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.西安石油大學地球科學與工程學院，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（北京）能源學院，北京 100083；5.中國石油大學（北京）地球科學學院，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)外頁巖油氣重點研究領域，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，利用礦物學與有機地球化學、低溫氮氣吸附、物性及甲烷吸附等方面資料，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。通過有機地球化學、礦物學、場發(fā)射掃描電鏡、孔隙結(jié)構(gòu)及甲烷等溫吸附等相關測試，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)對應的分形維數(shù)D1，D2進行計算分析。

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)國際理論和應用化學聯(lián)合會（IUPAC）的分類標準，頁巖樣品氮氣吸附回線具有H2型、H3型和H4型3種形態(tài)，它們分別對應墨水瓶狀、平板狀和狹縫狀孔隙。

統(tǒng)計結(jié)果顯示（見表1）：富黏土貧有機質(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

下寒武統(tǒng)頁巖有機孔發(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，氮氣吸附量與回滯環(huán)面積較小（見圖1），反映龍馬溪組具有更大的孔容與更多墨水瓶狀有機孔［11］。

圖1 頁巖氮氣吸附回線特征

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)復雜度明顯強于表面，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)的關系

2.1.2 分形維數(shù)與TOC、礦物質(zhì)量分數(shù)的關系

圖3為分形維數(shù)與TOC、礦物質(zhì)量分數(shù)的關系圖。由圖可以看出，分形維數(shù)與黏土礦物質(zhì)量分數(shù)呈負相關關系，與石英質(zhì)量分數(shù)、TOC均呈正相關關系。海相頁巖TOC與石英質(zhì)量分數(shù)的正相關性，使石英質(zhì)量分數(shù)、TOC與分形維數(shù)等儲層參數(shù)間的關系具有相似性。整體來看，D2與TOC、石英質(zhì)量分數(shù)、黏土礦物質(zhì)量分數(shù)之間的相關性均好于D1，說明頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征與D2關系更為密切。D2與TOC相關性最為顯著，D2隨TOC的增加而快速增加。當TOC=4.0%時，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］，當頁巖 TOC＞5.0%時，黏土及碎屑顆粒間有機質(zhì)能夠互相連通形成連續(xù)的網(wǎng)絡結(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TOC＞4.0%，頁巖孔隙以均一程度較高的有機質(zhì)內(nèi)部孔和有機質(zhì)伴生孔為主。

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

如圖4所示：D1，D2與平均孔徑負相關，與比表面積和總孔容正相關，D2與各孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)間相關性更好；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D2＞2.900時，D2隨孔容和比表面積的變化幅度有限，孔隙結(jié)構(gòu)及其復雜度趨于穩(wěn)定。

圖3 分形維數(shù)與TOC礦物質(zhì)量分數(shù)的關系

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

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。分析認為，墨水瓶狀有機孔隙孔容較大，對甲烷具有較強的吸附與滯留能力，但其粗、細間隔的孔喉使有效流動孔徑變窄，具有多重毛細管力疊加效應，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。

圖5 儲層滲透率與分形維數(shù)的關系

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

圖6 甲烷吸附量與分形維數(shù)的關系

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，D2與蘭氏體積相關性最好。當 D2＞2.900（TOC＞4.0%），蘭氏體積增幅顯著，隨著總有機碳質(zhì)量分數(shù)的增加，甲烷吸附能力明顯提高，表明總有機碳質(zhì)量分數(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，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)量分數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及甲烷吸附能力均具有良好相關性，適用于表征頁巖孔隙結(jié)構(gòu)。隨TOC的增加，孔隙結(jié)構(gòu)趨于復雜，D2、比表面積和孔容逐漸增加。當TOC＞4.0%時，D2增幅有限，頁巖孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。