页岩有机质孔隙体积的表征方法技术领域
本发明涉及非常规油气勘探开发技术，尤其涉及一种页岩有机质孔隙体积的表征
方法。
背景技术
页岩气是当今热门的非常规油气资源。对页岩进行开发之前，为了正确评价页岩
储层，需要对页岩储层中有机质孔隙体积进行定量分析表征，从而为页岩气赋存状态和流
动研究提供关键的参数，避免勘探开发的经济损失或可采资源的遗失。
但是，目前为止没有具体的描述有机质孔隙体积对于页岩总孔隙体积贡献率的定
量表征方法，只存在着一部分较为定性的认识，而这种定性的认识主要是通过对页岩进行
一系列扫描电镜观察后，根据扫描电镜图片肉眼大致识别的结果，往往结果都是只能说明
有机质孔隙发育的数量较页岩其他孔隙相比数量的多少，但是并不能解决有机质孔隙所贡
献的体积到底占页岩现有孔隙体积的百分比，因此无法正确对页岩气的储藏进行有效评
价。
发明内容
本发明提供一种页岩有机质孔隙体积的表征方法，用来克服现有技术中无法定量
表征页岩有机质孔隙体积的缺陷。
本发明提供一种页岩有机质孔隙体积的表征方法，包括如下步骤：
1)根据第一计算模型获得页岩的第一有机质孔径系数a1；根据第二计算模型获得
页岩的第二有机质孔径系数a2；根据第三计算模型获得页岩的第三有机质孔径系数a3；所述
第一计算模型、第二计算模型以及第三计算模型分别由式1-式3表示：
y1＝a1x1+b1x2+c1x3+…+z1xn+m1 式1
y2＝a2x1+b2x2+c2x3+…+z2xn+m2 式2
y3＝a3x1+b3x2+c3x3+…+z3xn+m3 式3
其中，y1为单位质量页岩中孔径小于2nm的孔隙总体积，cm3/g；y2为单位质量页岩
中孔径为2-50nm的孔隙总体积，cm3/g；y3为单位质量页岩中孔径大于50nm的孔隙总体积，
cm3/g；x1为单位质量页岩中有机质体积，cm3/g；x2、x3、…以及xn分别为单位质量页岩中第一
非有机质体积、第二非有机质体积、…以及第(n-1)非有机质体积，cm3/g；b1、c1、…以及z1分
别为页岩中孔径小于2nm的第一非有机质孔径系数、第二非有机质孔径系数、…以及第(n-
1)非有机质孔径系数；b2、c2、…以及z2分别为页岩中孔径为2-50nm的第一非有机质孔径系
数、第二非有机质孔径系数、…以及第(n-1)非有机质孔径系数；b3、c3、…以及z3分别为页岩
中孔径大于50nm的第一非有机质孔径系数、第二非有机质孔径系数、…以及第(n-1)非有机
质孔径系数；m1、m2以及m3分别为第一常数、第二常数以及第三常数；
2)采用第一有机质孔隙体积率ω1、第二有机质孔隙体积率ω2以及第三有机质孔
隙体积率ω3对所述页岩有机质孔隙体积进行表征，其中，根据式4-式6得到所述ω1、ω2、
ω3，
其中，为单位质量页岩中有机质的平均体积，cm3/g；为单位质量页岩中孔径
小于2nm的孔隙平均总体积，cm3/g；为单位质量页岩中孔径为2-50nm的孔隙平均总体积，
cm3/g；为单位质量页岩中孔径大于50nm的孔隙平均总体积，cm3/g。
具体的，本发明将页岩中的有机质孔隙以孔径的大小分为三个区间，分别根据这
三个区间的有机质孔隙体积相应占各自区间的孔隙总体积的体积比来表征页岩的有机质
孔隙体积分数，也就是说，第一有机质孔隙体积率ω1为页岩中孔径小于2nm的有机质孔隙
体积在页岩中孔径小于2nm的孔隙的平均总体积中的体积分数，第二有机质孔隙
体积率ω2为页岩中孔径为2-50nm的有机质孔隙体积在页岩中孔径为2-50nm的孔隙
的平均总体积中的体积分数，第三有机质孔隙体积率ω3为页岩中孔径大于50nm的有机
质孔隙体积在页岩中孔径大于50nm的孔隙的平均总体积中的体积分数。本发明
通过将页岩孔径大小进行分类，并且具体将体积分数以各自的孔径区间进行表述，从而能
够更加科学有效的对页岩中有机质孔隙进行评价，为页岩气的开采提供了有力的理论基
础。
以第一计算模型为例，y1为页岩中孔径小于2nm的孔隙的总体积，该总体积y1中既
包括了有机质孔隙体积又包括了非有机质孔隙体积，此处应该清楚的是，所谓有机质孔隙
是指生长在有机质上的孔隙，所谓非有机质孔隙是指生长在非有机质(例如方解石、粘土矿
物等)上的孔隙，因此，有机质体积与有机质的孔径系数的乘积就表示了在当前有机质体积
中所包含的孔径在某一区间的有机质孔隙的体积，非有机质体积与非有机质的孔径系数的
乘积就表示了在当前非有机质体积中所包含的孔径在某一区间的非有机质孔隙的体积，因
此根据上述原理，发明人创建了本发明中的第一计算模型，通过第一计算模型建立了孔径
小于2nm的孔隙体积与有机质孔隙体积、非有机质孔隙体积之间的关系。同理，还建立了第
二计算模型与第三计算模型。
根据第一计算模型(式1)、第二计算模型(式2)和第三计算模型(式3)得到a1、a2以
及a3后，就能够通过式4-式6得到第一有机质孔隙体积率ω1、第二有机质孔隙体积率ω2以
及第三有机质孔隙体积率ω3，从而分别根据ω1、ω2以ω3对孔径小于2nm的有机质孔隙、孔
径为2-50nm的有机质孔隙以及孔径大于50nm的有机质孔隙通过体积分数进行表征。
进一步地，可以采用回归分析法对第一有机质孔径系数a1、第二有机质孔径系数a2
以及第三有机质孔径系数a3进行计算。
以计算第一有机质孔径系数a1为例，在计算前，需要对页岩进行测试分析，具体地
可以通过对同一页岩的不同页岩层进行y1、x1、x2、x3、…以及xn的参数测量，例如经过参数分
析获知测试页岩中除了有机质外还含有4个非有机质种类，则第一计算模型能够具体化为
下式7：
y1＝a1x1+b1x2+c1x3+d1x4+e1x5+m1 式7
由于式7中的y1、x1、x2、x3、x4以及x5能够经过相应测试方法测量得到，因此式7中包
含了a1、b1、c1、d1、e1以及m1共6个未知系数，因此至少需要通过6组y1、x1、x2、x3、x4以及x5的测
量值通过回过分析法计算得到a1、b1、c1、d1、e1以及m1共6个未知系数，从而得到a1、b1、c1、d1、
e1以及m1已知的第一计算模型式7。即，当页岩中的非有机质种类的个数为n-1个时，则至少
需要对同一地层页岩的至少(n+1)个深度进行页岩取样，得到至少(n+1)个页岩测试样并对
每个页岩样进行各个实验分析，从而获取(n+1)组y1、x1、x2、x3、…以及xn的测量值。
同理，采用上述回归分析法，将y2、x1、x2、x3、…以及xn代入所述第二计算模型得到
所述a2，将所述y3、x1、x2、x3、…以及xn代入所述第三计算模型得到所述a3。此处需要注意的
是，在进行该步骤的计算时，虽然每个页岩样都是来自同一个地层的不同深度，但是同一页
岩层的页岩具有相似的性质，例如：矿物种类、沉积时的环境以及后期所经历的构造变动，
因此在进行a1、a2以及a3的计算时，同一页岩层中的x1、x2、x3、…以及xn的测量值能够通用于
第一计算模型、第二计算模型以及第三计算模型中，只需要测量不同页岩层中的y1、y2以及
y3即可，简便了计算流程。
本发明并不限制a1、a2以及a3的具体计算方法，除了采用回归分析法外，还可以采
用其他可用的方法，当使用回归分析方法时，可以具体通过EXCEL进行数据处理。
由于回归分析法是采用大量数据进行的数理统计方法，是一种预测的定量方法，
因此在采用回归分析法计算得到a1、b1、c1、…z1以及m1已知的第一计算模型、a2、b2、c2、…z2
以及m2已知的第二计算模型、a3、b3、c3、…z3以及m3已知的第三计算模型后，为了进一步的提
高本发明的表征准确度，还可以对上述系数已知的第一计算模型、第二计算模型、第三计算
模型进行精度评估，当精度满足第一阈值时，则确定上述得到的系数符合要求，如果精度不
满足第一阈值时，则需要通过增加所述回归分析法中的数据量，重新计算上述系数，具体地
以式7为例，可以测试6组以上的y1、x1、x2、x3、x4以及x5，扩大回归分析样品数量，从而提高精
准性直至满足第一阈值。
具体地，可以通过第一计算模型的第一相关性系数和第一显著性水平、第二计算
模型的的第二相关性系数和第二显著性水平以及第三计算模型的第三相关性系数和第三
显著性水平来评价每个计算模型的精度。在大多数的分析软件或者应用中，例如EXCEL，能
够直接对系数已知的第一计算模型、第二计算模型和第三计算模型进行相关性强弱分析、
显著性水平分析，并通过相关性系数R和显著性水平P值对分析结果进行表征，从而可以通
过相关性系数R和显著性水平P值对第一计算模型、第二计算模型和第三计算模型进行精度
评估。一般的，可以设定关性系数R的第一阈值为大于等于0.8，显著性水平P值的第一阈值
为小于等于0.01，当第一计算模型的第一相关性系数和第一显著性水平、第二计算模型第
二相关性系数和第二显著性水平和第三计算模型的的第三相关性系数和第三显著性水平
同时满足上述值时，则可以推断利用回归分析法计算得到的a1、a2以及a3(a1、b1、c1、…z1以
及m1已知的第一计算模型、a2、b2、c2、…z2以及m2已知的第二计算模型、a3、b3、c3、…z3以及m3
已知的第三计算模型)符合精度要求，能够作为评价页岩有机质孔隙的合理数据进行使用。
进一步地，在具体对测试页岩进行测试分析时，可以采用有机碳含量测试法对第
一页岩样进行分析，获得所述x1；采用X射线衍射法对第二页岩样进行分析，获得所述x2、
x3、…以及xn。
有机碳含量测试法简称TOC，将第一页岩样利用碳硫测定仪在高温氧气中燃烧，将
其中的有机碳转化成二氧化碳，最后经过红外检测法检测出其中的单位质量的页岩的有机
质质量。得到单位质量页岩中有机质质量后，可以通过该单位质量页岩中有机质质量与有
机质的密度之比得到单位质量页岩中有机质体积x1。在进行TOC测试之前，需要对测试页岩
进行处理使其成为适合TOC检测条件的第一页岩样，具体处理包括研磨、加热酸溶、过滤洗
涤、烘干等。
X射线衍射法简称XRD，具体可以利用X射线衍射仪对第二页岩样进行分析检测，得
到单位质量页岩中非有机质的具体类型以及各种非有机质的具体质量。得到单位质量页岩
中各种非有机质的质量后，可以通过该非有机质的质量与该非有机质的密度之比得到单位
质量中每一种非有机质的体积(x2、x3、…以及xn)。在进行XRD测试之前，需要对测试页岩进
行处理使其成为适合XRD检测条件的第二页岩样，具体处理包括研磨等操作。在进行XRD检
测时，由于能够获得该页岩中具体的非有机质的种类个数(例如方解石、粘土矿物等)，因此
可以根据该个数确定需要在页岩中的至少几层页岩层测量具体几组数据。
同样的，采用二氧化碳吸附法并结合DFT模型对第三页岩样进行分析，得到所述
y1；采用氮气吸附法并结合BJH模型对第四页岩样进行分析，得到所述y2；采用高压压汞法并
结合washburn方程对第五页岩样进行分析，得到所述y3。
采用二氧化碳吸附法对第三页岩样进行二氧化碳吸附实验，二氧化碳吸附实验能
够反映在压力的增加下，页岩吸附二氧化碳量的具体变化。同时，结合DFT模型对二氧化碳
吸附实验数据进行处理，能够通过二氧化碳吸附法获取单位质量页岩中孔径小于2nm的孔
隙(微孔)体积y1。
具体地，DFT模型基于密度泛函理论，用电子密度取代波函数作为研究的基本量，
电子就是电子云的密度分布。通过DFT或MC模拟得到一组N(P/P0，W)等温线，再结合二氧化
碳吸附实验中获取的压力-二氧化碳吸附量数据，通过快速非负数最小二乘法解方程就能
推导出单位质量页岩中孔径小于2nm的孔隙体积曲线图。其中，孔径小于2nm即为二氧化碳
吸附法所能够测量的页岩的有效的孔径范围。
在进行二氧化碳吸附测试之前，需要对测试页岩进行处理使其成为适合二氧化碳
吸附检测条件的第三页岩样，具体处理包括研磨、脱气等操作。
采用氮气吸附法对第四页岩样进行氮气吸附实验，氮气吸附实验能够反映在压力
的增加下，页岩吸附氮气量的具体变化。同时，结合BJH模型对氮气吸附实验数据进行处理，
能够通过氮气吸附法获取单位质量页岩中孔径为2-50nm的孔隙(介孔)体积y2。
具体地，BJH模型是基于毛细凝聚现象和体积等效代换的原理，在不同的相对压力
(P/P0)下，存在临界孔半径Rk，半径小于Rk的孔发生凝聚现象，氮气充填其中，半径大于Rk的
孔，凝聚液气化并脱附出来，临界半径Rk由凯尔文方程，即式8给出。因此，能够将在氮气吸
附实验中获取的压力-液压吸附量数据中的压力值带入方程中，获取和压力对应的孔隙半
径值，从而获取了孔隙半径-液压吸附量数值，即氮气吸附法对应的页岩中孔径为2-50nm的
孔隙体积曲线图。其中，孔径为2-50nm即为氮气吸附法所能够测量的页岩的有效的孔径范
围。
其中，P为瞬时压力，P0为正常大气压。
在进行氮气吸附测试之前，需要对测试页岩进行处理使其成为适合氮气吸附检测
条件的第四页岩样，具体处理包括研磨、脱水、脱气等操作。
采用高压压汞仪对第五页岩样进行高压压汞实验，高压压汞实验能够反映在压力
的增加下，页岩吸附汞量的具体变化以及在压力递减的情况下，页岩脱吸附汞量的具体变
化。同时，结合washburn方程对高压压汞实验数据进行处理，能够通过高压压汞法获取单位
质量页岩中孔径大于50nm的孔隙(宏孔)体积y3。
具体的，washburn方程为下述式9，是关于压力-半径的方程，因此，能够将在高压
压汞实验中获取的压力-进汞量(脱汞量)数据中的压力值带入方程中，获取和压力对应的
孔隙半径值，从而获取了孔隙半径-进汞量数值，即高压压汞法对应的页岩中孔径大于50nm
的孔隙体积曲线图。其中，孔径大于50nm即为高压压汞法所能够测量的页岩的有效的孔径
范围。
其中，P为压力，MPa；r为孔隙半径，μm；θ为润湿角；γ为液体表面张力。
在进行高压压汞测试之前，需要对测试页岩进行处理使其成为适合高压压汞检测
条件的第五页岩样，具体处理包括打磨、干燥等操作。
本发明的实施，能够通过一种合理的计算方法较为准确的计算出页岩中不同孔径
的有机质孔隙贡献的体积百分比，该体积百分比作为一个重要的基础数据可以全方面的用
于页岩有机质孔隙的研究，推进了关于页岩微纳米孔隙中有机质的认识，对研究相关有机
质孔隙发育特征、有机质孔隙与页岩物性关系提供了强有力的数据支持，也推进了对页岩
赋存状态和赋存能力的研究。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本
发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实
施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造
性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例针对中国南方某地区某地层的页岩进行页岩有机质孔隙体积的表征，包
括如下步骤：
(1)样品制备以及预处理
第一页岩样：取10g页岩，将其磨碎至粒径小于0.2mm，按照页岩与盐酸水溶液质量
体积为1：100的比例加入盐酸水溶液(浓度介于6％～8％)，静置24h后过滤，再次向滤饼页
岩中加入60mL盐酸水溶液并放置在水浴锅中加热，温度控制在60℃～80℃，加热2h以上，至
无气泡产生。过滤，用蒸馏水洗至中性后烘干，得到第一页岩样；
第二页岩样：取3g页岩，将其研磨成200目的粒状页岩，得到第二页岩样；
第三页岩样：取10g页岩，将其研磨成60目的粒状页岩，在110℃条件下抽真空脱气
处理20h，得到第三页岩样；
第四页岩样：取0.6g页岩，将其研磨成100目的粒状页岩，在110℃下分别进行5h脱
水处理与24h抽真空脱气处理，得到第四页岩样；
第五页岩样：利用取芯钻头和岩心切割装置将页岩制成直径8mm，长1cm的圆柱体，
在80℃真空干燥24h，得到第五页岩样。
(2)样品测试以及数据处理：
针对所述预处理后的样品，开展五个独立的实验，分别是TOC、XRD、高压压汞、低压
氮气吸附和低压二氧化碳吸附实验，实验顺序不限。优选首先进行XRD实验，从而根据页岩
中含有的非有机质的种类个数决定进行每个实验的次数。
XRD实验：利用Panalytical X’Pert PRO X射线衍射仪，设置条件为电压40Kv、电
流40mA、X射线靶为Cu靶、测量角度范围为5°～70°，对第二页岩样进行测试，得到该页岩中
非有机质分别为石英、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿、黏土矿物共6种，即第一计算模型、
第二计算模型和第三计算模型能够具体化为式10-式12：
y1＝a1x1+b1x2+c1x3+d1x4+e1x5+f1x6+g1x7+m1 式10
y2＝a2x1+b2x2+c2x3+d2x4+e2x5+f2x6+g2x7+m2 式11
y3＝a3x1+b3x2+c3x3+d3x4+e3x5+f3x6+g3x7+m3 式12
在式10-式12中，x2表示单位质量页岩中石英的体积，x3表示单位质量页岩中斜长
石的体积，x4表示单位质量页岩中方解石的体积，x5表示单位质量页岩中白云石的体积，x6
表示单位质量页岩中黄铁矿的体积，x7表示单位质量页岩中黏土矿物的体积。
通过一次XRD实验能够获取一组(x2-x7)的数据。本实施例对该地层中的共11个不
同深度的页岩分别进行取样并处理得到11个第二页岩样，从而对每个第二页岩样进行1次
XRD实验，获得单位质量页岩中每种非有机质的质量，见表1。表1为单位质量页岩中含有的
有机质以及非有机质的质量的数据表。
将获得的每个非有机质质量除以各自的密度，获得该地层同一页岩的共11组(x2-
x7)的数据，见表2，表2为单位质量页岩中含有的有机质以及非有机质的体积的数据表。其
中，石英的密度为2.65g/cm3、斜长石的密度为2.625g/cm3、方解石的密度为2.7g/cm3、白云
石的密度为2.85g/cm3、黄铁矿的密度为4.9g/cm3、黏土矿物的密度为1.85g/cm3。
TOC实验：对上述11个不同深度的页岩分别进行处理得到11个第一页岩样。利用碳
硫测定仪对每个第一页岩样进行1次TOC实验，获得单位质量页岩中有机质的质量，见表1。
将获得的有机质的质量除以有机质的密度，获得该地层同一页岩的共11组x1的数
据，见表2。其中，有机质的密度为1.5g/cm3。
二氧化碳吸附实验：对上述11个不同深度的页岩分别进行处理得到11个第三页岩
样。对每个第三页岩样采用全自动物理吸附仪开展1次二氧化碳吸附实验，在恒温0℃条件
下从相对压力0到相对压力达到0.032，其间读取40个压力点的二氧化碳吸附量，结合DFT模
型获得该地层同一页岩的共11组y1的数据，见表3。表3为单位质量页岩中各种类型孔隙总
体积的数据表。
氮气吸附实验：对上述11个不同深度的页岩分别进行处理得到11个第四页岩样。
对每个第四页岩样采用全自动比表面仪开展1次氮气吸附实验，在77.35K条件下从相对压
力0开始加压到一个大气压，其间读取110个压力点的氮气吸附量，结合BJH模型获得该地层
同一页岩的共11组y2的数据，见表3。
高压压汞实验：对上述11个不同深度的页岩分别进行处理得到11个第五页岩样。
对每个第五页岩样采用全自动压汞仪开展1次高压压汞实验，在常温条件下从0.01MPa开始
加压到413MPa，其间读取180个压力点的进汞量和脱汞量，结合washburn方程获得该地层同
一页岩的共11组y3的数据，见表3。
表1
表2
表3
根据回归分析法，采用EXCEL分析，通过上述数据求出第一计算模型、第二计算模
型以及第三计算模型，见下式13-15：
y1＝0.00128x1+0.00044x2-0.00098x3+1.9*10-5x4+0.00057x5+0.0028x6-0.0002x7 式13
y2＝0.019x1+0.0001x2+0.0007x3+0.0002xn+0.0005xn-0.00191xn+0.0001xn 式14
y3＝1.92x1+0.135x2-0.035x3+0.1x4+0.07x5-0.038x6+0.197x7 式15
(3)精度检测及评估
为了提高本发明对页岩有机质孔隙体积的表征精度，本实施例将第一阈值中的相
关性系数R设定为大于等于0.8，显著性水平P值小于等于0.01。
使用EXCEL的相关性以及显著性水平分析对上述第一计算模型、第二计算模型以
及第三计算模型进行精度检测，其中：
第一计算模型中：第一相关性系数R＝0.98，第一显著性水平P＝＝0.008425，
第二计算模型中：第二相关性系数R＝0.99，第二显著性水平P＝0.006723，
第二计算模型中：第三相关性系数R＝0.99，第三显著性水平P＝0.002578，
此处可知，上述第一计算模型、第二计算模型以及第三计算模型均满足第一阈值，
由此可以判断上述第一计算模型、第二计算模型以及第三计算模型能够对试验页岩进行相
关性较高的表征。
此处值得注意的是，如果上述任一个计算模型不满足第一阈值，应该在样品测试
中增加样品进行测试，以获取大于11组的试验数据，从而根据回归分析法重新计算，直至得
到满足第一阈值的第一计算模型、第二计算模型以及第三计算模型。
(4)有机质孔隙体积的表征
i：孔径小于2nm的有机质孔隙(微孔)的表征：
其中，a1＝0.00128(根据上述求出的第一计算模型获得)，(即11组x1的算
术平均值)，(即11组y1的算术平均值)；
ii：孔径为2-50nm的有机质孔隙(介孔)的表征：
其中，a2＝0.019(根据上述求出的第二计算模型获得)，(即11组x1的算术
平均值)，(即11组y2的算术平均值)；
iii：孔径大于50nm的有机质孔隙(宏孔)的表征：
其中，a3＝1.92(根据上述求出的第三计算模型获得)，(即11组x1的算术
平均值)，(即11组y3的算术平均值)。
因此，根据本发明的表征方法，最终对页岩进行表征的结论为：
该地层中在微孔尺度和介孔尺度下有机质发育较多分别占到了体积的40％和
69.8％，宏孔尺度的有机质孔隙占比为32.4％，这与在扫描电镜下观察到的情况大致一致，
即有机质宏孔发育较少。因此，本发明通过第一有机质孔隙体积率ω1、第二有机质孔隙体
积率ω2以及第三有机质孔隙体积率ω3的数据充分的证实了该地区地层中有机质孔发育主
要以微孔和介孔为主，宏孔尺度下有机质孔的减少对于页岩储气能力和后期开采都有不利
影响，会导致地层含气性低，油气运移通道过小。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。