鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)太原組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征

吳泓辰，何金先 ，張曉麗，任澤強(qiáng) ，周逃濤，王愛寬

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.西南石油大學(xué) 天然氣地質(zhì)四川省重點實驗室，成都 610500）

孔隙是頁巖氣重要的儲集空間與滲流通道，孔隙結(jié)構(gòu)對頁巖氣的儲集、運移和賦存有著重要的影響。頁巖儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究已成為非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的研究熱點[1-5]。壓汞法是目前探討頁巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)的主要研究手段之一[6]。分形維數(shù)可用于表征固體表面和孔隙的復(fù)雜程度和非均質(zhì)性，已在煤巖孔隙研究中取得了豐富的成果[7]。運用分形理論探討頁巖孔隙結(jié)構(gòu)，定量表征其非均質(zhì)性，是研究頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的一種重要方法。

臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，是中國煤系氣共采的重要研究區(qū)域[8-9]。該地區(qū)石炭系—二疊系垂向上具有煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣等煤系“三氣”互相疊置的特點[8-9]，目前該區(qū)煤層氣與致密砂巖氣均已取得一定的勘探成果，但對于頁巖氣儲集層特征的認(rèn)識不足，制約了該區(qū)煤系氣共采的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，本文選擇鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)太原組頁巖為研究對象，通過高壓壓汞實驗和分形理論，獲取頁巖的孔徑分布和分形特征，并結(jié)合有機(jī)碳含量與頁巖礦物成分等基礎(chǔ)參數(shù)，探討分形維數(shù)的影響因素，以期為明確研究區(qū)頁巖氣儲集層特征和完善頁巖氣成藏機(jī)理以及煤系天然氣綜合勘探開發(fā)提供幫助。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地屬于大型多旋回克拉通盆地，構(gòu)造較為穩(wěn)定，經(jīng)歷了基底、盆地發(fā)展以及盆地改造等演化階段[10-11]。臨興地區(qū)繼承了鄂爾多斯盆地構(gòu)造演化特征，在中元古代—古生代處于相對隆起狀態(tài)，構(gòu)造平緩；早二疊世后海水在較短地質(zhì)時期內(nèi)向華北陸表海盆地東南部退卻，發(fā)育海陸過渡相—陸相沉積；侏羅紀(jì)末期抬升隆起[12]。

臨興地區(qū)構(gòu)造上處于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶（圖1），構(gòu)造以西傾單斜為主，地層傾角較小，東部受侵入巖影響隆起，斷裂發(fā)育，呈環(huán)形放射狀展布；中部為圍繞隆起發(fā)育的向斜區(qū)，呈環(huán)狀分布；西部、北部和南部為平緩褶皺區(qū)。

太原組為研究區(qū)主要含煤地層之一，以灰黑色頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖與砂巖互層、泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及煤層為主，屬于障壁海岸沉積體系[13-14]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2 實驗方法

樣品取自臨興地區(qū)LX-1井、LX-4井、LX-5井、LX-10井、LX-21井、LX-22井和LX-103井太原組頁巖，共12個，分別進(jìn)行了全巖X射線衍射、有機(jī)地球化學(xué)及高壓壓汞分析。

全巖X射線衍射所用儀器為德國布魯克公司生產(chǎn)的D8 ADVANCE型X射線衍射儀器，工作電壓40 kV，電流30 mA，入射側(cè)與衍射側(cè)索拉狹縫均為2.5°，采樣間隔0.019 450°，采用半定量原理計算頁巖樣品中不同礦物組分含量。有機(jī)碳含量使用德國椰拿multi EA 4000分析儀，高溫燃燒樣品后，利用紅外吸收的方法，通過測定二氧化碳峰面積來計算所測樣品的有機(jī)碳含量。高壓壓汞實驗在美國生產(chǎn)的Poremaster60GT孔隙測定儀上完成。汞對一般固體不潤濕，在沒有外在壓力的情況下，汞不能進(jìn)入頁巖的裂縫和孔隙中，施加的外在壓力越大，汞所能進(jìn)入的孔隙越小，壓汞分析的孔徑代表的是基質(zhì)連通通道的最小孔徑。本次實驗壓汞壓力從0.006 MPa持續(xù)增加到275.800 MPa，對應(yīng)的孔徑為0.005～200.000 μm，孔徑根據(jù)Washburn公式獲得[15]。

3 結(jié)果與討論

3.1 頁巖地球化學(xué)特征與礦物組成

臨興地區(qū)太原組頁巖樣品有機(jī)碳含量為1.59%～22.58%，平均為2.77%（表1）。根據(jù)北美頁巖評價標(biāo)準(zhǔn)[16]，有機(jī)碳含量大于2.00%即為有效頁巖，表明臨興地區(qū)太原組頁巖為較好的產(chǎn)氣烴源巖。有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型干酪根，鏡質(zhì)體反射率為1.00%～1.34%，平均為1.23%，頁巖處于中成熟階段。

頁巖樣品中主要礦物成分為石英和黏土礦物，其次為碳酸鹽礦物、長石和黃鐵礦。石英含量為20.07%～55.99%，平均為39.37%.長石含量為0～10.11%，平均為2.38%.碳酸鹽礦物含量為0～18.46%，平均為2.81%.黏土礦物含量為19.43%～78.08%，平均為52.70%.黃鐵礦含量為0～6.69%，平均為2.64%.頁巖脆性礦物含量決定了頁巖儲集層后期壓裂效果。國外學(xué)者通常認(rèn)為，石英為頁巖儲集層中的脆性礦物[17]，而中國學(xué)者認(rèn)為長石和碳酸鹽礦物含量的增加對頁巖儲集層改造有著積極效果，因此也屬于脆性礦物[18]。臨興地區(qū)太原組脆性礦物含量為21.92%～74.45%，平均為44.55%.與美國主要頁巖相比，研究區(qū)頁巖脆性礦物平均含量相對較低[19-20]，但基本滿足商業(yè)開采的下限。

表1 臨興地區(qū)太原組頁巖有機(jī)碳含量與礦物組成

3.2 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)

頁巖中的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑分布范圍較廣泛，目前對于頁巖孔隙孔徑分級尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但通常認(rèn)為頁巖孔隙中存在微孔（孔徑小于2 nm）、介孔（孔徑2～50 nm）以及大孔（孔徑大于50 nm）等納米級孔隙，也發(fā)育有大量微米級天然裂隙。

根據(jù)高壓壓汞實驗結(jié)果（圖2），臨興地區(qū)太原組頁巖孔徑（d）分布范圍較廣，從納米級孔隙到數(shù)十微米的裂隙均有分布，部分樣品孔徑分布整體呈現(xiàn)“雙峰式”的特點，兩個主峰分別由介孔—大孔以及大孔—裂隙組成，其中左峰面積遠(yuǎn)大于右峰面積（5～100 nm）；另外一些樣品呈單峰分布，僅有裂隙對應(yīng)的左峰。圖2中3號樣品出現(xiàn)的異常，其原因可能在于其有機(jī)碳含量遠(yuǎn)大于其他樣品，有機(jī)質(zhì)在生、排烴過程中能形成大量的孔隙，同時生烴作用也能使地層流體膨脹，從而產(chǎn)生大量微米級裂隙[5]。

不同頁巖中孔、裂隙發(fā)育狀況不一，可將頁巖孔—裂隙結(jié)構(gòu)分為孔隙優(yōu)勢發(fā)育型、裂隙優(yōu)勢發(fā)育型和孔—裂隙均等發(fā)育型[21]。從實驗結(jié)果可看出，裂隙對孔隙總體積的貢獻(xiàn)更大，臨興地區(qū)太原組頁巖主要為裂隙優(yōu)勢發(fā)育型。

圖2 臨興地區(qū)太原組頁巖壓汞孔徑分布

3.3 頁巖孔隙分形特征

分形理論由Mandelbrot在1975年提出，是描述事物不規(guī)則性及隨機(jī)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論[22]。能夠有效描述自然界和非線性系統(tǒng)中不光滑和不規(guī)則幾何形體，可用于研究多種自然現(xiàn)象，國內(nèi)外眾多學(xué)者已對煤儲集層孔裂隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了充分的分形理論研究。基于Washburn公式和Menger海綿模型構(gòu)造思想，可推導(dǎo)出孔隙分形維數(shù)計算公式：

式中 D——頁巖孔隙分形維數(shù)，無量綱；

p——實驗壓力，MPa；

Vp——壓力p下的進(jìn)汞體積，mL/g.

根據(jù)（1）式對壓汞數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后根據(jù)頁巖樣品ln（dVp/dp）與lnp的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得出斜率（圖3），從而得出不同頁巖樣品的分形維數(shù)D（表2）。

由圖3可知，ln（dVp/dp）與lnp擬合結(jié)果存在兩種情況，與兩種孔徑分布特征相對應(yīng)。圖3a中l(wèi)n（dVp/dp）與lnp關(guān)系存在2個階段，對應(yīng)具有“雙峰式”孔徑分布的樣品，每個階段都具有較好的線性相關(guān)，說明臨興地區(qū)太原組頁巖孔隙分形維數(shù)具有分界點，其壓力界限為14.7 MPa左右，對應(yīng)孔徑范圍為100 nm左右，即處于大孔范圍內(nèi)。根據(jù)不同階段的進(jìn)汞量來看，第一個階段主要對應(yīng)微米級裂隙分形特征，第二個階段對應(yīng)納米級大孔及介孔分形特征。圖3b只存在第一個階段，對應(yīng)僅有“單峰”的樣品，只體現(xiàn)出裂隙的分形特征。將大孔—裂隙分形維數(shù)記為D1，介孔—大孔分形維數(shù)記為 D2，D1為 2.326 2～2.610 3，平均為2.473 1，D2為2.704 1～3.697 1，平均為3.321 4.一般情況下，孔隙分形維數(shù)應(yīng)該為2～3[23-24]，文獻(xiàn)［25］認(rèn)為高壓條件下煤的壓縮性可導(dǎo)致分形維數(shù)大于3，因此D2大于3可能與高壓條件下巖石孔隙發(fā)生變形有關(guān)，同時也可能由于壓汞對納米級孔隙描述不夠精準(zhǔn)，因而導(dǎo)致分形維數(shù)大于3或缺少該段的分形維數(shù)，但此時分形維數(shù)仍具有一定的物理意義。

圖3 臨興地區(qū)太原組頁巖孔隙分形擬合圖

表2 臨興地區(qū)太原組頁巖孔隙分形維數(shù)計算結(jié)果

對臨興地區(qū)太原組頁巖孔隙分形維數(shù)與有機(jī)碳含量、脆性礦物含量和黏土礦物含量進(jìn)行線性擬合（圖4）。由圖4可知，分形維數(shù)D1和D2與有機(jī)碳含量無明顯相關(guān)性，但低有機(jī)碳含量頁巖樣品的分形維數(shù)D1分布相對更廣，表明在有機(jī)碳含量較低的情況下，裂隙的非均質(zhì)性受有機(jī)碳的影響較小，而隨著有機(jī)碳含量的上升，有機(jī)質(zhì)孔占頁巖整體孔隙比例不斷上升，逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，使得孔隙非均質(zhì)性特征整體相似。分形維數(shù)D1和脆性礦物含量呈微弱負(fù)相關(guān)，而與黏土礦物含量呈微弱正相關(guān)，D2與脆性礦物含量呈負(fù)相關(guān)，而與黏土礦物含量呈正相關(guān)。這一現(xiàn)象表明，脆性礦物含量的增加能降低頁巖儲集層孔隙的非均質(zhì)性，而黏土礦物含量的增加則能增加頁巖儲集層孔隙的非均質(zhì)性。

研究區(qū)太原組頁巖孔隙分形維數(shù)與礦物成分的相關(guān)關(guān)系，與中國其他地區(qū)海相頁巖中的對應(yīng)相關(guān)關(guān)系相反[24]，其原因可能在于，其他地區(qū)海相頁巖中有機(jī)碳含量與成熟度均較高，有機(jī)質(zhì)中存在著大量的孔隙，分形維數(shù)主要受到有機(jī)質(zhì)豐度控制，且石英又主要為生物成因，與有機(jī)碳含量具有較好的正相關(guān)關(guān)系，使得石英含量與分形維數(shù)也有著正相關(guān)關(guān)系。而臨興地區(qū)太原組屬于海陸過渡相沉積，石英主要來源于陸源碎屑，與有機(jī)碳含量無明顯相關(guān)關(guān)系，石英等脆性礦物含量的增加，有利于頁巖儲集層微裂隙的形成，使得頁巖孔隙結(jié)構(gòu)均一化，從而降低了非均質(zhì)性；而黏土礦物種類較多，不同類型黏土礦物孔隙空間具有一定的差異，使得其提供的孔隙較脆性礦物更為復(fù)雜，因此增加了孔隙非均質(zhì)性。

圖4 臨興地區(qū)太原組頁巖孔隙分形維數(shù)與有機(jī)碳含量及礦物成分的關(guān)系

孔隙分形維數(shù)越大，通常代表孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，體現(xiàn)為孔徑分布多樣，孔壁粗糙，孔隙非均質(zhì)性強(qiáng)。具有較高分形維數(shù)的頁巖孔隙通常具有較大的比表面積，對甲烷吸附能力較強(qiáng)，但孔隙連通性越差，不利于氣體滲流和解吸附[26]?？傮w而言，太原組頁巖孔隙分形維數(shù)D1中等，而D2相對較大，這一特征首先表明在太原組頁巖孔隙孔徑較小，其孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時也表明頁巖中納米級的孔隙是吸附態(tài)頁巖氣的主要儲集空間，而較大的微米級裂隙和大孔主要作為游離態(tài)氣體的儲集空間及滲流通道。另一方面，由太原組頁巖孔隙分形維數(shù)與黏土礦物含量及脆性礦物含量的相關(guān)關(guān)系可知，黏土礦物含量高而脆性礦物含量較低的頁巖樣品分形維數(shù)更大，對甲烷有著更強(qiáng)的吸附能力，因而此類頁巖儲集層中可能吸附有更多的頁巖氣，但相對較低的脆性礦物含量將導(dǎo)致此類頁巖對后期壓裂改造有著更高的要求。

4 結(jié)論

（1）臨興地區(qū)太原組頁巖有機(jī)碳含量為1.59%～22.58%，平均為2.77%；脆性礦物含量為21.92%～74.45%，平均為44.55%；黏土礦物含量為19.43%～78.08%，平均為52.70%.根據(jù)壓汞結(jié)果，頁巖孔徑分布具有“雙峰式”的分布特點，較大的主峰對應(yīng)微米級裂隙與大孔，較小的主峰對應(yīng)納米級大孔和介孔。

（2）利用分形理論研究頁巖儲集層孔隙非均質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)樣品的分形維數(shù)擬合結(jié)果可分為兩段，第一段對應(yīng)微米級裂隙，其分形維數(shù)D1為2.326 2～2.610 3，平均為2.473 1.第二段對應(yīng)納米級大孔和介孔等孔隙，其分形維數(shù)D2為2.704 1～3.697 1，平均為3.321 4.

（3）太原組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性主要受石英等脆性礦物與黏土礦物含量控制。頁巖中有機(jī)碳含量與孔隙分形維數(shù)無明顯相關(guān)關(guān)系，但有機(jī)碳含量較低的頁巖樣品，其分形維數(shù)分布范圍更廣。脆性礦物含量與分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)，黏土礦物含量與分形維數(shù)呈正相關(guān)，表明脆性礦物含量的增加使得頁巖孔隙結(jié)構(gòu)均一化，從而降低了非均質(zhì)性，而黏土礦物提供的孔隙較脆性礦物更為復(fù)雜，因此增加了孔隙非均質(zhì)性。

（4）太原組頁巖中較小的納米級孔隙是吸附態(tài)頁巖氣的主要儲集空間，而較大的微米級裂隙主要作為游離態(tài)氣體的儲集空間及滲流通道。黏土礦物含量高而脆性礦物含量較低的頁巖樣品分形維數(shù)更大，對甲烷有著更強(qiáng)的吸附能力，但同時對壓裂改造有著更高的要求。