摘要
页岩气作为一种清洁、高效的非常规能源，近年来受到诸多国内外学者的关注。加快页岩气勘探开发对于保障国家能源安全和实现“碳达峰”与“碳中和”目标具有重大意义。岩石储集空间与孔隙结构研究一直是石油地质领域的热点，页岩气藏的形成和富集与孔隙发育程度密切相关，孔隙类型和结构的差异常导致页岩气藏具有不同的储集模式和储集能力。因此，深入研究孔隙结构特征和页岩气赋存机理，能为页岩气藏的储层评价提供重要的理论依据。 本文以湘西地区Xa1井和Xb1井寒武系牛蹄塘组富有机质页岩为研究对象，通过X射线衍射分析划分了页岩岩相;利用场发射扫描电镜、低压CO2吸附、低压N2吸附从定性和定量的角度表征了页岩孔隙结构特征，结合分形理论分析了不同岩相页岩的孔隙结构差异;通过TOC含量、矿物组成、孔隙结构参数、分形维数相互间的相关性，揭示了影响页岩孔隙发育的重要因素;最后，基于高压甲烷等温吸附实验，阐明了牛蹄塘组不同岩相页岩甲烷吸附特征，探讨了影响页岩甲烷吸附能力的主要因素以及甲烷的赋存方式。研究结果表明: （1）研究区牛蹄塘组页岩有机质丰度高，Xa1井TOC含量平均为7.75％,Xb1井TOC含量平均为4.24％。页岩矿物组成以石英为主，黏土矿物含量较少。Xa1井岩相类型主要为硅质页岩，其他岩相页岩分布较少;Xb1井可划分出4种页岩岩相，分别为硅质页岩、钙质页岩、混合硅质页岩和含泥硅质页岩。 （2）牛蹄塘组页岩孔隙类型包括有机孔、无机孔和微裂缝，其中无机孔又可分为粒间孔和粒内孔。在各类岩相页岩中，硅质页岩的有机孔最为发育。孔隙形态以狭缝型、平行板状为主，墨水瓶状孔主要在硅质页岩中发育。样品的孔隙体积主要由中孔提供，比表面积主要由微孔提供。不同岩相页岩的孔隙结构存在差异:孔径分布特征相似，但是硅质页岩的孔隙体积和比表面积显著高于其他三种岩相页岩，硅质页岩的分形维数最高代表其孔隙系统非均质性更强，体现在有机孔更为发育使得孔隙结构和表面更为复杂。 （3）TOC含量是牛蹄塘组页岩孔隙发育的主控因素，特别体现在对微孔发育的控制。石英对微孔发育有一定促进作用，黏土矿物对中孔发育有贡献，但整体上，矿物组分对孔隙发育的影响较小。分形维数D1、D2与TOC含量线性关系较好，但与石英和黏土矿物相关性不明显，表明有机孔的发育使得页岩孔隙结构和表面更加复杂。孔隙结构参数与D1相关性更强，代表D1相对于D2能更好的表征孔隙结构参数。分形维数一定程度上能反映页岩的吸附气储集能力。 （4）不同岩相页岩在不同温度条件下的甲烷吸附曲线特征相似。硅质页岩的甲烷吸附能力显著高于钙质页岩、混合硅质页岩和含泥硅质页岩。牛蹄塘组页岩甲烷吸附能力的影响因素包括外因（温度和压力）和内因（TOC含量、黏土矿物含量和孔隙结构）。温度越高，页岩甲烷吸附能力越弱;压力增大，页岩的吸附量单调递增并在高压阶段到达峰值;TOC含量对于甲烷吸附能力具有明显的控制作用，有机质内部发育丰富的有机纳米孔隙为甲烷分子吸附提供大量点位;黏土矿物对甲烷吸附能力的控制作用较弱，源于研究区黏土矿物含量较低，且主要为伊利石，其伴生孔隙贡献的比表面积有限;微孔和中孔的发育对于页岩甲烷吸附能力均有重要影响，孔隙体积为甲烷气体赋存提供贮存空间，比表面积则为甲烷分子吸附提供大量的点位。微孔和中孔对页岩吸附能力都存在控制作用，表明甲烷在页岩孔隙表面吸附方式为微孔充填和中孔单分子层吸附。
NETL