黔北地区寒武系牛蹄塘组页岩作为我国南方海相页岩气勘探的重点层系,其储层改造效果受制于黏土矿物水化膨胀与温度应力耦合作用引发的孔隙结构非均质性演化。本研究通过水热模拟实验,结合去离子水和K⁺基压裂液反应介质,系统揭示了水化-热耦合作用对页岩孔隙结构及矿物组分的动态调控机制。实验采用场发射扫描电镜-能谱联用(FE-SEM/EDS)表征微区形貌,低温氮气吸附(BET/BJH模型)定量孔隙结构参数,并结合X射线衍射(XRD)分析矿物组分演化规律。主要取得以下认识: (1)温度梯度驱动页岩孔隙呈现阶段性演化特征。中低温阶段(20~100℃)以黏土矿物水化膨胀为主导,其晶层间距增大导致微孔体积减少,而膨胀应力诱导微裂缝扩展使介孔体积增加;方解石溶蚀释放的Ca²⁺与HCO₃^-结合形成次生溶蚀孔扩大孔隙体积。高温阶段(150℃)黏土矿物脱水收缩使微孔占比提升,但蒙脱石伊利石化及次生矿物胶结作用降低孔隙连通性;黄铁矿氧化生成酸性流体加速脆性矿物溶蚀,形成蜂窝状孔隙。 (2)压裂液作用时效差异显著影响孔隙改造效果。短期处理(72 h)以化学溶蚀主导,K⁺基压裂液组促使方解石与黄铁矿溶蚀速率提高,形成孤立溶蚀孔及介孔网络,总孔容增加。长期作用(120 h)触发次生矿物沉淀与胶结效应:去离子水组因赤铁矿与石膏沉淀导致平均孔径从回缩;K⁺基压裂液组则通过伊利石化胶结及微孔堵塞使孔隙体积缩减。 (3)K⁺通过物理与化学双重路径优化孔隙结构。物理路径上,K⁺凭借其低水化能置换蒙脱石层间阳离子,降低层间电荷密度(CEC值)以抑制黏土膨胀,减少微裂缝无序扩展的风险。在化学路径上,高温催化蒙脱石脱硅作用稳定层间结构。同时增强H⁺活性促进方解石与黄铁矿溶蚀,形成分支裂缝使孔隙连通性提升,实现协同增渗效果。 (4)矿物组分动态响应通过三条路径主导孔隙非均质性。黏土矿物转化路径中,蒙脱石伊利石化降低膨胀潜力,高岭石片状结构使孔隙弯曲度加剧;脆性矿物溶蚀路径导致形成蜂窝状孔隙扩大储集空间;次生矿物胶结路径导致有效孔隙体积缩减。矿物组分演化的时空差异性(如黏土相变滞后于溶蚀反应)是孔隙非均质性增强的核心机制。