李昊遠(yuǎn)

（西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710200）

致密油氣作為非常規(guī)油氣的重要組成，已成為全球石油石油勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。致密儲(chǔ)層多發(fā)育微納米級(jí)孔隙，儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)是研究非常規(guī)油氣的重要內(nèi)容。常規(guī)壓汞與孔滲分析等方法難以滿足要求。近年來(lái)，許多新的實(shí)驗(yàn)方法開(kāi)始應(yīng)用到致密砂巖儲(chǔ)層研究中，如氮?dú)馕郊夹g(shù)、核磁共振、恒速壓汞等[2]，氮?dú)馕郊夹g(shù)不僅可以獲取常規(guī)測(cè)試的參數(shù)而且可以獲取孔喉的幾何類型與比表面積、孔徑分布、孔隙體積等相關(guān)信息[3]。

研究區(qū)西峰地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部地區(qū)。上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組分為10 個(gè)油層組，其沉積特征反映了湖盆的演化過(guò)程[4]。長(zhǎng)8 儲(chǔ)層巖性主要是中—細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖與中—細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂，其平均孔隙度10.57%，平均滲透率0.195×10-3μm2屬于低滲致密砂巖儲(chǔ)層[2]。致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性需要用多種方法聯(lián)合表征，本文用氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)來(lái)表征200nm 以內(nèi)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[5]，分析不同的微觀孔隙的吸附—脫附曲線類型、比表面積、孔體積、孔徑類型來(lái)刻畫(huà)致密砂巖儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)[1-13]。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及分析方法

應(yīng)用低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)測(cè)定了來(lái)自于西峰地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8 致密砂巖的5 塊樣品（表1）。

本文實(shí)驗(yàn)分析在完成。實(shí)驗(yàn)儀器為，檢測(cè)溫度為25℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：取2 至3g 的巖石樣品粉碎至0.18 至0.25mm 粒徑裝入樣品管中，在110℃下進(jìn)行烘干，在真空環(huán)境下除去其他氣體成分；利用“靜態(tài)容量法”對(duì)試樣進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，在77K 的恒溫下，用99.999%的氮?dú)鈱?duì)樣品和儀器進(jìn)行充填并開(kāi)始測(cè)量，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得不同壓力下的氮?dú)馕搅颗c脫附量。通過(guò)氮?dú)馕搅俊⒚摳搅颗c氣體相對(duì)壓力的關(guān)系得到吸附與脫附等溫線。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T19587-2004《氣體吸附BET 法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》的規(guī)定，通過(guò)BET 方程計(jì)算獲得孔隙的比表面積，并根據(jù)孔徑分布與孔隙體積分布情況定量表征2 至200nm 的孔隙分布情況[9-10]。

表1 延長(zhǎng)組長(zhǎng)8 致密砂巖樣品測(cè)試結(jié)果

2 孔隙類型分析

在氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)中，隨著相對(duì)壓力的升高，氮?dú)鈿怏w逐漸吸附在毛細(xì)孔隙中，實(shí)驗(yàn)達(dá)到最大測(cè)量孔隙半徑后暫停；然后壓力下降，微納米孔中吸附的氮?dú)忾_(kāi)始解吸，壓力下降到某一半徑時(shí)，微納米孔中的氮?dú)忾_(kāi)始蒸發(fā)，當(dāng)凝結(jié)的壓力與蒸發(fā)時(shí)的壓力相同時(shí)，吸附曲線與脫附曲線重合；當(dāng)不同時(shí)，吸附等溫線與脫附等溫線錯(cuò)位，形成了回滯環(huán)。

圖1 IUPAC 的六種等溫吸附線

Single（1985）根據(jù)等溫曲線的曲線形態(tài)及回滯環(huán)的特征提出將氣體等溫線分成6 種類型（圖1a）。由于毛細(xì)凝聚的現(xiàn)象，等溫吸附曲線與脫附曲線錯(cuò)位，產(chǎn)生了吸附滯后的現(xiàn)象，長(zhǎng)8 段致密砂巖樣品屬于第IV 種類型。根據(jù)IUPAC 最近分類提出將IV 型等溫線分成四種類型，分別對(duì)應(yīng)了四種孔隙形態(tài)（圖2）。H1 與H2 型回滯環(huán)吸附等溫線有飽和吸附平臺(tái)，反映了孔徑分布較均勻，H1 屬于兩端都開(kāi)放的圓筒型，H2 屬于墨水瓶型；H3 型回滯等溫線沒(méi)有明顯的飽和吸附平臺(tái)，表明孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，形成似片狀顆粒組成的槽狀孔；H4 型等溫線較H3 進(jìn)一步呈現(xiàn)平緩趨勢(shì)，其孔隙形態(tài)夾縫孔。

圖2 IV 型四種等溫線類型

長(zhǎng)8 段致密砂巖樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。樣品的氮?dú)馕健摳角€都屬于H3 型，說(shuō)明儲(chǔ)集層大部分為槽狀孔隙。吸附回線形成的回滯環(huán)的范圍較窄，在相對(duì)壓力較高時(shí)（1＞P/P0＞0.8）快速升高，但是未出現(xiàn)飽和吸附的情況，而是發(fā)生了毛細(xì)凝聚的現(xiàn)象；相對(duì)壓力降低（0.8＞P/P0＞0.4），回滯環(huán)的寬度均較窄，呈現(xiàn)明顯的下凹形狀；相對(duì)壓力繼續(xù)下降（P/P0＜0.4），脫附等溫線與吸附等溫線不在分離。

圖3 延長(zhǎng)組長(zhǎng)6 段致密砂巖吸附—脫附曲線

3 比表面積、孔體積與孔徑的分布

通常情況下可以通過(guò)BET 公式只適合用于處理相對(duì)壓力（P/P0）在0.05 至0.3 之間的吸附數(shù)據(jù)。因?yàn)橄鄬?duì)壓力小于0.05 時(shí)，不能形成多層物理吸附；而相對(duì)壓力大于0.3 時(shí)，毛細(xì)凝聚的現(xiàn)象的出現(xiàn)又破壞了多層物理吸附。根據(jù)BET 公式（1）（2）可知，可以用P/V（P0-P）和作圖獲取一條直線，其直線的斜率為C-1/CVm，截距為1/CVm，借此求出常數(shù)C 和Vm。

將公式（1）變形為：

式中：P0為吸附溫度下的吸附質(zhì)飽和蒸汽壓，kPa；P 為平衡吸附氣壓力，kPa；Vm為單分子層飽和吸附量，mmol/g；V 為總吸附量，mmol/g；C為BET 方程常數(shù)。

由Vm可以算出固體表面鋪滿單分子層時(shí)所需的分子數(shù)。當(dāng)知道每個(gè)分子的截面積，就可以求出吸附劑的總表面積和比表面積。

式中：S 為比表面積，m2/g；Am為氮?dú)馕椒肿拥钠骄孛娣e，0.162nm2；NA為阿伏伽德羅常數(shù)，6.02×1023；Vm為單分子層飽和吸附量，mmol/g。

比表面積是指單位體積或質(zhì)量的物質(zhì)具有的表面積，針對(duì)氮?dú)馕蕉?，比表面積越大就意味著樣品的孔隙空間就越大，表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性（如表3），氮?dú)獾奈娇偭繒?huì)隨著比表面積的增大而增大；比表面積與物性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，滲透率的相關(guān)性很強(qiáng)（R2=0.87），與孔隙度的較為一半（RR2=0.73）。

表2 致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)吸附等溫線可以計(jì)算出孔隙體積與孔徑分布的特征，將平均孔隙直徑分為微孔（＜10nm）、中孔（10～50nm）、大孔（＞50nm），孔隙體積與各類型孔之間的相關(guān)性如表3 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，無(wú)論是占據(jù)主要主要空間的微孔或者中孔都沒(méi)有和孔隙體積有相關(guān)性，說(shuō)明致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜；孔隙體積與滲透率（R2=0.4）與孔隙度（R2=0.4）的關(guān)系均一般。

表3 比表面積和孔隙體積與物性關(guān)系

4 結(jié)論

1）根據(jù)吸附—脫附等溫線的形態(tài)，延長(zhǎng)組長(zhǎng)8 致密砂巖儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)為IUPAC的IV 中的H3 類型，孔隙類型主要為似片狀顆粒組成的槽狀孔。

2）比表面積分布范圍為2.00～5.65m2/g 比表面積越大，孔隙空間就越大，氮?dú)獾奈娇偭恳苍酱螅槐缺砻娣e總體上和物性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與滲透率的正相關(guān)性較強(qiáng)，與孔隙度具有一般的負(fù)相關(guān)性。

3）微孔與中孔占據(jù)了孔隙體積的76.79%～88.72%，但是沒(méi)有一種孔隙與體積呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明致密砂巖儲(chǔ)層孔隙類型發(fā)育復(fù)雜；孔隙體積與物性上整體呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，與滲透率和孔隙度正相關(guān)性一般，可能是由于氮?dú)馕綔y(cè)量范圍的原因。

4）綜合以上三點(diǎn)，致密砂巖儲(chǔ)層具有較高孔隙度但是未具有較高滲透率的原因在于微孔及中孔提供了儲(chǔ)存流體的空間并占據(jù)了大量的孔隙空間，但沒(méi)有與之對(duì)應(yīng)的大孔來(lái)提供滲流。