張鳳奇，李宜濃，，羅菊蘭，任小鋒，張?zhí)m馨，張芥瑜

（1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.西安石油大學(xué)陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065；3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，西安 710077）

0 引言

含氣頁巖的孔隙度、孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)影響著頁巖的儲(chǔ)氣性能［1］，分析含氣頁巖中的納米級(jí)孔隙的結(jié)構(gòu)類型及發(fā)育特征，對(duì)于認(rèn)清頁巖氣富集規(guī)律與賦存狀態(tài)具有重要意義［2］。四川盆地志留系龍馬溪組頁巖氣的成功開發(fā)，長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁巖氣示范區(qū)的建立讓中國(guó)南方海相頁巖氣勘探開發(fā)迎來了重大突破，在這一背景下，對(duì)于南方頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)與表征也較為深刻。如：陳尚斌等［3］通過對(duì)等溫線和DFT 的分析，討論了納米孔隙結(jié)構(gòu)的主控因素和其對(duì)頁巖氣成藏的影響，對(duì)孔結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了精細(xì)表征；楊峰等［4-6］聯(lián)合使用高壓壓汞法和氮?dú)馕椒▽?duì)不同孔徑范圍的頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并利用分形維數(shù)探討了孔隙結(jié)構(gòu)的影響因素；吉利明等［7］通過掃描電鏡圖像分析探討了黏土礦物發(fā)育程度與微米級(jí)孔隙以及甲烷吸附能力之間的關(guān)系；侯宇光等［8］、郭旭升等［9］用低溫氮?dú)馕?脫附法和高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)合氬離子拋光掃描電鏡技術(shù)從多角度對(duì)頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)及其儲(chǔ)集性能進(jìn)行了大量深入的研究。隨著非常規(guī)油氣藏勘探范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，中國(guó)北方以往被認(rèn)為有機(jī)質(zhì)豐度低、生烴潛力差、儲(chǔ)集層相對(duì)致密，不能形成規(guī)?；搸r氣聚集［10］的鄂爾多斯盆地西部奧陶系海相烴源巖，接連在ZP1 井，E102 X 井獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，2019 年針對(duì)鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組泥頁巖鉆探的ZP1 水平井試氣產(chǎn)量為26.48×104m3/d，2021 年烏拉力克組頁巖氣水平井E102X試氣產(chǎn)量為16.69×104m3/d。然而，目前對(duì)鄂爾多斯盆地西部烏拉力克組頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育特征及其控制因素還缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，鄂爾多斯盆地頁巖儲(chǔ)層與四川盆地頁巖儲(chǔ)層在礦物組分、沉積模式、烴源巖特性等方面存在諸多差異，其孔隙結(jié)構(gòu)亦存在較大差異，已有的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)無法直接借鑒。

以鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組頁巖為研究對(duì)象，結(jié)合X 射線衍射資料和區(qū)域沉積背景對(duì)頁巖巖相進(jìn)行劃分，總結(jié)主要發(fā)育的巖相類型及其物性特征；通過氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)頁巖孔隙類型、形貌特征、孔隙尺度進(jìn)行定性—半定量描述，聯(lián)合低溫氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)和FHH 分形模型，表征儲(chǔ)層孔徑分布、孔隙形態(tài)和孔隙結(jié)構(gòu)特征，探討孔隙發(fā)育的控制因素，總結(jié)不同巖相孔隙結(jié)構(gòu)的差異性發(fā)育規(guī)律，找出優(yōu)勢(shì)沉積微相下所發(fā)育的有利巖相，以期認(rèn)識(shí)該區(qū)頁巖氣賦存規(guī)律，為中國(guó)北方海相頁巖氣勘探評(píng)價(jià)提供參考。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地構(gòu)造上可劃分為渭北隆起、伊陜斜坡、伊盟隆起、西緣沖斷帶、天環(huán)凹陷和晉西撓褶帶等6 個(gè)單元［11］，研究區(qū)位于盆地西緣，南部為祁連造山帶，北部屬于阿拉善地塊，該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)頻繁，包含了天環(huán)坳陷和西緣沖斷帶2 個(gè)構(gòu)造單元（圖1a）。西緣沖斷帶構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，斷裂帶極發(fā)育，構(gòu)造較為復(fù)雜，天環(huán)坳陷相對(duì)穩(wěn)定［12］。寒武紀(jì)末海水退卻，鄂爾多斯地塊整體短暫抬升為陸地并遭受剝蝕，至早奧陶世海水重新侵入，之后開始了連續(xù)沉積過程。奧陶紀(jì)鄂爾多斯地塊仍然是穩(wěn)定的沉積區(qū)，主體發(fā)育臺(tái)地沉積體系和臺(tái)地邊緣斜坡沉積體系，隨著邊緣加里東運(yùn)動(dòng)的逐漸增強(qiáng)，構(gòu)造作用的影響越來越明顯，沉積體系也變?yōu)樯钏逼孪喑练e體系和深水海槽沉積體系［13］。安靜的深水還原環(huán)境是烴源巖發(fā)育的有利場(chǎng)所，研究區(qū)在中—晚奧陶世沉積了多套暗色泥頁巖［14］，其中奧陶系烏拉力克組發(fā)育的黑色富含筆石的含碳硅質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高，為最具代表性的頁巖地層，該套頁巖頁理較發(fā)育，巖心斷面可見大量的筆石化石，埋深為4 000～4 900 m。

烏拉力克組沉積規(guī)律呈“三段式”，頂、底部分別發(fā)育2 套泥頁巖，中部夾一段石灰?guī)r。底部泥頁巖厚度為25～60 m，以泥質(zhì)含量較高的泥頁巖為主，頂部泥頁巖厚度為45～55 m，以灰質(zhì)泥巖和泥頁巖為主，泥頁巖總厚度為25～115 m，平面上發(fā)育較穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)豐度整體不高，TOC值為0.30%～1.15%；干酪根以Ⅰ型為主，含少量Ⅱ1型，普遍達(dá)到成熟—高成熟階段，部分達(dá)到過成熟階段，具有良好的產(chǎn)氣條件（圖1b）。石灰?guī)r一般由2 段巖性較純的含泥灰?guī)r和泥灰?guī)r組成，厚度為0～27 m，在平面上厚度由南至北逐漸減小，由2 段到1 段直至不發(fā)育［15］。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖性特征

2.1.1 礦物組分及巖性分類

對(duì)鄂爾多斯盆地西部烏拉力克組8 口取心井13個(gè)樣品進(jìn)行X 射線衍射分析，測(cè)試使用布魯克射線衍射儀（D8 ADVANCE），依據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［16］，設(shè)置檢測(cè)溫度為20 ℃，檢測(cè)濕度為30%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，研究區(qū)頁巖巖性多樣，礦物成分十分復(fù)雜，既有長(zhǎng)石、石英等碎屑組分，方解石、白云石等碳酸鹽礦物，也包括菱鐵礦、黃鐵礦等重礦物組分，還有一定量的黏土礦物（圖2）。其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.9%～58.3%，平均為32.0%；長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～6.3%，平均為2.6%；碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.8%～77.9%，平均為43.3%；黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.6%～30.5%，平均為20.7%。整體而言，黏土礦物含量較穩(wěn)定，石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物等脆性礦物含量高，且變化范圍較大。從礦物組分來看，巖石的脆性整體較強(qiáng)，在外力的作用下易于形成誘導(dǎo)裂縫，有利于頁巖的壓裂改造和開采。依據(jù)礦物組分將烏拉力克組巖性大致分為3 類（表1）：硅質(zhì)頁巖（石英、長(zhǎng)石組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50.0%）、鈣質(zhì)頁巖（碳酸鹽組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50.0%）和混合頁巖（無質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%的礦物組分）。

圖2 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組頁巖樣品礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.2 Mineral composition and content of shale samples of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組頁巖樣品X 射線衍射分析和氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 X-ray diffraction analysis and nitrogen adsorption experimental data of shale samples of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

2.1.2 沉積背景與巖相劃分

已有的研究結(jié)果認(rèn)為，研究區(qū)海侵范圍在中奧陶世克里摩里期到達(dá)最大［17］，由西向東依次發(fā)育深水盆地、斜坡、臺(tái)地邊緣、開闊臺(tái)地等相帶，在烏拉力克組沉積期持續(xù)裂陷，東部地層抬升，但后期的抬升使東部地層遭受大范圍剝蝕，自東向西依次發(fā)育臺(tái)地前緣斜坡相和廣海陸棚等相帶（圖3）。結(jié)合頁巖的顏色、巖性組合特征、沉積構(gòu)造及古生物等信息，提取沉積相標(biāo)志，將烏拉力克組劃分為深水盆地相、廣海陸棚相、臺(tái)地前緣斜坡相3 種沉積微相。

圖3 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組古地理圖Fig.3 Palaeogeography map of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

烏拉力克組底部沉積時(shí)為深水盆地相，整體為貧氧環(huán)境，咸水沉積，水體較深，基本上屬于有利于有機(jī)質(zhì)保存的靜水強(qiáng)還原沉積環(huán)境。其特點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)豐度高，沉積物以陸相注入為主，沉積物粒度小、硅質(zhì)含量高，巖性以硅質(zhì)頁巖為主，且薄紋層發(fā)育，為硅質(zhì)頁巖巖相。強(qiáng)還原環(huán)境使得地層中富含黃鐵礦，常見筆石等深水環(huán)境化石，隨著水體的逐步變淺，烏拉力克組中下部沉積微相為廣海陸棚相，是典型的較深的前海還原沉積環(huán)境，對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存較為有利。由于陸源石英粉砂巖和頁巖成層性注入，石灰?guī)r、泥灰?guī)r分布廣泛，形成的頁巖呈明顯的層狀結(jié)構(gòu)，水平層理、波狀層理發(fā)育，屬于混合頁巖巖相。烏拉力克組上部沉積微相為臺(tái)地前緣斜坡相，總體為氧化環(huán)境，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，有機(jī)質(zhì)豐度較低，巖性以鈣質(zhì)頁巖為主，由于斜坡部位及沉積能量的不同，巖石結(jié)構(gòu)差異明顯，有的低角度層理十分發(fā)育，有的則層理不發(fā)育，有明顯的被充填裂縫或斷層發(fā)育，為鈣質(zhì)頁巖巖相。

在巖性分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合沉積微相分布規(guī)律將研究區(qū)烏拉力克組自下而上劃分為硅質(zhì)頁巖巖相、混合頁巖巖相、鈣質(zhì)頁巖巖相等3 種巖相類型［18］。觀察不同頁巖巖心及其薄片照片（圖4）發(fā)現(xiàn)：硅質(zhì)頁巖巖心破碎程度高，裂縫極發(fā)育，頁理薄，呈書頁狀，巖心斷面可見多處黃鐵礦團(tuán)塊，薄片照片顏色深，觀察到多處分散狀有機(jī)質(zhì)；混合頁巖巖心頁理、裂縫較發(fā)育，薄片照片顏色較深，偶見少量有機(jī)質(zhì)；鈣質(zhì)頁巖巖心頁理不發(fā)育，裂縫多被方解石充填，薄片照片顏色較淺，無有機(jī)質(zhì)存在。

圖4 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組不同類型頁巖巖心、薄片照片F(xiàn)ig.4 Core photos and thin sections of different shale of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

2.2 物性特征

通過氦氣孔隙度測(cè)定儀測(cè)定孔隙度來定量表征烏拉力克組頁巖物性特征，使用UltraPoreTM-300 氦孔隙度儀，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［19］，設(shè)置檢測(cè)溫度為23～25 ℃，檢測(cè)濕度為20%～40%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①烏拉力克組頁巖孔隙度總體低于4.00%，主要為0.16%～1.50%，最小值為0.08%，最大為4.20%，平均為1.20%，大于4.00%以上的孔隙度占比少。②對(duì)比不同頁巖樣品的孔隙度數(shù)值分布發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)頁巖孔隙度較小，相對(duì)更加致密；硅質(zhì)頁巖孔隙較發(fā)育，平均孔隙度值最高；混合頁巖的平均孔隙度值介于鈣質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖之間；鈣質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖樣品中都存在個(gè)別孔隙度較高的情況，推測(cè)是由于脆性礦物含量高，微裂縫發(fā)育造成（圖5）。

圖5 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組不同類型頁巖孔隙度分布Fig.5 Porosity distribution of different shale of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

3 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征

應(yīng)用氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)進(jìn)行鄂爾多斯盆地西部烏拉力克組樣品的孔隙結(jié)構(gòu)分析。氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡采用SUPRA-55 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡儀，依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［20］；低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)采用ASAP2420 比表面積與孔徑分析儀，儀器量程為2～400 nm，依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［21］，在檢測(cè)溫度為-195.5 ℃時(shí)，吸-脫附相對(duì)壓力為0.009～0.995 的條件下測(cè)量氮?dú)獾奈搅亢兔摳搅?。運(yùn)用多分子層吸附等溫BET（Brunauer-Emmett-Teller）模型和BJH（Barret-Joyner-Halenda）［22］模型進(jìn)行比表面積及孔容、孔徑數(shù)據(jù)的分析。根據(jù)氮?dú)馕綌?shù)據(jù)得到微孔、中孔的孔體積和比表面積，并根據(jù)滯后回環(huán)的類型確定孔隙的幾何特征；氦氣孔隙度測(cè)定使用UltraPoreTM-300 氦孔隙度儀，實(shí)驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［19］，設(shè)置檢測(cè)溫度為23～25 ℃，檢測(cè)濕度為20%～40%。

3.1 孔隙類型

通過對(duì)9 塊樣品的氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)烏拉力克組泥頁巖十分致密，主要發(fā)育納米級(jí)孔隙，孔隙類型有粒間孔（晶間孔）、黏土礦物層間縫、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔等4 類。除基質(zhì)孔隙外，微裂縫、裂縫也較發(fā)育（圖6）。

圖6 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組頁巖孔隙掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM photos of shale pores of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

（1）粒間孔（晶間孔）。該類孔隙為形成于脆性碎屑顆粒之間的或形成于黃鐵礦晶體間且未被有機(jī)質(zhì)和黏土充填的不規(guī)則孔隙，孔徑大，連通性好，是游離氣存儲(chǔ)的主要場(chǎng)所。

（2）黏土礦物層間縫。由于脆性礦物阻擋了塑性黏土礦物繼續(xù)壓實(shí)，使其發(fā)生彎曲而形成的狹縫狀粒間孔［23］。黏土礦物層間縫的孔隙形態(tài)多呈平板狀，長(zhǎng)條狀，常被有機(jī)質(zhì)充填。這種孔隙的形成機(jī)理是在壓實(shí)作用逐漸增強(qiáng)時(shí)，黏土礦物發(fā)生脫水作用出現(xiàn)層間縫［24］，此外也會(huì)因?yàn)槊擅撌诔蓭r過程中向伊蒙混層和伊利石轉(zhuǎn)化，黏土礦物體積縮小而形成，這類孔隙滲流能力好、吸附力強(qiáng)，是吸附氣存儲(chǔ)的主要場(chǎng)所。

（3）溶蝕孔。該類孔隙多為碳酸鹽顆粒內(nèi)部由于溶蝕作用形成的粒內(nèi)溶孔，孔徑小且連通性差，對(duì)于頁巖氣的吸附及存儲(chǔ)貢獻(xiàn)較小，研究區(qū)碳酸鹽巖含量較高，溶蝕孔占比較大。

（4）有機(jī)質(zhì)孔。該類孔隙呈草莓狀分散在礦物基質(zhì)中，在研究區(qū)頁巖儲(chǔ)層中并不常見，與研究區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度不高有關(guān)。

結(jié)合樣品分類觀察發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)頁巖多發(fā)育晶間孔、溶蝕孔，整體連通性較差；硅質(zhì)頁巖常發(fā)育粒間孔，黏土礦物層間縫，微裂縫等，偶見有機(jī)質(zhì)孔，整體孔隙相對(duì)發(fā)育，孔隙空間大且連通性較好。

3.2 基于氮?dú)馕?脫附曲線表征孔隙形態(tài)

頁巖樣品的液氮吸附-脫附曲線在相對(duì)壓力較高的部分（p/p0＞0.40）會(huì)出現(xiàn)分離，形成回滯環(huán)［25-26］，回滯環(huán)的大小和形態(tài)可以較為直觀地表征儲(chǔ)層孔隙的復(fù)雜程度和形態(tài)特征［27］。采用IUPAC 回滯環(huán)形態(tài)分類標(biāo)準(zhǔn)將回滯環(huán)分為5 類共6 種類型（圖7）［28］：①H1 型回滯環(huán)形態(tài)細(xì)長(zhǎng)狹窄，吸附曲線與脫附曲線距離很近，呈豎直平行關(guān)系，表征孔隙孔徑分布較窄，孔隙形狀呈圓筒狀。②H2 型回滯環(huán)受復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)影響又可細(xì)分為2 類，H2 a 型回滯環(huán)展布較寬，吸附曲線平緩，脫附曲線上凸明顯，表征孔隙孔徑分布較寬大，孔隙形態(tài)較多樣；H2 b 型回滯環(huán)展布較寬，吸附曲線下凹明顯，指示具有較大孔隙空間且孔徑更寬大的孔隙結(jié)構(gòu)。③H3 型回滯環(huán)吸附量與壓力呈正相關(guān)關(guān)系，但在較高的相對(duì)壓力下吸附曲線并未顯示最大吸附量，指示這類孔隙具有相當(dāng)強(qiáng)的吸附能力，孔隙形態(tài)呈平板狀。④H4 型回滯環(huán)狹窄細(xì)長(zhǎng)，吸附曲線和脫附曲線近水平延伸且相互平行，指示這類孔隙吸附能力較差，孔隙連通性不佳，孔隙形態(tài)為楔形。⑤H5 型回滯環(huán)和一些獨(dú)特的孔隙形態(tài)有關(guān)，表征的主要是一些開放和不連通的中孔，其主要特征是解吸附曲線急劇下降，且相對(duì)壓力區(qū)間較小，表征墨水瓶形態(tài)等無定形孔隙。

圖7 IUPAC 回滯環(huán)形態(tài)分類［24］Fig.7 Classification of IUPAC hysteresis loops

研究區(qū)13 塊樣品的液氮吸附-脫附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，頁巖氮?dú)馕角€形態(tài)呈反“S”形，由于礦物組分復(fù)雜，吸附-脫附曲線所表現(xiàn)的并不是單一吸附態(tài)的結(jié)果，而是多種吸附態(tài)疊加共同作用的結(jié)果［29］。吸附過程可以分為3 個(gè)階段：第1 階段為單分子層吸附階段，當(dāng)樣品處于相對(duì)壓力較低（0＜p/p0≤0.45）狀態(tài)時(shí)，吸附量增速較小，等溫吸附線平緩且略有上凸；隨著相對(duì)壓力增大，吸附過程進(jìn)入第2 階段，為多分子層吸附階段［26］，此時(shí)樣品處于相對(duì)壓力中等階段（0.45＜p/p0≤0.80），吸附量增速大，與脫附曲線分離明顯，形成回滯環(huán)；隨相對(duì)壓力進(jìn)一步增加，吸附過程進(jìn)入第3階段，為毛細(xì)管凝聚階段，此時(shí)樣品處于相對(duì)壓力較高狀態(tài)（p/p0＞0.80），吸附量增加明顯，當(dāng)p/p0接近于1.00 時(shí)并未出現(xiàn)飽和吸附，吸附量繼續(xù)升高，這一現(xiàn)象說明頁巖樣品中有一定體積的大孔隙存在［30］。

結(jié)合IUPAC 對(duì)于回滯環(huán)形態(tài)的分類分析（圖8）可知：①硅質(zhì)頁巖多具有H3 型回滯環(huán)（樣品YS12-36），回滯環(huán)狹窄細(xì)長(zhǎng)，吸附-脫附曲線近乎水平延伸且相互平行，隨相對(duì)壓力的增加緩慢單調(diào)遞增，樣品孔隙形態(tài)以平板狀開放孔隙為主，含有較多的片狀、顆粒狀基質(zhì)，這一結(jié)論與該類樣品含有較多黏土礦物和石英相吻合，指示該類頁巖中主要的氣體吸附空間為黏土礦物的層間粒內(nèi)孔和微裂縫，有利于吸附氣的儲(chǔ)集；硅質(zhì)頁巖還具有H2 a 回滯環(huán)（樣品YS12-6），其吸附曲線穩(wěn)定上升，脫附曲線上凸明顯，這類樣品孔徑分布較寬大，孔隙形態(tài)較多樣，對(duì)頁巖氣體的吸附存儲(chǔ)和氣體滲流較為有利，在一定條件下這類孔隙發(fā)育的硅質(zhì)頁巖產(chǎn)量較高，但研究區(qū)H2 a 型較少。②鈣質(zhì)頁巖（樣品YS12-15）多具有H4 型回滯環(huán)，吸附曲線在相對(duì)壓力接近1.00 時(shí)很陡，脫附曲線拐點(diǎn)不明顯，吸附、脫附曲線近乎水平延伸且相互平行，回滯環(huán)不十分明顯，說明孔隙空間小，孔隙不發(fā)育，具有較多孔隙不發(fā)育的致密基質(zhì)，這與樣品中含有較多方解石成分相吻合，指示該類頁巖的吸附能力有限，孔隙結(jié)構(gòu)不利于吸附氣的儲(chǔ)集。

圖8 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組頁巖典型氮?dú)馕?脫附曲線Fig.8 Adsorption-desorption isotherms of shale samples of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

3.3 基于dV/d logD 分布曲線表征孔徑分布

國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)將孔隙以孔徑2 nm和50 nm 為界劃分為3 類：微孔（＜2 nm），介孔（2～50 nm）和宏孔（＞50 nm）。由氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)得到13個(gè)樣品的BJH 孔徑分布數(shù)據(jù)（參見表1），選用dV/dlogD分布曲線來表征頁巖樣品中孔徑分布情況，將其孔徑分布類型分為3 類。其中V為BJH 孔隙質(zhì)量體積，mL/g，dV是一定孔區(qū)間的孔體積；D為孔徑，nm，dlogD表示單位孔區(qū)間。dV/dlogD孔徑分布圖中最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的孔隙在樣品中分布最廣，低緩區(qū)域表示對(duì)應(yīng)的孔隙分布很少。

Ⅰ類：dV/dlogD孔徑分布圖呈一個(gè)主峰和多個(gè)次峰的形態(tài)，主峰段孔徑為2～4 nm，小于2 nm 的微孔不發(fā)育，表明介孔占優(yōu)勢(shì)，峰值較高，可以提供大量的孔體積，為游離氣的賦存提供儲(chǔ)集空間；次峰多處可見，分布范圍覆蓋介孔段、宏孔段（圖9a）。整體而言，該類頁巖樣品以介孔和宏孔為主，均較發(fā)育，連通性好，是有利的孔隙類型，在石英含量較高、黃鐵礦發(fā)育的硅質(zhì)頁巖中較為常見。

Ⅱ類：dV/dlogD孔徑分布圖呈一個(gè)主峰和一個(gè)次峰的形態(tài)，主峰段孔徑大多為2～4 nm，另有樣品YS12-35 和YS12-14 主峰位置孔徑小于2 nm，表明微、介孔占優(yōu)勢(shì)，且峰值均較高，說明可以提供大量的孔體積，對(duì)吸附氣的賦存較為有利［17］；次峰為50～100 nm，屬于宏孔段，但峰值低，提供的孔體積較?。▓D9b）；樣品總有機(jī)碳（TOC）含量越高，主峰位置越靠前且峰值越高。整體而言，該類頁巖樣品以微孔和介孔為主，介孔最為發(fā)育，宏孔發(fā)育較少，分析認(rèn)為這與樣品中TOC含量高，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)生烴演化形成的微孔—窄孔為主有關(guān)，在硅質(zhì)頁巖和混合頁巖中較為常見。

Ⅲ類：dV/dlogD孔徑分布圖呈一個(gè)主峰和一個(gè)次峰的形態(tài)，主峰段孔徑為50～100 nm，峰值較低，表明宏孔占優(yōu)勢(shì)，可以提供主要的孔體積；次峰孔徑為2～4 nm，屬于介孔段，提供的孔體積小（圖9c）。該類頁巖樣品的孔隙類型以黃鐵礦等礦物的粒間孔為主，宏孔體積較小，反映碳酸鹽礦物致密，總體孔隙不發(fā)育，不利于天然氣的吸附和存儲(chǔ)，在鈣質(zhì)頁巖中較為常見。

圖9 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組3 類頁巖dV/dlogD 分布曲線Fig.9 Distribution curves of dV/dlogD of three type of shale of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

3.4 孔隙結(jié)構(gòu)分形特征

3.4.1 FHH 分形模型

頁巖非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，研究孔隙結(jié)構(gòu)和表面不規(guī)則性所具有的分形幾何特征對(duì)于刻畫頁巖的吸附和解吸附能力意義重大，利用分形維數(shù)可以定量表征孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度［31］。FHH 法計(jì)算分形維數(shù)的計(jì)算方法中應(yīng)用最為廣泛，具有適用性好、計(jì)算簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)［32］。FHH 方程表現(xiàn)形式為

式中：v為平衡壓力p對(duì)應(yīng)的氣體質(zhì)量體積，cm3/g；p0為吸附氣體飽和蒸氣壓，MPa；K為常數(shù)；d為多孔介質(zhì)的分形維數(shù)，一般取值2～3。

當(dāng)d=3 時(shí)，對(duì)應(yīng)體積充填；d=2 時(shí)，為無孔隙的光滑表面［17］；d值越大說明孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，介質(zhì)表面越粗糙，d值越小，則孔隙結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單。

3.4.2 分形維數(shù)

根據(jù)氮?dú)馕?脫附機(jī)理，頁巖在吸附過程中的不同階段具有不同的吸附機(jī)制，相對(duì)壓力較低階段（p/p0＜0.45）以單分子層—多分子層吸附為主；相對(duì)壓力較高階段（p/p0＞0.45），吸附力是以表面張力為主的毛細(xì)凝聚。因此，以p/p0=0.45為界，分段求取分形維數(shù)，p/p0＜0.45 時(shí)所求得的分形維數(shù)為d1，表示孔隙表面的分形維數(shù)；p/p0＞0.45 時(shí)求得的分形維數(shù)為d2，表示孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)。基于氮?dú)馕綌?shù)據(jù)通過計(jì)算得到樣品的氮?dú)馕襟w積與相對(duì)壓力雙對(duì)數(shù)曲線（圖10），并通過解FHH 方程分別得到13 個(gè)樣品的分析維數(shù)d1和d2（表2）。

表2 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組頁巖樣品基于分形FHH 理論模型的分形維數(shù)Table 2 Fractal dimension of shale samples based on fractal FHH model of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

圖10 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組頁巖不同階段吸附體積與相對(duì)壓力的雙對(duì)數(shù)分形關(guān)系曲線Fig.10 Double logarithm fractal curves of adsorption volume and relative pressure of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

通過建立的研究區(qū)孔隙分形模型（圖10，表2）可知，相對(duì)壓力較低階段和相對(duì)壓力較高階段樣品的氮?dú)馕襟w積與相對(duì)壓力的雙對(duì)數(shù)曲線相關(guān)性均較好，說明儲(chǔ)層孔隙表面與孔隙結(jié)構(gòu)具有明顯的分形特征。

分形維數(shù)是孔隙粗糙程度的定量表征，頁巖中微、小孔隙占比越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，分形維數(shù)也會(huì)越大，表明樣品的孔隙空間較小。頁巖樣品的分形維數(shù)d為2.464 2～2.872 7，且d2均大于d1，說明孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度大于孔隙表面，非均質(zhì)性強(qiáng)。d2最高的4 個(gè)樣品（YS12-35，YS12-14，YS12-37，YS12-36），在孔徑分布圖上也表現(xiàn)出以微小孔隙為主的特征，d2數(shù)值最低的4 個(gè)樣品（YS12-15，YS12-10，YS12-33，YS12-18）則表現(xiàn)出微小孔隙不發(fā)育，以中孔、宏孔為主的特征（參見圖9）。這也從側(cè)面印證了分形維數(shù)是微小孔隙發(fā)育程度的表征參數(shù)。

3.4.3 分形維數(shù)的影響因素

為進(jìn)一步探討頁巖儲(chǔ)層微小孔隙發(fā)育程度與礦物組分的關(guān)系，將分形維數(shù)d1，d2分別與TOC含量、黏土礦物含量和石英含量進(jìn)行交會(huì)分析（圖11a—11c）可知，d1，d2與TOC含量、黏土礦物含量和石英含量均有一定的正相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為TOC含量增加，有機(jī)質(zhì)排烴產(chǎn)生的納米級(jí)有機(jī)孔隙增加，使得頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙表面復(fù)雜化，這一認(rèn)識(shí)與之前學(xué)者們的認(rèn)識(shí)一致［5，26-27］；黏土礦物含量增加，黏土礦物的纖維狀發(fā)育，黏土礦物片狀顆粒形成的平板狀孔隙增加，微小孔隙的發(fā)育也會(huì)造成頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙表面復(fù)雜化；而石英含量增加，石英顆粒形成的粒間孔等無定形孔隙發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙表面也會(huì)變得復(fù)雜。

將分形維數(shù)d1，d2與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，即BET 比表面積，BJH 總孔體積和BET 平均孔徑分別進(jìn)行相關(guān)性分析（圖11d—11f）可知，d1，d2與BET 比表面積和BJH 孔體積均呈正相關(guān)關(guān)系，前者相關(guān)系數(shù)明顯高于后者；d1，d2與BET 平均孔徑呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即平均孔徑越小，分形維數(shù)則越大。研究發(fā)現(xiàn)比表面積的大小受微孔的發(fā)育程度影響，微孔越發(fā)育，比表面積越大［26］。由此，分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系可以歸納為：頁巖內(nèi)微、小孔隙越發(fā)育，平均孔徑就越小，則比表面積越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，孔隙表面越粗糙，分形維數(shù)越大。同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)d2與孔隙各參數(shù)的相關(guān)性均高于d1，這一結(jié)果表明具有比表面積較大，孔體積較大、孔徑較小的黏土礦物層間縫、黃鐵礦晶間孔以及石英顆粒粒間孔和粒緣孔隙的硅質(zhì)頁巖，孔隙分形維數(shù)更高，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這與現(xiàn)有的研究結(jié)果一致［33］。

圖11 鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組頁巖分形維數(shù)與礦物組分、孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.11 Relationships of fractal dimension with mineral composition and pore structure of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

4 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地西部奧陶系烏拉力克組海相頁巖孔隙類型復(fù)雜，孔隙度主要為0.16%～1.50%。鈣質(zhì)頁巖巖相整體致密，孔隙類型多為晶間孔、溶蝕孔，硅質(zhì)頁巖巖相總體孔隙較發(fā)育，多為粒間孔，黏土礦物層間縫，微裂縫等。按孔徑分布類型可分為3 類：Ⅰ類以2～4 nm 的介孔為主，同時(shí)中孔、宏孔都較發(fā)育且孔體積大，在硅質(zhì)頁巖巖相中較為常見；Ⅱ類以0～4 nm的微、介孔為主，宏孔發(fā)育較少，在硅質(zhì)頁巖巖相和混合頁巖巖相中較為常見；Ⅲ類以50～100 nm 的宏孔為主，但體積小，總體孔隙體積小，在鈣質(zhì)頁巖巖相中較為常見。

（2）鄂爾多斯盆地西部烏拉力克組頁巖的液氮吸附-脫附曲線所形成的回滯環(huán)形態(tài)以H3 和H4 型為主，偶見H2 b 型，其中H3 回滯環(huán)形態(tài)多發(fā)育在富含黏土的硅質(zhì)頁巖中，孔隙形態(tài)以平板狀開放孔隙為主，主要發(fā)育黏土礦物的層間粒內(nèi)孔、微裂縫；H2 b 回滯環(huán)形態(tài)多發(fā)育在硅質(zhì)頁巖中，孔隙類型為細(xì)頸廣體的墨水瓶孔等無定形孔隙，微孔較為發(fā)育；H4 回滯環(huán)形態(tài)多發(fā)育在鈣質(zhì)頁巖中，孔隙形態(tài)以狹縫狀孔隙為主，具有較多孔隙不發(fā)育的致密基質(zhì)。

（3）鄂爾多斯盆地西部烏拉力克組頁巖儲(chǔ)層孔隙表面與孔隙結(jié)構(gòu)具有明顯的分形特征，孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度大于孔隙表面，非均質(zhì)性強(qiáng)。TOC含量、黏土礦物含量和石英含量越高，孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙表面也越復(fù)雜。

（4）鄂爾多斯盆地西部烏拉力克組頁巖底部深水盆地相硅質(zhì)頁巖巖相是勘探的有利目標(biāo)，微、介、宏孔均發(fā)育，孔隙空間大；中下部廣海陸棚相有機(jī)質(zhì)發(fā)育程度較低，混合頁巖巖相是較為有利的目標(biāo)勘探相帶，孔隙度較大，以微、介孔為主，略差于硅質(zhì)頁巖巖相；上部臺(tái)地前緣斜坡相形成于氧化環(huán)境，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，發(fā)育的鈣質(zhì)頁巖巖相，孔隙度小，孔隙結(jié)構(gòu)差，儲(chǔ)層致密，不利于頁巖氣儲(chǔ)集，不是頁巖氣勘探的目標(biāo)相帶。