湖南-贵州-广西盆地二叠纪页岩储层的宏观特征与微观孔隙结构：基于NMRC、分形及图像处理技术的分析 孙岳， 江宇强， 李苗， 魏向峰， 郝景瑜， 顾一帆

《Fractal and Fractional》：Macroscopic Characterization and Microscopic Pore Structure of Permian Shale Reservoirs in Hunan–Guizhou–Guangxi Basin: Insights from NMRC, Fractal and Image-J Methods Yue Sun, Yuqiang Jiang, Miao Li, Xiangfeng Wei, Jingyu Hao and Yifan Gu

　　摘要
二叠纪页岩是继志留纪页岩之后，中国南部最大且最具勘探潜力的页岩气目标。对页岩储层的精细评估是大规模勘探和开发的先决条件。本研究基于分形方法，通过结合核磁共振冷冻渗透法（NMRC）和图像识别软件（Image-J），阐明了HGG盆地二叠纪页岩的孔隙大小分布。研究的目的是表征二叠纪页岩的宏观参数，并揭示其储层空间发育程度，同时探讨孔隙度和孔隙结构的控制因素。研究表明，HGG盆地的二叠纪页岩有机碳含量与海相页岩相似。在达龙组（Dalong Formation）的有利区间内，平均有机碳含量可与LMX层段相当。下龙滩页岩（lower Longtan shale）具有最高的有机碳含量和最大的气生成潜力，其次为达龙组页岩。总有机碳（TOC）是控制下龙滩和达龙组孔隙度的主要因素，而在上龙滩（upper Longtan）区域，黏土矿物则起主导作用。上龙滩页岩中，颗粒间及黏土矿物层间的丰富孔隙占据了大部分孔隙空间。在下龙滩和达龙组中，有机孔隙普遍存在，这解释了这些区间孔隙度控制因素的差异。黏土矿物是控制二叠纪页岩储层发育的关键因素。吸附孔隙的分形维数（DA）与总黏土含量无明显相关性，与伊利石含量呈负相关，而与绿泥石含量无明显关系。相反，流动孔隙的分形维数（DS）与总黏土含量呈弱正相关，与伊利石含量呈正相关，与绿泥石含量呈负相关。当伊利石与水相互作用时，倾向于分解并堵塞孔隙，这种现象在含有有机物的最小孔隙中尤为明显，这解释了DA与伊利石含量之间的负相关关系。在较大的流动孔隙中，分解的伊利石会粗糙化原本光滑的颗粒壁面，增加结构复杂性，从而提高DS值。

1. 引言
随着美国页岩气和页岩油开发的商业成功以及四川盆地海相页岩气的商业化开发，页岩中的碳氢化合物已成为工业界和学术界的研究焦点。为此，中华人民共和国国土资源部评估了全国页岩资源潜力，并划分了五个主要的页岩气区域：西北部、北部和东北部、上扬子江及云南-贵州-广西地区、中下游扬子江及东南部，以及青海-西藏地区。评估表明，中国具有巨大的页岩气潜力，分布广泛且含有多个产烃地质层段。初步估计表明，中国二叠纪页岩气资源量约为18.19万亿立方米，其中约2.67万亿立方米可开采。在主要的地层单元中，二叠纪系统的页岩气潜力排名第三，仅次于寒武纪和侏罗纪。湖南-贵州-广西盆地（HGG Basin）存在两种高质量页岩，它们具备海相和海陆过渡相沉积环境生成页岩气的基本条件[1,2]。然而，包括沉积环境、厚度、地球化学特征、碳氢化合物生成潜力、矿物组成和气体含量在内的关键属性仍需进一步详细研究[3]。沉积演化研究表明，该地区具有有利于页岩气形成的地质条件[4]。HGG盆地内，二叠纪达龙组（Dalong Formation）和龙滩组（Longtan Formation）分布广泛[5]，埋藏深度适中，页岩富含有机质且成熟度足够高，能够生成碳氢化合物[4]。广西地区二叠纪页岩气资源量若超过1万亿立方米，将显著提升该地区清洁能源的比例，推动HGG盆地产业带实现绿色转型。S1和XY1等勘探井的结果进一步证明了该盆地的勘探潜力。在XY1井中，二叠纪达龙-龙滩页岩层段的含气量为0.16-1.41立方米/吨，测试产率为0.23×10^4立方米/天（约2300立方米/天）[6]。作为一种清洁能源，页岩气可替代煤炭，为柳州等工业枢纽提供稳定电力，从而缓解能源密集型产业的碳排放压力。示范项目累计产气量超过1.13×10^6立方米，验证了本地能源供应的可行性。因此，通过能源替代、原料转化和技术创新的三重手段，湘桂区块（Xiang-Gui Block）的二叠纪页岩气有望成为推动中国南部低碳工业转型的核心驱动力，预计到2035年可贡献超过30%的区域天然气消耗量。由于页岩气积累的结构条件和控制因素非常复杂，HGG盆地的积累机制和分布模式可能与其他地区不同。基于以往研究，需要进一步研究以评估二叠纪页岩的勘探和开发潜力。刘（2005）指出，从二叠纪中期（茅口组Maokou Formation）开始，随着盆地演化，HGG盆地的北部和南部形成了不同的沉积环境[7]，他认为这种差异源于盆地发育与邻近山脉构造作用的相互作用。相比之下，顾等人（2015）认为，在晚二叠世（Longtan Formation）晚期，北部和南部共享了一个广泛的沼泽环境，有利于含煤地层的形成[8]。到了晚二叠世达龙组时期，HGG盆地开始快速下沉，凹陷加深，海水迅速侵入内陆，水深迅速增加，形成了交替的深槽和浅高地，其中积累了泥质沉积物、富硅岩石和碳酸盐岩。在HGG盆地南部，沉积作用以富硅页岩和石灰岩为主；在底部和顶部则出现少量含碎屑颗粒的富钙页岩和石灰岩。整体而言，这一地层序列记录了深浅海环境的交替变化[9]。徐（2012）也得出了类似结论，认为南部区域填充平整后，区域抬升停止，转为缓慢下沉[9]，使南北区域连成连续的沼泽，形成了含煤的龙滩组地层。总之，在晚二叠世达龙组期间，该地区经历了由大规模海洋洪水引发的快速下沉以及深浅环境的交替变化。

2. 地质背景
湖南-贵州-广西盆地（HGG Basin）位于扬子江南部平台，面积超过8万平方公里（图1a）。在早二叠世至中二叠世期间，显著的构造伸展和火山活动形成了广泛的深水沉积环境。地层记录显示了浅海和深水沉积：浅海碳酸盐岩形成了吴家坪组（Wuchiaping Formation）和常兴组（Changxing Formation），而深水页岩、泥岩和粉砂岩则构成了龙滩组（Longtan Formation）和达龙组（Dalong Formation）（图1b）。达龙组中可识别出双壳类、头足类和腕足类化石。

图1：
(a) 湖南-贵州-广西盆地二叠纪页岩的沉积环境。
(b) 湖南-贵州-广西盆地晚二叠世的地层概况。
在HGG盆地东部，双壳类以Aviculopecten spp.为代表（图2a）；头足类主要包括Huananoceras sp.、Pseudogastrioceras sp.、Huananoceras cf. qianjiangensis（MS）、Pseudogastrioceras cf. szichuanensis（MS）和Pseudotirolites cf. asiaticus（Gaevel）；腕足类主要为Martima cf. trigueta Gem[2b]。这些组合表明沉积环境为海洋架[2b]。而在HGG盆地中部，达龙组主要由厚层、深灰色至黑色的富硅页岩组成，其间夹有少量富含黏土的细粒石灰岩和含燧石的石灰岩（图2c,d），页岩具有明显的水平层理，反映了水体较为平静且缺氧的环境[2c,d]。局部地区存在大型波浪状层理，可能是由风暴波或深水底流形成的[2c,d]。这些岩石相和沉积结构表明，在达龙组沉积期间，盆地中部经历了深浅海环境的交替[2e,f]。本研究考察的露头位于HGG盆地中部（图1a）[1]。

图2：
(a) 湖南-贵州-广西盆地研究露头处二叠纪页岩的宏观特征。
(b) 常兴组（Changxing Formation）的灰色生物碎屑石灰岩。
(c) 二叠纪龙滩组（Longtan Formation）的灰色石灰岩。
(d) 长滩组（Longtan Formation）富含有机物的黑色页岩。
(e) 达龙组（Dalong Formation）黑色页岩与之上三叠纪粉砂岩和石灰岩的边界。
(f) 达龙组（Dalong Formation）富含有机物的黑色页岩。

3. 样品与方法
3.1 样品
从HGG盆地中部研究露头采集了100个页岩样品，用于分析总有机碳（TOC）含量和矿物组成。根据矿物成分测定结果，将页岩相分为多种类型（表1），并对其中46个样品进行了孔隙度测定。孔隙分布通过核磁共振冷冻渗透法（NMRC）对7个圆柱形岩样进行了测试（表2）。

表1：二叠纪页岩相的分类方案
表2：湖南-贵州-广西盆地二叠纪页岩的NMR分形维数计算结果和矿物成分

3.2 实验
矿物成分采用X射线衍射（XRD）方法进行测定。对于每个页岩样本，通过沉淀方法分离出粘土粒径组分（<2 μm），并制备成定向切片。样品用蒸馏水反复冲洗后，放入2000毫升的石英烧杯中充分混合，然后在25°C下放置20小时。上层悬浮液（<2 μm）被移入离心管中以2500转/分钟的速度离心10分钟；从管底收集的沉淀物即构成<2 μm组分。将浓缩液重新悬浮后，将其涂布在两块平玻璃板上（20–30厘米），风干后用乙二醇处理。乙二醇处理是在60°C下进行的。使用Bruker D8 Advance粉末衍射仪进行大约12次X射线衍射分析，辐射源为Cu（仪器电压4.0 kV；电流40 mA；扫描速度250 rpm）。

吉布斯-汤姆逊方程是描述界面曲率对物质热力学性质影响的基本表达式，主要阐明了小颗粒（如核或纳米颗粒）表面效应引起的化学势变化模式及其对相平衡的后果；吉布斯-汤姆逊效应认为，材料的曲率会改变其化学势，导致小颗粒与体相之间的溶解度、熔点或蒸汽压存在差异，这是因为曲率半径的减小增加了表面原子的比例，从而显著增强了表面能的贡献并提高了系统的化学势。吉布斯-汤姆逊方程的公式如下：

在上述方程中，ΔΨ 是界面化学势差，E/W 是界面的单位面积能量（J/m2），V_mol 是一摩尔物质占据的体积（m3/mol），R 是界面的曲率半径（m）。吉布斯-汤姆逊方程为核磁共振冷冻孔隙测量（NMRC）提供了理论基础。它将限制在孔隙中的液体的相变温度与孔隙大小联系起来。使用合适的探针液体，通过监测孔隙内的熔化或冻结过程可以确定孔隙大小分布[26]。随着温度的升高，限制在孔隙中的探针首先在宽度小于10纳米的微孔中开始熔化，然后逐渐在宽度大于10纳米的孔隙中熔化，从而增加了液体分数。根据吉布斯-汤姆逊关系，液体体积随温度的累积增加反映了从小孔到大孔的累积孔隙体积。因此，通过精确测量充满探针的多孔样品在受控温度变化过程中的液体体积，可以推导出其孔隙大小分布。在实际应用中，水和几种熔点接近室温的有机溶剂适合作为NMRC探针液体。

核磁共振（NMR）非常适合用于表征孔隙中的流体并监测多孔介质中的相变。物质在固态和液态下的信号弛豫时间通常相差几个数量级，这使得NMR能够区分液态和固态水以及有机溶剂。这样就可以仅跟踪温度变化时的液体分数，并利用吉布斯-汤姆逊方程来推导孔隙大小分布。本研究使用了Niumag NMRC12-010V系统（中国苏州Niumag公司生产）进行低温NMRC实验，该系统包括气体供应、干燥、制冷、分析和控制系统。该仪器使用频率为12.73 MHz的均匀永磁体，场均匀性低于3 × 10^-5，并稳定在305.15 ± 0.02 K。最小回波时间小于48 μs，射频线圈配备10毫米探针。温度控制器的精度为±0.02 K，温度升降速率为1.3°C/秒。

基于NMR数据的分形维数计算
分形几何学为量化复杂多孔介质中的不规则性和自相似性提供了一个框架[27,28]。先前的研究表明，储层岩石的孔隙系统表现出分形行为。在三维欧几里得空间中，孔隙结构的分形维数介于2到3之间；接近2的值表示孔隙更加均匀，孔道表面更平滑，储层质量更好。相反，较高的分形维数意味着更大的异质性，孔道表面更粗糙，储层质量较差。基于这一原理，本研究应用了Zhang等人[29]推导出的NMR T2光谱近似分形几何关系。本研究采用分段回归法估计页岩样本中孔隙结构的分形维数。相关方程如下：

在上述方程中，T2max是最大横向弛豫时间，Dfr是分形维数，φ是一些具有较短弛豫时间的总孔隙体积的百分比。如果页岩孔隙网络具有自相似性并表现出分形行为，则Dfr与lgT2呈线性关系。然后可以使用这些回归系数来估计孔隙结构的分形维数。

4. 结果
4.1. 二叠纪页岩的宏观特征
4.1.1. 有机质丰度
有机地球化学指标对于评估常规油气藏的源岩至关重要，也是评价页岩气藏的核心。北美页岩气盆地的数据表明，较高的有机质含量通常对应较大的天然气生成潜力[11,12]。页岩气还通过吸附在有机表面上来储存；在给定压力下，丰富的有机质含量会导致更多的气体吸附。为了表征和评估页岩气藏，主要的地球化学指标包括总有机碳（TOC）、热成熟度（Ro）、有机质类型（干酪根）、烃相以及气体数量和组成。在本研究中，我们使用TOC来表示页岩中的有机质丰度。
本研究测量了来自Longtan和Dalong地层的141个样本中的总有机碳（TOC）。在整个露头范围内，TOC随深度显著变化，范围从0.24%到6.36%，平均为1.91%（图3）。在Dalong地层的页岩中，TOC范围为0.58%到4.36%（平均2.26%）。在上部Longtan页岩中，TOC为0.50%到2.48%（平均1.15%）。在下部Longtan页岩中，TOC为0.14%到6.36%（平均2.18%）。综合这些数据可知，下部Longtan页岩含有最高的有机碳含量和最大的天然气生成潜力，其次是Dalong页岩；上部Longtan页岩的有机碳含量最低。在相级别上，不同类型的页岩之间TOC也有显著差异。在本研究中标记为HM的相（lower Longtan和lower Dalong）表现出最高的TOC，平均为4.1%，其次是lower Longtan的MCS相（平均3.4%）。lower Longtan的MM相平均TOC为3.1%。图3显示了二叠纪页岩和LMX页岩中有机质丰度和石英含量的垂直变化。(a) 湖南-贵州-广西盆地研究区域的二叠纪页岩。(b) 川南盆地的LMX页岩。与四川盆地LMX地层的产气层对比显示，二叠纪页岩的有机碳含量与海洋页岩相似。在Dalong地层的有利产气区间，平均有机碳含量与LMX产气层相当，而Longtan地层的下部则含有更多的有机质。这些发现表明，研究区域下部Longtan和Dalong地层中富含有机质的页岩为烃类生成提供了坚实的基础，并具有较高的生成潜力。
4.1.2. 有机质的微观组成
腐殖质有机质——主要是由藻类残骸衍生的无定形沥青质——是许多页岩储层的主要成分（Pickel等人，2017年）[30]。这种物质在还原条件下形成，没有固定的形状和明显的边界，通常呈现为絮状或云状物质（Khan等人，2020年）[31]。腐殖质有机质主要由长链烷烃组成，含有少量的环烷烃和杂原子官能团，其特征是氢碳原子比（H/C > 1.5）和高氧碳原子比（O/C < 0.1）。根据SY/T 5125-2014（通过透射光荧光识别和分类干酪根矿物），本研究使用Leica DM4500 P偏振荧光显微镜来鉴定二叠纪页岩中的干酪根矿物[32]。富含有机质的区域含有丰富的沥青质，这些沥青质通常填充孔隙或与自生（成岩作用形成的）矿物接触，并以不规则形态存在（图4）。图4显示了湖南-贵州-广西盆地二叠纪页岩中的有机质干酪根矿物。(a) Longtan地层页岩中的固体沥青质。(b) Longtan地层页岩中的沥青烯。(c) Longtan地层页岩中的无定形物质。(d) Dalong地层页岩中的无定形物质。(e) Dalong地层页岩中的沥青烯和无定形物质。(f) Dalong地层页岩中的固体沥青质和沥青烯。显微鉴定和计数显示，HGG盆地的二叠纪页岩主要由富含有机质的物质组成。在六个样本中，这些成分占有机质的90–96%（平均93.83%），表明I型干酪根占主导地位。作为参考，外膜质（exinite）——来自植物生殖器官、表皮组织和分泌物的成分——可以通过其独特的形态识别，通常分为孢膜质（sporinite）、角质质（cutinite）和树脂质（resinite）。孢膜质通常呈现为圆形到椭圆形或扁平的环状结构，在压实过程中可能变形为蠕虫状或丝状。角质质来源于植物的表皮组织，机械强度较高，通常呈现为弯曲或带状碎片。树脂质由植物树脂、树胶和脂质分泌物组成[33]，通常呈现为圆形到椭圆形，具有光滑的边缘和平坦的表面，内部结构很少。然而，在我们对研究区域富含有机质的二叠纪页岩的干酪根显微观察中未观察到外膜质。
玻璃质主要来源于高等植物的凝胶化组织——茎、叶和木质纤维——而海洋玻璃质则主要来源于低等植物的腐殖化残骸[34]。玻璃质主要由通过亚甲基桥、醚键或硫醚键连接的一系列芳香族单元组成，其特征是氢碳原子比（0.8 < H/C < 1.2）和适中的氧含量，反映了以芳香环为中心的大分子骨架。在扫描电子显微镜（SEM）下，玻璃质呈深色，边界清晰，表面致密均匀，呈带状或块状（图3）。结构无序的玻璃质最为常见；即使在高倍率下也看不到更细微的结构。在HGG盆地的二叠纪露头中，存在大量的高等植物残骸，这些残骸可能为页岩提供了大量的玻璃质；然而，在富含有机质的页岩区间对干酪根的显微分析中并未检测到玻璃质。
惰质是由植物木质纤维素在炭化过程中转化为类似木炭的物质形成的显微干酪根成分。这些成分化学性质稳定，基本上不发生反应，代表了干酪根的惰性部分。最常见的类型是 fusinite，它能够很好地保存植物细胞结构。在扫描电子显微镜下，它看起来相对较亮；纵向切片显示出与层理平行的纤维状纹理（33）。在HGG盆地的二叠纪露头和岩芯样本中，含有大量的高等植物残骸，这些残骸可能为页岩提供了大量的惰质。然而，在富含有机质的页岩区间对干酪根的显微分析中并未检测到惰质。
固体沥青质是源岩中生成的液态烃未能迁移并在随后热解过程中形成的残留物。它在高度过成熟的页岩中很常见。固体沥青质通过多环芳香族簇的自由基重组形成，几乎不含有烷烃链，表现出极低的氢碳原子比（H/C < 0.5）和低氧碳原子比。正如Loucks等人（2007年）[36]所指出的，它通常呈现为非常均匀的带状或致密块状。在液体转化为气体和固体沥青质的过程中，热收缩使材料聚集成团块。其内部几乎没有孔隙性，或者只有少数较大的孔隙，通常大于100纳米，形状多为三角形、球形或椭圆形。这与Cai等人（2016年）和Dong等人（2015年）的报告一致，他们发现重庆东南部的LMX页岩和北美Horn River页岩中的固体沥青质只含有少量大孔[37,38]。在HGG盆地的二叠纪页岩中，显微干酪根中含有约4–10%的固体沥青质。**有机质成熟度**

有机质成熟度指的是沉积有机质在埋藏过程中所经历的热演化程度，这一过程主要由温度和地质时间驱动。镜煤反射率（VRo）是判断有机质成熟度最可靠的指标，广泛用于评估晚古生代以来的源岩成熟度。在HGG盆地，二叠纪富含有机质的页岩中缺乏高等植物来源的镜煤，但通常含有少量的固态沥青，这为研究其热演化提供了基础。王等人（2020年）通过将实验室热模拟结果与自然成熟度序列的样本进行比较，证明当VRo超过1.5%时，固态沥青的反射率与镜煤反射率非常接近[39]。因此，在高成熟度到过成熟度的页岩中（VRo > 3.50%），固态沥青的反射率可以作为VRo的实际替代指标。

本研究分析了五种二叠纪页岩相的反射率（图5）。所有测量点均对应于固态沥青的反射率。沥青反射率（BRo）值普遍较高，平均为3.85%，表明其热成熟度非常高；因此，BRo可以视为等效的镜煤反射率（VRo）。在不同的地层区间内，龙滩组下部的页岩显示出明显更高的反射率。

**4.1.4. 矿物组成和脆性指数**

页岩是一种细粒沉积岩，其组成复杂，包括来自陆地的矿物、原位形成的矿物以及有机质。矿物组合记录了沉积来源，并决定了重要的储层特性——孔隙和裂缝空间、气体吸附能力、天然裂缝发育情况以及水力压裂的成功率——使得矿物学成为页岩气储层评价的核心。通过宏观观察、光学显微镜、电子显微镜和X射线衍射技术可以识别矿物成分，这些方法共同提供了关于矿物类型和结构的全面信息。在二叠纪页岩中，矿物组成尤为复杂：粘土矿物、石英、长石和碳酸盐矿物占主导地位；次要矿物包括黄铁矿、菱铁矿和辉石，偶尔还含有少量的石膏和硬石膏。二叠纪页岩中的粘土矿物主要为伊利石、绿泥石和混合层伊利石-蒙脱石，高岭石含量较少。这些粘土矿物特性表明二叠纪页岩处于晚期成岩阶段。

二叠纪页岩中的硅质矿物以石英和长石为主。X射线衍射显示，硅质矿物含量范围为16.3%至75.3%，平均值为39.5%。在大道组中，硅质矿物含量在23.8%至54.0%之间（平均35.2%），并且在中下部区间相对较低。在龙滩组中，上部岩段含量为27.6%至52.1%（平均38.1%），而下部岩段范围为16.3%至75.3%（平均42.6%）。在龙滩组下部，ULS页岩相的硅质矿物含量最高（平均64.2%），其次是HM页岩相（平均40.0%）。与HGG盆地龙马西组产气层相比，龙滩组下部的硅质矿物含量类似于海洋页岩。较高的硅质矿物含量通常意味着更高的脆性，从而更适合进行水力压裂，有利于后续的增产操作。相比之下，大道组下部的HM页岩相硅质矿物含量较低，降低了储层质量。

页岩适合作为水力压裂目标的评价常用脆性指数（BI），目前有多种评估方法。在中国，目前的做法主要采用北美页岩气勘探和生产过程中开发的经验公式。这些方法通过矿物组成或弹性参数来量化脆性，帮助识别最适合水力压裂的地层。基于矿物的BI可以直接从实验室或测井数据中计算得出，适用于常规评估。在二叠纪页岩中，BI随深度逐渐降低（图6）。在龙滩组下部，BI范围为16.8至92.6，平均值为52.8；在龙滩组上部，BI范围为34.7至84.4，平均值为51.8。在大道组中，BI范围为28.9至65.9，平均值为43.8。在龙滩组下部，ULS亚段的BI最高（平均85.0%），其次是HM亚段（平均49.0%）。相比之下，大道组下部的HM页岩相脆性较低，平均BI为36.9%。与四川盆地龙马西组产气层相比，二叠纪页岩的脆性指数较低，因此水力压裂适用性一般。

**4.2. 二叠纪页岩的孔隙度**

页岩储层必须满足一定的物理性质要求。孔隙度是估算自由气体体积的主要参数。在开采过程中，首先产出储存在岩基质和裂缝中的自由气体，随后是吸附的气体。作为一种独特的储层类型，页岩的特点是孔隙度较低。孔隙度反映了孔隙发育的程度，通常随着总有机碳（TOC）的增加而增加，而随着埋藏压实和围压的增加而减少，在这种情况下，岩石或其他地质材料受到上方物质的均匀压力。有多种技术用于测量页岩孔隙度，包括核磁共振（NMR）、液体饱和度和波义耳定律双室法；然而，不同方法的结果往往不可直接比较[40]。本研究使用NMR来确定总孔隙度并分析样品的岩性特征。根据这些NMR测量结果，二叠纪页岩的孔隙度变化显著。在龙滩组下部，孔隙度范围为0.11%至1.01%（平均0.52%）；在龙滩组上部，孔隙度范围为0.17%至2.26%（平均1.22%）；在大道组中，孔隙度范围为0.83%至2.38%。与四川盆地海洋龙马西组产气层相比，二叠纪页岩的孔隙度通常较低（图6）。

**4.3. 显微孔结构**

**4.3.1. 微裂缝类型和微观特征**

层间层理是一种在沉积作用下沿层发育的裂隙类型，通常代表强的水动力条件（图7a,b）。在大道组的粘土质页岩相中可以见到层间层理，其中通常完全填充有方解石（图7c,d）。

**4.3.2. 孔隙类型和微观特征**

有机质孔隙（OMPs）被广泛认为是页岩气孔隙系统的重要组成部分。尽管OMPs在二维切片中常常表现为孤立的空隙，但三维观察显示它们具有良好的连通性。在二维中，常见的孔隙形态包括不规则、气泡状、椭圆形到近圆形和蜂窝状。OMPs在不同页岩相中的分布差异很大，但总体形状相似——通常为气泡状且近乎圆形（图9a）。在龙滩组下部，MCS相中的OMPs较少；大多数孔隙呈椭圆形，直径为50–150纳米（图9b）。在龙滩组上部，LM相中的有机孔隙发育较好；孔隙呈椭圆形到接近圆形，直径约为100–500纳米（图9c）。最显著的发育出现在龙滩组下部以及大道组HM和MM相中，其中气泡状OMPs常常形成链状结构；直径可达1100纳米（图9d）。

**4.4. 基于NMRC的孔隙大小分布**

NMRC孔隙大小分布曲线表明，大道组HM相的微孔隙度最高（图11）。该相中的OMPs发育良好，微孔体积可达0.12立方厘米/克。相比之下，龙滩组的MM和MCS相中的大孔占比较高（图11），但中孔和微孔体积较小（平均约为0.02立方厘米/克）。因此，这些相中的OMPs发育程度低于大道组。特别是龙滩组下部，大孔体积较大，表明了大孔和/或微裂缝的充分发育（图11）。

**4.5. 孔隙结构的分形特征**

图12显示了所有样本的lgT2与lgSV的对数-对数图。页岩数据两侧拟合线的斜率有明显差异。根据离心校准结果，我们使用平均截止松弛时间（T2c）作为阈值，将数据分为两个范围：T2 < 0.5毫秒和T2 ≥ 0.5毫秒。随后，我们对这两个范围分别进行了线性回归分析，并计算了吸附孔（DA）和流动孔（DS）的分形维数。结果总结在表1中。计算出的DA和DS表明，在T2 = 0.5 ms的两侧，二叠纪页岩表现出明显不同的分形特性。因此，我们将孔隙系统分为两个区域，并分别评估了吸附孔和流动孔的分形维数与脆性矿物含量的关系。图12显示了湖南-贵州-广西盆地二叠纪页岩中T2与SV的交叉图。

5. 讨论
5.1. 孔隙度控制因素的分析
页岩储层具有多种矿物组成和丰富的有机质。这种多样性导致了多种孔隙类型的形成以及复杂的控制因素。特别是存在于有机质中的孔隙，决定了孔隙网络的发展，从而影响了储层的物理性质。在 lower Longtan 地层和 Dalong 地层中，孔隙度与总有机碳（TOC）呈明显的正相关，与粘土含量呈负相关。相比之下，在 upper Longtan 地层中，孔隙度与TOC无关，但与粘土含量呈正相关（图13）。这些模式表明，在 lower Longtan 和 Dalong 地层中，TOC是孔隙度的主要控制因素，而在 upper Longtan 地层中，粘土矿物起主导作用。通过氩离子抛光样品的扫描电子显微镜观察发现，除了少量的有机孔外，upper Longtan 页岩中含有大量位于颗粒之间和粘土矿物层间的孔隙，这些孔隙占据了大部分孔隙度。在 lower Longtan 和 Dalong 地层中，有机孔广泛存在，这解释了这两个区间孔隙度控制因素的差异。

5.2. 孔隙结构控制因素的分析
分析显示，在二叠纪页岩样本中，吸附孔的分形维数与石英含量呈弱正相关（R2 = 0.332），与长石含量没有明显关系（R2 = 0.015）。相比之下，流动孔的分形维数与石英含量呈弱负相关（R2 = 0.2579），也与长石含量没有明显关系（R2 = 0.2074）。这种现象是因为在二叠纪页岩的大部分地区，与有机质相关的孔隙是小型孔隙的主要来源。因此，石英和长石的变化对吸附孔的发展影响较小。然而，在较大尺度上，脆性矿物的比例增加会降低流动孔的不规则性和异质性，从而导致分形维数降低（图14）。

5.3. 地质学意义
在页岩储层中，天然气主要以自由状态和吸附状态存在，分形维数是衡量多孔介质异质性的关键指标，包括表面粗糙度和孔隙结构。较高的分形维数意味着更复杂的孔隙结构，这会阻碍气体的渗透和扩散，但同时增强储存能力。具体来说，较高的DA值与较粗糙的孔隙表面、更多的吸附位点以及受阻的气体扩散有关，而较高的DS值则反映了更大的孔隙空间复杂性、更高的孔隙连通性和扭曲性，从而导致具有高分形维数的储层表现出较弱的气体渗透能力，但吸附潜力增强。结合大范围SEM孔隙观察和气体含量数据的分析表明，硅质页岩形成了复杂的三维孔隙-裂缝网络，其中高的TOC促进了大量有机质孔隙的形成，较大的中孔体积和特定表面积提高了自由气体储存能力，便于规模化开采；而脆性矿物的主导作用则在水力压裂后促进了复杂裂缝网络的形成。总之，研究区域的二叠纪页岩表现出与储层参数相关的多尺度分形特征，通过综合评估页岩质量指数和分形维数属性，可以全面评价优质储层。

6. 结论
(1) 在 Dalong 地层的页岩中，TOC含量范围为0.58%至4.36%（平均2.26%）。在 upper Longtan 地层的页岩中，TOC含量为0.50%至2.48%（平均1.15%）。在 lower Longtan 地层的页岩中，TOC含量为0.14%至6.36%（平均2.18%）。lower Longtan 地层的页岩具有最高的有机碳含量和最大的气体生成潜力，其次是 Dalong 地层；upper Longtan 地层的页岩有机碳含量最低。HGG盆地的二叠纪页岩的有机碳含量与海洋页岩相似。在 Dalong 地层的有利区间，平均有机碳含量与 Longmaxi 产层相当，而 Lower Longtan 地层则含有更多的有机碳。这些发现表明，研究区域中 lower Longtan 和 Dalong 地层中富含有机质的页岩为烃类生成提供了坚实的基础，并具有较高的生成潜力。
(2) 在 lower Longtan 地层和 Dalong 地层中，孔隙度与TOC呈明显的正相关，与粘土含量呈负相关。在 upper Longtan 地层中，孔隙度与TOC无关，但与粘土含量呈正相关。在 lower Longtan 和 Dalong 地层中，TOC是孔隙度的主要控制因素，而在 upper Longtan 地层中，粘土矿物起主导作用。upper Longtan 地层的页岩中含有大量位于颗粒之间和粘土矿物层间的孔隙，这些孔隙占据了大部分孔隙度。在 lower Longtan 和 Dalong 地层中，有机孔广泛存在，这解释了这两个区间孔隙度控制因素的差异。
(3) 粘土矿物是二叠纪页岩储层发育的关键控制因素。吸附孔的分形维数（DA）与总粘土含量没有明显关系，与伊利石含量呈负相关，与绿泥石含量没有明显关系。相比之下，流动孔的分形维数（DS）与总粘土含量呈弱正相关，与伊利石含量呈明显正相关，与绿泥石含量呈负相关。当伊利石与水相互作用时，它会分解并堵塞孔隙，这种效应在由有机质承载的最小孔隙中尤为明显，这解释了DA与伊利石之间的负相关关系。在较大的、具有流动性的孔隙中，分解的伊利石会粗糙化原本光滑的孔壁，增加结构复杂性并提高DS值。相反，绿泥石与孔隙流体之间的反应会平滑流动孔的孔壁，降低结构复杂性并降低DS值。