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页岩岩相与有机质富集、形成环境密切相关[1-2],不同岩相在空间分布[3]、储集空间[4]、孔隙结构[5]、烃类富集规律[6]、勘探开发潜力等方面呈显著差异。前人针对海相页岩不同岩相的研究,取得了诸多认识,提出岩相纵向演化序列和横向展布受控于古地貌、沉积环境、陆源碎屑物质供给三个方面[7],而水动力条件则控制了不同岩相纹层结构与有机质丰度[8],认为有机质丰度是控制不同岩相孔隙结构差异的主要因素[9],有学者认为矿物组成和成岩改造程度差异也会造成孔隙结构在不同岩相中的变化[5,10]。作为我国下步非常规油气勘探的重点对象,以鄂尔多斯盆地东缘（简称鄂东缘）山西组
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研究区位于鄂尔多斯盆地东缘,地跨山西、陕西两省[17-19]（图1a）。本区二叠系山西组与下伏太原组和上覆下石盒子组均呈整合接触[17-18],其中太原组顶部岩性为泥晶生屑灰岩,生物类型、个体大小表明沉积水体为盐度正常的清澈海水,属于浅海陆棚相开阔台地环境,而下石盒子组底部以中砂岩为主[11]（图1b）,属于陆相辫状河沉积体系[19-20]。进入山西组沉积期,海水从盆地东、西两侧逐渐退出,逐渐由海相环境转换为陆相环境,沉积环境相对稳定[21],期间发生多次海侵事件[17],形成了一套陆相三角洲、近海三角洲与陆表海过渡相的页岩层系[22-23]。该区北部准格尔旗地区靠近北部物源,主要为一套粗粒的砾岩、含砾砂岩冲积扇沉积,向南至保德—兴县地区变为辫状河道、天然堤、河漫沼泽等环境。向南由河流沉积体系过渡到潮控三角洲沉积体系,以成家庄剖面为代表的三交—柳林—石楼地区发育潮控三角洲平原,分流间湾淤积形成平原沼泽环境。大宁—吉县地区是南北物源过渡地带,属于三角洲前缘和滨海环境,为典型的海陆过渡相沉积环境。研究区南部以竹园村剖面为代表的韩城—合阳地区在同一时期发育三角洲沉积,规模较小,主要为三角洲前缘[20]。根据岩性和沉积旋回等特征,可将山西组内部划分为山2段和山1段,其中山2段自下而上又可细分为
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A井、B井、C井三口取心井位于大宁—吉县地区[11]（图1a）,该区
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岩相指沉积岩中所有岩性特征的总和,包括矿物组成、颜色、颗粒大小、分布规律等[28],对分析沉积过程、沉积环境至关重要[29-30]。以黏土、碳酸盐和硅质（石英+长石）的矿物含量作为三端元,按以下步骤进行岩相划分：1）黏土含量大于75%,划分出I黏土质页岩相；2）依据硅质矿物含量、碳酸盐矿物含量和RQC（硅质含量/碳酸盐矿物含量）3个参数[14],再将黏土矿物含量小于75%的岩相划分出II硅质黏土质页岩相、III钙质黏土质页岩相、IV硅质页岩相、V钙质硅质页岩相、VI硅质钙质页岩相,而非页岩相则分别为VIII硅质岩相和IX碳酸盐岩相[14]（图2）。研究区
图 2 研究区山西组
Figure 2. Triangular diagram of lithofacies division of transitional facies shale in Shanxi Formation
图 3 研究区山西组
Figure 3. Correlations between shale constituents and TOC content of transitional facies shale in Shanxi Formation
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硅质页岩相岩心呈浅灰色,可见暗色富有机质纹层（图4a）,内部植物碎屑发育（图4b）,硅质矿物含量高,一般大于45%。石英主要为粉砂级陆源碎屑石英,分选好,磨圆差,未见海绵骨针、放射虫等海相生物碎屑（图4b）。硅质页岩相TOC含量分布范围介于0.3%~9.9%,平均值为2.2%,有机质主要呈长条状赋存在石英颗粒间（图4c）。
图 4 研究区山西组
Figure 4. Macroscopic⁃microscopic petrological characteristics of siliceous shale lithofacies and siliceous⁃argillaceous shale lithofacies in Shanxi Formation
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硅质黏土质页岩相在
表 1 研究区山西组
样号 井号 深度/m 页岩岩相类型 TOC/% 硅质矿物/% 黏土矿物/% 比表面积/（m2/g） 总孔容/（cm3/kg） 有机孔占比/% 无机孔占比/% 微裂缝占比/% D1 D2 1 A 2 290.71 钙质硅质页岩相 1.14 53.00 32.00 4.98 13.00 31.30 55.40 13.30 2.70 2.55 2 A 2 292.10 钙质硅质页岩相 6.22 70.00 23.00 5.04 14.00 34.80 59.10 6.10 2.70 2.40 3 A 2 293.08 钙质硅质页岩相 8.57 69.00 27.00 2.89 9.00 32.90 58.40 8.70 2.67 2.24 4 A 2 294.89 硅质钙质页岩相 6.51 28.00 32.00 3.12 11.00 31.80 57.20 11.00 2.69 2.24 5 A 2 296.34 黏土质页岩相 0.27 9.00 91.00 8.49 17.00 28.60 46.30 25.10 2.75 2.60 6 A 2 300.50 硅质黏土质页岩相 1.84 28.00 62.00 5.38 14.00 26.50 58.80 14.70 2.71 2.51 7 A 2 297.40 硅质黏土质页岩相 7.45 44.00 55.00 2.38 8.00 24.30 56.90 18.80 2.67 2.48 8 A 2 297.78 硅质页岩相 6.01 61.00 37.00 0.68 3.00 24.80 63.20 12.00 2.59 2.21 9 A 2 299.00 硅质黏土质页岩相 2.02 46.00 49.00 3.90 13.00 26.40 57.50 16.10 2.67 2.54 10 B 2 118.70 硅质黏土质页岩相 1.05 46.00 50.00 3.34 5.00 23.80 56.80 19.40 2.67 2.59 11 B 2 123.30 硅质页岩相 2.90 53.00 42.00 5.03 5.00 25.70 58.70 15.60 2.75 2.60 12 B 2 124.40 硅质页岩相 1.54 51.00 49.00 3.89 5.00 22.90 58.70 18.40 2.72 2.57 13 B 2 149.00 硅质页岩相 6.21 67.00 32.00 3.48 4.00 23.80 63.20 13.00 2.71 2.59 14 B 2 154.65 硅质页岩相 1.76 46.00 44.00 5.48 6.00 24.50 62.50 13.00 2.75 2.59 15 B 2 156.60 硅质页岩相 1.33 22.00 26.00 5.06 5.00 23.80 58.60 17.60 2.75 2.62 16 B 2 157.50 硅质页岩相 1.53 44.00 42.00 5.09 6.00 26.20 59.30 14.50 2.75 2.57 17 B 2 161.23 硅质黏土质页岩相 1.91 37.00 48.00 7.16 7.00 25.20 56.80 18.00 2.81 2.59 18 B 2 162.08 硅质页岩相 1.66 36.00 38.00 5.54 6.00 25.70 59.40 14.90 2.77 2.59 -
黏土质页岩相在
图 5 研究区山西组
Figure 5. Macroscopic⁃microscopic petrological characteristics of argillaceous shale lithofacies and calcareous⁃siliceous shale lithofacies in Shanxi Formation
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钙质硅质与硅质钙质页岩相是本区山西组
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有机质孔隙是发育在有机质内部的粒内孔[33]。本区山西组
图 6 研究区山西组
Figure 6. SEM images of organic pores in transitional facies shale of Shanxi Formation
无机孔在不同岩相中均较为发育,可分为三种类型：1）粒间孔,主要是经沉积作用或后期成岩作用改造后矿物颗粒间的剩余空间[33]。
图 7 研究区山西组
Figure 7. SEM images of inorganic pores and microfractures in transitional facies shale of Shanxi Formation
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研究区山西组
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基于页岩中有机孔和无机孔润湿性差异,即有机孔为强烈油润湿性,而无机孔为强烈水润湿性[36],分别在饱和水、油条件下进行核磁共振实验,观测信号特征,明确亲油孔隙（有机孔）和亲水孔隙（无机孔）横向弛豫时间（T2）分布谱。结果表明,所有样品亲油孔隙T2谱均具有“一强两弱”的“三峰”形态,表明亲油孔隙可分为三类,一类为小孔径（T2时间较短）,占据绝对主体,一类为大孔径（T2时间较长）,另一类为有机质中发育的微裂缝（图8）,但三类亲油孔隙的发育程度在不同岩相中差异明显。小孔径与大孔径有机孔在钙质硅质（硅质钙质）页岩相、黏土质页岩相中发育程度均优于硅质页岩相与硅质黏土质页岩相,微裂缝也具有这一特点。亲水孔隙主要分布在0.5 ms左右,次要分布峰对应微裂缝分布位置,总体反映微裂缝孔径大、体积占比小的分布特征,但在不同岩相中发育程度不同（图8）。硅质页岩相中无机成因的微裂缝发育程度最低,而硅质黏土质页岩相最高。利用Image J图像处理软件识别扫描电镜照片中不同孔隙类型,结果表明,钙质硅质（或硅质钙质）页岩相有机孔比例最高,平均值为32.7%,其余岩相有机孔占比分布范围为24.8%~28.6%；硅质页岩相无机孔最为发育,占比平均值达63.2%,其余岩相的无机孔占比介于46.3%~57.7%（表1）。
图 8 研究区山西组
Figure 8. NMR T2 spectra of different lithofacies in transitional facies shale of Shanxi Formation
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低温氮气吸附—脱附曲线特征表明,不同页岩岩相的吸附—脱附等温线在形态上差异明显（图9）。相同点是所有样品直到接近饱和蒸汽压也未出现吸附饱和现象,表明不同岩相中均含有一定量的大孔隙[33]。根据国际理论化学与应用化学协会（IUPAC）的分类方案[25],研究区山西组
图 9 研究区山西组
Figure 9. N2 gas adsorption properties of different lithofacies in transitional facies shale of Shanxi Formation
硅质黏土质页岩相滞后回环与典型H3型接近,兼有H4型特征（图9b）,表明该岩相的孔隙主要由纳米孔组成,且结构具有一定的无规则（无定形）孔特征,颗粒内部孔结构具有平行壁的狭缝状孔特征,且含有多形态的其他孔,狭缝状孔与黏土矿物的片状结构特征有关[38-39]。黏土质页岩相滞后回环呈H3型,兼具H2型回线特征（图9c）,结合扫描电镜观察结果,反映该岩相不仅发育狭缝状黏土矿物层间孔,同时也发育一定数量的裂缝型、新月形有机孔[40]。钙质硅质（或硅质钙质）页岩相则同时兼具H1、H3型回线特征（图9d）,表明狭缝型黏土矿物层间孔较发育,同时发育圆柱形有机孔,孔隙形态呈开放状态。
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根据BET模型计算不同页岩岩相样品的比表面积（表1）,硅质页岩相样品比表面积仅为0.68 m²/g,硅质黏土质页岩相的比表面积介于2.38~5.38 m²/g,平均为3.89 m²/g；钙质硅质（或硅质钙质）页岩相的比表面积介于2.89~5.04 m²/g,平均为4.01 m²/g；黏土质页岩相比表面积最高,为8.49~10.50 m²/g,平均为9.07 m²/g。BJH模型计算出的总孔容显示,本区
图 10 研究区山西组
Figure 10. Correlations between surface area, total pore volume and fractal dimension in transitional facies shale of Shanxi Formation
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研究区
图 11 研究区山西组
Figure 11. Distribution of pore size diameter in transitional facies shale of Shanxi Formation
图 12 研究区山西组
Figure 12. Correlations between pore size diameter, surface area, and total pore volume in transitional facies shale of Shanxi Formation
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富有机质页岩中孔隙类型复杂,因此页岩储层中微—纳米孔隙发育特征受沉积成岩作用、矿物组成、有机碳含量、有机质热演化程度等因素的综合控制。然而区内
前人研究认为,TOC是控制龙马溪组海相页岩孔隙结构的主要因素,有机质为总孔隙贡献了大量微孔、介孔,而黏土矿物等其他矿物类型主要控制了介孔、宏孔的发育[4-5,7-10]。通过对研究区山23亚段海陆过渡相页岩孔隙结构参数与TOC、黏土矿物含量的相关性分析发现,TOC与比表面积、总孔容的相关性不明显,与分形维数D1之间呈微弱负相关（判定系数R2为0.31）,与D2之间也存在明显反向关系（判定系数R2为0.58）,表明TOC对构成比表面积、总孔容主体的微孔、小孔径介孔发育无明显控制作用（图13）。从芜湖地区龙潭组、川东地区龙潭组、黔西北地区龙潭组、湘中地区龙潭组、北美Atoka页岩等海陆过渡相页岩研究实例来看[35,42-44],伴随陆源植物碎屑大量注入而富集的镜质组、惰质组,可以使得硅质页岩相、硅质黏土质页岩相的TOC呈现高值（大于2%）,但即使在成熟度适宜的条件下,其内部并不发育有机孔,而是在内部与边缘发育一些收缩成因微裂缝（图7i）。本区硅质页岩相、硅质黏土质页岩相中,可见大量高等植物碎屑（图4f）,但未见海相生物碎屑,有机质组分由镜质组、惰质组构成（图4g）；黏土质页岩相中虽未见明显的植物碎屑,但显微组分鉴定表明其有机质也由镜质组、惰质组构成（图5d）,这两种有机组分的大量存在,导致上述岩相中TOC虽然大于2%,但对孔隙结构的改善不明显。同时,镜质组、惰质组及其周缘微裂缝较发育,生烃期形成的天然气沿微裂缝运移,也会导致有机孔变小甚至闭合（图6a）。而在钙质硅质（硅质钙质）页岩相和黏土质页岩相中可以观察到内部发育大量气泡状有机孔的腐泥组有机质,其周缘不发育微裂缝（图6e）,生烃期形成的天然气随即在有机孔中赋存,导致有机孔保存好,腐泥组的大量存在导致这两类岩相孔隙结构明显优于其他岩相。
图 13 研究区山西组
Figure 13. Correlations between TOC, clay content, surface area, total pore volume and fractal dimension in transitional facies shale of Shanxi Formation
相比海相页岩,研究区
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（1） 鄂尔多斯盆地东缘山西组
（2） 钙质硅质（或硅质钙质）页岩相在有机孔形态、连通性和发育程度等方面表现最优,其次是黏土质页岩相,而硅质页岩表现最差；无机孔、微裂缝在各岩相均较为发育。比表面积、总孔容主要贡献来自微孔（<2 nm）和小孔径介孔（3.4~4.8 nm）,大孔径介孔（4.8~50 nm）与宏孔（>50 nm）的贡献也十分明显。
（3） TOC和成熟度与孔隙结构参数相关性差,对孔隙结构控制作用不明显。硅质与硅质黏土质页岩相中有机显微组分为镜质组,有机孔形态、连通性、发育程度均较差,钙质硅质（或硅质钙质）页岩相、黏土质页岩相中可观察到腐泥组,是发育有机孔的有效组分,有效有机显微组分是控制孔隙结构的重要因素。
Pore Structure and Controlling Factors of Different Lithofacies in Transitional Shale: A case study of the Shanxi Formation S h a n 2 3
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摘要: 鄂尔多斯盆地东缘山西组
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Key words:
- transitional shale /
- pore structure /
- controlling factors /
- lithofacies /
- Shanxi Formation /
- eastern Ordos Basin
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图 2 研究区山西组
Ⅰ.黏土质页岩相；Ⅱ.硅质黏土质页岩相；Ⅲ.钙质黏土质页岩相；Ⅳ.硅质页岩相；Ⅴ.钙质硅质页岩相；Ⅵ.硅质钙质页岩相；Ⅶ.钙质页岩相；Ⅷ.硅质岩相；Ⅸ. 碳酸盐岩相
Figure 2. Triangular diagram of lithofacies division of transitional facies shale in Shanxi Formation
Fig.2
图 3 研究区山西组
Figure 3. Correlations between shale constituents and TOC content of transitional facies shale in Shanxi Formation
Fig.3
图 4 研究区山西组
（a）硅质页岩相中发育少量暗色富有机质泥质纹层,A井,2 301.02~2 301.14 m；（b）硅质页岩相微观特征,A井,2 301.02 m（单偏光）；（c）硅质页岩相中,有机质赋存在石英颗粒之间,A井,2 301.02 m（SEM）；（d）硅质黏土质页岩相中粉砂质纹层与暗色含有机质泥质纹层频繁互层,C井,2 123.20 m；（e）硅质黏土质页岩相纹层结构微观特征,C井,2 123.20 m（正交光）；（f）硅质黏土质页岩相中可见大量植物碎屑,C井,2 123.20 m；（g）有机质类型为镜质组,硅质页岩相,A井,2 297.59 m
Figure 4. Macroscopic⁃microscopic petrological characteristics of siliceous shale lithofacies and siliceous⁃argillaceous shale lithofacies in Shanxi Formation
Fig.4
图 5 研究区山西组
（a）黏土质页岩相,A井,2 300.45 m；（b）黏土质页岩相层理不发育,A井,2 289.00 m（单偏光）；（c）灰黑色黏土质页岩相微观特征,A井,2 274.00 m；（d）有机质类型为镜质组,黏土质页岩相,A井,2 274.00 m；（e）黑色钙质硅质页岩相,无植物碎屑,A井,2 297.00 m；（f）硅质钙质页岩,水平层理发育,见介形虫、海绵骨针等生物碎屑,A井,2 297.00 m（单偏光）；（g）有机质类型可见腐泥组,呈无定形体,钙质硅质页岩相,A井,2 297.00 m
Figure 5. Macroscopic⁃microscopic petrological characteristics of argillaceous shale lithofacies and calcareous⁃siliceous shale lithofacies in Shanxi Formation
Fig.5
图 6 研究区山西组
（a）硅质页岩相,A井,2 290.6 m（SEM）；（b）硅质页岩相,A井,2 291.71 m（SEM）；（c）硅质黏土质页岩相,A井,2 281.50 m（SEM）；（d）黏土质页岩相,A井,2 281.00 m（SEM）；（e）钙质硅质页岩相,A井,2 294.10 m（SEM）；（f）白框内放大,钙质硅质页岩相,A井,2 294.10 m（SEM）
Figure 6. SEM images of organic pores in transitional facies shale of Shanxi Formation
Fig.6
图 7 研究区山西组
（a）C井,2 162.08 m（SEM）；（b）C井,2 162.08 m（SEM）；（c）C井,2 149.00 m（SEM）；（d）C井,2 161.23 m（SEM）；（e）A井,2 281.50 m（SEM）；（f）C井,2 170.90 m（SEM）；（g）A井,2 290.60 m（SEM）；（h）A井,2 281.00 m（SEM）；（i）A井,2 290.60 m（SEM）
Figure 7. SEM images of inorganic pores and microfractures in transitional facies shale of Shanxi Formation
Fig.7
图 8 研究区山西组
Figure 8. NMR T2 spectra of different lithofacies in transitional facies shale of Shanxi Formation
Fig.8
图 9 研究区山西组
Figure 9. N2 gas adsorption properties of different lithofacies in transitional facies shale of Shanxi Formation
Fig.9
图 10 研究区山西组
Figure 10. Correlations between surface area, total pore volume and fractal dimension in transitional facies shale of Shanxi Formation
Fig.10
图 11 研究区山西组
Figure 11. Distribution of pore size diameter in transitional facies shale of Shanxi Formation
Fig.11
图 12 研究区山西组
Figure 12. Correlations between pore size diameter, surface area, and total pore volume in transitional facies shale of Shanxi Formation
Fig.12
图 13 研究区山西组
Figure 13. Correlations between TOC, clay content, surface area, total pore volume and fractal dimension in transitional facies shale of Shanxi Formation
Fig.13 表 1 研究区山西组
样号 井号 深度/m 页岩岩相类型 TOC/% 硅质矿物/% 黏土矿物/% 比表面积/（m2/g） 总孔容/（cm3/kg） 有机孔占比/% 无机孔占比/% 微裂缝占比/% D1 D2 1 A 2 290.71 钙质硅质页岩相 1.14 53.00 32.00 4.98 13.00 31.30 55.40 13.30 2.70 2.55 2 A 2 292.10 钙质硅质页岩相 6.22 70.00 23.00 5.04 14.00 34.80 59.10 6.10 2.70 2.40 3 A 2 293.08 钙质硅质页岩相 8.57 69.00 27.00 2.89 9.00 32.90 58.40 8.70 2.67 2.24 4 A 2 294.89 硅质钙质页岩相 6.51 28.00 32.00 3.12 11.00 31.80 57.20 11.00 2.69 2.24 5 A 2 296.34 黏土质页岩相 0.27 9.00 91.00 8.49 17.00 28.60 46.30 25.10 2.75 2.60 6 A 2 300.50 硅质黏土质页岩相 1.84 28.00 62.00 5.38 14.00 26.50 58.80 14.70 2.71 2.51 7 A 2 297.40 硅质黏土质页岩相 7.45 44.00 55.00 2.38 8.00 24.30 56.90 18.80 2.67 2.48 8 A 2 297.78 硅质页岩相 6.01 61.00 37.00 0.68 3.00 24.80 63.20 12.00 2.59 2.21 9 A 2 299.00 硅质黏土质页岩相 2.02 46.00 49.00 3.90 13.00 26.40 57.50 16.10 2.67 2.54 10 B 2 118.70 硅质黏土质页岩相 1.05 46.00 50.00 3.34 5.00 23.80 56.80 19.40 2.67 2.59 11 B 2 123.30 硅质页岩相 2.90 53.00 42.00 5.03 5.00 25.70 58.70 15.60 2.75 2.60 12 B 2 124.40 硅质页岩相 1.54 51.00 49.00 3.89 5.00 22.90 58.70 18.40 2.72 2.57 13 B 2 149.00 硅质页岩相 6.21 67.00 32.00 3.48 4.00 23.80 63.20 13.00 2.71 2.59 14 B 2 154.65 硅质页岩相 1.76 46.00 44.00 5.48 6.00 24.50 62.50 13.00 2.75 2.59 15 B 2 156.60 硅质页岩相 1.33 22.00 26.00 5.06 5.00 23.80 58.60 17.60 2.75 2.62 16 B 2 157.50 硅质页岩相 1.53 44.00 42.00 5.09 6.00 26.20 59.30 14.50 2.75 2.57 17 B 2 161.23 硅质黏土质页岩相 1.91 37.00 48.00 7.16 7.00 25.20 56.80 18.00 2.81 2.59 18 B 2 162.08 硅质页岩相 1.66 36.00 38.00 5.54 6.00 25.70 59.40 14.90 2.77 2.59 
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