李子元

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

1 頁巖物性和孔隙結(jié)構(gòu)模型

巖石的孔滲測(cè)試和孔隙結(jié)構(gòu)均是基于一定物理模型開展的，這些物理模型是對(duì)實(shí)測(cè)物性數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，基于不同的模型所得出的結(jié)果及其所代表的地質(zhì)意義存在較大的差別，因此，針對(duì)不同特點(diǎn)的巖石選擇合適的巖石物性和孔隙結(jié)構(gòu)模型是巖石的孔滲和孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試和結(jié)果解釋的基礎(chǔ)和依據(jù)。

1.1 頁巖的巖石物理模型

在對(duì)巖石孔隙度進(jìn)行測(cè)定之前需要明確巖石孔隙空間的定義，這就需要建立一定的巖石物理模型。根據(jù)GRI標(biāo)準(zhǔn)(RP40)，認(rèn)為頁巖的巖石物理模型由基質(zhì)部分和孔隙空間兩大部分組成(見圖1左圖)。其中基質(zhì)部分體積包括非粘土礦物基質(zhì)體積，如石英、長石等礦物，干燥狀態(tài)的粘土體積，粘土表面的吸附水體積和毛管束縛水體積，以及有機(jī)質(zhì)體積四個(gè)部分?？紫犊臻g體積包括有效孔隙孔體積和閉孔隙體積兩部分，有效孔隙度則針對(duì)連通孔體積部分。頁巖中連通孔隙空間內(nèi)一般含有自由態(tài)的油、氣、水三相流體。目前孔隙度測(cè)試方法主要都是針對(duì)這部分有效孔隙體積進(jìn)行測(cè)量的。

圖1 GRI巖石物理模型(左)和改進(jìn)后的巖石物理模型(右)(據(jù) Raymond J.Ambrose)

Raymond J.Ambrose認(rèn)為，現(xiàn)行的 GRI巖石物理模型并不適用于含氣頁巖的實(shí)際情況，因?yàn)楹瑲忭搸r中普遍存在的有機(jī)質(zhì)和粘土礦物具有很強(qiáng)的吸附烴類氣體的能力，這部分吸附氣也占用了一部分連通孔隙空間，并且通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)這些單層或多層吸附的氣體分子所占的體積是不可忽視，對(duì)最終儲(chǔ)量評(píng)價(jià)具有很大的影響。因此，在新的巖石物理模型中，自由連通的孔隙體積并不包括氣體吸附層所占有的體積(見圖1右圖)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在吸附能力較小的頁巖中，采用改進(jìn)后的模型得到的游離氣含量減少了14.2%，總氣量減少了11.6%;而在吸附能力較大的頁巖樣中游離氣含量則可減少30.2%，總氣量減少17.1%?？梢姡捎貌煌膸r石物理模型可以得到具有不同意義的物性參數(shù)。

因此，在對(duì)實(shí)測(cè)物性參數(shù)的實(shí)際地質(zhì)意義進(jìn)行解釋時(shí)，頁巖巖石物理模型的建立是關(guān)鍵。有關(guān)巖石孔隙度參數(shù)的測(cè)試和應(yīng)用必須在一定的巖石物理模型框架下進(jìn)行。巖石物理模型可以根據(jù)實(shí)際測(cè)試條件和研究需要進(jìn)行修改，以獲得符合不同研究目的需要的，最可靠和真實(shí)的物性參數(shù)。

1.2 頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)模型

孔隙結(jié)構(gòu)是指不同類型孔隙空間的總和及其相互關(guān)系，孔隙結(jié)構(gòu)模型是人為建立的一系列關(guān)于孔隙類型和分布關(guān)系的假設(shè)，是分析解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的依據(jù)。根據(jù)孔隙空間與樣品外表面的連通關(guān)系可以把孔隙分為閉孔(見圖2，a)和開孔兩大類。其中開孔按照孔隙終端特征又可分為盲孔(見圖2，b，f)和通孔(或內(nèi)連孔)(見圖 2，c－e－c，c－e－d)兩類。前者只有一端與外表面相通，后者則孔隙兩端都與外表面相通，當(dāng)多孔相連時(shí)則為內(nèi)連孔通。閉孔是注入法和氣體吸附法所不能探測(cè)到的孔隙類型，在其相應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)模型中不予考慮，但閉孔對(duì)樣品體密度等參數(shù)有重要影響。開孔為孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試中的有效孔隙，是孔隙結(jié)構(gòu)模型的表征主體。此外，因樣品表面粗糙不規(guī)則所形成的孔隙空間雖然在本質(zhì)上也屬于盲孔(見圖2，g)，但一般只當(dāng)孔隙深度大于開口寬度時(shí)才作為孔隙考慮，即包含于樣品表面封套體積內(nèi)的外表面孔隙(見圖3)。孔隙的幾何形態(tài)也是結(jié)構(gòu)模型參數(shù)計(jì)算中需要設(shè)定的重要前提，具有不同形狀的孔隙空間最終均可簡化為三類:孔壁平行且狹長的狹縫孔、橫截面為圓形的圓柱孔以及頸窄肚闊的“墨水瓶”孔(見圖 2，b)或“漏斗型”孔(見圖2，d)。孔隙結(jié)構(gòu)模型中可以對(duì)狹縫孔和圓柱孔在孔徑與表面積、孔體積之間建立定量關(guān)系，而“墨水瓶”孔則只能通過測(cè)試實(shí)現(xiàn)定性識(shí)別，一般不作為孔隙結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中的孔隙類型。

但是，在頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)際研究中，人們發(fā)現(xiàn)上述模型的應(yīng)用也存在一定的局限性。由于頁巖主要由片狀的粘土礦物組成，具有彎片狀幾何形態(tài)的孔隙空間最為常見，所以很難區(qū)分傳統(tǒng)意義中的孔隙和孔喉。另一方面，頁巖中發(fā)育的孔隙直徑一般均在納米級(jí)，通常最大孔徑的粒間孔也在幾百納米左右，比常規(guī)砂巖的孔喉直徑(2微米)還要小。所以鑒于頁巖孔隙之間較差的連通性和較強(qiáng)的非均一性，需要采用新的模型以弱化連通孔隙或孔喉的概念。根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)基于氣體吸附理論的孔隙分類，可以把頁巖中發(fā)育的所有類型的孔隙空間按孔徑大小劃分為三大類:孔徑小于2納米的為微孔，孔徑介于2到50納米之間的為中孔，孔徑大于50納米的統(tǒng)稱大孔。這些不同孔徑范圍的孔隙空間相互組合，構(gòu)成了頁巖大孔－中孔－微孔復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(見圖4)。此類模型中的孔徑特別指圓柱孔的圓截面直徑或狹縫孔平行孔壁之間的距離。這種通過孔徑大小表征孔隙空間特征的孔隙結(jié)構(gòu)模型，不僅簡化了頁巖中各種類型孔隙的連通關(guān)系，最重要的是它能夠更好的反映孔徑與孔隙中流體的流動(dòng)機(jī)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如當(dāng)孔徑大小與氣體平均分子直徑的數(shù)量級(jí)相當(dāng)時(shí)，流體的流動(dòng)機(jī)制由常規(guī)儲(chǔ)層中的達(dá)西流向滑脫流轉(zhuǎn)換，又如微孔結(jié)構(gòu)直接控制頁巖的氣體吸附能力。但是在這種模型中，沒有對(duì)孔徑大于50納米的孔隙進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，不便于實(shí)際應(yīng)用中對(duì)頁巖大孔孔隙的研究。因此，孔隙結(jié)構(gòu)模型的選取應(yīng)根據(jù)研究的需要和目的決定，而不同的孔隙結(jié)構(gòu)模型則對(duì)應(yīng)不同原理的測(cè)試方法。

圖2 孔隙類型分類

圖3 不規(guī)則表面上的外表面孔隙

2 頁巖物性和孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試方法

2.1 定性測(cè)試方法

在直接觀測(cè)孔隙結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu)觀察方法中，普通光學(xué)顯微鏡的觀測(cè)精度已不能滿足頁巖的研究要求，目前主要采用電子顯微技術(shù)。目前國內(nèi)外應(yīng)用于頁巖微觀研究最多的是掃描電子顯微鏡(SEM)，提高掃描電鏡成像分辨率的關(guān)鍵是降低樣品表面的電荷聚集效應(yīng)，方法主要包括對(duì)觀測(cè)樣品表面進(jìn)行增強(qiáng)導(dǎo)電性處理以及拋光處理，或降低掃描電鏡自身所需的激發(fā)電壓等。巖石樣品往往要在其表面噴金膜或鍍碳膜以增強(qiáng)導(dǎo)電性，而對(duì)富有機(jī)碳的頁巖樣品不推薦鍍碳處理以防止其與樣品自身的碳元素相混淆。目前針對(duì)易碎頁巖樣品的拋光多采用較為溫和的普通氬離子拋光技術(shù)。

普通氬離子拋光技術(shù)是在常規(guī)打磨拋光面上再次進(jìn)行離子減薄以獲得更為平整的樣品表面，樣品面積一般不超過1厘米×1厘米，沿層面將其打磨成0.1毫米左右厚度的薄片后再放入離子拋光機(jī)中進(jìn)行離子減薄。如圖5，頁巖樣品層面垂直氬離子束切割方向放置，一部分區(qū)域受鉑片遮擋未遭受離子束減薄作用，而相鄰區(qū)域則被離子束在垂直層面方向向下減薄至一定厚度，因此兩個(gè)區(qū)域交界處就形成了一個(gè)階步，它既是一個(gè)平行于離子切割方向的拋光平面，也是垂直于頁巖樣品層理方向的一個(gè)剖面。階步的高度可通過拋光時(shí)間控制，一般在微米級(jí)。拋光后的樣品噴金后在掃描電鏡即可找到拋光后的階步并對(duì)其做進(jìn)一步的微觀觀測(cè)，在背散射模式下(BSEM)分辨率一般可達(dá)4～5納米。此種拋光方法可以有效防止傳統(tǒng)拋光中因顆粒人為破壞缺失而在拋光面上形成的假孔，拋光更精細(xì)，相應(yīng)耗時(shí)較長，常需幾個(gè)小時(shí)。

圖4 大－中－微孔復(fù)合型

采用電子顯微鏡觀測(cè)法對(duì)頁巖進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)研究具有觀測(cè)結(jié)果直觀、操作方法簡易的特點(diǎn)，可以很好的識(shí)辨頁巖中發(fā)育的孔隙類型及其結(jié)構(gòu)特征。通過掃描電鏡觀測(cè)到的孔徑大小其實(shí)是孔隙三維空間在某一二維平面上的投影，面孔率參數(shù)不能代表樣品的實(shí)際孔隙度。另一方面，對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的頁巖來說，電子顯微鏡的取樣點(diǎn)大小相對(duì)其他測(cè)試方法要小的多，微米級(jí)的點(diǎn)觀測(cè)的方式有時(shí)不能體現(xiàn)整體的物性結(jié)構(gòu)特征，而只是對(duì)微米－納米級(jí)局部巖石物理結(jié)構(gòu)的放大。綜上所述，電鏡觀測(cè)法可以對(duì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定性－半定量研究，利用面孔率推算所得孔隙度只具有相對(duì)意義，不能定量表征樣品孔隙度大小。

圖5 普通氬離子拋光示意圖

2.2 定量測(cè)試方法

2.2.1 排汞法

在孔隙度的測(cè)量中，只要獲得樣品的骨架體積(Vg)或骨架密度(ρg)、表觀體積(Vb)或表觀體積密度(ρb)、孔隙體積(Vp)或比孔容(Vc)這三組參數(shù)中的任意兩組即可按定義計(jì)算出孔隙度。

由于頁巖具有吸濕性，常規(guī)的排水法測(cè)表觀體積已不再適用。排汞法基于阿基米德浮力原理，采用非潤濕相汞，適用于頁巖巖石樣品表觀體積的測(cè)量，根據(jù)操作規(guī)程的差異可分為兩種，一種方法通過計(jì)算樣品頂部進(jìn)入汞池4～5 mm深度時(shí)的汞的質(zhì)量變化和溫度參數(shù)，選用相應(yīng)的汞密度計(jì)算排汞體積即為樣品的表觀體積。另一種方法原理類似，采用體積泵直接讀出樣品的排汞體積，這種方法比較迅速，但是樣品需要進(jìn)入汞面以下50 mm的深度，對(duì)應(yīng)有1 psi(6.9 kpa)的壓力，可能會(huì)導(dǎo)致汞分子與樣品微表面的完全貼合，而且可能會(huì)有汞進(jìn)入樣品的大孔，這都會(huì)使測(cè)試所得的體積小于真實(shí)表觀體積。此外，樣品浸入過程若帶有氣泡則會(huì)使測(cè)得表觀體積偏大。排汞法要求要求樣品必須為規(guī)則的小巖心柱，體積至少在10cm3以上，一般為直徑在2.54～3.81 cm，長度2.54 cm或3.81 cm以上的圓柱體。圓柱體表面必須光滑，不能有裂縫、坑洞等。排汞法測(cè)頁巖表觀體積并不適用于不規(guī)則樣品的測(cè)試，并且對(duì)樣品常造成污染，不利于其他相關(guān)測(cè)試的進(jìn)行。排汞法只能測(cè)試樣品表觀體積，需要與其他測(cè)試方法結(jié)合才能獲得孔隙度參數(shù)，具有一定局限性。

2.2.2 脈沖衰減法

滲透率是衡量多孔介質(zhì)中允許流體通過的能力的參數(shù)。滲透率的類型劃分有很多種形式。根據(jù)測(cè)試樣品中含有的流體相的種類(如油－水)可分為有效滲透率、絕對(duì)滲透率和相對(duì)滲透率。目前在頁巖滲透率測(cè)量中主要還是針對(duì)單相流體的絕對(duì)滲透率。根據(jù)滲流方向與巖石層理的關(guān)系可劃分為垂直層理方向的垂直滲透率和平行層理方向的平行滲透率，對(duì)于層理發(fā)育的頁巖來說，滲透率的各向異性是不能忽視的。根據(jù)滲透率測(cè)試探針的類型滲透率可分為液測(cè)滲透率和氣測(cè)滲透率。在低孔低滲的頁巖中，采用氣體測(cè)得的滲透率要大于常規(guī)的液測(cè)滲透率，這是由于氣體滑脫現(xiàn)象的存在。

由于頁巖的孔滲性極差且遇水易膨脹，基于達(dá)西流原理的常規(guī)液體滲透率測(cè)試方法或穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法已不再適用。非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減法是目前最為適用的頁巖滲透率測(cè)試方法，采用氦氣作為測(cè)試氣體，可以同時(shí)測(cè)得頁巖的孔隙度和滲透率兩個(gè)物性參數(shù)值。

脈沖衰減法測(cè)試滲透率的工作原理為:首先給巖芯施加一個(gè)孔隙壓力，然后通過巖芯傳遞一個(gè)壓差脈沖，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄巖芯兩端的壓力差、下游壓力和時(shí)間，并由軟件繪制出壓差和平均壓力與時(shí)間的對(duì)數(shù)曲線，軟件通過對(duì)壓力和時(shí)間數(shù)據(jù)的線性回歸計(jì)算滲透率。通過改變孔隙壓力進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，即可采用常規(guī)方法計(jì)算克氏滲透率。測(cè)試滲透率范圍在0.000 01～10 md。測(cè)試系統(tǒng)使用較高的孔隙壓力以加快測(cè)試速度，并且采用很小的壓差以減少非達(dá)西流態(tài)的影響。測(cè)試過程中也可以通過巖心夾持器施加一定圍壓以模擬儲(chǔ)層實(shí)際壓力條件。測(cè)試的難點(diǎn)在于小巖心柱的鉆取，要求其規(guī)格與巖心夾持器必須能夠完全貼合才能保證不出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象以致影響測(cè)試結(jié)果。但是，在巖心的實(shí)際鉆取過程中，會(huì)產(chǎn)生許多的人工微裂縫，這些裂縫對(duì)滲透率的測(cè)試具有很大影響。滲透率的測(cè)量值與應(yīng)力變化之間具有良好的線性關(guān)系，證明了樣品中微裂縫的存在。

這種測(cè)試所需的測(cè)試時(shí)間短，精度高，并且可以同時(shí)獲得覆壓孔隙度。但是無法反映樣品的孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)特征。

2.2.3 核磁共振技術(shù)

核磁共振技術(shù)(NMR)可以應(yīng)用于泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)和物性測(cè)試中，包括孔隙度、滲透率及其孔徑分布。通過改進(jìn)譜分析方法，由馳豫數(shù)據(jù)可得頁巖孔隙度，擬毛細(xì)管壓力曲線或是巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維成像。核磁共振技術(shù)可以應(yīng)用于對(duì)巖心的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定也可以應(yīng)用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)井。相較于其他物性測(cè)試方法，核磁共振不受巖性影響且對(duì)樣品無破壞性，可以在樣品不完整的情況下進(jìn)行滲透率測(cè)量。NMR所測(cè)為總孔隙度，包括閉孔隙的體積，比實(shí)驗(yàn)室氣體流動(dòng)飽和技術(shù)，如氦氣氣測(cè)孔隙度的結(jié)果要大。由核磁共振T2譜經(jīng)校正得到擬毛細(xì)管壓力曲線雖然不能與壓汞實(shí)測(cè)孔喉分布完全吻合，但可以反映更加全面的孔隙信息。NMR物性參數(shù)的分析結(jié)果與粉碎巖樣分析結(jié)果相比具有很大差別，而基于成像分析的孔徑分布與NMR結(jié)果有很好的一致性。

2.2.4 CT 成像掃描

CT成像掃描也是一種很好的無損物性結(jié)構(gòu)測(cè)試方法。其原理為通過X射線獲得樣品的密度，同時(shí)對(duì)基質(zhì)和孔隙流體進(jìn)行成像，根據(jù)物質(zhì)密度在三維空間的成像可以清楚的辨別樣品內(nèi)部的孔隙空間和相互關(guān)系，對(duì)孔隙連通情況和孔隙內(nèi)流體分布特征具有很好的反映。目前已有高精度的微米級(jí)CT掃描應(yīng)用于頁巖孔隙結(jié)構(gòu)研究中。但受目前國內(nèi)測(cè)試條件限制，只能采用醫(yī)用CT成像儀，雖操作簡單，但成像分辨率不能達(dá)到頁巖研究要求。

2.2.5 中子 －X射線衍射法

中子－X射線衍射法通過對(duì)1～2 mm厚的巖石薄片進(jìn)行小角度中子衍射(SANS)和X射線衍射(SAXS)，根據(jù)測(cè)試射線穿過巖石薄片后射線的衍射角和衍射波長參數(shù)以及一定孔隙幾何形狀的計(jì)算模型得到巖石孔徑的大小和分布特征，可測(cè)孔徑范圍一般在1～100納米。目前已有學(xué)者成功采用中子－X射線衍射法對(duì)頁巖樣品進(jìn)行了孔隙結(jié)構(gòu)研究，并且其孔徑分布特征與氮?dú)馕椒ㄋ媒Y(jié)果具有較好的一致性。此種方法能夠測(cè)試的孔徑范圍有限，并且不能對(duì)比表面、孔體積、孔隙度和滲透率等物性結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量測(cè)試，應(yīng)用領(lǐng)域具有局限性。

3 結(jié)語

(1)頁巖的巖石物理模型中吸附氣也占用了一部分連通孔隙空間，頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)模型根據(jù)頁巖中發(fā)育的孔隙空間按孔徑大小劃分為三大類:微孔、中孔和大孔。

(2)對(duì)富有機(jī)碳的頁巖樣品進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)前應(yīng)進(jìn)行氬離子拋光。頁巖物性的各種定量測(cè)試方法都有各自的適用性和局限性，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況加以選擇和綜合。

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