頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征演化規(guī)律

吳 偉，梁志凱，鄭馬嘉，姜振學(xué)，郭 婕，薛子鑫，王 孟

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院，四川成都 610051；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；4.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610051）

頁(yè)巖儲(chǔ)層是頁(yè)巖氣生成、儲(chǔ)集的重要空間，其孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)氣體賦存狀態(tài)、滲流機(jī)理、解吸擴(kuò)散等具有明顯的控制作用［1-3］。目前已經(jīng)通過(guò)多種技術(shù)手段證實(shí)頁(yè)巖儲(chǔ)層也是一種特殊的多孔介質(zhì)，具有較高復(fù)雜性與不規(guī)則性質(zhì)［4］。近年來(lái)的勘探實(shí)踐表明，如何定量且高效的研究孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)程度，已經(jīng)成為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和提高頁(yè)巖氣采收率的關(guān)鍵性問(wèn)題之一。

分形理論是1967 年由MANDELBROT 所提出，區(qū)別于傳統(tǒng)的歐式幾何學(xué)，該理論常常用于分析具有自相似性特征的物質(zhì)［5］。大量研究表明分形維數(shù)是一個(gè)定量描述孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、不規(guī)則性質(zhì)的重要參數(shù)。近年來(lái)，分形理論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在非常規(guī)油氣儲(chǔ)層（頁(yè)巖、煤、致密砂巖等）領(lǐng)域，并取得了一系列成果［4，6-11］。分形理論的廣泛應(yīng)用可以彌補(bǔ)常規(guī)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)單一，造成描述儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了微觀儲(chǔ)層非均質(zhì)性的定量評(píng)價(jià)。中外學(xué)者常常利用SEM 圖像、氮?dú)馕?、高壓壓汞、小角散射以及核磁共振等方法開(kāi)展分形理論研究，利用不同孔隙的分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)、頁(yè)巖組成等開(kāi)展相關(guān)性分析，研究分形維數(shù)的主要控制因素，建立評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙均質(zhì)程度的模型［6-15］。

前人開(kāi)展了大量熱模擬實(shí)驗(yàn)，研究熱演化過(guò)程中儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的變化，但存在演化過(guò)程中微納米孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)程度表征不足、不同熱演化階段控制儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響因素不明等問(wèn)題［16-17］。因此，筆者選擇不同成熟度樣品來(lái)分析不同演化程度頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)和分形特征，實(shí)現(xiàn)了微觀儲(chǔ)層演化過(guò)程中非均質(zhì)性的定量評(píng)價(jià)，可以更清楚地研究頁(yè)巖的結(jié)構(gòu)特征和非均質(zhì)性，有助于認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣運(yùn)移、富集和勘探開(kāi)發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)方法及理論

1.1 樣品及實(shí)驗(yàn)方法

為了充分研究成熟度演化過(guò)程對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)以及分形特征的影響，本次研究選擇了3 個(gè)典型研究區(qū)的累積24塊樣品，包含鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組低成熟度陸相頁(yè)巖、松遼盆地沙河子組高成熟度陸相頁(yè)巖和川南地區(qū)龍馬溪組高—過(guò)成熟度海相頁(yè)巖。利用礦物組成分析、地球化學(xué)研究、掃描電鏡觀察、氮?dú)馕降葘?shí)驗(yàn)，結(jié)合FHH 與熱力學(xué)分形模型以及灰度關(guān)聯(lián)分析法，開(kāi)展巖石參數(shù)分析、定性及定量化的孔隙結(jié)構(gòu)表征、孔隙分形特征及影響因素等研究。

1.2 分形維數(shù)計(jì)算

作為表征儲(chǔ)層非均質(zhì)程度的一種手段，利用不同實(shí)驗(yàn)手段，采用適合的FHH 模型、Menger模型、熱力學(xué)模型、毛細(xì)管力模型、Seirpinski 模型等開(kāi)展多孔介質(zhì)（頁(yè)巖、煤層、致密砂巖）孔隙非均質(zhì)性的研究，并取得一系列成果［6-7，18-21］。目前，F(xiàn)HH 模型能很好地表征煤層不同尺度孔隙的分形特征。頁(yè)巖儲(chǔ)層分形維數(shù)均介于2～3，其數(shù)值越高，說(shuō)明孔隙系統(tǒng)具有較高的復(fù)雜性與不規(guī)則程度［2，4，6-7］。

FHH模型可以描述為：

以lnlnp0/p為x軸，lnV為y軸做散點(diǎn)圖，在相對(duì)壓力為0～0.5 和0.5～1 兩個(gè)區(qū)間，分別利用最小二乘法原理擬合趨勢(shì)線，獲得D1及D2。

熱力學(xué)模型由NEIMARK 在1990 年提出，是一種利用毛細(xì)冷凝階段吸附—解吸等溫吸附線來(lái)分析多孔介質(zhì)表面不規(guī)則程度的模型［22-23］。計(jì)算公式為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 巖礦及地化特征

XRD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（表1，圖1），延長(zhǎng)組和沙河子組陸相頁(yè)巖礦物組成主要是石英和黏土礦物，鈣質(zhì)礦物含量較少，多數(shù)低于10%，石英含量平均分別為33.2%和36.8%，黏土礦物含量平均分別為48.3%和56.4%。與陸相頁(yè)巖礦物組成相比，龍馬溪組海相頁(yè)巖脆性礦物含量更高，石英含量主要為24%～46%，平均為28.36%，方解石和白云石含量平均分別為16.08%和15.7%。3 種頁(yè)巖總有機(jī)碳含量（TOC）和成熟度（Ro）均有一定的差別。延長(zhǎng)組頁(yè)巖具有較高的TOC值（平均為4.44%）和較低的成熟度（0.75%～1.10%）；而沙河子組頁(yè)巖成熟度為1.69%～2.44%，TOC值平均僅為1.96%；龍馬溪組頁(yè)巖成熟度最高，達(dá)到3.0%左右，TOC值平均為2.62%。

圖1 不同頁(yè)巖礦物組成三角圖Fig.1 Mineral composition triangle of shale samples from different regions

表1 3種頁(yè)巖地化參數(shù)及礦物組成統(tǒng)計(jì)Table1 Statistics of geochemical parameters and mineral compositions of shale samples from three different regions

2.2 吸附曲線分析

孔隙結(jié)構(gòu)不僅決定頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力，同時(shí)也控制著氣體運(yùn)移、滲流等性質(zhì)［1-3，6，12-13］。本次研究利用氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)來(lái)研究頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙形態(tài)特征，并且定量研究不同成熟度頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及非均質(zhì)程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2）顯示，3種頁(yè)巖整體氮?dú)馕角€呈現(xiàn)反“S”形態(tài)，但不同成熟度頁(yè)巖的吸附曲線形態(tài)存在較大差異，說(shuō)明演化過(guò)程中成巖作用和生烴作用共同控制了孔隙形態(tài)的變化特征。

在相對(duì)壓力較低時(shí)（p/p0＜0.3），吸附量增加速率較快，吸附從微孔充填和單分子層吸附向多分子層吸附逐漸過(guò)渡；中等壓力下，吸附量緩慢增加，此階段主要為多分子層吸附；在壓力較高時(shí)，吸附量急劇增加，但沒(méi)有達(dá)到吸附飽和，說(shuō)明氮?dú)獍l(fā)生毛細(xì)管凝聚作用［25］。在相對(duì)壓力為0.45～0.9 時(shí)，吸附曲線與解吸曲線不重合，產(chǎn)生吸附滯后［26-27］，這主要是由于中孔-宏孔發(fā)生毛細(xì)管冷凝作用［28］。值得注意的是，龍馬溪組和沙河子組部分頁(yè)巖樣品的解吸曲線中（相對(duì)壓力≈0.5）觀察到一個(gè)被稱為K 點(diǎn)的拐點(diǎn)，通常是流動(dòng)液體的壓力突然變化造成在壓力相對(duì)較低的地方形成充滿蒸汽的極小空泡［26，28］。

前人研究表明利用滯后環(huán)的形狀可以定性說(shuō)明孔隙形態(tài)［2-3，29-30］。依據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）對(duì)滯后環(huán)的4 種分類，不同地區(qū)頁(yè)巖孔隙形態(tài)特征存在一定差異，延長(zhǎng)組滯后環(huán)形狀多為H3 與H4 型，表明孔隙形態(tài)主要為單邊狹縫型與平行板狀（圖2a）；沙河子組滯后環(huán)形狀多為H2 與H4 型，其孔隙形態(tài)多為墨水瓶與單邊狹縫型，表明該地區(qū)黏土礦物對(duì)孔隙形態(tài)起控制作用（圖2b）；龍馬溪組主要發(fā)育墨水瓶型孔隙，同時(shí)含有少量的平行板狀孔隙（圖2c），研究結(jié)果和前人的相似［1-2，6-7，30-32］。

圖2 不同成熟度頁(yè)巖氮?dú)馕健摳降葴厍€Fig.2 N2 adsorption-desorption isotherms of shale samples with different Ro

利用BJH 方法獲得不同地區(qū)頁(yè)巖孔體積及孔表面積（圖3）和孔徑（圖4）分布，龍馬溪組頁(yè)巖以中孔和微孔為主，平均孔體積分別占總孔體積的59.2%和22.6%（圖3a）。前人研究顯示，由于吸附模型的影響會(huì)在4 nm 處產(chǎn)生假峰［33］，因此龍馬溪組頁(yè)巖孔徑在1.50 nm 附近呈現(xiàn)單峰特征。延長(zhǎng)組頁(yè)巖以中孔和宏孔為主，占比分別達(dá)到55.2% 與43.2%，孔徑呈現(xiàn)多峰特征，峰值主要分布在1.0～10.0 nm（圖4a）。沙河子組頁(yè)巖的孔體積均較小，并且微孔和宏孔比例較低，中孔比例偏高，孔徑主要分布在3.0 nm 附近（圖4b）。海相頁(yè)巖中的微孔明顯比陸相頁(yè)巖中更發(fā)育，低成熟度陸相頁(yè)巖受壓實(shí)作用影響較小、有機(jī)質(zhì)未二次生烴，宏孔得以保留下來(lái)［6，17，34］。高成熟度陸相頁(yè)巖可能由于生烴物質(zhì)阻塞較小的微孔，并且壓實(shí)作用造成宏孔快速減少，導(dǎo)致中孔占比較大，達(dá)到91.5%。高成熟度海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)二次生烴產(chǎn)生的微孔比陸相頁(yè)巖更為發(fā)育［6，30，34］。由基于BET 方法獲得的孔表面積參數(shù)（圖3b）可見(jiàn)，整體微孔和中孔占比較高，特別是高成熟度海相頁(yè)巖微孔提供的孔表面積平均達(dá)到63%，而低成熟度延長(zhǎng)組頁(yè)巖平均僅占13.8%，表明有機(jī)質(zhì)生烴作用產(chǎn)生大量微孔，并且較高的微孔能夠提供大量孔表面積，提供更多的吸附位點(diǎn)，增強(qiáng)頁(yè)巖氣吸附能力［30，32］。低成熟度延長(zhǎng)組頁(yè)巖宏孔占表面積的6.63%，而高成熟度海相與陸相頁(yè)巖宏孔所占表面積比例下降為5%以下，可能是一方面隨著壓實(shí)作用的增強(qiáng)，宏孔大量減少，其次可能是宏孔本身所提供的表面積有限。

圖3 不同成熟度頁(yè)巖孔體積與孔表面積分布Fig.3 Distribution of pore volume and surface area in shale with different Ro

圖4 不同成熟度頁(yè)巖孔體積與孔徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between pore volume and pore size in shale with different Ro

2.3 SEM圖像分析及定量評(píng)價(jià)

有機(jī)質(zhì)孔隙是頁(yè)巖的主要儲(chǔ)集空間和滲流通道，并且內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)極大地增大了頁(yè)巖孔體積和孔表面積［32，35-36］。頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度與熱演化程度決定有效生氣量［37］。目前，依據(jù)有機(jī)質(zhì)的成因通常可分為沉積有機(jī)質(zhì)和遷移有機(jī)質(zhì)，其中沉積有機(jī)質(zhì)為未發(fā)生過(guò)遷移的有機(jī)質(zhì)，緊密地與陸源碎屑相結(jié)合；而遷移有機(jī)質(zhì)多為外地遷移的有機(jī)質(zhì)，通常隨著成熟度增加，可以變?yōu)楣腆w瀝青以及焦瀝青［32，35，38］。

SEM 觀察結(jié)果顯示，海相高成熟—過(guò)成熟頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)孔隙比陸相成熟—高成熟頁(yè)巖中更發(fā)育。海相頁(yè)巖中孔隙受到周圍脆性礦物擠壓更呈現(xiàn)多樣形態(tài)特征，如部分有機(jī)質(zhì)孔隙聚合形成較大孔隙，部分有機(jī)質(zhì)為連續(xù)密集的小孔等［32，39］。相比而言，陸相頁(yè)巖受成熟度以及有機(jī)質(zhì)組分的影響，一些有機(jī)質(zhì)不發(fā)育孔隙，一些有機(jī)質(zhì)充填黏土礦物層間孔［39］。利用Image Pro plus 軟件，選取4 個(gè)不同成熟度的頁(yè)巖SEM 圖像開(kāi)展灰度處理，確定閾值，提取孔隙形態(tài)特征，統(tǒng)計(jì)孔徑、圓度、周長(zhǎng)、伸長(zhǎng)率、面積、分形維數(shù)等參數(shù)（圖5）。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，不同成熟度頁(yè)巖孔徑參數(shù)變化程度較大。在Ro≈1.5%時(shí)，孔隙形態(tài)多為條帶狀、不規(guī)則圓形。約65%以上孔隙的孔徑小于200 nm，特別是由于壓實(shí)作用程度較弱，SEM 圖像顯示300～500 nm 的孔徑占比為10%左右（圖5a）。Ro≈2.0%時(shí)，孔徑主要為100～200 nm，占比達(dá)到70%以上。部分孔隙能夠達(dá)到500 nm 以上；孔隙形態(tài)多呈現(xiàn)不規(guī)則氣泡狀與長(zhǎng)條狀。由于生烴作用與壓實(shí)作用，部分孔隙受擠壓作用發(fā)生閉合，孔隙分形維數(shù)大于1.2 的部分逐漸減少，主要為1.1～1.2（圖5b）。Ro≈3.0%時(shí)，孔徑主要為50～100 nm，孔隙分形維數(shù)主要為1.1～1.2，占比達(dá)到60%以上。SEM 圖像顯示部分孔隙形態(tài)復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)附近的脆性礦物能夠有效地形成剛性骨架，阻止有機(jī)質(zhì)孔隙被壓實(shí)（圖5c）。過(guò)成熟階段（Ro≈3.5%），受到壓實(shí)作用限制，海綿狀有機(jī)質(zhì)孔隙的孔徑多數(shù)小于50 nm，占比達(dá)到80%以上，孔隙形態(tài)呈圓形與橢圓形；此階段由于二次生烴形成大量納米級(jí)孔隙，面孔率相對(duì)較高，較小的孔徑提供了大量的孔表面積，造成孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增高、分形維數(shù)較大（圖5d）。

圖5 不同成熟度頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征及定量表征Fig.5 Development characteristics and quantitative characterization of organic pores in shale with different Ro

2.4 分形特征差異

利用氮?dú)馕綌?shù)據(jù)，結(jié)合FHH 模型和熱力學(xué)模型，計(jì)算延長(zhǎng)組、沙河子組和龍馬溪組頁(yè)巖的分形維數(shù)［22，40］。基于FHH 模型計(jì)算所得樣品的分形維數(shù)，結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)均大于0.95，表明所有頁(yè)巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)具有顯著的分形特征。延長(zhǎng)組頁(yè)巖分形維數(shù)均相對(duì)較低，D1，D2和D3平均分別為2.299，2.540，2.768；沙河子組頁(yè)巖分形維數(shù)均相對(duì)較高，平均分別為2.436，2.824，2.926；龍馬溪組頁(yè)巖平均分別為2.461，2.790，2.761。對(duì)比3 種頁(yè)巖的分形維數(shù)特征，延長(zhǎng)組頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而沙河子組和龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)。FHH 模型計(jì)算的D1的平均值均小于D2，表明在不同成熟度下，孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度要高于孔隙表面的粗糙程度?；跓崃W(xué)模型計(jì)算的分形維數(shù)均大于FHH 模型的，與前人研究一致［18］，可能是因?yàn)镕HH 模型對(duì)微孔結(jié)構(gòu)響應(yīng)較為敏感［41］。以LMX-5 樣品為例，基于2 種分形維數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)均大于0.95（圖6），表明LMX-5 樣品具有良好孔隙分形特征，根據(jù)計(jì)算的分形維數(shù)可知，LMX-5 樣品的孔隙表面的粗糙程度中等。

圖6 LMX-5樣品的分形擬合Fig.6 Fractal fitting of rock sample LMX-5

3 討論

3.1 不同成熟度下分形特征與儲(chǔ)層物性關(guān)系

不同成熟度頁(yè)巖的孔表面積和孔體積與分形維數(shù)的關(guān)系（圖7）存在差異。孔體積與D1均呈一定的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)差異不明顯（圖7a）?？左w積與D2的關(guān)系區(qū)別較為明顯（圖7b）：沙河子組頁(yè)巖兩者相關(guān)性不明顯，這可能是儲(chǔ)層內(nèi)部空間較為復(fù)雜，孔體積較小，D2值均高于2.8 造成的。龍馬溪組頁(yè)巖由于發(fā)育大量微孔，孔體積增高，造成孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上升。延長(zhǎng)組頁(yè)巖兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是由于延長(zhǎng)組屬于低成熟度頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)孔隙開(kāi)始發(fā)育，但大量原油滯留造成孔隙內(nèi)部光滑，復(fù)雜程度下降，從而呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖7b）。前人研究認(rèn)為基于熱力學(xué)理論的分形維數(shù)可以更全面地描述整個(gè)頁(yè)巖的孔徑分布特征［42］。不同成熟度頁(yè)巖孔體積和D3相關(guān)性均較好，并且D2和D3與孔體積的關(guān)系具備一定的相似性，說(shuō)明基于熱力學(xué)理論的分形維數(shù)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的模擬更接近實(shí)際情況，分形特征更明顯［43］。分形維數(shù)與孔表面積的關(guān)系顯示，龍馬溪組與延長(zhǎng)組頁(yè)巖不同分形維數(shù)與孔表面積相關(guān)性相似，表現(xiàn)出較好的一致性（圖7d—7f）。對(duì)于延長(zhǎng)組頁(yè)巖，由于處于生油高峰，原油會(huì)覆蓋孔隙表面以及內(nèi)部原有的粗糙面，使得表面變得較為光滑，并且原油會(huì)阻塞部分較小的孔隙，孔隙的非均質(zhì)程度降低，從而顯示負(fù)相關(guān)［6］。對(duì)于龍馬溪組頁(yè)巖，SEM 結(jié)果顯示多為100 nm 以下的孔隙，并且由于成熟度較高，有機(jī)質(zhì)二次生烴形成大量微-中孔，增加孔表面積，不僅造成孔隙表面的粗糙程度增大，也造成孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)程度增強(qiáng)［44］。相關(guān)研究與其他川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖結(jié)果一致［2，6，18］。

圖7 頁(yè)巖孔體積和孔表面積與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Plots of fractal dimensions（D1，D2，D3）versus pore volume and surface area in shale from different regions

3.2 分形維數(shù)差異演化特征

3 種分形維數(shù)隨成熟度增加具有相似的變化特征（圖8），表明分形維數(shù)能夠定量刻畫(huà)不同成熟度頁(yè)巖的非均質(zhì)性。前人研究表明在低成熟度生油窗（Ro＜0.9%）內(nèi)的有機(jī)質(zhì)并不發(fā)育二次裂解孔隙，延長(zhǎng)組頁(yè)巖具有較高的TOC值與較低的成熟度，并且內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔隙并不特別發(fā)育［35，39，44］，此外早期生油會(huì)阻塞微孔發(fā)育，降低孔體積與孔表面積，從而降低孔隙表面的復(fù)雜程度。此階段的成巖作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙的影響也很明顯，低成熟期的物理壓實(shí)作用會(huì)顯著降低孔體積，造成大量孔隙閉合，孔表面積減小，導(dǎo)致分形維數(shù)較低［6］。

圖8 不同頁(yè)巖分形維數(shù)箱狀圖Fig.8 Box diagram of fractal dimensions of shale samples from different regions

隨著頁(yè)巖熱演化程度增加，干酪根的熱演化和新孔隙的產(chǎn)生將擴(kuò)大孔徑的分布范圍，增加孔隙整體的非均質(zhì)性和粗糙度，導(dǎo)致分形維數(shù)增加［6］。特別是陸相高成熟度頁(yè)巖，黏土礦物含量較高，部分充填于黏土礦物內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)孔隙更為發(fā)育，有機(jī)質(zhì)與黏土形成的孔隙空間具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得孔隙表面、孔隙內(nèi)部復(fù)雜程度均較高［7］。并且伴隨成巖過(guò)程的其他物理和化學(xué)變化，如失水和芳香烴增加，也可能增加孔隙非均質(zhì)性［6］。

高成熟度龍馬溪組頁(yè)巖中的干酪根經(jīng)過(guò)了初次裂解生烴及液態(tài)烴類的二次裂解過(guò)程［32，34，37］。龍馬溪組頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)孔隙是在干酪根和焦瀝青裂解生烴過(guò)程中形成的次生孔隙，其發(fā)育主要受海相頁(yè)巖熱成熟度的控制［32，34，38，44］。生烴過(guò)程中，35%的有機(jī)質(zhì)消耗量可以為頁(yè)巖增加約4.9%的有效儲(chǔ)集空間［45］?？紫兜陌l(fā)育特征主要受生烴過(guò)程中新增的有機(jī)質(zhì)孔隙的控制［6，44］。同時(shí)此階段孔隙多發(fā)育在遷移有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，并且受到周圍脆性礦物的支撐作用使得有機(jī)質(zhì)二次生烴所產(chǎn)生的大量微孔能夠較完整的保存下來(lái)［38，44］。由于較小的有機(jī)質(zhì)孔隙快速增加，孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性隨有機(jī)質(zhì)生烴作用而增強(qiáng)，造成D2上升。

3.3 分形維數(shù)的影響因素

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法是通過(guò)尋找系統(tǒng)中各個(gè)因素的主次關(guān)系，確定影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的主要分析手段。為了分析不同成熟度頁(yè)巖巖石組分與分形維數(shù)的關(guān)系，利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法，定量化分析各種影響因素的權(quán)重系數(shù)［46］。

分析結(jié)果顯示，頁(yè)巖成熟度是造成孔隙分形維數(shù)差異的關(guān)鍵要素。對(duì)于低成熟度陸相延長(zhǎng)組頁(yè)巖而言，黏土礦物是其影響的主要因素（圖9a）。主要是由于低成熟階段有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的孔隙有限，并且黏土礦物含量相對(duì)較高，黏土礦物相關(guān)孔隙較為發(fā)育，造成分形維數(shù)與黏土礦物相關(guān)程度較高。對(duì)于高成熟度陸相沙河子組頁(yè)巖，分形維數(shù)主要受石英和黏土礦物相對(duì)含量聯(lián)合影響，TOC值對(duì)其影響較小，可能是由于研究樣品的TOC值較低，產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)孔隙較少（圖9b）。前人有關(guān)沙河子組頁(yè)巖研究也有相似的結(jié)果［7，31，34，47］。并且有關(guān)成熟度和有機(jī)質(zhì)孔隙的相關(guān)研究中也顯示鏡質(zhì)組反射率為2.00%的樣品有機(jī)質(zhì)孔隙較少［35］，說(shuō)明此階段無(wú)機(jī)礦物孔隙占主要部分。對(duì)于高成熟度海相頁(yè)巖，黏土礦物含量與分形維數(shù)關(guān)系較大，其次是TOC值。此結(jié)果與前人的研究有較大出入［6，30］（圖9c）。主要原因可能是樣品礦物組成中碳酸鹽礦物含量較高，但是在分析時(shí)僅僅統(tǒng)計(jì)了石英含量，未統(tǒng)計(jì)碳酸鹽礦物的影響。值得注意的是，高成熟度海相龍馬溪組頁(yè)巖中TOC值權(quán)重要比其他2 種頁(yè)巖更大，表明TOC值對(duì)分形維數(shù)的控制作用較為明顯，此結(jié)果與前人的研究一致［2，6，30］。

圖9 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法計(jì)算不同頁(yè)巖權(quán)重系數(shù)熱力圖Fig.9 Thermodynamic diagram of weight coefficients of different shale calculated by GRA

4 結(jié)論

基于FHH 模型與熱力學(xué)模型統(tǒng)計(jì)，延長(zhǎng)組低成熟度頁(yè)巖分形維數(shù)較低，高成熟度龍馬溪組海相頁(yè)巖、沙河子組陸相頁(yè)巖具有較高的分形維數(shù)，表明高成熟度頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度明顯高于低成熟度頁(yè)巖。

與FHH 模型相比，熱力學(xué)模型計(jì)算分形維數(shù)明顯偏高，但兩者均與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系密切。在高成熟度海相頁(yè)巖中，較高的孔表面積和孔體積會(huì)造成孔隙復(fù)雜程度明顯增高，但這種關(guān)系在低成熟度頁(yè)巖并不明顯，可能是生成的滯留烴造成微孔阻塞或覆蓋孔隙表面造成的。

隨著成熟度逐漸增加，頁(yè)巖儲(chǔ)層分形維數(shù)的主要影響因素逐漸從礦物組成變成總有機(jī)碳含量。

符號(hào)解釋

C——常數(shù)；

D——分形維數(shù)；

D1——孔隙表面分形維數(shù)；

D2——孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)；

D3——熱力學(xué)模型計(jì)算的分形維數(shù)；

N——當(dāng)前氣體吸附量，mol；

Nmax——相對(duì)壓力0趨近于1時(shí)的最大吸附量，mol；

p——等效壓力，MPa；

p0——?dú)怏w的飽和壓力，MPa；

r——孔隙半徑，nm；——吸附質(zhì)-蒸汽界面的曲率半徑，nm；

R——理想氣體狀態(tài)常數(shù)，J/（mol·K）；

S——孔表面積，nm2；

T——溫度，℃；

vm——液氮摩爾體積；

V——等效壓力下的吸附體積，cm3；

σ——表面流體張力，mN/m。