王濡岳，胡宗全，董 立，高 波，孫川翔，楊 滔，王冠平，尹 帥

[1.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石化 河南油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 鄭州 450046；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；4.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065]

隨著油氣勘探理論與技術(shù)的不斷進(jìn)步，非常規(guī)油氣的勘探開(kāi)發(fā)不斷取得新的突破?！绊?yè)巖革命”使美國(guó)實(shí)現(xiàn)了能源獨(dú)立，并一躍成為油氣出口國(guó)，改變了全球能源、經(jīng)濟(jì)乃至地緣政治格局。涪陵頁(yè)巖氣田的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著中國(guó)頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)取得重大突破。目前，中國(guó)已在四川盆地建成涪陵、長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)和昭通3個(gè)海相頁(yè)巖氣示范區(qū)。2019年全國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)154×108m3，揭示了南方海相頁(yè)巖巨大的頁(yè)巖氣資源潛力。

頁(yè)巖氣源、儲(chǔ)一體的成藏特征使儲(chǔ)層表征與評(píng)價(jià)成為選區(qū)評(píng)價(jià)、甜點(diǎn)預(yù)測(cè)、開(kāi)發(fā)方案部署與實(shí)施的重要參考依據(jù)。近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)展了大量研究，對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題的研究進(jìn)一步深入并取得了豐富的成果[1-9]。然而，隨著中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷推進(jìn)，現(xiàn)有儲(chǔ)層表征評(píng)價(jià)內(nèi)容、方法與技術(shù)手段的針對(duì)性、準(zhǔn)確性和適用性已無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。因此，本文在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣儲(chǔ)層表征評(píng)價(jià)技術(shù)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了巖相劃分與預(yù)測(cè)、礦物組分、孔隙結(jié)構(gòu)、可壓裂性及多尺度/手段聯(lián)合方法等頁(yè)巖氣儲(chǔ)層表征評(píng)價(jià)技術(shù)與進(jìn)展，總結(jié)梳理各技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，針對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)條件與勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層表征評(píng)價(jià)技術(shù)及相關(guān)研究未來(lái)的發(fā)展方向提出若干思考與建議。

1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層表征評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)展

頁(yè)巖儲(chǔ)層具有富有機(jī)質(zhì)、富粘土、細(xì)粒、強(qiáng)非均質(zhì)性、特低孔滲、納米級(jí)孔喉、高比表面積、成巖改造與油氣賦存狀態(tài)復(fù)雜等特征，使頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)內(nèi)容、方法與手段有別于常規(guī)儲(chǔ)層。頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)主要包括巖相類(lèi)型與分布、礦物組成、有機(jī)質(zhì)(類(lèi)型、豐度和成熟度)、孔隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層物性和可壓裂性等方面。本文立足中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐，著重介紹頁(yè)巖巖相、礦物組分、孔隙結(jié)構(gòu)、可壓裂性和多技術(shù)融合評(píng)價(jià)等方面最新技術(shù)與研究進(jìn)展。

1.1 巖相劃分與預(yù)測(cè)

1.1.1 巖相劃分

巖相劃分是頁(yè)巖儲(chǔ)層研究的基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要通過(guò)礦物組成、沉積構(gòu)造、生物化石、有機(jī)質(zhì)含量、測(cè)井響應(yīng)特征和地震屬性等資料進(jìn)行巖相劃分。鄭和榮等[10]對(duì)中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖巖相進(jìn)行了劃分，認(rèn)為巖相的發(fā)育受海平面升降、古陸、海底地形、物源供給等因素影響。王志峰等[11]依據(jù)水動(dòng)力條件、巖石組分、粒度、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、生物遺跡和化石組合等指標(biāo)，分析了不同巖相與有機(jī)質(zhì)富集的對(duì)應(yīng)關(guān)系。彭勇民等[12]根據(jù)巖性組合、炭質(zhì)含量和硅質(zhì)含量3類(lèi)關(guān)鍵標(biāo)志，將四川盆地五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖巖相進(jìn)行了標(biāo)定與精細(xì)劃分，在生產(chǎn)中取得了良好應(yīng)用效果。趙建華等[13]和吳藍(lán)宇等[14]根據(jù)礦物組成、沉積構(gòu)造和生物組成等特征，對(duì)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖及其優(yōu)勢(shì)巖相進(jìn)行了劃分。Hu等[15]對(duì)四川盆地五峰組-龍馬溪組巖相開(kāi)展了系統(tǒng)研究，并依據(jù)巖相分布規(guī)律預(yù)測(cè)了頁(yè)巖巖相甜點(diǎn)的分布?？傮w而言，隨著頁(yè)巖巖相研究的不斷深入，巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)也逐步明確，巖相分類(lèi)指標(biāo)由簡(jiǎn)至繁再至簡(jiǎn)，最終應(yīng)落腳到對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)作用及實(shí)際可操作性上。

1.1.2 巖相預(yù)測(cè)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，灰色關(guān)聯(lián)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法被廣泛用于石油工業(yè)巖相識(shí)別中。Chang[16]等采用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行了頁(yè)巖的巖相識(shí)別，Wang和Carr[17]運(yùn)用多類(lèi)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)Marcellus頁(yè)巖巖相進(jìn)行了劃分。蔣裕強(qiáng)等[18]利用TOC+礦物組成，對(duì)威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖巖相進(jìn)行了劃分并利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行了巖相預(yù)測(cè)。Wang等[19]利用直井、水平井資料與概率趨勢(shì)體約束對(duì)焦石壩地區(qū)頁(yè)巖巖相進(jìn)行了三維地質(zhì)建模，具有一定應(yīng)用前景(圖1)。與地質(zhì)學(xué)巖相劃分相比，巖相預(yù)測(cè)尺度較大、精度較粗，反應(yīng)頁(yè)巖巖相的各類(lèi)地球物理參數(shù)的響應(yīng)特征及其選取與判別標(biāo)準(zhǔn)仍有待進(jìn)一步深化。加強(qiáng)地質(zhì)學(xué)巖相劃分與地球物理巖相預(yù)測(cè)的融合度是未來(lái)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

圖1 四川盆地焦石壩地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組三維巖相預(yù)測(cè)模型[19]

1.2 礦物組分分析

頁(yè)巖礦物組分是影響頁(yè)巖儲(chǔ)層品質(zhì)的重要因素。目前，針對(duì)頁(yè)巖礦物組分的分析手段主要包括顯微鏡下鑒定、紅外光譜、電子探針、拉曼光譜、X射線衍射分析(XRD)、X射線熒光光譜分析(XRF)和能量色散X射線光譜(EDX)等方法。微觀尺度上，礦物定量分析電鏡(如FEI公司QEMSCAN和BRUKER公司QUANTAX EDS等儀器)將掃描電鏡(SEM)與X射線能譜儀(EDS)相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)和圖像處理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦物組成、粒度、形態(tài)及其連生關(guān)系等方面的定量分析(圖2)。將礦物定量分析電鏡與二維大尺寸背散射圖像拼接技術(shù)(MAPS)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)巖心至微觀不同尺度孔隙與礦物分布表征[20]。

圖2 川東下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖QEMSCAN分析結(jié)果

元素俘獲能譜測(cè)井技術(shù)可以定量分析儲(chǔ)層的硅、鐵、硫、鉀、鈦、釓、鋁、鎂等元素占比，定量計(jì)算礦物百分含量(粘土礦物、石英、碳酸鹽、黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)等)。20世紀(jì)末，斯倫貝謝推出了ECS(Elemental Capture Spectroscopy)測(cè)井儀。2009年，哈里伯頓和貝克休斯相繼推出了GEM(Geochemical logging)和FLS(Formation Lithology Spectrometer)測(cè)井儀。2012年，斯倫貝謝改進(jìn)增強(qiáng)了ECS測(cè)井儀，研制了高分辨率巖性掃描成像測(cè)井儀Litho Scanner。2012年，中國(guó)石油推出了中國(guó)首套地層元素測(cè)井儀FEM。21世紀(jì)初，元素俘獲能譜測(cè)井技術(shù)引入到中國(guó)，在油田中得到廣泛應(yīng)用。隨著煤層氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣的興起，元素俘獲能譜測(cè)井在非常規(guī)油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中發(fā)揮了重要作用。

礦物組分分析與評(píng)價(jià)技術(shù)總體已較為成熟，但對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層，不同類(lèi)型頁(yè)巖礦物排列組合、接觸與膠結(jié)關(guān)系等方面存在差異，進(jìn)而影響頁(yè)巖層理、紋層發(fā)育情況與力學(xué)性質(zhì)，對(duì)頁(yè)巖的生排烴、油氣富集模式與可壓裂性均具有重要影響，而目前此方面研究程度較低，未來(lái)應(yīng)逐步深入研究并加強(qiáng)與地質(zhì)和地球物理等不同尺度方法技術(shù)的結(jié)合來(lái)更好地服務(wù)工業(yè)生產(chǎn)。

1.3 孔隙結(jié)構(gòu)

目前，針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要借鑒多孔介質(zhì)材料研究的相關(guān)技術(shù)手段，開(kāi)展頁(yè)巖孔隙的定性和定量研究。

1.3.1 孔隙結(jié)構(gòu)定性表征

高分辨率圖像分析技術(shù)是頁(yè)巖孔隙定性表征的主要手段，目前常見(jiàn)的有微米-納米CT、高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)、寬離子束掃描電鏡(BIB-SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、透射電鏡(TEM)和氦離子電鏡(HIM)等[6]。利用CT和FIB刻蝕技術(shù)獲得大量高分辨率圖片可實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層微-納米孔隙形態(tài)、大小和分布等可視化表征與定量計(jì)算(圖3)。

圖3 頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)可視化表征技術(shù)

Klaver等[22]和Curtis等[23]分別利用BIB-SEM和FIB-SEM技術(shù)對(duì)頁(yè)巖的孔隙形態(tài)、分布和連通性進(jìn)行了表征，認(rèn)為5 nm以下孔隙大量發(fā)育。劉偉新等[6]利用納米CT、FIB-SEM、TEM等技術(shù)對(duì)川東南龍馬溪組頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)及其連通性進(jìn)行了研究，提出了“納米孔儲(chǔ)集、粒緣縫連通、頁(yè)理縫滲濾”的頁(yè)巖氣流動(dòng)模型。

頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)具有多尺度特征(從納米級(jí)孔隙到微米級(jí)的微裂縫)，不同類(lèi)型孔隙連通性和潤(rùn)濕性差異明顯，使得納米孔隙中烴類(lèi)流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，表現(xiàn)出不同于常規(guī)油氣的運(yùn)移規(guī)律。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于致密儲(chǔ)層孔隙連通性的研究多基于數(shù)字巖心技術(shù)(微-納米CT、FIB-SEM等)、核磁共振(NMR)技術(shù)和小角中子散射技術(shù)。目前，通過(guò)流體注入(氙氣、二碘甲烷、熔融合金等)結(jié)合圖像識(shí)別的孔隙連通性分析技術(shù)逐漸應(yīng)用于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層[24-27]表征(圖4a—c)，具有一定的應(yīng)用前景。

微-納米級(jí)孔隙體系連通性和潤(rùn)濕性間的復(fù)雜關(guān)系影響了油氣在基質(zhì)孔隙及裂縫網(wǎng)絡(luò)體系中的運(yùn)移，導(dǎo)致了頁(yè)巖油氣初期產(chǎn)量的快速下降和較低的采收率。通過(guò)改變儲(chǔ)集巖潤(rùn)濕性可以改變控制基質(zhì)中流體流動(dòng)的阻力，從而提高油氣產(chǎn)量。自發(fā)滲吸法、接觸角測(cè)定法和核磁共振等測(cè)試方法相對(duì)簡(jiǎn)單快捷，應(yīng)用較為廣泛。具有親油性的微米級(jí)有機(jī)質(zhì)顆粒，常被包圍在親水性的礦物中，會(huì)形成頁(yè)巖獨(dú)特的“斑點(diǎn)狗”型潤(rùn)濕性特征[28]。劉向君等[29]對(duì)川南龍馬溪組頁(yè)巖潤(rùn)濕性的研究表明，頁(yè)巖表面整體具有混合潤(rùn)濕性，特別是巖石孔隙表現(xiàn)出不均勻的潤(rùn)濕性，認(rèn)為該現(xiàn)象主要與頁(yè)巖巖石組分的非均質(zhì)性和復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。楊銳[26]通過(guò)不同極性流體的潤(rùn)濕角實(shí)驗(yàn)和自吸實(shí)驗(yàn)分析了鄂西渝東地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖潤(rùn)濕性，并應(yīng)用不同流體的自吸和示蹤劑飽和擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)分析了頁(yè)巖孔隙的連通性(圖4d)，認(rèn)為親油孔隙具有更好連通性。

圖4 流體注入法頁(yè)巖孔隙連通性表征方法

1.3.2 孔隙結(jié)構(gòu)定量表征

孔隙結(jié)構(gòu)定量表征可以大體分為流體注入法和非流體注入法兩大類(lèi)。

1)流體注入法

流體注入法通過(guò)記錄不同壓力下頁(yè)巖內(nèi)流體的注入量，結(jié)合各類(lèi)理論模型，通過(guò)計(jì)算獲得頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。常用流體注入法包括高壓壓汞、氣體(CO2,N2和水蒸氣)吸附和He孔隙度測(cè)定法等[30-32]。高壓壓汞適用于表征中孔和宏孔，氣體吸附法對(duì)微孔和中孔的測(cè)量精度更高。因此，結(jié)合壓汞和氣體吸附的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)量方法能更加全面準(zhǔn)確地表征頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征[32-33](圖5)。中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所以6 nm為銜接點(diǎn)，將壓汞法與氣體吸附法結(jié)合并進(jìn)行歸一化銜接，對(duì)頁(yè)巖全孔徑孔隙分布特征進(jìn)行有效表征，并起草制定了《頁(yè)巖全孔徑分布的測(cè)定:壓汞-吸附聯(lián)合法》(NB/T 14008—2015)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使流體注入孔隙結(jié)構(gòu)表征方法得到進(jìn)一步規(guī)范與完善。

圖5 頁(yè)巖全孔徑定量表征方法示意圖

2)非流體注入法

非流體注入法目前常用技術(shù)主要包括核磁共振、小角和超小角中子/X射線散射技術(shù)等。

核磁共振技術(shù)主要依靠核磁共振信號(hào)強(qiáng)度分布特征分析孔隙結(jié)構(gòu)與流體特征，具有快速、無(wú)損、多參數(shù)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。利用流體弛豫時(shí)間T2與孔徑分布的相關(guān)關(guān)系可以總結(jié)出計(jì)算孔徑分布的經(jīng)驗(yàn)公式[34-35]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)核磁共振實(shí)驗(yàn)，對(duì)頁(yè)巖滲透性、潤(rùn)濕性和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[34-38]。舒志國(guó)等[34]利用核磁共振測(cè)井資料對(duì)焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖物性與孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，具有一定應(yīng)用效果(圖6)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)精度的提高，核磁共振技術(shù)將會(huì)在頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中得到更大的應(yīng)用。

圖6 四川盆地焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層核磁共振測(cè)井孔隙結(jié)構(gòu)分布[34]

小角度和超小角度中子/X射線散射技術(shù)(SANS/SAXS和USANS/USAXS)是表征多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)的有效手段。由于其具有測(cè)定范圍廣(0.5 nm～20 μm)、反映孔隙連通性、檢測(cè)快速無(wú)損等特征，近年來(lái)，該技術(shù)被引入表征煤和頁(yè)巖等致密儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，具有一定的應(yīng)用前景。Clarkson等[39]利用高壓壓汞、N2/CO2氣體吸附和SANS/USANS對(duì)北美多套頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)分析表明，SANS/USANS與N2/CO2氣體吸法對(duì)頁(yè)巖孔隙的測(cè)量結(jié)果具有較好一致性。此外，部分學(xué)者利用SANS/USANS和其他孔隙表征技術(shù)對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)、(親水)連通性和非均質(zhì)性等進(jìn)行了表征[39-43]，具有一定應(yīng)用前景。

需要指出的是，頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層敏感性較強(qiáng)，目前對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的表征方法，除測(cè)井方法較為接近地層原始條件外，其他室內(nèi)表征方法均面臨非原地狀態(tài)下溫壓和流體性質(zhì)的變化所引起的應(yīng)力釋放、礦物脫水等因素的干擾，無(wú)法準(zhǔn)確反映其原地條件下儲(chǔ)層特征。同時(shí)，樣品處理過(guò)程，如切割、脫水、拋光和流體注入等，均可導(dǎo)致頁(yè)巖樣品物理化學(xué)性質(zhì)的變化。如FIB鎵離子束顯微定點(diǎn)刻蝕樣品時(shí)，會(huì)向樣品內(nèi)注入一定量的鎵離子而導(dǎo)致樣品表面不同程度的非晶化[44]；而離子拋光過(guò)程離子束的轟擊產(chǎn)生的熱能會(huì)顯著增加有機(jī)質(zhì)的隨機(jī)反射率，并使輕質(zhì)有機(jī)揮發(fā)分迅速揮發(fā)而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)面孔率偏大[45]。因此，采用直接或間接方法開(kāi)展原地/原位條件下頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.4 可壓裂性

可壓裂性是頁(yè)巖儲(chǔ)層能夠被有效壓裂改造從而提高產(chǎn)出能力的性質(zhì)。頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性受脆性影響顯著，頁(yè)巖脆性越高，可壓性越好。目前頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中脆性評(píng)價(jià)通常使用巖石彈性力學(xué)參數(shù)與脆性礦物含量2種評(píng)價(jià)指標(biāo)[46]。脆性參數(shù)的獲取主要通過(guò)地球物理與力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。除礦物組分與彈性參數(shù)脆性評(píng)價(jià)方法外，其他學(xué)者也嘗試通過(guò)室內(nèi)壓痕實(shí)驗(yàn)、破裂面特征、巖石硬度、全應(yīng)力-應(yīng)變曲線等特征進(jìn)行巖石脆性指數(shù)的計(jì)算[47]。

礦物法和彈性參數(shù)法目前仍存在一定的缺陷。相比北美頁(yè)巖，中國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層存在巖相復(fù)雜、沉積環(huán)境多變和埋深變化大等特點(diǎn)，現(xiàn)有脆性評(píng)價(jià)方法雖然適用于北美海相頁(yè)巖，但其在中國(guó)的適用性仍有待進(jìn)一步研究。張晨晨等[47]利用三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析了圍壓對(duì)五峰組-龍馬溪組不同巖相頁(yè)巖脆性的影響，認(rèn)為礦物法對(duì)深層頁(yè)巖脆性適用性有所降低，不同巖相頁(yè)巖的力學(xué)脆性增強(qiáng)和減弱的臨界圍壓存在差異：硅質(zhì)頁(yè)巖大約在50 MPa，鈣質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖大約在20 MPa(圖7)。楊恒林等[48]和時(shí)賢等[49]利用納米壓痕技術(shù)對(duì)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖微觀脆性特征的研究結(jié)果表明，石英、白云石和黃鐵礦脆性最高，方解石和長(zhǎng)石次之，頁(yè)巖內(nèi)微孔/縫等缺陷、礦物膠結(jié)類(lèi)型和礦物分布的非均質(zhì)性導(dǎo)致了不同尺度下巖石力學(xué)性質(zhì)的不同(圖8)。

圖7 四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖力學(xué)脆性與圍壓關(guān)系[47]

圖8 四川盆地昭通地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖納米壓痕礦物彈性模量特征[48]

埋深對(duì)頁(yè)巖脆性具有重要影響，深層頁(yè)巖儲(chǔ)層在高溫壓條件下出現(xiàn)脆-延轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，頁(yè)巖脆性明顯低于淺層，加之較高的儲(chǔ)層應(yīng)力(及其差異系數(shù))，對(duì)井筒穩(wěn)定性與壓裂工藝要求更高。袁玉松等[50]對(duì)川東五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖脆-延轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行了研究，將頁(yè)巖巖石力學(xué)性質(zhì)縱向劃分為脆性帶、脆-延轉(zhuǎn)化帶和延性帶并提出了對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)流程(圖9)，認(rèn)為處于脆-延轉(zhuǎn)化深度帶的頁(yè)巖既具有較好的保存條件又兼具較好的可壓性，利于頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)。因此，結(jié)合不同地區(qū)、巖性頁(yè)巖的可壓裂性與脆延轉(zhuǎn)化帶分布，能夠?qū)陧?yè)巖氣富集與開(kāi)發(fā)的“甜窗”進(jìn)行有效劃分與評(píng)價(jià)[51]。

圖9 泥頁(yè)巖脆-延轉(zhuǎn)化帶確定方法流程[50]

目前，頁(yè)巖脆性研究主要集中在宏觀巖心尺度，而巖石內(nèi)部微裂隙、孔隙和紋層等微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀破裂影響顯著。Josh等[52]使用CT掃描對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中的交錯(cuò)層理、紋層等沉積構(gòu)造進(jìn)行了系統(tǒng)表征，探索了微觀結(jié)構(gòu)特征與頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。鐘建華等[53]和趙志紅等[54]借助宏觀破裂模式研究了頁(yè)巖發(fā)生宏觀破裂的微觀機(jī)理，在微觀尺度上對(duì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。分析微觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)宏觀破裂的影響，對(duì)頁(yè)巖脆性表征與評(píng)價(jià)具有重要意義。針對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣巖相復(fù)雜、沉積環(huán)境多變和埋深變化大等特點(diǎn)，除礦物組分和力學(xué)性質(zhì)外，還應(yīng)考慮儲(chǔ)層微觀孔縫結(jié)構(gòu)、巖石各組分膠結(jié)特征(膠結(jié)類(lèi)型與強(qiáng)度)及其對(duì)脆性的影響、造縫能力及裂縫開(kāi)啟/保持能力等因素。同時(shí)，海相深層頁(yè)巖與陸相富粘土質(zhì)頁(yè)巖的可壓裂性也有待進(jìn)一步研究。

1.5 多技術(shù)融合

頁(yè)巖儲(chǔ)層的復(fù)雜性使現(xiàn)有儲(chǔ)層表征評(píng)價(jià)內(nèi)容、方法與技術(shù)手段的準(zhǔn)確性、針對(duì)性和適用性已無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，學(xué)科與技術(shù)的交叉越發(fā)普遍，材料、醫(yī)學(xué)等學(xué)科相關(guān)技術(shù)的引進(jìn)與改良為油氣儲(chǔ)層研究提供了有效幫助。多尺度、多類(lèi)型儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)的融合成為頁(yè)巖儲(chǔ)層表征評(píng)價(jià)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

對(duì)于傳統(tǒng)砂巖儲(chǔ)層，孔級(jí)成像和建模是穩(wěn)健且實(shí)用的技術(shù)。Gerke等[55]將X-CT掃描和2D SEM成像技術(shù)融合對(duì)碳酸鹽儲(chǔ)層進(jìn)行建模，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)物性具有一定對(duì)應(yīng)性。Sinn等[56]利用BIB-SEM、能量色散X射線光譜分析(EDX)和毛細(xì)管建模(CTM)技術(shù)，對(duì)美國(guó)新澤西Newark盆地湖相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖滲透率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果吻合度較高，表明2D BIB-SEM技術(shù)不僅能夠定性表征頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)可以結(jié)合建模技術(shù)來(lái)計(jì)算非均質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的流體運(yùn)移性能。Wu等[57]利用微米-CT、FIB-SEM和HIM等技術(shù)表征頁(yè)巖多尺度孔隙結(jié)構(gòu)并提出了頁(yè)巖氣體運(yùn)移模擬方法，認(rèn)為模擬流程主要包括①微觀孔隙結(jié)構(gòu)與滲透率模型、②有機(jī)、無(wú)機(jī)等各類(lèi)孔隙的空間分布模型以及③包含孔縫系統(tǒng)的巖心尺度模型3個(gè)層次(圖10)，認(rèn)為多尺度成像方法和多級(jí)模擬可作為復(fù)雜多孔介質(zhì)中孔隙結(jié)構(gòu)和不同尺度下流體運(yùn)移模擬的有力手段。

圖10 頁(yè)巖儲(chǔ)層氣體運(yùn)移模擬流程[57]

頁(yè)巖油氣的開(kāi)發(fā)通常依靠水平井分段壓裂技術(shù)增產(chǎn)，現(xiàn)有的儲(chǔ)層改造監(jiān)測(cè)手段目前尚無(wú)法直觀反映人工裂縫的動(dòng)態(tài)形成過(guò)程。因此，儲(chǔ)層裂縫生長(zhǎng)理論與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)對(duì)提高非常規(guī)油氣儲(chǔ)層改造效果具有重要作用。Zhu等[58]結(jié)合X-CT、超聲波層析成像技術(shù)(UTT)和數(shù)值模擬，對(duì)頁(yè)巖水力壓裂裂縫進(jìn)行了表征，認(rèn)為與傳統(tǒng)X射線CT技術(shù)相比，該方法更為準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定和低廉。朱如凱等[59]和Renard等[60]將三軸壓縮變形實(shí)驗(yàn)與X-CT相結(jié)合，來(lái)表征巖石原位破裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)研究巖石受力破裂過(guò)程中的微觀-宏觀變化及其銜接過(guò)程具有重要意義(圖11)，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層演化和壓裂改造評(píng)價(jià)等方面具有參考借鑒意義。

隨著頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入與深層油氣資源的不斷動(dòng)用，查明原地條件下儲(chǔ)層發(fā)育特征是油氣勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微流控芯片技術(shù)現(xiàn)已引入到油藏模擬中，提供了一種獲取儲(chǔ)層物性參數(shù)和研究化學(xué)物質(zhì)與烴類(lèi)相互作用的新方法，其成本僅為傳統(tǒng)復(fù)雜巖心驅(qū)替試驗(yàn)的一半，具有廣闊運(yùn)用前景[61]。

目前多技術(shù)融合儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法處于探索階段，仍有較大改進(jìn)空間，但學(xué)科與技術(shù)的交叉融合往往催生新的理論創(chuàng)新與技術(shù)突破。相信經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)與完善，多類(lèi)型、多尺度儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)的深度融合將會(huì)在頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層表征與評(píng)價(jià)中發(fā)揮更大作用。

2 發(fā)展趨勢(shì)

2.1 技術(shù)精度、針對(duì)性進(jìn)一步提高

隨著儲(chǔ)層表征與評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展，頁(yè)巖儲(chǔ)層納米-微米尺度孔隙的進(jìn)一步精確化與定量化表征是未來(lái)重要發(fā)展趨勢(shì)。納米科學(xué)中其他領(lǐng)域技術(shù)手段與評(píng)價(jià)方法具有重要引進(jìn)意義，以氦離子電鏡、透射電鏡和納米壓痕為代表的新興技術(shù)具有進(jìn)一步應(yīng)用空間。與此同時(shí)，還應(yīng)注意到仍需不斷加強(qiáng)各類(lèi)技術(shù)與儲(chǔ)層研究需求的吻合性，提高技術(shù)應(yīng)用的針對(duì)性，有效排除其他干擾因素[44-45,62]。

2.2 多方法、多尺度評(píng)價(jià)技術(shù)深度融合

隨著非常規(guī)油氣的發(fā)展，油氣勘探尺度跨度已達(dá)納米-千米級(jí)，不同技術(shù)方法適用尺度具有局限性，尺度過(guò)大無(wú)法突出差異性與非均質(zhì)性，尺度過(guò)小則難以兼顧整體性與代表性。隨著科學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，多方法、多尺度的評(píng)價(jià)技術(shù)的融合是頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層表征與評(píng)價(jià)技術(shù)的重要發(fā)展方向。不同尺度孔隙成像、建模、機(jī)器學(xué)習(xí)[63]和3D打印[64]等技術(shù)的進(jìn)一步融合在頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中具有廣泛應(yīng)用空間。

2.3 (近)原地/原位條件儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)

頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層敏感性較強(qiáng)，地表?xiàng)l件下受應(yīng)力釋放、風(fēng)化等因素影響，室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果往往無(wú)法準(zhǔn)確反映其原地條件下儲(chǔ)層特征，頁(yè)巖氣富集與保存機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入研究與探討[6-9]。隨著頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入與深層油氣資源的不斷動(dòng)用，明確原地條件下儲(chǔ)層發(fā)育特征是頁(yè)巖油氣高效勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。因此，直接或間接方法的儲(chǔ)層原地/原位評(píng)價(jià)技術(shù)是表征強(qiáng)敏感性與非均質(zhì)性頁(yè)巖儲(chǔ)層在地下真實(shí)狀態(tài)的重要方法，也是未來(lái)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

2.4 2D-3D-4D結(jié)合，儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)

隨著儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展，頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)已由二維平面向三維可視化發(fā)展。頁(yè)巖儲(chǔ)層納米-微米級(jí)孔隙體系、復(fù)雜的礦物組成和油氣賦存狀態(tài)及較強(qiáng)的非均質(zhì)性與敏感性使我們對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的思路逐漸由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)。作為需要壓裂改造增產(chǎn)的“人造氣藏”，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造前后與勘探開(kāi)發(fā)不同時(shí)期/階段儲(chǔ)層特征及其變化規(guī)律對(duì)油氣田開(kāi)發(fā)方案的編制具有重要意義。如何將2D-3D-4D有機(jī)結(jié)合，對(duì)非常規(guī)(頁(yè)巖)儲(chǔ)層進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)是未來(lái)重要發(fā)展方向。

2.5 大數(shù)據(jù)油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，5G、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字貨幣和區(qū)塊鏈等技術(shù)與油氣行業(yè)間結(jié)合越發(fā)緊密，油田數(shù)字化程度不斷提高。數(shù)字化是一場(chǎng)由低油價(jià)推動(dòng)的管理變革和更加先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的大融合。咨詢(xún)公司伍德麥肯錫2018年11月的一份報(bào)告稱(chēng)，信息與數(shù)字化技術(shù)每年可幫助全球油氣上游行業(yè)節(jié)省750億美元[65]。挪威國(guó)家石油公司(Equinor)在油田數(shù)字化技術(shù)方面處于全球領(lǐng)先地位，其海上油田利用油氣數(shù)字技術(shù)在提高安全性、降低成本、提高產(chǎn)量和減少排放等方面取得了顯著成效[65-66]。方法與技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)信息的指數(shù)增長(zhǎng)，大數(shù)據(jù)時(shí)代如何處理與運(yùn)用好海量的信息是油田數(shù)字化與信息化需面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著油田數(shù)字化程度不斷提高，油氣勘探開(kāi)發(fā)各領(lǐng)域間聯(lián)系將更加緊密。隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)將與勘探開(kāi)發(fā)各領(lǐng)域緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效聯(lián)通與技術(shù)方法的不斷優(yōu)化與修正。

3 思考和建議

與北美地區(qū)相比，中國(guó)頁(yè)巖油氣具有其特殊性，具有發(fā)育層系多、形成時(shí)代跨度大、熱演化程度差異大、構(gòu)造期次多、構(gòu)造變形復(fù)雜、地應(yīng)力狀態(tài)與地表?xiàng)l件復(fù)雜和保存條件差異大等特點(diǎn)。針對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)條件與勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，提出以下幾點(diǎn)關(guān)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層表征技術(shù)與評(píng)價(jià)研究方面的發(fā)展建議。需要明確的是，技術(shù)只是方法手段，而方法只有服務(wù)于正確的指導(dǎo)思想，才能最大程度發(fā)揮作用。

3.1 沉積特征研究進(jìn)一步深入

細(xì)粒沉積學(xué)已成為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重要工具。沉積微相控制著頁(yè)巖油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，深化細(xì)粒沉積特征研究，對(duì)分析頁(yè)巖儲(chǔ)層沉積與演化過(guò)程、解釋頁(yè)巖油氣的差異富集機(jī)理和探明頁(yè)巖油氣的富集區(qū)域與層段具有重要意義[67]。目前的相關(guān)研究依然較為薄弱，主要集中于層序、沉積相(巖相)及地球化學(xué)等方面，尚不足以滿足中國(guó)頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)需求。因此，在研究?jī)?nèi)容上，需更豐富；在研究方法上，需更多樣；在研究尺度上，需更精細(xì)。深入開(kāi)展頁(yè)巖形成地球化學(xué)背景研究，全面了解頁(yè)巖的物質(zhì)組成，探索古環(huán)境與古地貌影響下頁(yè)巖沉積過(guò)程，更加精細(xì)地進(jìn)行沉積微相識(shí)別，分析不同沉積旋回對(duì)有機(jī)質(zhì)富集、油氣賦存和后期保存的影響，對(duì)南方海相與新區(qū)新領(lǐng)域頁(yè)巖油氣的勘探開(kāi)發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

3.2 從動(dòng)態(tài)、時(shí)空演化角度開(kāi)展儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

目前，頁(yè)巖儲(chǔ)層研究已取得長(zhǎng)足發(fā)展，并建立了包含有機(jī)地化、礦物組分、物性、含氣性、可壓裂性和保存條件等多類(lèi)參數(shù)評(píng)價(jià)方法。頁(yè)巖中不同類(lèi)型孔隙主體形成于不同成巖作用階段且成因類(lèi)型多樣。對(duì)于頁(yè)巖成巖與演化研究，目前仍處于探索階段，儲(chǔ)層演化及其縱橫向變化規(guī)律尚需在多精度與多尺度方面不斷深化?？紫堆莼?guī)律研究不僅要關(guān)注某一特定孔隙類(lèi)型或某一成巖階段，而需將所有孔隙在地史時(shí)期的形成、改造、破壞當(dāng)做一個(gè)整體，研究其在持續(xù)變化的地質(zhì)條件下的形成、演化與改造過(guò)程[68]。頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)不僅需要注重靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的結(jié)合，同時(shí)需要加強(qiáng)勘探與開(kāi)發(fā)實(shí)踐的結(jié)合和地質(zhì)工程一體化研究，加強(qiáng)儲(chǔ)層改造效果監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究，分析勘探開(kāi)發(fā)不同時(shí)期儲(chǔ)層特征及其變化規(guī)律，加強(qiáng)儲(chǔ)量動(dòng)用評(píng)價(jià)。加強(qiáng)不同地區(qū)儲(chǔ)層特征對(duì)比和規(guī)律總結(jié)，優(yōu)選關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而有效指導(dǎo)頁(yè)巖油氣的勘探開(kāi)發(fā)。

3.3 可壓裂性評(píng)價(jià)研究進(jìn)一步攻關(guān)

目前國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣脆性或可壓性評(píng)價(jià)方法多參考國(guó)外思路，并未針對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣特點(diǎn)，較少考慮儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)對(duì)頁(yè)巖脆性/塑性的影響?，F(xiàn)有的可壓裂性評(píng)價(jià)方法普遍存在一定的理論缺陷和應(yīng)用局限性，頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有待完善，尤其對(duì)于深層儲(chǔ)層與非海相頁(yè)巖儲(chǔ)層，礦物組成和巖石力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確地反映頁(yè)巖的可壓裂性。深層地應(yīng)力場(chǎng)、斷層、天然裂縫、溫度、壓力等因素對(duì)頁(yè)巖可壓裂性的影響仍不夠明確。與此同時(shí)，除礦物組分和力學(xué)性質(zhì)外，巖石各組分的膠結(jié)特征(膠結(jié)類(lèi)型與強(qiáng)度)及其對(duì)脆性、造縫能力及裂縫開(kāi)啟/保持能力的影響等因素在可壓裂性評(píng)價(jià)中都應(yīng)予以考慮。結(jié)合國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖脆性與可壓性評(píng)價(jià)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)，頁(yè)巖多尺度脆性表征、宏觀-微觀破裂/閉合機(jī)理及深層和陸相頁(yè)巖可壓裂性是下一步研究的重點(diǎn)方向。

3.4 加強(qiáng)技術(shù)融合、引進(jìn)與創(chuàng)新

目前國(guó)外海相頁(yè)巖儲(chǔ)層研究已較為系統(tǒng)，積累了大量經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。由于中國(guó)頁(yè)巖油氣地質(zhì)條件的特殊性，國(guó)外現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)手段仍無(wú)法滿足中國(guó)頁(yè)巖油氣高效勘探開(kāi)發(fā)的需要。對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層納米-千米級(jí)的研究尺度，不同研究尺度的技術(shù)方法間關(guān)聯(lián)度有待加強(qiáng)，加強(qiáng)地球物理、實(shí)驗(yàn)分析與儲(chǔ)層建模等技術(shù)不同尺度下的融合與銜接是未來(lái)重要發(fā)展方向。儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展與勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)際需求使頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的思路逐漸由地表轉(zhuǎn)向地下、靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)。原地儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等技術(shù)對(duì)原地儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)表征、儲(chǔ)量動(dòng)用評(píng)估和油氣資源評(píng)價(jià)意義重大，納米(材料、示蹤劑、芯片和機(jī)器人等)科技、3D打印和數(shù)字油田等新興技術(shù)同樣具有引進(jìn)意義與廣闊運(yùn)用空間。與此同時(shí)，在加強(qiáng)技術(shù)融合、引進(jìn)與消化吸收基礎(chǔ)上，提高自主創(chuàng)新能力，掌握關(guān)鍵核心技術(shù)，方可實(shí)現(xiàn)由追趕者向引領(lǐng)者的角色轉(zhuǎn)變。