下寒武統(tǒng)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征

王濡岳 ，尹帥 ，龔大建 ，王冠平 ，楊滔 ，尚素芹

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；3.銅仁中能天然氣有限公司，貴州 銅仁 554300；4.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；5.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；6.中國石化中原油田分公司濮東采油廠，河南 濮陽 457001）

頁巖氣生成并儲集于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系內(nèi)，以吸附及游離態(tài)為主要賦存方式，其成藏系統(tǒng)為源、儲一體［1］。近年來，頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究已成為國內(nèi)外頁巖油氣重點(diǎn)研究領(lǐng)域，隨著研究的不斷深入、技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新，頁巖微觀孔隙及結(jié)構(gòu)研究取得了大量的成果［2-11］。分形理論應(yīng)用于表征各類儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，取得了良好的評價(jià)效果［9-10］。本文以黔東南地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組與變馬沖組頁巖為研究對象，利用礦物學(xué)與有機(jī)地球化學(xué)、低溫氮?dú)馕健⑽镄约凹淄槲降确矫尜Y料，結(jié)合Frenkel-Halsey-Hill（FHH）分形理論，對下寒武統(tǒng)黑色頁巖孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征進(jìn)行分析與探討。

1 樣品與方法

22塊頁巖樣品取自黔東南地區(qū)TM-1，TX-1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組與變馬沖組。通過有機(jī)地球化學(xué)、礦物學(xué)、場發(fā)射掃描電鏡、孔隙結(jié)構(gòu)及甲烷等溫吸附等相關(guān)測試，得到研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖儲層參數(shù)。本文采用FHH模型［10］來描述頁巖孔隙結(jié)構(gòu)分形特征，對0～0.5和0.5～1.0兩個相對壓力范圍內(nèi)對應(yīng)的分形維數(shù)D1，D2進(jìn)行計(jì)算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征

2.1.1 孔隙類型與分形維數(shù)

根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的分類標(biāo)準(zhǔn)，頁巖樣品氮?dú)馕交鼐€具有H2型、H3型和H4型3種形態(tài)，它們分別對應(yīng)墨水瓶狀、平板狀和狹縫狀孔隙。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（見表1）：富黏土貧有機(jī)質(zhì)頁巖以平板狀孔隙為主，平均孔徑較大，孔容與比表面積較低；富有機(jī)質(zhì)頁巖以墨水瓶狀和狹縫狀孔隙為主，平均孔徑較小，孔容與比表面積較大。

表1 頁巖孔隙類型與參數(shù)統(tǒng)計(jì)

下寒武統(tǒng)頁巖有機(jī)孔發(fā)育程度較低、孔徑較?。?］，與已建產(chǎn)的焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖相比，氮?dú)馕搅颗c回滯環(huán)面積較?。ㄒ妶D1），反映龍馬溪組具有更大的孔容與更多墨水瓶狀有機(jī)孔［11］。

圖1 頁巖氮?dú)馕交鼐€特征

分形特征顯示，下寒武統(tǒng)頁巖的D1分布在2.564～2.840， 均值為 2.723，D2分布在 2.593～2.952， 均值為2.867，D2普遍大于D1，孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度明顯強(qiáng)于表面，D1，D2均明顯大于龍馬溪組頁巖［10］。此外，分形維數(shù)與孔隙類型無顯著相關(guān)性，墨水瓶狀與狹縫狀孔隙分形維數(shù)總體較大（見圖2）。

圖2 孔隙類型與分形維數(shù)的關(guān)系

2.1.2 分形維數(shù)與TOC、礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖3為分形維數(shù)與TOC、礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖。由圖可以看出，分形維數(shù)與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TOC均呈正相關(guān)關(guān)系。海相頁巖TOC與石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)的正相關(guān)性，使石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TOC與分形維數(shù)等儲層參數(shù)間的關(guān)系具有相似性。整體來看，D2與TOC、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性均好于D1，說明頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征與D2關(guān)系更為密切。D2與TOC相關(guān)性最為顯著，D2隨TOC的增加而快速增加。當(dāng)TOC=4.0%時(shí)，D2普遍大于2.900，增加幅度有限（見圖3f），孔隙結(jié)構(gòu)具有相似性與趨同性，孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。Vernik-Landis研究發(fā)現(xiàn)［12］，當(dāng)頁巖 TOC＞5.0%時(shí)，黏土及碎屑顆粒間有機(jī)質(zhì)能夠互相連通形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將黏土與碎屑顆?；ハ嘧韪?，使頁巖孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。因此，當(dāng)TOC＞4.0%，頁巖孔隙以均一程度較高的有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔和有機(jī)質(zhì)伴生孔為主。

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

如圖4所示：D1，D2與平均孔徑負(fù)相關(guān)，與比表面積和總孔容正相關(guān)，D2與各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間相關(guān)性更好；具有大比表面積、大孔容和小孔徑頁巖的分形維數(shù)更高，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；隨著TOC的增加，頁巖孔徑逐漸降低，分形維數(shù)、孔容與比表面積逐漸增加，當(dāng)D2＞2.900時(shí)，D2隨孔容和比表面積的變化幅度有限，孔隙結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜度趨于穩(wěn)定。

圖3 分形維數(shù)與TOC礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖4 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)、分形特征對儲層的影響

如圖5所示，D1，D2與滲透率無明顯相關(guān)性。墨水瓶狀孔滲透率較低，平板狀孔滲透率較高，狹縫狀孔滲透率分布范圍較大。分析認(rèn)為，墨水瓶狀有機(jī)孔隙孔容較大，對甲烷具有較強(qiáng)的吸附與滯留能力，但其粗、細(xì)間隔的孔喉使有效流動孔徑變窄，具有多重毛細(xì)管力疊加效應(yīng)，提高了封閉能力［13］，不利于滲流。而平板狀和狹縫狀孔隙的開放性與連通性較好，滲流能力較強(qiáng)。

圖5 儲層滲透率與分形維數(shù)的關(guān)系

圖6為甲烷吸附量（以蘭氏體積表征）與分形維數(shù)的關(guān)系圖。圖中，藍(lán)線為蘭氏體積與D1關(guān)系的擬合線，紅線為蘭氏體積與D2關(guān)系的擬合線。

圖6 甲烷吸附量與分形維數(shù)的關(guān)系

由圖6可以看出，在甲烷吸附方面，墨水瓶狀與狹縫狀孔甲烷吸附性最強(qiáng)，D2與蘭氏體積相關(guān)性最好。當(dāng) D2＞2.900（TOC＞4.0%），蘭氏體積增幅顯著，隨著總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，甲烷吸附能力明顯提高，表明總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)與甲烷吸附性均具有重要控制作用。

3 結(jié)論

1）下寒武統(tǒng)頁巖孔隙具有3種類型。貧有機(jī)質(zhì)頁巖為平板狀孔，孔徑較大，比表面積和孔容較低；富有機(jī)質(zhì)頁巖以狹縫狀和墨水瓶狀孔為主，孔徑較小，比表面積和孔容較大。平板狀孔滲流能力較強(qiáng)，吸附性較差；墨水瓶狀孔利于油氣滯留與富集，滲流能力較差；狹縫狀孔則兼具較強(qiáng)的滲透性與甲烷吸附性。

2）下寒武統(tǒng)頁巖 D1分布在 2.564～2.840，均值2.723；D2分布在 2.593～2.952，均值 2.867。D2與 TOC、礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及甲烷吸附能力均具有良好相關(guān)性，適用于表征頁巖孔隙結(jié)構(gòu)。隨TOC的增加，孔隙結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，D2、比表面積和孔容逐漸增加。當(dāng)TOC＞4.0%時(shí)，D2增幅有限，頁巖孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。