下扬子地区二叠系海相页岩孔隙特征新认识及页岩气勘探启示

朱文博 张训华 周道容 方朝刚 李建青 黄正清

1.中国海洋大学海洋地球科学学院 2.中国地质调查局青岛海洋地质研究所 3.中国地质调查局南京地质调查中心

0 引言

页岩储层内部发育有大量结构复杂的微米—纳米级孔隙，页岩气以吸附或游离态储存在其中，这些微观孔隙结构特征是影响页岩气藏储集性能的重要因素[1-2]。对孔隙体积、比表面积、形状、空间分布以及连通性等孔隙结构要素的研究，是揭示页岩气富集机理的关键。同时由于分形维数在表征物质空间填充程度、结构复杂性方面有较好的应用效果，越来越多的学者将分形理论运用到页岩孔隙结构的研究当中[3-5]。

下扬子地区中上二叠统大隆组以及孤峰组页岩具有厚度大、有机质丰度高、分布范围广、热演化程度适中等特点，具有很大的页岩气勘探开发潜力[6-8]。目前，国内针对下扬子地区二叠系海相页岩油气的勘探工作仍处于探索阶段[9-12]，页岩孔隙结构特征及控制因素相关的研究较为薄弱。2017年9月，南京地质调查中心于下扬子宣泾地区实施了页岩气参数井WXY-1井，成功钻穿二叠系大隆组、龙潭组、孤峰组，对探索二叠系页岩岩相发育、储集空间及含气性特征具有重要意义。

笔者以下扬子地区大隆组和孤峰组页岩作为研究目标，选取WXY-1井岩心作为实验样品，综合运用氩离子剖光—扫描电镜、高压压汞、CO2及N2吸附测试来揭示不同尺度的页岩孔隙发育特征，并结合有机地球化学数据、矿物组分来研究影响孔隙结构发育的主要因素。同时利用分形维数理论，对较小孔隙及较大孔隙进行了分类计算拟合，探讨了分形特征对页岩气储集能力的影响，以期为页岩气勘探开发提供相关科学依据。

1 地质背景

下扬子地区处于扬子板块东缘，其西北以郯庐断裂带与华北板块为界，东南以江山—绍兴断裂带与华夏地块为界[13]。在漫长的海相盆地演化过程中，下扬子地区出现了多次大量有机质汇聚的时期，为生油生气提供了重要的物质基础[14]。整个二叠纪期间，下扬子地区基本处在连续下沉的海洋环境，沉积了200～1 000 m的海相碎屑岩和碳酸盐岩，包含了海陆过渡相的龙潭组以及陆棚—盆地相的大隆组、孤峰组。经过晚石炭世末和早二叠世初短暂的抬升剥露之后，海水全面侵入，使早二叠世成为本区晚古生代最大的海侵期；至早二叠世晚期，海水进一步加深，沉积了以黑色富有机质碳质硅质页岩、硅质岩为主的孤峰组海相页岩[15]。中二叠世海水部分退出本区，而晚二叠世初期的海侵范围也只局限在苏州—湖州一线以北，沉积物以龙潭组滨岸沼泽煤系地层为主[16]；晚期海侵迅速扩大，除少数隆起上为碳酸盐岩沉积（长兴组）外，一般水体较深，水流不畅，为非补偿的大隆组硅泥质沉积[17]。

下扬子地区后期受印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动挤压隆起和断陷，部分区域遭受风化剥蚀，现今的二叠系主要出露在东至—泾县—宁国—广德—安吉—湖州一线以北、巢湖—含山—南京—镇江一线以南的广大区域，整体上呈北东—南西向条带状分布。孤峰组整体呈北东向展布，以东至—贵池—铜陵为“脊”，铜陵—南陵地区厚度达60～110 m，向北西和南东逐渐减薄，厚度一般为20～60 m。有机质丰度（TOC）在南部怀宁—铜陵—泾县一线很高，泾县昌桥达到9.11%，总体上普遍达到3%以上，并向北逐渐减小。大隆组在下扬子南部和中部较厚，东侧和北侧厚度较薄，在泾县—宁国地区厚度40～60 m，铜陵—无为—巢湖地区主体为20～40 m，有机碳含量较高，普遍大于2%（平均为4.36%）[18]。宣泾地区处于下扬子板块的苏皖南坳陷南部，是下扬子中上二叠统富有机质泥页岩的主要富集区。WXY-1井位于安徽省宣城市宣州区杨柳镇兴洋村，完钻井深为2 750 m（图1），在深度1 412～1 478 m及1 659～1 709 m分别钻穿目的层大隆组和孤峰组，取得了良好含气性显示。

2 有机地化及岩相特征

本次研究共采得岩心样品45块，层位分别为孤峰组和大隆组，岩性主要为灰黑色至黑色碳质页岩和硅质页岩。对样品有选择性的做了全岩矿物组分测试（45件）、干酪根显微组分鉴定（18件），以及多项有机地化测试：TOC（45 件）、Ro（41 件）、S1+S2（18件）、氯仿沥青“A”（19件）和干酪根碳同位素（17件），并选取了部分典型样品进行了氩离子剖光—扫描电镜测试（27件）、CO2吸附（14件）、低温N2吸附（17件）及高压压汞实验（6件）。其中CO2吸附实验由中国煤炭地质总局检测中心完成，有机地化、全岩矿物组分、N2吸附由重庆地质矿产研究院完成，扫描电镜、干酪根显微组分及压汞实验由华东油气分公司实验研究中心完成。

2.1 有机地化特征

WXY-1井大隆组页岩有机碳含量（TOC）介于1.21%～6.84%（均值3.52%）；生烃潜量（S1+S2）介于1.082～ 4.585 mg/g（均值2.574 mg/g）；氯仿沥青“A”含量介于0.029 2% ～ 0.092 4%（均值0.0578%）；镜质体反射率Ro为1.01%～1.48%（平均为1.28%）。干酪根显微组分鉴定透光下呈深褐色—黑色（图2-a、b），蓝光激发无荧光显示，有机质的一部分可能已经转化成烃类，残余部分中正常镜质体、丝质体还保留镜下特征，易于辨认，其余组分在镜下特征倾于一致，综合鉴定大隆组基本以壳质组（腐质无定形体）、镜质组（正常镜质体）和惰质组（丝质体）为主，有机质类型为偏腐殖混合型—腐殖型（Ⅱ2—Ⅲ）。

孤峰组测试TOC介于1.18%～17.22%（均值7.09%）。由于受到下伏燕山期侵入岩体的烘烤，其余生烃指标受到很大影响，生烃潜量（S1+S2）介于 0.013 2 ～ 1.142 6 mg/g（ 均 值 0.252 mg/g）， 氯仿沥青“A”含量介于0.001 7%～ 0.033%（均值0.009%），Ro为 2.54% ～ 3.03%（ 平 均 为 2.72%）。所有孤峰组样品显微组分透光下呈黑色（图2-c、d），蓝光激发无荧光显示，大隆组样品常见的镜质体、丝质体在孤峰组样品中已经不能确定有无，所有显微组分已经颗粒化，镜下特征趋于一致，看不清母质原始结构，无法鉴定其类型。但通过对孤峰组干酪根δ13C值的测试（其值介于－29.93‰～－24.63‰，均值－28.72‰），并根据梁狄刚对扬子地区海相烃源岩干酪根类型的总结[19]，孤峰组主体应属于混合型（Ⅱ）干酪根。有机地化数据表明下扬子二叠系大隆组及孤峰组都具有良好的页岩气成藏物质基础（表1）。

表1 宣泾地区WXY-1井二叠系页岩样品地球化学分析数据表

2.2 岩相特征

WXY-1井页岩样品的全岩和黏土矿物组分分析结果显示，大隆组页岩以黏土矿物为主，含量18%～58%（均值40.18%），上段以伊利石、伊/蒙混层为主，其次为绿泥石，不含高岭石与蒙脱石，中段及下段以伊利石和高岭石为主，其次为伊/蒙混层与绿泥石，不含蒙脱石；石英次之，含量为23%～49%（均值35.31%）；碳酸盐矿物含量为2%～55%，均值13.74%；其余为长石（钾长石0～2%，斜长石0～11%）、黄铁矿（0～10%）等。孤峰组页岩以石英为主，含量为18%～58%（均值40.18%）；黏土矿物含量为7.4% ～55%（均值26.98%），黏土组分以伊利石为主，少量的伊/蒙混层、高龄石及绿泥石，不含蒙脱石；碳酸盐矿物含量在0～39%，均值8.86%；长石以斜长石为主，含量0～5.8%，黄铁矿含量介于0～9.4%。研究区脆性矿物为石英、长石及黄铁矿，其含量可反映页岩的脆性程度，并影响页岩气开采的后期压裂改造效果[20]。大隆组页岩脆性矿物含量介于31%～61%（均值45.39%），孤峰组页岩脆性矿物含量介于24%～89.2%（均值64.06%），两者都具备良好的可压裂条件，相比较而言，孤峰组整体硅质含量更高，是更有利的可压裂层段。

本次研究采用吴蓝宇等的划分方案对页岩岩相进行划分[21]，根据X—全岩衍射矿物分析结果，通过硅质矿物（石英+长石）—碳酸盐矿物（方解石+白云石）—黏土矿物三端元图解对页岩进行了分类，当硅质矿物含量大于50%时，为硅质页岩相组合（S）；当碳酸盐矿物含量大于50%时，为钙质页岩相组合（C）；当黏土矿物含量大于50%时，为黏土质页岩相组合（CM）；而当硅质、碳酸盐及黏土矿物的含量均小于50%且大于25%时，为混合质页岩相（M）；按三端元含量的25%、50%、75%可将上述4个页岩相组合进一步细分为16种页岩岩相（图3）。WXY-1井大隆组TOC＞4%岩相主要分布在富泥硅质页岩S-3、富泥/硅混合质页岩M-2及富硅灰质页岩C-1，2%＜TOC＜4%岩相主要分布在富硅泥质页岩CM-1、富泥硅质页岩S-3，TOC＜2%岩相主要分布在富硅泥质页岩CM-1。孤峰组绝大多数样品TOC都在4%以上，主要分布在硅质岩S岩相，4%以下岩相分布在混合质页岩M。由此可以看出，硅质岩相S、富泥硅质页岩S-3、富泥/硅混合质页岩M-2的有机碳含量普遍较高，为研究区的二叠系海相页岩的优势岩相。

3 页岩孔隙特征

3.1 页岩孔隙结构镜下特征

孔隙类型、孔隙结构及其连通性是评价页岩气储层物性的关键因素，目前对页岩气储层孔隙的分类方案尚未统一[11]。本次研究参照Loucks等的分类方案[1]，采用有机质孔、无机质孔（分为粒内孔、粒间孔）、微裂隙来描述页岩储集空间，并运用氩离子剖光—高分辨率扫描电镜，对大隆组和孤峰组页岩样品的微观孔隙进行了镜下观测及半定量分析。

3.1.1 微裂缝

微裂缝的广泛发育既有利于游离气的大量存储，又可提升储层渗透性；其产生不仅与断层和褶皱等构造运动相关，同时也受到黏土矿物脱水等非构造成因的影响。镜下观察，宣泾地区大隆组、孤峰组黑色页岩微裂缝系统较为发育，主要发育在脆性矿物或黏土矿物颗粒的内部及边缘。相对而言研究区孤峰组页岩受构造活动影响更强，具有明显的揉皱构造以及方解石脉充填裂缝现象（图4-a）；并可见由揉皱构造作用引起的糜棱化现象（图4-b）。孤峰组页岩多见构造成因裂缝（图4-c），长度可达数十微米，缝中部分充填黏土矿物和碳酸盐矿物；在有机质与无机矿物接触边缘以及有机质内部也发育有微裂缝（图4-d），脆性矿物颗粒边缘微裂缝发育特征与矿物颗粒形态相关，常围绕颗粒一周（图4-e）。脆性矿物与黏土矿物颗粒内部微裂缝一般较为平直，少弯曲，少有胶结物充填，裂缝长度为0.2～3 μm（图4-d、f）；可能与有机质生、排烃过程中脱水收缩有关。

3.1.2 有机质孔

宣泾地区大隆组、孤峰组页岩中发育有大量有机质孔，主要为纳米孔，大小不一，孔径范围在数纳米至数百纳米之间，大多呈不规则状，如狭缝型、棱角形、分叉形，也存在气泡状、椭圆状和近椭圆状形态。由于受扫描电镜分辨率制约影响，小于2 nm的孔隙无法有效识别，二叠系页岩有机质孔在镜下主要以介孔为主。有机孔按照发育情况可划分为4种类型：①有机质孔隙极发育，呈海绵状分布，孔隙为棱角状，孔径多为数十纳米，此类孔隙分布最为广泛，在大隆组、孤峰组均普遍发育（图5-a、b）；②有机孔隙离散孤立发育，圆度高，孔径多为数百纳米，此类孔隙分布较局限，镜下主要在大隆组样品观测到（图5-c）；③复杂较大孔隙，由多个子孔合并而成，具有内部结构，孔径可达1.1 μm，此类孔隙也发育较少（图5-d、e）；④有机质孔不发育或局部发育，在不规则团块状、条带状及生物结构形有机质内可见（图5-f），与有机质类型相关[22]。总体而言，宣泾地区中上二叠统海相页岩镜下以不规则形状有机质孔隙为主，连通性较好，单个粒内孔隙半径多集中在数十纳米左右，但大隆组有机质孔类型更为多样，孔径分布范围更大，孤峰组平均孔径较小，孔隙不规则性更强。

3.1.3 无机质孔

宣泾地区大隆组、孤峰组页岩无机质孔可以分为粒内孔和粒间孔两大类，其中，粒间孔发育有矿物粒间孔（图6-a、b）、黏土矿片间孔隙（图6-c）及晶间孔隙（图6-d、e）；粒内孔发育在颗粒或晶体内部，镜下可见黄铁矿颗粒溶蚀所形成的铸模孔（图6-e），并发育少量的棱角状的矿物表面孔（图6-f）。大隆组、孤峰组页岩无机质孔以粒间孔为主，多见于黏土、黄铁矿及自生石英灯矿物晶体间，孔隙发育集中，孔径多为数十纳米，吸附性较强且连通性好；而粒内孔发育较少，孔径大且分布较零散，孔隙间不连通。

3.2 孔隙结构及孔径分布特征

通过CO2、N2吸附实验获得了页岩样品纳米尺度孔隙分布特征，通过压汞实验获得了微米尺度的孔隙分布特征。可以看出除了大隆组样品XY-25外，其余曲线表现出较为一致的特征（图7）。在低压部分（p＜0.79 MPa）进汞量随压力增大但没有明显变化，说明在此压力段孔隙基本不发育；0.79 MPa＜p＜15 MPa期间进汞量快速增加，说明此压力段孔隙发育较好；15 MPa＜p＜65 MPa进汞量保持缓慢增加，大于65 MPa时，进汞量增速加快，直到最大压力时，进汞量依然在增加，说明页岩中存在大量孔径小于10 nm的孔隙（图7-a）。从退汞曲线可以看出，其退汞效率很低，表明孔隙与喉道分布不均一，泥页岩中发育有大量连通性差、喉道细小的似墨水瓶孔隙[24]。汞饱和度增量随孔径的变化规律，可以看出大隆组、孤峰组的页岩孔径主要在3～10 nm以及60～1 200 nm这两个孔径范围内有贡献，大于3 μm孔径的孔隙基本不发育（图7-b）。同时，压汞实验揭示大隆组、孤峰组页岩普遍孔隙度很低，介于0.525%～1.185%之间，大于50 nm的孔容介于（0.774 ～ 1.183）×10－3cm3/g（表 2）。

表2 WXY-1井页岩样品高压压汞法孔体积分布表

典型样品的N2吸附曲线（8-a、b），按国际理论和应用化学学会（IUPAC）分类，大隆组、孤峰组页岩均表现为Ⅳ型等温吸附线，都具有回滞环[23]。所有样品在相对压力p/po＜0.8后，曲线上升速度加快并且未产生吸附饱和现象，表明页岩中存在较大孔径的开放性孔隙并发生了毛细凝聚，吸附曲线上升速率越大，表明其孔隙开放程度越大。同时，在相对压力处于较低区间时（0＜p/po＜0.4），吸附曲线与脱附曲线越重叠，说明在较小孔径范围内的孔隙形态越封闭。从CO2吸附量曲线可以看出，孤峰组页岩对CO2的吸附能力明显大于大隆组，说明其微孔孔隙更为发育（图8-c）。可知大隆组较孤峰组页岩普遍表现出更为开放的孔隙系统。此外，回滞环类型按照IUPAC可大致分为4类（图8-d），H1和H2型回滞环吸附等温线上有饱和吸附平台，反映孔径分布较均匀；H3和H4型回滞环等温线没有明显的饱和吸附平台，表明孔结构很不规整。大隆组、孤峰组页岩样品回滞环主要表现为H3型并具有明显拐点，孤峰组样品兼具H4型特征，指示样品孔隙类型虽不规则，但主要以平板状、狭缝状以及墨水瓶状等开放型孔隙为主[25]。该类孔隙连通性较好，孔隙结构对页岩气的运移有利。

由于低温CO2只适用于微孔的表征，N2吸附无法准确表征1.5 nm以下的孔径，故本次研究选取CO2实验数据来表征小于1.5 nm的微孔，大于1.5 nm的微—介孔选取N2吸附实验数据表征。分别对页岩样品的微孔（＜ 2 nm）、介孔（2～50 nm）的孔体积进行统计（表3）。研究发现宣泾地区大隆组页岩样品BET比表面积在1.30 ～8.0 m2/g（均值4.35 m2/g）；微孔、介孔的孔容平均值分别是4.39×10－3cm3/g、7.14×10－3cm3/g；BJH 平均孔径较高，为8.272～11.144 nm（均值9.29 nm）。孤峰组页岩样品BET比表面积在8.28～32.97 m2/g（均值19.79 m2/g）；微孔、介孔的孔容平均值分别是8.95×10－3cm3/g、12.17×10－3cm3/g；BJH 平均孔径介于3.971～7.974 nm（均值5.07 nm）。结合压汞测试所得的宏孔容数据（0.774×10－3～1.183×10－3cm3/g）可知，微孔与介孔是大隆组与孤峰组孔隙体积的主要贡献者，宏孔占比低。大隆组页岩孔隙结构与孤峰组具有一定的差异，大隆组具有较低的比表面积和总孔容，以及较高的平均孔径；孤峰组与之相反，并且微孔、介孔的孔容均明显大于大隆组，表明页岩孔径分布对比表面积及总孔容有很大影响。微孔越多，平均孔径越小，比表面积及总孔容越大。同时，宏孔在大隆组、孤峰组页岩孔隙当中占比很低，说明与页岩气渗流能力密切相关的较大孔径孔隙发育较少，暗示了大隆组、孤峰组页岩较差的页岩气运移能力和渗流条件。

3.3 分形维数计算

以往研究证明页岩的孔隙结构通常具有明显的非均质性，分形维数（D）常被用来定量表征页岩孔隙表面粗糙度和结构不规则性[26]。本文应用FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型对N2吸附/脱附曲线进行了计算，公式如下：

其中，V代表平衡压力p下的吸附体积（cm3）；po（MPa）是饱和蒸汽压力；K是与吸附机理和分形维数D相关的常数，K=D－3；C是常数。岩石的分形维数介于2～3之间时，可反映孔结构或孔表面的非均质性，分形维数越接近2，代表孔隙表面越规则；分形维数越接近3，孔隙表面则越不规则[27]。根据DFT理论方程及前人研究，相对压力p/po为0.45时对应的孔径为4.34 nm，可将p/po＜0.45划分为低压区，对应直径小于4.34 nm的小孔隙；将p/po＞0.45划分为高压区，对应直径在4.34～100 nm的较大孔隙[4]。在计算分形维数时，利用吸附等温线在低压段和高压段分别进行拟合计算，得到代表小孔隙的分形维数D1和代表较大孔隙的分形维数D2（表3），分别用于表征小孔隙和大孔隙的表面与结构复杂程度。

表3 WXY-1井页岩样品孔隙结构参数

经计算，大隆组页岩分形维数D1为2.451 5～2.551 3（均值为 2.522 7），D2为 2.581 7 ～ 2.657 8（均值为2.624 6）；孤峰组页岩分形维数D1介于2.581 7～2.657 8（均值2.624 6），D2介于2.722 7～2.871（均值为2.813）。结合孔径分布研究，二叠系页岩孔径大于4.34 nm的孔隙普遍更具多样性。究其原因，应该是较小孔隙类型相对单一，而较大孔隙类型复杂多样，正如扫描镜下显示的那样，微裂缝、粒间孔、粒内孔、次生溶蚀微孔以及各种形态的有机质孔等共同构成了较大孔隙体系。同时，分形维数D1与D2显示孤峰组页岩尤其是在较大孔隙中，具有更为复杂的孔隙结构特征，这也与镜下观察到的特征相符。

4 讨论

4.1 孔隙发育影响因素分析

由于表征宏孔段的压汞测试数量少（仅6样），难以形成规律性结论，本次研究主要围绕微孔与介孔进行。将不同尺度孔隙孔容与TOC及矿物组成进行了相关性分析，可以看出不同地层的孔隙结构控制因素差异很大（图9）。大隆组页岩样品中，在一定范围内的有机碳含量（TOC＜6%）与微孔、介孔的发育具有一定的负相关关系，但当有机碳继续升高，孔隙发育程度具有明显的提升（红色虚线方框内样品）；脆性矿物含量与孔隙发育也成较低的负相关关系；而黏土矿物含量与微孔孔隙发育具有很高的正相关（R2=0.949 3），与介孔的发育没有明显的相关性。对于孤峰组页岩样品，TOC与微孔发育（R2=0.673 6）具有较好的正相关关系；脆性矿物含量与微孔、介孔孔隙的发育具有一定的正相关性（R2分别为0.395 2、0.286）；黏土矿物特征与脆性矿物相反，与微孔、介孔孔隙具有一定的负相关关系（R2分别为0.321 7、0.336）。

对比不同页岩孔隙结构参数与TOC及矿物组成的相关性，发现大隆组页岩比表面积与TOC、脆性矿物含量成反比关系；孤峰组页岩比表面积与TOC、脆性矿物含量成一定正比，与黏土矿物含量成一定反比。同时平均孔径越小，大隆组与孤峰组页岩比表面积越大，结合之前孔径分布特征的研究，说明对二叠系海相页岩而言，孔隙平均孔径越小，比表面积和总孔体积越大。

综上，对于具有较低有机质丰度的大隆组页岩而言，孔隙结构尤其是微孔发育受黏土矿物含量影响最大。大隆组页岩矿物组分以黏土矿物为主（均值40.18%），有机质含量较少且热演化程度较低，有机质孔未能得到充分发育，反而黏土矿物以及与黏土矿物相关的无机孔提供了大量的孔隙，如层间孔隙、晶间孔隙以及成岩收缩缝等。在扫描电镜下我们可以看到有机质常常与黏土矿物伴生，这也有利于有机质孔的发育。在成岩过程当中，蒙脱石向伊利石转化期间能够降低热解反应的活化能，对干酪根热解生烃具有催化作用，可以提升热解反应速率并促进有机质孔的发育[28]。而对于以富有机质硅质岩相为主的孤峰组，有机质丰度及脆性矿物含量才是孔隙发育的主控因素。前人研究表明不同黏土矿物的晶层及孔隙结构不同，比表面积也存在很大差异。蒙脱石黏土微孔隙最为发育，其次为伊/蒙混层黏土，伊利石样品中的纳米级孔隙极少[29]。孤峰组页岩黏土矿物含量较少，并且由于受到燕山期火山岩体的烘烤致使热演化成熟过高（Ro介于2.54%～3.03%），黏土组分以伊利石为主，只含少量的伊/蒙混层，不含蒙脱石，造成黏土矿物只能提供极少的孔隙，无法对孔隙的发育造成很大影响。同时高的热演化程度使得孤峰组页岩有机质孔大量发育，生烃过程中产生的有机酸、H2S、CO2、NH3和CH4等，会进一步对易溶矿物进行溶蚀而形成次生孔隙，如镜下观察到的黄铁矿颗粒溶蚀所形成的大量铸模孔。

研究区脆性矿物主要包含石英、长石及黄铁矿，以石英为主体，因此硅质来源会对孔隙的发育造成一定影响。大隆组页岩石英与TOC没有明显相关关系，但孤峰组页岩具有一定的正相关关系，说明大隆组硅质来源较为复杂，孤峰组硅质来源以生物成因为主。因此若孤峰组硅质含量越高，其往往也会具有更高的TOC含量，能提供更多的有机质孔以及脆性矿物粒间孔。此外，高含量的脆性矿物可以起到支撑作用，避免孔隙因受构造挤压而减少；另一方面高脆性页岩在外力作用下更容易形成孔缝，对页岩的储层物性有一定改善作用。大隆组脆性矿物含量提升会造成其孔隙主控因素黏土含量的减少，致使比表面积及各尺度孔隙的孔容与脆性矿物含量成反比关系。但从整体上来看，黏土矿物所提供的比表面积与孔容无法与有机质相比。当有机质含量提升到一定程度，并随着热演化程度升高，二叠系页岩的总孔容以及比表面积会随着黏土含量的增长而减低，随着TOC的增长而提升。

4.2 分形维数影响因素分析

4.2.1 分形维数与孔隙结构参数的关系

宣泾地区二叠系孤峰组、大隆组页岩孔隙分形维数（D1、D2）与孔隙结构参数的相关关系。大隆组页岩分形维数D1与比表面积、介孔容都成一定正比，但相关程度较低；分形维数D2只与平均孔径具有较好的负相关关系。孤峰组页岩分形维数D1与比表面积、微孔容、介孔容有较好的负相关；分形维数D2与平均孔径具有很好的负相关关系，与比表面积、微孔容成正比（图10）。

可以看出分形维数D1、D2有各自侧重点。分形维数D1对比表面积、孔隙发育更具敏感性，D2表征平均孔径效果更好。同时在不同岩性中，生物成因硅质岩相的孤峰组页岩分形维数表现出更好的应用效果，D1与D2在表征孔隙发育方面都能有较好的表现，但分形维数D1侧重于介孔孔隙发育，D2侧重于微孔孔隙的发育。此外由于控制孔隙发育的影响因素不同，造成分形维数D1在表征大隆组、孤峰组比表面积以及孔隙发育的应用中，得出了相反的相关关系结果。

4.2.2 分形维数与矿物组分、TOC的关系

宣泾地区二叠系孤峰组、大隆组页岩孔隙分形维数（D1、D2）与TOC含量、矿物组分的相关关系。大隆组页岩分形维数相关性表现较差，D1与黏土矿物表现出较少的正比关系，与TOC及脆性矿物含量表现出较差的负相关；分形维数D2只与脆性矿物组分成较少正比。孤峰组页岩分形维数D1与脆性矿物含量有较好的负相关，与黏土矿物含量成一定程度的正比；分形维数D2与脆性矿物以及TOC含量成较小的正比关系（图11）。

页岩孔隙镜下特征显示，有机质孔形态会随着孔径的减小，从复杂网状向蜂窝状、海绵状等相对简单的形态转变，这也是表征较大孔隙的D2数值大于D1的原因之一。按此趋势，若孔径进一步降低，有机质孔形态应更为简单[3]。对于孤峰组页岩，微孔发育主要受有机质控制，微孔容增加说明有机质微孔大量发育，平均孔径会随之降低，较小孔隙的复杂程度反而会降低，但较大孔隙会因为微孔的增加而更加复杂，表现为分形维数D1数值降低、D2数值增加。脆性矿物提供的孔隙主要集中于介孔至宏孔，脆性矿物含量的增加会导致较大孔隙的增多，增加了较大孔隙的复杂程度但减少了较小孔隙的复杂程度，表现为D2数值增大以及D1数值的减小；同时脆性矿物与有机质有较好的正相关性，脆性矿物增加从侧面体现了有机质微孔的增加，也使得D1数值降低。而黏土矿物在过高的热演化程度下只能提供很少的孔隙，黏土矿物含量的增加会抑制微孔的发育，导致以有机孔为主体的较小孔隙复杂程度的提升。

对于大隆组页岩，黏土矿物是控制微孔孔隙发育的首要因素。随着黏土矿物含量的增加，页岩中发育的较小孔隙（微孔和部分介孔）增多，导致页岩孔隙表面和结构复杂程度增加，因此分形维数D1随之增加。而TOC含量的增加意味着页岩中发育的较大孔隙（部分中孔和宏孔）增多，降低了小孔隙复杂程度，因此分形维数D1随之减少。脆性矿物与在孤峰组页岩中表现的特征相似，脆性矿物含量的增加会提供更多较大孔隙，导致D2数值增大以及D1数值的减小。

对比可知，分形维数D1相对D2能更好地表征矿物组分，但都对TOC没有很好的相关性显示。同时在以有机质孔为主体的孔隙体系当中，分形维数的应用效果会更好。综上，大隆组页岩孔隙分形维数的影响因素主要是黏土矿物，而孤峰组页岩孔隙分形维数的影响因素主要是TOC以及脆性矿物；结合之前对孔隙发育影响因素的讨论，分形维数的影响因素可以归根于影响孔隙尤其是微孔发育的控制因素。

4.3 油气勘探意义

4.3.1 分形维数与储集能力的关系

页岩的吸附气储集能力受比表面积的控制，游离气储集能力受孔隙体积的控制[30]。结合本文研究内容，分形维数作为表征多孔介质孔隙结构非均质性的重要参数，能够较准确地反映各尺度的孔隙发育、比表面积、孔径、矿物组分以及孔隙复杂程度等泥页岩特征。因此可以综合运用分形维数D1与D2对页岩的储集能力进行评价。

对于海相生物成因的硅质页岩，分形维数D1与页岩比表面积以及各尺度孔容都呈反比关系，随着D1数值的增加，其吸附气以及游离气储集能力都会随之降低；同时D1与矿物组分相关性较好（图11），D1数值越低，说明脆性矿物含量越高，黏土矿物含量越低，越有利于后期开采的压裂。分形维数D2与页岩比表面积、微孔容成正比，说明虽然随着D2的增加，页岩的吸附气储集能力会提升；此外，分形维数D2与平均孔径成很高的负相关关系，D2越大，页岩的平均孔径越小，孔隙结构越复杂，气体在页岩中的扩散以及渗流也就越困难[31]。因此分形维数D1相对较低、分形维数D2相对较高的海相硅质页岩层段对页岩气的储集更为有利。

对于富泥硅质页岩，由于分形维数D1与页岩比表面积以及各尺度孔容都呈正比关系，D1数值的增加意味着页岩储集能力的提升。同时，D1与黏土矿物含量成正比，与脆性矿物含量成反比，太高的D1值反而不利于后期的开发。D2虽然与脆性矿物成一定正比，但与平均孔径成反比，过高的D2将不利于游离气的储集。因此，对于富泥硅质岩相的页岩，拥有较高的分形维数D1及D2更有利于页岩气勘探开发，但都需要一定的限制。

对比发现，孤峰组页岩具有更好的吸附气储集能力以及后期的压裂改造环境，大隆组具有更好的游离气储集能力以及优良的吸附气储集能力，但后期的压裂改造环境相对较差。

4.3.2 对下扬子页岩气勘探的启示

下扬子地区主要经历了早中三叠世以前的稳定沉降、晚三叠世至早白垩世的挤压推覆、晚白垩世以后的拉张断陷、喜山期的隆升等构造演化，遭受了比中、上扬子地区更强烈的后期改造，对古生界海相地层产生了巨大影响，构造更为破碎。多期次大范围的抬升使得下扬子构造定型期远晚于生烃成藏期，致使游离态页岩油气成藏条件极为不利。传统背斜高点、断鼻和断层遮挡等“上盖侧封”的构造圈闭的思路方向，在下扬子页岩气勘探中难以获得突破，中小尺度纳米孔缝结构、源生源储吸附态成藏的可能性需要更深入研究[32]。

对于源生源储成藏尤其是吸附态成藏而言，要求微观孔缝结构必须是小尺度（介孔以下），此时油气的成藏动力不再是浮力，而是地层压力（即孔隙流体压力）。下扬子二叠系大隆组、孤峰组页岩微孔隙大量发育，结构组成以微孔及介孔为主体，具备吸附态以及源内游离态页岩气赋存成藏的储层条件；此外，高硅质含量以及以有机质孔为主体的微孔体系，使得孤峰组更具备吸附态页岩气生成和保存的条件。下扬子地区二叠系页岩有机质丰度高、热演化程度适中，具备良好的页岩油气生成基础，在下扬子后期构造变形相对较弱、源内页岩气成藏动态平衡条件未受破坏的地区，依然有成藏的可能。按照下扬子现今地温梯度估算（大部分区域处于18～ 25℃/km），二叠系海相页岩的生烃门限深度在3 800～4 200 m[33]。结合本次研究成果，应选择具有高分形维数D1、D2的大隆组以及低D1、高D2的孤峰组页岩段作为目标，在处于生烃门限深度（4 000 m）以下的富烃凹陷内寻找构造变形较弱的局部超压区（带），这将是下扬子二叠系页岩气的有利勘探方向。

5 结论

1）下扬子二叠系海相页岩发育有微裂缝、有机质孔、粒内孔及粒间孔4种类型微观孔隙，由于岩相不同造成大隆组与孤峰组孔隙结构具有一定差异。大隆组页岩以富泥硅质页岩、富泥/硅混合质页岩为优势岩相，具有较低的比表面积和总孔容以及较高的平均孔径，有机质孔类型更为多样，孔径分布范围更大；孤峰组以硅质页岩为优势岩相，具有较高的比表面积和总孔容以及较低的平均孔径，并且微孔、介孔的孔容均明显大于大隆组，孔隙不规则性更强。

2）微孔与介孔是大隆组与孤峰组孔隙体积的主要贡献者，大隆组孔隙发育主要受黏土矿物控制，孤峰组孔隙发育受有机质及脆性矿物控制。此外，分形维数与孔隙结构、矿物组分以及TOC的关系表明其影响因素可以归根于微孔发育的控制因素。大隆组页岩分形维数D1为2.451 5～2.551 3，D2为2.581 7～2.657 8，孤峰组页岩分形维数D1为2.581 7～2.657 8，D2为2.722 7～2.871，表现出较小孔隙类型相对单一、较大孔隙类型复杂多样的特征，同时孤峰组页岩具有更为复杂的孔隙结构特征。

3）分形维数D1对比表面积、孔隙发育以及矿物组分更具敏感性，D2对表征平均孔径效果更好，两者结合可以用于评价页岩气体储集能力。对于生物成因硅质岩相页岩，分形维数D1相对较低、分形维数D2相对较高的层段对页岩气的储集更为有利；对于富泥硅质岩相的页岩，分形维数D1及D2都较高的层段更有利于页岩气勘探开发。