准噶尔盆地乌尔禾组凝灰岩孔隙特征及其主控因素

柳忠泉, 曾治平, 胡海燕, 赵乐强, 朱根根, 李松涛, 李凌

(1.中国石化胜利油田石油勘探和开发研究院, 东营 257064; 2.长江大学油气地球化学与环境湖北省重点实验室, 武汉 430100)

近几年来,随着油气勘探深入,非常规油气资源如页岩气、页岩油、致密油等成为油气行业的研究重点,是一种非常有潜力的油气资源[1]。凝灰岩储层作为非常规油气储层的一种,对其研究没有像泥页岩、致密碳酸盐深入。目前,国外已经发现的凝灰岩油气储层有:美国门罗盆地的Richland油气田、印度尼西亚NW Java盆地的Jatibarang油气田、新西兰的Kora油田、日本吉井-东栢崎气田等,中国发现的凝灰岩油气储层有:三塘湖盆地条湖组凝灰岩储层[2]、酒泉盆地下白垩统沉凝灰岩储层、海拉尔盆地南屯组凝灰岩储层等[3-4]。国外对火成岩油气藏的研究已有一百多年的历史,但其勘探、研究程度总体较低,尚未对主要领域进行全面勘探和深入研究。中国自1957年在准噶尔盆地西北缘发现火山岩油气藏以来,经历了偶然发现、局部勘探和全面勘探三个阶段,目前中国把火山岩油气藏作为重要领域进行勘探。研究区准噶尔盆地东道海子凹陷二叠系乌尔禾组凝灰岩为钻遇凝灰岩地层,勘探和研究程度较低。

目前孔隙结构的表征方法大致可分为三类:图像分析法、流体注入法和物理探测法。一种为图像分析技术利用各种显微镜及相关的图像技术来观察和分析岩石的孔隙特征。这种方法能够可视化孔隙大小、形状和分布等特征,从而提供孔隙度和孔隙大小分布等定量信息[5-6]。然而,它的准确性依赖于岩石样品、仪器性能和人为操作等因素。另一种流体注入技术,在不同的压力下将汞(Hg)注入样品中,或通过N2和CO2等气体测量注入测试样品的数量,从而计算出孔隙大小分布和其他特性[7-8]。该方法方便且应用广泛。第三种是辐射探测技术,包括核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)、小角度散射 (small angle X-ray scattering,SAXS)和计算机断层成像(computed tomography,CT)等来表征孔隙空间结构,这些方法都具有无损、快速、信息量丰富等优点,但分析成本相对较高[5,9]。在这些实验方法中,高压压汞法、低温N2吸附法和低压CO2吸附法是最基础、应用最广泛的。然而,这些方法产生的数据的准确性受到几个因素的影响。例如,可压缩检测样品可能会随着外力的作用而改变体积。使用高压可能会破坏样品,破坏样品的原始孔隙结构,影响压力下的注入汞量。这可能会导致真孔体积和视孔体积之间存在一定程度的偏差。此外,由于岩石孔隙结构的复杂性以及每种方法用于表征孔隙的尺度和效果不同,使用任何单一方法并不足以完全表征岩石的孔隙结构。因此,有必要采用多种方法联合表征孔隙特征。此外,分形理论作为衡量页储层孔隙复杂程度与非均质性的方法和理论[9-10]。但分形理论主要是与上述孔隙测量方法结合使用的,不能作为一种单独的孔隙表征方法,而是作为孔隙研究方法的补充。考虑到凝灰岩发育不同尺度微纳米孔隙空间结构,且凝灰岩复杂的孔隙结构会导致不同尺度孔隙结构分形特征存在差异,但目前针对凝灰岩孔隙结构多尺度分形特征的量化表征以及各孔径范围内孔隙非均质性特征差异和影响因素的研究相对较少。

以准噶尔盆地乌尔禾组凝灰岩为研究对象,在地球化学、岩石矿物学等研究的基础上,联合低压CO2吸附和低温N2吸附实验、高压压汞法和扫描电镜观察等实验手段,采用定性描述与定量计算相结合的手段综合表征凝灰岩全孔径孔隙结构特征;同时,针对不同尺度孔隙结构差异分别选用针对性的分形模型确定凝灰岩不同尺度孔隙的分形特征;最后,探讨乌尔禾组凝灰岩的孔隙发育控制因素和揭示了乌尔禾组凝灰岩的孔隙结构参数和矿物组分与分形维数之间的关系,以期为准噶尔盆地凝灰岩陆相页岩油气风险勘探和高效开发提供参考依据。

1 地质背景及样品信息

准噶尔盆地位于新疆北部,形状为不规则的三角形,东西长约700 km,南北宽约370 km。根据构造单元可将盆地自南向北划分为:山前冲断带、东部隆起、中央拗陷、西部隆起、陆梁隆起和乌伦古拗陷[11-12]。研究区位于准噶尔盆地的中央坳陷的东道海子北凹陷(图1),为准噶尔盆地的二级构造单元,北邻滴南凸起,西邻莫北凸起,西南邻莫索湾凸起,东南邻白家海凸起。该地区地层自下而上依次发育石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系,其中二叠系地层发育将军庙组、平地泉组和乌尔禾组[13]。

样品来自东道海子凹陷成6井的乌尔禾组,深度为6 494～6 500 m,岩性主要为沉凝灰岩、硅化凝灰岩(图2)。主要矿物成分为石英、正长石、斜长石、黏土矿物、方解石以及少量的白云石和黄铁矿(表1),其中石英含量介于13.7%～36.9%,平均23.41%;斜长石含量介于5.9%～45.2%,平均27.13%;正长石含量介于0～6.7%,平均1.63%;方解石含量介于0～29.3%,平均9.25%;白云石含量介于0～58%,平均12.64%,白云石相对含量变化范围比较大;黄铁矿含量介于0～2.9%,平均0.51%,仅有少部分样品中含有黄铁矿;黏土矿物含量介于5.5%～47.4%,平均25.9%。总有机碳TOC介于0.27%～2.06%,平均0.59%,总有机碳丰度较低;镜质组反射率介于1.30%～1.54%,平均值为1.44%,有机质属于高成熟阶段。孔隙度介于3.24%～5.19%,平均值为4.18%。

2 凝灰岩孔径表征

国际化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)根据孔径大小将孔隙分为微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)[14]。表征页岩孔径分布的方法有多种,如低压CO2吸附、低温N2吸附和高压压汞实验、核磁共振、小角中子散射、扫描电镜等,每种方法各有特点,均有一定的适用范围。现通过低压CO2吸附、低温N2吸附和高压压汞实验联合表征凝灰岩的孔径,这三类实验可分别对微孔、介孔和宏孔进行测试与表征,从而实现对凝灰岩的全孔径表征[15]。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview map of the study area

图2 部分样品岩石薄片典型照片Fig.2 Typical thin images of part samples

表1 准噶尔盆地乌尔禾组凝灰岩样品地化与矿物信息一览表Table 1 Summary of geochemical and mineralogical information for the samples

2.1 基于CO2吸附定量表征凝灰岩孔隙

低压CO2吸附实验采用Autosorb-iQ全自动比表面和孔径分布分析仪,将样品粉碎至60～80目,取粉碎样品先在110 ℃的环境下进行抽真空,除去样品孔隙中的水分和挥发性物质,脱气时间持续16 h,然后以纯度大于99.999%的高纯二氧化碳为吸附质,在273 K条件下测定不同分压的二氧化碳吸附等温线。测试流程严格依据国家标准GB/T 21650.3—2011执行。

乌尔禾组凝灰岩样品CO2等温吸附曲线如图3所示,等温吸附曲线为Ⅰ型,并且曲线有略微的凸起形态。由于CO2分子与微孔大小在同一个数量级上,分子以单分子层吸附或填充,CO2分子吸附过程迅速,在相对压力(P/P0)小于0.03完成吸附。各样品最大吸附量范围为0.22～1.96 cm3/g,变化范围较大,表现出了不同样品微孔发育的差异性。

厄瓜多尔政府努力改善矿业投资环境，在8月份取消了暴利税，并支持国家矿业公司(Enami)寻找合作伙伴合资开发项目。

应用 NLDFT(non-local density functional theory)模型解析CO2等温吸附数据,结果如图4所示。由图4可知,凝灰岩孔径分布出现三个峰:范围分别为0.34～0.38 nm、0.48～0.72 nm、0.72～0.85 nm,从各尺度微孔对孔体积的贡献来看,0.48～0.72 nm孔径范围内的微孔对凝灰岩孔隙贡献率最高。样品C6-3、C6-5和C6-6较C6-1、C6-2、C6-4和C6-7微孔更加发育,从有机质丰度对孔径发育的影响来说,有机质在生、排烃过程中产生有机质孔,成熟度相近的凝灰岩,有机质丰度越高,孔径小于2 nm的微孔越发育,有机质孔为CO2提供了大量吸附点。

图3 二氧化碳等温吸附曲线Fig.3 Carbon dioxide isothermal adsorption curves

图4 二氧化碳等温吸附孔径分布Fig.4 CO2 isothermal adsorption pore size distribution

2.2 基于N2吸附表征凝灰岩孔隙

低温N2吸附实验采用Autosorb-iQ全自动比表面和孔径分布分析仪,同样将样品粉碎至60～80目,取粉碎样品先在110 ℃的环境下进行抽真空,除去样品孔隙中的水分和挥发性物质,脱气时间持续12 h,然后以纯度大于99.999%的高纯氮气为吸附质,在77 K条件下测定不同分压的N2吸附-脱附等温线。测试流程严格依据国家标准GB/T 21650.2—2008执行。

由N2等温吸附实验获取吸附-脱附曲线,如图5所示,N2等温吸附-脱附曲线可分为三个阶段:①低压阶段,此阶段等温吸附曲线平缓,出现凸起的形态,氮气分子以单分子层吸附在凝灰岩介孔之中;②中压阶段,此阶段氮气吸附速率有所增加,氮气分子由单分子层吸附转变为多分子层吸附;③高压阶段,此阶段氮气分子吸附速率迅速增加,吸附曲线变陡,但在相对压力接近1时未出现吸附饱和现象,说明出现了毛细孔凝聚作用[16]。由于毛细孔凝聚作用的存在,导致氮气分子在脱附的过程中出现了滞后,脱附曲线出现回滞环。回滞环的形状与孔隙形态有着一定的关系,可根据回滞环的形状判断凝灰岩孔隙形态[17]。

N2吸附曲线如图5所示,由此可知样品N2吸附量范围为3.45～36.09 cm3/g,各样品N2吸附量差异较大,表明各样品介孔孔隙发育差异较大。根据IUPAC对氮气吸附脱附曲线回滞环划分的4种类型,即H1、H2、H3、H4,其中H1型反映圆筒状孔,H2反映墨水瓶状孔,H3反映平板狭缝状结构及楔形结构孔隙,H4反映片状孔隙。凝灰岩氮气吸附脱附曲线回滞环与H3和H4类似,表明凝灰岩发育平板狭缝孔、楔状孔隙。根据Brunauer提出的氮气吸附-脱附回滞环5类划分方案,即A、B、C、D、E,其中A型反映圆筒形孔,B型反映狭窄的平行板状孔,C型反映锥形孔,D型反映锥形平板孔,E型反映墨水瓶状孔。凝灰岩氮气吸附脱附回滞环与B、C、D相一致,表明凝灰岩发育锥形管孔、四端开口的锥形平板孔和狭窄的平行板孔[18-21]。因此,研究区凝灰岩孔隙形态多样,是由多种类型形成的复合孔隙体。

孔体积随孔径变化曲线如图6所示,凝灰岩孔径分布出现多个峰值,当凝灰岩孔径大于5 nm之后,图形整体出现震荡下降的趋势,综合累计孔体积考虑,研究区凝灰岩样品介孔孔隙主要由5～40 nm的孔隙所提供,对于大40 nm的孔隙而言,其所提供的孔隙较少。累计孔体积变化范围为0.004～0.050 cm3/g,变化范围较大,介孔的发育程度与有机质含量、黏土矿物含量表现出了一定的相关性。

图5 氮气吸附-脱附曲线Fig.5 N2 adsorption-desorption curve

图6 凝灰岩N2吸附孔径分布及累计孔体积Fig.6 Tuff N2 adsorption pore size distribution and cumulative pore volume

2.3 基于高压压汞法表征凝灰岩孔隙

高压压汞实验采用美国康塔PoreMaster GT全自动孔径分析仪,将样品制成1 cm×1 cm×1 cm的立方块,预处理条件是在3 Pa的真空烘箱中加热至110 ℃处理4 h即可,去除样品中的自由水和吸附水,然后在注汞前对样品进行抽真空,由于汞的非湿性,测量不同压力下的注汞体积和退汞体积。测试流程严格依据国家标准GB/T 21650.1—2008执行。

高压压汞法是通过高压将非润湿相液体汞压入岩石的孔隙中,主要用于表征孔径大于50 nm的孔隙。由图7所示进汞曲线可以看出,各样品进汞曲线形态大致相同,进汞量介于0.001 7～0.013 1 cm3/g,各样品的总进汞量差别较大。当压力小于10 MPa时,对应孔径大于160 nm,进汞曲线斜率较大,表明该孔径范围内的孔隙较为发育;当压力介于10～70 MPa时,进汞曲线斜率较小,表明该区间范围内的孔隙不发育;当压力介于70～140 MPa时,各曲线斜率均有不同程度的明显增幅,表明该区间范围内的孔隙较为发育;当压力大于140 MPa之后,样品C6-2、C6-3、C6-5和C6-7进汞曲线斜率有所降低但进汞量仍在增加。

孔体积随孔径变化曲线如图8(a)所示,凝灰岩孔径分布呈双峰态,两个峰分别介于6～20 nm和300～5 000 nm,表明凝灰岩主要发育6～20 nm和300～5 000 nm孔径范围内的孔隙;比表面积随孔径变化曲线如图8(b)所示,研究区乌尔禾组凝灰岩比表面积主要由6～20 nm的介孔所提供,对于大于20 nm的孔径,随着孔径的增加,比表面积逐渐降低。

图7 高压压汞进汞曲线Fig.7 High pressure mercury feed curve

图8 高压压汞孔径分布Fig.8 Distribution of high-pressure mercury-pressure pore sizes

2.4 凝灰岩全孔径表征

乌尔禾组凝灰岩全孔径孔体积分布显示(图9,图10,表2),各样品总孔体积差异较大,研究区凝灰岩样品总孔体积介于0.005 4～0.047 8 cm3/g,平均0.026 6 cm3/g。其中微孔孔体积介于0.000 6～0.005 5 cm3/g,平均0.003 1 cm3/g,占总体积的7.59%～15.92%,平均11.50%,微孔发育孔径主要介于0.3～1.0 nm;介孔孔体积介于0.004 2～0.041 3 cm3/g,平均0.020 2 cm3/g,占总体积的61.82%～83.43%,平均75.10%,介孔发育孔径主要介于4～40 nm;宏孔孔体积介于0.000 6～0.005 3 cm3/g,平均0.002 8 cm3/g,占总体积3.0%～27.27%,平均13.40%,宏孔主要由孔径大于300 nm的孔隙所贡献。总体来看,研究区凝灰岩样品的孔体积主要由介孔所提供,其次是微孔和宏孔,两者相差不大,在样品C6-4中宏孔的体积超过介孔,这是由于该样品中黏土含量较低,而脆性矿物含量偏高,导致宏孔相对发育。

图9 乌尔禾组凝灰岩全孔径孔体积分布特征Fig.9 Characteristics of full-aperture pore volume distribution of tuff in the Wuerhe Formation

图10 乌尔禾组凝灰岩全孔径孔体积及占比Fig.10 Pore volume and proportion of total pore diameter of tuff in the Wuerhe Formation

表2 乌尔禾组凝灰岩全孔径孔体积分布信息Table 2 Full pore size pore volume distribution information for the Urho Formation tuffs

乌尔禾组凝灰岩全孔径比表面积显示(图11、图12、表3),样品总比表面积差异较大,总比表面积介于3.47～36.78 m2/g,平均20.42 m2/g。其中微孔比表面积介于2.08～17.89 m2/g,平均10.32 m2/g,占总比表面积的48.64%～60.30%,平均53.04%,微孔比表面积主要由孔径0.3～0.9 nm的孔隙所提供;介孔比表面积介于1.36～18.82 m2/g,平均10.06 m2/g,占总比表面积的39.13%～51.17%,平均46.71%,介孔比表面积由孔径2～11 nm的孔隙所提供;宏孔比表面积介于0.012～0.07 m2/g,平均0.037 m2/g,占总比表面积的0.14%～0.57%,平均0.26%。因此,乌尔禾组凝灰岩样品的比表面积主要由微孔和介孔所提供,微孔的比表面积比介孔稍大一些,二者占据总比表面积的99%以上。

图11 乌尔禾组凝灰岩全孔径比表面积分布特征Fig.11 Characteristics of the full ore size specific surface area distribution of tuffs of the Urho Formation

表3 乌尔禾组凝灰岩全孔径比表面积分布信息Table 3 Full pore size pore volume distribution information for the Urho Formation tuffs

3 凝灰岩孔隙结构分形特征

前文中,通过低压CO2吸附、低温N2吸附和高压压汞实验分别对凝灰岩的微孔、介孔和宏孔进行了孔径分布、孔体积和比表面积的定量表征,结果显示孔隙在凝灰岩中分布非均质性较强。针对凝灰岩孔隙的非均质性,文献[22-24]利用分型维数来表征储层孔隙的结构复杂程度和非均质性。下面将基于低压CO2吸附和低温N2吸附实验,应用先进的分形模型研究凝灰岩孔隙结构复杂程度和非均质性。

3.1 基于CO2吸附的孔隙结构分形特征

微孔分型维数的计算采用Jaroniec所推导出的基于孔径分布函数J(x)孔径x的微孔分型模型[25-27],即

lnJ(x)=(2-D)lnx+C

(1)

(2)

式中:x为孔隙半径,nm;C为常数;D为分型维数;J(x)孔径分布函数;Γ为伽马函数;ρ为孔径分布尺度参数,kJ/mol;v为形状参数;Z为DA(Dubinin-Astakhov)方程中特征能的函数;ρ和v可通过微孔吸附方程拟合得到。

由低压CO2吸附分形拟合结果可知(表4,图13),乌尔禾组凝灰岩分形维数Dm介于2.59～2.97,平均值为2.73。分形维数值较大且变化范围也较大,表明乌尔禾组凝灰岩微孔结构复杂、非均质性较强,且不同样品之间非均质性有一定程度的差距。分形维数均介于2～3,且相关系数R2均大于0.9,表明研究区凝灰岩微孔与所使用的微孔分形模型相适应。

表4 乌尔禾组二氧化碳吸附分形拟合方程及分型维数Table 4 Fractal fitting equations and fractal dimensions for carbon dioxide adsorption

3.2 基于N2吸附的孔隙结构分形

低温N2吸附孔隙结构分形维数的计算采用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型,该模型基于多分子层吸附理论,是低温气体吸附孔隙分形模型中较为成熟且应用广泛的一种模型[28-31],其计算式为

(3)

式(3)中:P为平衡压力,MPa;V为平衡压力为P时的吸附体积;P0为饱和蒸汽压力,MPa;C为常数;K为拟合直线斜率。研究认为,当氮气吸附作用主控为范德华力时,D=3K+3;当氮气吸附作用主控为毛细管凝结作用时,D=K+3[32];前文中氮气吸附实验吸附曲线与脱附曲线并不重合,当相对压力在0.5时出现回滞环,表明氮气吸附的过程中伴随着毛细管凝结作用,因此选用D=K+3用于计算氮气吸附分形维数。在实际的应用中,根据相对压力的大小将分形维数分为D1(P/P0<0.5)、D2(0.5

图13 部分样品二氧化碳吸附数据分形拟合曲线Fig.13 Carbon dioxide fractal fitting curve for the Urho Formation tuffs

拟合结果如图14、表5所示,当相对压力P/P0<0.5时,乌尔禾组凝灰岩小孔径介孔分形维数D1介于2.23～2.55,平均值为2.39;当相对压力P/P0>0.5时,乌尔禾组凝灰岩大孔径介孔分形维数介于2.62～2.83,平均值为2.72,由此可见,大孔径介孔分形维数明显大于小孔径介孔分形维数,反应介孔孔隙表面粗糙程度较低,而孔隙较为复杂,非均质性强。

4 凝灰岩孔隙发育控制因素

研究区乌尔禾组凝灰岩孔隙结构复杂、非均质性强。凝灰岩组成包括有机质、黏土矿物、石英、长石等,这些组分对泥岩孔隙结构与孔隙分布均会产生一定的控制与影响。通过对凝灰岩样品有机质丰度、矿物组分以及分形维数与孔隙分布探讨,揭示凝灰岩孔隙发育的主控因素。

4.1 有机质丰度

有机质在热演化生烃的过程中会产生一定量的孔隙,因此认为有机质丰度对凝灰岩孔隙的发育有影响[36-38]。总有机碳含量(total organic carbon,TOC)与凝灰岩不同尺度孔隙相关性如图15所示,有机质丰度与凝灰岩总孔体积有一定的相关性,表明有机质对凝灰岩孔隙发育有一定的贡献;有机质丰度与凝灰岩微孔体积和介孔体积相关性较好,表明有机质对凝灰岩微孔和介孔发育具有一定控制作用;有机质丰度与凝灰岩宏孔体积几乎没有相关性,表明有机质对凝灰岩宏孔发育影响较小。有机质丰度与凝灰岩不同尺度比表面积的相关性和不同尺度孔体积的相关性几乎一致,表明有机质丰度对二者的影响也相似。综上所述,有机质丰度对研究区凝灰岩微孔和介孔的发育有一定控制作用,其中对微孔的影响较介孔影响显著,有机质丰度对宏孔发育影响较小。

图14 部分样品氮气吸附数据分形拟合曲线Fig.14 N2 adsorption fractal fitting curve for the Urho Formation tuffs

表5 乌尔禾组凝灰岩氮气吸附分形拟合方程及分形维数Table 5 Fractal fitting equations and fractal dimensions for nitrogen sorption on tuffs

图15 TOC含量与凝灰岩不同孔径孔体积、比表面积相关性Fig.15 Correlation between TOC content and pore volume and specific surface area

4.2 矿物组分

4.2.1 脆性矿物

研究区乌尔禾组凝灰岩样品中脆性矿物主要为石英和长石,其次是方解石和白云石。石英与总孔体积的相关性如图16所示,石英与总孔体积的相关性非常微弱(R2=0.123 9),推测可能是由于乌尔禾组凝灰岩埋深较深(约6 500 m),上覆压力大,压实作用导致石英的支撑作用减弱,孔隙度降低;长石与凝灰岩总孔体积的相关性比较弱(R2=0.407 4),表明长石对凝灰岩孔隙发育具有一定的控制作用;长石含量与微孔体积、介孔体积和宏孔体积均有较弱的相关性,且与三者的相关性依次降低,表明长石含量对微孔、介孔和宏孔发育具有一定,但均比较弱。

图16 长石、石英含量与凝灰岩不同尺度孔体积相关性Fig.16 Correlation between feldspar and quartz content and pore volume at different scales in tuffs

4.2.2 黏土矿物

黏土含量与凝灰岩各种类型孔体积、比表面积相关性如图17所示,黏土含量与凝灰岩各尺度孔体积、比表面积二者的相关性表现出了一致性,黏土含量与凝灰岩总体积、总比表面积的相关性极强(R2>0.95),表明黏土含量对凝灰岩孔隙的发育由很显著的促进作用,是凝灰岩孔隙发育的主控因素。其中黏土含量与微孔体积、介孔体积、微孔比表面积、介孔比表面积的相关性均比较强,而与凝灰岩宏孔体积、比表面积的相关性比较弱,表明黏土矿物对凝灰岩微孔和介孔的发育具有显著的促进作用,对凝灰岩宏孔的发育影响较小。这是由于黏土矿物发育大量纳米级粒间孔与粒内孔,形成大量凝灰岩微孔与介孔。

4.3 分形维数影响因素

研究区乌尔禾组凝灰岩样品孔隙分形维数(微孔分形维数Dm,介孔分形维数D1、D2)与TOC及矿物组分含量的相关关系如图18所示,介孔分形维数D1与TOC及矿物组分含量的相关性与微孔分形维数Dm相似,而与介孔分形维数D2相反,表明介孔中的小孔与微孔具有相似的孔隙结构,而与介孔中的大孔孔隙结构相差较大。微孔分形维数Dm与介孔分形维数D1与凝灰岩TOC含量呈负相关关系,推测可能是由于凝灰岩有机质中发育纳米级气泡状有机孔,该类孔隙形状规则,大量保存在有机质中能够有效降低有机质孔隙的非均质性,导致微孔分形维数Dm与介孔分形维数D1随着TOC含量的增加而减小。介孔分形维数D2随着TOC含量的增加而增到,是由于有机质在生、排烃过程中形成介孔,有机质含量越高,生成的介孔越多,介孔的复杂程度与非均质性越强,介孔分形维数D2越大。

图17 黏土含量与凝灰岩各尺度孔体积比表面积相关性Fig.17 Correlation between clay content and specific surface area of pore volumes at various scales in tuffs

图18 凝灰岩TOC及矿物含量与分形维数相关性Fig.18 Correlation of TOC and mineral content of tuffs with fractal dimension

凝灰岩中石英含量与微孔、介孔分形维数相关性很弱,这与前文中石英与凝灰岩孔体积相关性弱的特点相一致,石英对凝灰岩孔隙发育的贡献极小,因此石英含量与微孔、介孔分形维数之间的相关性很弱。长石含量与微孔分形维数Dm、介孔分形维数D1呈负相关,与介孔分形维数D2呈正相关。这是由于长石作为骨架矿物具有一定的刚性,在压实过程中能起到一定的支撑作用,导致大孔的复杂程度增加而小孔的复杂程度降低。

凝灰岩黏土含量与微孔分形维数Dm及介孔分形维数D1呈负相关关系,这是由于黏土矿物在成岩作用过程中会被压实,随着黏土矿物含量的增加,黏土矿物中的孔隙更加规则,孔隙复杂程度以及非均质性降低,分形维数随着黏土矿物的增加而减少。

5 结论

通过气体吸附(CO2和N2)和高压压汞实验相结合的手段综合表征了乌尔禾组凝灰岩多尺度孔隙结构特征;同时,针对不同尺度孔隙结构差异分别选用针对性的分形模型确定了凝灰岩不同尺度孔隙的分形特征,得出如下结论。

(1)研究区乌尔禾组凝灰岩总孔体积介于0.005 4～0.047 8 cm3/g,凝灰岩孔体积主要由介孔所提供,其次是宏孔和微孔,三者分别占总孔体积的75.1%、13.4%和11.5%。凝灰岩的比表面积主要由微孔和介孔所提供,微孔比表面积平均10.316 m2/g,平均占比为53.04%;介孔比表面积平均10.064 m2/g,平均占比为46.71%。

(2)凝灰岩微孔分形维数Dm介于2.59～2.97,平均值为2.73;介孔分形维数D1介于2.23～2.55,平均值为2.39;介孔分形维数D2介于2.62～2.83,平均值为2.72,表明凝灰岩孔隙结构复杂与非均质性较强。

(3)研究区凝灰岩孔隙发育主要受TOC以及黏土矿物含量影响与控制,石英与长石等脆性矿物对孔隙发育影响较弱。