页岩储层微观孔隙非均质性及影响因素

吴泓辰，何金先，3，张晓丽，王爱宽，金洪波，任泽强

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221116；3.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074）

页岩储层微观孔隙非均质性及影响因素

吴泓辰1，2，何金先1，2，3，张晓丽1，2，王爱宽1，2，金洪波1，2，任泽强1，2

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221116；3.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074）

页岩储层孔隙结构具有强烈的非均质性。为提高对页岩储层微观孔隙非均质性的认识，开展了大量文献调研工作，据此对页岩储层微观孔隙非均质性及影响因素进行分析。结果表明，页岩气储层孔隙结构非均质性既体现在孔隙类型的多样，也体现在孔径、孔隙度、孔容以及孔比表面积等孔隙参数的变化。分形理论能够对页岩孔隙的非均质性进行定量的描述，从而有助于对页岩气储层之间非均质性的强弱进行比较，并且能够探讨储层物性与非均质性之间的关系。有机质热成熟程度、有机碳含量以及矿物组分均对页岩气储层孔隙非均质性有一定影响。

页岩气；微观孔隙；非均质性；分形影响因素

0 前言

自北美地区成功实现页岩气大规模商业化开采以来，页岩气在世界范围内引起了人们的重视[1-2]。与常规油气资源不同，页岩气具有自生自储的特征，页岩气储层中的孔隙往往是重要的储集空间[3-4]。研究页岩气储层微观孔隙结构，有利于研究页岩含气性、富集规律、渗流规律以及后续的页岩气勘探开发工作。

作为一种复杂的多孔介质，页岩气储层的孔隙结构通常表现出具有强烈的非均质性，这种非均质性对于页岩气的储集、运移、赋存都有较大影响[5]。用常规的欧式几何难以对这种非均质性进行定量描述。分形几何是一门以不规则几何形态为研究对象的几何学，与传统的欧式几何相比，分形几何能够更好表征物体的特殊结构，在地学领域得到了广泛的应用[6-7]。前人的研究结果表明，分形理论是定量表征页岩气储层微孔孔隙的非均质性的重要手段[8-9]。

目前，国内外的专家学者均对页岩气储层纳米级微观孔隙非均质性进行过相应的研究，但研究成果比较零星分散。因此，本文通过进行大量文献调研分析工作，总结了页岩储层纳米级微观孔隙非均质性特征，概述了分形理论在页岩孔隙应用，并系统总结了页岩孔隙非均质性的影响因素，有利提高人们对页岩气储层纳米级微观孔隙非均质性综合认识。

1 孔隙非均质性特征

1.1 孔隙类型

孔隙类型是页岩微观孔隙非均质性的重要体现之一[10]，页岩气储层是一种低渗透的致密储层，与砂岩及碳酸盐岩储层相比，页岩气储层孔隙的孔径更小、形态更加复杂、类型更加多样。

页岩岩石组成主要包括有机质、黏土矿物、石英等脆性矿物以及碳酸盐矿物，微观孔隙发育于各组分内部及组分之间。对这于些孔隙，国内外的学者采取过各种各样的分类方案，但目前仍未取得统一的认识[11-15]。其中，Loucks[16]的三分法是北美海相页岩孔隙类型分类中较为典型的方法，该方法将页岩气储层微观孔隙分为三大类，包括发育于有机质内部的有机质孔，以及与矿物颗粒有关的粒内孔和粒间孔，前者发育在颗粒之间，后者发育于颗粒内部。与粒内孔和粒间孔相比，有机质孔径通常更小[17-18]，说明不同类型的微观孔隙不仅在孔隙类型方面存在着非均质性，而且在孔隙大小方面也存在着非均质性[19]。

1.2 孔隙主要参数

微观尺度下，页岩气储层的孔径、孔隙度、孔容以及孔比表面积等孔隙参数往往随页岩组分的变化而生改变，反映出页岩气储层微观孔隙的非均质性。

根据国际理论和应用化学协会（IUPAC）的孔隙分类，孔径小于2 nm的为微孔，孔径为2～50 nm的为中孔，孔径大于50 nm的统称大孔[20]。不同孔径的分布特征，通常与页岩的岩石组分有着一定的关系。王香增等[21]对鄂尔多斯盆地下寺湾地区延长组页岩气储层进行了研究，结果表明页岩大孔、超大孔主要发育于砂质纹层中，而中孔和微孔则多存在与纯页岩段中。武瑾等[22]认为孔径的大小与页岩组分有关，有机质影响微孔、中孔的含量，有机碳含量与微孔、中孔呈正相关，而宏孔的发育与黏土矿物含量有关。

孔隙度是岩样中所有孔隙空间体积之和与该岩样体积的比值，脆性矿物、黏土矿物和有机质三者对页岩孔隙度的贡献程度随实际的地质情况的变化而变化。王玉满等[23]对川南下志留统龙马溪组进行了研究，发现页岩孔隙度总是随着TOC增大而增大，而随着脆性矿物/黏土矿物比值增大而减少。曹涛涛[24]关于下扬子地台二叠系页岩的研究则表明孔隙度随TOC含量增加有明显降低的趋势，中大孔对页岩孔隙度的贡献较大。

一般情况下，孔径越小，提供比表面积的能力越强，吸附甲烷的能力也越强[25]。如，四川盆地东南缘龙马溪组页岩微孔提供比表面积的能力远大于中孔和宏孔，是页岩气储层甲烷吸附的主要场所[26-27]。高成熟度的有机质中通常发育着大量的微孔，具有大量的吸附空间和较高的比表面积，因此在成熟度较高，富含有机质的页岩中，孔隙的孔容和比表面积与TOC含量相关性明显[28-29]。

2 分形理论在页岩孔隙结构中应用

分形最早由Mandelbrot在1975年提出，通常是指局部与整体在形态特征方面具有一定相似性的集合。前人的研究结果表明，岩石孔隙结构具有分形特征[7，30]，表明分析理论在地学领域有着很高的应用价值。

页岩气储层具有强烈的非均质性，孔隙结构的不均一性强，分形理论为页岩孔隙结构的定量研究提供了一种全新方法，通过确定页岩孔隙的分形维数，能够实现对页岩孔隙结构的非均质性的定量描述[31-32]。

页岩气储层孔隙的主要表征方法包括扫描电镜等图像分析技术、以压汞法和气体等温吸附为主的流体注入技术、以核磁共振、中子小角散射计算机断层成像技术为主的非流体注入技术[33]。其中，通常采用气体吸附法中的FHH模型对页岩孔隙进行分形维数计算[34-35]。FHH模型可表示为：

式中：V0是单层吸附体积，m3/t；V是平衡压力吸附体积，m3/t；C是常数；K为待定常量；P0是气体饱和蒸汽压，MPa；P是气体平衡压力，MPa。

目前，对于分形维数的计算方法存在着两种计算方法[36-37]：

通常当岩石孔隙的分形维数为2～3时，岩石孔隙系统的分形才具有意义，分形维数越接近3，表明孔隙系统的非均质性越强[7]。实际进行分形维数的计算时，可通过两种方法进行计算，然后选取更符合孔隙系统实际分形意义的结果。

通过计算分形维数，可以比较不同成因的页岩气储层之间非均质性的强弱以及储层物性与非均质性之间的关系。王志伟等[38]的研究结果表明湖相、海相泥页岩纳米级孔隙均具有明显的分形特征，但湖相泥页岩纳米级孔隙结构相对简单，分形维数小于海相泥页岩(表1)。杨峰等[39]认为随着分形维数的增大，页岩孔隙结构趋于复杂，降低了页岩气储层的孔隙度与渗透率。徐勇[32]探讨了川东南龙马溪组页岩孔隙分形特征，发现分形维数与页岩孔隙的比表面成正相关，表明随页岩非均质性的增加，页岩对甲烷具有更强的吸附能力。

表1 湖相页岩与海相页岩分形维数[38]Table 1 Fractal dimensions of lacustrine shale and marine shale[38]

3 页岩孔隙非均质性的影响因素

3.1 页岩孔隙非均质性与热成熟度的关系

有机质是页岩气储层的重要组成部分之一，内部可形成大量的孔隙，其孔隙的发育程度受热演化的程度控制[40]，随成熟度增高，富有机质页岩中的纳米级隙不断增加，孔隙度不断增高[41]。

陈燕燕等[42]针对美国印第安纳州伊利诺伊盆地的New Albany页岩分形特征的研究结果表明，分形维数与热成熟度之间呈U形关系(图1)。这可能是因为页岩在低成熟度阶段受压实作用降低了孔隙含量，从而降低孔表面的非均质性，导致分形维数的降低，然后随着热演化的不断进行，有机质中不断产生新孔隙并增加了孔内表面的非均质性，因此使得分形维数增大[43]。

图1 分形维数与热成熟度[42]Figure 1 Relationship between fractal dimensions and thermal maturity[42]

3.2页岩孔隙非均质性与有机碳含量的关系

有机碳含量是影响非均质性的主要因素[25]，前人对页岩分形维数与有机碳含量的关系作了较多的研究，所得的结果有一定的差异。较多的研究结果表明页岩孔隙分形维数随页岩气储层中有机碳含量的升高而升高[8，32，34，38]，但一部分研究者得出了不同的结果。

付常青等[44]认为大于25 nm孔隙的分形维数随TOC含量的增加而变大，而当孔径小于25 nm时，随孔径的减小，有机质孔的形态越简单，因此分形维数TOC含量的增加而减小。

唐相路等[45]研究了渝东南地区龙马溪组页岩分形特征，结果表明中孔(2 nm＜孔径＜50 nm)的两个分形维数随TOC含量的增加，呈现出先增加后减小的趋势(图2)，可能是由于有机质含量的增加，有机质孔在页岩孔隙中的比例逐渐上升，使页岩孔隙非均质性先增加后减少。

图2 分形维数与有机碳含量的关系[45]Figure.2 Relationship between fractal dimensions and organic carbon content[45]

3.3 页岩孔隙非均质性与矿物成分的关系

页岩的矿物成分主要包括黏土矿物、石英以及碳酸盐矿物，矿物组分对孔隙结构的非均质性有着重要的控制作用[10，25]。通常黏土矿物能促进泥页岩中孔和宏孔的发育，而石英与方解石等脆性矿物含量增加只有利于宏孔或更大微米级孔隙的发育[27]。

一般情况下，页岩气储层孔隙的分形维数随石英含量的增加而增加，随黏土矿物与碳酸盐矿物含量的增加而减少[31，44]。原因可能在于黏土矿物受压实作用影响而降低了其孔隙含量，页岩中碳酸盐矿物多以胶结物形式存在，也使得页岩孔隙的含量降低，因此降低了页岩孔隙分形维数，而生物来源的石英能增加页岩微孔隙数量和脆性，使其更易形成微裂缝，从而使孔隙结构复杂程度增加[8]。

4 结论

(1)页岩气储层是一种低渗透的致密储层，其孔隙结构具有强烈的非均质性，这种非均质性既体现在孔隙类型的多样性方面，也体现在孔径、孔隙度、孔容以及孔比表面积等孔隙参数的变化。

(2)分形理论在研究页岩孔隙结构的非均质性中有着重要的作用，通过计算页岩孔隙的分形维数，能够对页岩孔隙的非均质性进行定量的表述，从而能比较不同成因的页岩气储层之间非均质性的强弱以及储层物性与非均质性之间的关系。

(3)页岩气储层孔隙非均质性受热成熟程度、有机碳含量以及矿物组分影响。非均质性可能与热成熟度呈U形关系。较多的研究成果表明页岩孔隙分形维数随页岩气储层中有机碳含量的升高而升高。通常情况下，页岩气储层孔隙的分形维数随石英含量的增加而增加，随黏土矿物与碳酸盐矿物含量的增加而减少。

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Heterogeneity of M icropore and Its Impacting Factors in Shale Reservoir

Wu Hongchen1,2,He Jinxian1,2,3,Zhang Xiaoli1,2,Wang Aikuan1,2,Jin Hongbo1,2and Ren Zeqiang1,2
(1.School of Resource and Earth Science,CUMT,Xuzhou,Jiangsu 221116;2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resource and Reservoir Formation Process,Ministry of Education,Xuzhou,Jiangsu 221116;3.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources,Ministry of Education,CUG,Wuhan,Hubei 430074)

The pore structure in shale reservoir shows strong heterogeneity.To enhance further understanding on the issue,through sub⁃stantial literatures investigation and study,systematically summarized heterogeneity of micropore in shale reservoir and its impacting factors.The result has considered that the heterogeneity of shale gas reservoir pore structure reflected both on the pore type diversity and the pore parameters variation including pore diameter,porosity,pore volume and specific surface area.The fractal theories can quantitatively describe heterogeneity of shale pores,thus helpful to carry out comparison heterogeneity strong or weak among shale gas reservoirs,and can probe into relationship between reservoir physical property and heterogeneity.Thermal maturity of organic matter, organic carbon content and mineral composition are all have certain effect on shale gas reservoir heterogeneity.

shale gas;micropore;heterogeneity;fractal impacting factors

P624

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.04

1674-1803(2016)12-0021-04

中国博士后科学基金项目(2015M571841)、构造与油气资源教育部重点实验室开放研究基金项目(TPR-2015-04)、江苏高校优势学科建设工程资助项目联合资助

吴泓辰（1994—），男，矿产普查与勘探专业在读硕士研究生，主要从事油气储层地质研究工作。

何金先（1983—），男，博士后，中国矿业大学讲师，硕导，主要从事油气地质研究工作。

2016-07-06

责任编辑：宋博辇