四川盆地樂(lè)地1井須家河組泥頁(yè)巖段孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征差異性對(duì)比

鄧 濤, 李 勇, 汪正江, 余 謙, 胡文超, 趙少澤, 董順利

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081)

四川盆地頁(yè)巖氣資源潛力巨大，海相頁(yè)巖氣已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[1-3]。四川盆地總體經(jīng)歷了海相、陸相兩大沉積演化階段，發(fā)育了海相、海陸過(guò)渡相、陸相3類(lèi)6套有利的頁(yè)巖氣富集層系[4]。前人[5-7]對(duì)海相五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖的沉積相、儲(chǔ)層特征、頁(yè)巖氣富集機(jī)制等進(jìn)行了全方位多視角研究；而對(duì)四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組第一、第三、第五段(分別簡(jiǎn)稱為“須一段”、“須三段”、“須五段”)黑色頁(yè)巖研究較少，且目前關(guān)于須家河組沉積環(huán)境和沉積相爭(zhēng)議較大。鄭榮才等[8]認(rèn)為須家河組為多類(lèi)型陸相沉積體系復(fù)合體，須二段-須六段全為陸相沉積體系。侯方浩等[9]主要強(qiáng)調(diào)須二、須四、須六段湖泊灘壩觀點(diǎn)，也認(rèn)為須家河組全為典型的陸相沉積。不同于以上兩種觀點(diǎn)，趙霞飛等[10]提出了淺海潮汐砂壩觀點(diǎn)，認(rèn)為安岳地區(qū)須二段至須六段砂巖中發(fā)育有典型的雙向交錯(cuò)層理和雙黏土層等潮汐成因標(biāo)志的典型沉積構(gòu)造，因此，須家河組均屬于淺海潮汐成因產(chǎn)物，為典型的海相沉積。小塘子組(相當(dāng)于須一段)具有典型的海相指相性化石，海相沉積環(huán)境已得到公認(rèn)。而針對(duì)須家河組到底是陸相還是海相的這一爭(zhēng)論，施振生等[11]通過(guò)物源、沉積構(gòu)造、黏土礦物、硼鉀比和有機(jī)地球化學(xué)等多數(shù)據(jù)整合分析認(rèn)為：須一段為海相沉積；須三段為海陸過(guò)渡相沉積，并以海相沉積為主體；須五段為陸相沉積，但仍受到海侵作用的影響。筆者采用施振生的觀點(diǎn)。

頁(yè)巖為典型的以微米-納米級(jí)孔隙十分發(fā)育為特征的復(fù)雜非均質(zhì)多孔固體介質(zhì)[12]。頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征(孔徑、總孔體積、比表面積、孔隙形態(tài)和分布以及連通性等)是決定其儲(chǔ)集性能和滲流能力的重要因素[13]，因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和精確量化以上參數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)和成藏機(jī)理研究均具有重要意義[13-14]。目前，研究頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的方法總體分為定性表征和定量評(píng)價(jià)兩大類(lèi)[15]：前者主要利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)等高分辨率測(cè)試儀器進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)特征的定性重構(gòu)表征；后者利用低溫氮?dú)馕降葘?shí)驗(yàn)量化孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。在諸種測(cè)試方法中，低溫氮?dú)馕娇讖綔y(cè)量下限值約為 0. 35 nm，對(duì)納米級(jí)微孔的量化優(yōu)勢(shì)突出，而被廣泛應(yīng)用。

分形(fractal)理論最初是由B.B.Mandelbrot于1982年創(chuàng)立的非線性數(shù)學(xué)理論[16]，其核心思想是物體的自相似性或標(biāo)度不變性，實(shí)質(zhì)是通過(guò)分形維數(shù)(fractal dimension)D值來(lái)量化客觀物體的不規(guī)則性和復(fù)雜性，D值越大，物體非均質(zhì)性越強(qiáng)。而在FHH (Frenkel-Halsey-Hill)分形理論[17]指導(dǎo)下結(jié)合低溫氮?dú)馕綌?shù)據(jù)的儲(chǔ)層孔隙分形特征量化評(píng)價(jià)在煤層[18]、砂巖[19]、海相頁(yè)巖[20-21]、陸相頁(yè)巖[22]、海陸過(guò)渡相頁(yè)巖[23]等常規(guī)與非常規(guī)儲(chǔ)層中均有應(yīng)用，但尚未見(jiàn)到對(duì)具不同沉積環(huán)境下的須家河組泥頁(yè)巖段(須一、須三、須五段)孔隙結(jié)構(gòu)分形特征的對(duì)比研究。黃金亮等[22]籠統(tǒng)地將須家河組頁(yè)巖段全作為陸相沉積體系來(lái)綜合評(píng)價(jià)整個(gè)須家河組泥頁(yè)巖段的孔隙分形特征，并與龍馬溪組海相頁(yè)巖和美國(guó)New Albany海相頁(yè)巖做了對(duì)比研究，但其忽略了組內(nèi)不同沉積環(huán)境和熱演化特征頁(yè)巖的差異性對(duì)比研究。

基于此，筆者以川西南地區(qū)樂(lè)地1井須家河組全取心段井下樣品為研究對(duì)象，進(jìn)行低溫氮?dú)馕?、有機(jī)碳含量(TOC)、鏡質(zhì)體反射率(Ro)、有機(jī)地球化學(xué)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡/能譜分析、X射線全巖和黏土礦物含量等一系列分析測(cè)試，探討須家河組內(nèi)部不同層位泥頁(yè)巖段儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征差異性，進(jìn)而討論不同沉積環(huán)境下的泥頁(yè)巖分形維數(shù)的控制因素與差異機(jī)理。

1 樣品與測(cè)試方法

1. 1 樣品來(lái)源

實(shí)驗(yàn)樣品均取自川西拗陷南段須家河組頁(yè)巖氣探井——樂(lè)地1井中的須家河組泥頁(yè)巖地層巖心，共選擇了不同深度、具有代表性的黑色泥頁(yè)巖樣品 12 塊，須一、須三和須五段各4塊樣品。

1. 2 測(cè)試儀器與方法

全巖礦物和黏土礦物含量定量測(cè)試是利用ZJ207 Bruker D8 advance_X射線衍射儀，依據(jù)SY/T5163-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)；Ro測(cè)試是利用Leica DM4500P偏光顯微鏡(ZJ257)和CRAIC顯微光度計(jì)(ZJ280)，依據(jù)SY/T 5124-2012行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，并保證每個(gè)樣品至少有30個(gè)測(cè)點(diǎn)；SEM/能譜測(cè)試是利用ZJ266+ZJ263 JEOL JSM-6610LV掃描電鏡和OXFORD X-max能譜儀，根據(jù)GB/T 18295-2001和GB/T 17359-2012兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)由國(guó)土資源部重慶礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心采用美國(guó) Quantachrome 公司生產(chǎn)的比表面測(cè)定儀 Auto-sorb S1，并依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6154-1995測(cè)試。實(shí)驗(yàn)流程是在-195.8℃的低溫環(huán)境下以超高純度氮?dú)鉃槲劫|(zhì)，采用容積法測(cè)定不同比壓下氮?dú)獾奈搅亢徒馕?，最后利用獲得的數(shù)據(jù)采用經(jīng)典模型計(jì)算得到量化的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本次研究對(duì)泥頁(yè)巖孔徑的劃分方案按 IUPAC分類(lèi)方法[24]，即微孔(直徑d<2 nm )、介/中孔(2 nm≤d≤50 nm)和大/宏孔(d>50 nm)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 頁(yè)巖基本特征

據(jù)全巖XRD礦物成分分析結(jié)果，須一、須三、須五段泥頁(yè)巖樣品全巖礦物組成變化較大(表1)，頁(yè)巖樣品均以石英和黏土礦物為主，所有樣品石英的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w石英)為40.6%，其中須五段平均值為44.3%，須三段平均值為40.4%，須一段平均值為37.0%，表明從須五段至須一段脆性礦物石英含量漸少，黏土礦物總量增加；脆性礦物其次為長(zhǎng)石，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.4%。所有樣品黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.0%，高嶺石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為3.5%，綠泥石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為4.08%。須家河組頁(yè)巖黏土礦物類(lèi)型以伊蒙混層為主，伊蒙混層(I/S)相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值高達(dá)78.58%，間層比為8.33%；伊利石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為10.83%；綠蒙混層(C/S)相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為3.58%，混層比為14.67%；各樣品均未檢測(cè)出蒙脫石。有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)、油浸鏡質(zhì)體反射率(Ro)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。wTOC為0.89%～2.07%，平均值為1.68%；Ro為1.03%～2.20%，平均為1.79%，處于高熟大量生(濕)氣階段。

表1 樂(lè)地1井須家河組頁(yè)巖樣品特征Table 1 Shale sample characteristics of the Xujiahe Formation in Well LD-1

2.2 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同學(xué)者對(duì)泥頁(yè)巖孔隙類(lèi)型的劃分方案不同，本文參照經(jīng)典的運(yùn)用較廣的R.G.Loucks等[25]分類(lèi)方案，即將頁(yè)巖孔隙分為礦物基質(zhì)孔(又分為粒間孔和粒內(nèi)孔2個(gè)亞類(lèi))、裂縫孔隙、有機(jī)質(zhì)孔三大類(lèi)[26]。根據(jù)掃描電鏡(SEM)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，須家河組頁(yè)巖孔隙發(fā)育程度一般，但有機(jī)質(zhì)較發(fā)育，主要存在的孔隙類(lèi)型為礦物溶蝕孔隙(圖1-A、B)，其次為少量有機(jī)質(zhì)孔隙(圖1-C)和黃鐵礦晶間孔隙(圖1-D、E)。礦物溶蝕孔多為黏土礦物和碎屑顆粒間、顆粒內(nèi)溶蝕孔，多呈不規(guī)則狀，連通性較差。見(jiàn)少量微裂縫(圖1-A、F)，縫寬約0.060～0.162 μm，連通性差。草莓狀黃鐵礦晶粒之間的孔隙中往往充填有機(jī)質(zhì)。

2.3 吸附-解吸曲線特征

樂(lè)地1井須家河組不同泥頁(yè)巖段樣品吸附曲線整體呈現(xiàn)反“S”形特征，但在形態(tài)上稍有差異(圖2)。吸附曲線大致可分為3段：①初始階段(p/p0<0.45)，頁(yè)巖孔隙與氮?dú)夥肿又g存在強(qiáng)烈的分子間范德華作用力，主要為單分子層吸附向多分子層吸附過(guò)渡。②過(guò)渡階段(0.45≤p/p0<0.9)，為多分子層吸附，吸附、解吸曲線分離，形成滯后環(huán)或吸附回線。③高比壓段(p/p0≥0.9)，吸附等溫線突然增大，氮?dú)庠陧?yè)巖表面發(fā)生毛細(xì)管凝聚作用，在高壓力段頁(yè)巖仍未達(dá)到吸附飽和點(diǎn)。從圖2可以看出，樣品氮?dú)馕胶徒馕€約在中比壓p/p0≈0.45時(shí)分離，出現(xiàn)寬大或狹窄的滯后環(huán)，根據(jù)吸附-解吸曲線過(guò)渡階段的滯后回環(huán)形狀，依據(jù)國(guó)際IUPAC等溫線和滯后環(huán)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[24]，吸附-解吸等溫線與其Ⅳ類(lèi)最為接近，說(shuō)明樣品主要發(fā)育中孔，可見(jiàn)少量微孔和大孔[27]。

圖1 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下的頁(yè)巖樣品孔隙類(lèi)型Fig.1 FE-SEM images showing pore types of shale samples (A)有機(jī)質(zhì)孔隙，0.075～0.823 μm，LD-03; (B)礦物溶蝕孔隙，黃鐵礦晶間孔隙，有機(jī)質(zhì)發(fā)育，微裂縫，0.090～0.555 μm，LD-09; (C)礦物溶蝕孔隙，微裂縫，0.154～2.729 μm，LD-05; (D)微米級(jí)礦物溶蝕孔隙，0.505～3.335 μm; (E)礦物粒間孔隙，被有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦充填，LD-10; (F)礦物溶蝕孔隙， 微裂縫， 0.06～0.203 μm， LD-12。圖中OM為有機(jī)質(zhì)， Py為黃鐵礦晶體

圖2 頁(yè)巖樣品低溫液氮吸附-解吸曲線Fig.2 Adsorption-desorption curve of shale samples under lower-temperature liquid nitrogen

頁(yè)巖不同孔徑范圍的形態(tài)差異性會(huì)導(dǎo)致其連通性各異，因而可以利用滯后環(huán)判斷頁(yè)巖孔隙類(lèi)型[18]。根據(jù) IUPAC[24]中對(duì)滯后環(huán)的分類(lèi)，須家河組泥頁(yè)巖樣品的滯后環(huán)主要有2類(lèi)：H2型和H3型。H2型(LD-8、LD-12等)表現(xiàn)為在低比壓區(qū)吸附-解吸曲線以基本重合狀平行式緩慢穩(wěn)定上升，在相對(duì)壓力p/p0≈0.45時(shí)解吸量突然增大，出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，解吸曲線比吸附曲線陡峭，兩線分離，出現(xiàn)寬大的滯后環(huán)，說(shuō)明孔隙類(lèi)型主要為狹縫狀和裂縫型毛細(xì)孔，呈細(xì)頸廣體的墨水瓶狀等無(wú)定形微孔，孔隙類(lèi)型十分復(fù)雜。墨水瓶狀孔隙有利于氣體的吸附聚集，但不利于氣體滲流解吸；而微裂縫有利于氣體的游離解吸[23]。H3(LD-3樣品)型表現(xiàn)為吸附-解吸曲線隨p/p0增加均緩慢上升，但不重合，p/p0>0.45時(shí)滯后環(huán)亦不明顯，表征出樣品以四周開(kāi)放的平行板孔類(lèi)孔隙為主[23]，也存在少量?jī)啥碎_(kāi)放的細(xì)頸廣體墨水瓶狀孔和狹縫狀孔隙或微裂隙，為多種孔隙類(lèi)型的復(fù)合混雜體，連通性好，有利于氣體運(yùn)移。

2.4 孔徑分布

利用BJH 模型計(jì)算出須家河組頁(yè)巖樣品的孔徑分布特征(圖3)。從圖3可看出，頁(yè)巖孔徑為1～65 nm，以納米級(jí)孔隙為主，且孔徑分布曲線具有單峰特征，峰值孔徑主要為2～4.5 nm，12個(gè)頁(yè)巖樣品的BJH平均孔徑為6.986 975 nm；因此，依據(jù)IUPAC的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，須家河組不同層位泥頁(yè)巖段樣品的孔徑以中孔為主，同時(shí)含有一定量的微孔和大孔。值得注意的是，須一、須三、須五段泥頁(yè)巖樣品的孔徑均以中孔為主的共性下，也有顯著的孔徑大小差異性特征：須五段BJH平均孔徑為8.023 35 nm，須三段BJH平均孔徑為7.411 25 nm，而須一段BJH平均孔徑為5.526 325 nm，表明隨著頁(yè)巖熱演化程度、埋深的增大或時(shí)代變老，樣品中有機(jī)質(zhì)微-中孔增加并占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致平均孔徑減小。

圖3 須家河組泥頁(yè)巖孔徑分布圖Fig.3 Pore size distribution of shale samples of the Xujiahe Formation

2.5 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表2)，須家河組不同層位泥頁(yè)巖段孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有顯著差異性。須五段BET比表面積為1.076～7.469 m2/g，平均為3.505 175 m2/g；須三段多點(diǎn)BET法比表面積為1.313 9～9.530 4 m2/g，平均為4.914 85 m2/g；須一段海相頁(yè)巖BET比表面積為18.585 5～19.661 5 m2/g，平均為18.991 45 m2/g。顯然，時(shí)代越老、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖熱演化程度越高，有機(jī)質(zhì)微熱氣孔占比越多，頁(yè)巖孔隙比表面積越大。須五段BJH總孔容為0.002 3～0.009 2 cm3/g，變化不大，4個(gè)樣品均值為0.004 35 cm3/g；須三段BJH總孔容為0.002 8～0.008 cm3/g，均值為0.005 425 cm3/g；須一段海相頁(yè)巖BJH法總孔容為0.012 6～0.017 7 cm3/g，差異變化最小，均值為0.014 65 cm3/g。據(jù)以上各層位泥頁(yè)巖段BJH總孔容分析結(jié)果可知：①由新到老，從須五段陸相頁(yè)巖過(guò)渡到須三段海陸過(guò)渡相頁(yè)巖最終至須一段海相頁(yè)巖，泥頁(yè)巖BJH模型總孔容逐漸變大；且相比于須三段和須五段頁(yè)巖而言，須一段海相頁(yè)巖BJH總孔容大了1個(gè)數(shù)量級(jí)，表明頁(yè)巖微孔隙廣泛發(fā)育。②頁(yè)巖平均孔徑(表2)的減小引起頁(yè)巖比表面積和總孔容的增加，并且據(jù)不同層位頁(yè)巖孔隙不同孔徑范圍的孔隙體積百分比(圖4)可看出，從須五段至須一段，頁(yè)巖孔隙的微孔和中孔體積均不斷增大；而相反的是，須五段頁(yè)巖大孔體積占總孔體積的均值為18.28%，表明隨著頁(yè)巖熱演化程度的提高，須五段頁(yè)巖孔隙以中-大孔為主的無(wú)機(jī)礦物粒間孔轉(zhuǎn)變?yōu)轫氁欢蔚囊杂袡C(jī)質(zhì)微-中孔為主。

3 孔隙分形維數(shù)

采用現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的由P.P.Pfeifer[17]提出的基于FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型的分形維數(shù)計(jì)算方法

lnV=kln[ln(p0/p)]+C

(1)

D=k+3

(2)

式中：V為不同相對(duì)壓力(p/p0)下吸附氣體體積；p0為氮?dú)怙柡驼魵鈮?k為直線斜率；C為常數(shù)；D為分維數(shù)。

表2 等溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Pore structure parameters of shale samples of isothermy nitrogen adsorption

圖4 須家河組頁(yè)巖樣品不同孔徑孔隙體積占比分布直方圖Fig.4 Histogram showing the proportion of pore volume distribution for different pore diameters of the Xujiahe Formation shale samples

按照氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以lnV對(duì)ln[ln(p0/p)]作雙對(duì)數(shù)圖，得到直線斜率k，帶入(2)式可得分維值D。根據(jù)多孔固體介質(zhì)孔隙的分形意義，分形維數(shù)值通常介于2～3之間[23]。分形維數(shù)越接近 2，孔隙表面越規(guī)則；越接近 3，孔隙表面越不規(guī)則，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，非均質(zhì)性越強(qiáng)[18,21]。

頁(yè)巖孔隙具有多分形結(jié)構(gòu)特性，不同孔徑范圍計(jì)算得到的分維值所量化的孔隙結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)集機(jī)理有別。由圖2可知，等溫吸附-解吸曲線分支線在相對(duì)壓力>0.45時(shí)脫離，出現(xiàn)吸附回線，因此p/p0>0.45和p/p0<0.45這2個(gè)比壓區(qū)反映了2種不同的吸附機(jī)理。另外，基于 FHH 模型得到的lnV與ln[ln(p0/p)]之間的線性特征，數(shù)據(jù)散點(diǎn)明顯分布在2段直線上(圖5)，顯示須家河組頁(yè)巖樣品孔隙具有典型的雙重分形特征。據(jù)此，筆者分段擬合了不同孔徑區(qū)間或不同比壓范圍的頁(yè)巖孔隙分形特征。依據(jù)FHH分形模型分段擬合不同相對(duì)壓力區(qū)數(shù)據(jù)點(diǎn)線段的直線斜率并計(jì)算得到樣品相關(guān)系數(shù)和雙重分形維數(shù)值[23]，如圖5和表3所示，D1和D2分段線性擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)，除LD-12樣品的D2擬合直線相關(guān)系數(shù)在0.949 5，其他的均大于0.97，線性擬合度極高，表明須家河組不同層位泥頁(yè)巖樣品具有顯著的雙重分形特征。

表3 基于FHH模型的頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)Table 3 Pore fractal dimensions of shale based on FHH model

圖5 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下須家河組部分頁(yè)巖樣品低溫氮?dú)馕襟w積與相對(duì)壓力關(guān)系圖Fig.5 Plots of lnV-ln[ln(p0/p)] derived from low-temperature nitrogen adsorption curve of partial samples in Xujiahe Formation

據(jù)表3可知，須五段D1為2.646 2～2.808 7，平均為2.750 75，接近于3，反映須五段泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，非均勻性較強(qiáng)；D2為2.575 3～2.627 1，平均為2.608 525。須三段D1為2.674 2～2.833 5，平均為2.766 7，接近于3；D2為2.474 9～2.654，平均為2.574 95。須一段(或小塘子組)D1為2.839 4～2.872 2，平均為2.854 575；D2為2.602 8～2.708 2，平均為2.650 925。以上各層位泥頁(yè)巖段與黃金亮等[22]認(rèn)為的須家河組泥頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)在2.60～2.75大致相似。對(duì)比可知，須家河組泥頁(yè)巖段具有以下2個(gè)顯著特征：①高比壓區(qū)(p/p0>0.45)頁(yè)巖大孔隙分形維數(shù)值D1均明顯大于低比壓區(qū)(p/p0<0.45)頁(yè)巖小孔隙的分維值，表明頁(yè)巖大孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，非均質(zhì)性更強(qiáng)；②須一段海相頁(yè)巖相較于須三段海陸過(guò)渡相頁(yè)巖和須五段陸相頁(yè)巖而言，其D1值和D2都最大，表明須一段海相頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)最復(fù)雜，非均質(zhì)性最強(qiáng)，可能與高的TOC和黏土礦物含量等有關(guān)(見(jiàn)下文詳述)。

4 頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)特征

頁(yè)巖孔隙分維值受諸如TOC含量、熱成熟度、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、全巖礦物和/或黏土礦物類(lèi)型和含量等的影響，探討其相關(guān)性，有助于我們更深入地了解影響頁(yè)巖孔隙非均質(zhì)性的機(jī)制和因素，進(jìn)而探索優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的發(fā)育機(jī)理。

4.1 分形維數(shù)與TOC及Ro的關(guān)系

TOC含量和有機(jī)質(zhì)熱演化程度對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙發(fā)育程度控制作用明顯。由圖6頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)與TOC含量相關(guān)性分析結(jié)果可知，須一、須三和須五段頁(yè)巖大孔隙分形維數(shù)值D1與TOC含量具有強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2>0.85；但是不同層段頁(yè)巖小孔隙D2值與TOC含量的相關(guān)性多變，總體具有弱-中等的正相關(guān)性，其中須一段樣品的D2與TOC相關(guān)系數(shù)R2僅為0.130 4。我們認(rèn)為這是由于須一段頁(yè)巖樣品的TOC含量變化極小(wTOC為1.98%～2.21%，平均值為2.0725%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.098)，分形維數(shù)D2變化較大造成的極弱正相關(guān)性；同時(shí)也表明分形維數(shù)的大小并不僅僅受TOC含量的控制，還與其他因素相關(guān)。以上分析表明TOC含量是影響頁(yè)巖孔隙復(fù)雜程度的主要因素，頁(yè)巖TOC含量增加，隨熱演化程度的共同作用下新生有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量增多，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，孔隙表面越粗糙，使得孔隙分形維數(shù)增大，且TOC含量的增加對(duì)大孔隙的分形維數(shù)值影響更大。除了須一段D2與Ro正相關(guān)性較弱外，其余須家河組各泥頁(yè)巖層位D1和D2與有機(jī)質(zhì)熱成熟度的相關(guān)系數(shù)均較高，具有明顯的中-高的正相關(guān)性(圖6)，表明Ro的高低也是頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)變化的主因。

4.2 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

分維值與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有一定的相關(guān)性(圖7)。各頁(yè)巖段D1和D2與孔隙比表面積大小成正相關(guān)關(guān)系，但各層位分形維數(shù)值和頁(yè)巖孔隙比表面積的相關(guān)性大小有異。須三段海陸過(guò)渡相頁(yè)巖D1和D2與孔隙比表面積大小成顯著的正相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.854 1和0.839 4，表明須三段頁(yè)巖小孔隙和大孔隙的發(fā)育對(duì)孔隙比表面積大小有著同等重要性，不僅僅是微孔的貢獻(xiàn)；而須五段陸相頁(yè)巖D1和D2與孔隙比表面積大小呈中-弱的正相關(guān)關(guān)系，且頁(yè)巖孔隙比表面積的增加對(duì)D1中-宏孔的分形維數(shù)影響更大；須一段海相頁(yè)巖孔隙比表面積大小集中，與分形維數(shù)的相關(guān)性差，甚至D1還與比表面積呈極弱的負(fù)相關(guān)性。除須一段D2與樣品BJH平均孔徑呈中等的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.524 2)外，分維值D1和D2均隨著B(niǎo)JH平均孔徑的減小而增大，說(shuō)明頁(yè)巖微-中孔的廣泛發(fā)育增大了孔隙的非均質(zhì)性，孔隙表面粗糙度增大，且須五段陸相頁(yè)巖的D1和D2與平均孔徑的負(fù)相關(guān)性顯著強(qiáng)于須三段過(guò)渡相頁(yè)巖和須一段海相頁(yè)巖。不同頁(yè)巖層段的D1和D2與BJH總孔容的變化趨勢(shì)迥異：須五段幾乎無(wú)相關(guān)性存在，須三段呈強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，而須一段呈強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？傊?，對(duì)于須三段過(guò)渡相頁(yè)巖而言，隨著頁(yè)巖熱演化程度的增加，有機(jī)質(zhì)微-中孔的數(shù)量增多，平均孔徑減小，孔隙比表面積和孔隙體積均增大，致使頁(yè)巖孔隙表面形態(tài)更加復(fù)雜化和不規(guī)則化，因此分形維數(shù)值增大，3種不同的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與分維值的變化相互關(guān)聯(lián)、耦合。但是對(duì)于須五段和須一段頁(yè)巖而言，3種孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與分形維數(shù)的變化趨勢(shì)與常規(guī)演替路徑(須三段)存在顯著不同：對(duì)于3種不同的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)而言，須五段頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)只與平均孔徑的大小強(qiáng)烈相關(guān)；而須一段的大小孔隙分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性極差，甚至具有反常規(guī)趨勢(shì)的相關(guān)性(圖7)，綜合表明須一段分形維數(shù)值的影響因素與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)幾乎無(wú)相關(guān)性，而與其他因素有關(guān)。另外值得注意的是，圖7的結(jié)果表明頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化均對(duì)大孔隙(2～50 nm的中孔)分形維數(shù)D1影響更大(R2更大)，這也進(jìn)一步表明須家河組不同層段泥頁(yè)巖孔隙均以中孔為主、微孔和大孔占比較少的特征。

圖6 頁(yè)巖分形維數(shù)與有機(jī)碳含量、成熟度之間的關(guān)系Fig.6 The relationship among fractal dimensions, TOC and thermal maturity

圖7 分形維數(shù)與頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 The relation between fractal dimension and pores texture

4.3 分形維數(shù)與礦物組成的關(guān)系

頁(yè)巖基質(zhì)無(wú)機(jī)礦物如石英、長(zhǎng)石、黏土礦物和碳酸鹽礦物等的含量對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)具有重要影響。因而，孔隙分維值大小也受頁(yè)巖礦物類(lèi)型和含量的影響。

分別做各層位頁(yè)巖石英含量和黏土含量與分形維數(shù)的關(guān)系圖(圖8)可知，須一段—須五段D1和D2的大小與頁(yè)巖中石英含量和黏土礦物含量的多少相關(guān)性極弱，基本無(wú)相關(guān)性。須家河組頁(yè)巖中的石英幾乎全為陸源碎屑成因，而海相龍馬溪組頁(yè)巖中生物成因的石英含量極高，這可能是導(dǎo)致須家河組頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)與石英含量幾乎無(wú)相關(guān)性的根本原因。另外，雙重分維值與長(zhǎng)石含量呈現(xiàn)出極弱的正相關(guān)性。由于須家河組頁(yè)巖埋深大、熱演化程度高，后期成巖改造作用強(qiáng)，黏土礦物以伊蒙混層(I/S)為主，占黏土礦物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的58%～91%，平均為78.6%。不同種類(lèi)的黏土礦物類(lèi)型對(duì)頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)影響各異，高嶺石、伊利石和綠泥石含量與分形維數(shù)具有弱的負(fù)相關(guān)性；而伊蒙混層(I/S)和綠蒙混層(C/S)與分形維數(shù)相關(guān)性較好，具有一般的正相關(guān)關(guān)系(圖8)。值得注意的是，本文的頁(yè)巖樣品均無(wú)蒙脫石(S)的存在，表明高演化頁(yè)巖經(jīng)歷強(qiáng)烈的成巖作用改造黏土礦物類(lèi)型發(fā)生了轉(zhuǎn)換?？赡苷怯捎谝陨喜煌N類(lèi)和含量的黏土礦物與分形維數(shù)的不同相關(guān)性，導(dǎo)致了黏土礦物總量與孔隙分維值幾乎無(wú)相關(guān)性。

圖8 頁(yè)巖分形維數(shù)與不同種類(lèi)礦物的關(guān)系Fig.8 The relationship between fractal dimensions of shale and different mineral types

5 結(jié) 論

a.須一段海相頁(yè)巖至須五段陸相頁(yè)巖，礦物組成發(fā)生較大變化。3個(gè)層位頁(yè)巖樣品礦物組成均以碎屑石英和黏土礦物為主，石英的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在須五段為44.3%，須三段為40.4%，須一段為37.0%，表明從須五段至須一段脆性礦物陸源石英含量漸少，黏土礦物總量漸增。

b.須家河組不同層段泥頁(yè)巖等溫吸附-解吸曲線特征總體相似。滯后回環(huán)形狀主要為H2型和 H3型，表征的孔隙類(lèi)型主要為呈細(xì)頸廣體的墨水瓶狀孔、四方開(kāi)口的平行板狀孔和微米級(jí)微裂縫等無(wú)定形微孔，孔隙類(lèi)型復(fù)雜多樣。

c.須家河組不同層段泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有顯著的縱向差異性。須一、須三、須五段泥頁(yè)巖樣品孔隙均以中孔為主，但孔徑大小差異性明顯：須五段BJH平均孔徑為8.023 35 nm，須三段BJH平均孔徑為7.411 25 nm，而須一段BJH平均孔徑為5.526 325 nm。須五段BET比表面積平均為3.505 175 m2/g，須三段多點(diǎn)BET比表面積平均為4.914 85 m2/g，須一段BET比表面積平均為18.991 45 m2/g。須五段BJH總孔容平均為0.004 35 cm3/g，須三段BJH總孔容平均為0.005 425 cm3/g，須一段BJH總孔容平均為0.014 65 cm3/g。以上3個(gè)量化孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)共同表明：隨著埋深和熱演化程度的增加，頁(yè)巖平均孔徑減小、孔隙比表面積和總孔體積增加，且須一段頁(yè)巖BET比表面積和BJH總孔容相比于上覆的2個(gè)層位有一個(gè)數(shù)量級(jí)的倍增，具有須五段頁(yè)巖以中-大孔為主的無(wú)機(jī)礦物粒間孔轉(zhuǎn)變?yōu)轫氁欢蔚囊杂袡C(jī)質(zhì)微-中孔為主的演化趨勢(shì)。

d.須家河組各層位黑色泥頁(yè)巖均具有雙重分形特征，存在明顯的孔徑分界點(diǎn)，且各段都具有大孔隙分形維數(shù)均值D1均大于相應(yīng)層位小孔隙分形維數(shù)均值D2的特征，表明大孔隙比小孔隙的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、非均質(zhì)性更強(qiáng)，體現(xiàn)了相同層位層內(nèi)不同孔徑范圍孔隙復(fù)雜程度的差異性；而頁(yè)巖隨埋深和熱演化程度的增加，須一段D1和D2值均比上覆頁(yè)巖層位大，體現(xiàn)了層間差異性，須一段海相頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)最復(fù)雜。

e.孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、總有機(jī)碳含量和熱成熟度是影響頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)(或復(fù)雜程度)的主要控制因素，但不同頁(yè)巖層位的分形維數(shù)值主控因素有異?？紫督Y(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)須三段過(guò)渡相頁(yè)巖的分維值影響最大，TOC和Ro的高低對(duì)須一段和須五段頁(yè)巖分形維數(shù)控制作用更強(qiáng)。頁(yè)巖小孔隙分形維數(shù)響應(yīng)孔隙表面粗糙程度，影響孔隙表面形貌從而控制吸附能力；而大孔隙響應(yīng)于孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，決定了其滲流能力。因此，具備高D2值(吸附能力)和低D1值(滲流能力)的頁(yè)巖儲(chǔ)層最優(yōu)。