**鄂尔多斯盆地长73页岩不同纹层孔隙结构特征与多重分形特征研究**

《Frontiers in Earth Science》：Study on the pore structure characteristics and multifractal features of different lamination in chang73 shale, Ordos Basin

　　

鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7₃页岩是中国具有勘探前景的湖相页岩油储层，然而普遍发育的纹层造成了高度非均质的孔隙结构，使得储层质量评价和甜点识别变得复杂。本研究将扫描电镜矿物定量评价（QEMSCAN，Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electron Microscopy）矿物图谱、低压CO₂吸附（LTCA）、低温N₂吸附（LTNA）和核磁共振（NMR）技术相结合，系统表征了不同纹层类型的矿物组成和全尺度孔径分布，并应用多重分形理论量化孔隙非均质性及其矿物学控制因素。研究识别出五种纹层组合：有机质-凝灰质纹层、有机质-黏土纹层、长英质-黏土纹层、长英质-凝灰质纹层和凝灰质-长英质纹层。综合孔径分布曲线显示，有机质-黏土纹层尽管含有最高的有机质含量和最大比例的小于2 nm的微孔（达28.8%），但其总孔隙度最低（4.15%），表明压实作用抵消了有机质赋存微孔的贡献，储层质量最差。凝灰质-长英质和长英质-凝灰质纹层以大于50 nm的大孔为主，占比高达58.0%，显示出最佳的岩石物理性质，其中凝灰质-长英质类型更优。有机质-凝灰质和长英质-黏土纹层均以2–50 nm范围内的中孔为主，孔隙结构大致相似。多重分形分析表明，奇异性谱宽Δα与白云石和石英含量有很强的相关性，决定系数R²为0.8302，确定了矿物组成是孔隙非均质性的主要控制因素。这些纹层特定的孔隙特征表明，凝灰质-长英质段是长7₃页岩中的最佳甜点目标。

**鄂尔多斯盆地长7₃页岩不同纹层孔隙结构特征与多重分形特征——论文解读**

**一、研究背景与科学问题**

全球能源格局近年来经历了深刻变革，非常规油气资源已成为全球能源供应的重要组成部分。中国拥有丰富的页岩油资源，尤其是中生代—新生代湖相页岩地层。继四川盆地海相页岩气取得突破性成功后，鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、四川盆地和准噶尔盆地等地区的湖相页岩油气潜力日益受到关注。鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段，特别是其第三亚段（长7₃），已被确定为中国最具前景的页岩油勘探目标，多口井已获得工业油流。

长7₃页岩的一个显著特征是发育毫米至亚毫米级的纹层，这些纹层源于沉积条件的频繁变化，包括陆源输入、火山灰沉积和有机质产出的波动。这些纹层通常可划分为富有机质纹层、凝灰质纹层、长英质（粉砂质）纹层和黏土质纹层，其垂向叠置形成复杂的纹层组合，对矿物组成、有机质分布及孔隙结构非均质性具有一级控制作用。与通常较为均质的海相页岩不同，长7₃等湖相页岩在不同纹层类型之间表现出强烈的非均质性。理解这种纹层尺度的非均质性对于评价储层质量和预测甜点至关重要。

然而，目前对长7₃页岩不同纹层组合的孔隙结构特征仍缺乏系统研究。前人研究多聚焦于单一岩相或整体样品，未对不同纹层类型的孔隙结构差异进行定量表征；多重分形参数与矿物组成、有机质丰度及储层质量之间的关系尚未建立；不同纹层组合在多大程度上控制孔隙结构非均质性也未得到系统评价，制约了有利储层段和甜点的准确识别。

**二、主要技术方法**

本研究采集了鄂尔多斯盆地西南部长7₃亚段9块岩心样品，综合运用四种技术手段：QEMSCAN（扫描电镜矿物定量评价，Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electron Microscopy）用于矿物组成定量分析和纹层分类，其加速电压为20 kV，束流为10 nA，矿物图谱步长为5 μm（全岩）和1 μm（精细物相识别）；LTCA（低压CO₂吸附）在0 °C（273 K）、相对压力0.0001–0.03范围内测定，采用DFT（密度泛函理论，Density Functional Theory）模型确定微孔（<2 nm）结构参数；LTNA（低温N₂吸附）在77 K、相对压力0.001–0.995范围内测量，采用BET（Brunauer–Emmett–Teller）模型计算比表面积，BJH（Barrett–Joyner–Halenda）模型确定孔径分布；NMR（核磁共振）使用MesoMR23-040V型核磁共振分析仪，采用CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脉冲序列采集T₂弛豫谱，通过转换系数C将T₂时间转换为孔径。在此基础上，基于NMR T₂谱的全尺度孔径分布曲线，采用盒计数法进行多重分形分析，计算奇异性谱宽Δα等参数以定量表征孔隙结构非均质性，统计矩q的范围为?20至+20。

**三、主要研究结果**

**（1）页岩纹层特征与分类**

基于QEMSCAN分析获得的石英、长石、黏土矿物、碳酸盐矿物（方解石和白云石）及凝灰质组分的相对比例，结合纹层结构和有机质分布特征，将研究样品划分为五种纹层组合：有机质-凝灰质纹层、长英质-黏土纹层、长英质-凝灰质纹层、有机质-黏土纹层和凝灰质-长英质纹层。五种纹层类型可根据端元矿物特征归为三大类：第一类为长英质主导组，包括长英质-黏土、长英质-凝灰质和凝灰质-长英质纹层，其中凝灰质-长英质类型石英含量最高（48.1%），长石含量也最高（14.6%），黏土含量降低至25.4%，构成最刚性的矿物骨架；长英质-凝灰质纹层以异常高的白云石含量（32.6%）为特征。第二类为有机质富集组，包括有机质-凝灰质和有机质-黏土纹层，其中有机质-黏土类型有机质含量最高（19.8%和12.6%），黄铁矿含量也最高（10.4%和5.8%），石英含量显著低于长英质主导组。此外，有机质含量与NMR孔隙度呈负对数相关（R² = 0.7045），与黄铁矿含量呈正线性相关（R² = 0.7936），表明有机质富集与孔隙度损失受沉积氧化还原条件和黏土含量增加的共同控制。

**（2）孔隙结构特征——LTCA结果**

CO₂吸附等温线显示，有机质-黏土纹层样品在低相对压力区（P/P₀ < 0.01）吸附量急剧上升，表明亚2 nm微孔大量发育。LTCA总孔容范围为0.00019至0.00148 cm³/g，BET比表面积范围为0.0428至4.8657 m²/g。有机质-黏土纹层具有最高的总孔容和BET比表面积，反映与有机质和黏土矿物相关的微孔高度发育；凝灰质-长英质纹层则表现出最低的总孔容和BET比表面积，与石英富集、黏土贫乏的岩性中有限的微孔发育一致。

**（3）孔隙结构特征——LTNA结果**

N₂吸附-脱附等温线在低相对压力区缓慢上升，在较高相对压力区快速增加，表明存在丰富的中孔（2–50 nm）。LTNA总孔容范围为0.002067至0.011495 cm³/g，BET比表面积范围为0.5886至5.1691 m²/g，平均孔径为4.45至7.02 nm。凝灰质-长英质纹层样品表现出最高的LTNA孔容（0.011495 cm³/g）和BET比表面积（5.1691 m²/g）以及最小的平均孔径（4.45 nm），表明中孔最为发育，这归因于丰富的刚性石英和长石颗粒保存了粒间孔隙。相反，有机质-黏土纹层尽管有机质含量高，但LTNA孔容和BET比表面积最低，表明该类纹层因压实作用较强而中孔发育有限。

**（4）孔隙结构特征——NMR结果**

NMR T₂谱可分为两种类型：单峰分布和双峰分布。凝灰质-长英质纹层表现出双峰分布且后峰幅度较高，指示孔隙结构更优。NMR孔隙度范围为4.15%至8.12%，凝灰质-长英质纹层孔隙度最高（8.12%），T_2gm和T_2am值也最大，表明孔隙空间最发育且孔径相对较大；有机质-黏土纹层孔隙度最低（4.15%和4.23%），T_2gm和T_2am值最小。

**（5）全尺度孔径分布特征**

通过整合LTCA（<1 nm）、LTNA（1–100 nm）和NMR（>100 nm）数据构建了全尺度孔径分布曲线。结果表明：有机质-黏土纹层微孔比例最高（24.5%和28.8%），但总孔隙度最低，呈现双重孔隙系统特征，微孔主导但中孔主峰依然存在；凝灰质-长英质纹层大孔（>50 nm）比例最高（58.0%），微孔仅占5.6%，全尺度孔径分布曲线呈明显的双峰分布，主峰在10–100 nm中孔范围，次峰超过100 nm且幅度和宽度均很高；长英质-凝灰质纹层大孔比例达48.3%，中孔占45.0%，储层性质优良；有机质-凝灰质和长英质-黏土纹层均以中孔为主，处于中间类型。值得注意的是，在有机质-黏土样品中，NMR在中孔范围的信号幅度显著高于LTNA数据且不能重合，这是由于丰富的有机质微孔导致NMR无法充分区分微孔和中孔，因此在1–100 nm范围内LTNA对有机质富集样品的孔隙分布描述更为准确。

**（6）多重分形特征**

基于全尺度孔径分布曲线的多重分形分析表明，所有纹层类型均表现出真实的多重分形行为。奇异性谱宽Δα（α_max?α_min）在不同样品间变化显著，范围为1.19至2.47。凝灰质-长英质纹层Δα最小（1.19），指示孔隙结构非均质性最低，与其发育的大孔和相对均匀的孔径分布一致；长英质-凝灰质纹层Δα最大（2.47），反映存在大量大孔和中孔共存造成的显著尺寸差异。Δα与石英含量呈负线性相关（R² = 0.673），与白云石含量呈强正线性相关（R² = 0.830），表明石英颗粒提供稳定骨架、降低孔隙结构非均质性，而白云石可能通过成岩溶蚀和晶间孔发育增强了孔隙尺寸的非均质性。

**四、讨论与结论**

研究表明，长7₃页岩的孔隙结构主要受矿物骨架刚性与有机质含量之间的相互作用控制：长英质-凝灰质和凝灰质-长英质纹层凭借刚性石英/长石骨架和发育的大孔-中孔网络，为页岩油提供了丰富的储集空间和有利的流动条件，被确定为最优勘探目标；而有机质-黏土纹层尽管有机质含量最高（TOC高达19.8%）且微孔比例最大（达28.8%），但孔隙度最低（4.15%–4.23%），其高度压实的微孔主导网络可能主要以吸附态储存石油，不利于石油的流动和开采。值得注意的是，长英质-凝灰质样品中高Δα值（2.47）并不与其作为有利储层的判断相矛盾，该样品的非均质性主要源于大孔和中孔的共存，而非孤立微孔的发育，表明白云石富集、长英质主导的纹层中增强的非均质性与有利储层质量可以共存。

多重分形分析建立了矿物组成与孔隙非均质性之间的定量联系，确定了矿物组成而非单纯的有机质丰度是控制长7₃页岩孔隙结构复杂性的主导因素。上述发现为湖相页岩油勘探中的有利储层评价和甜点预测提供了纹层尺度的判别准则：应优先关注具有高脆性矿物含量和保存完好的大孔-中孔网络的长英质和凝灰质主导的纹层组合，将其作为常规TOC评价的补充。

**研究结论：（1）基于QEMSCAN矿物学分析，长7₃页岩可划分为五种纹层组合，反映了长英质矿物、黏土和有机质含量的系统变化，有机质含量与NMR孔隙度呈负相关，与黄铁矿含量呈正相关。（2）全尺度孔径分布揭示了纹层类型间孔隙发育的显著差异：有机质-黏土纹层微孔主导、储层质量最差；凝灰质-长英质纹层大孔比例和孔隙度最高，储层潜力最优；有机质-凝灰质和长英质-黏土纹层以中孔为主，处于中间状态。（3）所有纹层类型均表现出多重分形行为，Δα与石英含量负相关、与白云石含量正相关，矿物组成是孔隙结构复杂性的主导控制因素。（4）凝灰质-长英质和长英质-凝灰质纹层为最有利的页岩油富集纹层类型，储层质量不仅受有机质丰度控制，同样受矿物骨架刚性和成岩改造的制约。**