煤系沉積巖多重分形維數(shù)計(jì)算及影響因素分析

張娜尋興建王帥棟張浩宇

1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083

沉積巖是天然形成的一種多孔介質(zhì)材料,由成層堆積的松散沉積物固結(jié)而成,其內(nèi)部包含大量具有復(fù)雜分布和幾何形態(tài)的孔隙,這些孔隙對(duì)巖石的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)性狀以及巖石中流體的滲流特征具有重要影響。沉積巖中蘊(yùn)含豐富的礦產(chǎn)資源,約占世界礦藏貯存總量的80%。因此,研究和掌握沉積巖的自然性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)特征,對(duì)于礦產(chǎn)資源的有效開(kāi)采利用有著實(shí)際的指導(dǎo)性作用。煤系沉積巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜,且具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性,常規(guī)的檢測(cè)手段及評(píng)價(jià)參數(shù)很難有效地對(duì)其孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。1975年,法國(guó)數(shù)學(xué)家曼德勃羅特(Mandelbrot)提出了分形幾何理論,并廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)復(fù)雜多孔介質(zhì)的不規(guī)則程度以及圖形的自相似特征,為研究諸如巖石等多孔介質(zhì)的微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)提供了新的理論和方法[1-3]。

為了深入探究巖石微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理,國(guó)內(nèi)外學(xué)者以分形理論為基礎(chǔ),利用壓汞數(shù)據(jù)、氮?dú)馕綌?shù)據(jù)、CT 掃描技術(shù)及測(cè)井方法開(kāi)展了大量研究工作并取得了諸多成果[4-7]。相較于其他測(cè)量方法,核磁共振技術(shù)(NMR)作為一種無(wú)損、安全的原位檢測(cè)技術(shù),近年來(lái)越來(lái)越受到人們的重視與關(guān)注。Zhang 等[8]針對(duì)不同分形模型對(duì)低滲透砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征進(jìn)行了深入研究,研究了不同分形模型計(jì)算得到的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與分形維數(shù)之間的關(guān)系;Wu 等[9]首次利用核磁共振回波數(shù)據(jù)分形維數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)果具有很好的穩(wěn)定性,可以避免回波數(shù)據(jù)反演不確定性的影響;Wang等[10]基于核磁共振與壓汞實(shí)驗(yàn),研究了致密油砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征,結(jié)果表明2 種分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)具有較好的相關(guān)性,能夠提高孔隙結(jié)構(gòu)表征與巖石物性分析的準(zhǔn)確性與有效性。

NMR 分形維數(shù)研究的熱點(diǎn),除了集中在孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與非均質(zhì)性的定量評(píng)價(jià)上,還包括儲(chǔ)層物性和礦物組成等因素對(duì)微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)的影響研究。孔隙系統(tǒng)分形規(guī)律受礦物組成和物性特征的顯著影響,礦物組成的多樣增加了孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,分形維數(shù)也與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān),對(duì)定量評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)提出了很大挑戰(zhàn)。Zhou等[11]研究表明,頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的存在對(duì)微孔的孔隙發(fā)育起到促進(jìn)作用,且NMR 分形維數(shù)比N2吸附分形維數(shù)更能準(zhǔn)確地揭示頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征;Fan 等[12]根據(jù)核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)評(píng)估了混合沉積儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu),NMR 分形維數(shù)與礦物成分和物性參數(shù)具有較好的相關(guān)性,表明分形維數(shù)可以綜合反映混合沉積儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性;Zhao 等[13]對(duì)3 種不同滲透率的巖芯樣品進(jìn)行了研究,計(jì)算得到NMR 分形維數(shù)與滲透率呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,分形維數(shù)為巖石物性的測(cè)量提供了新的指標(biāo)。

目前,基于核磁共振技術(shù)并結(jié)合分形分析方法研究不同巖性煤系沉積巖礦物組成、物理性質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)特征間關(guān)系的研究較少。本文以煤系沉積巖為研究對(duì)象,利用XRD 分析和NMR 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了礦物組分分析,測(cè)定了不同巖性沉積巖的分形維數(shù),研究了孔隙結(jié)構(gòu)在空間上的多重分形特征,系統(tǒng)討論了分形維數(shù)與物性參數(shù)、礦物組分的關(guān)系,結(jié)果可為研究區(qū)煤系沉積巖的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 材料與實(shí)驗(yàn)

1.1 巖石樣品

在陜西省榆林市神木縣檸條塔煤礦中侏羅統(tǒng)含煤地層中,采集了黏土巖、砂巖等細(xì)粒沉積巖,選取了包括頁(yè)巖、泥巖和砂巖3 種煤系沉積巖作為研究對(duì)象,采樣后密封在自封袋中,運(yùn)至地面后立即蠟封,在實(shí)驗(yàn)室加工成統(tǒng)一規(guī)格的圓柱形巖樣,尺寸為φ25 mm×65 mm。巖樣編號(hào)及基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石樣品的基本物理參數(shù)Tab.1 Basic geophysical descriptions of the rock samples

1.2 儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用的核磁共振測(cè)試儀器為蘇州紐邁電子科技公司的低場(chǎng)核磁共振設(shè)備(圖1),型號(hào)為MesoMR23-060H-I,共振頻率12.797 MHz、線(xiàn)圈直徑70 mm、磁鐵溫度32 ℃。MesoMR 核磁共振孔隙結(jié)構(gòu)分析與成像系統(tǒng)是該公司于2010年推出的多功能核磁分析儀,可搭配自主研發(fā)的多種硬件模塊(低溫高壓控制模塊,高溫高壓功能模塊),實(shí)現(xiàn)不同溫壓條件下的模擬研究,在巖土工程、地質(zhì)研究、能源勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖1 核磁共振與巖樣飽和實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental equipment for nuclear magnetic resonance and sample saturation

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)之前先將大塊巖石粉碎,然后利用X 射線(xiàn)衍射儀測(cè)定全巖的礦物組成和黏土礦物(＜2 μm)的含量,實(shí)驗(yàn)分析方法依據(jù)中國(guó)石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5163—2010。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)實(shí)驗(yàn)前,將所有樣品置于105 ℃的干燥箱中干燥6 h,以消除其水分。

(2)將干燥后的樣品在20 MPa 的真空加壓飽和裝置中飽水24 h。

(3)對(duì)飽水與離心后樣品進(jìn)行核磁共振(NMR)測(cè)量,獲得其T2譜和孔隙參數(shù)數(shù)據(jù)(孔隙度、滲透率和弛豫時(shí)間截止值等)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 礦物成分

X 射線(xiàn)衍射分析結(jié)果表明,頁(yè)巖、泥巖和細(xì)粒砂巖樣品的礦物組成主要為黏土礦物、石英、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石,部分頁(yè)巖(SH-1)和泥巖(MS-1)樣品含有菱鐵礦(表2),含量最高的石英和含量最低鉀長(zhǎng)石分別為54% 和11%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。另外,黏土礦物主要有高嶺石、綠泥石、伊利石和伊/蒙混層,其中高嶺石含量最高,平均為56.4%,所有樣品的黏土礦物含量在12%(SS-1)到44%(MS-2)之間,其中砂巖樣品的黏土礦物含量最低,泥巖和頁(yè)巖的黏土礦物含量明顯高于砂巖,介于34% 和44% 之間。

表2 巖石樣品的礦物成分及含量Tab.2 Mineralogical compositions of the investigated rock samples

2.2 物性參數(shù)

巖石內(nèi)部孔隙可以分為2 類(lèi):一類(lèi)孔隙彼此相通并延續(xù)到巖石的表面,這類(lèi)稱(chēng)為連通孔隙;另一類(lèi)孔隙與巖石表面不連通,則液體無(wú)法通過(guò)這種孔隙流動(dòng)。當(dāng)給定巖石的組成成分后,滲透率會(huì)隨巖石孔隙率的增加而增加,因此巖石的滲透率是多孔巖石中液體流動(dòng)自由度的度量。根據(jù)NMR 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表3)砂巖樣品(SS-1)孔隙率為14.25%,滲透率為49.588 22 mD,巖石中液體流動(dòng)的自由度較高;頁(yè)巖、泥巖樣品(SH-1、SH-2、MS-1、MS-2)孔隙率為3.20～7.64%,平均為6.33%,滲透率為0.000 57～0.068 60 mD,平均為0.020 14 mD,其物性參數(shù)值明顯低于砂巖樣品,屬于低滲儲(chǔ)層巖石。

除孔隙率和滲透率外,儲(chǔ)層質(zhì)量指數(shù)(RQI)也可用于孔隙結(jié)構(gòu)的綜合表征。RQI 與巖石礦物組成、孔隙幾何特征、孔隙連通性和顆粒壓實(shí)程度等密切相關(guān),是定量表征儲(chǔ)層微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)的最佳宏觀(guān)物理參數(shù)之一,在不同尺度的儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)中具有優(yōu)勢(shì)[14-15]。

式中,K為滲透率,mD;φ為孔隙率。

采用NMR 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的儲(chǔ)層質(zhì)量指數(shù)范圍為0.004 2～0.589 9。

2.3 NMR 分形維數(shù)

儲(chǔ)層巖石微觀(guān)非均質(zhì)性是影響流體運(yùn)移和構(gòu)造穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一[16]。如何定量描述巖石的非均質(zhì)性一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題,傳統(tǒng)的分選系數(shù)、微觀(guān)均勻度系數(shù)、孔喉半徑比等方法都未能取得令人滿(mǎn)意的效果,直到數(shù)學(xué)家Mandelbrot從分形維度的視角出發(fā)研究客觀(guān)事物,提出分形幾何理論,用于評(píng)價(jià)復(fù)雜多孔介質(zhì)的不規(guī)則程度與圖形的自相似性。前人的研究證實(shí),儲(chǔ)層巖石復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)具有分形性質(zhì)[17-19]。三維歐氏空間中孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)介于2～3 之間,分形維數(shù)越接近2,說(shuō)明孔隙均質(zhì)性越強(qiáng),孔喉表面光滑,巖石的儲(chǔ)集性能較好;反之,隨著分形維數(shù)變大,非均質(zhì)性變強(qiáng),孔喉表面粗糙,巖石物性變差[20-22]。根據(jù)這一特性,張超謨等[23]研究了不同巖石樣品的孔隙特征,推導(dǎo)了核磁共振T2譜的近似分形幾何公式,并采用分段回歸方法計(jì)算了巖石孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù),即

式中,T2max為最大橫向弛豫時(shí)間,ms;D為分形維數(shù);Sv為橫向弛豫時(shí)間小于T2的孔隙累積體積所占總孔隙體積的百分比。

該方程表明,如果巖石樣品具有自相似性孔隙結(jié)構(gòu)與分形特征,則lgSv與lgT2之間存在線(xiàn)性關(guān)系,根據(jù)回歸方程系數(shù)求解可以得到巖石孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)。

弛豫時(shí)間截止值是識(shí)別可動(dòng)流體孔隙與束縛流體孔隙的有效分界線(xiàn)。其中,可動(dòng)流體大部分賦存于較大孔徑孔隙中,這一部分流體在一定的外加驅(qū)動(dòng)力作用下具有較好的流動(dòng)性;束縛流體存在于孔隙空間中微小孔隙與較大孔隙的壁面附近,這一部分流體受巖石骨架作用力較大,受毛細(xì)管作用力束縛而難以流動(dòng)[24-25]。確定弛豫時(shí)間截止值常用離心標(biāo)定法[26]:分別對(duì)飽水與離心后的T2弛豫譜作T2累積曲線(xiàn),在離心后T2累積曲線(xiàn)最大值處作與x軸平行的直線(xiàn),與飽水狀態(tài)下T2累積曲線(xiàn)相交,則該交點(diǎn)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間值即為弛豫時(shí)間截止值T2c。

圖2 為全樣本lgT2和lgSv雙對(duì)數(shù)圖,該圖中頁(yè)巖、泥巖樣品兩側(cè)擬合切線(xiàn)斜率存在顯著差異,在離心標(biāo)定的基礎(chǔ)上,取頁(yè)巖、泥巖樣品弛豫時(shí)間截止值T2c的平均值為分界點(diǎn),可以將散點(diǎn)圖劃分成T2＜3 ms 和T2≥3 ms 兩部分,在兩個(gè)部分分別進(jìn)行線(xiàn)性擬合,計(jì)算相應(yīng)的吸附孔隙分形維數(shù)DA與滲流孔隙分形維數(shù)DS,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 NMR 分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 NMR fractal dimension calculation result

圖2 巖石樣本的T2 和Sv 的雙對(duì)數(shù)關(guān)系Fig.2 Double logarithmic relationship between T2 and Sv of rock sample

3 結(jié)果分析

3.1 NMR 分形特征

由表3 知,頁(yè)巖、泥巖樣品lgSv與lgT2吸附孔隙部分相關(guān)系數(shù)較高,平均為0.939,滲流孔隙部分相關(guān)系數(shù)平均為0.781,具有明顯的分形性質(zhì),表明孔隙分布具有自相似特征,可以用分形理論進(jìn)行表征。

NMR 分形維數(shù)間的大小關(guān)系為DA＜Df＜DS。DA(T2≤3 ms)值分布在2.016(SH-2)到2.032(MS-2)之間,平均為2.025;DS(T2＞3 ms)值分布在2.758(MS-1)到2.907(SH-2)之間,平均為2.850,遠(yuǎn)高于T2全譜計(jì)算得到的分形維數(shù)Df,即當(dāng)頁(yè)巖、泥巖樣品選取不同的孔徑范圍時(shí),計(jì)算所得的分形維數(shù)不同,表明樣品孔隙結(jié)構(gòu)具有良好的多重分形特征。

此外,分形維數(shù)DA與DS定量表征了吸附孔隙與滲流孔隙空間結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性,包括巖體孔隙類(lèi)型、大小及其均勻程度、孔隙喉道的配置關(guān)系及連通程度,DA均接近于2,而DS基本接近于3,可見(jiàn)T2≤3 ms 所對(duì)應(yīng)的吸附孔隙均質(zhì)性較好,T2＞3 ms 所對(duì)應(yīng)的滲流孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,非均質(zhì)性較強(qiáng)。而砂巖樣品(SS-1)的孔隙率較高,核磁共振T2譜為單峰型,這表明砂巖樣品具有較寬的孔徑分布,包括從納米尺度微孔到毫米尺度的天然裂縫,分形維數(shù)表現(xiàn)出良好的連續(xù)性[27]。

3.2 巖石物性與Df 的相關(guān)性

前人的研究表明,分形維數(shù)是評(píng)價(jià)巖石物性特征的有效指標(biāo)[28-29]。圖3 為基于核磁共振數(shù)據(jù)計(jì)算得到的分形維數(shù)Df與孔隙率、滲透率、RQI 的相關(guān)關(guān)系曲線(xiàn)。結(jié)果表明,孔隙率、滲透率、RQI 與Df之間具有良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.931、0.770 和0.738。

圖3 孔隙率、滲透率、RQI 與Df 之間的相關(guān)性Fig.3 Correlation between porosity,permeability,RQI and Df

孔隙率變化對(duì)Df影響顯著。吸附孔、滲流孔均能夠增加樣品的孔隙率,并且較大孔隙對(duì)孔隙率貢獻(xiàn)更加顯著,隨著樣品中分形維數(shù)減小,孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性減弱,孔隙比表面積相對(duì)變小,平均孔徑增大,從而提供了更多的孔隙空間使孔隙率增加[30]。此外,砂巖樣品孔隙率與大孔隙數(shù)量顯著高于頁(yè)巖與泥巖,較大孔隙發(fā)育會(huì)降低巖樣比表面積與孔隙空間的復(fù)雜性,造成分形維數(shù)的降低。

滲透率通常受孔喉曲率、孔隙率、孔隙連通性和礦物成分等多種因素影響[31-32]。泥巖、頁(yè)巖樣品孔隙率及孔隙尺寸顯著低于砂巖,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,滲透性差;而砂巖以滲流孔為主導(dǎo)孔隙,孔徑較大且孔隙連通性較好,有利于孔隙中流體的運(yùn)移,從而能夠提高滲透率,這表明砂巖樣品具有更強(qiáng)的均質(zhì)性和更簡(jiǎn)單的孔隙結(jié)構(gòu)特征。

儲(chǔ)層質(zhì)量指數(shù)大小取決于滲透率與孔隙率的比值,即單位孔隙率的滲透率。一般來(lái)講,隨著RQI 值的增大,巖石物性變好,巖石樣品的滲流能力增強(qiáng),與分形維數(shù)Df呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[33]。在所選4 塊低滲巖樣中,樣品SH-2 的孔隙率與其余3 塊巖樣相近的情況下RQI 數(shù)值最大,品質(zhì)最優(yōu)。

綜上所述,隨著滲透率、孔隙率和RQI 的增加,Df迅速減小,這意味著巖石孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性減弱,巖石的物理性質(zhì)得到改善;NMR 分形維數(shù)Df與巖石物性參數(shù)具有較好的相關(guān)性,可以作為評(píng)價(jià)儲(chǔ)層物性特征的有效指標(biāo)并為儲(chǔ)層特征研究和儲(chǔ)層分類(lèi)提供一定的參考依據(jù)。

3.3 脆性礦物與分形維數(shù)的相關(guān)性

分析表明,石英和長(zhǎng)石含量與分形維數(shù)DA、DS相關(guān)性不明顯[圖4(a)(c)],與Df呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系[圖4(b)(d)]。這是因?yàn)?一方面,石英與長(zhǎng)石表面相對(duì)較為光滑,其含量的升高降低了孔隙的不規(guī)則程度和非均質(zhì)性,導(dǎo)致分形維數(shù)呈下降趨勢(shì);另一方面,脆性礦物中孔隙發(fā)育較少,能夠提供的比表面積與孔隙體積較為有限,使得孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性減弱,因此造成分形維數(shù)Df降低。

石英與黏土礦物比值與分形維數(shù)相關(guān)性同樣較弱[圖4(e)],但該比值的大小能夠反映距離物源的距離。當(dāng)石英/黏土值較大時(shí),表示巖樣距離物源較遠(yuǎn),脆性礦物含量較高,樣品成分相對(duì)單一;反之,當(dāng)石英/黏土值較小時(shí),表示巖樣距離物源較近,此時(shí)受物源影響成分相對(duì)復(fù)雜,孔隙類(lèi)型多樣且具有更加復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為分形維數(shù)較大。除SH-1 樣品外,SH-2、MS-1、MS-2 石英/黏土值均大于0.9,且分形維數(shù)Df均小于SH-1,表明石英含量升高對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育表現(xiàn)為不利因素。

圖4 脆性礦物含量與分形維數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation between brittle minerals content and fractal dimension

3.4 黏土礦物與DA、DS 的相關(guān)性

圖2 中,泥巖和頁(yè)巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)在0.3 μm 孔徑兩側(cè)的分形維數(shù)有較大差異。因此,將泥巖和頁(yè)巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)分為兩段,分別計(jì)算了吸附孔隙(r＜0.3 μm)和滲流孔隙(r≥0.3 μm)分形維數(shù)DA和DS,分形維數(shù)與黏土礦物間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 黏土礦物含量與分形維數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between clay minerals content and fractal dimension

由圖5 可見(jiàn),研究樣品黏土礦物總含量與分形維數(shù)DA和DS呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系[圖5(g)(h)];高嶺石含量與DA無(wú)明顯相關(guān)性,與DS呈正相關(guān)關(guān)系[圖5(a)(d)],這可能是因?yàn)楦邘X石的表面較為粗糙,且主要蘊(yùn)含在相對(duì)較小孔徑的滲流孔中,因此隨著高嶺石含量的增加,滲流孔的非均質(zhì)性不斷提升,與DS呈現(xiàn)正相關(guān)性;綠泥石含量與DA無(wú)明顯相關(guān)性,與DS呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[圖5(b)(e)],這可能是由于孔隙中流體與綠泥石反應(yīng)后使粗糙表面變得均勻,隨著綠泥石含量的增加,小孔徑的滲流孔非均質(zhì)性有所下降,因此綠泥石含量與DS呈負(fù)相關(guān)性;伊利石含量與DA呈正相關(guān)關(guān)系,與DS無(wú)明顯相關(guān)性[圖5(c)(f)],由于伊利石與水相互作用后會(huì)崩解堵塞孔隙,且對(duì)孔徑較小的吸附孔影響明顯,巖樣中伊利石含量較少,對(duì)大孔徑滲流孔的分形維數(shù)影響極弱,因此伊利石含量與DS無(wú)明顯相關(guān)性。

黏土礦物是影響儲(chǔ)層孔隙發(fā)育的主要因素之一,其吸附能力由大到小排序?yàn)槊擅撌⒁撩苫鞂?、高嶺石、綠泥石、伊利石[34-35]。由于沉積環(huán)境的差異,不同黏土礦物對(duì)吸附孔與滲流孔的影響表現(xiàn)出不一致,這也與前人的研究結(jié)果相似。松遼盆地沙河子組陸相頁(yè)巖中黏土礦物以伊蒙混層為主,具有比綠泥石等更高的比表面積,導(dǎo)致孔隙表面粗糙,使吸附孔隙分形維數(shù)增加[36];黔西北海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖在黏土礦物含量為50% 附近存在趨勢(shì)線(xiàn)拐點(diǎn),整體呈現(xiàn)出“先正后負(fù)”的變化趨勢(shì),表明當(dāng)黏土礦物含量過(guò)大時(shí)部分孔隙被堵塞,孔隙不易保存而顯示出消極作用[37]。對(duì)南華北盆地二疊系泥頁(yè)巖研究表明黏土礦物通過(guò)構(gòu)造應(yīng)力、礦物相變、脫水等作用而形成大量孔隙,進(jìn)而促進(jìn)孔隙發(fā)育[38];因此,不同黏土礦物的力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性差異很大,對(duì)分形維數(shù)的影響受到沉積環(huán)境、孔隙類(lèi)型和黏土礦物本身種類(lèi)與含量的多因素共同作用。

4 結(jié)論

(1)頁(yè)巖、泥巖樣品具有良好的多重分形特征,其N(xiāo)MR 分形維數(shù)具有兩段性,分別對(duì)應(yīng)吸附孔隙分形維數(shù)DA和滲流孔隙分形維數(shù)DS;而砂巖樣品核磁共振T2譜為單峰型,具有較寬的孔徑分布,NMR 分形維數(shù)具有良好的連續(xù)性。

(2)NMR 分形維數(shù)Df與巖石物性參數(shù)(滲透率、孔隙率和RQI)之間具有較好的相關(guān)性,隨著巖石物性的改善,分形維數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),表明NMR分形維數(shù)能夠作為衡量物性的重要指標(biāo)并為儲(chǔ)層特征研究和儲(chǔ)層分類(lèi)提供一定的參考依據(jù)。

(3)石英、長(zhǎng)石含量與分形維數(shù)DA、DS相關(guān)性不明顯,與Df呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明研究樣品脆性礦物含量變化對(duì)分形維數(shù)影響較弱。石英與黏土礦物的比值大小與物源距離有關(guān),當(dāng)該值較小時(shí),表示距離物源較近,石英含量較低,此時(shí)巖石受物源影響較大而具有更復(fù)雜的成分和更豐富的孔隙類(lèi)型。

(4)黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型及結(jié)構(gòu)生成、演化和保存具有重要意義。分形維數(shù)DA、DS與黏土礦物總含量呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系,高嶺石含量與DS呈正相關(guān)關(guān)系,與DA相關(guān)關(guān)系不明顯;綠泥石含量與DS呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與DA無(wú)明顯相關(guān)性;伊利石含量與DA呈明顯正相關(guān)關(guān)系,與DS相關(guān)性不強(qiáng)。這表明黏土礦物受到沉積環(huán)境、理化性質(zhì)和礦物本身含量等多因素作用,對(duì)分形維數(shù)影響存在較大差異。