引用本文
杨迪, 赵卫卫, 吴佳, 李慧, 肖颖. 延安地区延长组长7段湖相泥页岩孔隙结构及分形特征[J]. 录井工程, 2025,36(1): 137-145.
YANG Di, ZHAO Weiwei, WU Jia, LI Hui, XIAO Ying. Pore structure and fractal characteristics of lacustrine shale in Chang 7 Member of Yanchang Formation,Yan′an area[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(1): 137-145.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.01.020  
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延安地区延长组长7段湖相泥页岩孔隙结构及分形特征
杨迪①,②, 赵卫卫①,②, 吴佳①,②, 李慧①,②, 肖颖①,②
①西安石油大学地球科学与工程学院
②陕西省油气成藏地质学重点实验室

作者简介：杨迪 1999年生,西安石油大学矿物学、岩石学、矿床学专业在读硕士研究生,研究方向为非常规油气地质与勘探。通信地址：710065 陕西省西安市雁塔区电子二路18号。E-mail：2513488575@qq.com

收稿日期: 2025-01-13
基金: 国家重大专项“陆相页岩储气机理与储层精细描述研究”（编号：2017ZX05039-001-002）
摘要

鄂尔多斯盆地东南缘延安地区延长组长7段是典型的陆相页岩气勘探开发层位。为了解不同成因孔隙及其结构对陆相页岩气吸附作用的影响,利用有机地球化学方法研究了延长组长7段泥页岩的矿物成分,采用氮气低温吸附法研究页岩的孔径分布特征并利用分形理论对页岩中氮的吸附特征进行解析,进而揭示了泥页岩孔隙结构的非均质性。长7段泥页岩有机碳含量为0.50%~6.43%,平均为2.93%;脆性矿物含量为0~46.00%,平均为7.75%;黏土矿物含量为21.00%~59.00%,平均为40.95%。由长7段岩样的分形拟合曲线可知,分形维数可以划分为两段,第一段分形维数 D1为2.029 4~2.501 5,平均为2.271 0,对应着长7段泥页岩中较大的微米级裂隙;第二段分形维数 D2为2.489 3~2.622 3,平均为2.555 0,与纳米级孔隙相对应,其孔隙结构更为复杂,孔隙内表面比较粗糙,具有极强的非均质性。在长7段泥页岩中,纳米级孔隙是吸附态气体的主要储集空间,而较大的微米级裂隙则是游离态气体的储集空间及渗流通道。

关键词: 延安地区; 页岩气; 孔隙结构; 氮气吸附; 分形维数; 泥页岩; 延长组
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Pore structure and fractal characteristics of lacustrine shale in Chang 7 Member of Yanchang Formation,Yan′an area
YANG Di①,②, ZHAO Weiwei①,②, WU Jia①,②, LI Hui①,②, XIAO Ying①,②
①School of Earth Sciences and Engineering,Xi′an Shiyou University,Xi′an,Shaanxi 710065,China
②Shaanxi Key Laboratory of Petroleum Accumulation Geology,Xi′an,Shaanxi 710065,China
Abstract

The Chang 7 Member of Yanchang Formation in Yan ′an area,southeastern margin of Ordos Basin is a typical continental shale gas exploration and development horizon. In order to understand the influence of pores with different genesis and their structures on the adsorption of continental shale gas,the mineral composition of the shale in Chang 7 Member of Yanchang Formation was studied by using organic geochemical methods. The pore size distribution characteristics of shale were studied by nitrogen low temperature adsorption method,and the adsorption characteristics of nitrogen in shale were analyzed by fractal theory,thereby revealing the heterogeneity of shale pore structure. For the shale in Chang 7 Member,the organic carbon content is 0.50%-6.43%,with an average of 2.93%; the content of brittle minerals is 0-46.00%,with an average of 7.75%; the clay mineral content is 21.00%-59.00%,with an average of 40.95%. According to the fractal fitting curve of the shale samples of Chang 7 Member,the fractal dimension can be divided into two segments,the fractal dimension of the first segment（ D1） is 2.029 4-2.501 5,with an average of 2.271 0,which corresponds to the larger micron-scale fractures in the shale of Chang 7 Member,and the fractal dimension of the second segment（ D2） is 2.489 3-2.622 3,with an average of 2.555 0,which corresponds to the nano-scale pores,and its pore structure is more complex,the inner surface of the pores is relatively rough,and it has strong heterogeneity. In the shale of Chang 7 Member,the nano-scale pores are the main reservoir space for adsorbed gas,while larger micron-scale fractures are the reservoir space and flow path for free gas.

Keyword: Yan′an area; shale gas; pore structure; nitrogen adsorption; fractal dimension; shale; Yanchang Formation
0 引言

页岩气是存在于富有机质页岩及其夹层中的非常规天然气, 主要有游离态和吸附态两种赋存方式, 具有自生自储的成藏特点[1, 2, 3, 4]。当前, 我国页岩气勘探开发已有新的突破, 涪陵、长宁、威远、昭通、荣威、永川6个以海相页岩为主的页岩气田, 已形成了一套完整的页岩气成藏体系, 而我国陆相页岩气勘探与开发却始终没有取得更大的进步[5, 6]。

鄂尔多斯盆地三叠系延长组储层发育有多套页岩层系, 具有较好的储集能力。长7段富集有机组分在半深湖-深湖沉积环境中发育, 是鄂尔多斯盆地最重要的烃源岩。该泥页岩储层埋藏较浅, 富含有机质纹层、草莓状黄铁矿及超微化石[7], 同时也是含气量较高的优良储层, 具有较大的资源潜力[8]。2011年4月, 延长石油集团在鄂尔多斯盆地陕北斜坡下寺湾地区的LP 177井长7段页岩层段获得突破, 日产气量2 350 m3, 该井成为我国第一口陆相页岩气井[9, 10]。随后在该地区又钻探多口页岩气井, 其中YYP 1井和YYP 3井在长7段日产页岩气量分别超过7 800 m3和16 000 m3, 表明陆相页岩气具有巨大的资源潜力和良好的勘探前景[11]。

陆相页岩具有沉积相变化快、岩相组合类型多、有机质丰度低、成熟度中等、黏土矿物含量高等特点, 页岩微米-纳米级孔隙十分发育。复杂的孔隙结构和非均质性决定了页岩的赋存空间和含气性[12]。近年来, 分形理论被越来越多地应用于页岩孔隙结构的研究, 其中分形维数（D）为孔隙结构复杂性的量化指标。通过对分形特征等问题的研究可知, 不同成岩阶段与热演化时期不同矿物与有机质形成的页岩, 其孔隙类型和孔径分布是影响吸附性的主要因素。但是, 目前对于不同成因的孔隙和其结构性质对页岩气吸附作用的影响还缺乏更加深入的研究[11, 12], 且大多数以海相页岩气储层为主, 陆相页岩气储层的研究较少[13]。

本文选取鄂尔多斯盆地延安地区延长组长7段陆相页岩为研究对象, 运用低温氮气吸附实验, 并结合有机地球化学与页岩矿物成分等参数, 对页岩的分形维数进行定量分析。在此基础上, 探讨分形维数与孔隙结构、有机碳含量、矿物成分之间的关系, 进而明确页岩分形维数的意义。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是典型的陆相盆地, 中、新生代以来, 湖盆内沉积了大量的湖相泥页岩, 具备了良好的油气成藏基础和有利的成藏条件[14]。延长组长7段沉积时期是湖盆发育的鼎盛时期, 气候温暖潮湿, 湖盆范围最广, 暗色泥岩沉积厚度最大可达120 m, 平均厚度在70~80 m之间。湖水环境安静, 泥页岩中有机质丰富[15]。研究区地处鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部地区（图1）, 长7段为一套半深湖-深湖沉积, 主要岩性为黑色泥质页岩, 并夹有一层较薄的粉砂质泥页岩, 纹层十分发育。该套页岩具有分布范围广、有机质丰度高、储集空间发育等特点, 有机质的热演化程度较高, 是页岩油气勘探的重要层系。

图1 研究区位置及区域构造图

2 页岩地球化学特征与矿物组成

选取延安地区延长组长7段11口井20个泥页岩样品进行分析, 其有机地球化学特征与矿物组成见表1。长7段泥页岩有机碳含量在0.50%~6.43%之间, 平均值为2.93%。通常有效页岩的有机碳含量大于2.00%, 由此可见延安地区延长组长7段页岩具有良好的生烃能力。其有机质类型以Ⅱ 型干酪根为主, 镜质体反射率（Ro）在0.56%~1.32%之间, 平均值为0.90%。

表1 长7段泥页岩有机地球化学特征与矿物组成

泥页岩的矿物组成主要为黏土矿物和石英, 其次是长石、碳酸盐矿物、黄铁矿, 其中：石英含量为21.00%~41.00%, 平均为31.05%; 黏土矿物含量为21.00%~59.00%, 平均为40.95%; 长石含量为8.00%~44.00%, 平均为22.05%; 碳酸盐矿物含量为0~43.00%, 平均为5.15%; 黄铁矿含量为0~4.00%, 平均为0.80%。部分页岩样品含有白云岩、碳酸盐岩、黄铁矿和菱铁矿等脆性矿物, 是影响储层后期压裂的主要因素, 研究区长7段泥页岩的脆性矿物含量在0~46.00%之间, 平均值为7.75%。

3 泥页岩孔隙定量表征
3.1 泥页岩氮气吸附-解吸曲线

IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）根据氮气吸附等温曲线的不同形态将其分为6种类型[16]（图2）。对长7段20个页岩样品进行低温氮气吸附试验, 结果表明, 这些页岩样品都符合第Ⅱ 类氮气吸附等温曲线。微观孔隙的形态特征可以通过低温氮气吸附回线的形状差异进行定性研究, 基于吸附回线本文建立了4种吸附模式模型图（图3）。

图2 氮气吸附等温曲线类型

图3 吸附模式模型图及相应孔隙形态分类

A1型回线：低温氮气吸附与解吸交叠或稍有分离, 即无吸附回线或不明显。这种曲线反映出泥页岩内部以一端封闭（半封闭）孔隙为主的微观孔隙系统。

A2型回线：解吸初期, 随着相对压力的减小, 解吸分支呈现缓慢降低的趋势, 这主要是开孔凝聚蒸发过程中气-液界面形态的差异所致。当相对压力p/pO下降到拐点G所对应的值时, 意味着最小一个孔径的开放孔内的液体将要蒸发而出, 随着压力继续降低, 里面的凝聚液瞬间涌出, 在解吸曲线上表现出骤降的特点, 此时开放型孔内液体蒸发完毕, 此后便又过渡为半封闭孔, 直至解吸分支与吸附分支基本重合。在此类回线对应的泥页岩孔隙体系中, 存在着一种细颈瓶形孔（又称“ 墨水瓶” 状孔）。在相对压力较低时, 吸附分支与解吸分支相互交叠, 为半闭孔。

A3型回线：在整个过程中, 吸附分支与解吸分支几乎没有重叠, 说明大部分孔隙的结构是两端开放的。

A4型回线：在p/pO值较低的区域, 吸附分支与解吸分支几乎完全重合, 这是由于较小的孔隙基本都是半闭合的不透气孔组成; 当p/pO大于一定值时, 解吸分支与吸附分支显著分开, 形成回线, 该回线对应的是大孔径孔, 其中既有两端开孔, 又有四面均开放的孔; 在p/pO为0.5处, 解吸出现了一个显著的下降拐点, 说明孔隙体系更为复杂。

根据长7段部分样品低温氮气吸附等温线及吸附回线特征（图4）可以看出, 在p/pO为0~0.9范围内曲线的上升幅度较小, 且有向上凸起的特征, 说明这一阶段是氮分子从单分子层向多分子层的吸附转变; 但到了后期（p/pO> 0.9）, 曲线则呈现出明显的上升趋势, 说明在页岩的较大孔隙中发生了毛细凝聚现象, 进而导致了氮吸附量的大幅增加。由此可见, 长7段泥页岩中存在着多种形态的孔隙, 包括封闭孔、半封闭孔、“ 墨水瓶” 状孔以及开放孔, 孔隙结构较为复杂。这可能与泥页岩的孔隙度成熟度有关, 研究区整体成熟度较高, 属于成熟-高成熟阶段。随着成熟度的不断增高, 热演化程度逐渐增高, 孔隙越来越趋于“ 圆” 形, 孔隙复杂程度逐渐减小。

图4 长7段泥页岩低温氮气吸附等温线及吸附回线特征图

3.2 微观孔隙分形特征

分形维数可以反映储层的非均质性和孔隙结构的复杂性[17]。本文在低温氮气吸附实验数据的基础上使用基于Frenkel-Helsey-Hill（FHH）分形维数理论模型[18]进行分形维数计算：

lnV=klnlnpOp+C（1）

D=3+k （2）

式中：V为不同相对压力（p/pO）下的氮气吸附量; pO为气体饱和蒸气压力; p为平衡压力; k为直线斜率; C为常数; D为分形维数。

孔隙的分形维数是表征泥页岩孔隙表面粗糙程度和非均质性的重要指标[19]。研究表明, 只有介于2~3的分形维数才能反映储层的非均质性, 当其值在2以下或3以上时, 分形维数已不具有实用价值[20]。分形维数D越接近于3, 表明孔隙的复杂性越高, 非均质性越强, 越有利于油气的吸附, 相反则接近于2。

由长7段泥页岩的分形拟合曲线（图5）可以看出, 在p/pO为0.5时, 曲线斜率有较明显变化, 因此分形维数可以通过p/pO值进行划分：p/pO< 0.5为D1型, p/pO> 0.5为D2型, 前者表示较大的孔隙, 孔径约为5.5~150 nm, 后者则为孔径小于5 nm的较小孔隙。分形维数D1对应相对压力较低, 能很好地反映页岩孔隙表面的不均匀性, 为表面分形维数; D2对应相对压力较高, 是可以表征孔隙结构的分形维数, 能够反映泥页岩孔隙结构的复杂程度。

图5 长7段泥页岩样品低温液氮吸附不同阶段分形拟合曲线

根据长7段的泥页岩样品分形曲线拟合结果和分形维数（表2）可知, D1为2.029 4~2.501 5（平均为2.271 0）, D2为2.489 3~2.622 3（平均为2.555 0）, 可见长7段泥页岩中分形维数D2明显大于D1, 说明较小孔隙的孔表面粗糙度更强, 复杂程度更高, 更加有利于烃类吸附。

表2 长7段泥页岩样品分形维数
3.3 孔隙结构定量参数相关性

图6和图7分别为长7段泥页岩孔隙结构参数（比表面积、总孔体积、N2吸附量及平均孔径）与分形维数D1、D2之间的线性关系。长7段泥页岩孔比表面积（图6a、图7a）、总孔体积（图6b、图7b）和N2吸附量（图6c、图7c）都与分形维数（D1、D2）呈正相关, 而平均孔径（图6d、图7d）与D1、D2呈负相关, 相关系数分别为0.099 7和0.366 0。结果表明, 随着长7段泥页岩孔隙的平均孔径不断减小、总孔体积和比表面积不断增大, 其分形维数也随之增大, 表现出较强的非均质性。总孔体积或比表面积增大时会产生更多的孔隙, 页岩孔隙表面变得更不规则, 从而使得泥页岩的分形维数变大; 泥页岩的平均孔径越小, 小孔隙越多, 使得孔隙结构更复杂, 分形维数也随之变大。

图6 长7段泥页岩孔隙结构参数与分形维数D1关系图

图7 长7段泥页岩孔隙结构参数与分形维数D2关系图

3.4 有机碳含量与矿物组成相关性

如图8a和图8b所示, D1、D2与有机碳含量没有显著的相关关系, 而有机碳含量较低时, D1分布范围较广, 说明有机碳含量低时, 裂隙非均质性受到有机碳影响不大; 当有机碳含量增加时, 裂隙所占总孔隙的比重会逐渐增大, 从而导致孔隙的非均质性总体上具有相似性。D1、D2与脆性矿物含量呈负相关（图8c、图8d）, 与黏土矿物含量呈正相关（图8e、图8f）。这表明, 随着脆性矿物含量的增加, 页岩储层孔隙的非均质性减小, 而随着黏土矿物含量的增加, 页岩储层孔隙的非均质性也会增强。

图8 长7段泥页岩孔隙分形维数与有机碳含量、脆性矿物和黏土矿物关系

延安地区长7段为海陆过渡相沉积, 在储层中, 脆性矿物含量越高, 则越有利于微裂隙的发育, 从而改善储层孔隙结构的均匀性, 减小非均质性; 而黏土矿物种类较多, 不同的黏土矿物孔隙结构也存在差异, 使得其提供的孔隙较脆性矿物更为复杂, 增加了孔隙的非均质性。

3.5 泥页岩分形特征

分形维数越大, 说明孔隙结构越复杂, 表现为孔隙分布多样, 具有更强的非均质性。泥页岩的分形维数升高, 其比表面积将会增大, 进而使其对甲烷的吸附能力增强。总体而言, 长7段泥页岩的分形维数D2相对较大, 而D1处于中等水平, 表明泥页岩的孔隙孔径偏小, 孔隙结构相对较为复杂, 这也意味着泥页岩中较小的纳米级孔隙是吸附态气体的主要储集空间, 而较大的微米级裂隙则充当游离态气体的储集空间和渗流通道。

4 结论

（1）延安地区延长组长7段泥页岩中, 脆性矿物含量为0~46.00%, 平均为7.75%; 黏土矿物含量为21.00%~59.00%, 平均为40.95%; 有机碳含量为0.50%~6.43%, 平均为2.93%。

（2）长7段泥页岩发育有封闭孔、半封闭孔、“ 墨水瓶” 状孔和开放孔等多种孔隙类型, 其孔隙结构比较复杂。这与页岩的孔隙度成熟度相关, 研究区整体成熟度较高, 处于成熟-高成熟阶段, 随着成熟度的增加, 孔隙逐渐趋于“ 圆” 形, 孔隙复杂程度逐渐降低。

（3）分形维数D1对应的相对压力较低, 能够很好地反映页岩孔隙表面的不均匀性, D2对应的相对压力较高, 是可以表征孔隙结构的分形维数, 能够反映泥页岩孔隙结构的复杂程度。p/pO< 0.5为D1型, p/pO> 0.5为D2型, 前者表示较大的孔隙, 孔径为5.5~150 nm, 后者则为孔径小于5 nm的小孔隙。长7段的泥页岩样品分形曲线拟合结果显示, 分形维数D1为2.029 4~2.501 5, 平均为2.271 0; D2为2.489 3~2.622 3, 平均为2.555 0。由此可知, 当p/pO> 0.5时, 孔隙非均质性更强, 复杂程度更高, 更有利于烃类吸附。

（4）在总孔体积或比表面积增大的同时会产生更多的孔隙, 页岩孔隙表面变得更不规则, 从而使得泥页岩的分形维数变大; 泥页岩的平均孔径越小, 小孔隙越多, 使得泥页岩的孔隙结构更加复杂, 从而导致泥页岩的分形维数也随之变大。

（5）延长组长7段泥页岩中, 较小的纳米级孔隙是吸附态气体的主要储集空间, 而较大的微米级裂隙主要作为游离态气体的储集空间及渗流通道。

（编辑 陈 娟）

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