鄂尔多斯盆地临兴地区太原组页岩孔隙结构及分形特征

吴泓辰，何金先 ，张晓丽，任泽强 ，周逃涛，王爱宽

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.西南石油大学 天然气地质四川省重点实验室，成都 610500）

孔隙是页岩气重要的储集空间与渗流通道，孔隙结构对页岩气的储集、运移和赋存有着重要的影响。页岩储集层微观孔隙结构研究已成为非常规油气勘探开发的研究热点[1-5]。压汞法是目前探讨页岩储集层孔隙结构的主要研究手段之一[6]。分形维数可用于表征固体表面和孔隙的复杂程度和非均质性，已在煤岩孔隙研究中取得了丰富的成果[7]。运用分形理论探讨页岩孔隙结构，定量表征其非均质性，是研究页岩孔隙结构特征的一种重要方法。

临兴地区位于鄂尔多斯盆地东北部，是中国煤系气共采的重要研究区域[8-9]。该地区石炭系—二叠系垂向上具有煤层气、页岩气、致密砂岩气等煤系“三气”互相叠置的特点[8-9]，目前该区煤层气与致密砂岩气均已取得一定的勘探成果，但对于页岩气储集层特征的认识不足，制约了该区煤系气共采的产业化发展。因此，本文选择鄂尔多斯盆地临兴地区太原组页岩为研究对象，通过高压压汞实验和分形理论，获取页岩的孔径分布和分形特征，并结合有机碳含量与页岩矿物成分等基础参数，探讨分形维数的影响因素，以期为明确研究区页岩气储集层特征和完善页岩气成藏机理以及煤系天然气综合勘探开发提供帮助。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地属于大型多旋回克拉通盆地，构造较为稳定，经历了基底、盆地发展以及盆地改造等演化阶段[10-11]。临兴地区继承了鄂尔多斯盆地构造演化特征，在中元古代—古生代处于相对隆起状态，构造平缓；早二叠世后海水在较短地质时期内向华北陆表海盆地东南部退却，发育海陆过渡相—陆相沉积；侏罗纪末期抬升隆起[12]。

临兴地区构造上处于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带（图1），构造以西倾单斜为主，地层倾角较小，东部受侵入岩影响隆起，断裂发育，呈环形放射状展布；中部为围绕隆起发育的向斜区，呈环状分布；西部、北部和南部为平缓褶皱区。

太原组为研究区主要含煤地层之一，以灰黑色页岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与砂岩互层、泥晶灰岩、生物碎屑灰岩及煤层为主，属于障壁海岸沉积体系[13-14]。

图1 研究区构造位置

2 实验方法

样品取自临兴地区LX-1井、LX-4井、LX-5井、LX-10井、LX-21井、LX-22井和LX-103井太原组页岩，共12个，分别进行了全岩X射线衍射、有机地球化学及高压压汞分析。

全岩X射线衍射所用仪器为德国布鲁克公司生产的D8 ADVANCE型X射线衍射仪器，工作电压40 kV，电流30 mA，入射侧与衍射侧索拉狭缝均为2.5°，采样间隔0.019 450°，采用半定量原理计算页岩样品中不同矿物组分含量。有机碳含量使用德国椰拿multi EA 4000分析仪，高温燃烧样品后，利用红外吸收的方法，通过测定二氧化碳峰面积来计算所测样品的有机碳含量。高压压汞实验在美国生产的Poremaster60GT孔隙测定仪上完成。汞对一般固体不润湿，在没有外在压力的情况下，汞不能进入页岩的裂缝和孔隙中，施加的外在压力越大，汞所能进入的孔隙越小，压汞分析的孔径代表的是基质连通通道的最小孔径。本次实验压汞压力从0.006 MPa持续增加到275.800 MPa，对应的孔径为0.005～200.000 μm，孔径根据Washburn公式获得[15]。

3 结果与讨论

3.1 页岩地球化学特征与矿物组成

临兴地区太原组页岩样品有机碳含量为1.59%～22.58%，平均为2.77%（表1）。根据北美页岩评价标准[16]，有机碳含量大于2.00%即为有效页岩，表明临兴地区太原组页岩为较好的产气烃源岩。有机质类型主要为Ⅱ型干酪根，镜质体反射率为1.00%～1.34%，平均为1.23%，页岩处于中成熟阶段。

页岩样品中主要矿物成分为石英和黏土矿物，其次为碳酸盐矿物、长石和黄铁矿。石英含量为20.07%～55.99%，平均为39.37%.长石含量为0～10.11%，平均为2.38%.碳酸盐矿物含量为0～18.46%，平均为2.81%.黏土矿物含量为19.43%～78.08%，平均为52.70%.黄铁矿含量为0～6.69%，平均为2.64%.页岩脆性矿物含量决定了页岩储集层后期压裂效果。国外学者通常认为，石英为页岩储集层中的脆性矿物[17]，而中国学者认为长石和碳酸盐矿物含量的增加对页岩储集层改造有着积极效果，因此也属于脆性矿物[18]。临兴地区太原组脆性矿物含量为21.92%～74.45%，平均为44.55%.与美国主要页岩相比，研究区页岩脆性矿物平均含量相对较低[19-20]，但基本满足商业开采的下限。

表1 临兴地区太原组页岩有机碳含量与矿物组成

3.2 页岩孔隙结构

页岩中的孔隙结构复杂，孔径分布范围较广泛，目前对于页岩孔隙孔径分级尚无统一标准，但通常认为页岩孔隙中存在微孔（孔径小于2 nm）、介孔（孔径2～50 nm）以及大孔（孔径大于50 nm）等纳米级孔隙，也发育有大量微米级天然裂隙。

根据高压压汞实验结果（图2），临兴地区太原组页岩孔径（d）分布范围较广，从纳米级孔隙到数十微米的裂隙均有分布，部分样品孔径分布整体呈现“双峰式”的特点，两个主峰分别由介孔—大孔以及大孔—裂隙组成，其中左峰面积远大于右峰面积（5～100 nm）；另外一些样品呈单峰分布，仅有裂隙对应的左峰。图2中3号样品出现的异常，其原因可能在于其有机碳含量远大于其他样品，有机质在生、排烃过程中能形成大量的孔隙，同时生烃作用也能使地层流体膨胀，从而产生大量微米级裂隙[5]。

不同页岩中孔、裂隙发育状况不一，可将页岩孔—裂隙结构分为孔隙优势发育型、裂隙优势发育型和孔—裂隙均等发育型[21]。从实验结果可看出，裂隙对孔隙总体积的贡献更大，临兴地区太原组页岩主要为裂隙优势发育型。

图2 临兴地区太原组页岩压汞孔径分布

3.3 页岩孔隙分形特征

分形理论由Mandelbrot在1975年提出，是描述事物不规则性及随机现象的数学理论[22]。能够有效描述自然界和非线性系统中不光滑和不规则几何形体，可用于研究多种自然现象，国内外众多学者已对煤储集层孔裂隙结构特征进行了充分的分形理论研究。基于Washburn公式和Menger海绵模型构造思想，可推导出孔隙分形维数计算公式：

式中 D——页岩孔隙分形维数，无量纲；

p——实验压力，MPa；

Vp——压力p下的进汞体积，mL/g.

根据（1）式对压汞数据进行整理，然后根据页岩样品ln（dVp/dp）与lnp的关系进行线性拟合，得出斜率（图3），从而得出不同页岩样品的分形维数D（表2）。

由图3可知，ln（dVp/dp）与lnp拟合结果存在两种情况，与两种孔径分布特征相对应。图3a中ln（dVp/dp）与lnp关系存在2个阶段，对应具有“双峰式”孔径分布的样品，每个阶段都具有较好的线性相关，说明临兴地区太原组页岩孔隙分形维数具有分界点，其压力界限为14.7 MPa左右，对应孔径范围为100 nm左右，即处于大孔范围内。根据不同阶段的进汞量来看，第一个阶段主要对应微米级裂隙分形特征，第二个阶段对应纳米级大孔及介孔分形特征。图3b只存在第一个阶段，对应仅有“单峰”的样品，只体现出裂隙的分形特征。将大孔—裂隙分形维数记为D1，介孔—大孔分形维数记为 D2，D1为 2.326 2～2.610 3，平均为2.473 1，D2为2.704 1～3.697 1，平均为3.321 4.一般情况下，孔隙分形维数应该为2～3[23-24]，文献［25］认为高压条件下煤的压缩性可导致分形维数大于3，因此D2大于3可能与高压条件下岩石孔隙发生变形有关，同时也可能由于压汞对纳米级孔隙描述不够精准，因而导致分形维数大于3或缺少该段的分形维数，但此时分形维数仍具有一定的物理意义。

图3 临兴地区太原组页岩孔隙分形拟合图

表2 临兴地区太原组页岩孔隙分形维数计算结果

对临兴地区太原组页岩孔隙分形维数与有机碳含量、脆性矿物含量和黏土矿物含量进行线性拟合（图4）。由图4可知，分形维数D1和D2与有机碳含量无明显相关性，但低有机碳含量页岩样品的分形维数D1分布相对更广，表明在有机碳含量较低的情况下，裂隙的非均质性受有机碳的影响较小，而随着有机碳含量的上升，有机质孔占页岩整体孔隙比例不断上升，逐渐占据主导地位，使得孔隙非均质性特征整体相似。分形维数D1和脆性矿物含量呈微弱负相关，而与黏土矿物含量呈微弱正相关，D2与脆性矿物含量呈负相关，而与黏土矿物含量呈正相关。这一现象表明，脆性矿物含量的增加能降低页岩储集层孔隙的非均质性，而黏土矿物含量的增加则能增加页岩储集层孔隙的非均质性。

研究区太原组页岩孔隙分形维数与矿物成分的相关关系，与中国其他地区海相页岩中的对应相关关系相反[24]，其原因可能在于，其他地区海相页岩中有机碳含量与成熟度均较高，有机质中存在着大量的孔隙，分形维数主要受到有机质丰度控制，且石英又主要为生物成因，与有机碳含量具有较好的正相关关系，使得石英含量与分形维数也有着正相关关系。而临兴地区太原组属于海陆过渡相沉积，石英主要来源于陆源碎屑，与有机碳含量无明显相关关系，石英等脆性矿物含量的增加，有利于页岩储集层微裂隙的形成，使得页岩孔隙结构均一化，从而降低了非均质性；而黏土矿物种类较多，不同类型黏土矿物孔隙空间具有一定的差异，使得其提供的孔隙较脆性矿物更为复杂，因此增加了孔隙非均质性。

图4 临兴地区太原组页岩孔隙分形维数与有机碳含量及矿物成分的关系

孔隙分形维数越大，通常代表孔隙结构越复杂，体现为孔径分布多样，孔壁粗糙，孔隙非均质性强。具有较高分形维数的页岩孔隙通常具有较大的比表面积，对甲烷吸附能力较强，但孔隙连通性越差，不利于气体渗流和解吸附[26]。总体而言，太原组页岩孔隙分形维数D1中等，而D2相对较大，这一特征首先表明在太原组页岩孔隙孔径较小，其孔隙结构较复杂，同时也表明页岩中纳米级的孔隙是吸附态页岩气的主要储集空间，而较大的微米级裂隙和大孔主要作为游离态气体的储集空间及渗流通道。另一方面，由太原组页岩孔隙分形维数与黏土矿物含量及脆性矿物含量的相关关系可知，黏土矿物含量高而脆性矿物含量较低的页岩样品分形维数更大，对甲烷有着更强的吸附能力，因而此类页岩储集层中可能吸附有更多的页岩气，但相对较低的脆性矿物含量将导致此类页岩对后期压裂改造有着更高的要求。

4 结论

（1）临兴地区太原组页岩有机碳含量为1.59%～22.58%，平均为2.77%；脆性矿物含量为21.92%～74.45%，平均为44.55%；黏土矿物含量为19.43%～78.08%，平均为52.70%.根据压汞结果，页岩孔径分布具有“双峰式”的分布特点，较大的主峰对应微米级裂隙与大孔，较小的主峰对应纳米级大孔和介孔。

（2）利用分形理论研究页岩储集层孔隙非均质性，发现样品的分形维数拟合结果可分为两段，第一段对应微米级裂隙，其分形维数D1为2.326 2～2.610 3，平均为2.473 1.第二段对应纳米级大孔和介孔等孔隙，其分形维数D2为2.704 1～3.697 1，平均为3.321 4.

（3）太原组页岩孔隙结构非均质性主要受石英等脆性矿物与黏土矿物含量控制。页岩中有机碳含量与孔隙分形维数无明显相关关系，但有机碳含量较低的页岩样品，其分形维数分布范围更广。脆性矿物含量与分形维数呈负相关，黏土矿物含量与分形维数呈正相关，表明脆性矿物含量的增加使得页岩孔隙结构均一化，从而降低了非均质性，而黏土矿物提供的孔隙较脆性矿物更为复杂，因此增加了孔隙非均质性。

（4）太原组页岩中较小的纳米级孔隙是吸附态页岩气的主要储集空间，而较大的微米级裂隙主要作为游离态气体的储集空间及渗流通道。黏土矿物含量高而脆性矿物含量较低的页岩样品分形维数更大，对甲烷有着更强的吸附能力，但同时对压裂改造有着更高的要求。