過(guò)渡相煤系泥頁(yè)巖納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性表征及主控因素
——以淮南煤田二疊系為例

邵春景，屈爭(zhēng)輝，尹宏偉*，左兆喜，余 坤，余可龍

(1.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

0 引 言

中國(guó)海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層廣泛發(fā)育，可采資源量為(2.20～8.97)×1012m3[1]，近年來(lái)相繼在鄂爾多斯盆地、四川盆地、南華北盆地石炭系—二疊系獲得工業(yè)氣流[1-3]。相比于海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)豐度高、含氣量高、主要發(fā)育粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔等地質(zhì)特征，以及陸相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)豐度較高、含氣量低、主要發(fā)育無(wú)機(jī)質(zhì)孔等地質(zhì)特征[1]，海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層沉積環(huán)境復(fù)雜，巖性變化大，物質(zhì)成分迥異，不同物質(zhì)成分導(dǎo)致孔隙發(fā)育類(lèi)型以基質(zhì)孔隙(黏土礦物晶間孔、粒間孔、溶蝕孔等)為主，有機(jī)質(zhì)孔少見(jiàn)，尺度多為納米級(jí)，孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性極強(qiáng)[1-2]。這種極強(qiáng)的微觀非均質(zhì)性影響著儲(chǔ)集空間類(lèi)型和分布、氣體賦存方式及釋放能力等頁(yè)巖儲(chǔ)層物性的關(guān)鍵參數(shù)[2,4-6]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用圖像形貌觀察法(如掃描電鏡、透射電鏡及三維微納米成像X射線CT等高分辨率觀測(cè)設(shè)備)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的定性表征[7-9]；通過(guò)低壓氣體吸附、高壓壓汞、核磁共振和中子小角散射等方法定量研究孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布、孔隙體積和比表面積等參數(shù)[8-11]；借助掃描電鏡定性觀察、統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)和分形特征等展開(kāi)孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性方面研究[3,5-6]。其中，掃描電鏡因停留在定性觀察而可靠性較差；統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)主要有孔隙面孔率、孔隙曲折度、相對(duì)偏差、變異系數(shù)等[5,12]；圍繞分形建立有Langmuir、BET和FHH(Frenkel-Halsey-Hill)等模型以及分形維數(shù)等參數(shù)[13-16]，從而建立了孔隙非均質(zhì)性表征模型等[6]。由于研究尺度、復(fù)雜性等方面的限制，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層顯微尺度非均質(zhì)性的評(píng)價(jià)方法、影響因素以及與頁(yè)巖氣地質(zhì)參數(shù)間的相互關(guān)系等方面仍需進(jìn)一步深入研究[6]。前人工作主要集中在海相[17-20]、湖相[12,21]或者陸相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層[3,22]孔隙分形特征，而對(duì)海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究較少[4,22]。中國(guó)淮南煤田二疊系煤系泥頁(yè)巖發(fā)育，鉆井實(shí)測(cè)含氣量高[23]，但關(guān)于山西組和下石盒子組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的層間非均質(zhì)性及其控制因素的研究欠缺，尚不能有效指導(dǎo)儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)。

鑒于此，本文選取淮南煤田新集礦1001井山西組和下石盒子組海陸過(guò)渡相煤系泥頁(yè)巖樣品，運(yùn)用總有機(jī)碳(TOC)、鏡質(zhì)體反射率(Ro,max)、全巖和黏土X射線衍射分析(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)及低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，基于低溫液氮吸附的FHH分形模型，遴選相對(duì)偏差和分形維數(shù)參數(shù)表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征及孔隙層間非均質(zhì)性；通過(guò)進(jìn)一步討論分形特征參數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系來(lái)揭示儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的主要控制因素，為該區(qū)頁(yè)巖氣資源的勘探與評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

圖件引自文獻(xiàn)[26],有所修改圖1 淮南煤田構(gòu)造簡(jiǎn)圖與采樣位置Fig.1 Structural Sketch Map and Sampling Position of Huainan Coalfield

1 區(qū)域地質(zhì)概況

淮南煤田位于華北板塊東南部秦嶺—大別山造山帶前陸，東以郯廬斷裂為界，西接阜陽(yáng)斷裂，北臨蚌埠隆起，南抵大別山造山帶，主體構(gòu)造形態(tài)為NWW向復(fù)式向斜[23-25]，總體上褶皺和斷層構(gòu)造發(fā)育。1001井位于淮南煤田西部新集礦，處于謝橋古溝向斜北翼呈EW向延伸的F210斷層帶上，周?chē)鶶N走向斷層極發(fā)育[26](圖1)。

淮南煤田主要含煤巖系為二疊系，廣泛發(fā)育山西組和下石盒子組，巖性以煤層、泥巖、頁(yè)巖、砂泥互層、粉砂巖和中—細(xì)粒砂巖為主，其中泥頁(yè)巖發(fā)育厚度約占地層總厚度的1/4，形成于海陸過(guò)渡相三角洲環(huán)境[24]。早二疊世隨著沉積物的補(bǔ)償，山西組逐漸呈海退趨勢(shì)，海水作用明顯減弱，三角洲推進(jìn)，發(fā)育前三角洲和三角洲前緣沉積；進(jìn)入中二疊世，海水作用基本消失，河流作用加強(qiáng)，演化為下石盒子組沉積期的河控三角洲平原沉積[25-26]。

2 樣品采集及分析方法

本文采集新集礦1001井13件新鮮泥頁(yè)巖巖芯樣品，開(kāi)展鉆孔巖性層厚及沉積相等分析?？傆袡C(jī)碳分析測(cè)試依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中總有機(jī)碳的測(cè)定》(GB/T 19145—2003)，利用CS230型碳硫分析儀完成；鏡質(zhì)體反射率測(cè)試參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中鏡質(zhì)體反射率測(cè)定方法》(SY/T 5124—2012)，采用德國(guó)Axio Imager Mlm顯微鏡光度計(jì)完成；全巖和黏土礦物X射線衍射分析利用德國(guó)Bruker D8 Advance型X射線衍射儀檢測(cè)，浮選方法富集黏土礦物，利用Rietveld半定量原理進(jìn)行礦物成分定量；FEI Quanta 200 F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡用于對(duì)氬離子拋光后的樣品表面觀察；低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Quantachrome公司的Autosorb-1型比表面積及孔隙分析儀，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》(GB/T 19587—2004)完成，實(shí)驗(yàn)前將樣品在150 ℃真空烘箱中干燥4 h脫去水分和揮發(fā)性物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)時(shí)在-195.8 ℃液氮條件下測(cè)定不同分壓的氮?dú)馕胶徒馕葴鼐€，相對(duì)壓力(P/P0)為0.001～0.998，基于DFT法獲得孔徑分布和孔隙體積，BET法則用于比表面積計(jì)算。

3 儲(chǔ)層特征

3.1 有機(jī)地球化學(xué)和礦物組分特征

圖2 新集礦1001井采樣位置、沉積相分析及其相關(guān)參數(shù)Fig.2 Sampling Positions, Sedimentary Facies Analysis and Relevant Parameters of Well 1001 in Xinji Mine

總有機(jī)碳、鏡質(zhì)體反射率以及全巖和黏土礦物X射線衍射分析結(jié)果(圖2)顯示，煤系泥頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)豐度參差變化?？傆袡C(jī)碳介于0.60%～6.05%之間，平均值為2.48%，層間變化較大，山西組和下石盒子組總有機(jī)碳平均值分別為1.88%和3.01%，下石盒子組高于山西組。山西組和下石盒子組鏡質(zhì)體反射率平均值分別為0.90%和1.01%，基本接近，有機(jī)質(zhì)成熟度處于低成熟—成熟階段。礦物組分主要由黏土礦物(高嶺石、綠泥石、伊利石、伊利石與蒙脫石混層)和碎屑礦物(石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石)組成，部分樣品含少量碳酸鹽礦物(白云石和菱鐵礦)及黃鐵礦。其中，黏土礦物最多，含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)為44.8%～77.4%，平均含量為58.4%；石英次之，平均含量為35.2%；其他礦物平均含量均小于3%。本文將脆性礦物含量計(jì)算為除黏土礦物之外的其他礦物含量之和，范圍為22.6%～55.2%，平均含量為41.6%。從山西組到下石盒子組，黏土礦物含量逐漸增加，石英、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石含量相應(yīng)減少，白云石、菱鐵礦和黃鐵礦等含量明顯減少直至消失。

3.2 納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.2.1 孔隙形態(tài)

山西組和下石盒子組泥頁(yè)巖低溫液氮吸附-脫附曲線[圖3(a)、(b)]在形態(tài)上略有差別，但整體形態(tài)均呈反S型，和國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ型吸附曲線[27-28]最為接近[圖3(c)]，與回滯環(huán)分類(lèi)中H3型最為接近，兼有H4型特征[圖3(d)、(e)]，反映了孔隙以開(kāi)放程度較高的平行板狀孔、狹縫狀孔為主，同時(shí)一部分為均勻的狹縫狀孔、錐狀孔及其他類(lèi)型孔[27,29]。狹縫狀孔與較多的片狀顆?；|(zhì)有關(guān)，樣品黏土礦物含量較高，其片狀顆粒結(jié)構(gòu)提供了較多的狹縫狀孔，掃描電鏡下觀察可見(jiàn)片狀黏土礦物片層間發(fā)育平行板狀孔、狹縫狀孔、粒間錐狀孔及其他類(lèi)型孔(圖4)?？紫堕_(kāi)放程度與吸附曲線上升速率有關(guān)，上升越快說(shuō)明孔隙開(kāi)放程度越高，連通性較好，利于氣體運(yùn)移[27,30]。山西組6件泥頁(yè)巖樣品垂向上具有一定的規(guī)律，由深至淺，吸附曲線上升速率變緩，孔隙開(kāi)放程度減?。欢率凶咏M7件泥頁(yè)巖樣品規(guī)律性較弱，除樣品XS4孔隙開(kāi)放程度最小外，其他樣品基本接近。

3.2.2 比表面積與孔容

BET法求取的山西組泥頁(yè)巖孔隙比表面積為7.621～11.415 m2·g-1，平均值為9.471 m2·g-1；下石盒子組泥頁(yè)巖為12.876～19.616 m2·g-1，平均值為15.078 m2·g-1。DFT法求取的山西組孔容范圍為0.011 701～0.016 980 cm3·g-1，平均為0.014 117 cm3·g-1；下石盒子組介于0.015 348～0.019 185 cm3·g-1，平均為0.017 454 cm3·g-1。BET法求得的山西組和下石盒子組平均孔徑大小分別為7.261 3 nm和5.496 1 nm。由此可見(jiàn)下石盒子組孔隙比表面積與孔容都大于山西組，而平均孔徑表現(xiàn)為下石盒子組小于山西組(表1)。

表1 泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Pore Structure Parameters of Shale

3.2.3 孔徑分布與比例

根據(jù)DFT法得到的孔徑分布曲線(圖5)顯示山西組和下石盒子組泥頁(yè)巖孔徑都呈多峰分布，具有一定非均質(zhì)性。按照IUPAC孔徑大小的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，山西組和下石盒子組孔隙發(fā)育相對(duì)集中于微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)等3個(gè)區(qū)間[28]，兩個(gè)組微孔和宏孔范圍發(fā)育較少峰，在介孔范圍內(nèi)呈多峰分布，且峰值較高，表明樣品主要發(fā)育介孔。

圖(c)、(d)、(e)引自文獻(xiàn)[27]和[30]圖3 泥頁(yè)巖低溫液氮吸附-脫附曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Low-temperature Liquid Nitrogen Adsorption-desorption Isotherms of Shales and Standard Curves

圖4 泥頁(yè)巖場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 FE-SEM Images of Shales

圖5 泥頁(yè)巖孔徑分布曲線Fig.5 Pore Diameter Distribution Curves of Shales

介孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)最大，微孔和宏孔貢獻(xiàn)微弱；下石盒子組微孔對(duì)孔容的貢獻(xiàn)較山西組大，而山西組宏孔對(duì)孔容貢獻(xiàn)較下石盒子組大。介孔和微孔對(duì)比表面積貢獻(xiàn)最為突出，二者所占比例互相持平；宏孔貢獻(xiàn)極為微弱(表2)。豐富的微孔和介孔提高了比表面積，有利于頁(yè)巖氣的吸附和儲(chǔ)存。

4 孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性及主控因素

受控于沉積-成巖-構(gòu)造作用等多種因素的綜合影響，頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)具有非均質(zhì)性，主要包括孔隙類(lèi)型在不同儲(chǔ)層段的差異、孔隙類(lèi)型本身的復(fù)雜性、孔徑分布的不均一性、不同孔隙類(lèi)型以及孔隙形貌特征的差異等[6]?？紫督Y(jié)構(gòu)相對(duì)偏差參數(shù)以及孔隙結(jié)構(gòu)分形模型常用于表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性[4,6]。

4.1 孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性

4.1.1 相對(duì)偏差參數(shù)

相對(duì)偏差參數(shù)能夠衡量單項(xiàng)測(cè)定結(jié)果對(duì)平均值的偏離程度，可以對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性進(jìn)行表征[1,3]。依據(jù)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算各參數(shù)相對(duì)偏差(相對(duì)偏差為孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與平均值的差值再除以平均值后所得數(shù)的絕對(duì)值)，作相對(duì)偏差雷達(dá)圖來(lái)比較各參數(shù)相對(duì)平均值的偏離程度(圖6)。

從圖6可以看出：下石盒子組孔容相對(duì)偏差最小，比表面積和平均孔徑相對(duì)偏差都比較大；而山西組比表面積和平均孔徑的相對(duì)偏差最小，孔容的相對(duì)偏差也比較小。因此，山西組比表面積和平均孔徑分布較下石盒子組均勻，山西組孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性相對(duì)弱，對(duì)頁(yè)巖氣的解吸、擴(kuò)散較為有利。

表2 不同孔徑泥頁(yè)巖孔容與比表面積所占比例Tab.2 Ratios of Pore Volume and Specific Surface Area of Shales in Different Pore Sizes

4.1.2 孔隙結(jié)構(gòu)分形模型

多孔介質(zhì)孔隙分布滿足自相似性，符合分形規(guī)律，分形維數(shù)能夠定量表述這些特性[12-14]。采用FHH分形模型[13]，根據(jù)低溫液氮吸附數(shù)據(jù)計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)。其表達(dá)式為

lnV=Kln(ln(P0/P))+lnV0+C

式中：P為平衡壓力；P0為氣體吸附的飽和蒸汽壓；V為平衡壓力P下吸附的氣體分子體積；V0為單分子層吸附氣體的體積，則lnV0為常量；C為待定常量。

以ln(ln(P0/P))為自變量、lnV為因變量構(gòu)建雙對(duì)數(shù)曲線，再用最小二乘法擬合趨勢(shì)線及方程，K即為趨勢(shì)線斜率，根據(jù)斜率可求出多孔介質(zhì)的分形維數(shù)D。當(dāng)巖石的分形維數(shù)為2～3時(shí)，符合孔隙結(jié)構(gòu)分形意義，可反映巖石孔隙表面或孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性。D越接近2時(shí)，孔隙表面越規(guī)則，越接近3時(shí)，則越不規(guī)則，儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，非均質(zhì)性越強(qiáng)[12-13,30]。由吸附-脫附曲線得到樣品在P/P0>0.45時(shí)出現(xiàn)回滯環(huán)，氮?dú)馕劫|(zhì)發(fā)生毛細(xì)管凝聚作用[22,27]；選取P/P0>0.45的吸附數(shù)據(jù)，采用K=D-3求得孔隙分形維數(shù)D。

圖6 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)相對(duì)偏差雷達(dá)圖Fig.6 Radar Charts of Relative Deviation of Pore Structure Parameters

樣品SX6-D2表示樣品SX6所對(duì)應(yīng)的滲透孔隙分形維數(shù)；樣品SX6-D1表示樣品SX6所對(duì)應(yīng)的吸附孔隙分形維數(shù)；其余依次類(lèi)推；圖中線條為對(duì)應(yīng)樣品投點(diǎn)的擬合線圖7 低溫液氮吸附體積與相對(duì)壓力(P/P0>0.45)雙對(duì)數(shù)曲線分形擬合關(guān)系Fig.7 Relationships of Fractal Fitting Between ln V and ln(ln(P0/P)) (P/P0>0.45) Reconstructed from Low-temperature Liquid Nitrogen Adsorption Isotherms

對(duì)研究樣品的雙對(duì)數(shù)曲線進(jìn)行分形擬合發(fā)現(xiàn)，ln(ln(P0/P))值在-2.2～-1.8之間時(shí)，雙對(duì)數(shù)曲線的斜率發(fā)生明顯改變，因此，以ln(ln(P0/P))=-2.2～-1.8(即P/P0=0.80～0.90)為分界點(diǎn)進(jìn)行分段擬合(圖7)，得到兩段擬合線的lnV與ln(ln(P0/P))都具極好負(fù)線性關(guān)系(判定系數(shù)R2大于0.97)，表明泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)具有很好的分段分形特征。利用Kelvin方程rK=-0.414/lg(P/P0)[31]，求得分界點(diǎn)位置P/P0范圍對(duì)應(yīng)的泥頁(yè)巖孔隙半徑rK=6.0～9.0 nm。傅雪海等對(duì)煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)分形特征研究中發(fā)現(xiàn)煤孔隙在甲烷分子平均自由程(r≈7.5 nm)時(shí)發(fā)生突變，據(jù)此將煤孔隙劃分為r>7.5 nm的滲透孔隙和r≤7.5 nm的吸附孔隙兩大類(lèi)[32]。該分界點(diǎn)(r=7.5 nm)與本文泥頁(yè)巖分段分形的分界點(diǎn)范圍(rK=6.0～9.0 nm)較接近且為范圍的中間值，表現(xiàn)出煤系泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)與煤儲(chǔ)層的高度相似性。因此，本文依據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)分形特征將研究區(qū)泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)劃分為r>7.5 nm的滲透孔隙和r≤7.5 nm的吸附孔隙，對(duì)應(yīng)分形維數(shù)分別為D2和D1(表3)。

山西組泥頁(yè)巖滲透孔隙分形維數(shù)介于2.761 6～2.830 6之間，平均為2.784 1，吸附孔隙分形維數(shù)為2.691 0～2.795 6，平均為2.734 5，二者差值(ΔD=D2-D1)為0.049 6。下石盒子組泥頁(yè)巖滲透孔隙分形維數(shù)介于2.773 8～2.911 2之間，平均為2.849 6，吸附孔隙分形維數(shù)為2.738 3～2.823 7，平均為2.778 6，二者差值為0.071 0。滲透孔隙分形維數(shù)明顯大于吸附孔隙分形維數(shù)，表明滲透孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度強(qiáng)于吸附孔隙，不規(guī)則程度更高，非均質(zhì)性更強(qiáng)；下石盒子組樣品的滲透孔隙分形維數(shù)、吸附孔隙分形維數(shù)及二者差值均大于山西組，表明下石盒子組孔隙結(jié)構(gòu)較山西組復(fù)雜，非均質(zhì)性更強(qiáng)，與4.1.1節(jié)相對(duì)偏差對(duì)比結(jié)果一致。泥頁(yè)巖分形維數(shù)不僅反映了孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也反映了儲(chǔ)層不同的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)所遵循的自相似性規(guī)律[18,20]。分形維數(shù)與比表面積成正線性關(guān)系，與孔容之間成極弱負(fù)線性關(guān)系[圖8(a)、(e)]；微孔比表面積和孔容都隨著分形維數(shù)增大而增加[圖8(b)、(f)]；介孔比表面積和孔容與分形維數(shù)的相關(guān)性較弱[圖8(c)、(g)]；宏孔比表面積和孔容都隨著分形維數(shù)的增大而減小[圖8(d)、(h)]。因此，泥頁(yè)巖微孔越發(fā)育，由這種不同孔徑組成的“宏孔-介孔-微孔”孔隙網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性越強(qiáng)。

表3 基于FHH分形模型的孔隙分形維數(shù)Tab.3 Pore Fractal Dimensions Derived from FHH Fractal Model

注：x為ln(ln(P0/P))；y為lnV。

4.2 主控因素

4.2.1 儲(chǔ)層物質(zhì)組分

樣品分形維數(shù)與總有機(jī)碳、黏土礦物和脆性礦物含量的相關(guān)關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，分形維數(shù)與總有機(jī)碳之間的相關(guān)性極弱，與黏土礦物含量存在較好的正線性關(guān)系，與脆性礦物含量相應(yīng)成負(fù)線性關(guān)系(圖9)。以上特征表明：總有機(jī)碳對(duì)分形維數(shù)影響較??；黏土礦物對(duì)分形維數(shù)影響較大，尤其以吸附孔隙分形維數(shù)與黏土礦物含量的相關(guān)性更好，黏土礦物對(duì)吸附孔隙的復(fù)雜程度影響更大；脆性礦物含量的增加使黏土礦物減少，孔隙分形維數(shù)也減小，非均質(zhì)性變?nèi)?。因此，?chǔ)層物質(zhì)組分對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性有重要影響。

4.2.2 地質(zhì)因素

下古生界海相龍馬溪組[9,20]、荷塘組[21]等富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖研究表明：儲(chǔ)層的熱演化程度鏡質(zhì)體反射率普遍大于2%，有機(jī)質(zhì)已處于生氣窗之后，易形成大量有機(jī)質(zhì)孔，可能伴隨溶蝕孔[33]，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)孔在較大孔徑階段孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以隨著總有機(jī)碳增大，孔隙分形維數(shù)增加；儲(chǔ)層礦物組分以脆性礦物占主體，脆性礦物在結(jié)晶過(guò)程或后期成巖溶蝕作用下發(fā)育形成多種孔隙類(lèi)型，造成孔隙分形維數(shù)增大，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度加大；黏土礦物含量較低，發(fā)育的孔隙類(lèi)型單一，數(shù)量較少，加之地層時(shí)代老且埋藏深，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的成巖演化過(guò)程，受強(qiáng)烈壓實(shí)作用影響，黏土礦物片間孔、粒間孔在應(yīng)力作用下閉合或受到充填，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度影響較小。而陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)類(lèi)型復(fù)雜，鏡質(zhì)體反射率大多介于0.6%～1.2%之間，主體處于生油窗內(nèi)，不利于形成有機(jī)質(zhì)孔；黏土礦物豐富，隨著埋深的增加和成巖作用的持續(xù)進(jìn)行，黏土礦物由蒙脫石向更穩(wěn)定的伊利石、綠泥石等轉(zhuǎn)化，形成大量的粒間孔和粒內(nèi)孔[22,33]。

樣品XS-D2(R2=0.693 2)表示基于滲透孔隙分形維數(shù)的下石盒子組樣品投點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的擬合線判定系數(shù)為0.693 2；樣品XS-D1(R2=0.554 9)表示基于吸附孔隙分形維數(shù)的下石盒子組樣品投點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的擬合線判定系數(shù)為0.554 9；樣品SX-D2(R2=0.729 6)表示基于滲透孔隙分形維數(shù)的山西組樣品投點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的擬合線判定系數(shù)為0.729 6；樣品SX-D1(R2=0.205 9)表示基于吸附孔隙分形維數(shù)的山西組樣品投點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的擬合線判定系數(shù)為0.205 9；其余依次類(lèi)推；圖中線條為對(duì)應(yīng)樣品投點(diǎn)的擬合線圖8 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationships Between Fractal Dimension and Pore Structure Parameters

D2(R2=0.026 6)表示基于滲透孔隙分形維數(shù)的樣品投點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的擬合線判定系數(shù)為0.026 6； D1(R2=0.367 6)表示基于吸附孔隙分形維數(shù)的樣品投點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的擬合線判定系數(shù)為0.367 6；其余依次類(lèi)推；圖中線條為對(duì)應(yīng)樣品投點(diǎn)的擬合線圖9 總有機(jī)碳、黏土礦物含量、脆性礦物含量與分形維數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationships Between TOC, Clay Minerals Contents, Brittle Minerals Contents and Fractal Dimension

淮南煤田二疊系海陸過(guò)渡相煤系泥頁(yè)巖沉積于三角洲環(huán)境，相對(duì)下古生界海相地層時(shí)代較新且埋藏較淺；總有機(jī)碳相對(duì)較低，層間差異較大，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型復(fù)雜，鏡質(zhì)體反射率平均值介于0.90%～1.01%，主體處于生油窗內(nèi)，不利于形成有機(jī)質(zhì)孔；儲(chǔ)層礦物組分以黏土礦物為主體，脆性礦物含量較少且以石英為主，經(jīng)歷了較短的成巖演化過(guò)程，壓實(shí)和后期溶蝕作用弱。整體上有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育，總有機(jī)碳較大時(shí)，孔隙分形維數(shù)未必較大；黏土礦物中發(fā)育了多種類(lèi)型的孔隙，以片層間的平行板狀孔、狹縫狀孔為主，也含有粒間的錐狀孔及其他類(lèi)型孔，總體孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尤其是孔徑較小的微孔，造成從山西組到下石盒子組，隨著黏土礦物含量增加，孔隙分形維數(shù)增大，孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，非均質(zhì)性增強(qiáng)；脆性礦物中極少發(fā)育微孔，其含量的增加降低了黏土礦物含量，故孔隙分形維數(shù)減小，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度降低?？傊芯繀^(qū)煤系泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性主要受控于不同沉積環(huán)境及成巖演化下礦物組分的差異。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)淮南煤田廣泛發(fā)育海陸過(guò)渡相三角洲環(huán)境的山西組和下石盒子組煤系泥頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)豐度層間變化較大，成熟度處于低成熟—成熟階段，主要由黏土礦物和脆性礦物組成；儲(chǔ)層主要發(fā)育黏土礦物片層間的平行板狀孔、狹縫狀孔，含粒間的錐狀孔，有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育；孔隙尺度以介孔為主，含一定量微孔和宏孔。

(2)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)具顯著FHH分形模型分段分形特征，與煤儲(chǔ)層高度相似而劃分為滲透孔隙(r>7.5 nm)和吸附孔隙(r≤7.5 nm)，滲透孔隙復(fù)雜程度強(qiáng)于吸附孔隙；微孔越發(fā)育，孔容越小，比表面積越大，分形維數(shù)越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，非均質(zhì)性越強(qiáng)。

(3)煤系泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性主要受控于不同沉積環(huán)境及成巖演化下礦物組分差異，且隨著黏土礦物含量的增加和脆性礦物含量的減小而增大。

(4)相比于下石盒子組，山西組黏土礦物含量更低，導(dǎo)致分形維數(shù)較低，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度偏弱，比表面積和平均孔徑相對(duì)偏差較小，孔隙分布較均勻，非均質(zhì)性相對(duì)弱，對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存、解吸和擴(kuò)散更有利，可考慮優(yōu)先開(kāi)采。