吳泓辰，何金先，3，張曉麗，王愛(ài)寬，金洪波，任澤強(qiáng)

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙非均質(zhì)性及影響因素

吳泓辰1，2，何金先1，2，3，張曉麗1，2，王愛(ài)寬1，2，金洪波1，2，任澤強(qiáng)1，2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。為提高對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙非均質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，開(kāi)展了大量文獻(xiàn)調(diào)研工作，據(jù)此對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙非均質(zhì)性及影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性既體現(xiàn)在孔隙類(lèi)型的多樣，也體現(xiàn)在孔徑、孔隙度、孔容以及孔比表面積等孔隙參數(shù)的變化。分形理論能夠?qū)?yè)巖孔隙的非均質(zhì)性進(jìn)行定量的描述，從而有助于對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層之間非均質(zhì)性的強(qiáng)弱進(jìn)行比較，并且能夠探討儲(chǔ)層物性與非均質(zhì)性之間的關(guān)系。有機(jī)質(zhì)熱成熟程度、有機(jī)碳含量以及礦物組分均對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙非均質(zhì)性有一定影響。

頁(yè)巖氣；微觀孔隙；非均質(zhì)性；分形影響因素

0 前言

自北美地區(qū)成功實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)采以來(lái)，頁(yè)巖氣在世界范圍內(nèi)引起了人們的重視[1-2]。與常規(guī)油氣資源不同，頁(yè)巖氣具有自生自?xún)?chǔ)的特征，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中的孔隙往往是重要的儲(chǔ)集空間[3-4]。研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)，有利于研究頁(yè)巖含氣性、富集規(guī)律、滲流規(guī)律以及后續(xù)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)工作。

作為一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，這種非均質(zhì)性對(duì)于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集、運(yùn)移、賦存都有較大影響[5]。用常規(guī)的歐式幾何難以對(duì)這種非均質(zhì)性進(jìn)行定量描述。分形幾何是一門(mén)以不規(guī)則幾何形態(tài)為研究對(duì)象的幾何學(xué)，與傳統(tǒng)的歐式幾何相比，分形幾何能夠更好表征物體的特殊結(jié)構(gòu)，在地學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6-7]。前人的研究結(jié)果表明，分形理論是定量表征頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微孔孔隙的非均質(zhì)性的重要手段[8-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者均對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納米級(jí)微觀孔隙非均質(zhì)性進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的研究，但研究成果比較零星分散。因此，本文通過(guò)進(jìn)行大量文獻(xiàn)調(diào)研分析工作，總結(jié)了頁(yè)巖儲(chǔ)層納米級(jí)微觀孔隙非均質(zhì)性特征，概述了分形理論在頁(yè)巖孔隙應(yīng)用，并系統(tǒng)總結(jié)了頁(yè)巖孔隙非均質(zhì)性的影響因素，有利提高人們對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納米級(jí)微觀孔隙非均質(zhì)性綜合認(rèn)識(shí)。

1 孔隙非均質(zhì)性特征

1.1 孔隙類(lèi)型

孔隙類(lèi)型是頁(yè)巖微觀孔隙非均質(zhì)性的重要體現(xiàn)之一[10]，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層是一種低滲透的致密儲(chǔ)層，與砂巖及碳酸鹽巖儲(chǔ)層相比，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙的孔徑更小、形態(tài)更加復(fù)雜、類(lèi)型更加多樣。

頁(yè)巖巖石組成主要包括有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、石英等脆性礦物以及碳酸鹽礦物，微觀孔隙發(fā)育于各組分內(nèi)部及組分之間。對(duì)這于些孔隙，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者采取過(guò)各種各樣的分類(lèi)方案，但目前仍未取得統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[11-15]。其中，Loucks[16]的三分法是北美海相頁(yè)巖孔隙類(lèi)型分類(lèi)中較為典型的方法，該方法將頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀孔隙分為三大類(lèi)，包括發(fā)育于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)孔，以及與礦物顆粒有關(guān)的粒內(nèi)孔和粒間孔，前者發(fā)育在顆粒之間，后者發(fā)育于顆粒內(nèi)部。與粒內(nèi)孔和粒間孔相比，有機(jī)質(zhì)孔徑通常更小[17-18]，說(shuō)明不同類(lèi)型的微觀孔隙不僅在孔隙類(lèi)型方面存在著非均質(zhì)性，而且在孔隙大小方面也存在著非均質(zhì)性[19]。

1.2 孔隙主要參數(shù)

微觀尺度下，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔徑、孔隙度、孔容以及孔比表面積等孔隙參數(shù)往往隨頁(yè)巖組分的變化而生改變，反映出頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀孔隙的非均質(zhì)性。

根據(jù)國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）的孔隙分類(lèi)，孔徑小于2 nm的為微孔，孔徑為2～50 nm的為中孔，孔徑大于50 nm的統(tǒng)稱(chēng)大孔[20]。不同孔徑的分布特征，通常與頁(yè)巖的巖石組分有著一定的關(guān)系。王香增等[21]對(duì)鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)延長(zhǎng)組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行了研究，結(jié)果表明頁(yè)巖大孔、超大孔主要發(fā)育于砂質(zhì)紋層中，而中孔和微孔則多存在與純頁(yè)巖段中。武瑾等[22]認(rèn)為孔徑的大小與頁(yè)巖組分有關(guān)，有機(jī)質(zhì)影響微孔、中孔的含量，有機(jī)碳含量與微孔、中孔呈正相關(guān)，而宏孔的發(fā)育與黏土礦物含量有關(guān)。

孔隙度是巖樣中所有孔隙空間體積之和與該巖樣體積的比值，脆性礦物、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)三者對(duì)頁(yè)巖孔隙度的貢獻(xiàn)程度隨實(shí)際的地質(zhì)情況的變化而變化。王玉滿(mǎn)等[23]對(duì)川南下志留統(tǒng)龍馬溪組進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖孔隙度總是隨著TOC增大而增大，而隨著脆性礦物/黏土礦物比值增大而減少。曹濤濤[24]關(guān)于下?lián)P子地臺(tái)二疊系頁(yè)巖的研究則表明孔隙度隨TOC含量增加有明顯降低的趨勢(shì)，中大孔對(duì)頁(yè)巖孔隙度的貢獻(xiàn)較大。

一般情況下，孔徑越小，提供比表面積的能力越強(qiáng)，吸附甲烷的能力也越強(qiáng)[25]。如，四川盆地東南緣龍馬溪組頁(yè)巖微孔提供比表面積的能力遠(yuǎn)大于中孔和宏孔，是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層甲烷吸附的主要場(chǎng)所[26-27]。高成熟度的有機(jī)質(zhì)中通常發(fā)育著大量的微孔，具有大量的吸附空間和較高的比表面積，因此在成熟度較高，富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖中，孔隙的孔容和比表面積與TOC含量相關(guān)性明顯[28-29]。

2 分形理論在頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

分形最早由Mandelbrot在1975年提出，通常是指局部與整體在形態(tài)特征方面具有一定相似性的集合。前人的研究結(jié)果表明，巖石孔隙結(jié)構(gòu)具有分形特征[7，30]，表明分析理論在地學(xué)領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，孔隙結(jié)構(gòu)的不均一性強(qiáng)，分形理論為頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的定量研究提供了一種全新方法，通過(guò)確定頁(yè)巖孔隙的分形維數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性的定量描述[31-32]。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙的主要表征方法包括掃描電鏡等圖像分析技術(shù)、以壓汞法和氣體等溫吸附為主的流體注入技術(shù)、以核磁共振、中子小角散射計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)為主的非流體注入技術(shù)[33]。其中，通常采用氣體吸附法中的FHH模型對(duì)頁(yè)巖孔隙進(jìn)行分形維數(shù)計(jì)算[34-35]。FHH模型可表示為：

式中：V0是單層吸附體積，m3/t；V是平衡壓力吸附體積，m3/t；C是常數(shù)；K為待定常量；P0是氣體飽和蒸汽壓，MPa；P是氣體平衡壓力，MPa。

目前，對(duì)于分形維數(shù)的計(jì)算方法存在著兩種計(jì)算方法[36-37]：

通常當(dāng)巖石孔隙的分形維數(shù)為2～3時(shí)，巖石孔隙系統(tǒng)的分形才具有意義，分形維數(shù)越接近3，表明孔隙系統(tǒng)的非均質(zhì)性越強(qiáng)[7]。實(shí)際進(jìn)行分形維數(shù)的計(jì)算時(shí)，可通過(guò)兩種方法進(jìn)行計(jì)算，然后選取更符合孔隙系統(tǒng)實(shí)際分形意義的結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算分形維數(shù)，可以比較不同成因的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層之間非均質(zhì)性的強(qiáng)弱以及儲(chǔ)層物性與非均質(zhì)性之間的關(guān)系。王志偉等[38]的研究結(jié)果表明湖相、海相泥頁(yè)巖納米級(jí)孔隙均具有明顯的分形特征，但湖相泥頁(yè)巖納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，分形維數(shù)小于海相泥頁(yè)巖(表1)。楊峰等[39]認(rèn)為隨著分形維數(shù)的增大，頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，降低了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙度與滲透率。徐勇[32]探討了川東南龍馬溪組頁(yè)巖孔隙分形特征，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與頁(yè)巖孔隙的比表面成正相關(guān)，表明隨頁(yè)巖非均質(zhì)性的增加，頁(yè)巖對(duì)甲烷具有更強(qiáng)的吸附能力。

表1 湖相頁(yè)巖與海相頁(yè)巖分形維數(shù)[38]Table 1 Fractal dimensions of lacustrine shale and marine shale[38]

3 頁(yè)巖孔隙非均質(zhì)性的影響因素

3.1 頁(yè)巖孔隙非均質(zhì)性與熱成熟度的關(guān)系

有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的重要組成部分之一，內(nèi)部可形成大量的孔隙，其孔隙的發(fā)育程度受熱演化的程度控制[40]，隨成熟度增高，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中的納米級(jí)隙不斷增加，孔隙度不斷增高[41]。

陳燕燕等[42]針對(duì)美國(guó)印第安納州伊利諾伊盆地的New Albany頁(yè)巖分形特征的研究結(jié)果表明，分形維數(shù)與熱成熟度之間呈U形關(guān)系(圖1)。這可能是因?yàn)轫?yè)巖在低成熟度階段受壓實(shí)作用降低了孔隙含量，從而降低孔表面的非均質(zhì)性，導(dǎo)致分形維數(shù)的降低，然后隨著熱演化的不斷進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)中不斷產(chǎn)生新孔隙并增加了孔內(nèi)表面的非均質(zhì)性，因此使得分形維數(shù)增大[43]。

圖1 分形維數(shù)與熱成熟度[42]Figure 1 Relationship between fractal dimensions and thermal maturity[42]

3.2頁(yè)巖孔隙非均質(zhì)性與有機(jī)碳含量的關(guān)系

有機(jī)碳含量是影響非均質(zhì)性的主要因素[25]，前人對(duì)頁(yè)巖分形維數(shù)與有機(jī)碳含量的關(guān)系作了較多的研究，所得的結(jié)果有一定的差異。較多的研究結(jié)果表明頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)隨頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中有機(jī)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結(jié)果。

付常青等[44]認(rèn)為大于25 nm孔隙的分形維數(shù)隨TOC含量的增加而變大，而當(dāng)孔徑小于25 nm時(shí)，隨孔徑的減小，有機(jī)質(zhì)孔的形態(tài)越簡(jiǎn)單，因此分形維數(shù)TOC含量的增加而減小。

唐相路等[45]研究了渝東南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖分形特征，結(jié)果表明中孔(2 nm＜孔徑＜50 nm)的兩個(gè)分形維數(shù)隨TOC含量的增加，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)(圖2)，可能是由于有機(jī)質(zhì)含量的增加，有機(jī)質(zhì)孔在頁(yè)巖孔隙中的比例逐漸上升，使頁(yè)巖孔隙非均質(zhì)性先增加后減少。

圖2 分形維數(shù)與有機(jī)碳含量的關(guān)系[45]Figure.2 Relationship between fractal dimensions and organic carbon content[45]

3.3 頁(yè)巖孔隙非均質(zhì)性與礦物成分的關(guān)系

頁(yè)巖的礦物成分主要包括黏土礦物、石英以及碳酸鹽礦物，礦物組分對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性有著重要的控制作用[10，25]。通常黏土礦物能促進(jìn)泥頁(yè)巖中孔和宏孔的發(fā)育，而石英與方解石等脆性礦物含量增加只有利于宏孔或更大微米級(jí)孔隙的發(fā)育[27]。

一般情況下，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙的分形維數(shù)隨石英含量的增加而增加，隨黏土礦物與碳酸鹽礦物含量的增加而減少[31，44]。原因可能在于黏土礦物受壓實(shí)作用影響而降低了其孔隙含量，頁(yè)巖中碳酸鹽礦物多以膠結(jié)物形式存在，也使得頁(yè)巖孔隙的含量降低，因此降低了頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)，而生物來(lái)源的石英能增加頁(yè)巖微孔隙數(shù)量和脆性，使其更易形成微裂縫，從而使孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加[8]。

4 結(jié)論

(1)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層是一種低滲透的致密儲(chǔ)層，其孔隙結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，這種非均質(zhì)性既體現(xiàn)在孔隙類(lèi)型的多樣性方面，也體現(xiàn)在孔徑、孔隙度、孔容以及孔比表面積等孔隙參數(shù)的變化。

(2)分形理論在研究頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性中有著重要的作用，通過(guò)計(jì)算頁(yè)巖孔隙的分形維數(shù)，能夠?qū)?yè)巖孔隙的非均質(zhì)性進(jìn)行定量的表述，從而能比較不同成因的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層之間非均質(zhì)性的強(qiáng)弱以及儲(chǔ)層物性與非均質(zhì)性之間的關(guān)系。

(3)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙非均質(zhì)性受熱成熟程度、有機(jī)碳含量以及礦物組分影響。非均質(zhì)性可能與熱成熟度呈U形關(guān)系。較多的研究成果表明頁(yè)巖孔隙分形維數(shù)隨頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中有機(jī)碳含量的升高而升高。通常情況下，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙的分形維數(shù)隨石英含量的增加而增加，隨黏土礦物與碳酸鹽礦物含量的增加而減少。

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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

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2015M571841)、構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目(TPR-2015-04)、江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目聯(lián)合資助

吳泓辰（1994—），男，礦產(chǎn)普查與勘探專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，主要從事油氣儲(chǔ)層地質(zhì)研究工作。

何金先（1983—），男，博士后，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)講師，碩導(dǎo)，主要從事油氣地質(zhì)研究工作。

2016-07-06

責(zé)任編輯：宋博輦