王紅巖 周尚文 劉德勛 焦鵬飛 劉洪林

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心 3.中國石油非常規(guī)油氣重點實驗室

0 引言

頁巖由于富集油氣資源而突破了將其僅作為烴源巖和蓋層的傳統(tǒng)認識。頁巖氣具有自生自儲、大面積連續(xù)聚集的特征，主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于孔隙和裂縫當(dāng)中[1-5]。作為一種典型的非常規(guī)油氣資源，頁巖氣在我國已經(jīng)初步實現(xiàn)工業(yè)化開發(fā)[6-7]，2019年我國頁巖氣產(chǎn)量達到153h108m3。目前我國在頁巖氣地質(zhì)理論、開發(fā)方式和工程技術(shù)等方面都取得了較多的創(chuàng)新和較大的發(fā)展，其中頁巖氣地質(zhì)理論的創(chuàng)新為頁巖氣的勘探與評價奠定了重要的基礎(chǔ)[8-9]。

上述地質(zhì)理論的創(chuàng)新建立在頁巖氣實驗分析技術(shù)的進步與發(fā)展之上，實驗分析技術(shù)為頁巖氣的地質(zhì)“甜點”評價、地質(zhì)選區(qū)、儲量計算、水平井壓裂層段優(yōu)選及開發(fā)方案確定等提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)[10-11]。從2005年開始，我國科研人員圍繞中國南方海相地層開展了大量的頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作，2008年開展了鉆井評價工作[11-12]。通過地質(zhì)評價實驗，對頁巖的巖性、物性、含氣性、儲集性等進行了深入的分析，在頁巖沉積環(huán)境、儲層特征、富集高產(chǎn)主控因素等方面取得了較為豐富的認識[13]。在頁巖氣地質(zhì)評價中，頁巖氣實驗測試技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值。由于頁巖具有礦物組成復(fù)雜、微納米孔隙發(fā)育、氣體賦存狀態(tài)多樣等特點[14]，常規(guī)的油氣實驗技術(shù)并不完全適用，因而需要采用更加先進和精確的實驗技術(shù)對其樣品進行測試。為了滿足頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)研究和生產(chǎn)的需求，相關(guān)地質(zhì)評價實驗技術(shù)一直都處于不斷創(chuàng)新與發(fā)展之中[15]。

頁巖氣地質(zhì)評價中的關(guān)鍵參數(shù)（總有機碳含量、含氣量、熱演化成熟度、孔隙度、礦物組成等）均采用實驗技術(shù)手段獲取[16-18]。美國的頁巖氣實驗測試技術(shù)發(fā)展相對完善，如Weatherford、Corelab、Schlumberger等公司將其實驗體系主要分為氣體評價、地球化學(xué)、常規(guī)巖心分析、巖石學(xué)等幾大類。國內(nèi)學(xué)者主要從頁巖巖性、電性、物性、含氣性、脆性和地化特征等6個方面對頁巖氣儲層進行評價[19]。其中，在巖性、電性和脆性特征分析時，基本上沿用了常規(guī)油氣分析測試的技術(shù)和方法[20-21]。此外，頁巖含氣性和物性一直以來都是國內(nèi)外實驗測試技術(shù)研究的重點和發(fā)展的主要方向[22]。特別需要指出的是，由于頁巖中孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其儲集性特征也應(yīng)被納入頁巖氣地質(zhì)評價實驗體系之中[23]。

綜上所述，筆者在此將重點討論頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)、含氣性、物性等3類關(guān)鍵實驗測試技術(shù)的進展，分析上述實驗測試技術(shù)對于頁巖氣勘探開發(fā)產(chǎn)生的重大作用，并展望預(yù)測其未來的發(fā)展方向和趨勢，以期為我國頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)研究、實驗室建設(shè)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考和指導(dǎo)。

1 頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試技術(shù)

頁巖巖性致密，主要發(fā)育納米級孔隙[24]。從一定程度上來講，頁巖中大量有機質(zhì)納米孔的發(fā)現(xiàn)對于我國南方海相頁巖氣的勘探發(fā)現(xiàn)起到了重要的推動作用[14]。頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)是指頁巖各類孔隙的形狀大小和排列方向、孔縫連通情況以及孔隙與孔喉的配置關(guān)系等[24]。這些重要參數(shù)的確定將直接影響著對頁巖儲層儲集能力和滲流能力的判斷，進而影響對頁巖氣儲層的評價[25]。為了準(zhǔn)確評價頁巖氣儲層的儲集性，對頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究就必不可少[26]。隨著對非常規(guī)儲層特征研究的不斷深入，頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試技術(shù)日益完善。國內(nèi)外目前常用的實驗技術(shù)和方法主要分為兩類：掃描圖像分析技術(shù)和流體注入分析技術(shù)[27-31,25]，以下分述之。

1.1 掃描圖像分析技術(shù)

掃描圖像分析技術(shù)又分為圖像獲取技術(shù)和圖像處理技術(shù)[28]。目前主要是采用微米CT、納米CT和掃描電鏡等高分辨率掃描技術(shù)進行頁巖樣品的掃描成像，不同實驗技術(shù)所采用的樣品大小和分辨率有所不同：微米CT分辨率可達1 μm左右；納米CT分辨率可達50 nm左右；掃描電鏡分辨率最高可達1 nm左右[29]。特別是結(jié)合了離子束的掃描電鏡（FIBSEM），可以同時實現(xiàn)樣品的切割和成像，將掃描電鏡成像的范圍從二維拓展到了三維[30]。結(jié)合上述3種實驗技術(shù)，可以較全面的定性認識頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)[29-30,25]（圖1）。圖像處理技術(shù)是采用相關(guān)圖像處理軟件，進行孔隙的識別、分割和重構(gòu)，定量化地研究孔隙分布情況[31]； 包括孔隙的類型（有機孔、無機孔）、孔隙的大小、孔徑分布以及孔隙度（面孔率）。圖像處理技術(shù)的發(fā)展將孔隙表征從定性識別拓展到了定量分析。

圖1 頁巖三維圖像獲取和圖像處理成果照片

圖2 頁巖中大量發(fā)育的有機質(zhì)納米孔隙的鏡下照片

基于上述功能，大量研究成果表明：四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖主要發(fā)育有機質(zhì)納米孔隙[32-39]（圖2）。有學(xué)者細致觀察了不同形態(tài)、位置的有機質(zhì)以及發(fā)育的有機質(zhì)孔隙，認為有機質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)差異與有機質(zhì)所處環(huán)境相關(guān)，原始堆積下來的塊狀有機質(zhì)多發(fā)育不規(guī)則形態(tài)有機質(zhì)孔隙，遷移有機質(zhì)一般發(fā)育大量圓形有機質(zhì)氣泡孔[33]。有機質(zhì)賦存位置對有機質(zhì)孔隙的發(fā)育有著很大的影響，與黏土礦物交互生長的有機質(zhì)或充填在黃鐵礦晶間孔中的有機質(zhì)易發(fā)育大量有機質(zhì)氣泡孔隙[34]。黃鐵礦對有機質(zhì)納米孔隙的發(fā)育也具有促進作用[35-39]，其中草莓狀黃鐵礦在不同水深環(huán)境的晶體粒徑大小區(qū)別較大，平靜缺氧的深水陸棚相水體發(fā)育粒徑較小的草莓狀黃鐵礦集合體，含少量氧氣的湖相水體發(fā)育粒徑較大的草莓狀黃鐵礦集合體，淺水陸棚等動蕩水體黃鐵礦較少。草莓狀黃鐵礦發(fā)育大量晶間孔，為遷移有機質(zhì)提供了空間，同時對遷移有機質(zhì)裂解生成的有機質(zhì)氣泡孔起到了支撐作用，使其不易受到后期構(gòu)造作用的影響而變形。邱振等[40]研究發(fā)現(xiàn)，筆石體上發(fā)育大量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機質(zhì)，有機質(zhì)內(nèi)發(fā)育110 nm～1.7 μm的蜂窩狀大孔，占到筆石體面積的20%～50%，對頁巖氣儲集空間具有重要的貢獻，而且頁巖中呈疊加堆積式或紋層狀分布的筆石體能作為頁巖氣流動的優(yōu)勢通道。

隨著海陸過渡相和陸相頁巖氣勘探開發(fā)工作的展開，部分學(xué)者進行了海相頁巖、海陸過渡相頁巖和陸相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的對比分析[40-42]。研究認為：①海相頁巖主要發(fā)育有機質(zhì)納米孔隙，陸相頁巖大多發(fā)育狹縫狀原生粒間孔和晶間孔，而部分海陸過渡相頁巖則大多數(shù)發(fā)育無機礦物孔隙；②上述孔隙發(fā)育情況的差異性主要源于有機質(zhì)類型的不同。盡管對于有機質(zhì)納米孔隙的成因一直都存在著爭議，但是以下認識則比較一致：有機質(zhì)納米孔隙的發(fā)育情況受有機質(zhì)母質(zhì)來源的控制，熱演化程度決定了孔隙的演化行為，構(gòu)造作用是有機質(zhì)納米孔隙最終形狀的重要影響因素[43]。給場發(fā)射掃描電鏡加配上熱臺裝置后，可以研究不同熱演化程度下有機質(zhì)孔隙發(fā)育的過程。研究認為，有機質(zhì)納米孔隙形成與原油裂解產(chǎn)氣有關(guān)，并且原油裂解殘余瀝青的固化對有機質(zhì)氣泡孔的保存起到了支撐作用[44]。

利用圖像分析軟件對頁巖掃描電鏡圖像進行圖像處理，可以單獨提取孔隙、微裂縫、有機質(zhì)、黃鐵礦和其他礦物，并可以獲取孔隙數(shù)量、孔隙等效直徑和面積、有機質(zhì)和礦物顆粒面積等數(shù)據(jù)，進而計算面孔率、有機質(zhì)面積百分比和礦物顆粒面積百分比，定量分析頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征。近年來，許多學(xué)者運用 PerGeos[34]、Avizo[45]、ImageJ[46-51]、MatLab[52-53]、PCAS[54-55]和JMicroVision[56]等圖像分析軟件定量刻畫了四川盆地不同地區(qū)的有機質(zhì)微納米孔隙結(jié)構(gòu)及發(fā)育特征，也證明了有機質(zhì)孔隙為其主要孔隙類型。結(jié)合上述方法，分析了該盆地龍馬溪組龍一1亞段內(nèi)4個小層頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育差異（圖3）?；趫D像分析技術(shù)，從圖3可以看出其中龍一11小層的面孔率為最高、氣體保存條件較好，對于頁巖氣開發(fā)層位的優(yōu)選具有一定的指示意義。

隨著掃描圖像獲取設(shè)備和圖像分析軟件的不斷進步，對頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究也更加精細。但隨著研究的持續(xù)深入，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)方法仍存在著許多不足。二維圖像層面上，無法在掃描電鏡下直接識別有機質(zhì)顯微組分，確定有機質(zhì)類型。此外，如何將二維圖像獲取的微觀面孔率數(shù)據(jù)與宏觀孔隙度建立起聯(lián)系，目前仍然沒有較好的解決辦法。三維圖像層面上，重建的三維數(shù)字巖心屬于微米級別，三維切割需要大量時間，不能做到對一件樣品選取大量區(qū)域進行切割。因此如何確保選取的切割區(qū)域更具有代表性，仍然是目前亟待解決的重要問題。

1.2 流體注入分析技術(shù)

流體注入分析技術(shù)是指在一定溫度下對頁巖樣品注入流體，測量不同壓力下流體注入量，通過不同的模型方法定量表征頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[57]。目前主要采用高壓壓汞實驗、低溫N2吸附實驗和低溫CO2吸附實驗分別表征宏孔（大于50 nm）、中孔（介于2～50 nm）和微孔（小于50 nm）的孔徑分布特征[58-60]（圖4）。針對分別運用單種流體注入技術(shù)表征孔隙微觀結(jié)構(gòu)存在著孔徑尺度不一致的問題，進一步聯(lián)合上述3種流體注入分析技術(shù)，選取每一種技術(shù)可以表征的優(yōu)勢孔徑范圍，對頁巖全孔徑分布進行定量表征。

圖3 四川盆地龍馬溪組龍一1亞段內(nèi)4個小層頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育差異對比圖

圖4 高壓壓汞、低溫氮氣吸附、低溫二氧化碳吸附3種實驗方法測試的頁巖孔徑分布范圍對比圖

其中低溫N2吸附實驗的應(yīng)用范圍為最廣，可以根據(jù)吸附—脫附曲線形成的滯后環(huán)形狀判斷頁巖孔隙的形狀[61-62]，通過BET方程[63]和BJHAD方法[64]獲取比表面積和孔徑分布，定量表征頁巖的中孔孔隙結(jié)構(gòu)特征。近年來有學(xué)者對BJH方法獲取孔徑分布關(guān)系提出了質(zhì)疑[65-66]，認為基于中孔圓柱形孔隙模型的BJH方法進行孔徑分布關(guān)系計算時存在著誤差，提出采用非定域函數(shù)理論（NLDFT）獲取孔徑分布數(shù)據(jù)。Liu等[66]比較了BJHAD、BJHDE、NLDFT這3種方法獲取的孔徑分布數(shù)據(jù)，認為NLDFT方法更加準(zhǔn)確。但是NLDFT方法同樣受限于孔隙形狀模型的選取以及孔隙被包裹物質(zhì)的選?。ㄓ袡C碳和硅質(zhì)礦物）。戴方堯[67]認為運用相同的計算方法獲取不同實驗手段的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)更具有可對比性，利用低溫N2吸附法和低溫CO2吸附法獲取的中孔和微孔的NLDFT孔徑分布數(shù)據(jù)，對比分析了川東—湘西地區(qū)龍馬溪組頁巖與下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征，其結(jié)果較好地證明了龍馬溪組頁巖的孔隙比牛蹄塘組頁巖更發(fā)育、孔隙連通性也更好。

單獨研究一個孔徑區(qū)間范圍內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)特征比較片面，越來越多的學(xué)者聯(lián)合運用上述3種流體注入分析技術(shù)進行頁巖全孔徑分布特征分析[67-70]（圖5）。王哲等[47]對川南龍馬溪組頁巖和下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖進行對比，兩者孔容和比表面積的變化率均隨孔徑增大而減小，中孔和微孔提供主要的孔隙比表面積和孔體積，筇竹寺組頁巖的總孔容和總比表面積均小于龍馬溪組頁巖。何慶等[68]認為鄂西牛蹄塘組頁巖孔隙體積和比表面積主要由微孔和介孔提供，孔徑分布呈多峰型，介孔多分布在2～25 nm之間。趙迪斐等[69]研究表明鄂爾多斯盆地下二疊統(tǒng)山西組過渡相頁巖孔隙以中孔為主，孔隙形態(tài)多以平行板狀和墨水瓶狀孔隙為主。Zhou等[70]結(jié)合低溫N2吸附和低溫CO2吸附實驗，發(fā)現(xiàn)頁巖與煤巖的微孔結(jié)構(gòu)存在著很大的差別，頁巖中微孔比表面積僅占總比表面積的40%左右，而煤的微孔比表面積占到了總比表面積的99%以上。這也是頁巖吸附能力遠低于煤巖的重要原因。

圖5 基于高壓壓汞、低溫氮氣吸附、低溫二氧化碳吸附實驗確定的頁巖全孔徑分布特征圖

雖然聯(lián)合上述3種流體注入分析技術(shù)表征全孔徑分布特征的方法已經(jīng)得到了廣泛的運用，但仍存在著部分問題尚未解決。主要包括：①3種流體注入分析技術(shù)能表征的孔徑范圍均有重合部分，孔徑重合部分的孔隙如何選??？還沒有比較明確的方法；②目前中孔孔徑分布仍主要運用BJHAD方法獲取，有少量學(xué)者已經(jīng)開始運用NLDFT方法或其他方法進行對比，這些方法尚未規(guī)范統(tǒng)一；③流體注入分析技術(shù)大多以圓柱狀孔隙為模板進行測試，而頁巖中孔隙形狀多樣，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性還需進一步優(yōu)化。

1.3 筆者評述

以掃描圖像分析和流體注入分析兩大類技術(shù)為代表的頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試技術(shù)，在近些年取得了較大的進展，對于發(fā)現(xiàn)含納米孔隙的頁巖氣藏起到了重大的推動作用。對于掃描圖像分析技術(shù)，樣品大小和圖像分辨率之間存在著無法解決的悖論關(guān)系，雖然在一定程度上可通過拼圖等技術(shù)來擴大觀測視域，但僅能從平面上進行觀測，還無法解決樣品代表性的問題。未來需更加關(guān)注并解決不同掃描尺度上孔隙分析結(jié)果有機結(jié)合的問題。對于基于流體注入的頁巖全孔徑分布測試技術(shù)，測試方法已經(jīng)比較成熟；但在壓汞和吸附兩種實驗所采用的顆粒大小以及孔徑分布如何銜接等方面，目前的標(biāo)準(zhǔn)中還未明確指出。未來需進一步優(yōu)化樣品和數(shù)據(jù)處理方法，特別需要建立微孔（小于2 nm）孔徑分布的處理方法。

2 頁巖含氣性測試技術(shù)

頁巖的含氣性特征與常規(guī)油氣儲層也有著較大的不同，前者賦存有一定比例的吸附氣，我國南方海相頁巖中吸附氣的比例介于30%～50%[71]。為了定量確定頁巖含氣量的大小，需要對其吸附氣量和游離氣量兩個部分都進行準(zhǔn)確地測試。測試頁巖含氣量的方法主要可以分為：間接法和直接法[72]。間接法是指通過實驗分別測試吸附氣量和游離氣量，然后將兩者相加得到頁巖的總含氣量[73]。直接法是指通過現(xiàn)場取心及自然解析的方法，直接測試頁巖中的甲烷含量，將現(xiàn)場測試得到的解析氣、損失氣和殘余氣量相加得到頁巖的總含氣量[74]。目前在頁巖氣評價井測試中，國內(nèi)采用了直接法與間接法相結(jié)合的方法，在完成現(xiàn)場含氣量測試后，繼續(xù)在室內(nèi)開展等溫吸附等相關(guān)實驗，以便更加準(zhǔn)確地分析頁巖的含氣性。

2.1 現(xiàn)場含氣量測試技術(shù)

頁巖現(xiàn)場含氣量測試中的損失氣量無法測定，只能通過數(shù)學(xué)方法來進行估算，損失氣量的精確計算已成為確定頁巖總含氣量的重點和難點[75-79]。目前常用的損失氣量計算方法包括：USBM直線法[80-81]、多項式法[82]、Amoco曲線擬合方法[83-85]等。為了確定上述方法的準(zhǔn)確性與適用性，學(xué)者們已經(jīng)進行了一些對比研究（圖6）。Metcalfe等[86]進行煤巖含氣量測試的對比研究，認為Amoco曲線擬合方法估計的結(jié)果最為準(zhǔn)確，而USBM直線法和Smith-Williams方法則會低估損失氣量；Olszewski等[87]也得到了類似的結(jié)果；張群等[88]進行的含氣量模擬實驗表明，損失氣體的測量體積遠高于USBM直線法測量的體積。這些對比分析成果均表明，目前對于究竟哪一種方法的準(zhǔn)確性和適用性更高還尚未有定論。國內(nèi)目前通常采用直線法與二項式法這兩種方法相結(jié)合來進行頁巖損失氣量的估算，但究竟哪一種方法更準(zhǔn)確還需要進一步研究。

因此，對于現(xiàn)場含氣量測試技術(shù)，目前其測量誤差主要來源于損失氣量的計算。這是由于取心速度、計算方法、損失時間等多方面的因素所造成的。根據(jù)我國目前的頁巖氣井取心技術(shù)和水平，巖心鉆取的時間周期較長，不可避免地導(dǎo)致了損失氣量的增大，損失氣的比例可以占到總含氣量的40%～80%。這也是目前業(yè)內(nèi)對這一結(jié)果爭議較大的原因之所在。雖然不少學(xué)者提出了相應(yīng)的改進和優(yōu)化辦法[88-92]，但仍然難以解決目前損失氣量無法準(zhǔn)確獲取的問題。為了進一步增加含氣量測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，建議在損失時間和計算模型兩個方面加以深入研究。對于損失時間的確定，應(yīng)綜合分析孔隙壓力和鉆井液壓力的平衡條件，確定天然氣開始逸出的真正時間。此外，目前常用的損失氣量計算模型的理論基礎(chǔ)均是“單孔”擴散模型，但頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，孔徑分布范圍廣，“單孔”介質(zhì)的假設(shè)不成立。因此，應(yīng)綜合考慮頁巖的非均質(zhì)性和變邊界條件，建立更加適用的氣體擴散方程以及簡潔的損失氣量計算模型。

圖6 頁巖現(xiàn)場含氣量測試技術(shù)對比圖

為了解決目前損失氣量無法準(zhǔn)確計量的問題，可通過保壓取心方式盡量減小誤差。保壓取心過程中，地層壓力可得以較好的保存，頁巖中的氣體不會散失，損失氣量可以忽略。結(jié)合保壓取心技術(shù)和現(xiàn)場含氣量測試技術(shù)，可以直接測試頁巖中的總含氣量。2019年，中國石油非常規(guī)油氣重點實驗室采用基于保壓取心研發(fā)的含氣量測試儀，進行了云南昭通地區(qū)首口頁巖氣保壓取心井（YS151井）的含氣量測試，測試的總含氣量介于1.46～5.36 m3/t，其中游離氣量介于2.21～3.27 m3/t。與鄰井YS138井 （常規(guī)取心）現(xiàn)場測試結(jié)果的對比表明，兩者一致性較好；同時也證明了，對于常規(guī)取心方式而言，目前采用的二項式法計算損失氣含量是基本可信的。

2.2 高壓等溫吸附測試技術(shù)

由于我國南方海相頁巖儲層地層壓力普遍較高，為了更加精確地模擬地層條件下頁巖的吸附能力，目前主要采用高壓等溫吸附技術(shù)進行實驗測試[93-98]。根據(jù)實驗原理的不同，等溫吸附實驗方法可分為體積法[99-103]和重量法[104-105]。體積法通過精確計量吸附平衡過程中壓力的變化來計算吸附量，是一種間接測量方法，測試精度依賴于壓力傳感器的精度、自由空間體積的標(biāo)定以及氣體狀態(tài)方程的選取等[106]。而重量法則通過直接測量吸附平衡過程中樣品質(zhì)量的變化來計算吸附量，測試精度僅依賴于磁懸浮天平的精度。周尚文等[105]指出，為了滿足頁巖這種低吸附量測試的要求，對于體積法吸附儀，應(yīng)配置更高精度的壓力傳感器，以便于更準(zhǔn)確的計量容器內(nèi)壓力的變化；而對于重量法吸附儀，則應(yīng)配置更高精度的磁懸浮天平，以便于更準(zhǔn)確的測量吸附過程中樣品重量的變化。

圖7 頁巖高壓等溫吸附實驗結(jié)果及不同孔隙吸附量分析對比圖

此外，地層條件下的頁巖氣為超臨界氣體，超臨界吸附的等溫吸附曲線特征與亞臨界吸附相比有所不同[107-110]，在高壓下吸附量會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象已在大量學(xué)者的實驗中得到了證實（圖7）。Tian等[111]、俞凌杰等[112]、王玉普等[113]采用體積法或重量法進行頁巖等溫吸附實驗，均發(fā)現(xiàn)甲烷的吸附量會在10 MPa左右達到最大值，之后隨著壓力的增高，吸附量會出現(xiàn)下降。這主要是因為測試的吸附量為過剩吸附量，過剩吸附量反映的是甲烷吸附相密度與氣相密度之差。隨著壓力的增加，吸附相密度與氣相密度均增加，但吸附相密度增加較快。在一定壓力時，兩者密度之差會得到最大值，之后吸附相密度增加速度變慢，兩者密度之差會減小。這個過程在等溫吸附曲線上反映出來的就是甲烷在頁巖中的等溫吸附曲線并不會隨壓力的增加不斷上升直至穩(wěn)定在一個最大值，而是會在某一壓力下達到最大值。所以，若只是在低壓條件下開展等溫吸附實驗，則難以觀察到頁巖真實的等溫吸附曲線，因而會低估頁巖的吸附量。

為了進行地層條件下頁巖的吸附氣量計算，吸附模型的選取也是其中重要的一環(huán)。目前主要采用經(jīng)典Langmuir方程進行頁巖吸附氣量計算，但部分學(xué)者認為該模型是基于單層吸附建立的，對于頁巖這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)并不適合[114-118]。因此，大量學(xué)者開展了頁巖吸附模型的對比和優(yōu)選，并對于頁巖氣的吸附機理提出了相關(guān)認識。Chareonsuppanimit等[114]、盛茂等[115]、熊健等[116]、劉圣鑫等[117]改進了現(xiàn)有的SLD模型、Dubinin-Radushkevich（D-R）模型和Dubinin-Astakhov（D-A）模型，對實驗數(shù)據(jù)做出了較好的擬合。侯曉偉等[118]針對微孔和中孔吸附機理的差異性，建立了頁巖氣吸附新模型，認為在低壓階段，甲烷主要以微孔充填形式吸附于微孔內(nèi)；而在高壓階段，甲烷則主要以單層吸附形式賦存于中孔表面（圖8）?？梢钥闯觯罅繉W(xué)者已發(fā)現(xiàn)常用的Langmuir模型不適用于表征頁巖的等溫吸附曲線，并建立了多種模型來表征頁巖中甲烷的高壓吸附特征、過程與機理。但這些模型與Langmuir吸附模型相比都更為復(fù)雜、使用困難，目前行業(yè)內(nèi)在頁巖氣開發(fā)方案編制和儲量計算等方面依然采用的是更為簡潔的Langmuir方程。因此未來需要建立一種適用性更廣的頁巖氣吸附模型，以滿足頁巖氣行業(yè)發(fā)展的需要。

圖8 基于微孔充填和單層吸附的頁巖氣吸附機理示意圖

2.3 筆者評述

頁巖含氣性測試對于認識頁巖氣儲層具有非常重要的作用，含氣性的高低是判斷儲層好壞的一個基本標(biāo)準(zhǔn)。對于現(xiàn)場含氣量測試技術(shù)，解析氣的測試方法已經(jīng)比較成熟，但對于損失氣量的計算目前業(yè)內(nèi)還未建立一種考慮頁巖取心過程中溫壓變化的計算方法，目前采用的直線法或二項式法還需要進一步優(yōu)化。特別是對于深層頁巖氣儲層，取心時間進一步加長，更加需要解決損失氣量計算方法優(yōu)化的問題。對于等溫吸附技術(shù)，已針對體積法和重量法分別建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但兩個標(biāo)準(zhǔn)中對于數(shù)據(jù)處理的方法有所不同。未來需重點關(guān)注并解決兩種方法的可對比性和含水條件下吸附氣量測試的問題。

3 頁巖物性測試技術(shù)

頁巖的物性（孔隙度、滲透率）是評價頁巖氣儲量和產(chǎn)能的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響到頁巖氣儲層勘探層位的選取、資源潛力評價、可采儲量計算及有利區(qū)預(yù)測，因而精準(zhǔn)獲取相關(guān)參數(shù)對于頁巖氣的規(guī)模高效勘探開發(fā)至關(guān)重要。頁巖氣儲層孔隙度和滲透率雙低的特性致使其獲得精準(zhǔn)測定的難度大，如何優(yōu)化頁巖孔隙度和滲透率測試方法一直都是近年來研究的熱點、難點和重點。

3.1 頁巖孔隙度測試技術(shù)

頁巖孔隙度測試方法較多，主要包括氣測法（Gas Injection Porosimetry，縮寫為GIP）[119]、液測法（Water Immersion Porosimetry，縮寫為WIP）[120]和核磁共振法（Nuclear Magnetic Resonance，縮寫為 NMR）[121-122]。目前主要采用GRI（Gas Research Institute）法來測試頁巖的總孔隙度，采用氣測柱塞樣的方法來測試頁巖的有效孔隙度[123-125]。Sun等[119]討論了孔壓、擴散時間和顆粒大小對總孔隙度測量的影響，并給出了對應(yīng)的最優(yōu)測試條件。孫建孟等[126]利用核磁共振方法研究了顆粒粒徑對頁巖樣品孔隙度的影響，認為60目范圍內(nèi)的頁巖碎樣依然能準(zhǔn)確表征頁巖儲層本身的孔隙度。姜柏材等[127]探討了平衡時間對頁巖孔隙度測試結(jié)果的影響，建議柱狀樣品分析時間不低于4 000 s。楊巍等[128]對比認為柱體測定有效孔隙度方法優(yōu)于碎樣方法。蔣裕強等[123]也對比指出，不同實驗室或不同測量方法對同一樣品的孔隙度測量結(jié)果差異可達3倍，給儲層評價帶來了很大的困難。付永紅等[125]探討了干燥溫度、注入壓力和不同測試方法對孔隙度測量的影響，認為干燥溫度為110 ℃能有效去除游離水和束縛水，不會破壞孔隙結(jié)構(gòu)，氦氣法測量頁巖孔隙度的最佳注入壓力為2.0 MPa，同時氦氣法測量的孔隙度最為精確。綜上可以看出，目前國內(nèi)外不同實驗室測試頁巖時采用的方法和流程均有差異，已有學(xué)者進行了不同孔隙度測試方法的參數(shù)優(yōu)化和對比（圖9），但國內(nèi)目前還未建立統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了在頁巖氣地質(zhì)儲量計算時出現(xiàn)采用的方法不同和可比性較差等問題。

圖9 頁巖孔隙度測試方法對比分析圖

此外，基于本文1.1節(jié)所述的電鏡圖像分析技術(shù)，亦可進行頁巖孔隙度的分析。王依誠[129]、賈寧洪[130]和薛華慶[131]等聯(lián)合CT、FIB-SEM與圖像處理軟件等方法構(gòu)建了基于三維數(shù)字巖心的計算孔隙度精確測量方法。該方法得到的樣品孔隙度普遍大于氦氣法測量的孔隙度；但該方法也存在著樣品觀測區(qū)域是否具有代表性，以及如何將該孔隙度與柱塞孔隙度進行對比等問題，還需要做進一步的研究。

3.2 頁巖滲透率測試技術(shù)

頁巖滲透率測試技術(shù)包括脈沖衰減法（PDP）、壓力衰減法和核磁共振法（NMR）。壓力衰減法可以測量柱塞樣和顆粒樣品，柱狀樣品在制作過程中極易產(chǎn)生人工微裂縫，對滲透率測量影響顯著；巖屑樣品雖然消除了人工微裂縫的影響，但無法施加圍壓，不能測量頁巖在原位壓力下的滲透率。脈沖衰減法因理論完善，滲透率的測量范圍廣，近年來在國內(nèi)外頁巖氣儲層滲透率測量中得到了較廣泛的應(yīng)用[132]。曹成等[133]選用甲烷為脈沖衰減法測滲透率的氣體，對鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組7段（簡稱長7段）各種頁巖進行測試分析，認為甲烷測試滲透率低于氦氣測試滲透率，高于氮氣測試滲透率，但甲烷測試滲透率更能反映真實的滲流規(guī)律。任建華等[134]提出了一種改進的壓力衰減法，只需測量衰減壓差即可計算孔隙度和滲透率，并研究了不同溫度和圍壓對滲透率測試結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)溫度和圍壓的升高會使?jié)B透率測量值降低。核磁共振法是一種可以快速無損地測量頁巖滲透率的方法，但依賴于對計算模型的選取。周尚文等[135]以脈沖滲透率為參考標(biāo)準(zhǔn)，對比了4種核磁滲透率模型的相對誤差，認為擴展后的SDR模型更適用于頁巖核磁滲透率的計算，同時在SDR模型基礎(chǔ)上建立了單參數(shù)“T2g”模型。該模型能更準(zhǔn)確計算頁巖的核磁滲透率。

上述研究均運用同一種滲透率測試技術(shù)，分析頁巖樣品或?qū)嶒灉y量參數(shù)和計算模型對實驗結(jié)果的影響，尋找適合該滲透率測試技術(shù)的實驗參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計算模型，而對不同頁巖滲透率測試技術(shù)之間的對比研究則較少。不同的頁巖滲透率測試技術(shù)對樣品的選擇和實驗測試環(huán)境的要求不一，難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還需要進行深入的對比分析研究。

3.3 筆者評述

由于頁巖巖石特征的特殊性，頁巖物性測試技術(shù)與常規(guī)儲層物性測試技術(shù)之間存在著較大的不同。不同的孔隙度測試方法，其測試結(jié)果差異較大，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)中明確各種頁巖孔隙度測試方法的樣品處理和測試條件。在推薦孔隙度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還需要明確頁巖氣地質(zhì)儲量計算中應(yīng)采用的孔隙度測試方法。頁巖的滲透率測試嚴(yán)重依賴于樣品的鉆取及其方向，未來可試驗采用正方體進行滲透率測試，同時還可以評價層理對滲透率的影響。

4 結(jié)論與展望

隨著我國頁巖氣儲量和產(chǎn)量的不斷增加，對頁巖氣藏的地質(zhì)評價工作也在不斷地深入。只有通過不斷地優(yōu)化頁巖氣地質(zhì)評價實驗技術(shù)，才能夠滿足科研與生產(chǎn)的需求。在頁巖巖性、電性和脆性特征方面，基本沿用了常規(guī)油氣分析測試技術(shù)和方法，不需要針對性地去制定相應(yīng)的頁巖氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是在頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)、含氣性和物性測試這3個方面，國內(nèi)一直在努力發(fā)展更適用和更精確的實驗技術(shù)，國內(nèi)外差距正不斷縮小。

1）對于頁巖微納米孔隙結(jié)構(gòu)測試，目前已初步實現(xiàn)了由靜態(tài)表征向動態(tài)表征的轉(zhuǎn)化。通過改變溫度，在電鏡下可實現(xiàn)對不同熱演化程度下的頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進行動態(tài)觀測。這對于研究頁巖中孔隙的形成和演化機制具有重要的意義。但因為電鏡需保持高真空等原因，目前還無法實現(xiàn)地層壓力條件下的動態(tài)表征。此外，對于頁巖納米孔隙中的含水和含油狀態(tài)，目前還無法直接觀測，需要進一步結(jié)合透射電鏡和冷凍電鏡等技術(shù)對納米孔隙內(nèi)流體的原位賦存狀態(tài)進行精確表征。

2）對于頁巖含氣性測試，目前已初步建立了現(xiàn)場和室內(nèi)相結(jié)合的含氣性定量表征系列技術(shù)。通過對不同地區(qū)不同層位評價井的現(xiàn)場測試，明確了含氣性較好的有利區(qū)和有利層段。但對于如何確定損失氣量，業(yè)內(nèi)一直都存在著較大的爭議。特別是對于深層頁巖氣井，其取心時間更長、損失氣量準(zhǔn)確計算的難度更大，如何建立更適用的損失氣量計算方法是未來需要關(guān)注的重點問題。對于頁巖的吸附機理（單層或多層吸附）已提出一些認識和模型，但并未達成統(tǒng)一的認識。此外，還需重點關(guān)注頁巖在含水條件下吸附量減少的問題，進一步明確地層條件下頁巖的真實吸附能力。這對于頁巖氣儲量評價具有重要的意義。

3）對于頁巖物性測試，初步實現(xiàn)了多種方法結(jié)合的孔隙度和滲透率的測定。但不同實驗室采用的方法各異，導(dǎo)致測試結(jié)果的可比性較差。對于頁巖孔隙度的測試，需要進一步明確和統(tǒng)一測試方法、流程和條件，特別是在頁巖氣儲量計算中應(yīng)明確采用何種方法和條件進行孔隙度參數(shù)的獲取。

4）頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試技術(shù)的發(fā)展方向為結(jié)合溫度、壓力、水分等條件的動態(tài)性綜合表征。頁巖含氣性測試技術(shù)的發(fā)展方向為結(jié)合現(xiàn)場和室內(nèi)測試的高精度含氣量測試。頁巖物性測試技術(shù)的發(fā)展方向為高壓力條件下的原位測試。

5）為了推動上述關(guān)鍵地質(zhì)評價技術(shù)的發(fā)展，建議在頁巖大尺度高分辨率三維可視化表征、深層頁巖損失氣計算方法以及孔隙度測試方法優(yōu)化等方面開展深入研究，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和裝備，并制定或修訂相應(yīng)的實驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

6）隨著實驗儀器和分析技術(shù)在未來的進一步發(fā)展，上述關(guān)鍵實驗測試技術(shù)的發(fā)展將從靜態(tài)走向動態(tài)、從二維走向三維、從低壓走向高壓，最終將推動我國頁巖氣地質(zhì)評價實驗技術(shù)從借鑒走向引領(lǐng)，形成成熟的系列測試技術(shù)，為我國頁巖氣的勘探開發(fā)提供支撐。