1. 引言
致密砂岩作为非常规天然气储层的重要组成，其开发潜力近年来受到广泛关注。然而，其储层孔隙度低、渗透率差、非均质性强等特点，导致油气赋存机制及渗流行为复杂多变，制约了其高效开发。深入揭示其微纳米孔隙结构特征与非均质性分布规律，是实现储层精准表征与有效开发的关键。当前，多种实验技术被广泛应用于致密储层孔隙结构分析，如低场核磁共振(NMR)、扫描电镜(SEM)、高压压汞(MIP)及低温气体吸附(BET)等。其中，低温氮气吸附技术因其对介孔尺度的高分辨能力，在纳米孔隙表征方面具有独特优势；结合相应分形模型可进一步量化储层孔隙表面复杂程度，进而建立分形维数与孔隙异质性之间的映射关系。
本研究基于鄂尔多斯盆地富县区块典型致密砂岩岩样，系统开展X射线衍射与低温氮气吸附实验，获取储层孔隙结构、孔容分布及分形特征数据，探讨孔隙结构参数与矿物组成的协同变化规律，并构建FHH分形维数计算模型，从微观尺度揭示储层非均质性程度，为致密气藏储层评价提供理论支持与参数依据。
2. 实验材料与方法
2.1. 实验材料
选取鄂尔多斯盆地富县区块上古生界石盒子组盒1段的8块致密砂岩岩心作为研究对象。岩样孔隙度介于5.2%~15.276%，气相渗透率介于0.215~5.56 mD，物性差异显著，具有代表性，使用前在105℃下烘干至恒重，基本物性参数见表1，岩样实物照片如图1所示。
2.2. 实验方法
2.2.1. 岩石组分X衍射实验
将适量现场岩心样品磨粉，过100目筛孔，放入真空干燥箱，在50℃、0.090 MPa真空度下干燥48 h，去除样品中的水分，用玛瑙研钵充分研磨至粉末状；将干燥后的粉末样品压实于样品载台上，形成均匀、光滑的测试面，避免颗粒排列方向性，采用X射线衍射仪(XRD，TD3000，丹东通达)对岩屑矿物的
Figure 1. Dense sandstone core
图1. 致密砂岩岩心
Table 1. Basic physical properties of core
表1. 岩心基本物性
样号 |
层位 |
深度/(m) |
气测渗透率/(mD) |
孔隙度/(%) |
长度/(mm) |
1 |
盒一段 |
3741.53 |
0.215 |
5.524 |
40.47 |
2 |
盒一段 |
3909.27 |
0.789 |
8.766 |
45.36 |
3 |
盒一段 |
4029.09 |
0.637 |
9.866 |
62.58 |
4 |
盒一段 |
4028.64 |
1.14 |
13.321 |
52.78 |
5 |
盒一段 |
2964.57 |
0.262 |
15.786 |
37.55 |
6 |
盒一段 |
2774.1 |
0.183 |
10.851 |
59.12 |
7 |
盒一段 |
2831.29 |
5.56 |
14.4 |
60.01 |
8 |
盒一段 |
3096.16 |
0.366 |
15.276 |
52.22 |
物相组成进行分析[1]。测定条件为：Cu靶(λ = 1.5406 A)、管电压40 kV、管电流30 mA、扫描范围3˚~70˚、扫描速率1.2˚/min。
2.2.2. 岩石比表面和孔径分布测试(BET)
参照国际理论与应用化学联合会(IUPAC)与国家标准《GB/T 19587-2017》，将孔喉分为微孔[2]：<2 nm、介孔：2~50 nm、大孔：>50 nm (王文通等，2025)，破碎岩块至1~3 mm，采用Micromeritics ASAP 2460型比表面及孔结构分析仪，相对压力P/P0控制在0.05~0.995，平均采样间隔20 s，确保等温线的完整性与拟合精度，测量氮气在岩块上的吸附曲线，对其基本物性进行表征。吸附气体：N2 (常规，77K)；测试温度：−195.85℃；平均间隔：20 s；脱气温度150℃。
3. 实验结果与讨论
3.1. 区域地质背景
鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，总面积约为37 × 104 km2 (孟祥振等，2015)，属于中生代时期形成的内陆坳陷型克拉通盆地[3]。富县地处盆地东南部的陕北斜坡，毗邻渭北隆起，区域地层整体展布平缓，构造形态较为简单，断裂发育较少，局部地区受差异压实影响形成低幅度鼻状构造[4]。此次实验所用岩心位于其下石盒子组盒一段，独特的地质构造导致了其孔隙发育类型多样，主要以溶蚀孔隙、高岭石晶间孔为主，少量残余粒间孔，且各层均有裂缝孔隙发育，储层较为致密物性差，图2为储层孔隙类型。
Figure 2. Shows various pore types of the core in the study block
图2. 研究区块岩心各种孔隙类型
3.2. 储层黏土矿物含量及微观形貌
Table 2. Specific composition table of clay minerals
表2. 粘土矿物具体组分表
样号 |
黏土矿物相对含量/% |
绝对含量/(%) |
蒙皂石S |
伊利石I |
高岭石K |
绿泥石C |
伊/蒙混层I/S |
绿/蒙混层 |
1 |
0 |
11 |
75 |
6 |
8 |
0 |
29.4 |
2 |
0 |
12 |
84 |
0 |
4 |
0 |
29.2 |
3 |
0 |
60 |
0 |
30 |
10 |
0 |
15.7 |
4 |
0 |
43 |
0 |
42 |
15 |
0 |
11.4 |
5 |
0 |
26 |
0 |
62 |
12 |
0 |
6.4 |
6 |
0 |
13 |
0 |
62 |
25 |
0 |
22.4 |
7 |
0 |
3 |
10 |
38 |
49 |
0 |
14.0 |
8 |
0 |
14 |
55 |
12 |
19 |
0 |
17.3 |
由表2可知，研究区域样品黏土矿物整体含量6.4%~29.4%，平均为18.2%；其中伊利石含量3%~60%，平均22.8%，高岭石含量0~84%，平均28%，绿泥石含量0~62%，平均31.5%，伊/蒙混层含量4%~49%，平均17.8%。
Figure 3. Shows the scanning electron microscope images of various clay minerals in the study block
图3. 研究区块各种黏土矿物扫描电镜图
同时根据实验结果见图3，其中1~5号样品岩性为碎屑岩，填隙物中的黏土矿物包括高岭石、伊/蒙混层，其中高岭石呈六方板状和书页状，伊/蒙混层为蜂巢状。6~8号样品岩性也为碎屑岩，黏土矿物主要为高岭石，局部可见极少量伊/蒙混层，黏土矿物类型单一；高岭石呈六方板状和书页状，伊/蒙混层为蜂巢状。
3.3. 储层微纳米孔隙结构特征
3.3.1. 基于氮气吸附的孔隙结构特征
基于氮气吸附的孔隙结构表征方法，是通过测量氮气在低温条件下对岩石孔隙的吸附与充填行为，从而间接推断孔隙结构特征的一种常用技术。该方法对纳米尺度孔隙具有良好的适应性，尤其在2 nm至50 nm范围内的介孔段，其测试结果具有较高的分辨率和精度，因而广泛应用于储层微观结构的定量分析中。本文共对8块致密岩心进行了低温氮气吸附实验，其对应的吸附–解吸曲线及微纳米孔隙参数如表3。
Table 3. Specific experimental results of BET
表3. BET具体实验结果
样号 |
BET比表面积/ (m2·g−1) |
总孔体积 /(cm3·g−1) |
孔体积比例/% |
平均孔径/(nm) |
微孔/(<2 nm) |
介孔/(2~50 nm) |
大孔/(>50 nm) |
1 |
0.0322 |
0.001257 |
0 |
78.12 |
21.88 |
33.0259 |
2 |
0.6778 |
0.001995 |
0 |
68.54 |
31.46 |
18.6621 |
3 |
0.7860 |
0.003108 |
3.02 |
86.23 |
10.75 |
13.9430 |
4 |
0.2321 |
0.005915 |
0 |
90.56 |
9.44 |
13.8121 |
5 |
2.3003 |
0.008675 |
0 |
88.69 |
11.31 |
9.5544 |
6 |
1.8003 |
0.006168 |
0.002 |
95.23 |
4.76 |
8.8750 |
7 |
3.4927 |
0.009632 |
0.0003 |
83.99 |
16.00 |
10.8451 |
8 |
1.7579 |
0.005136 |
0 |
89.12 |
10.88 |
8.8219 |
总体来看，致密砂岩岩样总孔体积、表比面积相对较小，孔隙孔径细小且孔隙间连通性较差，平均孔径在8.8219~33.0259 nm之间，平均14.7 nm，孔隙类型以介孔(2~50 nm)为主，孔隙半径较小，导致储层微观渗透性相对较低。
Figure 4. Nitrogen adsorption-desorption curve
图4. 氮气吸附–解吸曲线
根据IUPAC对等温吸附线分类标准，研究区块的致密砂岩样品的吸附曲线(见图4)在形貌上介于II、III型之间。岩心均出现了较为明显的回滞环，一般来说，回滞环代表着岩心孔隙内部发生了毛细管凝聚作用，说明岩样微纳米尺度的孔隙发育[5]。IUPAC据回滞环形貌将多孔介质划分为四种类型，并关联了相应的孔喉形态，本文中实验样品测试结果曲线共呈现两种形态，文中将其分为I类和Ⅱ类曲线。
I类曲线(1~5号岩心)：对应的是四周较为开放的平板状狭长缝形孔喉，此类孔喉在相对压力较小的时候，吸附–脱附曲线二者差别较小或基本重合，在相对压力较大处，会出现明显拐点[6]，表明此类岩样发育较多的细小孔喉，且占据主要的孔喉空间。
Ⅱ类曲线(6~8号岩心)：在较长的一段时间内，吸附与脱附曲线基本平行，反映岩样中以圆锥形孔为主体，含有部分裂缝型和圆柱形孔。
3.3.2. 基于氮气吸附的孔隙分形特征
采用BET实验所得数据建立孔隙分形模型，能够定量表征储层中吸附孔隙的结构复杂性及非均质性特征，本研究采用Pfeifer P的Frenkel-Halsey-Hill (FHH)模型[7]计算氮气吸附曲线分形维数，在该模型中气体压力与介质表面吸附气体存在以下相互关系，计算过程如图5所示：
(1)
式(1)中：
V为平衡压力P时的吸附量，cm3/g；
P为平衡压力，MPa；
P0为气体吸附饱和时的压力，MPa；
C为待定常量；K为双对数曲线的斜率。
所有岩样分形维数计算如表4所示。
Figure 5. BET fractal characteristics
图5. BET分形特征
Table 4. Calculation results of fractal dimension
表4. 分形维数计算结果
样号 |
K/(斜率) |
DBET/(分形维数) |
R2 |
拟合公式 |
1 |
−0.369 |
2.631 |
0.992 |
Y = −0.369x − 0.486 |
2 |
−0.525 |
2.475 |
0.987 |
Y = −0.525x − 2.137 |
3 |
−0.394 |
2.606 |
0.997 |
Y = −0.394x − 0.910 |
4 |
−0.390 |
2.610 |
0.994 |
Y = −0.390x + 0.373 |
5 |
−0.683 |
2.317 |
0.980 |
Y = −0.683x − 0.920 |
6 |
−0.389 |
2.611 |
0.995 |
Y = −0.389x + 0.008 |
7 |
−0.448 |
2.552 |
0.990 |
Y = −0.448x + 0.343 |
8 |
−0.496 |
2.504 |
0.974 |
Y = −0.496x − 0.452 |
分形维数的值与孔隙结构之间存在一定的关系，一般来说，岩心的分形维数介于2~3之间，分形维数越接近2，说明孔隙光滑结构较为简单；分维值越靠近3，则孔隙越复杂，从表中可知，岩心的分形维数在2.475~2.631之间，平均值为2.538，说明致密砂岩岩样的孔隙结构较复杂，非均质性较强，且分形维数主要与岩心渗透率呈负相关，即岩心越致密，孔隙也越复杂其分形维数相对也越接近3。
4. 结论
(1) 鄂南致密气藏储层整体黏土矿物绝对含量平均为18.2%，黏土矿物种类多样，包括蒙皂石、伊利石、高岭石、绿泥石和伊/蒙混层。
(2) 根据BET实验结果可知，储层平均孔径为14.7 nm，孔隙类型以介孔(2~50 nm)为主，总孔体积及比表面积整体偏小，孔隙结构较为致密，微观渗流能力较弱。
(3) 储层结构较为复杂，岩心的分形维数在2.475~2.631之间，平均值为2.538，储层整体孔隙结构复杂、非均质性强，分形维数与岩心渗透率呈负相关，在后续开发过程中，建议优先选取分形维数较小的储层实施储层改造，提高开发效率。
NOTES
*通讯作者。