含气页岩的孔隙度、孔隙类型和孔隙结构影响着页岩的储气性能^[1]，分析含气页岩中的纳米级孔隙的结构类型及发育特征，对于认清页岩气富集规律与赋存状态具有重要意义^[2]。四川盆地志留系龙马溪组页岩气的成功开发，长宁—威远国家级页岩气示范区的建立让中国南方海相页岩气勘探开发迎来了重大突破，在这一背景下，对于南方页岩孔隙结构的认识与表征也较为深刻。如：陈尚斌等^[3]通过对等温线和DFT的分析，讨论了纳米孔隙结构的主控因素和其对页岩气成藏的影响，对孔结构特征进行了精细表征；杨峰等^[4-6]联合使用高压压汞法和氮气吸附法对不同孔径范围的页岩孔隙结构进行表征，并利用分形维数探讨了孔隙结构的影响因素；吉利明等^[7]通过扫描电镜图像分析探讨了黏土矿物发育程度与微米级孔隙以及甲烷吸附能力之间的关系；侯宇光等^[8]、郭旭升等^[9]用低温氮气吸附- 脱附法和高压压汞实验结合氩离子抛光扫描电镜技术从多角度对页岩的孔隙结构及其储集性能进行了大量深入的研究。随着非常规油气藏勘探范围进一步扩大，中国北方以往被认为有机质丰度低、生烃潜力差、储集层相对致密，不能形成规模化页岩气聚集^[10]的鄂尔多斯盆地西部奥陶系海相烃源岩，接连在ZP1井，E102 X井获得高产工业气流，2019年针对鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组泥页岩钻探的ZP1水平井试气产量为26.48× 10⁴ m³/d，2021年乌拉力克组页岩气水平井E102X试气产量为16.69×10⁴ m³/d。然而，目前对鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组页岩储层孔隙结构的发育特征及其控制因素还缺乏系统认识，鄂尔多斯盆地页岩储层与四川盆地页岩储层在矿物组分、沉积模式、烃源岩特性等方面存在诸多差异，其孔隙结构亦存在较大差异，已有的经验认识无法直接借鉴。

以鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩为研究对象，结合X射线衍射资料和区域沉积背景对页岩岩相进行划分，总结主要发育的岩相类型及其物性特征；通过氩离子抛光场发射扫描电镜对页岩孔隙类型、形貌特征、孔隙尺度进行定性—半定量描述，联合低温氮气吸附-脱附实验和FHH分形模型，表征储层孔径分布、孔隙形态和孔隙结构特征，探讨孔隙发育的控制因素，总结不同岩相孔隙结构的差异性发育规律，找出优势沉积微相下所发育的有利岩相，以期认识该区页岩气赋存规律，为中国北方海相页岩气勘探评价提供参考。

鄂尔多斯盆地构造上可划分为渭北隆起、伊陕斜坡、伊盟隆起、西缘冲断带、天环凹陷和晋西挠褶带等6个单元^[11]，研究区位于盆地西缘，南部为祁连造山带，北部属于阿拉善地块，该区构造活动频繁，包含了天环坳陷和西缘冲断带2个构造单元（图 1a）。西缘冲断带构造活动相对较强，断裂带极发育，构造较为复杂，天环坳陷相对稳定^[12]。寒武纪末海水退却，鄂尔多斯地块整体短暂抬升为陆地并遭受剥蚀，至早奥陶世海水重新侵入，之后开始了连续沉积过程。奥陶纪鄂尔多斯地块仍然是稳定的沉积区，主体发育台地沉积体系和台地边缘斜坡沉积体系，随着边缘加里东运动的逐渐增强，构造作用的影响越来越明显，沉积体系也变为深水斜坡相沉积体系和深水海槽沉积体系^[13]。安静的深水还原环境是烃源岩发育的有利场所，研究区在中—晚奥陶世沉积了多套暗色泥页岩^[14]，其中奥陶系乌拉力克组发育的黑色富含笔石的含碳硅质页岩有机质丰度高，为最具代表性的页岩地层，该套页岩页理较发育，岩心断面可见大量的笔石化石，埋深为4 000~4 900 m。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地西部区域构造分区（a）和奥陶系乌拉力克组岩性地层综合柱状剖面（b） Fig. 1 Regional tectonic zoning of western Ordos Basin(a)and stratigraphic column of Ordovician Wulalike Formation(b)

乌拉力克组沉积规律呈“三段式”，顶、底部分别发育2套泥页岩，中部夹一段石灰岩。底部泥页岩厚度为25~60 m，以泥质含量较高的泥页岩为主，顶部泥页岩厚度为45~55 m，以灰质泥岩和泥页岩为主，泥页岩总厚度为25~115 m，平面上发育较稳定，有机质丰度整体不高，TOC值为0.30%~1.15%；干酪根以Ⅰ型为主，含少量Ⅱ₁型，普遍达到成熟—高成熟阶段，部分达到过成熟阶段，具有良好的产气条件（图 1b）。石灰岩一般由2段岩性较纯的含泥灰岩和泥灰岩组成，厚度为0~27 m，在平面上厚度由南至北逐渐减小，由2段到1段直至不发育^[15]。

对鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组8口取心井13个样品进行X射线衍射分析，测试使用布鲁克射线衍射仪（D8 ADVANCE），依据中国石油天然气行业标准^[16]，设置检测温度为20 ℃，检测湿度为30%。

实验结果显示，研究区页岩岩性多样，矿物成分十分复杂，既有长石、石英等碎屑组分，方解石、白云石等碳酸盐矿物，也包括菱铁矿、黄铁矿等重矿物组分，还有一定量的黏土矿物（图 2）。其中石英质量分数为8.9%~58.3%，平均为32.0%；长石质量分数为0~6.3%，平均为2.6%；碳酸盐矿物质量分数为6.8%~77.9%，平均为43.3%；黏土矿物质量分数为7.6%~30.5%，平均为20.7%。整体而言，黏土矿物含量较稳定，石英、长石和碳酸盐矿物等脆性矿物含量高，且变化范围较大。从矿物组分来看，岩石的脆性整体较强，在外力的作用下易于形成诱导裂缝，有利于页岩的压裂改造和开采。依据矿物组分将乌拉力克组岩性大致分为3类（表 1）：硅质页岩（石英、长石组分质量分数大于50.0%）、钙质页岩（碳酸盐组分质量分数大于50.0%）和混合页岩（无质量分数大于50% 的矿物组分）。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩样品矿物组分质量分数 Fig. 2 Mineral composition and content of shale samples of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

表 1(Table 1)

表 1 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩样品X射线衍射分析和氮气吸附实验数据 Table 1 X-ray diffraction analysis and nitrogen adsorption experimental data of shale samples of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin 样品编号 页岩类型 TOC/% 氮气吸附实验数据 w（矿物）/% BET比表面积/（m2·g-1） BJH孔隙质量体积/（mL·g-1） 平均孔径/nm 黏土 石英 钾长石 斜长石 方解石 白云石 铁白云石 赤铁矿 菱铁矿 黄铁矿 YS12-6 硅质 0.58 9.93 0.016 8 6.75 28.4 57.9 1.6 2.0 6.8 2.4 0 0 0 0.9 YS12-10 钙质 0.11 1.99 0.003 9 7.88 11.3 8.9 0 0 61.9 0 16.0 0 0 1.8 YS12-14 混合 0.54 8.02 0.007 1 3.55 29.5 37.6 1.8 0 2.0 28.2 0 0.9 0 0 YS12-15 钙质 0.56 1.16 0.002 9 9.94 14.5 15.5 0.8 0 63.0 3.8 0 0 0.8 1.6 YS12-18 钙质 0.06 1.91 0.002 9 6.05 7.6 15.0 0.5 3.6 65.7 7.6 0 0 0 0 YS12-19 钙质 0.05 3.74 0.004 3 4.56 15.3 16.2 0.8 3.8 52.5 11.3 0 0 0 0 YS12-23 硅质 0.67 4.41 0.005 8 5.27 29.5 58.3 1.5 1.9 4.3 2.5 0 0 0 1.9 YS12-26 钙质 0.09 3.17 0.003 8 4.75 19.4 17.7 1.4 0 56.7 0 4.6 0 0.2 0 YS12-30 钙质 0.11 4.63 0.005 4 4.65 18.4 12.8 0.5 0.5 55.9 5.8 6.1 0 0 0 YS12-33 硅质 0.85 6.25 0.013 3 8.50 16.2 55.0 1.3 0.9 7.8 17.3 0 0 0 1.4 YS12-35 硅质 0.94 11.44 0.010 3 3.60 21.1 53.0 1.3 1.0 2.9 18.4 0 0.6 1.6 0 YS12-36 混合 0.37 8.14 0.009 1 4.46 30.5 25.3 1.1 5.2 14.1 22.1 0 0.6 1.1 0 YS12-37 混合 0.84 10.43 0.011 1 4.25 27.4 42.6 1.5 1.3 4.3 19.3 0 1.2 2.5 0

下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩样品X射线衍射分析和氮气吸附实验数据 Table 1 X-ray diffraction analysis and nitrogen adsorption experimental data of shale samples of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

已有的研究结果认为，研究区海侵范围在中奥陶世克里摩里期到达最大^[17]，由西向东依次发育深水盆地、斜坡、台地边缘、开阔台地等相带，在乌拉力克组沉积期持续裂陷，东部地层抬升，但后期的抬升使东部地层遭受大范围剥蚀，自东向西依次发育台地前缘斜坡相和广海陆棚等相带（图 3）。结合页岩的颜色、岩性组合特征、沉积构造及古生物等信息，提取沉积相标志，将乌拉力克组划分为深水盆地相、广海陆棚相、台地前缘斜坡相3种沉积微相。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组古地理图 Fig. 3 Palaeogeography map of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

乌拉力克组底部沉积时为深水盆地相，整体为贫氧环境，咸水沉积，水体较深，基本上属于有利于有机质保存的静水强还原沉积环境。其特点是有机质丰度高，沉积物以陆相注入为主，沉积物粒度小、硅质含量高，岩性以硅质页岩为主，且薄纹层发育，为硅质页岩岩相。强还原环境使得地层中富含黄铁矿，常见笔石等深水环境化石，随着水体的逐步变浅，乌拉力克组中下部沉积微相为广海陆棚相，是典型的较深的前海还原沉积环境，对有机质的保存较为有利。由于陆源石英粉砂岩和页岩成层性注入，石灰岩、泥灰岩分布广泛，形成的页岩呈明显的层状结构，水平层理、波状层理发育，属于混合页岩岩相。乌拉力克组上部沉积微相为台地前缘斜坡相，总体为氧化环境，不利于有机质的保存，有机质丰度较低，岩性以钙质页岩为主，由于斜坡部位及沉积能量的不同，岩石结构差异明显，有的低角度层理十分发育，有的则层理不发育，有明显的被充填裂缝或断层发育，为钙质页岩岩相。

在岩性分类的基础上，结合沉积微相分布规律将研究区乌拉力克组自下而上划分为硅质页岩岩相、混合页岩岩相、钙质页岩岩相等3种岩相类型^[18]。观察不同页岩岩心及其薄片照片（图 4）发现：硅质页岩岩心破碎程度高，裂缝极发育，页理薄，呈书页状，岩心断面可见多处黄铁矿团块，薄片照片颜色深，观察到多处分散状有机质；混合页岩岩心页理、裂缝较发育，薄片照片颜色较深，偶见少量有机质；钙质页岩岩心页理不发育，裂缝多被方解石充填，薄片照片颜色较浅，无有机质存在。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组不同类型页岩岩心、薄片照片 （a）黑色极薄层富笔石硅质页岩，ZP1井，4 255.82 m；（b）黑色薄层含笔石混合页岩，ZP1井，4 200.20 m；（c）灰黑色薄夹层钙质页岩，ZP1井，4 193.47 m；（d）硅质页岩薄片，ZP1井，4 161.59 m；（e）混合页岩薄片，ZP1井，4 243.70 m；（f）钙质页岩薄片，ZP1井，4 189.62 m。 Fig. 4 Core photos and thin sections of different shale of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

通过氦气孔隙度测定仪测定孔隙度来定量表征乌拉力克组页岩物性特征，使用UltraPoreTM-300氦孔隙度仪，依据国家标准^[19]，设置检测温度为23~25 ℃，检测湿度为20%~40%。

实验结果表明：①乌拉力克组页岩孔隙度总体低于4.00%，主要为0.16%~1.50%，最小值为0.08%，最大为4.20%，平均为1.20%，大于4.00% 以上的孔隙度占比少。②对比不同页岩样品的孔隙度数值分布发现，钙质页岩孔隙度较小，相对更加致密；硅质页岩孔隙较发育，平均孔隙度值最高；混合页岩的平均孔隙度值介于钙质页岩和硅质页岩之间；钙质页岩、硅质页岩样品中都存在个别孔隙度较高的情况，推测是由于脆性矿物含量高，微裂缝发育造成（图 5）。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组不同类型页岩孔隙度分布 Fig. 5 Porosity distribution of different shale of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

应用氩离子抛光场发射扫描电镜、低温氮气吸附实验进行鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组样品的孔隙结构分析。氩离子抛光场发射扫描电镜采用SUPRA-55场发射扫描电镜仪，依据石油天然气行业标准^[20]；低温氮气吸附实验采用ASAP2420比表面积与孔径分析仪，仪器量程为2~400 nm，依据石油天然气行业标准^[21]，在检测温度为-195.5 ℃时，吸-脱附相对压力为0.009~0.995的条件下测量氮气的吸附量和脱附量。运用多分子层吸附等温BET（BrunauerEmmett-Teller）模型和BJH（Barret-Joyner-Halenda）^[22]模型进行比表面积及孔容、孔径数据的分析。根据氮气吸附数据得到微孔、中孔的孔体积和比表面积，并根据滞后回环的类型确定孔隙的几何特征；氦气孔隙度测定使用UltraPoreTM-300氦孔隙度仪，实验依据国家标准^[19]，设置检测温度为23~ 25 ℃，检测湿度为20%~40%。

通过对9块样品的氩离子抛光场发射扫描电镜观察，发现研究区乌拉力克组泥页岩十分致密，主要发育纳米级孔隙，孔隙类型有粒间孔（晶间孔）、黏土矿物层间缝、溶蚀孔、有机质孔等4类。除基质孔隙外，微裂缝、裂缝也较发育（图 6）。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩孔隙扫描电镜照片 （a）粒间纳米孔隙，硅质页岩，ZP1井，4 269 m；（b）碎屑颗粒粒间孔，硅质页岩，E7井，4 129 m；（c）白云石内溶蚀孔，钙质页岩，E28井，3 746 m；（d）黄铁矿晶间孔隙，钙质页岩，ZP1井，4 260 m；（e）微裂缝，硅质页岩，E28井，4 012 m；（f）黏土矿物纤维状发育，接触处边缘微裂缝，硅质页岩，ZP1井，4 269 m；（g）有机质孔，硅质页岩，ZP1井，4 249 m；（h）黏土矿物包围中的有机质孔，硅质页岩，ZP1井，4 249 m；（i）黄铁矿团块，ZP1井，4 249 m。 Fig. 6 SEM photos of shale pores of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

（1）粒间孔（晶间孔）。该类孔隙为形成于脆性碎屑颗粒之间的或形成于黄铁矿晶体间且未被有机质和黏土充填的不规则孔隙，孔径大，连通性好，是游离气存储的主要场所。

（2）黏土矿物层间缝。由于脆性矿物阻挡了塑性黏土矿物继续压实，使其发生弯曲而形成的狭缝状粒间孔^[23]。黏土矿物层间缝的孔隙形态多呈平板状，长条状，常被有机质充填。这种孔隙的形成机理是在压实作用逐渐增强时，黏土矿物发生脱水作用出现层间缝^[24]，此外也会因为蒙脱石在成岩过程中向伊蒙混层和伊利石转化，黏土矿物体积缩小而形成，这类孔隙渗流能力好、吸附力强，是吸附气存储的主要场所。

（3）溶蚀孔。该类孔隙多为碳酸盐颗粒内部由于溶蚀作用形成的粒内溶孔，孔径小且连通性差，对于页岩气的吸附及存储贡献较小，研究区碳酸盐岩含量较高，溶蚀孔占比较大。

（4）有机质孔。该类孔隙呈草莓状分散在矿物基质中，在研究区页岩储层中并不常见，与研究区有机质丰度不高有关。

结合样品分类观察发现，钙质页岩多发育晶间孔、溶蚀孔，整体连通性较差；硅质页岩常发育粒间孔，黏土矿物层间缝，微裂缝等，偶见有机质孔，整体孔隙相对发育，孔隙空间大且连通性较好。

页岩样品的液氮吸附-脱附曲线在相对压力较高的部分（p/p₀> 0.40）会出现分离，形成回滞环^[25-26]，回滞环的大小和形态可以较为直观地表征储层孔隙的复杂程度和形态特征^[27]。采用IUPAC回滞环形态分类标准将回滞环分为5类共6种类型（图 7）^[28]：①H1型回滞环形态细长狭窄，吸附曲线与脱附曲线距离很近，呈竖直平行关系，表征孔隙孔径分布较窄，孔隙形状呈圆筒状。②H2型回滞环受复杂孔隙结构影响又可细分为2类，H2 a型回滞环展布较宽，吸附曲线平缓，脱附曲线上凸明显，表征孔隙孔径分布较宽大，孔隙形态较多样；H2 b型回滞环展布较宽，吸附曲线下凹明显，指示具有较大孔隙空间且孔径更宽大的孔隙结构。③H3型回滞环吸附量与压力呈正相关关系，但在较高的相对压力下吸附曲线并未显示最大吸附量，指示这类孔隙具有相当强的吸附能力，孔隙形态呈平板状。④H4型回滞环狭窄细长，吸附曲线和脱附曲线近水平延伸且相互平行，指示这类孔隙吸附能力较差，孔隙连通性不佳，孔隙形态为楔形。⑤H5型回滞环和一些独特的孔隙形态有关，表征的主要是一些开放和不连通的中孔，其主要特征是解吸附曲线急剧下降，且相对压力区间较小，表征墨水瓶形态等无定形孔隙。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 IUPAC回滞环形态分类[24] Fig. 7 Classification of IUPAC hysteresis loops

研究区13块样品的液氮吸附-脱附实验结果显示，页岩氮气吸附曲线形态呈反“S”形，由于矿物组分复杂，吸附-脱附曲线所表现的并不是单一吸附态的结果，而是多种吸附态叠加共同作用的结果^[29]。吸附过程可以分为3个阶段：第1阶段为单分子层吸附阶段，当样品处于相对压力较低（0 < p/p₀≤ 0.45）状态时，吸附量增速较小，等温吸附线平缓且略有上凸；随着相对压力增大，吸附过程进入第2阶段，为多分子层吸附阶段^[26]，此时样品处于相对压力中等阶段（0.45 < p/p₀≤0.80），吸附量增速大，与脱附曲线分离明显，形成回滞环；随相对压力进一步增加，吸附过程进入第3阶段，为毛细管凝聚阶段，此时样品处于相对压力较高状态（p/p₀＞0.80），吸附量增加明显，当p/p₀接近于1.00时并未出现饱和吸附，吸附量继续升高，这一现象说明页岩样品中有一定体积的大孔隙存在^[30]。

结合IUPAC对于回滞环形态的分类分析（图 8）可知：①硅质页岩多具有H3型回滞环（样品YS12-36），回滞环狭窄细长，吸附-脱附曲线近乎水平延伸且相互平行，随相对压力的增加缓慢单调递增，样品孔隙形态以平板状开放孔隙为主，含有较多的片状、颗粒状基质，这一结论与该类样品含有较多黏土矿物和石英相吻合，指示该类页岩中主要的气体吸附空间为黏土矿物的层间粒内孔和微裂缝，有利于吸附气的储集；硅质页岩还具有H2 a回滞环（样品YS12-6），其吸附曲线稳定上升，脱附曲线上凸明显，这类样品孔径分布较宽大，孔隙形态较多样，对页岩气体的吸附存储和气体渗流较为有利，在一定条件下这类孔隙发育的硅质页岩产量较高，但研究区H2 a型较少。②钙质页岩（样品YS12-15）多具有H4型回滞环，吸附曲线在相对压力接近1.00时很陡，脱附曲线拐点不明显，吸附、脱附曲线近乎水平延伸且相互平行，回滞环不十分明显，说明孔隙空间小，孔隙不发育，具有较多孔隙不发育的致密基质，这与样品中含有较多方解石成分相吻合，指示该类页岩的吸附能力有限，孔隙结构不利于吸附气的储集。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩典型氮气吸附-脱附曲线 Fig. 8 Adsorption-desorption isotherms of shale samples of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

国际理论和应用化学协会将孔隙以孔径2 nm和50 nm为界划分为3类：微孔（< 2 nm），介孔（2~ 50 nm）和宏孔（> 50 nm）。由氮气吸附实验得到13个样品的BJH孔径分布数据（参见表 1），选用dV/dlog D分布曲线来表征页岩样品中孔径分布情况，将其孔径分布类型分为3类。其中V为BJH孔隙质量体积，mL/g，dV是一定孔区间的孔体积；D为孔径，nm，d log D表示单位孔区间。dV/dlog D孔径分布图中最高点对应的孔隙在样品中分布最广，低缓区域表示对应的孔隙分布很少。

Ⅰ类：dV/dlog D孔径分布图呈一个主峰和多个次峰的形态，主峰段孔径为2~4 nm，小于2 nm的微孔不发育，表明介孔占优势，峰值较高，可以提供大量的孔体积，为游离气的赋存提供储集空间；次峰多处可见，分布范围覆盖介孔段、宏孔段（图 9a）。整体而言，该类页岩样品以介孔和宏孔为主，均较发育，连通性好，是有利的孔隙类型，在石英含量较高、黄铁矿发育的硅质页岩中较为常见。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组3类页岩dV/dlogD分布曲线 Fig. 9 Distribution curves of dV/dlogD of three type of shale of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

Ⅱ类：dV/dlog D孔径分布图呈一个主峰和一个次峰的形态，主峰段孔径大多为2~4 nm，另有样品YS12-35和YS12-14主峰位置孔径小于2 nm，表明微、介孔占优势，且峰值均较高，说明可以提供大量的孔体积，对吸附气的赋存较为有利^[17]；次峰为50~ 100 nm，属于宏孔段，但峰值低，提供的孔体积较小（图 9b）；样品总有机碳（TOC）含量越高，主峰位置越靠前且峰值越高。整体而言，该类页岩样品以微孔和介孔为主，介孔最为发育，宏孔发育较少，分析认为这与样品中TOC含量高，孔隙类型以有机质生烃演化形成的微孔—窄孔为主有关，在硅质页岩和混合页岩中较为常见。

Ⅲ类：dV/dlog D孔径分布图呈一个主峰和一个次峰的形态，主峰段孔径为50~100 nm，峰值较低，表明宏孔占优势，可以提供主要的孔体积；次峰孔径为2~4 nm，属于介孔段，提供的孔体积小（图 9c）。该类页岩样品的孔隙类型以黄铁矿等矿物的粒间孔为主，宏孔体积较小，反映碳酸盐矿物致密，总体孔隙不发育，不利于天然气的吸附和存储，在钙质页岩中较为常见。

页岩非均质性强，孔隙结构十分复杂，研究孔隙结构和表面不规则性所具有的分形几何特征对于刻画页岩的吸附和解吸附能力意义重大，利用分形维数可以定量表征孔隙结构的复杂度^[31]。FHH法计算分形维数的计算方法中应用最为广泛，具有适用性好、计算简便的优势^[32]。FHH方程表现形式为

式中：v为平衡压力p对应的气体质量体积，cm³/g；p₀为吸附气体饱和蒸气压，MPa；K为常数；d为多孔介质的分形维数，一般取值2~3。

当d = 3时，对应体积充填；d = 2时，为无孔隙的光滑表面^[17]；d值越大说明孔隙结构越复杂，介质表面越粗糙，d值越小，则孔隙结构越简单。

根据氮气吸附-脱附机理，页岩在吸附过程中的不同阶段具有不同的吸附机制，相对压力较低阶段（p/p₀＜0.45）以单分子层—多分子层吸附为主；相对压力较高阶段（p/p₀＞0.45），吸附力是以表面张力为主的毛细凝聚。因此，以p/p₀= 0.45为界，分段求取分形维数，p/p₀＜0.45时所求得的分形维数为d₁，表示孔隙表面的分形维数；p/p₀＞0.45时求得的分形维数为d₂，表示孔隙结构分形维数。基于氮气吸附数据通过计算得到样品的氮气吸附体积与相对压力双对数曲线（图 10），并通过解FHH方程分别得到13个样品的分析维数d₁和d₂（表 2）。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩不同阶段吸附体积与相对压力的双对数分形关系曲线 Fig. 10 Double logarithm fractal curves of adsorption volume and relative pressure of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

通过建立的研究区孔隙分形模型（图 10，表 2）可知，相对压力较低阶段和相对压力较高阶段样品的氮气吸附体积与相对压力的双对数曲线相关性均较好，说明储层孔隙表面与孔隙结构具有明显的分形特征。

表 2(Table 2)

表 2 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩样品基于分形FHH理论模型的分形维数 Table 2 Fractal dimension of shale samples based on fractal FHH model of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin 样品编号 p/p0 < 0.45 p/p0 > 0.45 分形拟合方程 R2 d1 分形拟合方程 R2 d2 YS12-6 y = -0.499 9x + 1.251 4 0.996 8 2.500 1 y = -0.260 7x + 1.414 3 0.961 6 2.739 3 YS12-10 y = -0.381 1x - 0.367 0 0.999 0 2.618 9 y = -0.366 6x - 0.399 5 0.997 6 2.633 4 YS12-14 y = -0.285 9x + 1.014 2 0.982 4 2.714 1 y = -0.130 0x + 1.038 1 0.996 7 2.870 0 YS12-15 y = -0.379 8x - 0.906 7 0.998 3 2.620 2 y = -0.417 6x - 0.975 1 0.995 6 2.582 4 YS12-18 y = -0.413 2x - 0.407 7 0.999 2 2.586 8 y = -0.271 6x - 0.375 4 0.998 6 2.728 4 YS12-19 y = -0.370 0x + 0.256 6 0.998 3 2.630 0 y = -0.190 0x + 0.309 6 0.998 9 2.810 0 YS12-23 y = -0.471 1x + 0.436 5 0.962 6 2.528 9 y = -0.245 5x + 0.445 5 0.998 6 2.754 5 YS12-26 y = -0.334 2x + 0.090 8 0.992 3 2.665 8 y = -0.216 9x + 0.084 0 0.998 7 2.783 1 YS12-30 y = -0.366 1x + 0.471 5 0.995 7 2.633 9 y = -0.202 3x + 0.520 1 0.992 9 2.797 7 YS12-33 y = -0.535 8x + 0.792 5 0.993 3 2.464 2 y = -0.330 0x + 0.919 6 0.972 4 2.670 0 YS12-35 y = -0.291 5x + 1.375 2 0.987 9 2.708 5 y = -0.127 3x + 1.428 3 0.989 0 2.872 7 YS12-36 y = -0.360 1x + 1.034 7 0.997 5 2.639 9 y = -0.179 8x + 1.107 0 0.986 3 2.820 2 YS12-37 y = -0.341 9x + 1.289 3 0.994 7 2.658 1 y = -0.164 4x + 1.373 0 0.976 2 2.835 6

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分形维数是孔隙粗糙程度的定量表征，页岩中微、小孔隙占比越大，孔隙结构越复杂，分形维数也会越大，表明样品的孔隙空间较小。页岩样品的分形维数d为2.464 2~2.872 7，且d₂均大于d₁，说明孔隙内部结构复杂程度大于孔隙表面，非均质性强。d₂最高的4个样品（YS12-35，YS12-14，YS12-37，YS12-36），在孔径分布图上也表现出以微小孔隙为主的特征，d₂数值最低的4个样品（YS12-15，YS12-10，YS12-33，YS12-18）则表现出微小孔隙不发育，以中孔、宏孔为主的特征（参见图 9）。这也从侧面印证了分形维数是微小孔隙发育程度的表征参数。

为进一步探讨页岩储层微小孔隙发育程度与矿物组分的关系，将分形维数d₁，d₂分别与TOC含量、黏土矿物含量和石英含量进行交会分析（图 11a—11c）可知，d₁，d₂与TOC含量、黏土矿物含量和石英含量均有一定的正相关关系。分析认为TOC含量增加，有机质排烃产生的纳米级有机孔隙增加，使得页岩孔隙结构及孔隙表面复杂化，这一认识与之前学者们的认识一致^{[5, 26-27]}；黏土矿物含量增加，黏土矿物的纤维状发育，黏土矿物片状颗粒形成的平板状孔隙增加，微小孔隙的发育也会造成页岩孔隙结构及孔隙表面复杂化；而石英含量增加，石英颗粒形成的粒间孔等无定形孔隙发育，孔隙结构及孔隙表面也会变得复杂。

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组页岩分形维数与矿物组分、孔隙结构关系 Fig. 11 Relationships of fractal dimension with mineral composition and pore structure of Ordovician Wulalike Formation in western Ordos Basin

将分形维数d₁，d₂与孔隙结构参数，即BET比表面积，BJH总孔体积和BET平均孔径分别进行相关性分析（图 11d—11f）可知，d₁，d₂与BET比表面积和BJH孔体积均呈正相关关系，前者相关系数明显高于后者；d₁，d₂与BET平均孔径呈明显的负相关关系，即平均孔径越小，分形维数则越大。研究发现比表面积的大小受微孔的发育程度影响，微孔越发育，比表面积越大^[26]。由此，分形维数与孔隙结构参数之间的关系可以归纳为：页岩内微、小孔隙越发育，平均孔径就越小，则比表面积越大，孔隙结构越复杂，孔隙表面越粗糙，分形维数越大。同时观察发现d₂与孔隙各参数的相关性均高于d₁，这一结果表明具有比表面积较大，孔体积较大、孔径较小的黏土矿物层间缝、黄铁矿晶间孔以及石英颗粒粒间孔和粒缘孔隙的硅质页岩，孔隙分形维数更高，内部孔隙结构更加复杂，这与现有的研究结果一致^[33]。

（1）鄂尔多斯盆地西部奥陶系乌拉力克组海相页岩孔隙类型复杂，孔隙度主要为0.16%~1.50%。钙质页岩岩相整体致密，孔隙类型多为晶间孔、溶蚀孔，硅质页岩岩相总体孔隙较发育，多为粒间孔，黏土矿物层间缝，微裂缝等。按孔径分布类型可分为3类：Ⅰ类以2~4 nm的介孔为主，同时中孔、宏孔都较发育且孔体积大，在硅质页岩岩相中较为常见；Ⅱ类以0~4 nm的微、介孔为主，宏孔发育较少，在硅质页岩岩相和混合页岩岩相中较为常见；Ⅲ类以50~100 nm的宏孔为主，但体积小，总体孔隙体积小，在钙质页岩岩相中较为常见。

（2）鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组页岩的液氮吸附-脱附曲线所形成的回滞环形态以H3和H4型为主，偶见H2 b型，其中H3回滞环形态多发育在富含黏土的硅质页岩中，孔隙形态以平板状开放孔隙为主，主要发育黏土矿物的层间粒内孔、微裂缝；H2 b回滞环形态多发育在硅质页岩中，孔隙类型为细颈广体的墨水瓶孔等无定形孔隙，微孔较为发育；H4回滞环形态多发育在钙质页岩中，孔隙形态以狭缝状孔隙为主，具有较多孔隙不发育的致密基质。

（3）鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组页岩储层孔隙表面与孔隙结构具有明显的分形特征，孔隙内部结构复杂程度大于孔隙表面，非均质性强。TOC含量、黏土矿物含量和石英含量越高，孔隙结构和孔隙表面也越复杂。

（4）鄂尔多斯盆地西部乌拉力克组页岩底部深水盆地相硅质页岩岩相是勘探的有利目标，微、介、宏孔均发育，孔隙空间大；中下部广海陆棚相有机质发育程度较低，混合页岩岩相是较为有利的目标勘探相带，孔隙度较大，以微、介孔为主，略差于硅质页岩岩相；上部台地前缘斜坡相形成于氧化环境，不利于有机质的保存，发育的钙质页岩岩相，孔隙度小，孔隙结构差，储层致密，不利于页岩气储集，不是页岩气勘探的目标相带。