天然气地球科学 >

2020 , Vol. 31 >Issue 8: 1069 - 1081

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2020.02.003

非常规天然气

柴达木盆地东缘上石炭统泥页岩孔隙结构及分形特征

  • 刘世明 , 1, 2, 3 ,
  • 唐书恒 , 1 ,
  • 霍婷 2 ,
  • 谭富荣 2 ,
  • 刘达成 2 ,
  • 王金喜 3
展开
  • 1. 中国地质大学（北京） 能源学院，北京 100083
  • 2. 中国煤炭地质总局，北京 100038
  • 3. 河北省资源勘测研究重点实验室，河北 邯郸 056038
唐书恒(1965-)，男，河北正定人，教授，博士生导师，主要从事非常规天然气研究. E-mail: .

刘世明(1984-)，男，陕西靖边人，高级工程师，博士，主要从事非常规油气储层评价. E-mail: .

收稿日期: 2019-12-28

  修回日期: 2020-02-23

  网络出版日期: 2020-07-29

收起

Pore structure and fractal characteristics of the Upper Carboniferous shale, eastern Qaidam Basin

  • Shi-ming LIU , 1, 2, 3 ,
  • Shu-heng TANG , 1 ,
  • Ting HUO 2 ,
  • Fu-rong TAN 2 ,
  • Da-cheng LIU 2 ,
  • Jin-xi WANG 3
Expand
  • 1. School of Energy Resource, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
  • 2. China National Administration of Coal Geology, Beijing 100038, China
  • 3. Key Laboratory of Resource exploration Research of Hebei Province, Handan 056038, China

Received date: 2019-12-28

  Revised date: 2020-02-23

  Online published: 2020-07-29

Supported by

The Fundamental Research Funds for the Central Universities(2652018234)

The National Natural Science Fundamental of China(41702144)

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本文亮点

我国海陆过渡相烃源岩分布范围广，具有成熟度适中及厚度大等特点，页岩气勘探前景良好。前人研究主要聚焦于页岩气成藏条件、模式及生烃潜力，而对储层孔隙结构影响因素及复杂程度的定量表征研究较少。为了探讨海陆过渡相泥页岩的孔隙结构和分形特征，以柴达木盆地东部上石炭统泥页岩为研究对象，对研究区15件泥页岩样品采用低温液氮吸附及扫描电镜进行孔隙结构、分形特征研究，并在此基础上探讨了泥页岩有机地球化学、矿物组成、孔隙结构参数与分形维数的关系，进而揭示泥页岩孔隙结构发育影响因素。结果表明：①泥页岩孔隙形态主要有2类,第一类为楔形—狭缝型和细颈瓶—墨水瓶状型,第二类为四周开放的平行板状孔,孔隙类型以粒间孔缝、溶蚀孔和有机质孔最为发育。②应用FHH分析模型计算出了泥页岩孔隙分形维数，以P/P 0=0.45为界，泥页岩存在2种不同吸附解吸机制，用D 1和D 2分别表示P/P 0<0.45和P/P 0>0.45范围内的孔隙分形维数。泥页岩孔隙具有明显的分形特征，D 1分形维数与黏土矿物和TOC含量呈负相关关系；D 2分形维数与黏土矿物和TOC含量呈正相关性。表明影响分形维数的主要因素为黏土矿物和有机质含量。D 1和D 2与孔隙结构参数的相关性都较好，但D 1趋势线比D 2拟合性更好，说明小孔对孔隙结构参数影响更为重要。③分形维数D 1和D 2之差△D=0.393，表明其结构复杂程度相差很大，双重分形特征明显。但分形维数D 2越大，孔隙结构趋于复杂，孔隙表面积更加粗糙，不利于气体的渗流。

本文引用格式

刘世明 , 唐书恒 , 霍婷 , 谭富荣 , 刘达成 , 王金喜 . 柴达木盆地东缘上石炭统泥页岩孔隙结构及分形特征[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(8) : 1069 -1081 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.02.003

Highlights

Source rocks of marine and continental transitional facies in China have a wide range of distribution, moderate maturity and large thickness, and good prospects for shale gas exploration. Previous studies mainly focused on shale gas accumulation conditions, patterns and hydrocarbon generation potential, however, few studies are focused on quantitative characterization of factors affecting shale pore structure and complexity. In order to inquire the pore structure and fractal characteristics of marine-continental transitional shale, we collected 15 shale samples from the Upper Carboniferous of eastern Qaidam Basin and performed low-temperature nitrogen adsorption and scanning electron microscopy analyses. The relationship between organic geochemical parameter, mineral composition, pore structure and fractal dimension of shales are discussed. These results indicate: ①There are two types of pore morphology. The first type is mainly wedge-slit type and thin-neck-ink bottle type. The second type is reflected in the open parallel plate pores. The pore types of shale reservoirs are mainly intergranular pores, dissolution pores and organic matter pores. ②FHH analysis model was used to calculate the fractal dimension of the pores of mud shale. With P/P 0=0.45 as the boundary, there are two different adsorption and desorption mechanisms in mud shale. D 1 and D 2 were used to represent the fractal dimension of the pores within the range of P/P 0<0.45 and P/P 0>0.45, respectively. The pores of shale samples have obvious fractal characteristics, and the content of clay minerals and TOC is negatively correlated with the fractal dimension of D 1, while the fractal dimension of D 2 is positively correlated with the content of clay minerals and TOC. The results showed that the main factors affecting the fractal dimension were the content of clay minerals and organic matter. D 1 and D 2 have a good correlation with pore structure parameters, but D 1 trend line has a better fit than D 2, indicating that small pores have a greater impact on pore structure parameters. ③Fractal dimension D 1 and D 2 difference △D=0.393, indicating that the complexity of the structure varies greatly, and the dual fractal characteristics are obvious. However, the larger the fractal dimension D 2 is, the more complex the pore structure tends to be and the rougher the pore surface area is, which is generally not conducive to the gas seepage.

0 引言

受北美页岩油气革命的启发，我国在扬子地区海相页岩气勘探开发取得了重大突破[1-3]；2013年以来，陆相及海陆过渡相页岩气勘探也取得了重要进展[4]。目前，国内海陆过渡相页岩气主要围绕华北石炭系—二叠系、扬子地区二叠系、鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系、柴达木盆地石炭系等开展研究[5-6]。海陆过渡相泥页岩分布范围广、厚度大，有机质丰度较高、成熟度适中，常与煤层、灰岩互层，纵向上具有较好的保存条件，具备较好的页岩气勘探潜力。
页岩的孔隙结构对页岩气的储集和开采有着直接的影响。近些年，随着孔隙测量技术的不断革新，对页岩储层孔隙观测由毫米级过渡到微米和纳米级。页岩孔隙具有复杂性和非均质性，因此难以定量评价页岩孔隙发育程度、连通性。分形理论的出现和快速发展，对定量分析页岩孔隙结构提供了理论支持[7-8]。基于低温氮吸附实验，页岩分形维数计算模型主要有FHH、BET和热力学模型[9-10]；实践证明FHH模型在页岩储层中应用广泛且拟合性最好。分形维数通常介于2~3之间，孔隙表面粗糙程度随着数值的增加而增大[8]。谢卫东等 [11]利用单因素拟合分析和SPSS多因素综合分析对山西河东煤田中—南部海陆过渡相煤系页岩储层微观特征进行分析，发现页岩孔体积和比表面积与TOC、R O和黏土矿物含量呈正相关关系。鄂尔多斯盆地和沁水盆地海陆过渡相泥页岩由于沉积环境的差异，泥页岩TOC、有机质类型、黏土矿物组成及含量存在显著差异。导致影响孔隙发育的因素不同，例如延安地区伊/蒙混层和伊利石含量是影响孔隙发育的关键因素；沁水盆地南部泥页岩孔渗主要受高岭石含量控制[12]。因此，影响海陆过渡相页岩储层孔隙发育的因素需要有针对性研究。
2014年，中国地质调查局在柴东缘石灰沟地区实施了柴页2井，发现石炭系海陆过渡相克鲁克组富有机质泥页岩含气性较好，并于2018年进行了压裂试产，最终计算8 mm油嘴放喷时无阻流量为1 180 m3/d。柴页2井的突破无疑表明研究区石炭系具备较好的页岩气勘探前景，然而针对研究区页岩储层的研究很少，尤其对储层孔隙结构影响因素及复杂程度的定量表征研究更少，进而制约了研究区页岩气综合评价。本文研究依托有机地球化学及低温氮吸附实验资料，结合能谱扫描电镜观察和矿物组分分析，系统研究了柴东缘上石炭统（图1）海陆过渡相页岩的孔隙结构、分形特征及其影响因素，为研究区上石炭统页岩储层评价提供依据，为研究区页岩气评价提供指导。
图1 柴东缘德令哈坳陷构造位置及上石炭统沉积相特征

Fig.1 Tectonic location and Upper Carboniferous sedimentary facies of Delingha Depression in the eastern margin of Qaidam

1 样品与实验

柴达木盆地为一大型的多期构造相互叠置的复合型沉积能源盆地，经历了加里东、海西、印支、燕山、喜马拉雅等多期构造叠加改造[13]。在华力西期旋回阶段，石炭纪接受了超覆型的边缘陆架沉积，形成了暗色泥岩、煤和碳酸盐岩3类富有机质沉积岩，泥岩发育层位多、分布稳定、厚度大[14]。研究区下石炭统自下而上由穿山沟组（C1 ch）、城墙沟组（C1 c）和怀头他拉组（C1 h）组成；上石炭统由克鲁克组（C2 k）和扎布萨尕秀组（C2 zh）组成（图1）。本文研究对象为克鲁克组（C2 k）和扎布萨尕秀组（C2 zh），为海陆交互相沉积，期间发生了多次海侵海退活动（图1，图2）。15块泥页岩样品采于柴东缘石灰沟地区探槽剖面，其中克鲁克组10块，扎布萨尕秀组5块。
图2 柴东缘德令哈坳陷石炭系地层综合柱状图

Fig.2 Composite histogram of Carboniferous strata of Delingha Depression in the eastern margin of Qaidam

样品室内测试由四川省科源工程技术测试中心完成。利用EA2000型碳硫仪、OG-2000V岩石热解分析仪，分别获得了TOC，S 1、S 2及T max 数据；利用 Panalytical X’Pert PRO MPD 型X⁃衍射仪对15件样品进行矿物含量分析，获得了全岩及黏土矿物含量；分析测试了干酪根碳同位素、显微组分和镜质体反射率；利用TESCAN-VEGA\\LMU型能谱扫描电子显微镜(分辨率为3 nm)观察微孔隙特征；依据GB/T19587—2004规范要求，开展低温氮气吸附实验测试，利用全自动比表面与孔隙结构分析仪ASAP 2020对9件样品进行物性分析，孔径测量范围为1.7~300 nm。孔隙体积和孔径分布利用BJH模型计算，比表面积应用BET模型计算。根据ROUQUEROL等[15]建议的孔隙分类方法，将页岩孔隙划分为微孔（<2 nm）、介孔（2~50 nm）和宏孔（>50 nm）。

2 泥页岩有机地球化学特征及矿物组成

泥页岩样品有机质丰度（TOC）含量为0.36%~3.75%，均值为1.83%，其中5个样品TOC含量大于2.0%；热演化程度R O值介于0.79%~0.95%之间，平均为0.87%，整体处于热降解生油气阶段。根据TI指数及干酪根碳同位素判断有机质类型，有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主（表1）。镜质体含量均值为29%，样品在扫描电镜下也观察到大量的有机质碎屑与黏土矿物共存，推测来源于高等植物组织[图3(k),图3(l)]。
表1 泥页岩地球化学及矿物组成参数

Table 1 Geochemical and mineral composition parameters of shales

样品编号 时代 TOC/% R O/% 壳质组/% 镜质组/% 惰质组/% TI δ13C/‰(PDB) 有机质类型
YS-01 C2 k 0.36 0.79 75 20 5 17.5 Ⅱ2
YS-02 1.00 0.91 75 17 8 16.8 -23.73 Ⅱ2、Ⅲ
YS-03 1.55 0.85 66 24 10 5.0 -23.84 Ⅱ2、Ⅲ
YS-04 1.29 0.88 66 25 9 5.3 Ⅱ2
YS-05 0.71 0.95 -23.71 Ⅲ
YS-06 3.71 0.93
YS-07 1.98 0.91
YS-08 2.89 0.93 -24.03 Ⅲ
YS-09 0.95 0.90 75 18 7 17.0 -23.74 Ⅱ2、Ⅲ
YS-10 1.57 0.87 60 31 9 -2.3 Ⅲ
YS-11 C2 zh 2.47 0.86 59 28 13 -4.5 -23.58 Ⅲ
YS-12 3.02 0.82 53 36 11 -11.5 Ⅲ
YS-13 1.45 0.84 48 42 10 -17.5 Ⅲ
YS-14 3.75 0.83 36 51 13 -33.3 -23.73 Ⅲ
YS-15 0.79 0.80 66 27 7 5.8 Ⅱ2

注：TI为类型指数，TI=100×腐泥组%+50×壳质组%+(-75)×镜质组%+(-100) ×惰质组%；TI>80，TI=80~40，TI=40~0和TI<0分别指示Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根。-35‰<δ13C<-30‰指示Ⅰ型干酪根，-30‰<δ13C<-27.5‰指示Ⅱ型干酪根，-27.5‰<δ13C<-25‰指示Ⅱ—Ⅲ型干酪根，-25‰<δ13C指示Ⅲ型干酪根

图3 泥页岩孔隙形态与特征

(a) 黏土矿物粒间孔缝、层间缝,×1 000,YS2；(b)黏土矿物溶蚀孔,×1 400,YS5； (c)微裂缝,×900,YS3； (d)铸模孔及溶蚀孔发育；局部区域方解石含量高，能谱确认,×800,YS1； (e) 高岭石杂乱排列；粒间孔缝；能谱确认,×6 000,YS5；(f) 石英颗粒被黏土矿物紧密包裹；粒间孔缝；黏土矿物层间缝；能谱确认,×600,YS8；(g)为（d）中黄色框处能谱图；(h) 为（e）中黄色框处能谱图；(i) 为（f）中黄色框处能谱图； (j) 有机质粒缘缝,×2 000,YS12； (k) 黏土矿物充填疑似植物细胞腔的弧状有机质,×600,YS9； (l) 植物碎片与有机质平行排列，有机质内溶蚀孔,×500,YS14

Fig.3 pores characteristics and morphology of the shale samples

泥页岩矿物组成以石英和黏土矿物为主，石英平均含量为32%，黏土矿物平均含量为60%；除YS-01样品方解石含量达到61%，黏土矿物含量仅为28%，有机质丰度为0.36%。其余样品都以石英和黏土矿物含量为主（表2）。黏土矿物以伊利石、高岭石和伊/蒙混层为主，平均含量分别为28%、38%和30%。研究区泥页岩与四川盆地东部华蓥山海陆过渡相龙潭组页岩储层矿物组成相似，黏土矿物平均含量都达到了60%及以上[5]，然而，受沉积环境影响，黏土矿物中高岭石含量差异较大。鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相太原组页岩脆性矿物含量为42.4%[16]，中部山西组页岩中脆性矿物含量均值为36.9%[17]。由此可见，海陆过渡相泥页岩黏土矿物含量较高，不同沉积环境下黏土矿物组成差异较大。黏土矿物对储层孔隙类型及结构的生成、演化和保存都具有重要的意义[18]。因此，海陆过渡相页岩具有独特的孔隙结构特征。
表2 研究区泥页岩矿物组成与含量

Table 2 Mineral composition of shale in the study area

样品编号 矿物成分含量/% 黏土矿物含量/%
石英 斜长石 方解石 黏土矿物 伊利石 高岭石 伊/蒙混层
YS-01 11 0 61 28 30 0 30
YS-02 31 3 0 65 30 47 15
YS-03 21 4 0 75 40 37 16
YS-04 40 4 0 56 37 36 23
YS-05 57 2 0 41 35 39 21
YS-06 27 3 0 70 31 39 30
YS-07 25 5 0 70 30 47 23
YS-08 32 6 0 62 24 46 28
YS-09 39 2 0 59 14 43 43
YS-10 31 4 0 65 17 45 38
YS-11 37 2 3 58 22 54 24
YS-12 21 6 0 73 13 41 46
YS-13 40 3 0 54 37 22 41
YS-14 31 5 0 64 15 37 48
YS-15 41 6 0 53 40 31 29

3 储层孔隙结构与分形特征

3.1　孔隙类型和形态特征

通常利用扫描电镜来直观反映泥页岩孔隙结构类型和赋存形态。泥页岩储集空间一般包括有机质孔、无机孔和微裂缝，无机孔主要类型有粒间孔、粒内孔和晶间孔。矿物颗粒接触处常发育粒间孔，其中以片状、丝状黏土矿物中最为发育；粒内孔形态多样，以多边形和拉长的长条形状为主[图3(a), 图3(b)]。研究区泥页岩以粒间孔缝、溶蚀孔和有机质孔最为发育[图3(b), 图3(d)—图3(l)]；同时微裂缝也较发育[图3(c)]。有机质热解生烃后产生有机质孔，受热演化程度和有机质类型影响，热演化程度越高，生烃转化率越高，有机质孔隙越发育。有机质孔大小不一，发现有较大的溶蚀孔[图3(k),图3(l)]。LOUCKS等[19]和CURTIS等[20]发现有机质中的纳米孔可形成有效的孔隙网络。不同有机质类型对热成熟转化过程中形成的孔隙数量起到关键作用，LOUCKS等[21]认为，由于Ⅰ型、Ⅱ型干酪根具有较高的氢含量，因此比Ⅲ型干酪根更容易形成有机质孔隙。

3.2　孔隙结构

根据IUPAC孔隙分类特征，低温液氮吸附实验脱附曲线产生滞后回线表明泥页岩孔隙的开放程度较高[22-23]。从图4中可以看出，本文实验样品氮气吸—脱附曲线分为2类；第一类吸—脱附曲线在相对压力大于0.45时产生明显的滞后环，介于H2和H3型之间，孔隙形态主要为楔形—狭缝型和细颈瓶—墨水瓶状型[图4(a)]。第二类吸—脱附曲线未产生明显的滞后效应，在相对压力接近1时吸脱附曲线都出现快速陡升，对应为H3型，孔隙类型以四周开放的平行板状孔为主，从微孔到大孔均较发育，各种孔隙之间的连通性较好，微裂隙也较发育，因此有利于页岩气体的渗流[图4(b)]。
图4 本文研究样品氮气吸—脱附曲线

Fig.4 Nitrogen adsorption-desorption curves of shale samples from this study

利用BJH模型对研究区泥页岩孔径分析如图5所示，本文样品孔径分布形态主要有以下2种类型：
图5 研究区泥页岩样品孔径分布曲线

Fig.5 Distribution curves of pore size from shales of study area

（1）孔径分布呈单峰状[图5(a)]，分布曲线仅存在1个主峰，峰值范围为64.60~109.96 nm，孔径主要集中在3.09~4.31 nm之间。孔径分布曲线有拖尾现象，表明介孔和宏孔占比较大。
（2）孔径曲线分布呈双峰状，由一个主峰和一个次峰组成[图5(b)]。主峰孔径多数在3.36~4.27 nm之间；次峰孔径在25.45~119.00 nm之间，也存在拖尾现象；YS12样品和YS14样品次峰较为平缓，孔径范围较宽。
研究发现，样品孔径分布曲线与吸附回线具有较高的一致性，孔径呈单峰分布的样品全部为第一类回线。因此，孔隙结构与孔径分布存在一定的相关性。

3.3　分形维数计算

页岩储层中计算分形维数较为成熟的模型主要有BET、Frenkel-Halsey-Hill（FHH）和Langmuir模型[24]；其中FHH模型应用广泛且拟合性最好[25]。本文应用FHH模型对研究区页岩孔隙分形维数进行计算，公式为：Ln(V/V m)=constant+(D－ 3)×Ln(Ln(P 0/P))，式中：V（cm3/g）为平衡压力为P时的吸附体积，V m 为完全单分子层吸附气体的体积；P（MPa）为平衡压力，P 0为饱和蒸气压；D为分形维数。
由图4可知，泥页岩吸脱附曲线分支在相对压力小于0.45时完全重合，大于0.45时出现滞后环。因此，以P/P 0 =0.45为界，由于孔隙结构和类型的差异影响，泥页岩存在2种不同吸附解吸机制[26]。用D 1和D 2分别表示P/P 0<0.45和P/P 0>0.45范围内的孔隙分形维数。据Kelvin方程计算可知：P/P 0=0.45对应的孔径为4.31 nm，本文将孔径小于4.31 nm的孔隙称为小孔；大于4.31 nm的孔隙称为大孔。由图6、表3可知研究区9块泥页岩样品均具有显著的分形特征。D 1介于2.224~2.492之间，均值为2.309，说明小孔隙结构简单，均值性较强；D 2介于2.671~2.741之间，均值为2.702，表明大孔隙结构非常复杂。D 2普遍大于D 1，表明孔隙内部结构复杂程度明显强于表面。海相页岩分形维数普遍要高于陆相或海陆过渡相，如四川盆地牛蹄塘组页岩储层分形维数D平均为2.73[27]及下扬子地区龙马溪组页岩分形维数D均值为2.73[28]。而陆相或海陆过渡相页岩分形维数一般小于2.70[29-30]。
图6 YS2样品和YS8样品 Ln(V)与Ln(Ln(P 0/P))双对数曲线

Fig.6 Double logarithmic curves between adsorption volume and P0/P for YS2 and YS8 samples

表3 研究区样品FHH模型孔隙分形维数

Table 3 Pore fractal dimensions derived from fractal FHH model

样品编号 D 2 R 2 2 D 1 R 1 2
P/P 0>0.45 P/P 0<0.45
YS1 2.678 0.997 1 2.343 0.832 2
YS2 2.734 0.997 1 2.285 0.823 4
YS3 2.741 0.997 7 2.347 0.837 7
YS5 2.671 0.992 3 2.492 0.780 8
YS8 2.725 0.980 1 2.262 0.792 7
YS9 2.677 0.987 5 2.287 0.901 6
YS11 2.671 0.968 6 2.224 0.886 4
YS12 2.716 0.989 8 2.245 0.838 1
YS14 2.708 0.986 5 2.292 0.833 4

4 讨论

4.1　孔隙比表面积、体积和孔径分布相互关系

根据氮气吸附实验结果，研究区泥页岩微孔、介孔和宏孔分别占总孔体积的12.25%、64.19% 和23.56%；占比表面积53.25%、44.52%和2.23%。由此可知，中孔为研究区页岩的主体孔隙。泥页岩比表面积和孔隙体积呈显著的正相关关系（R 2=0.85），微孔的比表面积和微孔体积相关性达到0.99；平均孔径与比表面积呈微弱的负相关关系，与总孔体积相关性较差[图7(a)—图7(c)，图7(e)]，表明孔隙结构较为复杂。研究区泥页岩孔隙结构与沁水盆地中东部海陆过渡相页岩孔隙结构具有很高的相似性 [31]，认为中孔对海陆过渡相泥页岩孔隙系统贡献最大。平均孔径与微孔比表面积和微孔体积均呈负相关性[图6(d)，图6 (f)]，表明微孔贡献了较高的体积和比表面积，因此具有较强的吸附能力 [27]。
图7 研究区泥页岩孔体积、比表面积和孔径的关系

Fig.7 Relationships between the pore volumes, specific surface areas and average pore size of the samples from eastern Qaidam Basin

4.2　有机质、黏土矿物含量与分形维数的关系

以往研究发现页岩孔隙的分形维数与TOC含量呈正相关关系，或者呈U形态分布[27,29,32]。研究区有机质TOC含量与分形维数D 1呈较弱的负相关关系，与D 2呈弱的正相关关系；总体呈U形态分布[图8(a)，图8(d)]。HOU等 [33]研究柴达木盆地鱼卡坳陷石门沟组湖相页岩时发现，当TOC含量大于2%时，与分形维数呈正相关关系；当TOC含量小于2%时，与分形维数呈负相关。TOC含量位于0.9%~1.7%之间时，对分形维数几乎没有影响[34]。可见TOC对分形维数的影响存在不同的情形。研究区泥页岩TOC含量整体偏低，均值为1.83%，TOC含量高于3%的样品只占20%，且干酪根类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，有机质孔发育相对较少，可能造成TOC含量与分形维数呈弱相关性。
图8 研究区页岩有机质、黏土矿物含量与分形维数的关系

Fig.8 Relationship between TOC content, clay mineral content and fractal dimensions of shales from study area

研究区样品黏土矿物含量和分形维数D 2呈正相关，与D 1呈负相关；石英含量与分形维数无相关性；石英与黏土矿物的比值也与分形维数无相关性[图8(b)，图8(c)，图8(e)，图8(f)]。石英含量的变化对分形维数基本没有影响。石英含量与黏土矿物无相关性，表明影响分形维数的主要因素为黏土矿物和有机质含量。前人对海陆过渡相页岩储层的非均质性研究发现，黏土矿物与TOC含量是影响储层孔隙发育的主要因素，但是由于沉积环境的差异，不同地区表现不一致[5]。鄂尔多斯盆地临汾地区和延长地区有机碳含量和伊/蒙混层是控制孔隙发育的关键因素[35]；沁水盆地南部泥页岩孔隙受高岭石含量影响较大[36]；四川盆地龙潭组页岩中伊/蒙混层及伊利石是构成孔隙系统的关键[5]。因此，不同的沉积环境形成的页岩具有不同的矿物组成，对孔隙的贡献也不同。

4.3　分形维数与孔隙结构参数的关系

由图9(a)—图9(c)可知，分形维数D 1与比表面积和孔体积呈负相关关系，相关系数（R 2）分别为0.388 1和0.603 6；与平均孔径无相关性。随着页岩比表面积和孔隙体积的增大，分形维数D 1逐渐减小；而分形维数D 2与比表面积和孔隙体积呈弱正相关关系，虽然与平均孔径呈较好的相关性，但受平均孔径影响较小。D 1和D 2与孔隙结构参数的相关性都较好，均可反映整体孔隙结构参数的变化，但D 1趋势线比D 2拟合性更好，说明孔隙结构参数对小孔影响更大。
图9 孔隙体积、比表面积和平均孔径与分形维数D 1、D 2之间的相关性

Fig.9 Correlations between the pore volume, specific surface area, average pore size and the fractal dimensions D 1, D 2 for shale samples

分形维数D 1和D 2之间无相关性[图9(d)]，说明小孔和大孔孔隙结构差异较大。D 1和D 2之差△D=0.393，表明其结构复杂程度相差很大，双重分形特征明显。

4.4　孔隙发育的影响因素

研究区上石炭统样品中黏土矿物含量与孔隙结构参数相关性表明[图10(a)—图10(d)]，黏土矿物含量与孔隙比表面积和孔隙体积均呈弱的正相关关系；与微孔比表面积和微孔体积无相关性。由此可知，黏土矿物含量对介孔或宏孔发育影响较大。由于液氮吸附实验测试的孔径都大于1.7 nm，所以黏土矿物对微孔的发育影响需要进一步研究。
图10 黏土矿物、有机质含量与孔隙体积、孔隙比表面积的关系

Fig.10 Relationship between clay mineral content, TOC content and pore volume, pore surface area

TOC含量及有机质热演化程度对有机质孔隙空间的发育有一定的影响 [37]。CURTIS等[38]认为，有机质类型为Ⅱ2型和Ⅲ型时，当R O>0.8%干酪根开始形成大量的纳米级孔隙。研究区泥页岩样品R O值范围为0.79%~0.95%，平均值为0.87%。样品中TOC含量与孔隙比表面积和孔隙体积具有良好的正相关关系[图10(e)，图10(f)]；与微孔比表面积和微孔体积相关性不大[图10(g)，图10(h)]。表明研究区热演化程度适中，有机质开始大量生烃，有机质孔隙主要为介孔和宏孔，与扫描电镜识别出的有机质孔一致[图3(k)，图3(l)]。

5 结论

（1）柴东缘上石炭统为一套海陆过渡相沉积的细粒碎屑岩，富有机质泥页岩厚度大，分布广，热演化程度适中，R O平均值为0.87%；烃源岩品质较好，TOC含量为0.36%~3.75%，均值为1.83%。有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主。页岩气勘探潜力较好。页岩储层孔隙类型以粒间孔缝、溶蚀孔和有机质孔最为发育；孔隙结构主要有狭缝状、墨水瓶状和平行板状。
（2）基于页岩样品液氮吸附实验数据，根据FHH模型计算得到D 1和D 2分形维数，发现泥页岩孔隙有明显的分形特征。黏土矿物和TOC含量与D 1分形维数呈负相关关系，D 2分形维数与黏土矿物和TOC含量均呈正相关性。表明影响分形维数的主控因素为黏土矿物和有机质含量。D 1和D 2与孔隙结构参数的相关性都较好，但D 1趋势线比D 2拟合性更好，说明小孔对孔隙结构参数影响更大。
（3）利用分形维数D 1和D 2，可以定量表征泥页岩孔隙结构的复杂程度和孔隙表面的粗糙程度。研究区样品分形维数D 1和D 2之差△D=0.393，表明其结构复杂程度相差很大，双重分形特征明显。但分形维数D 2越大，孔隙结构越复杂，孔隙表面积更加粗糙，因此不利于页岩气的渗流。当D 1越大而D 2适中时则反映页岩储集能力较强，且有利于页岩气流通。

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