苏北盆地古近系陆相页岩储集空间系统及分形特征

Reservoir Space System and Fractal Characteristics of the Paleogene Lacustrine Shale in the Subei Basin

摘要

本研究以苏北盆地古近系阜宁组二段（简称阜二段）陆相页岩为对象，基于多种实验手段系统表征了其储集空间类型、孔隙结构及分形特征。结果显示，阜二段页岩储集空间类型丰富，包括基质孔隙、有机质孔及微裂缝，孔隙尺度覆盖纳米至微米级。全孔径分布揭示了其孔径分布具“双峰”特征（主峰分别位于 < 100 nm 和 > 5000 nm），孔体积范围在0.00092 ~ 0.01994 cm³/g。通过分形理论计算获得不同尺度孔隙分形维数依次为大孔喉（D₄）> 中孔喉（D₃）> 小孔喉（D₂）>微裂缝（D₅）>微孔喉（D₁）。引入以孔体积加权调和获得的综合分形维数（Dₘ），定量表征页岩储集空间整体的非均质性，阜二段页岩D_m分布在2.6407 ~ 2.7829之间。阜二段页岩储集空间的Dₘ大小受矿物组分控制，Dₘ与石英和黏土矿物含量呈正相关，与长石和碳酸盐矿物含量呈负相关。此外，D_m与孔隙迂曲度呈正相关、与渗透率负相关，说明在陆相页岩中复杂的孔隙结构抑制了流体的渗流能力。研究通过分形理论量化了陆相页岩储集空间整体非均质性，结果可为深化陆相页岩油储层评价及其高效开发提供理论基础。

Abstract

This study systematically characterizes the reservoir space types， pore structure， and fractal characteristics of the Paleogene Funing Formation Member 2 （E₁f₂） lacustrine shale in the Subei Basin using integrated experimental techniques. The results reveal that the E₁f₂ shale exhibits diverse reservoir spaces， including matrix pores， organic-matter pores， and microfractures， with pore sizes spanning the nanometer to micrometer scale. The full-scale pore-size distribution shows a distinct “bimodal” characteristic， with primary peaks located at < 100 nm and > 5000 nm， and a pore volume range of 0.000，92-0.019，94 cm³/g. Fractal dimensions calculated for different pore scales decrease in the order： macropores （D₄） > mesopores （D₃） > minipores （D₂） > microfractures （D₅） > micropores （D₁）. A comprehensive fractal dimension （Dₘ）， derived from the pore-volume-weighted harmonic mean， was introduced to quantitatively represent the overall heterogeneity of the shale's pore system. The Dₘ values for the E₁f₂ shale range from 2.640，7 to 2.782，9. The Dₘ value is controlled by mineral composition， showing a positive correlation with quartz and clay mineral content， and a negative correlation with feldspar and carbonate mineral content. Furthermore， Dₘ exhibits a positive correlation with pore tortuosity and a negative correlation with permeability， indicating that complex pore structures in continental shale inhibit fluid flow capacity. By quantifying the overall heterogeneity of the reservoir space using fractal theory， this study provides an important theoretical basis for enhancing the evaluation and efficient development of continental shale oil reservoirs.

Graphical abstract

关键词

储集空间系统 / 分形维数 / 非均质性 / 陆相页岩 / 苏北盆地

Key words

reservoir space system / fractal dimension / heterogeneity / continental shale / Subei Basin

0 引 言

陆相页岩受多期构造运动、多物源沉积及复杂成岩作用的综合影响，普遍发育多尺度孔隙-裂缝系统^{［1 - 2］}。与典型海相页岩不同，陆相页岩储集空间通常以无机孔占主导地位，而有机质孔的发育程度则因有机质类型、热演化历史等因素呈现较大差异。并且陆相页岩储集空间兼具纳米级微孔与微米级宏孔，具有多尺度分布的特征^{［3 - 5］}。这种复杂的孔隙结构表现为显著的形态多样性和强非均质性。矿物组分差异、有机质热演化程度（R_o）及陆相页岩中广泛发育的沉积纹层结构的交互作用，进一步加剧了储集空间的非均质性及其空间复杂性^{［6 - 8］}。页岩中储集空间的强非均质性直接制约了页岩油气的赋存与渗流效率：一方面储集空间非均质性越强，储集空间的连通性越差，导致页岩油气等流体的流动阻力增大^［9，10］；另一方面，强非均质的页岩中储集空间分布的复杂性加剧了油气渗流路径的曲折性，显著增加了开采难度。因此，非均质性表征成为页岩油储层评价的核心内容。相较于常规宏观参数（如渗透率变异系数）的局限性，分形理论通过量化孔隙形态的自相似性和不规则度，能够从微观尺度揭示孔隙结构的非均质机制，为页岩储层的改造和甜点预测提供理论依据^［11］。

分形理论为定量表征页岩复杂多孔结构的不规则度和非均质性提供了强有力的工具^［12］。其核心参数分形维数（D）是表征复杂几何体自相似性的关键指标^{［13 - 15］}。对于多孔介质，D值通常介于2 ~ 3之间：D趋近于2代表表面光滑或结构均匀；D值越大，则表明孔隙表面越粗糙、孔隙结构越复杂，非均质性越强^{［16 - 18］}。因此，通过计算页岩的分形维数可以实现对储层储集空间非均质性的定量评价。基于不同的实验手段（如氮气吸附、高压压汞、扫描电镜图像分析等），可以获取针对不同尺度孔隙和不同结构侧面的分形维数^{［19 - 21］}。其中，基于氮气吸附等温线的FHH模型和基于高压压汞曲线的分形模型，被广泛应用于表征页岩纳米-微米级孔隙结构的表面分形特征^［13］。

陆相页岩储层的非均质性对其油气储集能力和渗流效率具有关键控制作用^{［22，23］}。近年来，在页岩非均质性研究中前人利用多尺度表征方法结合分形理论，有效揭示了页岩储集空间系统的复杂性，深化了对页岩微观孔隙结构非均质性的认识^{［19，24 - 26］}。然而，尽管页岩储层孔隙结构的分形分析已取得显著进展，目前多数研究仍局限于分别讨论单一尺度（微孔、介孔、宏孔）的分形维数，未能实现对陆相页岩储集空间整体非均质性的集成量化^{［27 - 30］}。因此，如何将多尺度分形信息有效耦合，构建一个单一、综合的定量指标，以简化非均质性评价并揭示其地质主控因素，仍是当前研究的薄弱环节。针对这一问题，本文引入综合分形维数（Dₘ）模型，通过孔体积加权整合多尺度分形特征，旨在克服单一分形维数的局限性，更全面地表征页岩储层的整体非均质性。

本研究以苏北盆地溱潼凹陷古近系阜二段陆相页岩为例，主要目标包括：（1）利用薄片鉴定、场发射扫描电镜、氮气吸附、高压压汞及脉冲渗透率等实验手段，系统表征阜二段页岩的储集空间类型及多尺度孔径分布特征；（2）基于高压压汞和氮气吸附的分形模型，建立综合分形维数Dₘ，以实现对陆相页岩多尺度储集空间分形特征的统一量化；（3）定量分析不同地质因素对多尺度储集空间及其整体非均质性的控制作用；（4）通过分析Dₘ与迂曲度、渗透率等参数的相关性，明确Dₘ的地质意义及其对渗流能力的指示作用。本研究为陆相页岩储集空间非均质性的综合评价提供了新参数和理论依据。

1 地质概况

苏北盆地是在扬子地台古生界褶皱基底上发育起来的中生代-新生代盆地，具有“一隆两坳”的构造特征，其位于郯庐断裂东侧，是一个后生的新生代断陷盆地^{［31 - 35］}。溱潼凹陷位于苏北盆地东南部，面积1004.8 km²，属于东台坳陷次级构造单元（图1a），是一个南断北超、中部开阔、东西收敛的新生代箕状断陷^{［36，37］}。根据断裂级次、构造形态，溱潼凹陷自西向东依次划分为斜坡带、深凹带、断阶带3个构造带^［38］，发育有利的生储盖组合，是苏北盆地油气最富集的凹陷之一（图1a），其中古新世与始新世地层是目前最主要的勘探开发层段^［39］。

溱潼凹陷是前震旦和扬子古地台双层基底上发展起来的中新生代凹陷，新生界地层沉积厚度达6000 m，地层自下而上发育古近系泰州组、阜宁组、戴南组、三垛组、新近系盐城组和第四系东台组（图1b）^［39］。其中泰州组二段、阜宁组二段和四段为三套烃源层系^{［40，41］}。阜二段泥页岩厚度250 ~ 450 m，是主力烃源层系，也是页岩油勘探的主要层系。阜二段沉积时期为断坳沉积，湖扩体系域，地层分布稳定^［42］。阜二段沉积时期自东向西水体逐渐变浅，溱潼凹陷为深湖－半深湖沉积，主要是一套以暗色泥页岩为主的沉积岩系，颜色以灰黑色和黑色为主^［43］。阜二段按岩相组合变化自下而上分为5个亚段^［44］。2020年溱潼凹陷深凹带沙垛地区阜二段页岩油勘探取得突破，勘探结果显示溱潼凹陷阜二段具有良好的陆相页岩油勘探潜力^［45］。

2 实验样品与方法

2.1 实验样品

本次研究以溱潼凹陷阜二段典型页岩样品为研究对象，样品主要取自Ⅰ小层和Ⅱ小层甜点段。本次结合岩心观察、XRD全岩分析TOC分析测试和薄片鉴定等资料分析研究区页岩的矿物组分和岩石学特征。在此基础上本次研究还结合场发射扫描电镜观察、氮气吸附、高压压汞等实验进行阜二段混合质页岩储层孔隙结构特征的发育特征进行了表征。并结合分形理论分析页岩储集空间的分形特征及其复杂程度。

2.2 XRD全岩矿物组分分析

采用Bruker D8 DISCOVER上进行，衍射仪对小于200目的粉末样品进行分析。测试电压为45 kV，矿物成分测定的主要步骤参考中国国家标准（GB/T29172-2012）。扫描角度2θ设置为5 ~ 50°，步长为0.02°。测试完成后使用MDI Jade6.5中对矿物衍射图谱进行处理，得到矿物的物相并采用Pecharsky和Zavalij方法估算每种矿物的相对百分比含量。

2.3 氩离子抛光-场发射扫描电镜观察

使用场发射扫描电子显微镜对样品的微观孔隙类型和矿物成分进行观察。在观察之前对样品先用砂纸进行物理抛光，然后使用氩离子束截面技术对样品进行进一步抛光，去除损坏层以获得高质量的样品，并在样品表面涂覆10 nm厚的碳涂层，以提高涂层的导电强度。然后使用ZEISS SIGMA 360VP FE-SEM在24 ℃和35%相对湿度下观察样品。

2.4 氮气吸附实验

N₂吸附实验使用TriStar Ⅱ 3020分析完成，实验遵循GB/T21650.2-2008标准。实验前将所有样品粉碎过筛至60 ~ 80目（0.18 ~ 0.25 mm），称取0.5 ~ 1.0 g样品在150 ℃下进行真空脱气3 h。将干燥脱气后的样品置于液氮环境中，在相对压力（P/P₀）为0.010 ~ 0.998范围内进行N₂等温吸附-脱附分析。基于氮气吸附量，采用BET方法计算页岩样品的比表面积^［46］，采用BJH方法获得孔隙体积和孔径分布特征^［47］。

2.5 高压压汞实验

高压压汞实验采用美国Mack Instruments公司生产的压汞仪（AutoPore Ⅴ 9510），最大工作压力为60000 psi（413 MPa）。在进行HPMI测试之前，将页岩样品切割成立方体形状（1 cm × 1 cm × 1 cm）。然后将所有样品在60 ℃烘箱中干燥48 h，然后在干燥器中冷却至室温（约23 ℃）。当外部压力从5 psi（0.034 MPa）逐渐增加到60000 psi（413 MPa）时，由于压汞法依赖于汞相对于其他流体的强不湿润的行为，汞占据了页岩的孔隙空间。所施加的压力与汞能够进入的孔隙孔径之间的对应关系由Washburn方程（1）确定^［48］。

P_c=\frac{\mathrm{2}\sigma \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta }{r}(1)

式中，r是孔隙半径，nm；接触角θ为140°；σ为界面表面张力（0.48 N/m）；P_c为进汞压力，MPa。

2.6 渗透率测试

渗透率的测试采用美国岩心公司生产的PoroPDP200覆压孔隙度渗透率测试仪进行，实验遵循GB/T34533-2017标准。测试样品采用2.5 cm × 5 cm的标准柱塞样，测试温度为23 ℃恒温，渗透率测试气体为氮气，测试前使用 ATOS CORE 135型3D扫描对整个样品进行扫描，扫描完成之后将数据导入GOM Inspect V8软件，进行样品总体积的计算。渗透率测试采用脉冲衰减法，测试压力为1000 psi，围压为1500 psi。

2.7 氮气吸附分形维数

基于低温N₂吸附的分形模型主要有BET模型、Langmuir模型、Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型和热力学方法等^［21］。其中，FHH模型被广泛应用于多孔介质材料的维数分析。与多孔材料类似，页岩的孔隙结构也表现出典型的分形特征^{［11，30］}。

前人研究表明，基于氮气吸附实验结果，Pfeifer校正的FHH模型可以有效表征页岩孔隙分形维数，且分形维数拟合程度较高，反映出孔隙结构的高度非均质性和复杂性^［49］。因此，本研究同样采用Pfeifer校正的FHH分形模型计算孔隙分形维数，如式（2）所示：

\mathrm{l}\mathrm{n}V=C+K\mathrm{l}\mathrm{n}\left[\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{P_{\mathrm{0}}}{P}\right)\right](2)

式中，P为平衡压力，MPa；V为平衡压力P时的吸附体积，cm³/g；P₀为饱和蒸汽压力，MPa；C为常数；K为斜率拟合线的分形维数。因此，使用方程D=K+3计算氮吸附的分形维数。

2.8 高压压汞分形维数

前人通过研究表明，孔隙分形维数的计算模型可以通过压汞获得^{［50，51］}。分形维数是表征分形多孔材料自相似性的重要参数，已广泛应用于孔隙结构复杂性和非均质性的定量表征^{［52，53］}。虽然不同分形模型得到的分形维数可能不同，但它们与岩石非均质性的关系是相似的^［17］。孔隙结构的分形维数可根据毛细管压力和汞饱和度导出，如式（3）所示：

S_{\mathrm{H}\mathrm{g}}=\mathrm{1}-{\left(\frac{P_C}{P_{C,\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}\right)}^{D-\mathrm{3}}(3)

对式（3）两边取对数可得

\mathrm{l}\mathrm{g}\left(\mathrm{1}-S_{\mathrm{H}\mathrm{g}}\right)=(D-\mathrm{3})\mathrm{l}\mathrm{g}{P}_C+(\mathrm{3}-D)\mathrm{l}\mathrm{g}{P}_{C,\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}(4)

式中，P_C为毛管压力，MPa，P_{C,\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}为样品最大孔径时对应的最小毛管压力，MPa；S_{\mathrm{H}\mathrm{g}}是毛管压力为P_C时的进汞饱和度，%；D为分形维数，无量纲。

绘制\mathrm{l}\mathrm{g}\left(\mathrm{1}-S_{\mathrm{H}\mathrm{g}}\right)和\mathrm{l}\mathrm{g}{P}_C的双对数图，求得斜率K，可得分形维数为D=\mathrm{3}+K。

3 实验结果

3.1 矿物组分及岩石学特征

通过岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜观察结合XRD全岩矿物测试分析，溱潼凹陷阜二段页岩油储层矿物主要包括石英、长石、方解石、白云石、黏土矿物和黄铁矿（图2a）。其中石英含量介于10.5% ~ 26.9%之间，石英分为自生石英和碎屑石英，其中碎屑石英颗粒呈自形和半自形，多以纹层的形式集中发育。长石含量介于9.2% ~ 30.2%之间，长石矿物以斜长石和钾长石为主，其中钾长石含量整体较低，普遍小于5%。方解石含量在3.7% ~ 50.3%。白云石含量在5.6% ~ 48.5%之间，白云石以泥晶、细粉晶结构为主。黏土矿物含量为11.9% ~ 38.1%，以伊利石和伊蒙混层为主，含有少量的绿泥石，基本不含高岭石和蒙皂石。黄铁矿含量在1.8% ~ 5.9%，在纹层中富集形成透镜状的黄铁矿条带。本次研究参考前人对陆相页岩的岩相分类方案，以长英质矿物含量、碳酸盐矿物含量、黏土矿物含量作为三端元进行投点，具体如图2b所示。溱潼凹陷阜二段页岩主要发育混合质页岩、硅质页岩、云质页岩和灰质页岩四种主要岩相类型。

3.2 页岩储集空间形貌特征

通过FE-SEM实验可直观地观察页岩的矿物成分和孔隙及其形态。页岩是无机矿物基质和有机质形成的有机-无机复合体。其微观储集空间类型主要可划分为基质孔隙、有机质孔和微裂缝三大类^［54］。其中基质孔隙根据其发育位置可分为粒间孔、粒内孔、晶间孔。微观裂缝可以划分为构造微裂缝、成岩微裂缝两种类型。其中成岩微裂缝可以分为层理微裂缝和矿物边缘收缩微裂缝。

3.2.1 基质孔隙

溱潼凹陷阜二段页岩粒间孔主要发育在石英、长石等刚性矿物颗粒之间，多为残余粒间孔隙，是矿物颗粒经过压实、胶结等成岩作用后残留的原生孔隙，其内部多见黏土等其他矿物充填（图3a-b）。孔径相对较大，孔隙直径主要分布在50 ~ 1000 nm之间。粒内孔隙主要在方解石、长石、白云石等矿物内发育，其中方解石和长石内部溶蚀孔普遍发育，孔隙呈集群分布，单个孔隙之间相互独立（图3c-d）。溱潼凹陷阜二段观察到在部分呈团块状的黄铁矿其内部溶蚀孔大量发育。粒内溶蚀孔整体孔径较小，主要分布在10 ~ 500 nm之间。粒内孔相互之间整体连通性较差，但是孔隙内部几乎不被矿物填充，是较好的储集空间。晶间孔主要发育在黄铁矿集合体、黏土矿物及白云石晶体之间。溱潼凹陷阜二段层位中草莓状黄铁矿普遍发育，在草莓状黄铁矿晶体颗粒之间晶间孔普遍发育。黄铁矿晶间孔隙易被有机质或其他无机矿物充填（图3g），其孔隙整体较小，孔隙直径在5 ~ 100 nm之间。黏土矿物晶间孔主要发育于伊利石、伊/蒙混层中，形态多不规则且呈集群分布（图3e-f），孔隙直径主要分布在20 ~ 1000 nm之间。

3.2.2 有机质孔

有机质孔隙主要指有机质团块内部或有机质生烃后内部残留的孔隙，其形成、分布及大小与泥页岩中有机质丰度、类型及热成熟度密切相关^［2，3］。与典型海相页岩相比，陆相页岩储层中有机质来源更具多样性，造成有机质类型和显微组分分布的高度不均一^{［55，56］}。并且陆相页岩油储层整体热演化程度较低，因此在陆相页岩油储层中其有机质孔隙总体发育较差且非均质性强^{［43，57］}。在阜二段不同类型有机质中有机质孔发育程度差异较大。在大部分有机质中可见少量有机质孔，孔隙多呈椭圆形及不规则形状（图3i），在少部分有机质内部有机质孔呈蜂窝状大量发育（图3h），孔径范围变化较大，约为5 ~ 1200 nm。

3.2.3 微裂缝

溱潼凹陷阜二段构造微裂缝较为发育，在镜下可以观察到构造微裂缝形态平直，多与层面呈高角度相交，构造微裂缝多切穿石英、长石、方解石等脆性矿物，同时在不同方向发育的构造裂缝相互之间具有明显的交切关系（图4a-b）。构造缝延伸较长，缝长在0.1 ~ 4 mm之间，裂缝开度在0.3 ~ 20 μm之间，微观构造裂缝可以很好地将矿物内部的粒内孔与矿物颗粒之间的粒间孔连接起来构成相互连通的孔隙裂缝系统，对增加储层的储集空间和连通性有重要的作用^{［58 - 60］}。层理微裂缝主要发育在暗色黏土质纹层及其与其他脆性矿物纹层的接触面上（图4c-d）。其与地层的走向和倾角基本一致（图4a）。层理微裂缝开度多小于0.01 mm，裂缝延伸长度一般较长，长度多大于4 mm。层理微裂缝大部分未被填充，整体有效性较好，是重要的储集空间，同时也是油气运移的关键通道^［61］。收缩微裂缝主要沿黏土矿物和有机质边缘发育，在部分无机矿物边界也可见此类裂缝，但整体发育程度较低。其中，黏土矿物边缘的微裂缝主要形成于成岩演化过程中发生的矿物相变。伴随伊蒙混层等黏土矿物向伊利石或绿泥石转化，层间水释放导致矿物体积收缩。由于黏土矿物具有较强塑性，其收缩变形量常显著高于周围石英、长石等脆性基质矿物。这种差异形变在黏土与刚性矿物接触边界产生应力集中，从而诱发大量收缩型微裂缝。通过镜下观察，边缘收缩微裂缝形态多呈平直状，延伸长度多小于20 μm，倾向和倾角不固定，裂缝开度在0.01 ~ 2 μm之间（图4e-f）。

3.3 页岩储集空间结构特征

研究表明，陆相页岩储层的储集空间由从纳米级到微米级甚至超微米级的各种孔隙组成^［1］。多尺度发育的孔隙结构，单一技术无法完全准确地表征微观孔隙结构，因此多种测试技术的联合使用是必要的^{［62，63］}。高压压汞和低温气体吸附实验分析都有其局限性。由于测试压力的限制，高压汞对大于50 nm的孔隙研究具有更好的有效性^［64］。低压N₂吸附对于（2 ~ 50 nm）是可靠的^［44］。因此，有必要将两种实验方法结合起来，以便对页岩孔径分布进行更全面的分析。本次研究基于前人对陆相页岩储层孔隙分类方案的基础上，根据孔径大小将孔喉分为微孔喉（< 25 nm），小孔喉（25 ~ 100 nm），中孔喉（100 nm ~ 1 μm），大孔喉（1 ~ 10 μm）和微裂缝（> 10 μm）五种类型^{［22，23，65，66］}。

溱潼凹陷阜二段页岩氮气吸附和高压压汞分布曲线如图5所示。其氮气吸附等温线整体符合IUPAC分类的Ⅱ型特征^［67］。具体而言，在低压区（P/P₀ < 0.3），吸附量随压力升高平稳增加，指示微孔填充作用。进入中高压区（0.3 < P/P₀ < 0.8），吸附量呈现平缓上升趋势，反映了多层吸附的过程。而在高压区（P/P₀ > 0.8），吸附量急剧上升，可能与毛细凝聚现象相关^［68］。不同岩性的页岩样品吸附能力存在显著差异，其中硅质页岩在整个压力区间内的吸附量均最高，灰质页岩则最低。所有样品均发育有明显的回滞环，其形态差异及吸附量梯度变化揭示了孔隙结构的非均质性。总体上，阜二段页岩的回滞环兼具H₂和H₃型特征。其中混合质页岩与硅质页岩表现出典型的H₃型回滞环，表明其含有大量狭缝状孔隙且连通性较好；相比之下，云质页岩的回滞环则呈狭窄陡峭的H₂型特征，说明其孔隙体系中墨水瓶状孔隙占比较高^{［68， 69］}。

图5b展示了高压压汞曲线的分布特征，所有曲线均随压力升高呈阶梯状增长。在低压阶段（<0.5 MPa），进汞量增速平缓，对应微裂缝和部分大孔喉的充填。中压阶段（0.5 ~ 10 MPa）曲线斜率显著增大，反映部分大孔喉和中孔喉被逐步侵入，且这部分孔喉整体发育较少。高压阶段（> 10 MPa）随着进汞压力的增大，曲线平缓增加，说明在阜二段页岩中小孔喉和微孔喉为主的纳米级孔隙大量发育。曲线形态的差异揭示了孔喉结构的差异特征。其中硅质页岩在高压区仍保持较高的进汞增量，暗示其发育丰富的纳米级孔隙；而云质页岩在低压区即达到平台期，说明以微裂缝和大孔喉主导的孔喉结构。这种分异特性直观印证了页岩储层复杂的孔径分布和连通性差异。

通过氮气吸附和高压压汞进行联合表征，得到溱潼凹陷阜二段页岩的全尺度孔径分布曲线（图6）。根据孔径分布曲线，阜二段页岩孔隙分布具有明显的“双峰”特征，其主要分布在 < 100 nm和 > 5000 nm两个孔径范围内。根据全孔径分布曲线计算出，溱潼凹陷阜二段页岩的总孔体积分布在0.00092 ~ 0.01994 cm³/g之间，平均值为0.0121 cm³/g。受岩相类型控制，不同岩相孔体积分布存在较大差异。其中混合质页岩孔体积平均值为0.01804 cm³/g，硅质页岩孔体积平均值为0.0147 cm³/g，云质页岩孔体积平均值为0.00546 cm³/g，灰质页岩孔体积平均值为0.00598 cm³/g。

3.4 储集空间分形特征

对溱潼凹陷阜二段不同岩相页岩基于氮气吸附和高压压汞分形理论进行分形维数的计算。其中通过氮气吸附数据对微孔喉的分形维数进行计算（图7a），通过高压压汞数据对小孔喉、中孔喉、大孔喉和微裂缝的分形特征进行计算。通过lg（P_c）-lg（1-S_Hg）图像可以看出溱潼凹陷阜二段页岩压汞曲线分形特征具有明显的分段特征（图7b）。结果显示不同尺度孔喉各段拟合曲线的相关性较好，R²值普遍大于0.95，说明溱潼凹陷阜二段页岩不同尺度的孔喉的分布都具有分形特征。

基于氮气吸附和高压压汞对溱潼凹陷页岩不同尺度储集空间的分形维数进行计算。不同孔径范围孔喉的分形维数统计结果显示，微孔喉（D₁）范围为2.4534 ~ 2.6735（均值2.5794），小孔喉（D₂）范围为2.9579 ~ 2.9995（均值2.9761），中孔喉（D₃）范围为2.9634 ~ 2.9991（均值2.9927），大孔喉（D₄）范围为2.9829 ~ 2.9991（均值2.9925），微裂缝（D₅）范围为2.8957 ~ 2.9837（均值2.9433）。不同尺度孔隙其分形维数从大到小依次为微孔喉（D₁）<微裂缝（D₅）<小孔喉（D₂）<中孔喉（D₃）<大孔喉（D₄）（图8）。整体微孔喉分形维数最小，非均质性整体较弱，大孔喉分形维数最大，非均质性最强。

目前对于页岩储集空间分形特征的研究，均是对不同尺度孔隙进行单独研究的方式进行，而研究结果显示不同尺度孔隙其储层分形维数之间差异明显，这不利于对页岩储集空间整体的非均质性的研究^{［10，28］}。为了能更好地对页岩储层的整体非均质性进行表征，本次研究引入综合分形维数参数（D_m），实现对页岩多尺度储集空间综合分形特征的表征，其具体计算公式（5）：

D_{\mathrm{m}}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{D}_i\times V_i(5)

式中：D_m为综合分形维数，无量纲；D_i 为微孔喉、小孔喉、中孔喉、大孔喉和微裂缝等不同孔径区间的分形维数，无量纲；V_i 为微孔喉、小孔喉、中孔喉、大孔喉和微裂缝等不同孔径孔隙对应孔隙体积占总孔体积的百分比，%，总孔隙体积由氮气吸附和高压压汞联合计算获得。

综合分形维数（D_m）通过对多尺度孔隙耦合，以孔体积权重调和不同尺度孔隙的贡献，突破传统分形模型的局限，避免单一尺度分析的片面性，能更全面反映储集空间整体的复杂性^{［23， 70］}。通过计算溱潼凹陷阜二段综合分形维数（D_m）分布在2.6407 ~ 2.7829之间，平均值为2.7181。不同岩相类型其综合分形维数（D_m）存在差异，其中混合质页岩平均值为2.6924，硅质页岩为2.7238，云质页岩为2.6534，灰质页岩为2.6917，阜二段不同岩相页岩储集空间非均质性依次为硅质页岩>混合质页岩 > 灰质页岩 > 云质页岩（图9）。

4 讨 论

4.1 矿物组分对页岩储集空间的影响

矿物组分作为决定页岩储集空间分布差异性的基础因素，其不同类型及其组合模式主导了孔隙结构的非均质性。不同矿物固有的力学特性与化学属性的显著差异，在成岩演化过程中对原生孔隙、次生孔隙及微裂缝的发育具有不同程度的控制作用^［71］。本次研究结合Pearson相关性热图（图10）和多元线性回归分析了溱潼凹陷阜二段页岩中主要矿物组分（长英矿物、碳酸盐矿物、黏土矿物）含量与储集空间孔体积参数的相关性，明确了阜二段页岩储集空间发育的主控因素。

本次研究Pearson相关性热图（图10）初步揭示了矿物组分与储集空间孔体积参数之间的关联性。为深入揭示各矿物组分的独立贡献，并有效排除变量间多重共线性的干扰，本研究进一步构建了以总孔体积为因变量，以石英、长石、黏土矿物、碳酸盐矿物及黄铁矿含量为自变量的多元线性回归模型，从而定量评估矿物组成对页岩储集空间整体发育的控制作用。多元线性回归结果如表1所示，所建模型整体显著（p = 0.002），调整后决定系数（R²）为0.421，表明模型能较好解释总孔体积的变异。根据回归系数大小及方向可知，对阜二段页岩储集空间发育具有建设性作用的因素依次为黏土矿物、长石与石英，其含量与总孔体积呈正相关；而碳酸盐矿物与黄铁矿则表现为负向控制作用，其含量增加会显著抑制孔隙发育。

为深入阐释矿物组分影响储集空间的内在机理，本文结合相关性热图分析结果与成岩演化特征，对不同矿物的控制机制进行系统解析。其中石英含量与微孔喉、中孔喉体积呈弱正相关与微裂缝呈较好的正相关关系。阜二段石英包括碎屑石英与自生微晶石英两种成因类型，二者对孔隙系统的影响存在差异。碎屑石英颗粒具有较强的抗压能力，有利于原生粒间孔的保存，但自生石英的发育会对孔隙进行充填，不利于储集空间的发育，因此导致石英含量虽然与大孔喉具有正相关关系，但相关系数整体较小。而自生石英常与有机质共生，并在其边缘发育收缩微裂缝（图11a、b）。此外，碎屑石英脆性较高，在构造应力作用下易破裂形成构造微裂缝，因此石英含量与微裂缝发育程度表现出较好的正相关性。长石含量与微孔喉、小孔喉体积均呈现强正相关。长石颗粒在有机酸流体溶蚀作用下易形成次生粒内溶孔（图3d），这类溶蚀孔隙是页岩中纳米级孔隙的重要组成部分，显著提升了页岩的储集能力。

黏土矿物与总孔体积及各尺度孔喉体积参数均呈正相关，表明其在阜二段页岩中具有显著的建设性作用。研究区黏土矿物以伊利石、伊/蒙混层和绿泥石为主，其建设性机制主要体现在以下几个方面。黏土矿物自身发育丰富的晶间孔（图3e-f），在阜二段地层普遍存在的超压背景（压力系数1.2 ~ 1.5）下^［40］，地层超压有效抑制了压实作用，使黏土矿物晶间孔得以良好保存。在成岩过程中，伴随黏土矿物的脱水转化，在其与有机质及脆性矿物接触边缘常发育一系列收缩微裂缝（图11c），进一步增强了孔隙系统的连通性。绿泥石等黏土矿物在长英质等碎屑矿物颗粒表面形成的包膜，是储层中一种重要的孔隙保存机制。该包膜可有效抑制后续成岩过程中碳酸盐矿物在残余粒间孔内的沉淀与胶结充填，从而对原生孔隙结构起到关键的保护作用^［72］。黏土矿物常以纹层形式产出，在纹层内部及与脆性矿物接触界面常发育大量层理缝（图11e），这些层理缝不仅是有效的储集空间，也是重要的渗流通道。上述多机制共同作用，使黏土矿物对孔隙系统，尤其是大孔喉与微裂缝的发育具有显著促进作用。

碳酸盐矿物含量与微裂缝发育呈显著负相关。阜二段沉积于半咸水环境^{［40，73］}，方解石、白云石等碳酸盐矿物在深埋藏环境下常以胶结物形式充填孔隙（图11b），强烈抑制孔隙与微裂缝的发育^［74］。黄铁矿含量与中孔喉体积呈负相关，作为还原环境的典型产物，其形成过程中常占据孔隙空间，从而对储集性能产生负面影响。

综上所述，综合多元回归与相关性热图分析表明，溱潼凹陷阜二段页岩储集空间受多种矿物组分协同控制。其中，硅质矿物（石英、长石）与黏土矿物整体表现为建设性因素，而碳酸盐矿物则为主要的破坏性因素（表1）。

4.2 矿物组分对储集空间非均质性的影响

对综合分形维数（D_m）的与矿物组分之间的相关性进行分析，结果如图12所示。D_m与石英及黏土矿物含量呈正相关关系，而与长石及碳酸盐矿物含量呈负相关。陆相页岩由多种矿物与有机质构成，呈现出复杂的多尺度储集空间特征。其中，石英是阜二段页岩的重要组成部分，其“抗压保孔”作用有利于原生孔隙保存^［75］，此类孔隙通常连通性较好，并为后期黏土矿物等次生孔隙的发育提供空间。同时，该层段自生微晶石英中广泛发育的收缩微裂缝，二者共同构成了石英的双重孔隙贡献机制。碎屑石英和自生微晶石英的大量发育均导致了阜二段页岩储集空间复杂化。黏土矿物同样是储集空间的重要贡献者，其主导了中孔喉、大孔喉及微裂缝的发育。这不仅源于黏土中大量晶间孔的存在，还包括脱水收缩形成的收缩微裂。此外，黏土矿物较强的塑性易使其内部孔隙在后期构造作用下发生变形，进一步增大了孔喉结构的复杂性，这解释了D_m与黏土矿物含量的正相关性。相比之下，碳酸盐矿物主要起负面作用，其胶结效应显著降低孔隙空间，从而削弱其整体复杂性。至于长石，虽对微孔喉和小孔喉有重要贡献，但此类孔隙往往类型单一、自相似性高、孤立分布且连通性差；加之其较小的尺寸降低了成岩改造的敏感性，导致其矿物含量与D_m呈负相关。

4.3 储层渗透率与综合分形维数（D_m）的相关性关系及其地质意义

综合分形维数（D_m）基于加权平均的思想，将不同孔径区间的分形特征整合成能够表征页岩储集空间整体复杂程度的关键参数，其有效反映孔隙结构的整体非均质性^{［76， 77］}。本研究分析了综合分形维数（D_m）和迂曲度参数之间的相关性，结果显示D_m与迂曲度呈强正相关关系（图13a）。迂曲度是量化流体渗流路径曲折性的关键参数^［78］，而D_m从孔隙结构形态学角度度量了系统的非均质性。二者从不同物理视角共同揭示储集空间的复杂程度，其结果高度一致，形成有力的交叉验证，表明D_m能够有效表征页岩储集空间的综合复杂程度与非均质性特征。

在页岩油储层评价中，储集空间的渗透性评价尤为重要，其决定了页岩储层中流体的流动效率^{［10，79］}。较高的渗透率通常意味着储层具备更优异的渗流能力和有效性^［80］。通过分析显示，D_m与实测渗透率呈现较好的负相关关系（图13b），即随着页岩储集空间复杂程度的增加，渗透率显著降低。其内在机制在于，多尺度孔隙之间的复杂组合关系会显著增大流体运移路径的曲折度，进而削弱渗透性。因此，综合分形维数D_m不仅可准确评价储集空间结构的整体复杂性，也可作为页岩储层渗流能力的可靠指标，在页岩油气储层评价中具有重要应用价值。

5 结 论

（1）溱潼凹陷阜二段页岩的储集空间类型多样，主要包括基质孔隙（如粒间孔、粒内孔、晶间孔）、有机质孔以及微裂缝（如构造微裂缝、层理微裂缝、成岩收缩微裂缝）。这些储集空间共同构成了一个尺度跨纳-微米级的复杂孔隙系统。其全孔径分布呈现明显的“双峰”特征，主峰分别位于<100 nm和> 5000 nm处，孔隙体积范围为0.00092 ~ 0.01994 cm³/g。

（2）基于压汞与氮气吸附实验的分形模型研究表明，阜二段页岩不同尺度的孔隙其分形维数（D）的大小依次为：大孔喉（D₄）> 中孔喉（D₃）> 小孔喉（D₂）> 微裂缝（D₅）> 微孔喉（D₁），表明不同尺度孔喉结构的非均质性存在显著差异。通过耦合多尺度孔喉体积占比，计算了综合分形维数（D_m），定量表征页岩储集空间整体的非均性，溱潼凹陷阜二段页岩的综合分形维数（D_m）介于2.64 ~ 2.78之间，整体储集空间非均质性较强。

（3）对阜二段页岩储集空间发育的影响分析表明：硅质矿物和黏土矿物通常起积极作用，而碳酸盐矿物则主要起消极作用。具体表现在：石英与黏土矿物通过支撑原生孔隙、促进晶间孔发育、形成脱水收缩缝等方式，增加了孔喉体积并提高了综合分形维数（D_m），从而增强了页岩储集空间的整体非均质性。相反，碳酸盐矿物的胶结作用会堵塞孔隙，显著降低孔喉体积和综合分形维数（D_m），最终削弱页岩孔喉网络整体的非均质性。

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基金资助

国家自然科学基金(42302148)

国家能源页岩油研发中心开放基金(33550000-24-ZC0613-0004)