準噶爾盆地烏爾禾組凝灰巖孔隙特征及其主控因素

柳忠泉, 曾治平, 胡海燕, 趙樂強, 朱根根, 李松濤, 李凌

(1.中國石化勝利油田石油勘探和開發研究院, 東營 257064; 2.長江大學油氣地球化學與環境湖北省重點實驗室, 武漢 430100)

近幾年來,隨著油氣勘探深入,非常規油氣資源如頁巖氣、頁巖油、致密油等成為油氣行業的研究重點,是一種非常有潛力的油氣資源[1]。凝灰巖儲層作為非常規油氣儲層的一種,對其研究沒有像泥頁巖、致密碳酸鹽深入。目前,國外已經發現的凝灰巖油氣儲層有:美國門羅盆地的Richland油氣田、印度尼西亞NW Java盆地的Jatibarang油氣田、新西蘭的Kora油田、日本吉井-東栢崎氣田等,中國發現的凝灰巖油氣儲層有:三塘湖盆地條湖組凝灰巖儲層[2]、酒泉盆地下白堊統沉凝灰巖儲層、海拉爾盆地南屯組凝灰巖儲層等[3-4]。國外對火成巖油氣藏的研究已有一百多年的歷史,但其勘探、研究程度總體較低,尚未對主要領域進行全面勘探和深入研究。中國自1957年在準噶爾盆地西北緣發現火山巖油氣藏以來,經歷了偶然發現、局部勘探和全面勘探三個階段,目前中國把火山巖油氣藏作為重要領域進行勘探。研究區準噶爾盆地東道海子凹陷二疊系烏爾禾組凝灰巖為鉆遇凝灰巖地層,勘探和研究程度較低。

目前孔隙結構的表征方法大致可分為三類:圖像分析法、流體注入法和物理探測法。一種為圖像分析技術利用各種顯微鏡及相關的圖像技術來觀察和分析巖石的孔隙特征。這種方法能夠可視化孔隙大小、形狀和分布等特征,從而提供孔隙度和孔隙大小分布等定量信息[5-6]。然而,它的準確性依賴于巖石樣品、儀器性能和人為操作等因素。另一種流體注入技術,在不同的壓力下將汞(Hg)注入樣品中,或通過N2和CO2等氣體測量注入測試樣品的數量,從而計算出孔隙大小分布和其他特性[7-8]。該方法方便且應用廣泛。第三種是輻射探測技術,包括核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)、小角度散射 (small angle X-ray scattering,SAXS)和計算機斷層成像(computed tomography,CT)等來表征孔隙空間結構,這些方法都具有無損、快速、信息量豐富等優點,但分析成本相對較高[5,9]。在這些實驗方法中,高壓壓汞法、低溫N2吸附法和低壓CO2吸附法是最基礎、應用最廣泛的。然而,這些方法產生的數據的準確性受到幾個因素的影響。例如,可壓縮檢測樣品可能會隨著外力的作用而改變體積。使用高壓可能會破壞樣品,破壞樣品的原始孔隙結構,影響壓力下的注入汞量。這可能會導致真孔體積和視孔體積之間存在一定程度的偏差。此外,由于巖石孔隙結構的復雜性以及每種方法用于表征孔隙的尺度和效果不同,使用任何單一方法并不足以完全表征巖石的孔隙結構。因此,有必要采用多種方法聯合表征孔隙特征。此外,分形理論作為衡量頁儲層孔隙復雜程度與非均質性的方法和理論[9-10]。但分形理論主要是與上述孔隙測量方法結合使用的,不能作為一種單獨的孔隙表征方法,而是作為孔隙研究方法的補充。考慮到凝灰巖發育不同尺度微納米孔隙空間結構,且凝灰巖復雜的孔隙結構會導致不同尺度孔隙結構分形特征存在差異,但目前針對凝灰巖孔隙結構多尺度分形特征的量化表征以及各孔徑范圍內孔隙非均質性特征差異和影響因素的研究相對較少。

以準噶爾盆地烏爾禾組凝灰巖為研究對象,在地球化學、巖石礦物學等研究的基礎上,聯合低壓CO2吸附和低溫N2吸附實驗、高壓壓汞法和掃描電鏡觀察等實驗手段,采用定性描述與定量計算相結合的手段綜合表征凝灰巖全孔徑孔隙結構特征;同時,針對不同尺度孔隙結構差異分別選用針對性的分形模型確定凝灰巖不同尺度孔隙的分形特征;最后,探討烏爾禾組凝灰巖的孔隙發育控制因素和揭示了烏爾禾組凝灰巖的孔隙結構參數和礦物組分與分形維數之間的關系,以期為準噶爾盆地凝灰巖陸相頁巖油氣風險勘探和高效開發提供參考依據。

1 地質背景及樣品信息

準噶爾盆地位于新疆北部,形狀為不規則的三角形,東西長約700 km,南北寬約370 km。根據構造單元可將盆地自南向北劃分為:山前沖斷帶、東部隆起、中央拗陷、西部隆起、陸梁隆起和烏倫古拗陷[11-12]。研究區位于準噶爾盆地的中央坳陷的東道海子北凹陷(圖1),為準噶爾盆地的二級構造單元,北鄰滴南凸起,西鄰莫北凸起,西南鄰莫索灣凸起,東南鄰白家海凸起。該地區地層自下而上依次發育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系,其中二疊系地層發育將軍廟組、平地泉組和烏爾禾組[13]。

樣品來自東道海子凹陷成6井的烏爾禾組,深度為6 494～6 500 m,巖性主要為沉凝灰巖、硅化凝灰巖(圖2)。主要礦物成分為石英、正長石、斜長石、黏土礦物、方解石以及少量的白云石和黃鐵礦(表1),其中石英含量介于13.7%～36.9%,平均23.41%;斜長石含量介于5.9%～45.2%,平均27.13%;正長石含量介于0～6.7%,平均1.63%;方解石含量介于0～29.3%,平均9.25%;白云石含量介于0～58%,平均12.64%,白云石相對含量變化范圍比較大;黃鐵礦含量介于0～2.9%,平均0.51%,僅有少部分樣品中含有黃鐵礦;黏土礦物含量介于5.5%～47.4%,平均25.9%。總有機碳TOC介于0.27%～2.06%,平均0.59%,總有機碳豐度較低;鏡質組反射率介于1.30%～1.54%,平均值為1.44%,有機質屬于高成熟階段。孔隙度介于3.24%～5.19%,平均值為4.18%。

2 凝灰巖孔徑表征

國際化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)根據孔徑大小將孔隙分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)[14]。表征頁巖孔徑分布的方法有多種,如低壓CO2吸附、低溫N2吸附和高壓壓汞實驗、核磁共振、小角中子散射、掃描電鏡等,每種方法各有特點,均有一定的適用范圍。現通過低壓CO2吸附、低溫N2吸附和高壓壓汞實驗聯合表征凝灰巖的孔徑,這三類實驗可分別對微孔、介孔和宏孔進行測試與表征,從而實現對凝灰巖的全孔徑表征[15]。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Overview map of the study area

圖2 部分樣品巖石薄片典型照片Fig.2 Typical thin images of part samples

表1 準噶爾盆地烏爾禾組凝灰巖樣品地化與礦物信息一覽表Table 1 Summary of geochemical and mineralogical information for the samples

2.1 基于CO2吸附定量表征凝灰巖孔隙

低壓CO2吸附實驗采用Autosorb-iQ全自動比表面和孔徑分布分析儀,將樣品粉碎至60～80目,取粉碎樣品先在110 ℃的環境下進行抽真空,除去樣品孔隙中的水分和揮發性物質,脫氣時間持續16 h,然后以純度大于99.999%的高純二氧化碳為吸附質,在273 K條件下測定不同分壓的二氧化碳吸附等溫線。測試流程嚴格依據國家標準GB/T 21650.3—2011執行。

烏爾禾組凝灰巖樣品CO2等溫吸附曲線如圖3所示,等溫吸附曲線為Ⅰ型,并且曲線有略微的凸起形態。由于CO2分子與微孔大小在同一個數量級上,分子以單分子層吸附或填充,CO2分子吸附過程迅速,在相對壓力(P/P0)小于0.03完成吸附。各樣品最大吸附量范圍為0.22～1.96 cm3/g,變化范圍較大,表現出了不同樣品微孔發育的差異性。

厄瓜多爾政府努力改善礦業投資環境，在8月份取消了暴利稅，并支持國家礦業公司(Enami)尋找合作伙伴合資開發項目。

應用 NLDFT(non-local density functional theory)模型解析CO2等溫吸附數據,結果如圖4所示。由圖4可知,凝灰巖孔徑分布出現三個峰:范圍分別為0.34～0.38 nm、0.48～0.72 nm、0.72～0.85 nm,從各尺度微孔對孔體積的貢獻來看,0.48～0.72 nm孔徑范圍內的微孔對凝灰巖孔隙貢獻率最高。樣品C6-3、C6-5和C6-6較C6-1、C6-2、C6-4和C6-7微孔更加發育,從有機質豐度對孔徑發育的影響來說,有機質在生、排烴過程中產生有機質孔,成熟度相近的凝灰巖,有機質豐度越高,孔徑小于2 nm的微孔越發育,有機質孔為CO2提供了大量吸附點。

圖3 二氧化碳等溫吸附曲線Fig.3 Carbon dioxide isothermal adsorption curves

圖4 二氧化碳等溫吸附孔徑分布Fig.4 CO2 isothermal adsorption pore size distribution

2.2 基于N2吸附表征凝灰巖孔隙

低溫N2吸附實驗采用Autosorb-iQ全自動比表面和孔徑分布分析儀,同樣將樣品粉碎至60～80目,取粉碎樣品先在110 ℃的環境下進行抽真空,除去樣品孔隙中的水分和揮發性物質,脫氣時間持續12 h,然后以純度大于99.999%的高純氮氣為吸附質,在77 K條件下測定不同分壓的N2吸附-脫附等溫線。測試流程嚴格依據國家標準GB/T 21650.2—2008執行。

由N2等溫吸附實驗獲取吸附-脫附曲線,如圖5所示,N2等溫吸附-脫附曲線可分為三個階段:①低壓階段,此階段等溫吸附曲線平緩,出現凸起的形態,氮氣分子以單分子層吸附在凝灰巖介孔之中;②中壓階段,此階段氮氣吸附速率有所增加,氮氣分子由單分子層吸附轉變為多分子層吸附;③高壓階段,此階段氮氣分子吸附速率迅速增加,吸附曲線變陡,但在相對壓力接近1時未出現吸附飽和現象,說明出現了毛細孔凝聚作用[16]。由于毛細孔凝聚作用的存在,導致氮氣分子在脫附的過程中出現了滯后,脫附曲線出現回滯環。回滯環的形狀與孔隙形態有著一定的關系,可根據回滯環的形狀判斷凝灰巖孔隙形態[17]。

N2吸附曲線如圖5所示,由此可知樣品N2吸附量范圍為3.45～36.09 cm3/g,各樣品N2吸附量差異較大,表明各樣品介孔孔隙發育差異較大。根據IUPAC對氮氣吸附脫附曲線回滯環劃分的4種類型,即H1、H2、H3、H4,其中H1型反映圓筒狀孔,H2反映墨水瓶狀孔,H3反映平板狹縫狀結構及楔形結構孔隙,H4反映片狀孔隙。凝灰巖氮氣吸附脫附曲線回滯環與H3和H4類似,表明凝灰巖發育平板狹縫孔、楔狀孔隙。根據Brunauer提出的氮氣吸附-脫附回滯環5類劃分方案,即A、B、C、D、E,其中A型反映圓筒形孔,B型反映狹窄的平行板狀孔,C型反映錐形孔,D型反映錐形平板孔,E型反映墨水瓶狀孔。凝灰巖氮氣吸附脫附回滯環與B、C、D相一致,表明凝灰巖發育錐形管孔、四端開口的錐形平板孔和狹窄的平行板孔[18-21]。因此,研究區凝灰巖孔隙形態多樣,是由多種類型形成的復合孔隙體。

孔體積隨孔徑變化曲線如圖6所示,凝灰巖孔徑分布出現多個峰值,當凝灰巖孔徑大于5 nm之后,圖形整體出現震蕩下降的趨勢,綜合累計孔體積考慮,研究區凝灰巖樣品介孔孔隙主要由5～40 nm的孔隙所提供,對于大40 nm的孔隙而言,其所提供的孔隙較少。累計孔體積變化范圍為0.004～0.050 cm3/g,變化范圍較大,介孔的發育程度與有機質含量、黏土礦物含量表現出了一定的相關性。

圖5 氮氣吸附-脫附曲線Fig.5 N2 adsorption-desorption curve

圖6 凝灰巖N2吸附孔徑分布及累計孔體積Fig.6 Tuff N2 adsorption pore size distribution and cumulative pore volume

2.3 基于高壓壓汞法表征凝灰巖孔隙

高壓壓汞實驗采用美國康塔PoreMaster GT全自動孔徑分析儀,將樣品制成1 cm×1 cm×1 cm的立方塊,預處理條件是在3 Pa的真空烘箱中加熱至110 ℃處理4 h即可,去除樣品中的自由水和吸附水,然后在注汞前對樣品進行抽真空,由于汞的非濕性,測量不同壓力下的注汞體積和退汞體積。測試流程嚴格依據國家標準GB/T 21650.1—2008執行。

高壓壓汞法是通過高壓將非潤濕相液體汞壓入巖石的孔隙中,主要用于表征孔徑大于50 nm的孔隙。由圖7所示進汞曲線可以看出,各樣品進汞曲線形態大致相同,進汞量介于0.001 7～0.013 1 cm3/g,各樣品的總進汞量差別較大。當壓力小于10 MPa時,對應孔徑大于160 nm,進汞曲線斜率較大,表明該孔徑范圍內的孔隙較為發育;當壓力介于10～70 MPa時,進汞曲線斜率較小,表明該區間范圍內的孔隙不發育;當壓力介于70～140 MPa時,各曲線斜率均有不同程度的明顯增幅,表明該區間范圍內的孔隙較為發育;當壓力大于140 MPa之后,樣品C6-2、C6-3、C6-5和C6-7進汞曲線斜率有所降低但進汞量仍在增加。

孔體積隨孔徑變化曲線如圖8(a)所示,凝灰巖孔徑分布呈雙峰態,兩個峰分別介于6～20 nm和300～5 000 nm,表明凝灰巖主要發育6～20 nm和300～5 000 nm孔徑范圍內的孔隙;比表面積隨孔徑變化曲線如圖8(b)所示,研究區烏爾禾組凝灰巖比表面積主要由6～20 nm的介孔所提供,對于大于20 nm的孔徑,隨著孔徑的增加,比表面積逐漸降低。

圖7 高壓壓汞進汞曲線Fig.7 High pressure mercury feed curve

圖8 高壓壓汞孔徑分布Fig.8 Distribution of high-pressure mercury-pressure pore sizes

2.4 凝灰巖全孔徑表征

烏爾禾組凝灰巖全孔徑孔體積分布顯示(圖9,圖10,表2),各樣品總孔體積差異較大,研究區凝灰巖樣品總孔體積介于0.005 4～0.047 8 cm3/g,平均0.026 6 cm3/g。其中微孔孔體積介于0.000 6～0.005 5 cm3/g,平均0.003 1 cm3/g,占總體積的7.59%～15.92%,平均11.50%,微孔發育孔徑主要介于0.3～1.0 nm;介孔孔體積介于0.004 2～0.041 3 cm3/g,平均0.020 2 cm3/g,占總體積的61.82%～83.43%,平均75.10%,介孔發育孔徑主要介于4～40 nm;宏孔孔體積介于0.000 6～0.005 3 cm3/g,平均0.002 8 cm3/g,占總體積3.0%～27.27%,平均13.40%,宏孔主要由孔徑大于300 nm的孔隙所貢獻。總體來看,研究區凝灰巖樣品的孔體積主要由介孔所提供,其次是微孔和宏孔,兩者相差不大,在樣品C6-4中宏孔的體積超過介孔,這是由于該樣品中黏土含量較低,而脆性礦物含量偏高,導致宏孔相對發育。

圖9 烏爾禾組凝灰巖全孔徑孔體積分布特征Fig.9 Characteristics of full-aperture pore volume distribution of tuff in the Wuerhe Formation

圖10 烏爾禾組凝灰巖全孔徑孔體積及占比Fig.10 Pore volume and proportion of total pore diameter of tuff in the Wuerhe Formation

表2 烏爾禾組凝灰巖全孔徑孔體積分布信息Table 2 Full pore size pore volume distribution information for the Urho Formation tuffs

烏爾禾組凝灰巖全孔徑比表面積顯示(圖11、圖12、表3),樣品總比表面積差異較大,總比表面積介于3.47～36.78 m2/g,平均20.42 m2/g。其中微孔比表面積介于2.08～17.89 m2/g,平均10.32 m2/g,占總比表面積的48.64%～60.30%,平均53.04%,微孔比表面積主要由孔徑0.3～0.9 nm的孔隙所提供;介孔比表面積介于1.36～18.82 m2/g,平均10.06 m2/g,占總比表面積的39.13%～51.17%,平均46.71%,介孔比表面積由孔徑2～11 nm的孔隙所提供;宏孔比表面積介于0.012～0.07 m2/g,平均0.037 m2/g,占總比表面積的0.14%～0.57%,平均0.26%。因此,烏爾禾組凝灰巖樣品的比表面積主要由微孔和介孔所提供,微孔的比表面積比介孔稍大一些,二者占據總比表面積的99%以上。

圖11 烏爾禾組凝灰巖全孔徑比表面積分布特征Fig.11 Characteristics of the full ore size specific surface area distribution of tuffs of the Urho Formation

表3 烏爾禾組凝灰巖全孔徑比表面積分布信息Table 3 Full pore size pore volume distribution information for the Urho Formation tuffs

3 凝灰巖孔隙結構分形特征

前文中,通過低壓CO2吸附、低溫N2吸附和高壓壓汞實驗分別對凝灰巖的微孔、介孔和宏孔進行了孔徑分布、孔體積和比表面積的定量表征,結果顯示孔隙在凝灰巖中分布非均質性較強。針對凝灰巖孔隙的非均質性,文獻[22-24]利用分型維數來表征儲層孔隙的結構復雜程度和非均質性。下面將基于低壓CO2吸附和低溫N2吸附實驗,應用先進的分形模型研究凝灰巖孔隙結構復雜程度和非均質性。

3.1 基于CO2吸附的孔隙結構分形特征

微孔分型維數的計算采用Jaroniec所推導出的基于孔徑分布函數J(x)孔徑x的微孔分型模型[25-27],即

lnJ(x)=(2-D)lnx+C

(1)

(2)

式中:x為孔隙半徑,nm;C為常數;D為分型維數;J(x)孔徑分布函數;Γ為伽馬函數;ρ為孔徑分布尺度參數,kJ/mol;v為形狀參數;Z為DA(Dubinin-Astakhov)方程中特征能的函數;ρ和v可通過微孔吸附方程擬合得到。

由低壓CO2吸附分形擬合結果可知(表4,圖13),烏爾禾組凝灰巖分形維數Dm介于2.59～2.97,平均值為2.73。分形維數值較大且變化范圍也較大,表明烏爾禾組凝灰巖微孔結構復雜、非均質性較強,且不同樣品之間非均質性有一定程度的差距。分形維數均介于2～3,且相關系數R2均大于0.9,表明研究區凝灰巖微孔與所使用的微孔分形模型相適應。

表4 烏爾禾組二氧化碳吸附分形擬合方程及分型維數Table 4 Fractal fitting equations and fractal dimensions for carbon dioxide adsorption

3.2 基于N2吸附的孔隙結構分形

低溫N2吸附孔隙結構分形維數的計算采用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型,該模型基于多分子層吸附理論,是低溫氣體吸附孔隙分形模型中較為成熟且應用廣泛的一種模型[28-31],其計算式為

(3)

式(3)中:P為平衡壓力,MPa;V為平衡壓力為P時的吸附體積;P0為飽和蒸汽壓力,MPa;C為常數;K為擬合直線斜率。研究認為,當氮氣吸附作用主控為范德華力時,D=3K+3;當氮氣吸附作用主控為毛細管凝結作用時,D=K+3[32];前文中氮氣吸附實驗吸附曲線與脫附曲線并不重合,當相對壓力在0.5時出現回滯環,表明氮氣吸附的過程中伴隨著毛細管凝結作用,因此選用D=K+3用于計算氮氣吸附分形維數。在實際的應用中,根據相對壓力的大小將分形維數分為D1(P/P0<0.5)、D2(0.5

圖13 部分樣品二氧化碳吸附數據分形擬合曲線Fig.13 Carbon dioxide fractal fitting curve for the Urho Formation tuffs

擬合結果如圖14、表5所示,當相對壓力P/P0<0.5時,烏爾禾組凝灰巖小孔徑介孔分形維數D1介于2.23～2.55,平均值為2.39;當相對壓力P/P0>0.5時,烏爾禾組凝灰巖大孔徑介孔分形維數介于2.62～2.83,平均值為2.72,由此可見,大孔徑介孔分形維數明顯大于小孔徑介孔分形維數,反應介孔孔隙表面粗糙程度較低,而孔隙較為復雜,非均質性強。

4 凝灰巖孔隙發育控制因素

研究區烏爾禾組凝灰巖孔隙結構復雜、非均質性強。凝灰巖組成包括有機質、黏土礦物、石英、長石等,這些組分對泥巖孔隙結構與孔隙分布均會產生一定的控制與影響。通過對凝灰巖樣品有機質豐度、礦物組分以及分形維數與孔隙分布探討,揭示凝灰巖孔隙發育的主控因素。

4.1 有機質豐度

有機質在熱演化生烴的過程中會產生一定量的孔隙,因此認為有機質豐度對凝灰巖孔隙的發育有影響[36-38]。總有機碳含量(total organic carbon,TOC)與凝灰巖不同尺度孔隙相關性如圖15所示,有機質豐度與凝灰巖總孔體積有一定的相關性,表明有機質對凝灰巖孔隙發育有一定的貢獻;有機質豐度與凝灰巖微孔體積和介孔體積相關性較好,表明有機質對凝灰巖微孔和介孔發育具有一定控制作用;有機質豐度與凝灰巖宏孔體積幾乎沒有相關性,表明有機質對凝灰巖宏孔發育影響較小。有機質豐度與凝灰巖不同尺度比表面積的相關性和不同尺度孔體積的相關性幾乎一致,表明有機質豐度對二者的影響也相似。綜上所述,有機質豐度對研究區凝灰巖微孔和介孔的發育有一定控制作用,其中對微孔的影響較介孔影響顯著,有機質豐度對宏孔發育影響較小。

圖14 部分樣品氮氣吸附數據分形擬合曲線Fig.14 N2 adsorption fractal fitting curve for the Urho Formation tuffs

表5 烏爾禾組凝灰巖氮氣吸附分形擬合方程及分形維數Table 5 Fractal fitting equations and fractal dimensions for nitrogen sorption on tuffs

圖15 TOC含量與凝灰巖不同孔徑孔體積、比表面積相關性Fig.15 Correlation between TOC content and pore volume and specific surface area

4.2 礦物組分

4.2.1 脆性礦物

研究區烏爾禾組凝灰巖樣品中脆性礦物主要為石英和長石,其次是方解石和白云石。石英與總孔體積的相關性如圖16所示,石英與總孔體積的相關性非常微弱(R2=0.123 9),推測可能是由于烏爾禾組凝灰巖埋深較深(約6 500 m),上覆壓力大,壓實作用導致石英的支撐作用減弱,孔隙度降低;長石與凝灰巖總孔體積的相關性比較弱(R2=0.407 4),表明長石對凝灰巖孔隙發育具有一定的控制作用;長石含量與微孔體積、介孔體積和宏孔體積均有較弱的相關性,且與三者的相關性依次降低,表明長石含量對微孔、介孔和宏孔發育具有一定,但均比較弱。

圖16 長石、石英含量與凝灰巖不同尺度孔體積相關性Fig.16 Correlation between feldspar and quartz content and pore volume at different scales in tuffs

4.2.2 黏土礦物

黏土含量與凝灰巖各種類型孔體積、比表面積相關性如圖17所示,黏土含量與凝灰巖各尺度孔體積、比表面積二者的相關性表現出了一致性,黏土含量與凝灰巖總體積、總比表面積的相關性極強(R2>0.95),表明黏土含量對凝灰巖孔隙的發育由很顯著的促進作用,是凝灰巖孔隙發育的主控因素。其中黏土含量與微孔體積、介孔體積、微孔比表面積、介孔比表面積的相關性均比較強,而與凝灰巖宏孔體積、比表面積的相關性比較弱,表明黏土礦物對凝灰巖微孔和介孔的發育具有顯著的促進作用,對凝灰巖宏孔的發育影響較小。這是由于黏土礦物發育大量納米級粒間孔與粒內孔,形成大量凝灰巖微孔與介孔。

4.3 分形維數影響因素

研究區烏爾禾組凝灰巖樣品孔隙分形維數(微孔分形維數Dm,介孔分形維數D1、D2)與TOC及礦物組分含量的相關關系如圖18所示,介孔分形維數D1與TOC及礦物組分含量的相關性與微孔分形維數Dm相似,而與介孔分形維數D2相反,表明介孔中的小孔與微孔具有相似的孔隙結構,而與介孔中的大孔孔隙結構相差較大。微孔分形維數Dm與介孔分形維數D1與凝灰巖TOC含量呈負相關關系,推測可能是由于凝灰巖有機質中發育納米級氣泡狀有機孔,該類孔隙形狀規則,大量保存在有機質中能夠有效降低有機質孔隙的非均質性,導致微孔分形維數Dm與介孔分形維數D1隨著TOC含量的增加而減小。介孔分形維數D2隨著TOC含量的增加而增到,是由于有機質在生、排烴過程中形成介孔,有機質含量越高,生成的介孔越多,介孔的復雜程度與非均質性越強,介孔分形維數D2越大。

圖17 黏土含量與凝灰巖各尺度孔體積比表面積相關性Fig.17 Correlation between clay content and specific surface area of pore volumes at various scales in tuffs

圖18 凝灰巖TOC及礦物含量與分形維數相關性Fig.18 Correlation of TOC and mineral content of tuffs with fractal dimension

凝灰巖中石英含量與微孔、介孔分形維數相關性很弱,這與前文中石英與凝灰巖孔體積相關性弱的特點相一致,石英對凝灰巖孔隙發育的貢獻極小,因此石英含量與微孔、介孔分形維數之間的相關性很弱。長石含量與微孔分形維數Dm、介孔分形維數D1呈負相關,與介孔分形維數D2呈正相關。這是由于長石作為骨架礦物具有一定的剛性,在壓實過程中能起到一定的支撐作用,導致大孔的復雜程度增加而小孔的復雜程度降低。

凝灰巖黏土含量與微孔分形維數Dm及介孔分形維數D1呈負相關關系,這是由于黏土礦物在成巖作用過程中會被壓實,隨著黏土礦物含量的增加,黏土礦物中的孔隙更加規則,孔隙復雜程度以及非均質性降低,分形維數隨著黏土礦物的增加而減少。

5 結論

通過氣體吸附(CO2和N2)和高壓壓汞實驗相結合的手段綜合表征了烏爾禾組凝灰巖多尺度孔隙結構特征;同時,針對不同尺度孔隙結構差異分別選用針對性的分形模型確定了凝灰巖不同尺度孔隙的分形特征,得出如下結論。

(1)研究區烏爾禾組凝灰巖總孔體積介于0.005 4～0.047 8 cm3/g,凝灰巖孔體積主要由介孔所提供,其次是宏孔和微孔,三者分別占總孔體積的75.1%、13.4%和11.5%。凝灰巖的比表面積主要由微孔和介孔所提供,微孔比表面積平均10.316 m2/g,平均占比為53.04%;介孔比表面積平均10.064 m2/g,平均占比為46.71%。

(2)凝灰巖微孔分形維數Dm介于2.59～2.97,平均值為2.73;介孔分形維數D1介于2.23～2.55,平均值為2.39;介孔分形維數D2介于2.62～2.83,平均值為2.72,表明凝灰巖孔隙結構復雜與非均質性較強。

(3)研究區凝灰巖孔隙發育主要受TOC以及黏土礦物含量影響與控制,石英與長石等脆性礦物對孔隙發育影響較弱。