页岩孔隙综合分形特征及其影响因素分析
张闯辉1,2，朱炎铭1,2，陈居凯1,2，李拯宇1,2
【摘 要】摘要：为研究页岩的孔隙结构，从而对页岩的孔隙分形特征作全面的表征，分别利用基于高压压汞实验数据的Menger海绵模型和基于低温液氮实验的FHH等温式分形模型对不同孔径段的孔隙进行分形拟合，计算其分形维数。以不同孔径段的孔隙体积比作为加权值，计算了页岩样品的综合分形维数；将页岩的综合分形维数与总有机碳质量分数(TOC)和矿物成分质量分数(黏土矿物和脆性矿物)做相关性分析，发现总有机碳质量分数(TOC)是影响综合分形维数的主要因素，随着总有机碳质量分数(TOC)的增加，使得页岩具有更大的综合分形维数，孔隙结构变得复杂，孔隙表面变得粗糙，为页岩气提供更多的吸附点位。通过综合分形维数可以定量评价储层孔隙的复杂程度和非均质程度，为储层评价和页岩气的吸附研究提供思路。 【期刊名称】河南理工大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2017(036)004 【总页数】6
【关键词】关 键 词：页岩；孔隙；高压压汞；低温液氮；综合分形维数
0 引 言
页岩是一种复杂的非均质多孔隙固体，其孔隙特征对页岩气的吸附和富集等性质有重要的影响。研究表明，页岩的孔隙系统很难用传统的欧式几何原理进行定量研究，而分形几何描述则可以对其空间展布特征和孔隙结构进行定量表征。页岩的孔隙分布、表面形态均存在非均值性[1]，具有分形特征。
近几年，随着对页岩气储层研究的不断深入，不少学者利用高压压汞、低温液
氮和扫描电镜(SEM)等实验对页岩的孔隙结构进行综合表征[2]，以获得更全面、更准确的特征。目前，对页岩的分形多用单一的高压压汞或者低温液氮进行研究[3-5]，缺少对其综合研究，从而使得对其分形特征表达不全面。因此，本次研究对采自沁水盆地南部的7个页岩样品，利用高压压汞和低温液氮测试结果，采用Menger海绵模型和FHH等温式分形模型，系统研究页岩孔隙的特征，计算页岩综合分形维数，并就其影响因素做了讨论。
1 样品与实验方法
1.1 样品
样品采自沁水盆地南部新鲜钻井页岩样品，共计7块(QS1-QS7为由浅至深的样品编号)，属于海陆交互相沉积环境。对页岩样品进行有机碳和矿物成分质量分数测试，如表1所示，其总有机碳质量分数(TOC)为1.08%～4.79%，平均为2.28%；黏土矿物质量分数为53.3%～62.8%；脆性矿物(石英+方解石+白云石)质量分数为34.8%～42.9%。 1.2 实验方法
高压压汞实验在中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室进行，运用美国Micromeritics Instrument公司生产Auto-Pore IV 9500型全自动压汞仪，测试下限为3 nm，工作压力介于0.000 7～413.688 MPa，选取测试压力点108个，每个测试点稳定时间为5 s。实验样品粒径需破碎至2 mm左右，测试质量为4 g。在测试前需将样品进行干燥处理，干燥温度为70～80 ℃，恒温干燥12 h，然后装入膨胀仪进行测试。
低温液氮实验在中国矿业大学煤炭加工和高效洁净利用教育部重点实验室进行，采用美国Quantachrome公司生产的Autosorb-1型物理吸附仪，实验样品
为粉末状，粒径为40～60目，在实验前经过干燥与脱气处理，干燥时温度为80 ℃，时间为24 h，脱气时间为8 h。试验温度为77 K。
对页岩孔隙分类参考IUAPC方案[6]，即微孔(φ<2 nm)，介孔(2 nm≤φ≤50 nm)和大孔(φ>50 nm)，φ为孔隙直径。高压压汞实验测得的孔隙是按照粒样堆积得到的，因此，实验得到的大于100 000 nm的孔隙并非样品本身的孔-裂隙系统[7]，而在压力较大时，由于汞的入侵，导致对较小孔径的测试不准。根据以往研究发现，高压压汞实验可以对大于50 nm的孔隙进行较好的表征，而低温液氮实验可对小于50 nm的孔隙进行表征[8]，因此，本次利用高压压汞和低温液氮实验对页岩样品进行综合研究。
2 不同孔径段分形维数计算方法
页岩作为多孔隙固体，其分形维数大小介于2～3，符合多孔隙固体孔隙系统的分形意义，分形维数的大小可反应页岩的表面粗糙程度和非均质性[9]。当分形维数接近2时，多孔隙固体表面越平滑，非均质性越弱；当分形维数接近3时，表面越粗糙，非均质性越强。根据测试实验对不同孔径段孔隙特征的适用性，可将页岩按照不同的分形模型来进行计算。 2.1 大孔孔径段分形维数计算方法
本次利用Menger海绵模型的构造思想，利用页岩样品高压压汞实验数据，推导出大孔孔径段的页岩分形孔隙模型的计算公式[3]，即 D1=4+ln (dVp/dP)/ln P ， (1)
式中：D1为页岩大孔孔径段体积分形维数；Vp为压汞实验测得的大孔孔径段页岩孔隙体积，mm3/g；P为压汞实验中施加的压力，MPa。
页岩孔隙综合分形特征及其影响因素分析
