下?lián)P子地區(qū)二疊系海相頁巖孔隙特征新認(rèn)識及頁巖氣勘探啟示

朱文博 張訓(xùn)華 周道容 方朝剛 李建青 黃正清

1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 2.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所 3.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心

0 引言

頁巖儲層內(nèi)部發(fā)育有大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微米—納米級孔隙，頁巖氣以吸附或游離態(tài)儲存在其中，這些微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征是影響頁巖氣藏儲集性能的重要因素[1-2]。對孔隙體積、比表面積、形狀、空間分布以及連通性等孔隙結(jié)構(gòu)要素的研究，是揭示頁巖氣富集機(jī)理的關(guān)鍵。同時由于分形維數(shù)在表征物質(zhì)空間填充程度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面有較好的應(yīng)用效果，越來越多的學(xué)者將分形理論運用到頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的研究當(dāng)中[3-5]。

下?lián)P子地區(qū)中上二疊統(tǒng)大隆組以及孤峰組頁巖具有厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、分布范圍廣、熱演化程度適中等特點，具有很大的頁巖氣勘探開發(fā)潛力[6-8]。目前，國內(nèi)針對下?lián)P子地區(qū)二疊系海相頁巖油氣的勘探工作仍處于探索階段[9-12]，頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及控制因素相關(guān)的研究較為薄弱。2017年9月，南京地質(zhì)調(diào)查中心于下?lián)P子宣涇地區(qū)實施了頁巖氣參數(shù)井WXY-1井，成功鉆穿二疊系大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組，對探索二疊系頁巖巖相發(fā)育、儲集空間及含氣性特征具有重要意義。

筆者以下?lián)P子地區(qū)大隆組和孤峰組頁巖作為研究目標(biāo)，選取WXY-1井巖心作為實驗樣品，綜合運用氬離子剖光—掃描電鏡、高壓壓汞、CO2及N2吸附測試來揭示不同尺度的頁巖孔隙發(fā)育特征，并結(jié)合有機(jī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)、礦物組分來研究影響孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育的主要因素。同時利用分形維數(shù)理論，對較小孔隙及較大孔隙進(jìn)行了分類計算擬合，探討了分形特征對頁巖氣儲集能力的影響，以期為頁巖氣勘探開發(fā)提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

下?lián)P子地區(qū)處于揚(yáng)子板塊東緣，其西北以郯廬斷裂帶與華北板塊為界，東南以江山—紹興斷裂帶與華夏地塊為界[13]。在漫長的海相盆地演化過程中，下?lián)P子地區(qū)出現(xiàn)了多次大量有機(jī)質(zhì)匯聚的時期，為生油生氣提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[14]。整個二疊紀(jì)期間，下?lián)P子地區(qū)基本處在連續(xù)下沉的海洋環(huán)境，沉積了200～1 000 m的海相碎屑巖和碳酸鹽巖，包含了海陸過渡相的龍?zhí)督M以及陸棚—盆地相的大隆組、孤峰組。經(jīng)過晚石炭世末和早二疊世初短暫的抬升剝露之后，海水全面侵入，使早二疊世成為本區(qū)晚古生代最大的海侵期；至早二疊世晚期，海水進(jìn)一步加深，沉積了以黑色富有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖為主的孤峰組海相頁巖[15]。中二疊世海水部分退出本區(qū)，而晚二疊世初期的海侵范圍也只局限在蘇州—湖州一線以北，沉積物以龍?zhí)督M濱岸沼澤煤系地層為主[16]；晚期海侵迅速擴(kuò)大，除少數(shù)隆起上為碳酸鹽巖沉積（長興組）外，一般水體較深，水流不暢，為非補(bǔ)償?shù)拇舐〗M硅泥質(zhì)沉積[17]。

下?lián)P子地區(qū)后期受印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動擠壓隆起和斷陷，部分區(qū)域遭受風(fēng)化剝蝕，現(xiàn)今的二疊系主要出露在東至—涇縣—寧國—廣德—安吉—湖州一線以北、巢湖—含山—南京—鎮(zhèn)江一線以南的廣大區(qū)域，整體上呈北東—南西向條帶狀分布。孤峰組整體呈北東向展布，以東至—貴池—銅陵為“脊”，銅陵—南陵地區(qū)厚度達(dá)60～110 m，向北西和南東逐漸減薄，厚度一般為20～60 m。有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）在南部懷寧—銅陵—涇縣一線很高，涇縣昌橋達(dá)到9.11%，總體上普遍達(dá)到3%以上，并向北逐漸減小。大隆組在下?lián)P子南部和中部較厚，東側(cè)和北側(cè)厚度較薄，在涇縣—寧國地區(qū)厚度40～60 m，銅陵—無為—巢湖地區(qū)主體為20～40 m，有機(jī)碳含量較高，普遍大于2%（平均為4.36%）[18]。宣涇地區(qū)處于下?lián)P子板塊的蘇皖南坳陷南部，是下?lián)P子中上二疊統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的主要富集區(qū)。WXY-1井位于安徽省宣城市宣州區(qū)楊柳鎮(zhèn)興洋村，完鉆井深為2 750 m（圖1），在深度1 412～1 478 m及1 659～1 709 m分別鉆穿目的層大隆組和孤峰組，取得了良好含氣性顯示。

2 有機(jī)地化及巖相特征

本次研究共采得巖心樣品45塊，層位分別為孤峰組和大隆組，巖性主要為灰黑色至黑色碳質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖。對樣品有選擇性的做了全巖礦物組分測試（45件）、干酪根顯微組分鑒定（18件），以及多項有機(jī)地化測試：TOC（45 件）、Ro（41 件）、S1+S2（18件）、氯仿瀝青“A”（19件）和干酪根碳同位素（17件），并選取了部分典型樣品進(jìn)行了氬離子剖光—掃描電鏡測試（27件）、CO2吸附（14件）、低溫N2吸附（17件）及高壓壓汞實驗（6件）。其中CO2吸附實驗由中國煤炭地質(zhì)總局檢測中心完成，有機(jī)地化、全巖礦物組分、N2吸附由重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院完成，掃描電鏡、干酪根顯微組分及壓汞實驗由華東油氣分公司實驗研究中心完成。

2.1 有機(jī)地化特征

WXY-1井大隆組頁巖有機(jī)碳含量（TOC）介于1.21%～6.84%（均值3.52%）；生烴潛量（S1+S2）介于1.082～ 4.585 mg/g（均值2.574 mg/g）；氯仿瀝青“A”含量介于0.029 2% ～ 0.092 4%（均值0.0578%）；鏡質(zhì)體反射率Ro為1.01%～1.48%（平均為1.28%）。干酪根顯微組分鑒定透光下呈深褐色—黑色（圖2-a、b），藍(lán)光激發(fā)無熒光顯示，有機(jī)質(zhì)的一部分可能已經(jīng)轉(zhuǎn)化成烴類，殘余部分中正常鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體還保留鏡下特征，易于辨認(rèn)，其余組分在鏡下特征傾于一致，綜合鑒定大隆組基本以殼質(zhì)組（腐質(zhì)無定形體）、鏡質(zhì)組（正常鏡質(zhì)體）和惰質(zhì)組（絲質(zhì)體）為主，有機(jī)質(zhì)類型為偏腐殖混合型—腐殖型（Ⅱ2—Ⅲ）。

孤峰組測試TOC介于1.18%～17.22%（均值7.09%）。由于受到下伏燕山期侵入巖體的烘烤，其余生烴指標(biāo)受到很大影響，生烴潛量（S1+S2）介于 0.013 2 ～ 1.142 6 mg/g（ 均 值 0.252 mg/g）， 氯仿瀝青“A”含量介于0.001 7%～ 0.033%（均值0.009%），Ro為 2.54% ～ 3.03%（ 平 均 為 2.72%）。所有孤峰組樣品顯微組分透光下呈黑色（圖2-c、d），藍(lán)光激發(fā)無熒光顯示，大隆組樣品常見的鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體在孤峰組樣品中已經(jīng)不能確定有無，所有顯微組分已經(jīng)顆?；?，鏡下特征趨于一致，看不清母質(zhì)原始結(jié)構(gòu)，無法鑒定其類型。但通過對孤峰組干酪根δ13C值的測試（其值介于－29.93‰～－24.63‰，均值－28.72‰），并根據(jù)梁狄剛對揚(yáng)子地區(qū)海相烴源巖干酪根類型的總結(jié)[19]，孤峰組主體應(yīng)屬于混合型（Ⅱ）干酪根。有機(jī)地化數(shù)據(jù)表明下?lián)P子二疊系大隆組及孤峰組都具有良好的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)（表1）。

表1 宣涇地區(qū)WXY-1井二疊系頁巖樣品地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)表

2.2 巖相特征

WXY-1井頁巖樣品的全巖和黏土礦物組分分析結(jié)果顯示，大隆組頁巖以黏土礦物為主，含量18%～58%（均值40.18%），上段以伊利石、伊/蒙混層為主，其次為綠泥石，不含高嶺石與蒙脫石，中段及下段以伊利石和高嶺石為主，其次為伊/蒙混層與綠泥石，不含蒙脫石；石英次之，含量為23%～49%（均值35.31%）；碳酸鹽礦物含量為2%～55%，均值13.74%；其余為長石（鉀長石0～2%，斜長石0～11%）、黃鐵礦（0～10%）等。孤峰組頁巖以石英為主，含量為18%～58%（均值40.18%）；黏土礦物含量為7.4% ～55%（均值26.98%），黏土組分以伊利石為主，少量的伊/蒙混層、高齡石及綠泥石，不含蒙脫石；碳酸鹽礦物含量在0～39%，均值8.86%；長石以斜長石為主，含量0～5.8%，黃鐵礦含量介于0～9.4%。研究區(qū)脆性礦物為石英、長石及黃鐵礦，其含量可反映頁巖的脆性程度，并影響頁巖氣開采的后期壓裂改造效果[20]。大隆組頁巖脆性礦物含量介于31%～61%（均值45.39%），孤峰組頁巖脆性礦物含量介于24%～89.2%（均值64.06%），兩者都具備良好的可壓裂條件，相比較而言，孤峰組整體硅質(zhì)含量更高，是更有利的可壓裂層段。

本次研究采用吳藍(lán)宇等的劃分方案對頁巖巖相進(jìn)行劃分[21]，根據(jù)X—全巖衍射礦物分析結(jié)果，通過硅質(zhì)礦物（石英+長石）—碳酸鹽礦物（方解石+白云石）—黏土礦物三端元圖解對頁巖進(jìn)行了分類，當(dāng)硅質(zhì)礦物含量大于50%時，為硅質(zhì)頁巖相組合（S）；當(dāng)碳酸鹽礦物含量大于50%時，為鈣質(zhì)頁巖相組合（C）；當(dāng)黏土礦物含量大于50%時，為黏土質(zhì)頁巖相組合（CM）；而當(dāng)硅質(zhì)、碳酸鹽及黏土礦物的含量均小于50%且大于25%時，為混合質(zhì)頁巖相（M）；按三端元含量的25%、50%、75%可將上述4個頁巖相組合進(jìn)一步細(xì)分為16種頁巖巖相（圖3）。WXY-1井大隆組TOC＞4%巖相主要分布在富泥硅質(zhì)頁巖S-3、富泥/硅混合質(zhì)頁巖M-2及富硅灰質(zhì)頁巖C-1，2%＜TOC＜4%巖相主要分布在富硅泥質(zhì)頁巖CM-1、富泥硅質(zhì)頁巖S-3，TOC＜2%巖相主要分布在富硅泥質(zhì)頁巖CM-1。孤峰組絕大多數(shù)樣品TOC都在4%以上，主要分布在硅質(zhì)巖S巖相，4%以下巖相分布在混合質(zhì)頁巖M。由此可以看出，硅質(zhì)巖相S、富泥硅質(zhì)頁巖S-3、富泥/硅混合質(zhì)頁巖M-2的有機(jī)碳含量普遍較高，為研究區(qū)的二疊系海相頁巖的優(yōu)勢巖相。

3 頁巖孔隙特征

3.1 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)鏡下特征

孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)及其連通性是評價頁巖氣儲層物性的關(guān)鍵因素，目前對頁巖氣儲層孔隙的分類方案尚未統(tǒng)一[11]。本次研究參照Loucks等的分類方案[1]，采用有機(jī)質(zhì)孔、無機(jī)質(zhì)孔（分為粒內(nèi)孔、粒間孔）、微裂隙來描述頁巖儲集空間，并運用氬離子剖光—高分辨率掃描電鏡，對大隆組和孤峰組頁巖樣品的微觀孔隙進(jìn)行了鏡下觀測及半定量分析。

3.1.1 微裂縫

微裂縫的廣泛發(fā)育既有利于游離氣的大量存儲，又可提升儲層滲透性；其產(chǎn)生不僅與斷層和褶皺等構(gòu)造運動相關(guān)，同時也受到黏土礦物脫水等非構(gòu)造成因的影響。鏡下觀察，宣涇地區(qū)大隆組、孤峰組黑色頁巖微裂縫系統(tǒng)較為發(fā)育，主要發(fā)育在脆性礦物或黏土礦物顆粒的內(nèi)部及邊緣。相對而言研究區(qū)孤峰組頁巖受構(gòu)造活動影響更強(qiáng)，具有明顯的揉皺構(gòu)造以及方解石脈充填裂縫現(xiàn)象（圖4-a）；并可見由揉皺構(gòu)造作用引起的糜棱化現(xiàn)象（圖4-b）。孤峰組頁巖多見構(gòu)造成因裂縫（圖4-c），長度可達(dá)數(shù)十微米，縫中部分充填黏土礦物和碳酸鹽礦物；在有機(jī)質(zhì)與無機(jī)礦物接觸邊緣以及有機(jī)質(zhì)內(nèi)部也發(fā)育有微裂縫（圖4-d），脆性礦物顆粒邊緣微裂縫發(fā)育特征與礦物顆粒形態(tài)相關(guān)，常圍繞顆粒一周（圖4-e）。脆性礦物與黏土礦物顆粒內(nèi)部微裂縫一般較為平直，少彎曲，少有膠結(jié)物充填，裂縫長度為0.2～3 μm（圖4-d、f）；可能與有機(jī)質(zhì)生、排烴過程中脫水收縮有關(guān)。

3.1.2 有機(jī)質(zhì)孔

宣涇地區(qū)大隆組、孤峰組頁巖中發(fā)育有大量有機(jī)質(zhì)孔，主要為納米孔，大小不一，孔徑范圍在數(shù)納米至數(shù)百納米之間，大多呈不規(guī)則狀，如狹縫型、棱角形、分叉形，也存在氣泡狀、橢圓狀和近橢圓狀形態(tài)。由于受掃描電鏡分辨率制約影響，小于2 nm的孔隙無法有效識別，二疊系頁巖有機(jī)質(zhì)孔在鏡下主要以介孔為主。有機(jī)孔按照發(fā)育情況可劃分為4種類型：①有機(jī)質(zhì)孔隙極發(fā)育，呈海綿狀分布，孔隙為棱角狀，孔徑多為數(shù)十納米，此類孔隙分布最為廣泛，在大隆組、孤峰組均普遍發(fā)育（圖5-a、b）；②有機(jī)孔隙離散孤立發(fā)育，圓度高，孔徑多為數(shù)百納米，此類孔隙分布較局限，鏡下主要在大隆組樣品觀測到（圖5-c）；③復(fù)雜較大孔隙，由多個子孔合并而成，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，孔徑可達(dá)1.1 μm，此類孔隙也發(fā)育較少（圖5-d、e）；④有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育或局部發(fā)育，在不規(guī)則團(tuán)塊狀、條帶狀及生物結(jié)構(gòu)形有機(jī)質(zhì)內(nèi)可見（圖5-f），與有機(jī)質(zhì)類型相關(guān)[22]?？傮w而言，宣涇地區(qū)中上二疊統(tǒng)海相頁巖鏡下以不規(guī)則形狀有機(jī)質(zhì)孔隙為主，連通性較好，單個粒內(nèi)孔隙半徑多集中在數(shù)十納米左右，但大隆組有機(jī)質(zhì)孔類型更為多樣，孔徑分布范圍更大，孤峰組平均孔徑較小，孔隙不規(guī)則性更強(qiáng)。

3.1.3 無機(jī)質(zhì)孔

宣涇地區(qū)大隆組、孤峰組頁巖無機(jī)質(zhì)孔可以分為粒內(nèi)孔和粒間孔兩大類，其中，粒間孔發(fā)育有礦物粒間孔（圖6-a、b）、黏土礦片間孔隙（圖6-c）及晶間孔隙（圖6-d、e）；粒內(nèi)孔發(fā)育在顆?；蚓w內(nèi)部，鏡下可見黃鐵礦顆粒溶蝕所形成的鑄模孔（圖6-e），并發(fā)育少量的棱角狀的礦物表面孔（圖6-f）。大隆組、孤峰組頁巖無機(jī)質(zhì)孔以粒間孔為主，多見于黏土、黃鐵礦及自生石英燈礦物晶體間，孔隙發(fā)育集中，孔徑多為數(shù)十納米，吸附性較強(qiáng)且連通性好；而粒內(nèi)孔發(fā)育較少，孔徑大且分布較零散，孔隙間不連通。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)及孔徑分布特征

通過CO2、N2吸附實驗獲得了頁巖樣品納米尺度孔隙分布特征，通過壓汞實驗獲得了微米尺度的孔隙分布特征。可以看出除了大隆組樣品XY-25外，其余曲線表現(xiàn)出較為一致的特征（圖7）。在低壓部分（p＜0.79 MPa）進(jìn)汞量隨壓力增大但沒有明顯變化，說明在此壓力段孔隙基本不發(fā)育；0.79 MPa＜p＜15 MPa期間進(jìn)汞量快速增加，說明此壓力段孔隙發(fā)育較好；15 MPa＜p＜65 MPa進(jìn)汞量保持緩慢增加，大于65 MPa時，進(jìn)汞量增速加快，直到最大壓力時，進(jìn)汞量依然在增加，說明頁巖中存在大量孔徑小于10 nm的孔隙（圖7-a）。從退汞曲線可以看出，其退汞效率很低，表明孔隙與喉道分布不均一，泥頁巖中發(fā)育有大量連通性差、喉道細(xì)小的似墨水瓶孔隙[24]。汞飽和度增量隨孔徑的變化規(guī)律，可以看出大隆組、孤峰組的頁巖孔徑主要在3～10 nm以及60～1 200 nm這兩個孔徑范圍內(nèi)有貢獻(xiàn)，大于3 μm孔徑的孔隙基本不發(fā)育（圖7-b）。同時，壓汞實驗揭示大隆組、孤峰組頁巖普遍孔隙度很低，介于0.525%～1.185%之間，大于50 nm的孔容介于（0.774 ～ 1.183）×10－3cm3/g（表 2）。

表2 WXY-1井頁巖樣品高壓壓汞法孔體積分布表

典型樣品的N2吸附曲線（8-a、b），按國際理論和應(yīng)用化學(xué)學(xué)會（IUPAC）分類，大隆組、孤峰組頁巖均表現(xiàn)為Ⅳ型等溫吸附線，都具有回滯環(huán)[23]。所有樣品在相對壓力p/po＜0.8后，曲線上升速度加快并且未產(chǎn)生吸附飽和現(xiàn)象，表明頁巖中存在較大孔徑的開放性孔隙并發(fā)生了毛細(xì)凝聚，吸附曲線上升速率越大，表明其孔隙開放程度越大。同時，在相對壓力處于較低區(qū)間時（0＜p/po＜0.4），吸附曲線與脫附曲線越重疊，說明在較小孔徑范圍內(nèi)的孔隙形態(tài)越封閉。從CO2吸附量曲線可以看出，孤峰組頁巖對CO2的吸附能力明顯大于大隆組，說明其微孔孔隙更為發(fā)育（圖8-c）?？芍舐〗M較孤峰組頁巖普遍表現(xiàn)出更為開放的孔隙系統(tǒng)。此外，回滯環(huán)類型按照IUPAC可大致分為4類（圖8-d），H1和H2型回滯環(huán)吸附等溫線上有飽和吸附平臺，反映孔徑分布較均勻；H3和H4型回滯環(huán)等溫線沒有明顯的飽和吸附平臺，表明孔結(jié)構(gòu)很不規(guī)整。大隆組、孤峰組頁巖樣品回滯環(huán)主要表現(xiàn)為H3型并具有明顯拐點，孤峰組樣品兼具H4型特征，指示樣品孔隙類型雖不規(guī)則，但主要以平板狀、狹縫狀以及墨水瓶狀等開放型孔隙為主[25]。該類孔隙連通性較好，孔隙結(jié)構(gòu)對頁巖氣的運移有利。

由于低溫CO2只適用于微孔的表征，N2吸附無法準(zhǔn)確表征1.5 nm以下的孔徑，故本次研究選取CO2實驗數(shù)據(jù)來表征小于1.5 nm的微孔，大于1.5 nm的微—介孔選取N2吸附實驗數(shù)據(jù)表征。分別對頁巖樣品的微孔（＜ 2 nm）、介孔（2～50 nm）的孔體積進(jìn)行統(tǒng)計（表3）。研究發(fā)現(xiàn)宣涇地區(qū)大隆組頁巖樣品BET比表面積在1.30 ～8.0 m2/g（均值4.35 m2/g）；微孔、介孔的孔容平均值分別是4.39×10－3cm3/g、7.14×10－3cm3/g；BJH 平均孔徑較高，為8.272～11.144 nm（均值9.29 nm）。孤峰組頁巖樣品BET比表面積在8.28～32.97 m2/g（均值19.79 m2/g）；微孔、介孔的孔容平均值分別是8.95×10－3cm3/g、12.17×10－3cm3/g；BJH 平均孔徑介于3.971～7.974 nm（均值5.07 nm）。結(jié)合壓汞測試所得的宏孔容數(shù)據(jù)（0.774×10－3～1.183×10－3cm3/g）可知，微孔與介孔是大隆組與孤峰組孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者，宏孔占比低。大隆組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)與孤峰組具有一定的差異，大隆組具有較低的比表面積和總孔容，以及較高的平均孔徑；孤峰組與之相反，并且微孔、介孔的孔容均明顯大于大隆組，表明頁巖孔徑分布對比表面積及總孔容有很大影響。微孔越多，平均孔徑越小，比表面積及總孔容越大。同時，宏孔在大隆組、孤峰組頁巖孔隙當(dāng)中占比很低，說明與頁巖氣滲流能力密切相關(guān)的較大孔徑孔隙發(fā)育較少，暗示了大隆組、孤峰組頁巖較差的頁巖氣運移能力和滲流條件。

3.3 分形維數(shù)計算

以往研究證明頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)通常具有明顯的非均質(zhì)性，分形維數(shù)（D）常被用來定量表征頁巖孔隙表面粗糙度和結(jié)構(gòu)不規(guī)則性[26]。本文應(yīng)用FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型對N2吸附/脫附曲線進(jìn)行了計算，公式如下：

其中，V代表平衡壓力p下的吸附體積（cm3）；po（MPa）是飽和蒸汽壓力；K是與吸附機(jī)理和分形維數(shù)D相關(guān)的常數(shù)，K=D－3；C是常數(shù)。巖石的分形維數(shù)介于2～3之間時，可反映孔結(jié)構(gòu)或孔表面的非均質(zhì)性，分形維數(shù)越接近2，代表孔隙表面越規(guī)則；分形維數(shù)越接近3，孔隙表面則越不規(guī)則[27]。根據(jù)DFT理論方程及前人研究，相對壓力p/po為0.45時對應(yīng)的孔徑為4.34 nm，可將p/po＜0.45劃分為低壓區(qū)，對應(yīng)直徑小于4.34 nm的小孔隙；將p/po＞0.45劃分為高壓區(qū)，對應(yīng)直徑在4.34～100 nm的較大孔隙[4]。在計算分形維數(shù)時，利用吸附等溫線在低壓段和高壓段分別進(jìn)行擬合計算，得到代表小孔隙的分形維數(shù)D1和代表較大孔隙的分形維數(shù)D2（表3），分別用于表征小孔隙和大孔隙的表面與結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。

表3 WXY-1井頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

經(jīng)計算，大隆組頁巖分形維數(shù)D1為2.451 5～2.551 3（均值為 2.522 7），D2為 2.581 7 ～ 2.657 8（均值為2.624 6）；孤峰組頁巖分形維數(shù)D1介于2.581 7～2.657 8（均值2.624 6），D2介于2.722 7～2.871（均值為2.813）。結(jié)合孔徑分布研究，二疊系頁巖孔徑大于4.34 nm的孔隙普遍更具多樣性。究其原因，應(yīng)該是較小孔隙類型相對單一，而較大孔隙類型復(fù)雜多樣，正如掃描鏡下顯示的那樣，微裂縫、粒間孔、粒內(nèi)孔、次生溶蝕微孔以及各種形態(tài)的有機(jī)質(zhì)孔等共同構(gòu)成了較大孔隙體系。同時，分形維數(shù)D1與D2顯示孤峰組頁巖尤其是在較大孔隙中，具有更為復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征，這也與鏡下觀察到的特征相符。

4 討論

4.1 孔隙發(fā)育影響因素分析

由于表征宏孔段的壓汞測試數(shù)量少（僅6樣），難以形成規(guī)律性結(jié)論，本次研究主要圍繞微孔與介孔進(jìn)行。將不同尺度孔隙孔容與TOC及礦物組成進(jìn)行了相關(guān)性分析，可以看出不同地層的孔隙結(jié)構(gòu)控制因素差異很大（圖9）。大隆組頁巖樣品中，在一定范圍內(nèi)的有機(jī)碳含量（TOC＜6%）與微孔、介孔的發(fā)育具有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)有機(jī)碳繼續(xù)升高，孔隙發(fā)育程度具有明顯的提升（紅色虛線方框內(nèi)樣品）；脆性礦物含量與孔隙發(fā)育也成較低的負(fù)相關(guān)關(guān)系；而黏土礦物含量與微孔孔隙發(fā)育具有很高的正相關(guān)（R2=0.949 3），與介孔的發(fā)育沒有明顯的相關(guān)性。對于孤峰組頁巖樣品，TOC與微孔發(fā)育（R2=0.673 6）具有較好的正相關(guān)關(guān)系；脆性礦物含量與微孔、介孔孔隙的發(fā)育具有一定的正相關(guān)性（R2分別為0.395 2、0.286）；黏土礦物特征與脆性礦物相反，與微孔、介孔孔隙具有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2分別為0.321 7、0.336）。

對比不同頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與TOC及礦物組成的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)大隆組頁巖比表面積與TOC、脆性礦物含量成反比關(guān)系；孤峰組頁巖比表面積與TOC、脆性礦物含量成一定正比，與黏土礦物含量成一定反比。同時平均孔徑越小，大隆組與孤峰組頁巖比表面積越大，結(jié)合之前孔徑分布特征的研究，說明對二疊系海相頁巖而言，孔隙平均孔徑越小，比表面積和總孔體積越大。

綜上，對于具有較低有機(jī)質(zhì)豐度的大隆組頁巖而言，孔隙結(jié)構(gòu)尤其是微孔發(fā)育受黏土礦物含量影響最大。大隆組頁巖礦物組分以黏土礦物為主（均值40.18%），有機(jī)質(zhì)含量較少且熱演化程度較低，有機(jī)質(zhì)孔未能得到充分發(fā)育，反而黏土礦物以及與黏土礦物相關(guān)的無機(jī)孔提供了大量的孔隙，如層間孔隙、晶間孔隙以及成巖收縮縫等。在掃描電鏡下我們可以看到有機(jī)質(zhì)常常與黏土礦物伴生，這也有利于有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育。在成巖過程當(dāng)中，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化期間能夠降低熱解反應(yīng)的活化能，對干酪根熱解生烴具有催化作用，可以提升熱解反應(yīng)速率并促進(jìn)有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育[28]。而對于以富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)巖相為主的孤峰組，有機(jī)質(zhì)豐度及脆性礦物含量才是孔隙發(fā)育的主控因素。前人研究表明不同黏土礦物的晶層及孔隙結(jié)構(gòu)不同，比表面積也存在很大差異。蒙脫石黏土微孔隙最為發(fā)育，其次為伊/蒙混層黏土，伊利石樣品中的納米級孔隙極少[29]。孤峰組頁巖黏土礦物含量較少，并且由于受到燕山期火山巖體的烘烤致使熱演化成熟過高（Ro介于2.54%～3.03%），黏土組分以伊利石為主，只含少量的伊/蒙混層，不含蒙脫石，造成黏土礦物只能提供極少的孔隙，無法對孔隙的發(fā)育造成很大影響。同時高的熱演化程度使得孤峰組頁巖有機(jī)質(zhì)孔大量發(fā)育，生烴過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、H2S、CO2、NH3和CH4等，會進(jìn)一步對易溶礦物進(jìn)行溶蝕而形成次生孔隙，如鏡下觀察到的黃鐵礦顆粒溶蝕所形成的大量鑄?？?。

研究區(qū)脆性礦物主要包含石英、長石及黃鐵礦，以石英為主體，因此硅質(zhì)來源會對孔隙的發(fā)育造成一定影響。大隆組頁巖石英與TOC沒有明顯相關(guān)關(guān)系，但孤峰組頁巖具有一定的正相關(guān)關(guān)系，說明大隆組硅質(zhì)來源較為復(fù)雜，孤峰組硅質(zhì)來源以生物成因為主。因此若孤峰組硅質(zhì)含量越高，其往往也會具有更高的TOC含量，能提供更多的有機(jī)質(zhì)孔以及脆性礦物粒間孔。此外，高含量的脆性礦物可以起到支撐作用，避免孔隙因受構(gòu)造擠壓而減少；另一方面高脆性頁巖在外力作用下更容易形成孔縫，對頁巖的儲層物性有一定改善作用。大隆組脆性礦物含量提升會造成其孔隙主控因素黏土含量的減少，致使比表面積及各尺度孔隙的孔容與脆性礦物含量成反比關(guān)系。但從整體上來看，黏土礦物所提供的比表面積與孔容無法與有機(jī)質(zhì)相比。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量提升到一定程度，并隨著熱演化程度升高，二疊系頁巖的總孔容以及比表面積會隨著黏土含量的增長而減低，隨著TOC的增長而提升。

4.2 分形維數(shù)影響因素分析

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

宣涇地區(qū)二疊系孤峰組、大隆組頁巖孔隙分形維數(shù)（D1、D2）與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。大隆組頁巖分形維數(shù)D1與比表面積、介孔容都成一定正比，但相關(guān)程度較低；分形維數(shù)D2只與平均孔徑具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。孤峰組頁巖分形維數(shù)D1與比表面積、微孔容、介孔容有較好的負(fù)相關(guān)；分形維數(shù)D2與平均孔徑具有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與比表面積、微孔容成正比（圖10）。

可以看出分形維數(shù)D1、D2有各自側(cè)重點。分形維數(shù)D1對比表面積、孔隙發(fā)育更具敏感性，D2表征平均孔徑效果更好。同時在不同巖性中，生物成因硅質(zhì)巖相的孤峰組頁巖分形維數(shù)表現(xiàn)出更好的應(yīng)用效果，D1與D2在表征孔隙發(fā)育方面都能有較好的表現(xiàn)，但分形維數(shù)D1側(cè)重于介孔孔隙發(fā)育，D2側(cè)重于微孔孔隙的發(fā)育。此外由于控制孔隙發(fā)育的影響因素不同，造成分形維數(shù)D1在表征大隆組、孤峰組比表面積以及孔隙發(fā)育的應(yīng)用中，得出了相反的相關(guān)關(guān)系結(jié)果。

4.2.2 分形維數(shù)與礦物組分、TOC的關(guān)系

宣涇地區(qū)二疊系孤峰組、大隆組頁巖孔隙分形維數(shù)（D1、D2）與TOC含量、礦物組分的相關(guān)關(guān)系。大隆組頁巖分形維數(shù)相關(guān)性表現(xiàn)較差，D1與黏土礦物表現(xiàn)出較少的正比關(guān)系，與TOC及脆性礦物含量表現(xiàn)出較差的負(fù)相關(guān)；分形維數(shù)D2只與脆性礦物組分成較少正比。孤峰組頁巖分形維數(shù)D1與脆性礦物含量有較好的負(fù)相關(guān)，與黏土礦物含量成一定程度的正比；分形維數(shù)D2與脆性礦物以及TOC含量成較小的正比關(guān)系（圖11）。

頁巖孔隙鏡下特征顯示，有機(jī)質(zhì)孔形態(tài)會隨著孔徑的減小，從復(fù)雜網(wǎng)狀向蜂窩狀、海綿狀等相對簡單的形態(tài)轉(zhuǎn)變，這也是表征較大孔隙的D2數(shù)值大于D1的原因之一。按此趨勢，若孔徑進(jìn)一步降低，有機(jī)質(zhì)孔形態(tài)應(yīng)更為簡單[3]。對于孤峰組頁巖，微孔發(fā)育主要受有機(jī)質(zhì)控制，微孔容增加說明有機(jī)質(zhì)微孔大量發(fā)育，平均孔徑會隨之降低，較小孔隙的復(fù)雜程度反而會降低，但較大孔隙會因為微孔的增加而更加復(fù)雜，表現(xiàn)為分形維數(shù)D1數(shù)值降低、D2數(shù)值增加。脆性礦物提供的孔隙主要集中于介孔至宏孔，脆性礦物含量的增加會導(dǎo)致較大孔隙的增多，增加了較大孔隙的復(fù)雜程度但減少了較小孔隙的復(fù)雜程度，表現(xiàn)為D2數(shù)值增大以及D1數(shù)值的減?。煌瑫r脆性礦物與有機(jī)質(zhì)有較好的正相關(guān)性，脆性礦物增加從側(cè)面體現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)微孔的增加，也使得D1數(shù)值降低。而黏土礦物在過高的熱演化程度下只能提供很少的孔隙，黏土礦物含量的增加會抑制微孔的發(fā)育，導(dǎo)致以有機(jī)孔為主體的較小孔隙復(fù)雜程度的提升。

對于大隆組頁巖，黏土礦物是控制微孔孔隙發(fā)育的首要因素。隨著黏土礦物含量的增加，頁巖中發(fā)育的較小孔隙（微孔和部分介孔）增多，導(dǎo)致頁巖孔隙表面和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加，因此分形維數(shù)D1隨之增加。而TOC含量的增加意味著頁巖中發(fā)育的較大孔隙（部分中孔和宏孔）增多，降低了小孔隙復(fù)雜程度，因此分形維數(shù)D1隨之減少。脆性礦物與在孤峰組頁巖中表現(xiàn)的特征相似，脆性礦物含量的增加會提供更多較大孔隙，導(dǎo)致D2數(shù)值增大以及D1數(shù)值的減小。

對比可知，分形維數(shù)D1相對D2能更好地表征礦物組分，但都對TOC沒有很好的相關(guān)性顯示。同時在以有機(jī)質(zhì)孔為主體的孔隙體系當(dāng)中，分形維數(shù)的應(yīng)用效果會更好。綜上，大隆組頁巖孔隙分形維數(shù)的影響因素主要是黏土礦物，而孤峰組頁巖孔隙分形維數(shù)的影響因素主要是TOC以及脆性礦物；結(jié)合之前對孔隙發(fā)育影響因素的討論，分形維數(shù)的影響因素可以歸根于影響孔隙尤其是微孔發(fā)育的控制因素。

4.3 油氣勘探意義

4.3.1 分形維數(shù)與儲集能力的關(guān)系

頁巖的吸附氣儲集能力受比表面積的控制，游離氣儲集能力受孔隙體積的控制[30]。結(jié)合本文研究內(nèi)容，分形維數(shù)作為表征多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的重要參數(shù)，能夠較準(zhǔn)確地反映各尺度的孔隙發(fā)育、比表面積、孔徑、礦物組分以及孔隙復(fù)雜程度等泥頁巖特征。因此可以綜合運用分形維數(shù)D1與D2對頁巖的儲集能力進(jìn)行評價。

對于海相生物成因的硅質(zhì)頁巖，分形維數(shù)D1與頁巖比表面積以及各尺度孔容都呈反比關(guān)系，隨著D1數(shù)值的增加，其吸附氣以及游離氣儲集能力都會隨之降低；同時D1與礦物組分相關(guān)性較好（圖11），D1數(shù)值越低，說明脆性礦物含量越高，黏土礦物含量越低，越有利于后期開采的壓裂。分形維數(shù)D2與頁巖比表面積、微孔容成正比，說明雖然隨著D2的增加，頁巖的吸附氣儲集能力會提升；此外，分形維數(shù)D2與平均孔徑成很高的負(fù)相關(guān)關(guān)系，D2越大，頁巖的平均孔徑越小，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，氣體在頁巖中的擴(kuò)散以及滲流也就越困難[31]。因此分形維數(shù)D1相對較低、分形維數(shù)D2相對較高的海相硅質(zhì)頁巖層段對頁巖氣的儲集更為有利。

對于富泥硅質(zhì)頁巖，由于分形維數(shù)D1與頁巖比表面積以及各尺度孔容都呈正比關(guān)系，D1數(shù)值的增加意味著頁巖儲集能力的提升。同時，D1與黏土礦物含量成正比，與脆性礦物含量成反比，太高的D1值反而不利于后期的開發(fā)。D2雖然與脆性礦物成一定正比，但與平均孔徑成反比，過高的D2將不利于游離氣的儲集。因此，對于富泥硅質(zhì)巖相的頁巖，擁有較高的分形維數(shù)D1及D2更有利于頁巖氣勘探開發(fā)，但都需要一定的限制。

對比發(fā)現(xiàn)，孤峰組頁巖具有更好的吸附氣儲集能力以及后期的壓裂改造環(huán)境，大隆組具有更好的游離氣儲集能力以及優(yōu)良的吸附氣儲集能力，但后期的壓裂改造環(huán)境相對較差。

4.3.2 對下?lián)P子頁巖氣勘探的啟示

下?lián)P子地區(qū)主要經(jīng)歷了早中三疊世以前的穩(wěn)定沉降、晚三疊世至早白堊世的擠壓推覆、晚白堊世以后的拉張斷陷、喜山期的隆升等構(gòu)造演化，遭受了比中、上揚(yáng)子地區(qū)更強(qiáng)烈的后期改造，對古生界海相地層產(chǎn)生了巨大影響，構(gòu)造更為破碎。多期次大范圍的抬升使得下?lián)P子構(gòu)造定型期遠(yuǎn)晚于生烴成藏期，致使游離態(tài)頁巖油氣成藏條件極為不利。傳統(tǒng)背斜高點、斷鼻和斷層遮擋等“上蓋側(cè)封”的構(gòu)造圈閉的思路方向，在下?lián)P子頁巖氣勘探中難以獲得突破，中小尺度納米孔縫結(jié)構(gòu)、源生源儲吸附態(tài)成藏的可能性需要更深入研究[32]。

對于源生源儲成藏尤其是吸附態(tài)成藏而言，要求微觀孔縫結(jié)構(gòu)必須是小尺度（介孔以下），此時油氣的成藏動力不再是浮力，而是地層壓力（即孔隙流體壓力）。下?lián)P子二疊系大隆組、孤峰組頁巖微孔隙大量發(fā)育，結(jié)構(gòu)組成以微孔及介孔為主體，具備吸附態(tài)以及源內(nèi)游離態(tài)頁巖氣賦存成藏的儲層條件；此外，高硅質(zhì)含量以及以有機(jī)質(zhì)孔為主體的微孔體系，使得孤峰組更具備吸附態(tài)頁巖氣生成和保存的條件。下?lián)P子地區(qū)二疊系頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化程度適中，具備良好的頁巖油氣生成基礎(chǔ)，在下?lián)P子后期構(gòu)造變形相對較弱、源內(nèi)頁巖氣成藏動態(tài)平衡條件未受破壞的地區(qū)，依然有成藏的可能。按照下?lián)P子現(xiàn)今地溫梯度估算（大部分區(qū)域處于18～ 25℃/km），二疊系海相頁巖的生烴門限深度在3 800～4 200 m[33]。結(jié)合本次研究成果，應(yīng)選擇具有高分形維數(shù)D1、D2的大隆組以及低D1、高D2的孤峰組頁巖段作為目標(biāo)，在處于生烴門限深度（4 000 m）以下的富烴凹陷內(nèi)尋找構(gòu)造變形較弱的局部超壓區(qū)（帶），這將是下?lián)P子二疊系頁巖氣的有利勘探方向。

5 結(jié)論

1）下?lián)P子二疊系海相頁巖發(fā)育有微裂縫、有機(jī)質(zhì)孔、粒內(nèi)孔及粒間孔4種類型微觀孔隙，由于巖相不同造成大隆組與孤峰組孔隙結(jié)構(gòu)具有一定差異。大隆組頁巖以富泥硅質(zhì)頁巖、富泥/硅混合質(zhì)頁巖為優(yōu)勢巖相，具有較低的比表面積和總孔容以及較高的平均孔徑，有機(jī)質(zhì)孔類型更為多樣，孔徑分布范圍更大；孤峰組以硅質(zhì)頁巖為優(yōu)勢巖相，具有較高的比表面積和總孔容以及較低的平均孔徑，并且微孔、介孔的孔容均明顯大于大隆組，孔隙不規(guī)則性更強(qiáng)。

2）微孔與介孔是大隆組與孤峰組孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者，大隆組孔隙發(fā)育主要受黏土礦物控制，孤峰組孔隙發(fā)育受有機(jī)質(zhì)及脆性礦物控制。此外，分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組分以及TOC的關(guān)系表明其影響因素可以歸根于微孔發(fā)育的控制因素。大隆組頁巖分形維數(shù)D1為2.451 5～2.551 3，D2為2.581 7～2.657 8，孤峰組頁巖分形維數(shù)D1為2.581 7～2.657 8，D2為2.722 7～2.871，表現(xiàn)出較小孔隙類型相對單一、較大孔隙類型復(fù)雜多樣的特征，同時孤峰組頁巖具有更為復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征。

3）分形維數(shù)D1對比表面積、孔隙發(fā)育以及礦物組分更具敏感性，D2對表征平均孔徑效果更好，兩者結(jié)合可以用于評價頁巖氣體儲集能力。對于生物成因硅質(zhì)巖相頁巖，分形維數(shù)D1相對較低、分形維數(shù)D2相對較高的層段對頁巖氣的儲集更為有利；對于富泥硅質(zhì)巖相的頁巖，分形維數(shù)D1及D2都較高的層段更有利于頁巖氣勘探開發(fā)。