Natural Gas Geoscience >

2022 , Vol. 33 >Issue 12: 1911 - 1925

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.09.005

Pore structure characteristics and main controlling factors of Permian organic-rich shale in Lower Yangtze Region

  • Dishi SHI , 1 ,
  • Qiuchen XU , 1 ,
  • Ruiliang GUO 2 ,
  • Enran LIU 1 ,
  • Disi ZHU 1 ,
  • Yanhong WANG 1 ,
  • Buqing WANG 3 ,
  • Zhiyong OUYANG 4
Expand
  • 1. Oil and Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 100083, China
  • 2. School of Earth Sciences and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China
  • 3. Changsha Natural Resources Comprehensive Survey Center, China Geological Survey, Changsha 410600, China
  • 4. Beijing Institute of Exploration Engineering, China Geological Survey, Beijing 100083, China

Received date: 2022-07-24

  Revised date: 2022-09-05

  Online published: 2022-12-29

Supported by

The Geological Survey Project of China Geological Survey(DD20190725)

Fold

Highlights

It is well accepted that organic-rich shale has been widely developed and distributed in the Lower Yangtze Region. However, no obvious breakthrough has been made in this area. In this study, two sets of organic-rich shale in the Permian Dalong Formation and Wujiaping Formation in Well WWD4 were collected, and the microscopic pores of the Permian organic-rich shale in the Wangjiang Depression of the Lower Yangtze Region were qualitatively observed and quantitatively studied. Based on this, the main controlling factors of TOC and mineral composition on the specific surface area of ​pores at different scales were discussed. The results show that the distribution of shale pores in the Dalong and Wujiaping shale is dominated by micropores and mesopores. The development of pores in the Upper Permian Dalong shale and Wujiaping shale in the Wangjiang Depression of the Lower Yangtze Region is closely related to organic matters. The positive correlation between micropore specific surface area and pore volume and TOC content proves that organic matter is the main controlling factor for the development of micropores. The weak correlation between the specific surface area and pore volume of meso-macropores and TOC content indicates that clay minerals, feldspar and other mineral could contribute to the intergranular pores and dissolution pores. Meanwhile, clay content, TOC content and specific surface area (pore volume) in Wujiaping Formation shale exist internal relations. However, no correlation between the content of quartz and carbonate minerals and the total specific surface area (pore volume) exist in the Dalong shale. However, a certain negative correlation between the quartz content and the total specific surface area (pore volume) of Dalong shale can be found, and the total specific surface area (pore volume) of shale decreases with the increase of quartz content. Overall, this study provides basic parameters and theoretical basis for the exploration and development of shale gas in the Lower Yangtze Region.

Cite this article

Dishi SHI , Qiuchen XU , Ruiliang GUO , Enran LIU , Disi ZHU , Yanhong WANG , Buqing WANG , Zhiyong OUYANG . Pore structure characteristics and main controlling factors of Permian organic-rich shale in Lower Yangtze Region[J]. Natural Gas Geoscience, 2022 , 33(12) : 1911 -1925 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.09.005

0 引言

作为一种重要的非常规天然气资源，页岩气的勘探与开发受到了广泛关注［1-3］。目前，我国上扬子地区古生界页岩气勘探取得了突破，主要包括四川盆地奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩气［4-5］。然而，作为重要的页岩气远景区之一［6］，我国下扬子地区虽然发育有多套厚层富有机质页岩，但是目前为止还未取得明显突破。
与常规天然气相比，页岩气具有自生自储的典型特征［7-8］。烷烃气体在页岩介质中的赋存形式多样，主要包括孔隙中的吸附态气体、裂隙中的游离态气体以及液态烃中的溶解态气体［9-10］。总体而言，页岩中的吸附态气体占比约为20%~85%［11］。吸附态与游离态作为页岩气重要的赋存状态，与页岩介质及发育的微观孔隙结构密切相关［12-14］。气体分子与孔隙之间的相互作用方式与孔隙大小具有直接关系［15］。气体分子在大孔中主要以扩散形式流出孔隙，几乎不存在吸附作用。随着孔隙直径的减少，气体分子在孔隙内的赋存将以吸附为主［16］。因此，页岩的微观孔隙结构控制着气体的渗流过程与吸附形式，进而影响页岩含气性评价。目前主要通过低压氮气吸附、低压二氧化碳吸附等实验手段进行页岩微观孔隙结构的分析与评价［17-21］。对于低压氮气吸附而言，由于氮气分子的动力学半径相对较大，造成其表征页岩微孔结构不甚可靠，更适用于表征页岩介孔—大孔结构。而低压二氧化碳吸附实验具有更髙的温度与更小的分子动力学半径，其在表征小于2 nm的微孔中更具优势［22-23］。因此，通过低压氮气—二氧化碳吸附联用可以对页岩微观孔隙结构进行准确分析［24］。
中国地质调查局油气资源调查中心于2021年在下扬子沿江褶断带望江坳陷部署了页岩气地质调查井WWD4井，钻遇了二叠系大隆组、吴家坪组与孤峰组优质泥页岩，获取了下扬子地区二叠系页岩气评价关键参数，对评价该地区资源潜力具有重要意义。本文研究以WWD4井二叠系大隆组与吴家坪组2套富有机质页岩为研究对象，进行总有机碳（TOC）含量、矿物组成、低压氮气吸附、低压二氧化碳吸附分析及氩离子抛光—扫描电镜观察。其中吴家坪组在皖南地区仅在宿松—东至一带出露，与龙潭组属于同期沉积，前人对这一地区该层系页岩并未开展系统工作，导致有关该层系页岩孔隙结构及控制因素的相关研究比较薄弱。本文在此基础上，对下扬子地区望江坳陷二叠系富有机质页岩的微观孔隙进行了定性观察与定量化表征，计算了页岩孔隙的分形维数，讨论了TOC与矿物组成对不同尺度孔隙的比表面积的主控因素。通过该项研究，以期为下扬子地区页岩气的勘探与开发提供基础参数与理论依据。

1 地质背景

下扬子地区位于扬子板块东缘，其与华北板块以郯庐断裂带为界限，与华夏地块以江山—绍兴断裂带为界限［6，25-26］。早古生代下扬子陆缘海盆是在陆壳基底上形成“一台两盆”的沉积格局。晚古生代是被动大陆边缘陆表海盆地形成阶段，形成“多盆多台、台盆相间”的格局。印支末期—燕山早期是挤压改造期，扬子板块向华北板块俯冲碰撞，华北板块前缘带上冲，皖南南部盆地区构造上返，原先的早古生代“一台两盆”发生构造反向，形成“两背一向”构造格局。晚白垩世，郯庐断裂从左行剪切为主变为以右行剪切为主，部分逆断层发生构造负反转，在整体沉降背景下，形成了晚白垩世和古近纪2期断—坳复合型盆地［27-29］。
望江坳陷位于下扬子陆块的沿江褶断带，沿江褶断带南东界为江南断裂，北西界为郯庐断裂，整体呈NE向展布（图1）。望江坳陷的形成和演化主要受盆地北缘边界断裂及南东侧沿江断裂带所控制，为南华纪—三叠纪基础上发育的中新生代坳陷［30］。望江坳陷基底是经过前震旦纪阶段演化所形成。晋宁运动时期，基底岩层发生不同程度变形并进入稳定的盖层发育阶段，中三叠世进入板内变形阶段。除中下泥盆统缺失外，其他层系均有不同程度的沉积，包括下寒武统、上奥陶统—下志留统和中上二叠统3套富有机质页岩地层［31］。本文研究对象为中上二叠统大隆组与吴家坪组富有机质页岩。吴家坪组系龙潭组同期异相沉积，仅分布于宿松—东至一带［32］，为一套碳酸盐岩沉积，下部为滨海沼泽相沉积，岩性为炭质页岩、含粉砂质炭质页岩。上部为浅海台地相沉积，岩性以灰色、灰黑色厚层泥晶灰岩、含燧石结核泥晶灰岩生物碎屑灰岩为主。大隆组主要以浅海—滨海相的硅质岩及硅质页岩为主。WWD4井位于望江坳陷南部斜坡带，处于江南隆起向望江坳陷过渡的冲断抬升带。
图1 下扬子地区望江坳陷区域构造图（a）［33］与WWD4井地层柱状图（b）

Fig.1 Regional structural map（a） of Wangjiang Depression in Lower Yangtze Region［33］ and stratigraphic histogram of Well WWD4（b）

2 样品与实验

本文研究中，采集位于望江坳陷南部斜坡带的页岩气地质调查井WWD4井大隆组与吴家坪组岩心样品各6个，合计12个。然后进行总有机碳（TOC）含量、矿物组成、低压氮气吸附、低压二氧化碳吸附分析及氩离子抛光—扫描电镜观察。具体实验分析方法如下：
（1）总有机碳（TOC）含量：称取约0.1 g粉末页岩样品（>200目）进行过量盐酸酸解，反应温度保持60~80 ℃约2 h。反应完全后，将反应溶液用蒸馏水冲洗至中性并烘干，样品残渣上机进行总有机碳含量测定。仪器选用LECO-CS230型碳硫分析仪，总有机碳（TOC）含量数据单位采用质量百分比。
（2）矿物组成：样品粉碎至200目后应用Bruker D8 Advance多晶X射线衍射仪进行全岩矿物组成的测试。测试条件如下：Cu靶X光管电压≤40 kV，电流≤40 mA，测角仪工作方式为θ/θ方式，扫描范围0°~140°，测角仪精度为0.000 1°，准确度≤0.02°。
（3）低压氮气与二氧化碳吸附：低压氮气与二氧化碳吸附均在安东帕公司（原美国康塔公司）生产的Autosorb IQ全自动气体吸附仪上完成。首先，取粉碎至60~80目的页岩样品1 g左右并在150 ℃进行12 h的脱气后再进行上机测试。低压氮气吸附实验中，实验测试温度为-195.8 ℃，低压氮气吸附测试的压力（P/P 0）范围为0~1。低压二氧化碳吸附实验中，实验测试温度为-100 ℃，低压氮气吸附测试的压力（P/P 0）范围为0~0.03。其中，低压氮气吸附主要用于测定页岩中中孔（2~50 nm）与宏孔（>50 nm）特征，而低压二氧化碳吸附则主要测定页岩中微孔（<2 nm）特征。
（4）氩离子抛光—扫描电镜观察：本文研究中，选取4个典型页岩样品借助FEI Nova Nano SEM 450型扫描电子显微镜进行孔隙结构和矿物成分的微观观察和鉴定。首先使用砂质对样品进行打磨；接着采用Gatan 685 PECS II型抛光镀膜仪进行氩离子束吹扫，每个样品在5.00 μA的电流和6.00 kV的加速电压下抛光2.5 h；最后进行上机观察，观测倍数范围介于500×~100 00×。同时利用能谱仪（EDS）对矿物进行鉴定。

3 结果与讨论

3.1　页岩有机质丰度与全岩矿物组成特征

下扬子地区望江坳陷二叠系富有机质页岩有机质含量与矿物组成特征如表1所示。大隆组页岩有机质丰度较高，其TOC含量分布范围为4.54%~11.60%，平均值为8.13%。吴家坪组页岩有机质丰度较低，其TOC含量分布范围为0.29%~14.50%，平均值为3.30%。大隆组页岩与吴家坪组页岩的矿物组成特征存在一定差异。大隆组页岩主要矿物为石英、黏土矿物和方解石，其平均含量分别为44.5%、27.3%和12.1%。而吴家坪组页岩主要矿物为石英和黏土矿物，其平均含量为40.9%和40.5%，吴家坪组页岩黏土矿物含量明显高于大隆组页岩且不含有碳酸盐矿物。同时，大隆组页岩和吴家坪组页岩均含有少量的钾长石、云母和黄铁矿。
表1 下扬子地区望江坳陷二叠系富有机质页岩有机质含量与矿物组成特征

Table 1 TOC contents and mineral composition characteristics of Permian organic-rich shale in Wangjiang Depression, Lower Yangtze Region

层位 样品编号 深度/m TOC/% 矿物组成/%
石英 钾长石 斜长石 磷铝矿 云母 黄铁矿 黏土矿物 方解石 白云石
大隆组 WWD4-11 2 278.20 10.90 33.0 2.3 0.0 4.7 9.4 0.0 31.1 17.4 2.1
WWD4-13 2 280.25 6.86 45.2 2.2 0.0 14.1 0.0 0.0 33.5 5.0 0.0
WWD4-14 2 281.30 11.60 43.6 2.1 0.0 11.8 6.0 2.3 29.8 4.4 0.0
WWD4-15 2 282.31 9.69 49.4 2.2 0.0 10.9 0.0 0.0 24.2 13.3 0.0
WWD4-17 2 284.30 4.54 48.5 3.2 0.0 11.6 0.0 0.0 25.1 11.6 0.0
WWD4-18 2 284.90 5.21 47.1 3.6 0.0 8.0 0.0 0.0 20.3 21.0 0.0
吴家坪组 WWD4-27 2 437.20 14.50 26.6 1.7 0.0 0.0 6.6 1.9 63.2 0.0 0.0
WWD4-29 2 439.10 1.24 41.0 2.0 0.0 13.1 6.0 2.2 35.7 0.0 0.0
WWD4-31 2 441.20 1.23 34.2 4.4 0.0 4.8 22.0 0.0 34.6 0.0 0.0
WWD4-33 2 443.20 1.16 42.8 2.4 0.0 5.6 9.8 0.0 39.4 0.0 0.0
WWD4-35 2 445.30 1.37 50.1 2.5 0.0 7.4 7.7 0.0 32.3 0.0 0.0
WWD4-37 2 447.10 0.29 50.7 2.3 0.0 9.2 0.0 0.0 37.8 0.0 0.0

3.2　孔隙类型及微观特征

根据页岩孔隙类型划分方案［34］，望江坳陷大隆组和吴家坪组页岩微观孔隙类型主要包括粒间粒内孔、溶蚀孔及微裂缝。具体来说，粒间粒内孔主要为黏土矿物粒间及晶间孔和原生残余粒间孔，黏土矿物粒间及晶间孔主要发育在草莓状黄铁矿单矿物之间呈细小不规则状［图2（a）］，直径小于0.1 μm，或与絮状伊利石、伊/蒙混层层间以近平行狭缝状、无序状发育［图2（b），图2（e），图2（h），图2（i）］，直径介于0.1~0.3 μm之间；原生残余粒间孔主要发育于碎屑颗粒之间，呈不规则多边形状［图2（b），图2（c），图2（f），图2（i）］，直径分布范围较广，从<0.1~0.5 μm均有发育；此外，样品还发育少量脆性颗粒内纳米级别的粒内孔（主要为微孔）。溶蚀孔以碳酸盐矿物如方解石、白云石内部呈圆形发育为主［图2（d）］，直径为0.2 μm左右，内部常被絮状伊利石充填，一定程度影响内部的渗流性能。微裂缝主要以脆性矿物边缘收缩缝或绕草莓状黄铁矿集合体一周的收缩缝为主要发育形式［图2（b），图2（g），图2（h）］，缝宽小于1 μm，长度可达数十微米。
图2 大隆组与吴家坪组页岩孔隙类型及微观特征FE-SEM照片

(a)WWD4-11,2 278.2 m,草莓状黄铁矿中发育较多粒间孔，周边见少量黏土矿物晶间孔和碎屑矿物粒间孔；(b)WWD4-11,2 278.2 m,长条状纳米级别脆性矿物成岩收缩缝，另可见少量黏土矿物晶间和粒间微孔；(c)WWD4-11,2 278.2 m,脆性矿物粒间纳米级别孔缝；(d)WWD4-17,2 284.3 m,圆形溶蚀粒内孔后期充填丝缕状伊利石；(e)WWD4-17,2 284.3 m,丝缕状伊利石内发育片状、狭缝状等不规则晶间孔；(f)WWD4-27,2 437.2 m,狭缝状、长条状原生残余粒间孔缝；(g)WWD4-27,2 437.2 m，草莓状黄铁矿整体与周围介质间发育矿物收缩缝，周围有机质中不发育有机质孔；(h)WWD4-27,2 437.2 m,矿物颗粒边缘及周围伊利石和伊/蒙混层中分别发育收缩缝和黏土矿物粒间孔；(i)WWD4-35,2 445.3 m，分散狭缝、不规则形状粒间孔及黏土矿物粒间孔，偶见有机质发育

Fig.2 FE-SEM images of pore types and microscopic characteristics of shale in Dalong and Wujiaping formations

镜下观察显示大隆组与吴家坪组页岩孔隙类型以无机孔为主，孔隙半径较小，原生残余粒间孔和伊利石层间晶间孔在孔隙系统中孔径相对较大，构成了样品孔隙系统的主体，同时也是页岩样品储集和渗流的主要空间和通道。总体而言，吴家坪组黏土矿物粒间及晶间孔更为发育，大隆组则相对发育粒间孔和成岩收缩缝，黏土矿物晶间孔发育尺度较小，形状也较为不规则，因此大隆组孔隙系统储集性能和渗流能力理应更好，这可能与吴家坪组处于海陆过渡相变部位有关，沉积时期的水体淋滤作用使原始沉积物表面易于形成蒙脱石和绿泥石包膜，为后期伊利石、伊/蒙混层及绿/蒙混层晶间孔的形成提供了原始物质。所有样品中有机质孔都较不发育，也可能是受尺度较小，在扫描电镜分辨率下不易观察所致。

3.3　孔隙结构特征

下扬子地区望江坳陷大隆组与吴家坪组页岩的低压氮气吸附—脱附等温曲线如图3所示。IUPAC将氮气吸附等温曲线分为6类。而在本文研究中，下扬子地区望江坳陷大隆组与吴家坪组页岩的氮气等温吸附曲线特征为IV型，出现吸附回滞环，表明多孔吸附剂出现毛细凝聚。IUPAC将回滞环分为5类，而本文研究中所选择的页岩样品的回滞环总体上以H3型为主，表明了片状颗粒的非刚性聚集体的典型特征。
图3 页岩样品氮气吸附—脱附等温曲线

Fig.3 Nitrogen adsorption-desorption isotherm curves of shale samples

根据IUPAC划分的孔隙类别，微孔、介孔和大孔分别为孔直径小于2 nm、介于2~50 nm之间和大于50 nm的孔隙。由于低温氮气吸附实验和低温二氧化碳吸附实验所选择吸附质的分子直径与实验温度的差异，二者表征的孔隙结构范围存在一定的差别。总体而言，低温氮气吸附主要表征2 nm以上的孔隙，而低温二氧化碳吸附则以表征微孔为主。由氮气吸附实验获取的页岩样品BET比表面积、孔容和平均孔径数据与由二氧化碳吸附实验获取的页岩样品BET比表面积、孔容与平均孔径数据见表2。由实验结果可知，大隆组岩样的BET比表面积范围为4.335~20.062 m2/g，平均值为10.043 3 m2/g，DR比表面积范围为7.03~24.077 m2/g，平均值为18.406 m2/g，吴家坪组岩样的BET比表面积范围为2.783~12.352 m2/g，平均值为7.145 m2/g，DR比表面积为10.086~41.044 m2/g，平均值为16.466 m2/g。总体而言，BET比表面积和DR比表面积均表现出大隆组整体大于吴家坪组，表明大隆组岩样具有更高的比表面积。
表2 下扬子地区望江坳陷大隆组和吴家坪组页岩比表面积与孔容特征

Table 2 Characteristics of specific surface area and pore volume of shale in Dalong Formation and Wujiaping Formation in Wangjiang Depression of Lower Yangtze Region

层位 样品编号 深度/m 氮气吸附 二氧化碳吸附
BET比表面积/（m2/g） 孔容/（mL/g） 平均孔直径/nm DR比表面积/（m2/g） 微孔孔容/（mL/g） 平均孔直径/nm
大隆组 WWD4-11 2 278.20 5.858 0.009 7 7.761 23.012 0.009 0.848
WWD4-13 2 280.25 8.838 0.008 0 4.965 18.82 0.007 0.865
WWD4-14 2 281.30 20.062 0.017 6 5.002 24.077 0.009 0.855
WWD4-15 2 282.31 12.945 0.014 4 5.825 20.7 0.008 0.823
WWD4-17 2 284.30 4.335 0.003 5 4.696 7.03 0.003 0.853
WWD4-18 2 284.90 7.671 0.008 8 5.884 16.798 0.006 0.854
吴家坪组 WWD4-27 2 437.20 12.352 0.010 4 4.868 41.044 0.015 0.819
WWD4-29 2 439.10 2.783 0.004 5 7.502 11.79 0.004 0.784
WWD4-31 2 441.20 3.975 0.009 0 10.02 12.114 0.005 0.784
WWD4-33 2 443.20 8.588 0.009 6 5.884 11.873 0.004 0.825
WWD4-35 2 445.30 7.567 0.009 5 6.414 11.887 0.004 0.864
WWD4-37 2 447.10 7.607 0.008 2 5.789 10.086 0.004 0.869
页岩孔隙比表面积和孔隙容积分布特征如图4和图5所示。结果表明，大隆组和吴家坪组页岩孔隙分布特征类似，均以微孔与中孔为主。同时，按照IUPAC划分的不同类型孔隙直径分布范围，对页岩样品的微孔、介孔和大孔进行了定量化计算，计算结果如表3所示。计算结果也表明了大隆组和吴家坪组页岩孔隙分布以微孔与中孔为主。其中，大隆组页岩中微孔的比表面积为7.579 5~25.709 1 m2/g，平均为19.516 9 m2/g，吴家坪组岩样中微孔的比表面积为10.930 3~30.515 0 m2/g，平均值为15.975 5 m2/g。
图4 页岩孔隙比表面积分布图

Fig.4 Distribution map of shale pore specific surface area

图5 页岩孔隙容积分布

Fig.5 Shale pore volume distribution map

表3 页岩微孔、介孔和大孔的比表面积和孔隙容积

Table 3 Specific surface area and pore volume of shale micropores, mesopores and macropores

样品编号 比表面积/（m2/g） 孔隙容积/（cm3/g）
总和 微孔 介孔 大孔 总和 微孔 介孔 大孔
WWD4-11 29.264 7 24.010 0 5.175 8 0.078 9 0.017 0 0.007 4 0.008 1 0.0015
WWD4-13 24.303 1 19.431 8 4.832 9 0.038 4 0.013 1 0.006 0 0.006 3 0.000 7
WWD4-14 36.959 7 25.709 1 11.092 6 0.158 0 0.026 5 0.008 1 0.015 4 0.003 0
WWD4-15 30.314 1 22.719 4 7.458 0 0.136 7 0.020 8 0.006 9 0.011 3 0.002 6
WWD4-17 9.576 6 7.579 5 1.972 5 0.024 6 0.005 6 0.002 4 0.002 7 0.000 5
WWD4-18 22.188 7 17.651 3 4.470 4 0.067 0 0.013 4 0.005 5 0.006 6 0.001 3
WWD4-27 53.108 0 30.515 0 8.399 3 0.076 0 0.025 6 0.013 4 0.010 8 0.001 4
WWD4-29 16.827 3 13.945 1 2.879 8 0.002 4 0.009 4 0.004 3 0.005 0 0.000 1
WWD4-31 18.202 8 14.302 0 3.772 7 0.128 1 0.014 0 0.004 4 0.007 1 0.002 5
WWD4-33 19.746 4 13.467 0 6.186 9 0.092 5 0.015 0 0.004 2 0.009 2 0.001 6
WWD4-35 18.641 9 12.693 6 5.836 5 0.111 8 0.014 7 0.004 1 0.008 9 0.001 8
WWD4-37 16.499 0 10.930 3 5.475 7 0.093 0 0.012 9 0.003 6 0.007 5 0.001 7

3.4　分型维数模型与计算

当前研究普遍认为，分形维数可以描述孔隙结构的不规则性，并评估页岩中的复杂形状［35］。之前研究提出了获得分形维数的不同方法和模型，包括FHH模型、Langmuir模型、热力学模型及BET模型［36-37］。在上述方法和模型中，FHH模型被认为是获得分形维数和描述页岩孔隙不规则几何结构的最有效方法［35］。FHH分形维数可直接从低压氮气吸附实验数据中获取，表达式如下：
L n V = λ ⋅ L n L n P 0 P + K
式（1）中：V和P 0分别表示吸附N2的平衡体积（单位：cm3/g）和N2的饱和压力（单位：MPa）。λ和K分别是线性校正系数和常数。
分形维数D可由下式计算：
D = λ + 3
在不同的压力下，N2具有不同的吸附形式，根据吸附等温线曲线的不同阶段，将压力分为2组进行线性拟合：①P/P 0=0~0.5。在该压力下的拟合中，FHH分形维数D 1表示低压下微孔表面粗糙度和孔隙结构的不均匀性；②P/P 0=0.5~1。在该压力下的拟合中，FHH分形维数D 2表示在较高压力下孔隙结构的非均质性和相对大的孔隙。页岩样品的FHH分形维数拟合结果如图6所示，计算得分形维数如表4所示。
图6 页岩样品FHH分形维数拟合

Fig.6 FHH fractal dimension fitting diagram of shale samples

表4 页岩样品FHH分形维数计算

Table 4 Calculation of FHH fractal dimension of shale samples

样品编号 P/P 0=0~0.5 P/P 0=0.5~1
λ 1 R 2 D 1=3+λ 1 λ 2 R 2 D 2=3+λ 2
WWD4-11 -0.652 9 0.978 0 2.347 1 -0.222 2 0.948 4 2.777 8
WWD4-13 -0.591 4 0.962 2 2.408 6 -0.140 4 0.922 8 2.859 6
WWD4-14 -0.489 9 0.955 8 2.510 1 -0.152 7 0.956 5 2.847 3
WWD4-15 -0.563 7 0.953 2 2.436 3 -0.181 5 0.969 1 2.818 5
WWD4-17 -0.550 9 0.918 1 2.449 1 -0.130 7 0.938 1 2.869 3
WWD4-18 -0.580 2 0.957 8 2.419 8 -0.166 5 0.944 0 2.833 5
WWD4-27 -0.415 4 0.993 8 2.584 6 -0.144 7 0.924 6 2.855 3
WWD4-29 -0.668 0 0.984 1 2.332 0 -0.224 6 0.919 0 2.775 4
WWD4-31 -0.670 2 0.974 0 2.329 8 -0.298 9 0.966 6 2.701 1
WWD4-33 -0.430 5 0.982 5 2.569 5 -0.174 5 0.960 0 2.825 5
WWD4-35 -0.443 0 0.988 3 2.557 0 -0.200 8 0.947 8 2.799 2
WWD4-37 -0.445 7 0.977 7 2.554 3 -0.172 1 0.937 1 2.827 9
前人研究表明，低压下的N2吸附（P/P 0=0~0.5）受范德华力控制，说明从P/P 0=0~0.5获得的D 1可以作为孔隙表面粗糙度的指标。而相对高压下的N2吸附（P/P 0=0.5~1）受多层吸附的影响，因此从P/P 0=0.5~1获得的D 2可以作为孔隙系统不规则性的指标。随着页岩孔隙的不规则几何结构变得更加复杂，分形维数也会变大。
由表4可知，D 1值的范围为2.329 8~2.584 6（平均值为2.458 2），而D 2值的范围为2.701 1~2.869 3（平均值为2.815 9），可以看出D 2值总体上大于D 1值，表明页岩整个孔隙结构的非均质性略强于孔隙表面粗糙度和微孔不规则性。另外，大隆组的D 1值（平均值为2.428 5）比吴家坪组（平均值为2.487 9）略小，说明大隆组孔隙表面粗糙程度略低于吴家坪组；而大隆组的D 2值（平均值为2.834 3）比吴家坪组（平均值为2.797 4）略大，说明大隆组孔隙的非均质性要强于吴家坪组。
对于页岩样品分形维数的计算和对比有助于为研究区页岩孔隙系统储集和渗流能力评估提供定量依据，进而为页岩含气性的评价提供科学参考。结合大隆组和吴家坪组页岩样品的扫描电镜观察结果可以发现，虽然大隆组与吴家坪组孔隙类型均以无机孔为主，但大隆组孔隙系统从尺度较大的脆性矿物粒间孔和颗粒间的成岩收缩缝到尺度细微的黏土矿物粒间及晶间孔均有发育，发育较广的孔隙半径范围直接体现在其具有较大的D 2，也即孔隙系统整体非均质性更强，而脆性矿物孔的发育则使表征孔隙表面粗糙度的D 1相对较小；吴家坪组孔隙发育类型则主要以黏土矿物粒间及晶间孔为主，尽管絮状伊利石和伊/蒙混层层间的微孔非均质性和孔隙表面粗糙度较强［图2（e），图2（h），图2（i）］，但孔隙系统整体以微孔为主，孔径分布更为集中，除WWD4-27之外其他样品微孔比表面积都极为近似（表3），对应于分形维数，这就造成吴家坪组D 1略高于大隆组，而D 2则明显小于大隆组，孔隙结构和尺度整体更为均质。大隆组与吴家坪组在D 2上的差异会直接体现在微孔的渗流能力上，吴家坪组微孔非均质性和迂曲度更小会具有更好的渗流能力，而大隆组虽然微孔非均质性更强，但其较吴家坪组更大的微孔比表面积和容积则对应了更好的孔隙储集能力。

3.5　页岩孔隙的主控因素研究

3.5.1　页岩孔隙特征参数与有机质丰度的关系

对于典型的四川盆地五峰组—龙马溪组海相页岩而言，前人［38-40］开展的大量研究表明其有机质孔发育且TOC与比表面积之间具有较好的正相关关系，其比表面积（孔体积）随着TOC含量的增加而增加，这是由于海相页岩在生烃演化过程中有机质发育大量有机质纳米孔隙所导致。其次，对南华北盆地海陆过渡相页岩微观孔隙结构与甲烷吸附性能进行了实验研究［20］。结果表明，南华北盆地海陆过渡相页岩的比表面积与孔体积和TOC含量之间不具有明显的相关关系。同时，该地区甲烷吸附量（V L）与黏土矿物含量之间具有较好的正相关性。对鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩孔隙特征进行了研究［41］，结果表明BET比表面积与TOC含量呈正相关。按照IUPAC孔隙分类对总孔容、微孔孔容、介孔孔容和大孔孔容与TOC含量的相关性进行了研究［42］，表明了总孔容、微孔孔容和介孔孔容与TOC含量之间具有明显的正相关关系。
图5为下扬子地区望江坳陷二叠系大隆组与吴家坪组页岩比表面积［图7（a）—图7（d）］和孔体积［图7（e）—图7（h）］与页岩总有机碳含量（TOC）之间的相关关系。由图5可知，大隆组页岩和吴家坪组页岩的总比表面积、微孔比表面积、总孔体积与微孔孔体积和TOC含量之间具有良好的正相关性。而大隆组页岩与吴家坪组页岩的介孔比表面积、大孔比表面积、介孔孔体积与大孔孔体积和TOC之间相关性较差。但是由于吴家坪组页岩样品中TOC分布范围较广，为0.29%~14.50%，且多数样品TOC含量在1.00%左右。因此，TOC含量为14.50%的页岩样品会对整体线性关系产生明显的影响。在本文研究中，在吴家坪组页岩全体样品拟合的基础上，也对剔除TOC值为14.50%的页岩样品数据后进行了线性拟合，结果表明，剔除髙TOC含量样品后，吴家坪组页岩TOC值与比表面积之间的相关性有所降低，但是微孔比表面积和孔体积之间与TOC含量之间仍然具有较好的相关性，其决定系数R 2分别为0.689 5与0.788 2，表明虽然高TOC含量样品对相关性产生了一定的影响，但并不影响整体结论。本文研究结果与前人研究结果基本一致。前人对皖南地区中二叠统孤峰组、上二叠统龙潭组和大隆组页岩进行研究，结果表明其比表面积与TOC含量之间具有明显的正相关性［43］。芜湖地区中二叠统孤峰组、上二叠统龙潭组和大隆组页岩比表面积与TOC含量之间具有类似的相关关系［44］。总体而言，下扬子地区望江坳陷上二叠统大隆组和吴家坪组的孔隙发育与有机质关系密切。其中微孔比表面积和孔体积与TOC含量良好的相关关系证明了有机质是微孔发育的主要控制因素，由于微孔发育，造成在镜下观察时有机质孔不能够完全观察（图2）。而介孔—大孔的比表面积和孔体积与TOC含量之间相关关系减弱表明除了有机质的贡献外，还有黏土矿物、长石等矿物产生的粒间孔与溶蚀孔的贡献。但是本文研究中吴家坪组高TOC含量样品较少，相关分析可能产生一定误差，在后续研究中需要补充样品进一步研究。
图7 下扬子地区望江坳陷二叠系大隆组和吴家坪组页岩比表面积与孔体积与TOC含量之间的关系

Fig.7 Relationship between specific surface area， pore volume and TOC content of shale in the Permian Dalong Formation and Wujiaping Formation in the Wangjiang Depression of the Lower Yangtze Region

3.5.2　页岩孔隙特征参数与黏土矿物含量的关系

下扬子地区望江坳陷二叠系大隆组和吴家坪组页岩比表面积与孔体积与黏土矿物含量之间的关系如图8所示。结果表明，大隆组页岩孔隙比表面积和孔体积与全岩黏土矿物含量之间并不存在明显的对应关系。若剔除黏土矿物含量为63.2%的吴家坪组页岩样品后，其余样品黏土矿物含量约为30%~40%，其与比表面积和孔体积之前并没有明显的相关性。但是，对于吴家坪组而言，其黏土矿物含量为63.2%样品也具有较高的比表面积与孔体积。同时，对大隆组和吴家坪组页岩黏土矿物含量与TOC含量之间的相关关系进行了研究（图9）。结果表明，大隆组页岩黏土矿物含量与TOC含量之间没有明确的相关性，低黏土矿物含量的吴家坪组页岩样品的黏土矿物含量与TOC含量之间没有明显的相关性。但是，黏土矿物含量为63.2%的吴家坪组页岩样品具有明显高于其余该组页岩样品的TOC值。因此，整体而言，吴家坪组页岩TOC含量、孔隙结构与黏土矿物之间可能存在一定的内在联系。
图8 下扬子地区望江坳陷二叠系大隆组和吴家坪组页岩比表面积与孔体积与黏土矿物含量之间的关系

Fig.8 Relationship between specific surface area， pore volume and clay mineral content of shale in the Permian Dalong Formation and Wujiaping Formation in the Wangjiang Depression of the Lower Yangtze Region

图9 下扬子地区望江坳陷二叠系大隆组和吴家坪组页岩黏土矿物含量与TOC含量之间的关系

Fig.9 Relationship between clay mineral content and TOC content in Permian Dalong Formation and Wujiaping Formation in Wangjiang Depression of Lower Yangtze Region

黏土矿物与有机质可以结合成有机黏土复合体，其中也发育有大量有机孔［43］，从而造成吴家坪组页岩黏土含量与TOC含量之间以及黏土含量与比表面积（孔体积）之间的所具有的内在关系。对于海相大隆组页岩而言，沉积水体较为安静，原始粒间孔保存较好，这在扫描电镜观察中得出的大隆组孔隙类型以粒间孔和成岩收缩缝为主有所体现，后期成岩改造中流体流动较为畅通，黏土矿物形成比较少，本文研究中的矿物组成特征也证明这一论述（表1）。而海陆过渡相吴家坪组页岩沉积时期在水体淋滤作用下原生黏土矿物较多，后期有机质和黏土矿物转化互为促进，形成较多黏土矿物晶间孔，使微孔的比表面积显著增加。

3.5.3　页岩孔隙特征参数与脆性矿物含量的关系

大隆组页岩与吴家坪组页岩脆性矿物组成特征存在一定差异。大隆组页岩的脆性矿物主要为石英与碳酸盐矿物（方解石与白云石），而吴家坪组页岩中几乎不存在碳酸盐矿物，其脆性矿物主要为石英。因此，本文研究中主要针对大隆组页岩石英和碳酸盐矿物及吴家坪组页岩石英含量与总比表面积（孔体积）的关系进行研究。图10为大隆组和吴家坪组页岩比表面积与孔体积与脆性矿物含量之间的关系。结果表明，大隆组石英和碳酸盐矿物含量与页岩总比表面积（孔体积）之间不存在相关性。而吴家坪组石英含量与页岩总比表面积（孔体积）之间存在一定的负相关性，页岩总比表面积（孔体积）随着石英含量的升高而降低。虽然石英晶体不存在孔隙，但是石英颗粒与其他矿物周缘存在大量孔隙。石英含量随着孔体积、孔比表面积的降低而减少，原因可能是孔隙以黏土矿物孔隙为主，而脆性矿物周缘孔隙相对较低所造成。
图10 下扬子地区望江坳陷二叠系大隆组和吴家坪组页岩比表面积与孔体积与脆性矿物含量之间的关系

Fig.10 Relationship between specific surface area， pore volume and brittle mineral content of shale in the Permian Dalong Formation and Wujiaping Formation in the Wangjiang Depression of the Lower Yangtze Region

4 结论

本文以下扬子地区望江坳陷二叠系大隆组与吴家坪组二套富有机质页岩为研究对象，结合低压氮气吸附与低压二氧化碳吸附进行了全尺度孔隙结构的研究。在此基础上，结合总有机碳（TOC）含量、矿物组成及氩离子抛光—扫描电镜观察，对富有机质页岩的微观孔隙进行了定性观察与定量化表征，计算了页岩孔隙的分形维数，讨论了TOC与矿物组成对不同尺度孔隙的比表面积的主控因素。主要结论如下：
（1）镜下观察显示大隆组与吴家坪组页岩孔隙类型以无机孔为主，孔隙半径较小，原生残余粒间孔和伊利石层间晶间孔在孔隙系统中孔径相对较大，构成了样品孔隙系统的主体，同时也是页岩样品储集和渗流的主要空间和通道。
（2）大隆组和吴家坪组页岩孔隙分布以微孔与中孔为主。其中，大隆组页岩中微孔的比表面积为7.579 5~25.709 1 m2/g，平均值为19.516 9 m2/g；吴家坪组岩样中微孔的比表面积为10.930 3~30.515 0 m2/g，平均值为15.975 5 m2/g。
（3）分形维数研究结果表明，大隆组的D 1（平均值为2.428 5）比吴家坪组（平均值为2.487 9）略小，说明大隆组孔隙表面粗糙程度略低于吴家坪组；而大隆组的D 2（平均值为2.834 3）比吴家坪组（平均值为2.797 4）略大，说明大隆组孔隙的非均质性要强于吴家坪组。
（4）大隆组和吴家坪组的孔隙发育与有机质关系密切。其中微孔比表面积和孔体积与TOC含量良好的相关关系证明了有机质是微孔发育的主要控制因素，由于微孔发育，造成在镜下观察时有机质孔不能够完全观察。而介孔—大孔的比表面积和孔体积与TOC含量之间相关关系减弱表明了除了有机质的贡献外，还有黏土矿物、长石等矿物产生的粒间孔与溶蚀孔的贡献。对于脆性矿物而言，大隆组石英和碳酸盐矿物含量与页岩总比表面积（孔体积）之间不存在相关性。而吴家坪组石英含量与页岩总比表面积（孔体积）之间存在一定的负相关性。

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