天然气地球科学 >

2022 , Vol. 33 >Issue 4: 629 - 641

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.11.011

非常规天然气

湖北荆门探区五峰组—龙马溪组深层页岩微观孔隙结构与分形特征

  • 李小明 , 1 ,
  • 王亚蓉 1 ,
  • 吝文 2 ,
  • 马丽红 , 1 ,
  • 刘德勋 2 ,
  • 柳吉荣 1 ,
  • 张宇 1
展开
  • 1. 华北科技学院安全工程学院，北京 101601
  • 2. 中国石油勘探开发研究院页岩气研究所，北京 100083
马丽红（1983-），女，内蒙赤峰人，讲师，硕士，主要从事矿物岩石方面的教学和研究.E-mail：.

李小明（1970-）， 男， 山西大同人，教授，博士， 主要从事非常规地质方面的教学和研究. E-mail：.

收稿日期: 2021-10-13

  修回日期: 2021-11-18

  网络出版日期: 2022-04-22

收起

Micro-pore structure and fractal characteristics of deep shale from Wufeng Formation to Longmaxi Formation in Jingmen exploration area， Hubei Province

  • Xiaoming LI , 1 ,
  • Yarong WANG 1 ,
  • Wen LIN 2 ,
  • Lihong MA , 1 ,
  • Dexun LIU 2 ,
  • Jirong LIU 1 ,
  • Yu ZHANG 1
Expand
  • 1. College of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Beijing 101601，China
  • 2. Department of Shale Gas，Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China

Received date: 2021-10-13

  Revised date: 2021-11-18

  Online published: 2022-04-22

Supported by

The China National Science and Technology Major Project(2017ZX05035)

the Key Project of PetroChina Co., Ltd(2017B49)

the Fundamental Research Funds for the Central Universities(3142014025)

Fold

本文亮点

为探究湖北荆门探区页岩储层孔隙结构及分形特征，定量评价孔隙的非均质性和复杂程度，以YT3井五峰组—龙马溪组为研究对象，通过低压氮气吸附实验，并结合有机碳含量测试、X射线衍射分析等，分析了储层孔隙结构特征，基于低温氮吸附分形几何学方法建立了FHH分形模型，讨论了分形维数与页岩组成、孔隙结构、物性、含气性及埋深等参数的相关关系。结果表明：①龙马溪组下段和五峰组有机碳（TOC）含量明显高于龙马溪组上段，且随着埋藏深度的增加，显示出硅酸盐矿物逐渐增加，而黏土矿物减小的趋势；②页岩现场解吸含气量显示，有机质丰度较低的龙马溪组上段含气量较有机质丰度较高的龙马溪组下段和五峰组低，在页岩气组成上，龙马溪组上段以氮气为主，而五峰组和龙马溪组下段则以甲烷为主；③页岩低压氮气等温曲线与IUPAC分类的Ⅳ型接近，吸附回滞环近似H3、H4型，为平板状和狭缝型孔隙，孔隙主要为分布于50 nm以下微—中孔，龙马溪组下段和五峰组吸附体积明显大于龙马溪组上段，是由于高有机质丰度提供了大量的有机孔储集空间所致；④高有机质的龙马溪组下段和五峰组较低有机质的龙马溪组上段，其BET比表面积、BJH总孔体积显著增大，而平均孔径却明显减小；⑤页岩孔隙具有明显的分形特征，分形维数 D 2均大于D 1，表明孔隙结构复杂程度大于孔隙表面，分形维数与有机碳（TOC）含量、BET比表面积、埋深呈显著的正相关关系，与石英含量、BJH总孔体积呈弱的正相关关系，与黏土矿物含量和平均孔径呈显著的负相关关系，而与孔隙度和渗透率基本无相关性。影响分形维数的因素很多，相关性分析揭示了有机碳和黏土矿物质量分数、比表面积、平均孔径及埋深为其主控因素。通过分形维数可定量评价孔隙结构的复杂程度和不均一性，为研究页岩孔隙结构的分布特征和储层评价提供了思路。

本文引用格式

李小明 , 王亚蓉 , 吝文 , 马丽红 , 刘德勋 , 柳吉荣 , 张宇 . 湖北荆门探区五峰组—龙马溪组深层页岩微观孔隙结构与分形特征[J]. 天然气地球科学, 2022 , 33(4) : 629 -641 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.11.011

Highlights

In order to explore the pore structure and fractal characteristics of shale reservoirs in the Jingmen exploration area and quantitatively evaluate the heterogeneity and complexity of pores， taking Wufeng-Longmaxi formations of Well YT3 as the research object， the pore structure characteristics of shale reservoir are analyzed by low-pressure nitrogen adsorption experiments， organic carbon content testing， X-ray diffraction analysis， etc. and the FHH fractal model is established based on the low temperature nitrogen adsorption fractal geometry method. The relationship between fractal dimension and shale composition， pore structure， physical property， gas-bearing property and burial depth is discussed. The results show that： （1） The organic carbon （TOC） content of the lower Longmaxi Formation and Wufeng Formation is significantly higher than that of the upper Longmaxi Formation. With the increase of burial depth， the silicate minerals increase gradually， while clay minerals decrease； （2）The on-site desorption gas content of shale shows that the gas content of the upper section of Longmaxi Formation with low organic matter abundance is lower than that of the lower section of Longmaxi Formation and Wufeng Formation. In terms of shale gas composition， the upper section of Longmaxi Formation is dominated by nitrogen， while the lower sections of Wufeng Formation and Longmaxi Formation are dominated by methane； （3）The isothermal curve of shale under low-pressure nitrogen is close to type IV classified by IUPAC， and the adsorption hysteresis loop is similar to types H3 and H4. It is flat and slit pores， and the pores are mainly micro medium pores distributed below 50 nm. The adsorption volume of the lower Longmaxi Formation and Wufeng Formation is significantly larger than that of the upper Longmaxi Formation， and the high abundance of organic matter provides a large amount of organic pore storage space； （4）The BET specific surface area and BJH total pore volume in the lower Longmaxi Formation and Wufeng Formation with high organic matter are significantly larger than those of upper Longmaxi Formation with low organic matter， while the average pore size is significantly smaller； （5） Shale pores have obvious fractal characteristics， and the fractal dimension D 2 is greater than D 1， indicating that the complexity of pore structure is greater than that of pore surface. Fractal dimension has a significant positive correlation with total organic carbon（TOC） content， BET specific surface area and burial depth， a weak positive correlation with quartz content and BJH total pore volume， a significant negative correlation with clay mineral content and average pore diameter， but almost no correlation with porosity and permeability. There are many factors that affect the fractal dimension. Correlation analysis reveals that the mass fraction of organic carbon and clay mineral， specific surface area， average pore diameter and burial depth are the main controlling factors. The fractal dimension can be used to quantitatively evaluate the complexity and heterogeneity of pore structure， which provides an idea for studying the distribution characteristics of shale pore structure and reservoir evaluation.

0 引言

随着我国页岩气勘探开发取得了一系列重要的进展，尤其是在中上扬子早古生代海相富有机质页岩区建成了涪陵、长宁—威远和昭通等国家级示范区［1］，并实现了商业化开发，显示出广阔的发展前景。页岩作为一种极其致密的非常规储层，具有复杂的多孔结构，发育大量纳米级孔隙，其孔隙结构特征制约着页岩气的储集、解吸、渗流等过程，并影响页岩的含气性、储量估算和开发评价，是页岩气储层的关键评价参数［2-5］。目前页岩储层孔隙结构的表征方法主要有流体注入法（压汞法和气体吸附）、扫描电镜直接观察法以及核磁共振等，不同的方法适应性不同，表征的孔隙范围不同［6-14］。
分形维数是研究储层孔隙结构参数的重要方法，可以定量描述孔隙结构的非均质性和复杂程度，为主要以纳米级孔隙为主的致密页岩储层吸附解吸机理、孔隙结构及表面性质的分析研究提供了新的思路和方法［15-16］。基于核磁共振、压汞、氮吸附等实验数据建立分形模型，在表征页岩孔隙结构特征方面发挥了重要作用，MANDELBROT［17］提出的几何分形理论克服了煤岩、页岩等致密岩石孔隙结构非均质、不符合传统欧式几何定律的不足，并被推广到地学领域。随着页岩气勘探开发的长足进展，已有大量研究采用扫描电镜图像法、核磁共振法、压汞法和气体吸附法等对国内外典型页岩进行了分形讨论，并取得了一定的成果［15，18-19］。目前国内页岩孔隙结构及分形特征的研究主要集中在四川盆地龙马溪组页岩的浅部地层（3 500 m以浅），鄂中荆门探区作为四川盆地的外延，下古生界五峰组—龙马溪组富有机质页岩具有分布广、厚度大、有机质丰度高、含气量大等特点，和四川盆地页岩气聚集条件相似［20-21］，但该区目标层系龙马溪组页岩赋存较深（有利段埋深大于3 500 m），其孔隙结构及分形特征目前还鲜有相应研究报道。鉴于页岩储层孔隙以纳米孔为主，而低温氮气吸附法以氮气分子（分子直径约为0.36 nm）作为吸附介质，适用于揭示以纳米级孔径为主的页岩气储层孔隙特征［22］。本文基于低压氮气吸附实验对荆门探区五峰组—龙马溪组页岩的孔隙结构及分形特征进行研究，并讨论了分形维数与页岩组成（TOC、石英、黏土矿物等）、孔隙结构参数（BET 比表面积、BJH总孔体积、平均孔径等）、物性（孔隙度、渗透率）、含气性、埋深等的相关性，厘定了分形主控因素。

1 地质概况

荆门探区地处湖北南漳、当阳、宜昌之间，主体位于荆门远安，构造上位于秦岭—大别构造带南缘大洪山冲断褶皱带前缘，属中扬子区块鄂中褶皱带当阳复向斜［20-21，23］。该地区经历多期构造运动，对地层沉积特征具有显著影响的构造期次主要为印支期、燕山早期和燕山晚期。在历经多期次造山运动与成盆事件后，区块的构造活动趋于稳定，地层变形程度减弱，整体呈北西高、东低的斜坡，局部发育褶皱、裂隙等微构造。自下而上发育震旦系至下三叠统浅海碳酸盐岩及碎屑岩，地表出露三叠系。其中，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组发育有一套深水陆棚相的含笔石黑色炭质泥页岩［20］。YT3井位于当阳复向斜巡检—溪前向斜带，依据岩性、测井及生物带变化特征，将五峰组—龙马溪组含气页岩段（即五峰组—龙一1亚段）分为6个小层（五峰组分上下2段）（图1）。本文选择五峰组—龙马溪组不同深度、不同层位采集了分析样品，并基于低温液氮吸附实验数据计算了2个不同吸附阶段的分形维数，在此基础上讨论了深部页岩地层的分形特征及其影响因素。
图1 荆门探区YT3井五峰组—龙一段综合柱状图

Fig.1 Lithology comprehensive profile of Wufeng Formation-1th Member of Longmaxi Formation of Well YT3 in the Jingmen exploration area

2 页岩样品的基本特征

2.1　有机地球化学和矿物组成特征

分析样品采自荆门YT3井的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组，深度为3 470~3 567 m。等效镜质体反射率分布区间为2.11%~2.68%，属高—过成熟阶段；总有机碳（TOC）含量测试值为0.09%~3.86%，以3 537 m为界，龙马溪组上段（龙一1 4—龙一2）的TOC含量较低，大多小于1.0%，而龙马溪组下段（龙一1 1—龙一1 3）和五峰组的TOC含量高，均大于2.0%；全岩X射线衍射分析表明，样品以硅酸盐矿物（石英+长石）为主，黏土矿物次之，且随着埋藏深度的增加，显示出硅酸盐矿物逐渐增加，而黏土矿物减小的趋势（表1，图2）。岩相基本为含黏土硅质页岩为主（图3）。由此可见，从有机碳含量和脆性特征来看，下部储层要明显优于上部储层。
表1 样品基本信息

Table 1 Basic data of the shale sample

样品 深度/m 层位 有机地球化学参数 孔隙结构参数 矿物含量/%
等效镜质体反射率（R O）/%

TOC

/%

BET比表面积

/（m2/g）

BJH总孔体积

/（mL/g）

平均孔直径

/nm

 石英 长石 方解石 白云石 黄铁矿 黏土矿物
YT3-01 3 470.51 龙一2 2.11 0.09 6.76 0.022 4 14.77 44.2 10.5 45.3
YT3-05 3 480.88 龙一2 2.68 0.26 7.45 0.022 7 13.64 40.4 9.8 2.7 47.1
YT3-09 3 500.40 龙一2 2.19 0.27 8.05 0.021 2 13.06 39.2 9.8 1.9 49.1
YT3-13 3 511.35 龙一2 2.66 1.00 10.49 0.022 1 12.55 39.5 9.5 4.3 46.7
YT3-16 3 517.92 龙一2 2.27 0.63 7.72 0.021 8 14.02 40.2 9.7 2.5 47.6
YT3-19 3 527.08 龙一2 2.40 0.96 9.56 0.022 3 12.46 39.5 9.1 5.7 45.7
YT3-22 3 536.63 龙一1 4 2.17 0.16 8.09 0.022 2 13.43 38.0 8.7 1.2 52.1
YT3-23 3 537.62 龙一1 4 0.62 9.74 0.024 1 13.38 39.4 9.7 3.3 47.6
YT3-25 3 550.58 龙一1 3 2.34 2.26 19.30 0.026 9 9.48 39.2 7.7 8.0 45.1
YT3-26 3 552.34 龙一1 3 3.86 21.41 0.026 2 9.34 43.6 11.6 0.8 3.5 10.0 30.5
YT3-27 3 555.34 龙一1 3 3.72 19.69 0.026 1 9.19 46.0 14.1 3.3 4.7 31.9
YT3-28 3 557.31 龙一1 3 3.64 20.41 0.023 8 8.33 57.1 8.1 3.2 2.8 6.5 22.3
YT3-29 3 560.00 龙一1 2 2.18 3.12 18.85 0.022 0 8.43 45.4 4.4 27.7 3.1 4 15.4
YT3-30 3 562.21 龙一1 2 3.77 24.64 0.029 7 8.19 44 5.1 1.4 16.9 4 28.6
YT3-31 3 566.77 龙一1 1 2.68 15.11 0.023 7 8.98 58.8 5.9 3.5 2.2 29.6
YT3-32 3 567.73 五峰组 2.20 2.50 18.44 0.026 2 8.74 58.6 6.1 35.3
图2 样品矿物含量随深度变化

Fig.2 Variation of mineral content with depth

图3 页岩岩相划分

Fig.3 Shale lithofacies division diagram

2.2　页岩物性及含气性

基于岩心分析测得五峰组—龙马溪组含黏土硅质页岩的孔渗特征相似，为低孔特低渗页岩。有效孔隙度为0.575%~3.855%，平均为1.655%；脉冲渗透率为（2.625~3.808）×10-3 μm2，平均为3.224×10-3 μm2。现场解吸法获得的含气量随深度增加规律变化，龙马溪组上段，有机质丰度较低地层的含气量较低，为0.71~1.50 m3/t，平均为1.43 m3/t；而龙马溪组下段和五峰组，有机质丰度较高地层的含气量较高，为1.50~5.81 m3/t，平均为3.73 m3/t；页岩气体组成上则表现为由龙马溪组上段氮气为主过渡到龙马溪组下段和五峰组以甲烷为主（表2）。
表2 孔渗特征及含气性

Table 2 Characteristics of porosity and permeability and gas content

样品编号 深度/m 层位 孔隙度/% 渗透率/（10-3 μm2） 含气量/（m3/t） 页岩气组成物质的量分数/%
N2 CO2 CH4 C2H6
YT3-01 3 470.51 龙一2 0.575 3.808 0.71 94.58 5.42
YT3-05 3 480.88 龙一2 1.530 2.868 1.42
YT3-09 3 500.40 龙一2 0.686 3.039 1.33
YT3-13 3 511.35 龙一2 0.265 2.625 1.53
YT3-16 3 517.92 龙一2 1.25 91.00 9.00
YT3-19 3 527.08 龙一2 3.855 3.504 2.20
YT3-22 3 536.63 龙一1 4 1.49 95.28 4.22 0.50
YT3-23 3 537.62 龙一1 4 1.50 82.45 1.08 16.47
YT3-25 3 550.58 龙一1 3 1.307 3.015 3.45 77.89 1.10 21.01
YT3-26 3 552.34 龙一1 3 3.94 2.95 0.20 96.65 0.20
YT3-27 3 555.34 龙一1 3 4.17 3.56 0.55 95.58 0.31
YT3-28 3 557.31 龙一1 3 1.50
YT3-29 3 560.00 龙一1 2 1.402 3.345 4.04
YT3-30 3 562.21 龙一1 2 5.81
YT3-31 3 566.77 龙一1 1 1.59
YT3-32 3 567.73 五峰组 3.623 3.590 5.30 3.69 0.73 95.49 0.09

3 基于氮气吸附实验的页岩孔隙结构特征

采用美国麦克公司生产的Micromeritics ASAP2420比表面测定仪进行氮气吸附—脱附实验，样品在120 ℃高温下经过3 h的抽真空处理后，以纯度大于99.99%的高纯度氮气为吸附质，在真空度1.0×10-3 Pa、温度为77.35 K条件下，压力升高至饱和蒸汽压（约0.101 MPa）后逐步降低压力，测得样品在不同相对压力下的氮气吸附量和解吸量。运用BRUNAUER等［24］提出的多分子层吸附理论（BET多点分析法）和密度泛函理论（DEF法）［25］分析处理实验数据，从而获得微孔—中孔的比表面积、孔径分布及孔体积，并根据滞后回环的类型确定孔隙的几何特征。

3.1　氮气吸附—脱附曲线

16个页岩样品的氮气吸附等温曲线总体呈反“S”型（图4），其与国际理论与应用化学联合会（IUPAC）等温吸附线分类标准［26-27］的Ⅳ型最为接近，具有吸附台阶。氮气的吸附过程分为3个阶段：第一阶段，即低压阶段（0<P/P 0≤0.4），吸附量缓慢增加，吸附等温线呈平缓上凸型，对应单分子层吸附，拐点为单分子层吸附向多分子层吸附的转折点；第二阶段，即中压阶段（0.4<P/P 0≤0.8），吸附等温线迅速上升，并出现回滞环，该阶段为多分子层吸附阶段；第三阶段，即高压阶段（P/P 0>0.8），随相对压力增加，样品吸附量急剧增加，且在拐点后急剧上升，当P/P 0接近于1时未出现饱和吸附，吸附进入毛细管凝聚阶段，说明页岩中亦有大孔发育［14，22，28］。
图4 页岩氮气吸附—脱附等温线

Fig.4 Nitrogen adsorption-desroption isotherms of shale samples

因吸附和脱附等温线不重合所形成的回滞环，其形态一定程度上可反映页岩的孔隙结构特征［27，29］。
各样品的回滞环总体形态相似，但发育程度不同，龙马溪组上段有机质含量相对较低的地层，其回滞环相较于龙马溪组下段和五峰组有机质含量较高的地层回滞环较小。根据IUPAC对回滞环的分类［19，30］，研究区深部页岩样品的吸附回滞环近似H3、H4 型，揭示了孔隙以平板状和狭缝型孔隙为主，页岩组成具有较多的片状基质颗粒，这与样品黏土矿物质量分数较高相一致（表1，图2）。

3.2　孔径分布特征

相对于其他方法，液氮吸附实验对2~50 nm孔径的介孔孔隙具有较好的表征作用［19］。荆门探区五峰组—龙马溪组页岩样品的孔径发育表现出较强的非均质性，但孔径分布相对集中，主要分布于50 nm以下，页岩孔径变化率均在1~8 nm之间变化最快（图5），表明样品中微—中孔较为发育。龙马溪组上段存在1个2~4 nm较为明显的峰值，且最大孔径变化率不超过0.001 6 （cm3/g）/nm；龙马溪组下段和五峰组无明显的峰值且总体的吸附体积明显大于龙马溪组上段，最大孔径变化率达0.006 0（cm3/g）/nm；应是高有机质丰度烃源岩生烃提供了大量的有机孔储集空间所致（图5）。样品集中分布在50 nm以下，与以往页岩储层孔隙孔径研究的认识一致［2-6，9-12］。实验结果表明，该区深层页岩以50 nm以下的微、中孔发育为主，大于50 nm以上的孔隙发育程度较低，但发育稳定，孔径分布曲线出现曳尾现象（图5）。
图5 页岩样品孔径分布曲线

Fig.5 Pore diameter distribution of shale samples

3.3　比表面积与孔体积

鉴于BET 多分子模型是测定多孔固体比表面积的经典方法［31］，适用于表面具有均匀化学性质且表面吸附作用强于吸附质分子间相互作用的多孔介质［32］。氮气吸附实验分析孔径分布的模型有很多，其中BJH模型在页岩储层孔隙结构研究中应用广泛。故而，本文研究选用BET模型确定页岩样品的比表面积，各孔径范围内的孔隙体积均采用BJH 模型得到。
页岩储层孔隙结构参数见表1和图6。可以看出，龙马溪组上段相比于龙马溪组下段和五峰组样品的BET比表面积、BJH总孔体积、平均孔径均存在显著差异：龙马溪组上段BET比表面积分布在6.76~10.49 m2/g之间，平均为8.48 m2/g，BJH总孔体积分布在0.022 0~0.029 7 mL/g之间，平均为0.022 4 mL/g，平均孔径分布在12.46~14.77 nm之间，平均为13.41 nm；五峰组顶部和龙马溪组下段BET比表面积显著增大，分布在15.11~24.64 m2/g之间，平均为19.73 m2/g，BJH总孔体积亦明显增大分布在0.021 2~0.024 1 mL/g之间，平均为0.025 6 mL/g，而平均孔径却明显减小，分布在8.19~9.48 nm之间，平均为8.84 nm；分析上下两段页岩储层特征，造成这种显著差异的原因，可能主要是由于龙马溪组下段有机质丰度大于上段，从而有机微孔显著增加所引起的平均孔径变小，而比表面积和孔体积显著增加。
图6 页岩储层孔隙结构参数

Fig.6 The pore structure parameters of shale reservoer

4 页岩孔隙的分形特征

页岩的非均质性较强，其孔隙网络是空间内的展布形态，表面不规则性和复杂的孔隙结构具有分形几何特征，对页岩气的吸附和解吸具有重要影响。除常规的孔隙结构参数以外，孔隙分形特征及维数可用来定量刻画孔隙结构复杂度的维度信息［29］。

4.1　页岩分形维数的计算

基于气体吸附—脱附等温线数据计算固体介质分形维数的方法较多，FHH方法适用范围较广，计算方便，应用最为广泛［33］。FANG等［34］、AVNIR等［35］在研究气体分子在不均匀表面的多孔固体上吸附时，将分形维数引入到吸附势理论中，建立了毛细凝结区域内分形表面上的气体吸附模型，即著名的FHH方程：
L n V = ( D - 3 ) × L n ( L n P 0 P ) + C
式中：V为平衡压力P对应的气体吸附量，cm3/g； P为平衡压力，MPa；P 0为吸附气体的饱和蒸汽压力，MPa；C为常数；D为多孔材料的分形维数，D值介于2~3之间。D值越接近3，多孔介质中的孔隙结构越复杂，表面越粗糙；D值越接近2，则孔隙结构趋于简单。
由FHH公式可知，依据测得的液氮气吸附等温线，在毛细凝聚区域内以LnV对Ln［Ln（P 0/P）］作图，然后由直线斜率可求得固体分形维数D。

4.2　页岩孔隙分形维数

由氮气吸附—脱附曲线图可知，低比压区（P / P 0<0.45）吸附机理为以范德华力为主的单层—多层吸附；高比压区（P/P 0>0.45）为以表面张力为主的毛细凝聚，形成滞后回环。低比压和高比压作用机理不同，曲线斜率不同，表现出2种不同的吸附机制。以此为界分段求取分形维数，P/P 0<0.45时的分形维数D 1表示孔隙表面分形维数，反映范德华力作用；P/P 0>0.45时的分形维数D 2表示孔隙结构分形维数，反映毛细凝聚作用［29］。基于氮气吸附数据得到样品的氮气吸附体积与相对压力双对数曲线（图7），并通过FHH方程得到分析维数D 1和D 2（表3）。
图 7 低温氮气吸附体积与相对压力的双对数曲线

Fig.7 Plots of LnV and Ln［Ln（p 0/p）］reconstructed from the N2 gas adsorption isotherms

表3 基于分形FHH理论模型的分形维数

Table 3 Fractal dimension based on FHH model

样品编号 P/P 0<0.45 P/P 0>0.45
分形拟合方程 R 2 D 1 分形拟合方程 R 2 D 2
YT3-01 y =-0.387 3x + 0.849 3 0.999 0 2.612 7 y =-0.397 2x + 0.836 2 0.991 2 2.602 8
YT3-05 y =-0.395 4x + 0.944 6 0.999 3 2.604 6 y =-0.377 8x + 0.942 5 0.998 0 2.622 2
YT3-09 y =-0.369 4x + 1.017 0.999 4 2.630 6 y =-0.332 1x + 1.023 7 0.991 4 2.667 9
YT3-13 y =-0.319 3x + 1.269 8 0.997 5 2.680 7 y =-0.315 1x + 1.235 5 0.997 6 2.684 9
YT3-16 y =-0.373 9x + 0.974 8 0.998 8 2.626 1 y =-0.353 1x + 0.959 3 0.996 5 2.646 9
YT3-19 y =-0.361 2x + 1.183 4 0.997 5 2.638 8 y =-0.334x + 1.15 0.998 2 2.666 0
YT3-22 y =-0.369x + 1.019 8 0.999 6 2.631 0 y =-0.342 5x + 1.026 0.990 1 2.657 5
YT3-23 y =-0.343x + 1.200 9 0.998 7 2.657 0 y =-0.348 2x + 1.163 4 0.997 9 2.651 8
YT3-25 y =-0.308 9x + 1.869 3 0.991 9 2.691 1 y =-0.253 9x + 1.839 5 0.995 7 2.746 1
YT3-26 y =-0.285x + 1.967 4 0.986 7 2.715 y =-0.217 5x + 1.947 1 0.998 7 2.782 5
YT3-27 y =-0.305 3x + 1.887 1 0.992 0 2.694 7 y =-0.231 3x + 1.876 1 0.999 2 2.768 7
YT3-28 y =-0.305 6x + 1.922 0.987 0 2.694 4 y =-0.193 7x + 1.945 3 0.991 7 2.806 3
YT3-29 y =-0.303 4x + 1.842 2 0.988 0 2.696 6 y =-0.195x + 1.858 9 0.991 8 2.805 0
YT3-30 y =-0.320 6x + 2.113 1 0.989 4 2.679 4 y =-0.202 6x + 2.128 3 0.999 6 2.797 4
YT3-31 y =-0.368 7x + 1.633 4 0.991 4 2.631 3 y =-0.238x + 1.671 9 0.994 4 2.762 0
YT3-32 y =-0.339 5x + 1.828 7 0.992 1 2.660 5 y =-0.232 7x +1 .856 3 0.998 4 2.767 3
从页岩样品的低温氮气吸附体积与相对压力的双对数曲线关系（图7，表3）可以看出，2个阶段的吸附体积与相对压力的双对数曲线拟合性较好，相关系数R 2均大于0.99，说明页岩孔隙表面和孔隙结构均具有良好的分形性质。页岩孔隙分形维数D 2均大于D 1（图8），说明孔隙内部结构复杂程度大于孔隙表面。相比低有机质丰度的龙马溪组上段，高有机质丰度的五峰组和龙马溪组下段页岩的孔隙表面分形维数D 1和孔隙结构分形维数D 2更大，即有机孔的增加在一定程度上促使孔隙表面粗糙度和孔隙结构越复杂，非均质性越强。
图8 基于液氮吸附分形维数分布

Fig.8 Fractal dimension distribution based on liquid nitrogen adsorption

5 讨论

分形维数一定程度上可以定量表征页岩孔隙表面及孔隙结构的复杂程度，已有的研究成果表明，页岩分形维数受控于多因素的影响［16-19，34］。鉴于此，本文分别讨论分形维数与有机碳含量（TOC）、矿物组分（黏土矿物、石英）含量及孔隙结构参数（比表面积、孔体积及孔径等）的关系。从图9、图10可以看出，分形维数与各单因素等相关系数均表现为D 2大于D 1。也就是说，相较于孔隙表面而言，孔隙结构的分形维数与各因素具有更好的相关性。
图9 分形维数与TOC、黏土矿物含量、石英、比表面积、孔容、平均孔径、孔隙度、渗透率的关系

Fig.9 Relationships between fractal dimension and TOC, clay mineral contents, quartz, specific surface area, total pore volume, average diameter, porosity and permeability

图10 分形维数与含气量、埋藏深度之间的关系

Fig.10 Relationship between fractal dimension and porosity, permeability gas content and depth

5.1　分形维数与页岩组成的关系

页岩2个吸附阶段的分形维数D 1、D 2 与有机碳（TOC）质量分数均为显著的正相关关系［图9（a）］，相关系数R 2分别为0.659和0.916 7。即随着TOC含量的增加，页岩孔隙结构和孔隙表面的分形维数相应增大，应是热成熟过程中，伴随着有机质生烃发育大量纳米级有机孔隙，从而使得页岩孔隙及表面复杂化所致。有机质质量分数的增大，使得页岩中纳米级有机孔隙增多，而有机微孔隙表面粗糙，从而为气体分子提供了更多的吸附位，增强了页岩的储集性能。
页岩分形维数D 1、D 2 与黏土矿物含量均呈负相关关系［图9（b）］，相关系数R 2分别为0.398 4和0.765 7。成岩过程中，压实作用促使黏土矿物颗粒排列更为致密，故随黏土矿物含量的增高，孔隙会更加规则，均质性增强［图11（a）］，从而分形维数变小，这与前人研究结果一致［16，19］。
图11 荆门页岩气井岩心样品SEM图像

Fig.11 SEM image of shale core samples in the Jingmen area

石英含量对原生粒间孔隙的保存具有一定积极作用，页岩分形维数与石英含量呈弱的正相关性［图9（c）］，与已有研究认为的呈较好的相关性存在少许差异［16］。页岩成岩过程中，鉴于石英的抗压实作用强，有利于原生粒间孔保存，脆性强受压产生微裂缝，其和黏土等柔性矿物接触处多形成粒缘缝［图11（a），图11（b）］，与黏土以层间缝为主相比，孔隙类型多样，结构复杂所致。
另外，多为生物成因的海相页岩石英与TOC具有正相关关系，鉴于生物成因的石英来源于不同构造的生物，从而发育复杂的有机质孔隙，促使分形维数变大［19，36］。

5.2　分形维数与孔隙结构的关系

页岩样品的分形维数与孔隙结构参数间的相关关系如图9（d）—图9（f）所示。 D 1和 D 2与BET比表面积均呈显著的正相关关系，即随比表面积增大，分形维数亦增大，相关系数R 2分别为0.684 6和 0.901 7；分形维数 D 1和 D 2与BJH孔体积显示出弱的正相关关系，即随孔体积的增大，分形维数增大，相关系数R 2分别为0.297 5和0.369；分形维数 D 1和 D 2与平均孔径表现为较为显著的负相关关系，即平均孔越小，分形维数则越大，相关系数R 2分别为0.557 8和0.968 5。一般来讲，比表面积的大小主要与微孔的发育程度有关，而总孔体积则与大孔发育程度相关［4-5，8-13］。结合上述分形维数与孔隙结构参数之间的相关性分析可以理解，平均孔径越小，页岩内所含的微孔、中孔隙越多，则比表面积越大，造成孔隙结构越复杂，孔隙表面越粗糙，分形维数越大。同时注意到D 2与孔隙各参数的相关性高于 D 1，表明比表面积较大，孔体积较大、孔径较小的页岩孔隙分形维数更高，内部孔隙结构更加复杂，这与前人的研究结果一致［16，19，36-37］。
从页岩分形维数与孔隙度、渗透率的相关性分析图［图9（g），图9（h）］可以看出，分形维数与孔隙度、渗透率基本无相关性。分析结果与以往研究认为具有较为明显的负相关性结论有较大的差异［16］，仔细考察造成这种差异的原因发现，文献［16］中孔隙的氮气吸附滞后环为H2型，对应细颈广体的墨水瓶孔，这样的孔隙结构不利于吸附气体的逸散，导致测试得到的渗透率最小，孔隙的分形维数增大。而本文的吸附滞后环类型为H3、H4 型，孔隙以平板状和狭缝型孔隙为主，而当孔隙形态由墨水瓶孔转向平板孔为主时，孔隙结构相对趋于简单，从而导致分析特征与文献［16］具有一定的差异性。

5.3　分形维数与含气量及页岩埋深的关系

从页岩分形维数与含气量的相关性图［图10（a）］可以看出，分形维数与含气量具有弱的正相关性（D 1和 D 2与含气量的相关系数R 2分别为0.388 1和0.529 6），即随着含气量的增加，分形维数也增大。也就是说含气量的增大一定程度上意味着孔隙空间增加，孔隙结构复杂化。页岩分形维数与埋藏深度相关性［图10（b）］显示出，随着埋深的增加，页岩分形维数D 1和 D 2也明显增加，即页岩分形维数与埋藏深度呈正相关性，相关系数R 2分别为0.453 9和0.758 3。说明一方面随着埋藏深度的增加，地温增高，页岩有机质进入高过成熟阶段，有机质强烈的生烃作用极大地增加了不规则有机微孔的数量；另一方面，随着压实作用的增强导致矿物孔隙空间减小，尤其是黏土矿物晶间及层间孔的减小却有利于孔隙的均质性增强，但总体上不规则有机微孔增加导致的孔隙结构和孔隙表面复杂化起主导作用，引起分形维数显著增加。本文研究与以往研究成果认为的随着埋深的增加页岩分形维数基本未发生明显变化的结论不一致［38-39］。导致这种差异的因素是由于研究层系的差别，还是页岩埋藏深度区间不一致等原因需要进一步研究来证实，这为今后利用分形维数特征研究页岩有机质孔隙随埋深的演化过程提供了一定的研究思路。

6 结论

（1）湖北荆门探区五峰组—龙马溪组储层具有较强的非均质性，表现为龙马溪组下段和五峰组较龙马溪组上段具有较高的有机质丰度、含气量和硅酸盐矿物含量，而黏土矿物的含量则较低；页岩气组成上，龙马溪组上段以氮气为主，而五峰组和龙马溪组下段则以甲烷为主。由此可见，从有机碳含量、脆性特征及含气性来看，下部储层要明显优于上部。
（2）页岩等温曲线的总体形态呈反“S”型，与IUPAC分类的Ⅳ型接近，以50 nm以下的微孔—中孔发育为主；回滞环近似H3、H4型，反映纳米级孔隙以平板状和狭缝型为主，揭示页岩含有较多的片状基质颗粒，这与测试样品具有较高质量分数的黏土矿物相符合；孔隙结构发育也显示出明显的非均质性：五峰组顶部和龙马溪下段较龙马溪组上段具有更大的BET比表面积和BJH总孔体积，而平均孔径却显著减小，造成这种显著差异的原因，主要是由于下段有机质丰度大于上段，有机微孔显著增加所引起的平均孔径变小，而比表面积和孔体积显著增加。
（3）页岩孔隙具有明显的分阶段分形特征（曲线拟合性较好，相关系数R 2均大于 0.99），分形维数 D 2均大于D 1，表明孔隙结构复杂程度大于孔隙表面；相比低有机质丰度的龙马溪组上段，五峰组和龙马溪组下段有机质丰度较高的页岩孔隙表面分形维数D 1和孔隙结构分形维数D 2更大，说明有机孔的增加一定程度上促使孔隙表面粗糙度和孔隙结构越复杂，非均质性越强；分形维数与有机碳（TOC）质量分数、BET比表面积、埋深呈显著的正相关关系，与石英含量、BJH总孔体积呈弱的正相关关系，与黏土矿物含量和平均孔径呈显著负相关关系，而与孔隙度和渗透率基本无相关性。分形维数及相关性研究具有特定的地质意义，如有机质生烃所形成的有机孔隙、矿物组成、埋深、压实作用对黏土组成及孔隙的影响等、可以一定程度上分析气体的储集和运移趋势等。

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