鮑衍君，張鵬輝，陳建文，梁杰，孟祥豪，付奕霖，薛路，張旭，王拔秀

1. 河海大學(xué)海洋學(xué)院，南京 2100242. 中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，青島 2662373. 合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 2300094. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 2662375. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 2662376. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都 610059

泥頁(yè)巖具有非均質(zhì)性強(qiáng)和物性差的特點(diǎn)，以納米級(jí)孔隙為主的孔隙系統(tǒng)構(gòu)成了頁(yè)巖油氣的主要儲(chǔ)集空間，因而其孔隙空間研究方法對(duì)頁(yè)巖油氣勘探評(píng)價(jià)具有重要意義[1-4]。對(duì)于泥頁(yè)巖納米級(jí)孔隙大小、幾何形貌及連通性的觀測(cè)主要利用高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）、聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等電子顯微成像技術(shù)以及納米CT技術(shù)，而泥頁(yè)巖孔徑大小及分布、比表面積等參數(shù)的定量表征則主要借助于氣體（CO2/N2）吸附、壓汞、核磁共振（NMR）、小角度中子散射（SANS）或超小角度中子散射（USANS）等技術(shù)[3-10]，在頁(yè)巖油氣資源調(diào)查中實(shí)現(xiàn)了多尺度的精細(xì)描述與定量表征。此外，泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征還涉及孔隙特征參數(shù)，如孔隙發(fā)育數(shù)量、孔隙類型、孔徑及面孔率等的圖像定量分析，主要基于FESEM圖像識(shí)別，多采用二值化處理并得出相應(yīng)數(shù)據(jù)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用多種定量分析軟件對(duì)掃描電鏡圖像開展分析處理和定量分析，主要基于自動(dòng)閾值和手動(dòng)閾值、邊緣檢測(cè)分割法、流域分割法、圖像二值化處理等方法[11-15]。

分形理論是評(píng)價(jià)表面粗糙度的重要手段，可作為研究不規(guī)則表面孔隙和微觀結(jié)構(gòu)的有效方法，目前已應(yīng)用于煤和泥頁(yè)巖樣品滲透性或表面形態(tài)等方面的研究[16-23]。在氣體吸附法中，常用Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面積分析和Frenkel-Halsey-Hill（FHH）理論來獲得分形維數(shù)。部分學(xué)者基于FHH模型和BET模型對(duì)松遼盆地白堊系和鄂爾多斯盆地三疊系泥頁(yè)巖，上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖、筇竹寺組頁(yè)巖和五峰-龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行分析，粒內(nèi)孔隙非均質(zhì)性最強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)孔隙非均質(zhì)性最差，分形維數(shù)受到總孔體積、比表面積和孔徑大小的影響[23-26]。

中國(guó)最具頁(yè)巖氣勘探開采潛力的富有機(jī)質(zhì)海相泥頁(yè)巖主要位于揚(yáng)子地塊，雖然原始地質(zhì)條件優(yōu)越，但與北美泥頁(yè)巖相比，其有機(jī)質(zhì)熱演化程度高且后期改造強(qiáng)[27-29]。截至目前，頁(yè)巖氣突破和研究重心主要集中在中、上揚(yáng)子地區(qū)海相地層，而下?lián)P子地區(qū)頁(yè)巖氣研究相對(duì)滯后，在下寒武統(tǒng)尚未獲得勘探突破。下寒武統(tǒng)海相泥頁(yè)巖在下?lián)P子地區(qū)分布較為廣泛，沉積建造厚度大、分布較廣泛，具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度且天然氣吸附能力較好[30-33]，具備一定的頁(yè)巖氣資源潛力。因此，對(duì)下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙發(fā)育特征的分析尤為重要，明確孔隙不同類型以及孔隙結(jié)構(gòu)特征的差異性，有助于揭示下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)泥頁(yè)巖孔隙發(fā)育的規(guī)律性，以期對(duì)古生界海相頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集和賦存機(jī)理提供較為可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

下?lián)P子區(qū)位于揚(yáng)子板塊東段，包含下?lián)P子陸域以及向海域延伸的南黃海盆地兩部分，其陸域部分西部和西北部為秦嶺-大別造山帶和郯廬大斷裂，南部和東南部則以江南隆起與華南褶皺造山帶相接，西南部至江西九江與中揚(yáng)子地區(qū)相連，向東與南黃海海域相連（圖1A）[33-35]。南黃海盆地西側(cè)與蘇北盆地相連，向東以朝鮮半島西緣斷裂與中朝板塊為界[36-37]。

圖1 下?lián)P子地區(qū)官地1井井位[32-33]及巖性地層特征Fig.1 Location of Well Guandi 1 and the generalized stratigraphic column of the well in the Lower Yangtze area

自晉寧運(yùn)動(dòng)致使揚(yáng)子地臺(tái)基底結(jié)晶以來，大致經(jīng)歷了4個(gè)主要演化階段：震旦紀(jì)—中三疊世海相盆地、晚三疊世—中侏羅世陸相盆地、晚侏羅世—早白堊世陸相火山巖盆地和晚白堊世—古近紀(jì)陸相盆地[38-40]。在震旦紀(jì)至寒武紀(jì)初快速海侵導(dǎo)致?lián)P子地臺(tái)整體接受穩(wěn)定的海相沉積，直至古生代末。早寒武世梅樹村期下?lián)P子地區(qū)屬于淺海環(huán)境，具有潮坪-淺灘相組合特征，浙北、蘇南等地區(qū)為大陸坡相。早寒武世筇竹寺期至滄浪鋪期下?lián)P子地區(qū)主要為碳酸鹽緩坡，北部為外陸架相，南部為深海盆地相。中寒武世中期下?lián)P子地區(qū)海平面下降，發(fā)育一套典型的碳酸鹽緩斜坡模式緩坡沉積[41]。

2 材料和方法

2.1 樣品

本文實(shí)驗(yàn)樣品均采自位于下?lián)P子陸域北緣江蘇省盱眙縣官灘鎮(zhèn)的官地1井，該井由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所組織實(shí)施鉆探，于2017年完鉆，完鉆井深606.75 m（圖1B），自上而下依次揭示寒武系黃柏嶺組、幕府山組和震旦系燈影組。該井幕府山組基于巖性組合差異可大致劃分為兩段，上段（43～259.8 m）主要為灰?guī)r和鈣質(zhì)泥頁(yè)巖、碳質(zhì)泥頁(yè)巖互層；下段（259.8～484.45 m）主要為碳質(zhì)泥頁(yè)巖含煤系地層和鈣質(zhì)泥頁(yè)巖，夾部分灰?guī)r和斷層角礫巖。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)上述官地1井幕府山組取樣泥頁(yè)巖巖心樣品開展礦物成分、黏土礦物組分、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、能譜分析、低溫氮?dú)馕胶透邏簤汗葴y(cè)定分析。其中礦物成分、黏土礦物組分等實(shí)驗(yàn)分析在中國(guó)石油大慶油田勘探開發(fā)研究院完成，分別進(jìn)行了53塊樣品全巖礦物和36塊樣品黏土礦物測(cè)試，測(cè)試儀器為D/max 2200 X射線衍射儀。有機(jī)碳含量及有機(jī)質(zhì)成熟度測(cè)定在長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院完成，包括鏡質(zhì)體反射率分析（25件）、碳同位素分析（25件）和有機(jī)碳含量（TOC）分析（258件）。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及能譜分析在河海大學(xué)海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成，利用配置Oxford X MaxNSD能譜儀的Tescan Mira 3 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM），使用二次電子、電子背散射和能譜探頭進(jìn)行觀察，工作條件為加速電壓10～20 kV，工作距離約15 mm。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡開展孔隙結(jié)構(gòu)觀察前，使用Leica EM TIC 3X三離子束切割儀對(duì)樣品表面進(jìn)行氬離子拋光。

進(jìn)一步利用圖像處理軟件（JMicroVision）進(jìn)行電鏡圖像定量處理分析，得到相應(yīng)的孔隙面積、孔徑和面孔率結(jié)果，實(shí)現(xiàn)各類孔隙的定量分析。每塊樣品拍攝2～3張10000×圖像，其中包含礦物相關(guān)基質(zhì)孔隙、礦物、有機(jī)質(zhì)以及有機(jī)質(zhì)孔隙等信息。在10000×圖像上隨機(jī)選取矩形區(qū)域各采集8張50000×圖像，在此倍率下1個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)5.39 nm，由于部分有機(jī)質(zhì)孔隙較小導(dǎo)致在該倍率下無法完全識(shí)別，因而僅對(duì)泥頁(yè)巖中礦物相關(guān)基質(zhì)孔隙以及礦物等進(jìn)行識(shí)別。在10000×圖像上進(jìn)一步隨機(jī)選取矩形區(qū)域各采集10張150000×圖像，此倍率下1個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)1.80 nm。

12塊樣品的低溫氮?dú)馕胶透邏簤汗治鼍谟蜌獠氐刭|(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)）完成。分析前，首先將頁(yè)巖樣品在-110℃下真空脫氣14 h，以去除吸附的水分及其他揮發(fā)性物質(zhì)。隨后，將脫氣后的樣品稱重1～2 g，在氮?dú)猓?196℃）或汞氛圍下進(jìn)行不同壓力下的氣體吸附量的系列測(cè)定實(shí)驗(yàn)。相對(duì)吸附平衡壓力（P/P0）一般選取0.050～0.995。

2.3 孔隙分類及分形方法

2.3.1 孔隙分類

本文采用兩種孔隙分類：分別為L(zhǎng)oucks等[42]提出的孔隙類型分類方案，將泥頁(yè)巖孔隙分為粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙以及微裂隙；國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）根據(jù)孔徑大小對(duì)孔隙在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分類[43]，分別為微孔（＜2 nm）、介孔或中孔（2～50 nm）和宏孔（＞50 nm）。

2.3.2 FHH模型分形

泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)具有明顯的非均質(zhì)性，其中分形維數(shù)D可較好地表征復(fù)雜孔隙表面粗糙度和結(jié)構(gòu)不規(guī)則性，D1代表頁(yè)巖孔隙表面分形維數(shù)，D2表示孔隙體積的分形特征[44-46]。通過FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型可對(duì)泥頁(yè)巖氮?dú)馕綌?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，公式如下[47-48]：

式中，C為常數(shù)，根據(jù)公式（1），參數(shù)A可由lnV-ln（ln（P0/P））的直線斜率確定，分形維數(shù)取決于A值。本文分形維數(shù)參數(shù)D的計(jì)算采用A=D-3這一計(jì)算公式[45-46]。

3 結(jié)果

3.1 有機(jī)地球化學(xué)特征

全球早寒武世高等植物未發(fā)育，瀝青、藻質(zhì)體和動(dòng)物化石碎屑（筆石、幾丁蟲、蟲牙及其他介殼碎屑）在下?lián)P子地區(qū)構(gòu)成了早古生代沉積物中的主要有機(jī)顯微組分[49-50]。碳同位素分析及干酪根顯微組分鑒定表明，官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)類型為I型干酪根和II1型干酪根。剔除因局部含煤系巖層導(dǎo)致的過高TOC值，官地1井幕府山組泥頁(yè)巖樣品TOC值為0.509%～19.9%（平均值為8.15%）?；诘刃хR質(zhì)體反射率換算公式（VRo=0.5992BRo+0.3987）計(jì)算可知[51]，官地1井幕府山組泥頁(yè)巖樣品等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）為3.41%～4.10%，平均為3.50%，表明其成熟度均處于過成熟階段。

3.2 礦物組分及物性特征

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖樣品X衍射全巖礦物組分表明，頁(yè)巖主要礦物為石英、碳酸鹽和黏土礦物，含有少量長(zhǎng)石和黃鐵礦。其中石英含量為24.90%～55.70%，平均含量為37.08%；碳酸鹽含量變化較大，為22.40%～64.50%，平均含量為42.11%；黏土礦物含量為5.80%～30.80%，平均含量為17.59%；長(zhǎng)石含量為0.30%～3.10%，平均含量為1.78%。X衍射黏土礦物分析表明，黏土礦物以伊利石和綠泥石為主，高嶺石含量較少。泥頁(yè)巖樣品頁(yè)巖礦物組分三端元圖表明巖性主要為鈣質(zhì)頁(yè)巖和混合泥頁(yè)巖，含有少量的硅質(zhì)頁(yè)巖（圖2）。官地1井幕府山組泥頁(yè)巖孔隙度為1.33%～17.74%，平均孔隙度為6.29%。

圖2 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖礦物組分三端元圖 52圖版據(jù)文獻(xiàn)參考[52]。Fig.2 Mineralogical classification of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

3.3 泥頁(yè)巖孔隙類型

（1）有機(jī)質(zhì)孔隙

FE-SEM鏡下可見小于50 nm的有機(jī)質(zhì)介孔發(fā)育，平均孔徑為58.91 nm。由于官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖TOC含量存在一定差異，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)大小、分布以及富集程度不同。幕府山組時(shí)代較老且成熟度較高，有機(jī)質(zhì)孔隙形成后經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的沉積演化和構(gòu)造改造，部分有機(jī)質(zhì)孔隙坍塌或被壓縮。電鏡下多見條帶狀和散塊狀有機(jī)質(zhì)發(fā)育，可見氣狀孔、蜂窩狀、氣泡狀孔隙和有機(jī)質(zhì)裂隙；部分有機(jī)質(zhì)未見孔隙發(fā)育，主要為無結(jié)構(gòu)型干酪根，表面無明顯結(jié)構(gòu)特征（圖3A-C）。

（2）粒間孔隙

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖粒間孔隙多見于石英、方解石、白云石和黏土礦物間孔隙，電鏡下可見粒間孔隙孔徑最小為10.71 nm，最大為6.74 μm，平均孔徑為509.04 nm（圖3D、E）。

（3）粒內(nèi)孔隙

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖粒內(nèi)孔隙多存在于方解石、長(zhǎng)石溶蝕孔隙，黃鐵礦內(nèi)部晶間孔隙，以及部分礦物顆粒內(nèi)部孔隙。粒內(nèi)孔隙平均孔徑為113.66 nm（圖3F-H）。

（4）微裂隙

泥頁(yè)巖中微裂隙可作為儲(chǔ)存場(chǎng)所或運(yùn)移通道，官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖可見微裂隙發(fā)育，孔徑多為200～700 nm，平均477 nm（圖3I）。

圖3 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡鏡下孔隙特征A. 有機(jī)質(zhì)發(fā)育鑄?？紫?，與黃鐵礦有關(guān)，57.8 m；B. 散塊狀有機(jī)質(zhì)發(fā)育微孔，296.75 m；C. 填隙狀有機(jī)質(zhì)，可見有機(jī)質(zhì)孔隙和裂隙發(fā)育，437.55 m；D. 方解石膠結(jié)物與石英顆粒之間的粒間孔隙，311.65 m；E. 石英顆粒之間的粒間孔隙，57.8 m；F. 草莓狀黃鐵礦粒內(nèi)孔隙，127.45 m；G. 方解石膠結(jié)物粒內(nèi)溶蝕孔隙，311.65 m；H. 黏土礦物間發(fā)育粒內(nèi)孔隙，311.65 m；I. 石英顆粒內(nèi)發(fā)育微裂隙，57.8 m。Fig.3 Pore characteristic images under FE-SEM of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

3.4 低溫氮?dú)馕胶透邏簤汗?/h3>

3.4.1 低溫氮?dú)馕?/p>

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖氮?dú)馕竭t滯回線特征均符合IUPAC所提出的H2型、H3和H4型這三種孔隙類型（圖4），分別對(duì)應(yīng)墨水瓶狀孔隙（窄頸相對(duì)較寬）、平行板狀孔隙和狹縫狀孔隙[43,53]。氮?dú)馕角€特征表明，官地1井幕府山組泥頁(yè)巖樣品在低壓區(qū)顯示較小的吸附量，反映微孔數(shù)量較少。P/P0未見飽和趨勢(shì)表明存在較大孔隙未被填充[43]。官地1井幕府山組泥頁(yè)巖樣品BET表 面 積 為0.623～23.732 m2/g，平 均 為8.846 m2/g；泥頁(yè)巖孔隙體積0.002～0.030 cm3/g，平均孔隙體積0.014 cm3/g（表1）。利用Kelvin公式對(duì)幕府山組泥頁(yè)巖孔徑進(jìn)行分析，公式如下：

表1 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Pore structure parameters of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

圖4 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖氮?dú)馕?脫附等溫線Fig.4 Adsorption isotherms of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

3.4.2 高壓壓汞

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖樣品壓汞數(shù)據(jù)結(jié)果分析表明，296.75、402.05和437.55 m樣品的壓汞曲線特征較為相似（圖5A-C），在低壓區(qū)汞飽和度上升較快，高壓區(qū)汞飽和度上升相對(duì)緩慢?？紫兑院昕诪橹鳎⒁娸^多介孔發(fā)育。452.35 m樣品壓汞曲線較為特殊，在低壓下樣品汞飽和度上升較快，對(duì)高壓反應(yīng)不明顯（圖5D），顯示其孔徑分布以宏孔為主，介孔和微孔均較不發(fā)育。各樣品汞飽和度均為30%～40%，比表面積為0.1689～1.3308 m2/g（平均為0.8269 m2/g）。

圖5 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖樣品壓汞曲線特征Fig.5 Mercury intrusion characteristics of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

3.5 泥頁(yè)巖孔隙定量處理與分析

FE-SEM圖像定量分析結(jié)果表明（圖6），官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖孔徑分布區(qū)間為4.04～2982.83 nm，有機(jī)質(zhì)孔隙占總孔隙數(shù)的74.07%，其次為粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙和微裂隙。泥頁(yè)巖樣品總面孔率為2.02%，其中以粒間孔隙面孔率最大（1.17%），有機(jī)質(zhì)孔隙面孔率次之（0.61%），粒內(nèi)孔隙和微裂隙面孔率較?。ǚ謩e為0.19%和0.05%）。

圖6 基于JMicroVision軟件分析官地1井幕府山組泥頁(yè)巖電鏡圖像A. 有機(jī)質(zhì)孔隙和基質(zhì)孔隙選區(qū)，302.65 m，10000×，藍(lán)線方框?yàn)榛|(zhì)孔隙選區(qū)，紅線方框?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)區(qū)域選區(qū)；B. A圖對(duì)應(yīng)能譜圖像，可見方解石膠結(jié)物、白云石膠結(jié)物、黏土礦物和石英發(fā)育；C、D.分別為有機(jī)質(zhì)孔隙選區(qū)150000×和基質(zhì)孔隙選區(qū)50000×圖像；E、F. JMicroVision軟件定量處理分析孔隙圖像，其中紫色圈定為有機(jī)質(zhì)，藍(lán)色圈定為有機(jī)質(zhì)孔隙，橙色圈定為粒間孔隙，綠色圈定為粒內(nèi)孔隙。Fig.6 Analysis of FE-SEM images of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1 based on JMicroVision software

3.6 FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型分形

氮?dú)馕角€相對(duì)壓力P/P0可分為兩部分，其中D1對(duì)應(yīng)相對(duì)壓力P/P0＜0.5，D2對(duì)應(yīng)相對(duì)壓力P/P0＞0.5[45-46]。經(jīng)計(jì)算，官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組頁(yè)巖的分形維數(shù)D為2.471～2.775，均值為2.671（表2），幕府山組泥頁(yè)巖D1為2.306～2.606，平均為2.495；D2為2.425～2.851，平均為2.729，D、D1和D2均偏向3，表明孔隙表面和孔隙結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。

表2 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖FHH氮?dú)馕椒中尉S數(shù)Table 2 Fractal dimension obtained from the nitrogen adsorption isotherm using the Frenkel-Halsey-Hill (FHH) equation of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

4 討論

4.1 有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育影響因素

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖樣品TOC與總孔隙率呈弱的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.3985，圖7A），與上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁(yè)巖特征較為相似[53]。而北美阿巴拉契亞盆地泥盆系Marcellus頁(yè)巖、四川盆地牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙度與TOC并非呈單調(diào)遞增關(guān)系，當(dāng)Marcellus頁(yè)巖TOC大于5.5%后，孔隙度隨TOC增加而減小，這可能與樣品礦物組分差異和機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)弱有一定的關(guān)系[54-55]。而Marcellus頁(yè)巖TOC含量和孔隙體積相關(guān)性較弱，粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙貢獻(xiàn)了主要的總孔隙空間[53-54]。氮?dú)馕教卣骱涂紫抖糠治鲞M(jìn)一步表明，有機(jī)質(zhì)孔隙并非官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖孔隙空間的主體。

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖樣品TOC和BET比表面積呈較好的正相關(guān)性（R2=0.5694，圖7B），泥頁(yè)巖孔隙比表面積隨TOC增加而增大，表明TOC是幕府山組泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)孔隙控制因素之一，但與孔隙體積相關(guān)性較弱（圖7C）。官地1井幕府山組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙較為發(fā)育，盡管對(duì)孔隙體積的貢獻(xiàn)不大，但其提供大量比表面積，對(duì)頁(yè)巖氣吸附具有較為積極的影響。

圖7 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖TOC與孔隙度、BET比表面積和孔隙體積相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation of TOC with porosity, BET specific surface area and pore volume of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

4.2 礦物組分對(duì)孔隙發(fā)育的影響

壓實(shí)作用和膠結(jié)作用在埋藏成巖過程中往往導(dǎo)致泥頁(yè)巖孔隙體積減小，但剛性礦物可提供一定的骨架支撐作用，有利于有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物間孔隙的保存[56]。官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖樣品剛性礦物含量較高，對(duì)孔隙空間支撐性較好，使得部分孔隙得以保存，其與孔隙度和比表面積均呈較好的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.7378和R2=0.6369，圖8 A、B）。利用JMicroVision軟件對(duì)FE-SEM圖像定量分析表明，官地1井幕府山組泥頁(yè)巖基質(zhì)孔隙面孔率占比最高，這與樣品氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果相符。剛性礦物和孔隙體積呈一定的正相關(guān)關(guān)系（圖8C，R2=0.4317），反映基質(zhì)孔隙提供了大量的孔隙空間，可能與剛性礦物的支撐作用有關(guān)。

碳酸鹽膠結(jié)物在官地1井幕府山組泥頁(yè)巖中含量較高，F(xiàn)E-SEM鏡下可見少量溶蝕孔隙發(fā)育。其碳酸鹽膠結(jié)物含量比上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、筇竹寺組頁(yè)巖相對(duì)較高，碳酸鹽膠結(jié)物和孔隙度、比表面積以及孔隙體積均呈較弱的正相關(guān)關(guān)系（圖8D-F）。盡管碳酸鹽膠結(jié)物的弱溶蝕作用有利于粒內(nèi)孔隙形成，對(duì)孔隙體積和孔隙度具有一定貢獻(xiàn)，但碳酸鹽膠結(jié)物可能堵塞孔隙，并未構(gòu)成研究區(qū)泥頁(yè)巖孔隙度的主控因素。

圖8 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖礦物含量與孔隙度、BET比表面積和孔隙體積相關(guān)關(guān)系Fig.8 Relationships between mineral composition and porosity, BET specific surface area and pore volume of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

官地1井幕府山組泥頁(yè)巖黏土礦物含量與孔隙度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.5961，圖8G），其與比表面積呈較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖8H，R2=0.3399），這可能與黏土礦物的塑性特點(diǎn)以及填充堵塞粒間孔隙有關(guān)。黏土礦物與孔隙體積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖8I，R2=0.4233），黏土礦物含量增加可能導(dǎo)致抗壓實(shí)能力降低，部分孔隙受壓實(shí)作用而造成孔隙體積減小。

4.3 FHH分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖分形維數(shù)和孔隙結(jié)構(gòu)特征分析表明，分形維數(shù)（D1、D2和D）均與比表面積具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.8404、0.2667和0.422（圖9A-C），與延長(zhǎng)組、青山口組和龍馬溪組泥頁(yè)巖較為一致[24,57-58]。D1與比表面積的相關(guān)性較好，能夠更好地反映表面粗糙度。

圖9 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性特征Fig.9 Relationship between fractal dimension and pore structure of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖由不同形狀和不同孔徑孔隙（主要為介孔和宏孔）組成復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)，其分形維數(shù)D與BJH孔隙體積相關(guān)性較弱，這一特征與上揚(yáng)子地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖類似[26]，而與鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組陸相頁(yè)巖存在較大差異[57]，可能與微裂隙是否發(fā)育有關(guān)。官地1井幕府山組泥頁(yè)巖分形維數(shù)D1與孔隙體積呈弱的正相關(guān)關(guān)系，而D2與孔隙體積不具相關(guān)性（圖9D-F），反映孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)分形維數(shù)D1和D2影響不一，這與上揚(yáng)子地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖分形維數(shù)（D1和D2）與孔隙體積的相關(guān)性特征較為一致[59]。

4.4 FHH分形維數(shù)與幕府山組泥頁(yè)巖組分的關(guān)系

官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖FHH分形維數(shù)（D1、D2和D）與TOC均呈正相關(guān)關(guān)系，而與TOC擬合直線的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.5881、0.3909和0.4225（圖10A-C）。上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組海相頁(yè)巖分形維數(shù)多隨TOC增加而單調(diào)遞增[23-24,58]，這與官地1井幕府山組泥頁(yè)巖FHH分形維數(shù)隨TOC的變化趨勢(shì)類似。

官地1井幕府山組泥頁(yè)巖FHH分形維數(shù)與石英礦物含量均無相關(guān)性，表明石英對(duì)孔隙表面和孔隙結(jié)構(gòu)影響不大（圖10D-F）；而四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖中石英含量及分布特征則對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的影響[60]。官地1井幕府山組泥頁(yè)巖FHH分形維數(shù)D1和D2與方解石膠結(jié)物呈較弱的正相關(guān)關(guān)系（R2分別為0.2505和0.1785，圖10G-I），表明孔隙表面和孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度受方解石膠結(jié)物影響，粒內(nèi)孔多發(fā)育在方解石膠結(jié)物內(nèi)，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。FHH分形維數(shù)D1與黏土礦物呈較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.1657，圖10J-L），表明黏土礦物的發(fā)育對(duì)孔隙表面也有一定的影響。

圖10 官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖分形維數(shù)與礦物組分的相關(guān)性特征Fig.10 Relationship between fractal dimension and composition of the Lower Cambrian Mufushan shale in Well Guandi 1

5 結(jié)論

（1）下?lián)P子地區(qū)官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖主要由石英、方解石膠結(jié)物和黏土礦物組成，含有少量長(zhǎng)石和白云石膠結(jié)物。有機(jī)質(zhì)類型為I型干酪根和II1型干酪根，均處于過成熟階段。幕府山組泥頁(yè)巖發(fā)育4種孔隙類型，孔徑多集中于36～44 nm，孔隙排列無序性較高。

（2）官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙主要受有機(jī)質(zhì)豐度的影響，而受有機(jī)質(zhì)成熟度和干酪根類型影響較小。有機(jī)質(zhì)孔隙以發(fā)育介孔為主，提供了大量的比表面積，有利于為頁(yè)巖氣吸附提供附著點(diǎn)，但對(duì)孔隙體積的貢獻(xiàn)較小，表明有機(jī)質(zhì)孔隙并非孔隙空間的主控因素。剛性礦物對(duì)孔隙度、比表面積和孔隙體積均具有一定的影響，剛性礦物的支撐作用有利于孔隙空間的保存，粒間孔隙構(gòu)成了最主要的孔隙類型。

（3）官地1井下寒武統(tǒng)幕府山組泥頁(yè)巖分形維數(shù)與總有機(jī)碳含量及比表面積相關(guān)性較好，而與孔隙體積相關(guān)性弱；表明孔壁粗糙程度及孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度受有機(jī)質(zhì)豐度影響，分形維數(shù)較大的泥頁(yè)巖樣品具有較大的比表面積，其不同形狀和不同孔徑的孔隙組合構(gòu)成的復(fù)雜孔隙網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致分形維數(shù)受孔隙體積影響較小。