吳春燕

(1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075； 2.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710075)

頁巖氣儲層是一種孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、納米級孔隙發(fā)育的非常規(guī)天然氣儲層，孔隙表面的微觀形態(tài)和孔隙結(jié)構(gòu)影響著氣體的賦存狀態(tài)和滲流特性[1-3]，而傳統(tǒng)意義的幾何原理很難定量描述頁巖的孔隙系統(tǒng)，因此，本文將采用FHH模型系統(tǒng)研究頁巖的孔隙特征。

目前對頁巖孔隙的研究主要集中在結(jié)構(gòu)觀測、孔隙分類方面[4]，所采用的方法主要有巖心觀察、掃描電鏡法、圖像分析法、壓汞法、氦氣法和低溫氮?dú)馕椒╗5-7]等。定量化描述頁巖儲層孔隙的微觀結(jié)構(gòu)研究較少，方法也不盡相同。近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)定量化描述手段的探索研究，眾多學(xué)者已將分形理論引入頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究中[8-10]，并用分形維數(shù)定量描述孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和非均質(zhì)性[11-12]，但大多數(shù)研究對象為海相頁巖，對陸相頁巖研究甚少。因此，筆者以鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)延長組長7段頁巖儲層樣品為例，基于低溫氮?dú)馕皆囼?yàn)數(shù)據(jù)建立分形模型(FHH)，定量化描述陸相頁巖儲層孔隙的微觀結(jié)構(gòu)，分析分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(總孔隙體積、BET比表面積、平均孔徑)、總有機(jī)碳含量(TOC)、頁巖礦物含量之間的關(guān)系，探討分形維數(shù)對頁巖吸附和滲流的地質(zhì)意義。

1 樣品與試驗(yàn)

1.1 樣品特征

試驗(yàn)樣品采自鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)延長組長7段。該段屬于湖盆沉積，以河湖相及湖泊相泥質(zhì)頁巖為主。泥頁巖有機(jī)質(zhì)以腐泥—腐殖型為主；TOC較高，介于0.225%～6.121%，平均為2.520%；Ro在0.713%～1.479%之間，局部地區(qū)向高成熟階段過渡，具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

對樣品進(jìn)行礦物成分含量及有機(jī)碳測試的結(jié)果見表1，研究區(qū)樣品中黏土礦物含量較高，平均為56.64%；其次是石英，平均含量為17.25%；再次是長石，平均含量為15.14%。與海相頁巖地層相比，延長組頁巖具有較低含量的脆性礦物[13]。另外，還含有一定量的菱鐵礦、黃鐵礦、方解石和白云石。脈沖法測試頁巖巖心的滲透率為(0.098～0.913)×10-3mD；氦孔隙度測試的孔隙度為2.57%～10.40%，平均為4.14%。

1.2 低溫氮?dú)馕皆囼?yàn)

頁巖孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙類型復(fù)雜，孔徑分布范圍較廣[1]。本文采用IUPAC孔隙分類法，將孔隙分為3類[14-15]：微孔(Ф≤2 nm)、中孔(2 nm<Ф≤50 nm)和大孔(Ф>50 nm)。該分類方法與氮?dú)庠诳紫渡系奈綑C(jī)理具有對應(yīng)性[16]。

孔隙結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用了NOVA2000e比表面分析儀，儀器孔徑測量范圍為2～200 nm，比表面積為0.01～3 500 m2/g，儀器原理為等溫物理吸附靜態(tài)容積法，測試過程參考文獻(xiàn)[7]。并以相對壓力為橫坐標(biāo)，單位樣品的吸附量為縱坐標(biāo)，繪制氮?dú)馕健馕葴厍€。根據(jù)吸附—解吸等溫曲線形成的滯回環(huán)判斷孔隙形態(tài)，采用BET和BJH模型計(jì)算孔徑大小及分布、孔容及比表面積等參數(shù)[17](表1)。

表1 頁巖樣品礦物組分及有機(jī)碳參數(shù)表Table 1 The mineral compositions and organic carbon index of the shale samples 單位：%

1.3 分形維數(shù)的計(jì)算

分形維數(shù)(D)常被用來表征固體表面的幾何形態(tài)，是描述孔隙結(jié)構(gòu)分形特征的最佳指標(biāo)之一[18-19]。它的計(jì)算方法有很多，但在研究氣體分子在不均勻表面的多孔固體上吸附時(shí)，使用最廣泛的是Pferifer P等人于1983年提出的FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型法[20]，該方法計(jì)算方便，被Avnir等人[21]應(yīng)用到了吸附勢理論中，建立了氣體吸附模型公式：

lnV=Kln[ln(p0/p)]+C

(1)

并確定頁巖分形維數(shù)表達(dá)式為

D=K+3

(2)

式中V——平衡壓力p對應(yīng)的氣體吸附量，cm3/g；

p0——吸附氣體的飽和蒸汽壓力，MPa；

p——吸附平衡壓力，MPa；

C——常數(shù)；

K——lnV與ln[ln(p0/p)]作直線圖的斜率，

為一常數(shù)；

D——多孔材料的分形維數(shù)，介于2～3之間，D越大，說明材料表面越粗糙[21]。

根據(jù)測得的氮?dú)馕降葴鼐€，如圖1所示，選取p0/p大于0.4的毛細(xì)凝聚區(qū)域內(nèi)的測試數(shù)據(jù)，以lnV對ln[ln(p0/p)]作圖，從而計(jì)算出分析維數(shù)D。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 頁巖孔隙形態(tài)特征

參考《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》(GB/T 19587—2004)，試驗(yàn)測得該地區(qū)頁巖樣品比面積和孔體積等參數(shù)，繪制氮?dú)馕健馕葴鼐€，如圖1所示。曲線形態(tài)呈反“S”形，據(jù)IUPAC等溫線分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于Ⅱ型。曲線顯示，在相對壓力0.4附近，頁巖吸附—解吸曲線重合，隨后分離，一直持續(xù)到相對壓力接近1.0時(shí)，氣體吸附量急劇上升，但并未呈現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象，吸附等溫線與解吸等溫線未完全重合，而是形成滯后回線，說明樣品中含有一定量的中大孔。根據(jù)De Boer(1958)對滯后回線的分類方案，將研究區(qū)長7段頁巖樣品的滯后回線歸為B型。滯回環(huán)狹小，反映了頁巖的基本孔隙形態(tài)為“狹縫型”和少量“墨水瓶型”，孔隙由微孔到大孔均有分布。如，yy-32樣品的孔隙形態(tài)以片狀黏土礦物狹縫型孔隙為主，此孔隙連通性較好，有利于氣體運(yùn)移；而yy-502樣品的孔隙形態(tài)以墨水瓶狀的無定形孔隙為主，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于氣體運(yùn)移。

圖1 頁巖樣品氮?dú)馕健馕€Fig.1 Nitrogen adsorption-desorption isotherms curves of shale samples

2.2 孔徑分布特征

孔徑分布采用BJH法計(jì)算，繪制的孔徑分布曲線如圖2所示，頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。由圖表分析得出，各頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化范圍較大。圖2的頁巖孔徑分布曲線圖顯示，頁巖孔徑存在多個(gè)不同的峰值，其中2～7 nm為主要孔徑值，表明該范圍內(nèi)的孔出現(xiàn)的概率最大。如表2所示，頁巖的平均孔徑為3.535～7.825 nm，平均值為4.483 nm，根據(jù)孔徑分類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)長7段頁巖主體孔徑在中孔范圍內(nèi)，但還含有一定量的大孔，大孔是造成吸附等溫線中“拖尾”現(xiàn)象的原因之一。頁巖比表面積平均為4.326 m2/g，孔體積平均值為10.066 μL/g，頁巖比表面積較大，孔體積小，是由沉積環(huán)境及礦物組成造成的。較小的孔徑和較大的比表面積為氣體的吸附聚集創(chuàng)造了有利條件，孔徑越小，吸附作用力越大，吸附能力越強(qiáng)；微孔比表面積越大，提供的接觸面積和吸附活性位更多，更有利于氣體的吸附。

圖2 頁巖孔徑分布曲線Fig.2 Pore diameter distribution curves of shale

表2 頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Pore structure parameters of shale samples

2.3 頁巖孔隙分形維數(shù)

根據(jù)FHH模型，由式(1)作出分形擬合曲線，建立下寺灣地區(qū)長7段頁巖儲層孔隙分形模型(圖3)。由圖3可知，該頁巖儲層孔隙具有顯著的分形特征，線性擬合的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，擬合較好。將擬合曲線斜率K值代入式(2)，計(jì)算出分形維數(shù)D，見表3，分形維數(shù)D介于2.530 4～2.702 3之間，接近3，分形維數(shù)較大，反映了延長組長7段頁巖的孔隙空間較小、孔隙表面粗糙、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜和非均質(zhì)性較強(qiáng)的特征。

圖3 頁巖樣品孔隙分形擬合曲線Fig.3 The pore fractal and fitting curves of shale samples

表3 氮?dú)馕椒ㄓ?jì)算頁巖分形維數(shù)Table 3 Fractal dimensions of shales samples from nitrogen adsorption

3 討論

3.1 礦物成分與分形維數(shù)的關(guān)系

礦物成分及含量對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及含氣量具有重要的影響，對分形維數(shù)具有重要的控制作用[22]。研究區(qū)頁巖礦物組成主要為黏土礦物、石英和長石等，詳見表1。由圖4可以看出，研究區(qū)頁巖樣品的石英含量與分形維數(shù)具有較好的正相關(guān)性，隨著石英含量的增加，分形維數(shù)增大。說明下寺灣地區(qū)長7段頁巖中的石英等脆性礦物組成在后期的壓裂改造過程中易形成裂縫等，有利于微孔隙的發(fā)育，但增加了孔隙的非均質(zhì)性和孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

圖4 分形維數(shù)與石英含量的相關(guān)性Fig.4 Relationship between fractal dimension and quartz content of shales samples

據(jù)前人研究，黏土礦物含量對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)具有非常重要的影響，不同黏土礦物類型對分形維數(shù)的影響不同[22-25]。通過對長7段頁巖儲層黏土礦物與分形維數(shù)相關(guān)性的研究(圖5)，分形維數(shù)與黏土礦物呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)性，主要原因是延長組頁巖礦物組成以黏土礦物為主，而黏土礦物主要發(fā)育中大孔隙，對微孔隙的發(fā)育貢獻(xiàn)較??；次要原因是黏土礦物類型以伊蒙混層為主，其次為伊利石，而伊蒙混層與分形維數(shù)的相關(guān)性較差。由此導(dǎo)致分形維數(shù)與黏土礦物含量的相關(guān)性差。

圖5 分形維數(shù)與黏土礦物含量的相關(guān)性Fig.5 Relationship between fractal dimension and clay minerals content of shales samples

3.2 TOC與分形維數(shù)的關(guān)系

TOC是反映頁巖有機(jī)質(zhì)發(fā)育程度的參數(shù)之一，一般而言，TOC越高，有機(jī)質(zhì)越發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔隙就越發(fā)育，微孔比表面積越大。由頁巖TOC與分形維數(shù)的相關(guān)性圖(圖6)可以看出，研究區(qū)樣品孔隙的分形維數(shù)與TOC呈較好的正相關(guān)性(R2=0.846)，分形維數(shù)隨TOC的增加而增大，有機(jī)質(zhì)納米級孔隙比表面積隨著TOC的增加而大量增加(圖7)，說明長7段頁巖的TOC是其比表面積的控制因素之一，頁巖中有機(jī)質(zhì)的納米級孔加劇了頁巖孔隙的非均質(zhì)性，增加了頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

圖6 頁巖樣品分形維數(shù)與TOC的相關(guān)性Fig.6 Relationship between fractal dimension and TOC of shales samples

3.3 孔隙結(jié)構(gòu)與分形維數(shù)的關(guān)系

圖8分別為分形維數(shù)與孔隙比表面積、平均孔徑及孔隙體積等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系圖，圖中顯示，分形維數(shù)整體呈現(xiàn)與BET比表面積、微孔比表面積、微孔體積正相關(guān)，與平均孔徑呈負(fù)相關(guān)性。說明研究區(qū)長7段頁巖微孔比表面積越大，微小孔隙越多，微孔體積越大，平均孔徑就越小，孔隙內(nèi)表面越粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，導(dǎo)致分形維數(shù)越大。

圖7 頁巖樣品TOC與微孔比表面積的相關(guān)性Fig.7 Relationship between TOC and microporous surface area of shales samples

通過圖8可知，微孔比表面積趨勢線較BET比表面積趨勢線擬合性更好，說明分形維數(shù)與微比表面積的相關(guān)性更強(qiáng)，對微孔孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化更加敏感。平均孔體積與分形維數(shù)的相關(guān)性整體趨勢是隨著分形維數(shù)增大，孔體積增多，但相關(guān)性較差，在表征孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上不如微孔比表面積、BET比表面積和平均孔徑這3個(gè)參數(shù)更為敏感。

3.4 分形維數(shù)與孔滲的關(guān)系

頁巖分形維數(shù)不僅與孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分及有機(jī)地化參數(shù)具有較好的相關(guān)性，而且與頁巖孔隙度、滲透率相關(guān)。通過對研究區(qū)頁巖孔滲與分形維數(shù)之間的研究發(fā)現(xiàn)(圖9)，頁巖孔滲與分形維數(shù)均呈較好的負(fù)相關(guān)性，分形維數(shù)越大，孔隙度和滲透率都相應(yīng)地減小。從下寺灣地區(qū)延長組長7段頁巖孔隙形態(tài)可知，yy-32樣品的孔隙形態(tài)以片狀黏土礦物狹縫型孔隙為主，分形維數(shù)為2.530 4，脈沖滲透率值為0.913×10-3mD，滲透率值最大，此類孔隙結(jié)構(gòu)有利于吸附氣體的逸散；而yy-502樣品的孔隙形態(tài)以墨水瓶狀的無定形孔隙為主，分形維數(shù)為2.702 3，測得的脈沖滲透率值為0.098×10-3mD，滲透率值最小，此類孔隙結(jié)構(gòu)不利于氣體運(yùn)移。

圖8 頁巖樣品分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性Fig.8 Relationship between fractal dimension and pore structure parameters of shale samples

圖9 頁巖樣品分形維數(shù)與孔隙度(左)、滲透率(右)的相關(guān)性Fig.9 Relationship between fractal dimension and porosity and permeability of shale samples

4 結(jié)論

(1)根據(jù)氮?dú)馕皆囼?yàn)可知，下寺灣地區(qū)延長組長7段頁巖儲層孔隙形態(tài)為片狀黏土礦物狹縫型和墨水瓶孔隙等無定形孔隙?？紫犊讖皆?～7 nm之間，主體為中孔，含有一定量的微孔和大孔；比表面積平均為4.326 m2/g；孔體積平均值為10.066 μL/g。

(2)延長組長7段頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)具有較顯著的分形特征，分形維數(shù)在2.530 4～2.702 3之間，說明頁巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)。

(3)分形維數(shù)與石英及TOC呈較好的正相關(guān)性，與黏土礦物含量呈負(fù)相關(guān)性，說明分形維數(shù)隨石英含量、TOC的增加而變大，隨黏土礦物的含量減少而變大；在頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)中，分形維數(shù)與微孔比表面積、微孔體積呈正相關(guān)性，而與平均孔徑呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性較強(qiáng)，說明分形維數(shù)受微孔孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化更為敏感；與孔隙度、滲透率均呈相應(yīng)的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性較強(qiáng)，說明分形維數(shù)越大，孔滲越小，對頁巖氣的滲流不利，但有利于頁巖氣體的吸附和儲存。

綜上，分形維數(shù)能夠較好地表征孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、非均質(zhì)性，對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)分形特征的研究也有助于人們深入研究了解頁巖的孔滲特征，對頁巖氣的勘探開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。