準(zhǔn)噶爾盆地烏爾禾組凝灰?guī)r孔隙特征及其主控因素

柳忠泉, 曾治平, 胡海燕, 趙樂(lè)強(qiáng), 朱根根, 李松濤, 李凌

(1.中國(guó)石化勝利油田石油勘探和開(kāi)發(fā)研究院, 東營(yíng) 257064; 2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣地球化學(xué)與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430100)

近幾年來(lái),隨著油氣勘探深入,非常規(guī)油氣資源如頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油、致密油等成為油氣行業(yè)的研究重點(diǎn),是一種非常有潛力的油氣資源[1]。凝灰?guī)r儲(chǔ)層作為非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的一種,對(duì)其研究沒(méi)有像泥頁(yè)巖、致密碳酸鹽深入。目前,國(guó)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的凝灰?guī)r油氣儲(chǔ)層有:美國(guó)門(mén)羅盆地的Richland油氣田、印度尼西亞NW Java盆地的Jatibarang油氣田、新西蘭的Kora油田、日本吉井-東栢崎氣田等,中國(guó)發(fā)現(xiàn)的凝灰?guī)r油氣儲(chǔ)層有:三塘湖盆地條湖組凝灰?guī)r儲(chǔ)層[2]、酒泉盆地下白堊統(tǒng)沉凝灰?guī)r儲(chǔ)層、海拉爾盆地南屯組凝灰?guī)r儲(chǔ)層等[3-4]。國(guó)外對(duì)火成巖油氣藏的研究已有一百多年的歷史,但其勘探、研究程度總體較低,尚未對(duì)主要領(lǐng)域進(jìn)行全面勘探和深入研究。中國(guó)自1957年在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏以來(lái),經(jīng)歷了偶然發(fā)現(xiàn)、局部勘探和全面勘探三個(gè)階段,目前中國(guó)把火山巖油氣藏作為重要領(lǐng)域進(jìn)行勘探。研究區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地東道海子凹陷二疊系烏爾禾組凝灰?guī)r為鉆遇凝灰?guī)r地層,勘探和研究程度較低。

目前孔隙結(jié)構(gòu)的表征方法大致可分為三類(lèi):圖像分析法、流體注入法和物理探測(cè)法。一種為圖像分析技術(shù)利用各種顯微鏡及相關(guān)的圖像技術(shù)來(lái)觀察和分析巖石的孔隙特征。這種方法能夠可視化孔隙大小、形狀和分布等特征,從而提供孔隙度和孔隙大小分布等定量信息[5-6]。然而,它的準(zhǔn)確性依賴(lài)于巖石樣品、儀器性能和人為操作等因素。另一種流體注入技術(shù),在不同的壓力下將汞(Hg)注入樣品中,或通過(guò)N2和CO2等氣體測(cè)量注入測(cè)試樣品的數(shù)量,從而計(jì)算出孔隙大小分布和其他特性[7-8]。該方法方便且應(yīng)用廣泛。第三種是輻射探測(cè)技術(shù),包括核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)、小角度散射 (small angle X-ray scattering,SAXS)和計(jì)算機(jī)斷層成像(computed tomography,CT)等來(lái)表征孔隙空間結(jié)構(gòu),這些方法都具有無(wú)損、快速、信息量豐富等優(yōu)點(diǎn),但分析成本相對(duì)較高[5,9]。在這些實(shí)驗(yàn)方法中,高壓壓汞法、低溫N2吸附法和低壓CO2吸附法是最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的。然而,這些方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受到幾個(gè)因素的影響。例如,可壓縮檢測(cè)樣品可能會(huì)隨著外力的作用而改變體積。使用高壓可能會(huì)破壞樣品,破壞樣品的原始孔隙結(jié)構(gòu),影響壓力下的注入汞量。這可能會(huì)導(dǎo)致真孔體積和視孔體積之間存在一定程度的偏差。此外,由于巖石孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及每種方法用于表征孔隙的尺度和效果不同,使用任何單一方法并不足以完全表征巖石的孔隙結(jié)構(gòu)。因此,有必要采用多種方法聯(lián)合表征孔隙特征。此外,分形理論作為衡量頁(yè)儲(chǔ)層孔隙復(fù)雜程度與非均質(zhì)性的方法和理論[9-10]。但分形理論主要是與上述孔隙測(cè)量方法結(jié)合使用的,不能作為一種單獨(dú)的孔隙表征方法,而是作為孔隙研究方法的補(bǔ)充。考慮到凝灰?guī)r發(fā)育不同尺度微納米孔隙空間結(jié)構(gòu),且凝灰?guī)r復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)分形特征存在差異,但目前針對(duì)凝灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)多尺度分形特征的量化表征以及各孔徑范圍內(nèi)孔隙非均質(zhì)性特征差異和影響因素的研究相對(duì)較少。

以準(zhǔn)噶爾盆地烏爾禾組凝灰?guī)r為研究對(duì)象,在地球化學(xué)、巖石礦物學(xué)等研究的基礎(chǔ)上,聯(lián)合低壓CO2吸附和低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)、高壓壓汞法和掃描電鏡觀察等實(shí)驗(yàn)手段,采用定性描述與定量計(jì)算相結(jié)合的手段綜合表征凝灰?guī)r全孔徑孔隙結(jié)構(gòu)特征;同時(shí),針對(duì)不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)差異分別選用針對(duì)性的分形模型確定凝灰?guī)r不同尺度孔隙的分形特征;最后,探討烏爾禾組凝灰?guī)r的孔隙發(fā)育控制因素和揭示了烏爾禾組凝灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和礦物組分與分形維數(shù)之間的關(guān)系,以期為準(zhǔn)噶爾盆地凝灰?guī)r陸相頁(yè)巖油氣風(fēng)險(xiǎn)勘探和高效開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及樣品信息

準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆北部,形狀為不規(guī)則的三角形,東西長(zhǎng)約700 km,南北寬約370 km。根據(jù)構(gòu)造單元可將盆地自南向北劃分為:山前沖斷帶、東部隆起、中央拗陷、西部隆起、陸梁隆起和烏倫古拗陷[11-12]。研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地的中央坳陷的東道海子北凹陷(圖1),為準(zhǔn)噶爾盆地的二級(jí)構(gòu)造單元,北鄰滴南凸起,西鄰莫北凸起,西南鄰莫索灣凸起,東南鄰白家海凸起。該地區(qū)地層自下而上依次發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系,其中二疊系地層發(fā)育將軍廟組、平地泉組和烏爾禾組[13]。

樣品來(lái)自東道海子凹陷成6井的烏爾禾組,深度為6 494～6 500 m,巖性主要為沉凝灰?guī)r、硅化凝灰?guī)r(圖2)。主要礦物成分為石英、正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、黏土礦物、方解石以及少量的白云石和黃鐵礦(表1),其中石英含量介于13.7%～36.9%,平均23.41%;斜長(zhǎng)石含量介于5.9%～45.2%,平均27.13%;正長(zhǎng)石含量介于0～6.7%,平均1.63%;方解石含量介于0～29.3%,平均9.25%;白云石含量介于0～58%,平均12.64%,白云石相對(duì)含量變化范圍比較大;黃鐵礦含量介于0～2.9%,平均0.51%,僅有少部分樣品中含有黃鐵礦;黏土礦物含量介于5.5%～47.4%,平均25.9%。總有機(jī)碳TOC介于0.27%～2.06%,平均0.59%,總有機(jī)碳豐度較低;鏡質(zhì)組反射率介于1.30%～1.54%,平均值為1.44%,有機(jī)質(zhì)屬于高成熟階段。孔隙度介于3.24%～5.19%,平均值為4.18%。

2 凝灰?guī)r孔徑表征

國(guó)際化學(xué)聯(lián)合會(huì)(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)根據(jù)孔徑大小將孔隙分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)[14]。表征頁(yè)巖孔徑分布的方法有多種,如低壓CO2吸附、低溫N2吸附和高壓壓汞實(shí)驗(yàn)、核磁共振、小角中子散射、掃描電鏡等,每種方法各有特點(diǎn),均有一定的適用范圍。現(xiàn)通過(guò)低壓CO2吸附、低溫N2吸附和高壓壓汞實(shí)驗(yàn)聯(lián)合表征凝灰?guī)r的孔徑,這三類(lèi)實(shí)驗(yàn)可分別對(duì)微孔、介孔和宏孔進(jìn)行測(cè)試與表征,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)凝灰?guī)r的全孔徑表征[15]。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview map of the study area

圖2 部分樣品巖石薄片典型照片F(xiàn)ig.2 Typical thin images of part samples

表1 準(zhǔn)噶爾盆地烏爾禾組凝灰?guī)r樣品地化與礦物信息一覽表Table 1 Summary of geochemical and mineralogical information for the samples

2.1 基于CO2吸附定量表征凝灰?guī)r孔隙

低壓CO2吸附實(shí)驗(yàn)采用Autosorb-iQ全自動(dòng)比表面和孔徑分布分析儀,將樣品粉碎至60～80目,取粉碎樣品先在110 ℃的環(huán)境下進(jìn)行抽真空,除去樣品孔隙中的水分和揮發(fā)性物質(zhì),脫氣時(shí)間持續(xù)16 h,然后以純度大于99.999%的高純二氧化碳為吸附質(zhì),在273 K條件下測(cè)定不同分壓的二氧化碳吸附等溫線。測(cè)試流程嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21650.3—2011執(zhí)行。

烏爾禾組凝灰?guī)r樣品CO2等溫吸附曲線如圖3所示,等溫吸附曲線為Ⅰ型,并且曲線有略微的凸起形態(tài)。由于CO2分子與微孔大小在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上,分子以單分子層吸附或填充,CO2分子吸附過(guò)程迅速,在相對(duì)壓力(P/P0)小于0.03完成吸附。各樣品最大吸附量范圍為0.22～1.96 cm3/g,變化范圍較大,表現(xiàn)出了不同樣品微孔發(fā)育的差異性。

厄瓜多爾政府努力改善礦業(yè)投資環(huán)境，在8月份取消了暴利稅，并支持國(guó)家礦業(yè)公司(Enami)尋找合作伙伴合資開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

應(yīng)用 NLDFT(non-local density functional theory)模型解析CO2等溫吸附數(shù)據(jù),結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,凝灰?guī)r孔徑分布出現(xiàn)三個(gè)峰:范圍分別為0.34～0.38 nm、0.48～0.72 nm、0.72～0.85 nm,從各尺度微孔對(duì)孔體積的貢獻(xiàn)來(lái)看,0.48～0.72 nm孔徑范圍內(nèi)的微孔對(duì)凝灰?guī)r孔隙貢獻(xiàn)率最高。樣品C6-3、C6-5和C6-6較C6-1、C6-2、C6-4和C6-7微孔更加發(fā)育,從有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)孔徑發(fā)育的影響來(lái)說(shuō),有機(jī)質(zhì)在生、排烴過(guò)程中產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)孔,成熟度相近的凝灰?guī)r,有機(jī)質(zhì)豐度越高,孔徑小于2 nm的微孔越發(fā)育,有機(jī)質(zhì)孔為CO2提供了大量吸附點(diǎn)。

圖3 二氧化碳等溫吸附曲線Fig.3 Carbon dioxide isothermal adsorption curves

圖4 二氧化碳等溫吸附孔徑分布Fig.4 CO2 isothermal adsorption pore size distribution

2.2 基于N2吸附表征凝灰?guī)r孔隙

低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)采用Autosorb-iQ全自動(dòng)比表面和孔徑分布分析儀,同樣將樣品粉碎至60～80目,取粉碎樣品先在110 ℃的環(huán)境下進(jìn)行抽真空,除去樣品孔隙中的水分和揮發(fā)性物質(zhì),脫氣時(shí)間持續(xù)12 h,然后以純度大于99.999%的高純氮?dú)鉃槲劫|(zhì),在77 K條件下測(cè)定不同分壓的N2吸附-脫附等溫線。測(cè)試流程嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21650.2—2008執(zhí)行。

由N2等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲取吸附-脫附曲線,如圖5所示,N2等溫吸附-脫附曲線可分為三個(gè)階段:①低壓階段,此階段等溫吸附曲線平緩,出現(xiàn)凸起的形態(tài),氮?dú)夥肿右詥畏肿訉游皆谀規(guī)r介孔之中;②中壓階段,此階段氮?dú)馕剿俾视兴黾?氮?dú)夥肿佑蓡畏肿訉游睫D(zhuǎn)變?yōu)槎喾肿訉游?③高壓階段,此階段氮?dú)夥肿游剿俾恃杆僭黾?吸附曲線變陡,但在相對(duì)壓力接近1時(shí)未出現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象,說(shuō)明出現(xiàn)了毛細(xì)孔凝聚作用[16]。由于毛細(xì)孔凝聚作用的存在,導(dǎo)致氮?dú)夥肿釉诿摳降倪^(guò)程中出現(xiàn)了滯后,脫附曲線出現(xiàn)回滯環(huán)。回滯環(huán)的形狀與孔隙形態(tài)有著一定的關(guān)系,可根據(jù)回滯環(huán)的形狀判斷凝灰?guī)r孔隙形態(tài)[17]。

N2吸附曲線如圖5所示,由此可知樣品N2吸附量范圍為3.45～36.09 cm3/g,各樣品N2吸附量差異較大,表明各樣品介孔孔隙發(fā)育差異較大。根據(jù)IUPAC對(duì)氮?dú)馕矫摳角€回滯環(huán)劃分的4種類(lèi)型,即H1、H2、H3、H4,其中H1型反映圓筒狀孔,H2反映墨水瓶狀孔,H3反映平板狹縫狀結(jié)構(gòu)及楔形結(jié)構(gòu)孔隙,H4反映片狀孔隙。凝灰?guī)r氮?dú)馕矫摳角€回滯環(huán)與H3和H4類(lèi)似,表明凝灰?guī)r發(fā)育平板狹縫孔、楔狀孔隙。根據(jù)Brunauer提出的氮?dú)馕?脫附回滯環(huán)5類(lèi)劃分方案,即A、B、C、D、E,其中A型反映圓筒形孔,B型反映狹窄的平行板狀孔,C型反映錐形孔,D型反映錐形平板孔,E型反映墨水瓶狀孔。凝灰?guī)r氮?dú)馕矫摳交販h(huán)與B、C、D相一致,表明凝灰?guī)r發(fā)育錐形管孔、四端開(kāi)口的錐形平板孔和狹窄的平行板孔[18-21]。因此,研究區(qū)凝灰?guī)r孔隙形態(tài)多樣,是由多種類(lèi)型形成的復(fù)合孔隙體。

孔體積隨孔徑變化曲線如圖6所示,凝灰?guī)r孔徑分布出現(xiàn)多個(gè)峰值,當(dāng)凝灰?guī)r孔徑大于5 nm之后,圖形整體出現(xiàn)震蕩下降的趨勢(shì),綜合累計(jì)孔體積考慮,研究區(qū)凝灰?guī)r樣品介孔孔隙主要由5～40 nm的孔隙所提供,對(duì)于大40 nm的孔隙而言,其所提供的孔隙較少。累計(jì)孔體積變化范圍為0.004～0.050 cm3/g,變化范圍較大,介孔的發(fā)育程度與有機(jī)質(zhì)含量、黏土礦物含量表現(xiàn)出了一定的相關(guān)性。

圖5 氮?dú)馕?脫附曲線Fig.5 N2 adsorption-desorption curve

圖6 凝灰?guī)rN2吸附孔徑分布及累計(jì)孔體積Fig.6 Tuff N2 adsorption pore size distribution and cumulative pore volume

2.3 基于高壓壓汞法表征凝灰?guī)r孔隙

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)康塔PoreMaster GT全自動(dòng)孔徑分析儀,將樣品制成1 cm×1 cm×1 cm的立方塊,預(yù)處理?xiàng)l件是在3 Pa的真空烘箱中加熱至110 ℃處理4 h即可,去除樣品中的自由水和吸附水,然后在注汞前對(duì)樣品進(jìn)行抽真空,由于汞的非濕性,測(cè)量不同壓力下的注汞體積和退汞體積。測(cè)試流程嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21650.1—2008執(zhí)行。

高壓壓汞法是通過(guò)高壓將非潤(rùn)濕相液體汞壓入巖石的孔隙中,主要用于表征孔徑大于50 nm的孔隙。由圖7所示進(jìn)汞曲線可以看出,各樣品進(jìn)汞曲線形態(tài)大致相同,進(jìn)汞量介于0.001 7～0.013 1 cm3/g,各樣品的總進(jìn)汞量差別較大。當(dāng)壓力小于10 MPa時(shí),對(duì)應(yīng)孔徑大于160 nm,進(jìn)汞曲線斜率較大,表明該孔徑范圍內(nèi)的孔隙較為發(fā)育;當(dāng)壓力介于10～70 MPa時(shí),進(jìn)汞曲線斜率較小,表明該區(qū)間范圍內(nèi)的孔隙不發(fā)育;當(dāng)壓力介于70～140 MPa時(shí),各曲線斜率均有不同程度的明顯增幅,表明該區(qū)間范圍內(nèi)的孔隙較為發(fā)育;當(dāng)壓力大于140 MPa之后,樣品C6-2、C6-3、C6-5和C6-7進(jìn)汞曲線斜率有所降低但進(jìn)汞量仍在增加。

孔體積隨孔徑變化曲線如圖8(a)所示,凝灰?guī)r孔徑分布呈雙峰態(tài),兩個(gè)峰分別介于6～20 nm和300～5 000 nm,表明凝灰?guī)r主要發(fā)育6～20 nm和300～5 000 nm孔徑范圍內(nèi)的孔隙;比表面積隨孔徑變化曲線如圖8(b)所示,研究區(qū)烏爾禾組凝灰?guī)r比表面積主要由6～20 nm的介孔所提供,對(duì)于大于20 nm的孔徑,隨著孔徑的增加,比表面積逐漸降低。

圖7 高壓壓汞進(jìn)汞曲線Fig.7 High pressure mercury feed curve

圖8 高壓壓汞孔徑分布Fig.8 Distribution of high-pressure mercury-pressure pore sizes

2.4 凝灰?guī)r全孔徑表征

烏爾禾組凝灰?guī)r全孔徑孔體積分布顯示(圖9,圖10,表2),各樣品總孔體積差異較大,研究區(qū)凝灰?guī)r樣品總孔體積介于0.005 4～0.047 8 cm3/g,平均0.026 6 cm3/g。其中微孔孔體積介于0.000 6～0.005 5 cm3/g,平均0.003 1 cm3/g,占總體積的7.59%～15.92%,平均11.50%,微孔發(fā)育孔徑主要介于0.3～1.0 nm;介孔孔體積介于0.004 2～0.041 3 cm3/g,平均0.020 2 cm3/g,占總體積的61.82%～83.43%,平均75.10%,介孔發(fā)育孔徑主要介于4～40 nm;宏孔孔體積介于0.000 6～0.005 3 cm3/g,平均0.002 8 cm3/g,占總體積3.0%～27.27%,平均13.40%,宏孔主要由孔徑大于300 nm的孔隙所貢獻(xiàn)。總體來(lái)看,研究區(qū)凝灰?guī)r樣品的孔體積主要由介孔所提供,其次是微孔和宏孔,兩者相差不大,在樣品C6-4中宏孔的體積超過(guò)介孔,這是由于該樣品中黏土含量較低,而脆性礦物含量偏高,導(dǎo)致宏孔相對(duì)發(fā)育。

圖9 烏爾禾組凝灰?guī)r全孔徑孔體積分布特征Fig.9 Characteristics of full-aperture pore volume distribution of tuff in the Wuerhe Formation

圖10 烏爾禾組凝灰?guī)r全孔徑孔體積及占比Fig.10 Pore volume and proportion of total pore diameter of tuff in the Wuerhe Formation

表2 烏爾禾組凝灰?guī)r全孔徑孔體積分布信息Table 2 Full pore size pore volume distribution information for the Urho Formation tuffs

烏爾禾組凝灰?guī)r全孔徑比表面積顯示(圖11、圖12、表3),樣品總比表面積差異較大,總比表面積介于3.47～36.78 m2/g,平均20.42 m2/g。其中微孔比表面積介于2.08～17.89 m2/g,平均10.32 m2/g,占總比表面積的48.64%～60.30%,平均53.04%,微孔比表面積主要由孔徑0.3～0.9 nm的孔隙所提供;介孔比表面積介于1.36～18.82 m2/g,平均10.06 m2/g,占總比表面積的39.13%～51.17%,平均46.71%,介孔比表面積由孔徑2～11 nm的孔隙所提供;宏孔比表面積介于0.012～0.07 m2/g,平均0.037 m2/g,占總比表面積的0.14%～0.57%,平均0.26%。因此,烏爾禾組凝灰?guī)r樣品的比表面積主要由微孔和介孔所提供,微孔的比表面積比介孔稍大一些,二者占據(jù)總比表面積的99%以上。

圖11 烏爾禾組凝灰?guī)r全孔徑比表面積分布特征Fig.11 Characteristics of the full ore size specific surface area distribution of tuffs of the Urho Formation

表3 烏爾禾組凝灰?guī)r全孔徑比表面積分布信息Table 3 Full pore size pore volume distribution information for the Urho Formation tuffs

3 凝灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)分形特征

前文中,通過(guò)低壓CO2吸附、低溫N2吸附和高壓壓汞實(shí)驗(yàn)分別對(duì)凝灰?guī)r的微孔、介孔和宏孔進(jìn)行了孔徑分布、孔體積和比表面積的定量表征,結(jié)果顯示孔隙在凝灰?guī)r中分布非均質(zhì)性較強(qiáng)。針對(duì)凝灰?guī)r孔隙的非均質(zhì)性,文獻(xiàn)[22-24]利用分型維數(shù)來(lái)表征儲(chǔ)層孔隙的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和非均質(zhì)性。下面將基于低壓CO2吸附和低溫N2吸附實(shí)驗(yàn),應(yīng)用先進(jìn)的分形模型研究凝灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和非均質(zhì)性。

3.1 基于CO2吸附的孔隙結(jié)構(gòu)分形特征

微孔分型維數(shù)的計(jì)算采用Jaroniec所推導(dǎo)出的基于孔徑分布函數(shù)J(x)孔徑x的微孔分型模型[25-27],即

lnJ(x)=(2-D)lnx+C

(1)

(2)

式中:x為孔隙半徑,nm;C為常數(shù);D為分型維數(shù);J(x)孔徑分布函數(shù);Γ為伽馬函數(shù);ρ為孔徑分布尺度參數(shù),kJ/mol;v為形狀參數(shù);Z為DA(Dubinin-Astakhov)方程中特征能的函數(shù);ρ和v可通過(guò)微孔吸附方程擬合得到。

由低壓CO2吸附分形擬合結(jié)果可知(表4,圖13),烏爾禾組凝灰?guī)r分形維數(shù)Dm介于2.59～2.97,平均值為2.73。分形維數(shù)值較大且變化范圍也較大,表明烏爾禾組凝灰?guī)r微孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性較強(qiáng),且不同樣品之間非均質(zhì)性有一定程度的差距。分形維數(shù)均介于2～3,且相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9,表明研究區(qū)凝灰?guī)r微孔與所使用的微孔分形模型相適應(yīng)。

表4 烏爾禾組二氧化碳吸附分形擬合方程及分型維數(shù)Table 4 Fractal fitting equations and fractal dimensions for carbon dioxide adsorption

3.2 基于N2吸附的孔隙結(jié)構(gòu)分形

低溫N2吸附孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的計(jì)算采用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型,該模型基于多分子層吸附理論,是低溫氣體吸附孔隙分形模型中較為成熟且應(yīng)用廣泛的一種模型[28-31],其計(jì)算式為

(3)

式(3)中:P為平衡壓力,MPa;V為平衡壓力為P時(shí)的吸附體積;P0為飽和蒸汽壓力,MPa;C為常數(shù);K為擬合直線斜率。研究認(rèn)為,當(dāng)?shù)獨(dú)馕阶饔弥骺貫榉兜氯A力時(shí),D=3K+3;當(dāng)?shù)獨(dú)馕阶饔弥骺貫槊?xì)管凝結(jié)作用時(shí),D=K+3[32];前文中氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)吸附曲線與脫附曲線并不重合,當(dāng)相對(duì)壓力在0.5時(shí)出現(xiàn)回滯環(huán),表明氮?dú)馕降倪^(guò)程中伴隨著毛細(xì)管凝結(jié)作用,因此選用D=K+3用于計(jì)算氮?dú)馕椒中尉S數(shù)。在實(shí)際的應(yīng)用中,根據(jù)相對(duì)壓力的大小將分形維數(shù)分為D1(P/P0<0.5)、D2(0.5

圖13 部分樣品二氧化碳吸附數(shù)據(jù)分形擬合曲線Fig.13 Carbon dioxide fractal fitting curve for the Urho Formation tuffs

擬合結(jié)果如圖14、表5所示,當(dāng)相對(duì)壓力P/P0<0.5時(shí),烏爾禾組凝灰?guī)r小孔徑介孔分形維數(shù)D1介于2.23～2.55,平均值為2.39;當(dāng)相對(duì)壓力P/P0>0.5時(shí),烏爾禾組凝灰?guī)r大孔徑介孔分形維數(shù)介于2.62～2.83,平均值為2.72,由此可見(jiàn),大孔徑介孔分形維數(shù)明顯大于小孔徑介孔分形維數(shù),反應(yīng)介孔孔隙表面粗糙程度較低,而孔隙較為復(fù)雜,非均質(zhì)性強(qiáng)。

4 凝灰?guī)r孔隙發(fā)育控制因素

研究區(qū)烏爾禾組凝灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)。凝灰?guī)r組成包括有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、石英、長(zhǎng)石等,這些組分對(duì)泥巖孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙分布均會(huì)產(chǎn)生一定的控制與影響。通過(guò)對(duì)凝灰?guī)r樣品有機(jī)質(zhì)豐度、礦物組分以及分形維數(shù)與孔隙分布探討,揭示凝灰?guī)r孔隙發(fā)育的主控因素。

4.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)在熱演化生烴的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的孔隙,因此認(rèn)為有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)凝灰?guī)r孔隙的發(fā)育有影響[36-38]。總有機(jī)碳含量(total organic carbon,TOC)與凝灰?guī)r不同尺度孔隙相關(guān)性如圖15所示,有機(jī)質(zhì)豐度與凝灰?guī)r總孔體積有一定的相關(guān)性,表明有機(jī)質(zhì)對(duì)凝灰?guī)r孔隙發(fā)育有一定的貢獻(xiàn);有機(jī)質(zhì)豐度與凝灰?guī)r微孔體積和介孔體積相關(guān)性較好,表明有機(jī)質(zhì)對(duì)凝灰?guī)r微孔和介孔發(fā)育具有一定控制作用;有機(jī)質(zhì)豐度與凝灰?guī)r宏孔體積幾乎沒(méi)有相關(guān)性,表明有機(jī)質(zhì)對(duì)凝灰?guī)r宏孔發(fā)育影響較小。有機(jī)質(zhì)豐度與凝灰?guī)r不同尺度比表面積的相關(guān)性和不同尺度孔體積的相關(guān)性幾乎一致,表明有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)二者的影響也相似。綜上所述,有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)研究區(qū)凝灰?guī)r微孔和介孔的發(fā)育有一定控制作用,其中對(duì)微孔的影響較介孔影響顯著,有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)宏孔發(fā)育影響較小。

圖14 部分樣品氮?dú)馕綌?shù)據(jù)分形擬合曲線Fig.14 N2 adsorption fractal fitting curve for the Urho Formation tuffs

表5 烏爾禾組凝灰?guī)r氮?dú)馕椒中螖M合方程及分形維數(shù)Table 5 Fractal fitting equations and fractal dimensions for nitrogen sorption on tuffs

圖15 TOC含量與凝灰?guī)r不同孔徑孔體積、比表面積相關(guān)性Fig.15 Correlation between TOC content and pore volume and specific surface area

4.2 礦物組分

4.2.1 脆性礦物

研究區(qū)烏爾禾組凝灰?guī)r樣品中脆性礦物主要為石英和長(zhǎng)石,其次是方解石和白云石。石英與總孔體積的相關(guān)性如圖16所示,石英與總孔體積的相關(guān)性非常微弱(R2=0.123 9),推測(cè)可能是由于烏爾禾組凝灰?guī)r埋深較深(約6 500 m),上覆壓力大,壓實(shí)作用導(dǎo)致石英的支撐作用減弱,孔隙度降低;長(zhǎng)石與凝灰?guī)r總孔體積的相關(guān)性比較弱(R2=0.407 4),表明長(zhǎng)石對(duì)凝灰?guī)r孔隙發(fā)育具有一定的控制作用;長(zhǎng)石含量與微孔體積、介孔體積和宏孔體積均有較弱的相關(guān)性,且與三者的相關(guān)性依次降低,表明長(zhǎng)石含量對(duì)微孔、介孔和宏孔發(fā)育具有一定,但均比較弱。

圖16 長(zhǎng)石、石英含量與凝灰?guī)r不同尺度孔體積相關(guān)性Fig.16 Correlation between feldspar and quartz content and pore volume at different scales in tuffs

4.2.2 黏土礦物

黏土含量與凝灰?guī)r各種類(lèi)型孔體積、比表面積相關(guān)性如圖17所示,黏土含量與凝灰?guī)r各尺度孔體積、比表面積二者的相關(guān)性表現(xiàn)出了一致性,黏土含量與凝灰?guī)r總體積、總比表面積的相關(guān)性極強(qiáng)(R2>0.95),表明黏土含量對(duì)凝灰?guī)r孔隙的發(fā)育由很顯著的促進(jìn)作用,是凝灰?guī)r孔隙發(fā)育的主控因素。其中黏土含量與微孔體積、介孔體積、微孔比表面積、介孔比表面積的相關(guān)性均比較強(qiáng),而與凝灰?guī)r宏孔體積、比表面積的相關(guān)性比較弱,表明黏土礦物對(duì)凝灰?guī)r微孔和介孔的發(fā)育具有顯著的促進(jìn)作用,對(duì)凝灰?guī)r宏孔的發(fā)育影響較小。這是由于黏土礦物發(fā)育大量納米級(jí)粒間孔與粒內(nèi)孔,形成大量凝灰?guī)r微孔與介孔。

4.3 分形維數(shù)影響因素

研究區(qū)烏爾禾組凝灰?guī)r樣品孔隙分形維數(shù)(微孔分形維數(shù)Dm,介孔分形維數(shù)D1、D2)與TOC及礦物組分含量的相關(guān)關(guān)系如圖18所示,介孔分形維數(shù)D1與TOC及礦物組分含量的相關(guān)性與微孔分形維數(shù)Dm相似,而與介孔分形維數(shù)D2相反,表明介孔中的小孔與微孔具有相似的孔隙結(jié)構(gòu),而與介孔中的大孔孔隙結(jié)構(gòu)相差較大。微孔分形維數(shù)Dm與介孔分形維數(shù)D1與凝灰?guī)rTOC含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,推測(cè)可能是由于凝灰?guī)r有機(jī)質(zhì)中發(fā)育納米級(jí)氣泡狀有機(jī)孔,該類(lèi)孔隙形狀規(guī)則,大量保存在有機(jī)質(zhì)中能夠有效降低有機(jī)質(zhì)孔隙的非均質(zhì)性,導(dǎo)致微孔分形維數(shù)Dm與介孔分形維數(shù)D1隨著TOC含量的增加而減小。介孔分形維數(shù)D2隨著TOC含量的增加而增到,是由于有機(jī)質(zhì)在生、排烴過(guò)程中形成介孔,有機(jī)質(zhì)含量越高,生成的介孔越多,介孔的復(fù)雜程度與非均質(zhì)性越強(qiáng),介孔分形維數(shù)D2越大。

圖17 黏土含量與凝灰?guī)r各尺度孔體積比表面積相關(guān)性Fig.17 Correlation between clay content and specific surface area of pore volumes at various scales in tuffs

圖18 凝灰?guī)rTOC及礦物含量與分形維數(shù)相關(guān)性Fig.18 Correlation of TOC and mineral content of tuffs with fractal dimension

凝灰?guī)r中石英含量與微孔、介孔分形維數(shù)相關(guān)性很弱,這與前文中石英與凝灰?guī)r孔體積相關(guān)性弱的特點(diǎn)相一致,石英對(duì)凝灰?guī)r孔隙發(fā)育的貢獻(xiàn)極小,因此石英含量與微孔、介孔分形維數(shù)之間的相關(guān)性很弱。長(zhǎng)石含量與微孔分形維數(shù)Dm、介孔分形維數(shù)D1呈負(fù)相關(guān),與介孔分形維數(shù)D2呈正相關(guān)。這是由于長(zhǎng)石作為骨架礦物具有一定的剛性,在壓實(shí)過(guò)程中能起到一定的支撐作用,導(dǎo)致大孔的復(fù)雜程度增加而小孔的復(fù)雜程度降低。

凝灰?guī)r黏土含量與微孔分形維數(shù)Dm及介孔分形維數(shù)D1呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這是由于黏土礦物在成巖作用過(guò)程中會(huì)被壓實(shí),隨著黏土礦物含量的增加,黏土礦物中的孔隙更加規(guī)則,孔隙復(fù)雜程度以及非均質(zhì)性降低,分形維數(shù)隨著黏土礦物的增加而減少。

5 結(jié)論

通過(guò)氣體吸附(CO2和N2)和高壓壓汞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段綜合表征了烏爾禾組凝灰?guī)r多尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征;同時(shí),針對(duì)不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)差異分別選用針對(duì)性的分形模型確定了凝灰?guī)r不同尺度孔隙的分形特征,得出如下結(jié)論。

(1)研究區(qū)烏爾禾組凝灰?guī)r總孔體積介于0.005 4～0.047 8 cm3/g,凝灰?guī)r孔體積主要由介孔所提供,其次是宏孔和微孔,三者分別占總孔體積的75.1%、13.4%和11.5%。凝灰?guī)r的比表面積主要由微孔和介孔所提供,微孔比表面積平均10.316 m2/g,平均占比為53.04%;介孔比表面積平均10.064 m2/g,平均占比為46.71%。

(2)凝灰?guī)r微孔分形維數(shù)Dm介于2.59～2.97,平均值為2.73;介孔分形維數(shù)D1介于2.23～2.55,平均值為2.39;介孔分形維數(shù)D2介于2.62～2.83,平均值為2.72,表明凝灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜與非均質(zhì)性較強(qiáng)。

(3)研究區(qū)凝灰?guī)r孔隙發(fā)育主要受TOC以及黏土礦物含量影響與控制,石英與長(zhǎng)石等脆性礦物對(duì)孔隙發(fā)育影響較弱。