2j)，与黄铁矿、方解石等共存的有机质也较为常见。图 2k是与黄铁矿呈包裹关系的有机质，发育着少量有机孔。图 2l中有机质与方解石共生，呈结合态。

图 2.  W201和W202页岩中有机孔和有机质的赋存特征：a，b—W201页岩中微米级有机孔，呈凹坑状或近圆形；c—W201页岩中纳米级有机孔，呈片麻状；d—W201页岩中致密有机质；e，f，h—W202页岩中的有机孔，呈层状、狭缝状等；g—图f中红色十字标记区域能谱分析结果；i—有机质吸附于黏土表面；j—有机质与黏土呈粘附态；k—有机质与黄铁矿共生；l—有机质有方解石共生，呈结合态

Figure 2.  OM pores and Organic matter in W201 and W202 shale: a, b—microscale OM pores within W201 shale; c—nanoscale OM pores within W201 shale; d—tight organic matter; e, f, h—OM pores within W202 shale; g—X-ray energy spectrometric result; i—organic matter absorb to clay platelets; j—organic matter combine with clay; k—organic matter surround pyrite; l—organic matter combine with calcite

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2.3   微裂缝

页岩中广泛发育微裂缝(图 3a、b、c、d)，根据其成因，将微裂缝分为成岩收缩裂缝、高压碎裂缝、构造裂缝和人为裂缝等。成岩收缩裂缝(图 3a)多发生在石英或碳酸盐岩矿物颗粒周缘，应是矿物颗粒在成岩过程中经历脱水作用而导致的^[21]。图 3b为高压碎裂缝，应是成岩过程中受局部应力作用，黄铁矿微晶发生破裂。构造裂缝(图 3c、d)最为常见，发育在矿物基质中，较平直，边缘有时呈锯齿状，普遍尺度较大，长度在数十微米至毫米级，宽度在几百纳米至微米级。图 3d中还可观察到抛光导致的人为裂缝。普遍发育的微裂缝为页岩气提供了有效的赋存空间；规模较大的构造裂缝是沟通各类微观孔隙的桥梁，在页岩气开采压裂时与矿物相互作用形成相互连通的网络孔隙，为页岩气运移提供重要的渗流通道^[10]。

图 3.  W201和W202页岩中微裂缝特征：a—成岩收缩裂缝；b—高压碎裂缝；c—构造裂缝；b—抛光导致的人为裂缝

Figure 3.  Micro fractures developed in W201 and W202 shale: a—diagenetic shrinkage fractures; b—fractures caused by local stress concentration; c—tectonic fractures; d—artificial fractures

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