下揚子地區二疊系海相頁巖孔隙特征新認識及頁巖氣勘探啟示

朱文博 張訓華 周道容 方朝剛 李建青 黃正清

1.中國海洋大學海洋地球科學學院 2.中國地質調查局青島海洋地質研究所 3.中國地質調查局南京地質調查中心

0 引言

頁巖儲層內部發育有大量結構復雜的微米—納米級孔隙，頁巖氣以吸附或游離態儲存在其中，這些微觀孔隙結構特征是影響頁巖氣藏儲集性能的重要因素[1-2]。對孔隙體積、比表面積、形狀、空間分布以及連通性等孔隙結構要素的研究，是揭示頁巖氣富集機理的關鍵。同時由于分形維數在表征物質空間填充程度、結構復雜性方面有較好的應用效果，越來越多的學者將分形理論運用到頁巖孔隙結構的研究當中[3-5]。

下揚子地區中上二疊統大隆組以及孤峰組頁巖具有厚度大、有機質豐度高、分布范圍廣、熱演化程度適中等特點，具有很大的頁巖氣勘探開發潛力[6-8]。目前，國內針對下揚子地區二疊系海相頁巖油氣的勘探工作仍處于探索階段[9-12]，頁巖孔隙結構特征及控制因素相關的研究較為薄弱。2017年9月，南京地質調查中心于下揚子宣涇地區實施了頁巖氣參數井WXY-1井，成功鉆穿二疊系大隆組、龍潭組、孤峰組，對探索二疊系頁巖巖相發育、儲集空間及含氣性特征具有重要意義。

筆者以下揚子地區大隆組和孤峰組頁巖作為研究目標，選取WXY-1井巖心作為實驗樣品，綜合運用氬離子剖光—掃描電鏡、高壓壓汞、CO2及N2吸附測試來揭示不同尺度的頁巖孔隙發育特征，并結合有機地球化學數據、礦物組分來研究影響孔隙結構發育的主要因素。同時利用分形維數理論，對較小孔隙及較大孔隙進行了分類計算擬合，探討了分形特征對頁巖氣儲集能力的影響，以期為頁巖氣勘探開發提供相關科學依據。

1 地質背景

下揚子地區處于揚子板塊東緣，其西北以郯廬斷裂帶與華北板塊為界，東南以江山—紹興斷裂帶與華夏地塊為界[13]。在漫長的海相盆地演化過程中，下揚子地區出現了多次大量有機質匯聚的時期，為生油生氣提供了重要的物質基礎[14]。整個二疊紀期間，下揚子地區基本處在連續下沉的海洋環境，沉積了200～1 000 m的海相碎屑巖和碳酸鹽巖，包含了海陸過渡相的龍潭組以及陸棚—盆地相的大隆組、孤峰組。經過晚石炭世末和早二疊世初短暫的抬升剝露之后，海水全面侵入，使早二疊世成為本區晚古生代最大的海侵期；至早二疊世晚期，海水進一步加深，沉積了以黑色富有機質碳質硅質頁巖、硅質巖為主的孤峰組海相頁巖[15]。中二疊世海水部分退出本區，而晚二疊世初期的海侵范圍也只局限在蘇州—湖州一線以北，沉積物以龍潭組濱岸沼澤煤系地層為主[16]；晚期海侵迅速擴大，除少數隆起上為碳酸鹽巖沉積（長興組）外，一般水體較深，水流不暢，為非補償的大隆組硅泥質沉積[17]。

下揚子地區后期受印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動擠壓隆起和斷陷，部分區域遭受風化剝蝕，現今的二疊系主要出露在東至—涇縣—寧國—廣德—安吉—湖州一線以北、巢湖—含山—南京—鎮江一線以南的廣大區域，整體上呈北東—南西向條帶狀分布。孤峰組整體呈北東向展布，以東至—貴池—銅陵為“脊”，銅陵—南陵地區厚度達60～110 m，向北西和南東逐漸減薄，厚度一般為20～60 m。有機質豐度（TOC）在南部懷寧—銅陵—涇縣一線很高，涇縣昌橋達到9.11%，總體上普遍達到3%以上，并向北逐漸減小。大隆組在下揚子南部和中部較厚，東側和北側厚度較薄，在涇縣—寧國地區厚度40～60 m，銅陵—無為—巢湖地區主體為20～40 m，有機碳含量較高，普遍大于2%（平均為4.36%）[18]。宣涇地區處于下揚子板塊的蘇皖南坳陷南部，是下揚子中上二疊統富有機質泥頁巖的主要富集區。WXY-1井位于安徽省宣城市宣州區楊柳鎮興洋村，完鉆井深為2 750 m（圖1），在深度1 412～1 478 m及1 659～1 709 m分別鉆穿目的層大隆組和孤峰組，取得了良好含氣性顯示。

2 有機地化及巖相特征

本次研究共采得巖心樣品45塊，層位分別為孤峰組和大隆組，巖性主要為灰黑色至黑色碳質頁巖和硅質頁巖。對樣品有選擇性的做了全巖礦物組分測試（45件）、干酪根顯微組分鑒定（18件），以及多項有機地化測試：TOC（45 件）、Ro（41 件）、S1+S2（18件）、氯仿瀝青“A”（19件）和干酪根碳同位素（17件），并選取了部分典型樣品進行了氬離子剖光—掃描電鏡測試（27件）、CO2吸附（14件）、低溫N2吸附（17件）及高壓壓汞實驗（6件）。其中CO2吸附實驗由中國煤炭地質總局檢測中心完成，有機地化、全巖礦物組分、N2吸附由重慶地質礦產研究院完成，掃描電鏡、干酪根顯微組分及壓汞實驗由華東油氣分公司實驗研究中心完成。

2.1 有機地化特征

WXY-1井大隆組頁巖有機碳含量（TOC）介于1.21%～6.84%（均值3.52%）；生烴潛量（S1+S2）介于1.082～ 4.585 mg/g（均值2.574 mg/g）；氯仿瀝青“A”含量介于0.029 2% ～ 0.092 4%（均值0.0578%）；鏡質體反射率Ro為1.01%～1.48%（平均為1.28%）。干酪根顯微組分鑒定透光下呈深褐色—黑色（圖2-a、b），藍光激發無熒光顯示，有機質的一部分可能已經轉化成烴類，殘余部分中正常鏡質體、絲質體還保留鏡下特征，易于辨認，其余組分在鏡下特征傾于一致，綜合鑒定大隆組基本以殼質組（腐質無定形體）、鏡質組（正常鏡質體）和惰質組（絲質體）為主，有機質類型為偏腐殖混合型—腐殖型（Ⅱ2—Ⅲ）。

孤峰組測試TOC介于1.18%～17.22%（均值7.09%）。由于受到下伏燕山期侵入巖體的烘烤，其余生烴指標受到很大影響，生烴潛量（S1+S2）介于 0.013 2 ～ 1.142 6 mg/g（ 均 值 0.252 mg/g）， 氯仿瀝青“A”含量介于0.001 7%～ 0.033%（均值0.009%），Ro為 2.54% ～ 3.03%（ 平 均 為 2.72%）。所有孤峰組樣品顯微組分透光下呈黑色（圖2-c、d），藍光激發無熒光顯示，大隆組樣品常見的鏡質體、絲質體在孤峰組樣品中已經不能確定有無，所有顯微組分已經顆粒化，鏡下特征趨于一致，看不清母質原始結構，無法鑒定其類型。但通過對孤峰組干酪根δ13C值的測試（其值介于－29.93‰～－24.63‰，均值－28.72‰），并根據梁狄剛對揚子地區海相烴源巖干酪根類型的總結[19]，孤峰組主體應屬于混合型（Ⅱ）干酪根。有機地化數據表明下揚子二疊系大隆組及孤峰組都具有良好的頁巖氣成藏物質基礎（表1）。

表1 宣涇地區WXY-1井二疊系頁巖樣品地球化學分析數據表

2.2 巖相特征

WXY-1井頁巖樣品的全巖和黏土礦物組分分析結果顯示，大隆組頁巖以黏土礦物為主，含量18%～58%（均值40.18%），上段以伊利石、伊/蒙混層為主，其次為綠泥石，不含高嶺石與蒙脫石，中段及下段以伊利石和高嶺石為主，其次為伊/蒙混層與綠泥石，不含蒙脫石；石英次之，含量為23%～49%（均值35.31%）；碳酸鹽礦物含量為2%～55%，均值13.74%；其余為長石（鉀長石0～2%，斜長石0～11%）、黃鐵礦（0～10%）等。孤峰組頁巖以石英為主，含量為18%～58%（均值40.18%）；黏土礦物含量為7.4% ～55%（均值26.98%），黏土組分以伊利石為主，少量的伊/蒙混層、高齡石及綠泥石，不含蒙脫石；碳酸鹽礦物含量在0～39%，均值8.86%；長石以斜長石為主，含量0～5.8%，黃鐵礦含量介于0～9.4%。研究區脆性礦物為石英、長石及黃鐵礦，其含量可反映頁巖的脆性程度，并影響頁巖氣開采的后期壓裂改造效果[20]。大隆組頁巖脆性礦物含量介于31%～61%（均值45.39%），孤峰組頁巖脆性礦物含量介于24%～89.2%（均值64.06%），兩者都具備良好的可壓裂條件，相比較而言，孤峰組整體硅質含量更高，是更有利的可壓裂層段。

本次研究采用吳藍宇等的劃分方案對頁巖巖相進行劃分[21]，根據X—全巖衍射礦物分析結果，通過硅質礦物（石英+長石）—碳酸鹽礦物（方解石+白云石）—黏土礦物三端元圖解對頁巖進行了分類，當硅質礦物含量大于50%時，為硅質頁巖相組合（S）；當碳酸鹽礦物含量大于50%時，為鈣質頁巖相組合（C）；當黏土礦物含量大于50%時，為黏土質頁巖相組合（CM）；而當硅質、碳酸鹽及黏土礦物的含量均小于50%且大于25%時，為混合質頁巖相（M）；按三端元含量的25%、50%、75%可將上述4個頁巖相組合進一步細分為16種頁巖巖相（圖3）。WXY-1井大隆組TOC＞4%巖相主要分布在富泥硅質頁巖S-3、富泥/硅混合質頁巖M-2及富硅灰質頁巖C-1，2%＜TOC＜4%巖相主要分布在富硅泥質頁巖CM-1、富泥硅質頁巖S-3，TOC＜2%巖相主要分布在富硅泥質頁巖CM-1。孤峰組絕大多數樣品TOC都在4%以上，主要分布在硅質巖S巖相，4%以下巖相分布在混合質頁巖M。由此可以看出，硅質巖相S、富泥硅質頁巖S-3、富泥/硅混合質頁巖M-2的有機碳含量普遍較高，為研究區的二疊系海相頁巖的優勢巖相。

3 頁巖孔隙特征

3.1 頁巖孔隙結構鏡下特征

孔隙類型、孔隙結構及其連通性是評價頁巖氣儲層物性的關鍵因素，目前對頁巖氣儲層孔隙的分類方案尚未統一[11]。本次研究參照Loucks等的分類方案[1]，采用有機質孔、無機質孔（分為粒內孔、粒間孔）、微裂隙來描述頁巖儲集空間，并運用氬離子剖光—高分辨率掃描電鏡，對大隆組和孤峰組頁巖樣品的微觀孔隙進行了鏡下觀測及半定量分析。

3.1.1 微裂縫

微裂縫的廣泛發育既有利于游離氣的大量存儲，又可提升儲層滲透性；其產生不僅與斷層和褶皺等構造運動相關，同時也受到黏土礦物脫水等非構造成因的影響。鏡下觀察，宣涇地區大隆組、孤峰組黑色頁巖微裂縫系統較為發育，主要發育在脆性礦物或黏土礦物顆粒的內部及邊緣。相對而言研究區孤峰組頁巖受構造活動影響更強，具有明顯的揉皺構造以及方解石脈充填裂縫現象（圖4-a）；并可見由揉皺構造作用引起的糜棱化現象（圖4-b）。孤峰組頁巖多見構造成因裂縫（圖4-c），長度可達數十微米，縫中部分充填黏土礦物和碳酸鹽礦物；在有機質與無機礦物接觸邊緣以及有機質內部也發育有微裂縫（圖4-d），脆性礦物顆粒邊緣微裂縫發育特征與礦物顆粒形態相關，常圍繞顆粒一周（圖4-e）。脆性礦物與黏土礦物顆粒內部微裂縫一般較為平直，少彎曲，少有膠結物充填，裂縫長度為0.2～3 μm（圖4-d、f）；可能與有機質生、排烴過程中脫水收縮有關。

3.1.2 有機質孔

宣涇地區大隆組、孤峰組頁巖中發育有大量有機質孔，主要為納米孔，大小不一，孔徑范圍在數納米至數百納米之間，大多呈不規則狀，如狹縫型、棱角形、分叉形，也存在氣泡狀、橢圓狀和近橢圓狀形態。由于受掃描電鏡分辨率制約影響，小于2 nm的孔隙無法有效識別，二疊系頁巖有機質孔在鏡下主要以介孔為主。有機孔按照發育情況可劃分為4種類型：①有機質孔隙極發育，呈海綿狀分布，孔隙為棱角狀，孔徑多為數十納米，此類孔隙分布最為廣泛，在大隆組、孤峰組均普遍發育（圖5-a、b）；②有機孔隙離散孤立發育，圓度高，孔徑多為數百納米，此類孔隙分布較局限，鏡下主要在大隆組樣品觀測到（圖5-c）；③復雜較大孔隙，由多個子孔合并而成，具有內部結構，孔徑可達1.1 μm，此類孔隙也發育較少（圖5-d、e）；④有機質孔不發育或局部發育，在不規則團塊狀、條帶狀及生物結構形有機質內可見（圖5-f），與有機質類型相關[22]。總體而言，宣涇地區中上二疊統海相頁巖鏡下以不規則形狀有機質孔隙為主，連通性較好，單個粒內孔隙半徑多集中在數十納米左右，但大隆組有機質孔類型更為多樣，孔徑分布范圍更大，孤峰組平均孔徑較小，孔隙不規則性更強。

3.1.3 無機質孔

宣涇地區大隆組、孤峰組頁巖無機質孔可以分為粒內孔和粒間孔兩大類，其中，粒間孔發育有礦物粒間孔（圖6-a、b）、黏土礦片間孔隙（圖6-c）及晶間孔隙（圖6-d、e）；粒內孔發育在顆粒或晶體內部，鏡下可見黃鐵礦顆粒溶蝕所形成的鑄模孔（圖6-e），并發育少量的棱角狀的礦物表面孔（圖6-f）。大隆組、孤峰組頁巖無機質孔以粒間孔為主，多見于黏土、黃鐵礦及自生石英燈礦物晶體間，孔隙發育集中，孔徑多為數十納米，吸附性較強且連通性好；而粒內孔發育較少，孔徑大且分布較零散，孔隙間不連通。

3.2 孔隙結構及孔徑分布特征

通過CO2、N2吸附實驗獲得了頁巖樣品納米尺度孔隙分布特征，通過壓汞實驗獲得了微米尺度的孔隙分布特征。可以看出除了大隆組樣品XY-25外，其余曲線表現出較為一致的特征（圖7）。在低壓部分（p＜0.79 MPa）進汞量隨壓力增大但沒有明顯變化，說明在此壓力段孔隙基本不發育；0.79 MPa＜p＜15 MPa期間進汞量快速增加，說明此壓力段孔隙發育較好；15 MPa＜p＜65 MPa進汞量保持緩慢增加，大于65 MPa時，進汞量增速加快，直到最大壓力時，進汞量依然在增加，說明頁巖中存在大量孔徑小于10 nm的孔隙（圖7-a）。從退汞曲線可以看出，其退汞效率很低，表明孔隙與喉道分布不均一，泥頁巖中發育有大量連通性差、喉道細小的似墨水瓶孔隙[24]。汞飽和度增量隨孔徑的變化規律，可以看出大隆組、孤峰組的頁巖孔徑主要在3～10 nm以及60～1 200 nm這兩個孔徑范圍內有貢獻，大于3 μm孔徑的孔隙基本不發育（圖7-b）。同時，壓汞實驗揭示大隆組、孤峰組頁巖普遍孔隙度很低，介于0.525%～1.185%之間，大于50 nm的孔容介于（0.774 ～ 1.183）×10－3cm3/g（表 2）。

表2 WXY-1井頁巖樣品高壓壓汞法孔體積分布表

典型樣品的N2吸附曲線（8-a、b），按國際理論和應用化學學會（IUPAC）分類，大隆組、孤峰組頁巖均表現為Ⅳ型等溫吸附線，都具有回滯環[23]。所有樣品在相對壓力p/po＜0.8后，曲線上升速度加快并且未產生吸附飽和現象，表明頁巖中存在較大孔徑的開放性孔隙并發生了毛細凝聚，吸附曲線上升速率越大，表明其孔隙開放程度越大。同時，在相對壓力處于較低區間時（0＜p/po＜0.4），吸附曲線與脫附曲線越重疊，說明在較小孔徑范圍內的孔隙形態越封閉。從CO2吸附量曲線可以看出，孤峰組頁巖對CO2的吸附能力明顯大于大隆組，說明其微孔孔隙更為發育（圖8-c）。可知大隆組較孤峰組頁巖普遍表現出更為開放的孔隙系統。此外，回滯環類型按照IUPAC可大致分為4類（圖8-d），H1和H2型回滯環吸附等溫線上有飽和吸附平臺，反映孔徑分布較均勻；H3和H4型回滯環等溫線沒有明顯的飽和吸附平臺，表明孔結構很不規整。大隆組、孤峰組頁巖樣品回滯環主要表現為H3型并具有明顯拐點，孤峰組樣品兼具H4型特征，指示樣品孔隙類型雖不規則，但主要以平板狀、狹縫狀以及墨水瓶狀等開放型孔隙為主[25]。該類孔隙連通性較好，孔隙結構對頁巖氣的運移有利。

由于低溫CO2只適用于微孔的表征，N2吸附無法準確表征1.5 nm以下的孔徑，故本次研究選取CO2實驗數據來表征小于1.5 nm的微孔，大于1.5 nm的微—介孔選取N2吸附實驗數據表征。分別對頁巖樣品的微孔（＜ 2 nm）、介孔（2～50 nm）的孔體積進行統計（表3）。研究發現宣涇地區大隆組頁巖樣品BET比表面積在1.30 ～8.0 m2/g（均值4.35 m2/g）；微孔、介孔的孔容平均值分別是4.39×10－3cm3/g、7.14×10－3cm3/g；BJH 平均孔徑較高，為8.272～11.144 nm（均值9.29 nm）。孤峰組頁巖樣品BET比表面積在8.28～32.97 m2/g（均值19.79 m2/g）；微孔、介孔的孔容平均值分別是8.95×10－3cm3/g、12.17×10－3cm3/g；BJH 平均孔徑介于3.971～7.974 nm（均值5.07 nm）。結合壓汞測試所得的宏孔容數據（0.774×10－3～1.183×10－3cm3/g）可知，微孔與介孔是大隆組與孤峰組孔隙體積的主要貢獻者，宏孔占比低。大隆組頁巖孔隙結構與孤峰組具有一定的差異，大隆組具有較低的比表面積和總孔容，以及較高的平均孔徑；孤峰組與之相反，并且微孔、介孔的孔容均明顯大于大隆組，表明頁巖孔徑分布對比表面積及總孔容有很大影響。微孔越多，平均孔徑越小，比表面積及總孔容越大。同時，宏孔在大隆組、孤峰組頁巖孔隙當中占比很低，說明與頁巖氣滲流能力密切相關的較大孔徑孔隙發育較少，暗示了大隆組、孤峰組頁巖較差的頁巖氣運移能力和滲流條件。

3.3 分形維數計算

以往研究證明頁巖的孔隙結構通常具有明顯的非均質性，分形維數（D）常被用來定量表征頁巖孔隙表面粗糙度和結構不規則性[26]。本文應用FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型對N2吸附/脫附曲線進行了計算，公式如下：

其中，V代表平衡壓力p下的吸附體積（cm3）；po（MPa）是飽和蒸汽壓力；K是與吸附機理和分形維數D相關的常數，K=D－3；C是常數。巖石的分形維數介于2～3之間時，可反映孔結構或孔表面的非均質性，分形維數越接近2，代表孔隙表面越規則；分形維數越接近3，孔隙表面則越不規則[27]。根據DFT理論方程及前人研究，相對壓力p/po為0.45時對應的孔徑為4.34 nm，可將p/po＜0.45劃分為低壓區，對應直徑小于4.34 nm的小孔隙；將p/po＞0.45劃分為高壓區，對應直徑在4.34～100 nm的較大孔隙[4]。在計算分形維數時，利用吸附等溫線在低壓段和高壓段分別進行擬合計算，得到代表小孔隙的分形維數D1和代表較大孔隙的分形維數D2（表3），分別用于表征小孔隙和大孔隙的表面與結構復雜程度。

表3 WXY-1井頁巖樣品孔隙結構參數

經計算，大隆組頁巖分形維數D1為2.451 5～2.551 3（均值為 2.522 7），D2為 2.581 7 ～ 2.657 8（均值為2.624 6）；孤峰組頁巖分形維數D1介于2.581 7～2.657 8（均值2.624 6），D2介于2.722 7～2.871（均值為2.813）。結合孔徑分布研究，二疊系頁巖孔徑大于4.34 nm的孔隙普遍更具多樣性。究其原因，應該是較小孔隙類型相對單一，而較大孔隙類型復雜多樣，正如掃描鏡下顯示的那樣，微裂縫、粒間孔、粒內孔、次生溶蝕微孔以及各種形態的有機質孔等共同構成了較大孔隙體系。同時，分形維數D1與D2顯示孤峰組頁巖尤其是在較大孔隙中，具有更為復雜的孔隙結構特征，這也與鏡下觀察到的特征相符。

4 討論

4.1 孔隙發育影響因素分析

由于表征宏孔段的壓汞測試數量少（僅6樣），難以形成規律性結論，本次研究主要圍繞微孔與介孔進行。將不同尺度孔隙孔容與TOC及礦物組成進行了相關性分析，可以看出不同地層的孔隙結構控制因素差異很大（圖9）。大隆組頁巖樣品中，在一定范圍內的有機碳含量（TOC＜6%）與微孔、介孔的發育具有一定的負相關關系，但當有機碳繼續升高，孔隙發育程度具有明顯的提升（紅色虛線方框內樣品）；脆性礦物含量與孔隙發育也成較低的負相關關系；而黏土礦物含量與微孔孔隙發育具有很高的正相關（R2=0.949 3），與介孔的發育沒有明顯的相關性。對于孤峰組頁巖樣品，TOC與微孔發育（R2=0.673 6）具有較好的正相關關系；脆性礦物含量與微孔、介孔孔隙的發育具有一定的正相關性（R2分別為0.395 2、0.286）；黏土礦物特征與脆性礦物相反，與微孔、介孔孔隙具有一定的負相關關系（R2分別為0.321 7、0.336）。

對比不同頁巖孔隙結構參數與TOC及礦物組成的相關性，發現大隆組頁巖比表面積與TOC、脆性礦物含量成反比關系；孤峰組頁巖比表面積與TOC、脆性礦物含量成一定正比，與黏土礦物含量成一定反比。同時平均孔徑越小，大隆組與孤峰組頁巖比表面積越大，結合之前孔徑分布特征的研究，說明對二疊系海相頁巖而言，孔隙平均孔徑越小，比表面積和總孔體積越大。

綜上，對于具有較低有機質豐度的大隆組頁巖而言，孔隙結構尤其是微孔發育受黏土礦物含量影響最大。大隆組頁巖礦物組分以黏土礦物為主（均值40.18%），有機質含量較少且熱演化程度較低，有機質孔未能得到充分發育，反而黏土礦物以及與黏土礦物相關的無機孔提供了大量的孔隙，如層間孔隙、晶間孔隙以及成巖收縮縫等。在掃描電鏡下我們可以看到有機質常常與黏土礦物伴生，這也有利于有機質孔的發育。在成巖過程當中，蒙脫石向伊利石轉化期間能夠降低熱解反應的活化能，對干酪根熱解生烴具有催化作用，可以提升熱解反應速率并促進有機質孔的發育[28]。而對于以富有機質硅質巖相為主的孤峰組，有機質豐度及脆性礦物含量才是孔隙發育的主控因素。前人研究表明不同黏土礦物的晶層及孔隙結構不同，比表面積也存在很大差異。蒙脫石黏土微孔隙最為發育，其次為伊/蒙混層黏土，伊利石樣品中的納米級孔隙極少[29]。孤峰組頁巖黏土礦物含量較少，并且由于受到燕山期火山巖體的烘烤致使熱演化成熟過高（Ro介于2.54%～3.03%），黏土組分以伊利石為主，只含少量的伊/蒙混層，不含蒙脫石，造成黏土礦物只能提供極少的孔隙，無法對孔隙的發育造成很大影響。同時高的熱演化程度使得孤峰組頁巖有機質孔大量發育，生烴過程中產生的有機酸、H2S、CO2、NH3和CH4等，會進一步對易溶礦物進行溶蝕而形成次生孔隙，如鏡下觀察到的黃鐵礦顆粒溶蝕所形成的大量鑄模孔。

研究區脆性礦物主要包含石英、長石及黃鐵礦，以石英為主體，因此硅質來源會對孔隙的發育造成一定影響。大隆組頁巖石英與TOC沒有明顯相關關系，但孤峰組頁巖具有一定的正相關關系，說明大隆組硅質來源較為復雜，孤峰組硅質來源以生物成因為主。因此若孤峰組硅質含量越高，其往往也會具有更高的TOC含量，能提供更多的有機質孔以及脆性礦物粒間孔。此外，高含量的脆性礦物可以起到支撐作用，避免孔隙因受構造擠壓而減少；另一方面高脆性頁巖在外力作用下更容易形成孔縫，對頁巖的儲層物性有一定改善作用。大隆組脆性礦物含量提升會造成其孔隙主控因素黏土含量的減少，致使比表面積及各尺度孔隙的孔容與脆性礦物含量成反比關系。但從整體上來看，黏土礦物所提供的比表面積與孔容無法與有機質相比。當有機質含量提升到一定程度，并隨著熱演化程度升高，二疊系頁巖的總孔容以及比表面積會隨著黏土含量的增長而減低，隨著TOC的增長而提升。

4.2 分形維數影響因素分析

4.2.1 分形維數與孔隙結構參數的關系

宣涇地區二疊系孤峰組、大隆組頁巖孔隙分形維數（D1、D2）與孔隙結構參數的相關關系。大隆組頁巖分形維數D1與比表面積、介孔容都成一定正比，但相關程度較低；分形維數D2只與平均孔徑具有較好的負相關關系。孤峰組頁巖分形維數D1與比表面積、微孔容、介孔容有較好的負相關；分形維數D2與平均孔徑具有很好的負相關關系，與比表面積、微孔容成正比（圖10）。

可以看出分形維數D1、D2有各自側重點。分形維數D1對比表面積、孔隙發育更具敏感性，D2表征平均孔徑效果更好。同時在不同巖性中，生物成因硅質巖相的孤峰組頁巖分形維數表現出更好的應用效果，D1與D2在表征孔隙發育方面都能有較好的表現，但分形維數D1側重于介孔孔隙發育，D2側重于微孔孔隙的發育。此外由于控制孔隙發育的影響因素不同，造成分形維數D1在表征大隆組、孤峰組比表面積以及孔隙發育的應用中，得出了相反的相關關系結果。

4.2.2 分形維數與礦物組分、TOC的關系

宣涇地區二疊系孤峰組、大隆組頁巖孔隙分形維數（D1、D2）與TOC含量、礦物組分的相關關系。大隆組頁巖分形維數相關性表現較差，D1與黏土礦物表現出較少的正比關系，與TOC及脆性礦物含量表現出較差的負相關；分形維數D2只與脆性礦物組分成較少正比。孤峰組頁巖分形維數D1與脆性礦物含量有較好的負相關，與黏土礦物含量成一定程度的正比；分形維數D2與脆性礦物以及TOC含量成較小的正比關系（圖11）。

頁巖孔隙鏡下特征顯示，有機質孔形態會隨著孔徑的減小，從復雜網狀向蜂窩狀、海綿狀等相對簡單的形態轉變，這也是表征較大孔隙的D2數值大于D1的原因之一。按此趨勢，若孔徑進一步降低，有機質孔形態應更為簡單[3]。對于孤峰組頁巖，微孔發育主要受有機質控制，微孔容增加說明有機質微孔大量發育，平均孔徑會隨之降低，較小孔隙的復雜程度反而會降低，但較大孔隙會因為微孔的增加而更加復雜，表現為分形維數D1數值降低、D2數值增加。脆性礦物提供的孔隙主要集中于介孔至宏孔，脆性礦物含量的增加會導致較大孔隙的增多，增加了較大孔隙的復雜程度但減少了較小孔隙的復雜程度，表現為D2數值增大以及D1數值的減小；同時脆性礦物與有機質有較好的正相關性，脆性礦物增加從側面體現了有機質微孔的增加，也使得D1數值降低。而黏土礦物在過高的熱演化程度下只能提供很少的孔隙，黏土礦物含量的增加會抑制微孔的發育，導致以有機孔為主體的較小孔隙復雜程度的提升。

對于大隆組頁巖，黏土礦物是控制微孔孔隙發育的首要因素。隨著黏土礦物含量的增加，頁巖中發育的較小孔隙（微孔和部分介孔）增多，導致頁巖孔隙表面和結構復雜程度增加，因此分形維數D1隨之增加。而TOC含量的增加意味著頁巖中發育的較大孔隙（部分中孔和宏孔）增多，降低了小孔隙復雜程度，因此分形維數D1隨之減少。脆性礦物與在孤峰組頁巖中表現的特征相似，脆性礦物含量的增加會提供更多較大孔隙，導致D2數值增大以及D1數值的減小。

對比可知，分形維數D1相對D2能更好地表征礦物組分，但都對TOC沒有很好的相關性顯示。同時在以有機質孔為主體的孔隙體系當中，分形維數的應用效果會更好。綜上，大隆組頁巖孔隙分形維數的影響因素主要是黏土礦物，而孤峰組頁巖孔隙分形維數的影響因素主要是TOC以及脆性礦物；結合之前對孔隙發育影響因素的討論，分形維數的影響因素可以歸根于影響孔隙尤其是微孔發育的控制因素。

4.3 油氣勘探意義

4.3.1 分形維數與儲集能力的關系

頁巖的吸附氣儲集能力受比表面積的控制，游離氣儲集能力受孔隙體積的控制[30]。結合本文研究內容，分形維數作為表征多孔介質孔隙結構非均質性的重要參數，能夠較準確地反映各尺度的孔隙發育、比表面積、孔徑、礦物組分以及孔隙復雜程度等泥頁巖特征。因此可以綜合運用分形維數D1與D2對頁巖的儲集能力進行評價。

對于海相生物成因的硅質頁巖，分形維數D1與頁巖比表面積以及各尺度孔容都呈反比關系，隨著D1數值的增加，其吸附氣以及游離氣儲集能力都會隨之降低；同時D1與礦物組分相關性較好（圖11），D1數值越低，說明脆性礦物含量越高，黏土礦物含量越低，越有利于后期開采的壓裂。分形維數D2與頁巖比表面積、微孔容成正比，說明雖然隨著D2的增加，頁巖的吸附氣儲集能力會提升；此外，分形維數D2與平均孔徑成很高的負相關關系，D2越大，頁巖的平均孔徑越小，孔隙結構越復雜，氣體在頁巖中的擴散以及滲流也就越困難[31]。因此分形維數D1相對較低、分形維數D2相對較高的海相硅質頁巖層段對頁巖氣的儲集更為有利。

對于富泥硅質頁巖，由于分形維數D1與頁巖比表面積以及各尺度孔容都呈正比關系，D1數值的增加意味著頁巖儲集能力的提升。同時，D1與黏土礦物含量成正比，與脆性礦物含量成反比，太高的D1值反而不利于后期的開發。D2雖然與脆性礦物成一定正比，但與平均孔徑成反比，過高的D2將不利于游離氣的儲集。因此，對于富泥硅質巖相的頁巖，擁有較高的分形維數D1及D2更有利于頁巖氣勘探開發，但都需要一定的限制。

對比發現，孤峰組頁巖具有更好的吸附氣儲集能力以及后期的壓裂改造環境，大隆組具有更好的游離氣儲集能力以及優良的吸附氣儲集能力，但后期的壓裂改造環境相對較差。

4.3.2 對下揚子頁巖氣勘探的啟示

下揚子地區主要經歷了早中三疊世以前的穩定沉降、晚三疊世至早白堊世的擠壓推覆、晚白堊世以后的拉張斷陷、喜山期的隆升等構造演化，遭受了比中、上揚子地區更強烈的后期改造，對古生界海相地層產生了巨大影響，構造更為破碎。多期次大范圍的抬升使得下揚子構造定型期遠晚于生烴成藏期，致使游離態頁巖油氣成藏條件極為不利。傳統背斜高點、斷鼻和斷層遮擋等“上蓋側封”的構造圈閉的思路方向，在下揚子頁巖氣勘探中難以獲得突破，中小尺度納米孔縫結構、源生源儲吸附態成藏的可能性需要更深入研究[32]。

對于源生源儲成藏尤其是吸附態成藏而言，要求微觀孔縫結構必須是小尺度（介孔以下），此時油氣的成藏動力不再是浮力，而是地層壓力（即孔隙流體壓力）。下揚子二疊系大隆組、孤峰組頁巖微孔隙大量發育，結構組成以微孔及介孔為主體，具備吸附態以及源內游離態頁巖氣賦存成藏的儲層條件；此外，高硅質含量以及以有機質孔為主體的微孔體系，使得孤峰組更具備吸附態頁巖氣生成和保存的條件。下揚子地區二疊系頁巖有機質豐度高、熱演化程度適中，具備良好的頁巖油氣生成基礎，在下揚子后期構造變形相對較弱、源內頁巖氣成藏動態平衡條件未受破壞的地區，依然有成藏的可能。按照下揚子現今地溫梯度估算（大部分區域處于18～ 25℃/km），二疊系海相頁巖的生烴門限深度在3 800～4 200 m[33]。結合本次研究成果，應選擇具有高分形維數D1、D2的大隆組以及低D1、高D2的孤峰組頁巖段作為目標，在處于生烴門限深度（4 000 m）以下的富烴凹陷內尋找構造變形較弱的局部超壓區（帶），這將是下揚子二疊系頁巖氣的有利勘探方向。

5 結論

1）下揚子二疊系海相頁巖發育有微裂縫、有機質孔、粒內孔及粒間孔4種類型微觀孔隙，由于巖相不同造成大隆組與孤峰組孔隙結構具有一定差異。大隆組頁巖以富泥硅質頁巖、富泥/硅混合質頁巖為優勢巖相，具有較低的比表面積和總孔容以及較高的平均孔徑，有機質孔類型更為多樣，孔徑分布范圍更大；孤峰組以硅質頁巖為優勢巖相，具有較高的比表面積和總孔容以及較低的平均孔徑，并且微孔、介孔的孔容均明顯大于大隆組，孔隙不規則性更強。

2）微孔與介孔是大隆組與孤峰組孔隙體積的主要貢獻者，大隆組孔隙發育主要受黏土礦物控制，孤峰組孔隙發育受有機質及脆性礦物控制。此外，分形維數與孔隙結構、礦物組分以及TOC的關系表明其影響因素可以歸根于微孔發育的控制因素。大隆組頁巖分形維數D1為2.451 5～2.551 3，D2為2.581 7～2.657 8，孤峰組頁巖分形維數D1為2.581 7～2.657 8，D2為2.722 7～2.871，表現出較小孔隙類型相對單一、較大孔隙類型復雜多樣的特征，同時孤峰組頁巖具有更為復雜的孔隙結構特征。

3）分形維數D1對比表面積、孔隙發育以及礦物組分更具敏感性，D2對表征平均孔徑效果更好，兩者結合可以用于評價頁巖氣體儲集能力。對于生物成因硅質巖相頁巖，分形維數D1相對較低、分形維數D2相對較高的層段對頁巖氣的儲集更為有利；對于富泥硅質巖相的頁巖，分形維數D1及D2都較高的層段更有利于頁巖氣勘探開發。