川南罗布向斜五峰组—龙马溪组页岩孔隙分形特征与主控因素

段文刚，吝文，田继军，马静辉，杜猛，罗锦昌

（1.新疆大学 地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830047；2.中国石油 勘探开发研究院 页岩气研究所，北京 100083）

四川盆地是中国海相页岩气勘探开发的主力盆地，已有威远、长宁、涪陵、昭通等国家级页岩气示范区，以埋深小于3 500 m 的中—浅层页岩气藏为主，是海相页岩气勘探开发的首选。2020 年四川盆地天然气产量约565×108m3，较2019 年增加60×108m3，增幅占全国天然气增量的52%[1-3]。自生自储是页岩气的特性，页岩复杂的孔隙结构和非均质性决定了页岩气开发难度大。页岩的孔隙分布一般用气体吸附法、压汞法和核磁共振法测得，但页岩的孔隙结构是不均匀的，不适用于传统的欧式几何定律。Mandelbrot 提出了分形几何理论，用来表征不符合欧式几何定律且具有一定自相似性的特殊结构，随后该理论在地学领域被广泛应用[4-6]。杨锐[7]利用分形理论对鄂西渝东地区五峰组—龙马溪组富有机质页岩孔隙结构的控制因素进行了探讨，认为页岩内部孔隙十分复杂且表面非常粗糙，能提供较大的孔隙比表面积的同时也具有较强的吸附能力[7]。前人通过讨论海相与陆相页岩分形特征的差异性，揭示不同样品孔隙的分形特征，刻画孔隙大小与分布特征及其复杂性[8]。

前人对四川盆地南缘罗布向斜地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组下段页岩孔隙分形特征及对页岩气富集的影响研究甚少，本文利用实验数据分析罗布向斜地区页岩孔隙分形维数与总有机碳含量、矿物组成及孔隙结构的关系，分析罗布向斜地区页岩气富集的影响因素，为研究区油气勘探开发提供依据。

1 地质概况

研究区位于四川盆地南缘的滇黔北坳陷威信凹陷北部，是昭通国家级页岩气示范区的重点勘探开发区块[9]。根据威信凹陷及周缘主要构造展布特征，可分为南北向、北东东—南西西向和北东—南西向3 个方向的构造形变体系。这些构造体系间交接关系十分明显，存在限制、横跨、归并改造等复合现象。以新元古代—古生代康滇古隆起为基础的南北向构造体系形成最早，次为印支—燕山运动期北东东—南西西向构造体系；晚燕山—喜马拉雅运动期陆内造山向西北逆冲，形成北东—南西向构造体系。研究区现今的构造格局是由多期构造运动叠加而成，构造走向近东西向和北东—南西向，呈现出褶皱带雁行排列的格局，威信凹陷内部呈现出典型的“背斜带宽缓，向斜带狭窄”的隔槽式褶皱形变特征[10]。古生界发育海相页岩，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组发育了一套深水陆棚相的黑色含笔石碳质泥页岩，研究区总有机碳含量大于2%的优质页岩厚度在20 m左右。

2 实验测试

2.1 实验样品

实验样品采自滇黔北坳陷罗布向斜YS-1 井、YS-2井、YS-3井等6口井，共采集了五峰组—龙一段38 个样品，均为新鲜的未风化泥页岩，进行总有机碳含量、孔隙度、岩石矿物分析-XRD、页岩低温氮气吸附-脱附等分析。

2.2 实验方法

2.2.1 总有机碳含量及孔隙度实验

总有机碳含量使用LECOCS-200 硫碳检测仪检测，实验前先用盐酸除掉试样的无机碳组分，利用高温燃烧计重测试获得，依据为GB/T 19145—2003；孔隙度采用法国万奇Coreval700 覆压孔渗仪进行测试，测试依据为GB/T 34533—2017。

2.2.2 矿物成分分析及气体吸附测试

矿物成分检测使用日本理学RINT-TTR3 型X 射线衍射仪完成，开机前检查实验室环境，室温保持在20±5 ℃，湿度低于60%；将5～10 μm 的粉末填入样品架，轻压使试样分布均匀；若在操作过程中系统低于规定值，启动X 射线发生器外循环水冷系统；最后打开安全门，取出样品。依照规范（SY/T 5163—2010）完成矿物成分分析。低温氮气吸附在中国石油勘探开发研究院廊坊分院实验室完成，采用Micromeritics ASAP2420吸附仪，测定比表面积不低于0.000 5 m2/g，平均孔径的测试区间是0.35～500.00 nm，测试依据为SY/T 6154—1995。

2.3 分形维数计算方法

在低温氮气吸附实验数据的基础上，采用法国数学家曼德勃罗特FHH（FrenkelHalsey-Hill）模型对页岩的分形维数进行计算[11-13]：

式中C——常量；

k——斜率，其值与吸附机制相关；

p——系统稳定平衡压力，MPa；

p0——吸附气体饱和压力，MPa；

V——稳定压力下的气体吸附量，cm3/g。

根据前人的相关讨论[14-15]，将分形维数的计算公式分成2种：

式中D——分形维数。

实验样品中的气体受毛细管凝结作用时，其分形维数的计算用（2）式；受范德华作用力时，其分形维数计算用（3）式。分形维数可以定量表征孔隙结构的非均质性，评价页岩吸附气储存能力。分形维数一般为2～3，越临近2，表明孔隙表面越平整光滑；越临近3，表明孔隙表面越粗糙，储集层非均质性越强，孔隙中流体流动的阻力越大[16-17]。

3 实验结果

3.1 储集层特征

根据样品分析化验数据（表1），在罗布向斜五峰组到龙一1亚段的4 个小层中，页岩总有机碳含量和孔隙度分布不均。其中，龙一小层总有机碳含量总体较高，平均为4.64%；龙一小层总有机碳含量偏低，平均为2.31%，其他层位介于两者之间。龙一小层孔隙度最大，平均为3.21%，而五峰组孔隙度相对较小，平均为1.14%。

表1 研究区页岩样品主要组分含量及孔隙度测试结果Table 1.Test results of main component content and porosity of shale samples in the study area

通过X 射线衍射分析可知，罗布向斜地区不同层位矿物成分差异较大。其中，五峰组碳酸盐矿物含量最高，质量分数为28.00%～51.10%，平均为40.76%，龙一小层碳酸盐矿物含量最低，质量分数为12.80%～26.30%，平均为17.89%。同一层位，碳酸盐矿物含量随深度增加呈递减趋势，反映晚奥陶世—早志留世沉积水体深度逐渐减小。龙一小层石英含量最高，质量分数为25.70%～55.50%，平均为41.90%，五峰组石英含量最低，质量分数为18.10%～28.30%，平均为21.88%。龙一小层黏土矿物含量最高，质量分数为28.00%～45.50%，平均为37.55%；龙一小层的黏土矿物含量最低，其质量分数为14.20%～26.90%，平均为20.77%。

3.2 孔隙形态分类

根据低温氮气吸附-脱附曲线的迟滞类型，可以将孔隙分为柱状孔隙、墨水瓶孔隙、平行板状孔隙和狭缝状孔隙4类[18]。

实验测得氮气吸附-脱附曲线在相对压力（p/p0）为0.40～0.50时发生分支，形成滞后环（图1）。研究区五峰组到龙一1亚段各小层页岩样品氮气吸附-脱附曲线刚开始滞后环的吸附曲线均缓慢上升，在相对压力接近1 时，吸附曲线迅速增高，而脱附曲线在相对压力为1 附近快速下降，随后下降速度逐渐减小，因此形成的滞后环均比较小，其孔隙皆属于平行板状。通过吸附-脱附曲线对比，龙一小层样品的滞后环最大，其次为龙一小层，再次为五峰组，然后是龙一小层，龙一小层的滞后环最小（图1）。总之，研究区页岩孔隙为平行板状，龙一和龙一小层的孔隙较其他3个小层更发育，开启的水平板状孔较多，孔隙连通性比较好，有利于气体的稳定渗流及研究区页岩气的开发。

3.3 分形维数

通过对比研究区典型样品分形拟合曲线发现，罗布向斜样品体积与相对压力双对数的拟合性比较好，线性拟合的相关系数都在0.988 0以上（图2），表明二者相关性好。运用FHH 方程计算各小层页岩孔隙分形维数为2.711 0～2.794 8，平均为2.747 0，分形维数较大，表明罗布向斜地区各小层孔隙结构的复杂程度及形状的不规则程度都很高。

4 主控因素分析

4.1 总有机碳含量与分形维数的关系

研究区页岩孔隙总有机碳含量与分形维数具有正相关性（图3a），微孔表面积与总有机碳含量具有正相关性（图3b），随着总有机碳含量增大，泥页岩中微孔比表面积增大，分形维数随之增大。泥页岩中有机碳含量越高，生烃能力越强，微小孔隙越发育，微孔比表面积也越大[19-20]。因此，随着总有机碳含量不断增大，有机质孔隙不断增多，继而衍化出的微孔数量不断增多，对页岩比表面积贡献越大，即总有机碳含量是微孔含量的主控因素。

4.2 孔隙结构与分形维数的关系

泥页岩储集层中天然微裂缝的发育程度极大地影响着储集空间和渗透性，微裂缝多有助于吸附态天然气的解析，也为气体提供渗透通道。总比表面积和孔径分布是控制页岩吸附潜力的2个关键参数[21]，微孔的总比表面积越大，对页岩表面与气体分子的接触越有利，吸附势越大[22-23]，因此分形维数可以作为页岩气吸附的参数之一。从图4 中可以看出，分形维数与平均孔径呈负相关，与总比表面积呈正相关。页岩孔隙的平均孔径越小，其总比表面积越大，非均质性越强，分形维数越大。高演化程度的有机质内微孔较发育，在成岩过程中，有机质碎屑随着成熟度增高，发生脱氢、生烃反应，不仅会引起有机质孔隙含量的升高，有机质孔隙大小也在不断增大。

4.3 分形维数与矿物成分的关系

页岩的矿物组分含量对孔隙结构的非均质性具有重要的影响[24-25]。从图5 和图6 中可以看出，页岩孔隙的分形维数与石英含量呈较强的正相关性，与黏土矿物含量呈负相关，与碳酸盐矿物含量呈较弱的正相关性。通过文献调研发现，有研究者认为分形维数与石英含量并不是正相关关系[26-29]。笔者认为孔隙分形维数与石英的成因有关，生物成因的石英因含有大量的硅质生物体，使得页岩的有机质孔隙增多，微孔数量增多，页岩分形维数变大。此外，页岩中石英含量对页岩的脆性有重要影响，石英含量高，页岩脆性高，易形成裂缝，对研究区后期水力压裂的可改造有益。

黏土矿物塑性较强，在长期的成岩作用历程中，压实作用使页岩愈发致密，大幅度降低了孔隙占比，黏土矿物对微孔隙发育调节作用变差，致使孔隙结构复杂性大幅度降低。而在碳酸盐矿物中，一些碳酸盐以胶结物类型普遍存在，充填阻塞孔隙，降低孔隙的连通性，致使分形维数与碳酸盐矿物含量的正相关性不强。石英、长石、碳酸盐等矿物含量越高，越易被改造形成裂缝，黏土矿物相对于硅质、钙质矿物具有较强的比表面积和表面自由能，可塑性和吸水膨胀性较强，在一定程度上抑制压裂，影响人工造缝，不利于页岩气的开采。

5 结论

（1）通过分形维数计算发现页岩具有较好的孔隙分形特征。滇黔北坳陷罗布向斜主力层页岩孔隙分形维数为2.711 0～2.794 8，平均为2.747 0，页岩孔隙结构复杂，储集层具有较强的非均质性。

（2）页岩孔隙分形维数与石英和碳酸盐矿物含量呈正相关，与黏土矿物含量呈负相关。总有机碳含量对微小孔隙具有一定的影响，总有机碳含量越高，微小孔隙越多，孔隙分形维数越大，即分形维数与总有机碳含量和微孔发育程度呈正相关，与平均孔径呈负相关。

（3）罗布向斜页岩孔隙为平行板状，开启较多，连通性较好，龙一、龙一小层和五峰组孔隙较发育，有利于页岩气的后期开发。