第一章 引言
伴随着全球能源消费结构的转变，页岩气已经成为非常规油气资源勘探开发的主要接替区。但是页岩储层具有很强的孔隙结构非均质性，传统的线性欧氏几何方法很难对复杂的孔隙网络进行定量表征，从而严重影响了储层评价精度和产能预测的可靠性。分形理论是描述复杂不规则形态的有力工具，在常规油气储层研究中已经取得了一些成果，但是在页岩微观孔隙演化机制解析方面还存在着理论适用性不强、动态演化规律不明等不足。因此，本文主要研究页岩储层分形孔隙演化机制，试图从成岩作用的角度来解释分形维数的变化特征，并阐明其地质意义。研究会依照实验测试、分形计算以及机制分析的技术路线，依靠系统的逻辑架构，探究页岩孔隙结构非均质性演变的规律，给页岩气高效开发赋予有力的理论支撑和操作引领[1]。
第二章 页岩储层分形孔隙核心概念与研究基础梳理
2.1 页岩孔隙分形特征的界定与量化表征体系构建
页岩孔隙分形特征的核心内涵是描述孔隙结构在不同尺度上表现出的自相似性和不规则性，其量化指标分形维度打破了常规孔隙度、孔径分布和比表面积这些单一参数的限制，可以很好地表征孔隙空间填充的复杂程度以及非均质性。由于页岩储层具有无机矿物和有机质双孔隙介质的特性，所以需要将高压压汞、低压氮气吸附、纳米CT扫描和扫描电镜图像解析等多尺度实验手段结合起来，形成一个涵盖宏孔到微孔全部范围的量化表征体系。在此过程中要严格比较不同的测算方法得到的分形维度的不同，分析流体相态效应和图像分辨率对结果产生的误差来源，制定出科学的数据校正方案，从而确定一个统一、规范的量化标准，为之后进一步研究孔隙演化机制打下良好的基础。
表1 页岩储层分形孔隙特征界定与量化表征体系维度划分
第三章 页岩储层分形孔隙的多阶段演化机制解析
3.1 沉积成岩早期孔隙初始分形构型的形成路径
图 1 页岩储层沉积成岩早期孔隙初始分形构型的形成路径
页岩沉积成岩早期未熟到低熟演化阶段，孔隙初始分形构型的形成主要是受原始沉积物颗粒堆积方式和早期成岩改造的影响。不同的沉积微相具有不同的陆源碎屑和黏土矿物的输入比例，从而影响原生矿物颗粒的排列以及空间填充结构。浅埋藏时，由于机械压实作用增大，颗粒发生重排，早期胶结物充填粒间孔隙，使孔隙系统由无序堆积变为具有一定分形特征的几何结构。该阶段没有受到明显的热演化影响，原生孔隙分形维度主要是由沉积组分占比和颗粒接触关系来决定的，一般在一定的数值范围内变化。对这一条路径进行剖析，有利于认识页岩储层在原生状态下孔隙结构的本征特性以及控制因素，给之后深埋藏阶段孔隙演化预估赋予重要的地质根基和边界情况。
3.2 热演化进程中孔隙分形维度动态调整的主控因素
3.2.1 有机质生烃增压对孔隙分形结构的改造作用
有机质生烃增压，是改变页岩储层孔隙分形结构的主要动力。干酪根在热演化过程中首先分解成液态烃，随着成熟度的增加到高过成熟阶段，大量的气态烃生成并在有限的空间内聚集，产生很强的生烃超压效应。超压不仅把孔隙中原来的流体驱替出去，而且产生很大的膨胀力将有机质内部的孔隙撑开，从而改变有机质和矿物接触界面的微观形态。在这种情况下，孔隙分形维度就表现出明显的动态变化特征，生烃作用刚开始时，孔隙结构比较均匀；而当达到高过成熟阶段时，强烈的生烃增压使得孔隙大量新生，并且形态十分不规则，从而使得分形维度增大，孔隙结构由均质性向非均质性急剧转变。明确这个机制之后，就可以从微观定量的角度来准确地评价页岩储层的孔隙发育情况以及储集能力。
3.2.2 黏土矿物转化与脆性矿物充填的分形响应规律
页岩热演化过程中，黏土矿物转化、脆性矿物充填都会使孔隙分形维度发生变化。以蒙皂石向伊利石转化为例，在一定的温压条件下，层间水脱除，阳离子交换，使微孔隙数量增多，孔隙表面变得粗糙，结构也更为复杂。与之相反，石英次生加大、方解石胶结等脆性矿物充填过程，主要占据粒间大孔隙，使孔隙空间被压缩，均质性增强。实际应用时要依靠细致的矿物学和孔隙结构分析，整理出物质迁移的路径，定量地区分出黏土转化产生的微孔隙增量和脆性充填造成的大孔隙损耗对于整体分形维度的不同影响权重，进而准确地揭示出孔隙结构的非均质性演化规律。
3.3 后期构造-流体叠加作用下分形孔隙的演化异质性分析
后期构造、流体叠加作用，会使得页岩储层的孔隙结构变得复杂，并且会造成空间上的不均匀。该过程主要是用高压压汞和低温氮吸附实验数据，结合FHH分形模型来计算孔隙分形维数，从而对非均质改造程度进行量化评价。分形维数 的计算公式为 ，其中 为吸附气体积， 为平衡压力， 为饱和压力， 为常数。通过对不同构造变形区和流体蚀变带实测结果的对比可知，强烈构造变形区微裂缝发育明显增多，粗糙表面数量增加，分形维数异常升高；酸性流体溶蚀作用使局部孔隙结构变得均匀，分形维数降低。差异清楚地显示出来，多期构造运动和流体活动打乱了孔隙正常的热演化序列，是决定页岩储层分形孔隙空间异质性分布的主要因素，给储层精细评价赋予了重要的判识标志。
表2 后期构造-流体叠加作用下页岩储层分形孔隙演化异质性表征参数对比
第四章 结论
对页岩储层全生命周期进行系统的研究，发现分形孔隙从初始沉积构型形成、成岩压实和有机质生烃多个阶段的动态变化，直到后期构造流体叠加改造的全过程。研究确定了有机质热演化程度和矿物组分对孔隙分形结构起着控制作用，比表面积和分形维数可以作为评价储层物性的主要量化判别指标，直接指导优质储集层的准确预测。虽然目前已经建立了演化理论框架，但是对微观孔隙结构的动态表征还存在不足。未来需要将多尺度数值模拟技术同野外原位监测手段结合起来，对复杂的地质条件下分形孔隙的精细演化规律进行深入研究，给页岩油气高效勘探开发赋予有力的理论支持。
参考文献
\[1\]尹娜, 薛莲花, 姜呈馥. 富有机质页岩生烃阶段孔隙演化及分形特征[J]. 天然气地球科学, 2018, 29(12): 12.
\[2\]吴伟, 梁志凯, 郑马嘉. 页岩储层孔隙结构与分形特征演化规律[J]. 油气地质与采收率, 2022, 29(4): 11.
\[3\]李贺, 刘佳祥, 林柏泉. 微波强化酸蚀作用下五峰龙马溪组页岩孔隙特征演化机制[J]. 煤炭学报, 2024, 49(S2): 1104.