姚亞彬,張榮新,芮昀,張鳳生,譚玉涵,王成榮

(1.中國石油集團測井有限公司地質(zhì)研究院,陜西西安710077;2.中國石油集團測井有限公司企管法規(guī)處,陜西西安710077;3.浙江油田勘探開發(fā)一體化中心,浙江杭州310023;4.中國石油集團測井有限公司吐哈分公司,新疆哈密838202)

0 引 言

龍馬溪組海相頁巖富含有機質(zhì)、各種礦物類型發(fā)育,構成了頁巖氣儲層孔隙形成的物質(zhì)基礎。對龍馬溪組頁巖孔隙采用國際理論和應用化學協(xié)會(IUPAC)分類,即宏孔隙(簡稱宏孔,孔徑>50 nm)、中孔隙(簡稱中孔,孔徑2～50 nm)和微孔隙(簡稱微孔,孔徑<2 nm),從微孔隙到宏孔隙均有發(fā)育。鄒才能等[1]利用掃描電鏡與Nano-CT技術研究四川盆地古生界頁巖并發(fā)現(xiàn)納米級孔隙新類型。聚焦離子束-掃描電鏡技術(FIB-SEM)能有效評價頁巖孔隙,但其觀測范圍小(微米—納米級),難以從宏觀層面上描述巖石孔隙特征。氮氣吸附法在頁巖微孔和中孔分析方面有優(yōu)勢,而壓汞法受頁巖孔徑分布不均一性影響相對較小,能彌補氮氣吸附法在大孔分析方面的不足。謝曉永等[2]采用氮氣吸附法和壓汞法測試對南海某油氣田硬脆型泥頁巖進行研究。楊峰等[3]采用氮氣吸附法對寧夏南部六盤山盆地下白堊統(tǒng)乃家河組暗色泥頁巖進行研究,頁巖比表面積和孔體積遠大于常規(guī)儲層巖石,孔徑小于50 nm的微孔和中孔提供了主要的比表面積和孔體積,構成了頁巖中氣體吸附存儲的主要空間,頁巖微孔、中孔的發(fā)育與有機質(zhì)有關,有機碳含量與微孔、中孔的比表面積、孔體積呈正相關性。

張琴等[4]認為莓狀黃鐵礦的增加有助于頁巖孔隙增加,黏土礦物具有較高的微孔隙體積和較大的比表面積。盧雙舫等[5]認為N2、CO2吸附法由于表征的孔喉微小,不能反映頁巖孔喉的總體分布。肖前華等[6]選取中國四大典型致密油區(qū)(長慶、四川、大港和大慶)56塊巖樣,利用低溫氮氣吸附實驗研究了不同油區(qū)、不同巖性的致密油儲層微觀孔隙結構特征,通過等溫吸附回線分析不同致密油區(qū)以及不同巖性儲層孔隙形狀特征,同時提出結構“甜點”系數(shù),綜合評價了四大致密油區(qū)的甜點性質(zhì)。

宏孔、中孔、微孔占比影響頁巖儲層吸附能力和儲集能力,同時中孔和宏孔有利于游離態(tài)頁巖氣的儲存。楊峰等[3]認為微孔和中孔是氣體吸附和存儲的主要場所;微裂縫則儲集游離氣。張雪芬等[7]認為中孔和宏孔有利于游離態(tài)頁巖氣的儲存,有機質(zhì)孔大小影響其吸附能力和儲集能力,同時有機質(zhì)孔的連通性對其孔隙內(nèi)的游離態(tài)氣體滲流特征產(chǎn)生影響。Kausik等[8]認為在有機孔的孔壁表面流體是吸附的或束縛的,而在有機孔的中央,流體是游離的或可動的。

該文針對川南地區(qū)龍馬溪組海相頁巖儲層,基于氮氣吸附實驗開展孔隙結構特征研究。針對孔隙結構的關鍵參數(shù)比表面積SBET和總孔體積VBJH,通過氮氣吸附和全巖X射線衍射分析、黏土礦物分析的聯(lián)測實驗開展主控因素分析,結合實際測井資料優(yōu)選敏感測井曲線建立比表面積SBET測井計算模型,達到準確預測頁巖儲層比表面積的目的。

1 氮氣吸附實驗

氮氣吸附實驗采用的儀器為Micromeritics ASAP2420比表面積測定儀,樣品經(jīng)過3 h 120 ℃抽真空預處理,以純度大于99.999%的高純氮氣為吸附質(zhì),在77.35 K溫度下測定不同相對壓力下的氮氣吸附量。全巖X射線衍射分析、黏土礦物實驗采用的儀器為RINT-TTRS型X射線衍射儀。

1.1 吸附等溫線類型

IUPAC將吸附等溫線分為6種類型。龍馬溪組海相頁巖儲層的吸附等溫線主要為Ⅳ型,Ⅳ型吸附等溫線常用Kelvin方程-BJH模型描述,該類型多孔固體的中孔會發(fā)生毛細管凝聚現(xiàn)象(即:毛細管內(nèi)低于飽和蒸汽壓力的蒸汽可以凝聚為液體的現(xiàn)象)。

1.2 比表面積SBET模型

比表面積SBET是S.Brunauer等[14]在多分子層吸附理論基礎上計算的單分子層吸附的表面積。

首先計算單層飽和吸附量Vm[9]

(1)

式中,V為樣品實際吸附體積,cm3;Vm為單層飽和吸附量,cm3;C為與樣品吸附能力有關常數(shù);p為氮氣分壓,MPa;po為液氮溫度下氮氣的飽和蒸氣壓,MPa;p/po為氮氣分壓比,其范圍0.05～0.35。

-0.0005+0.3278p/poR2=0.99

(2)

由式(2)可計算出龍馬溪組頁巖實驗數(shù)據(jù)作圖均為直線,且通過直線的斜率和截距可計算出常數(shù)Vm和C,進而求得比表面積。

SBET=(VmNαm/m)×10-18

(3)

式中,SBET為表面積,m2/g;N為阿伏伽德羅常數(shù);αm為氮氣分子占有面積,nm2;m為氮氣相對分子量,g/mol。

表1 龍馬溪組頁巖BET相關參數(shù)表

1.3 吸附狀態(tài)孔徑分布

根據(jù)BJH模型求出吸附狀態(tài)下樣品的孔徑分布(見圖1)?？讖椒植记€隨著孔徑增大呈單調(diào)下降趨勢,微、中孔隙占比高,以小于10 nm孔徑的孔隙為主。

圖1 Y1井龍馬溪組頁巖吸附狀態(tài)孔徑分布圖

2 影響比表面積和總孔體積的主控因素

龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖孔隙類型多樣,分為有機孔、粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔及微裂縫等,其中有機孔和粒內(nèi)孔較為發(fā)育。不同的孔隙類型,比表面積和總孔體積特征也不同。比表面積反映孔隙表面積的大小,而總孔體積反映孔隙的體積。通過比表面積SBET和總孔體積VBJH分別與總有機碳含量、礦物組分、黏土礦物組分相關性分析明確影響比表面積SBET和總孔體積VBJH的主控因素。

2.1 總有機碳含量

總有機質(zhì)具有高微孔率和比表面積,所以有機質(zhì)含量和頁巖氣的吸附能力呈正相關關系。通過總有機碳含量和比表面積SBET的相關性分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)總有機碳含量與比表面積SBET呈指數(shù)正相關,相關系數(shù)R為0.91(見圖2)。頁巖儲層儲集空間大部分來自于納米級的有機質(zhì)孔。通過總有機碳含量和總孔體積VBJH的相關性分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)總有機碳含量與比表面積SBET呈指數(shù)正相關,相關系數(shù)R為0.68(見圖3),低于總有機碳含量與比表面積SBET的相關性,可能是由于其他類型孔隙發(fā)育導致總有機碳含量與總孔體積VBJH相關性相對較低。

圖2 總有機碳含量與比表面積交會圖

圖3 總有機碳含量與總孔體積交會圖

2.2 礦物組分

研究區(qū)石英含量與比表面積SBET呈指數(shù)正相關,相關系數(shù)R為0.50,同時總有機碳含量與比表面積SBET呈正相關關系,這是由于龍馬溪組硅質(zhì)頁巖富含有機質(zhì),硅質(zhì)生物化石發(fā)育,有機質(zhì)中有大量有機孔,比表面積也大。

研究區(qū)黃鐵礦含量與比表面積SBET呈指數(shù)正相關,相關系數(shù)R為0.66。研究區(qū)黃鐵礦含量與總孔體積VBJH呈指數(shù)正相關,相關系數(shù)R為0.45。說明黃鐵礦的增加有助于頁巖孔隙的增加。

2.3 黏土礦物組分

黏土礦物的種類和含量會影響微孔隙及吸附氣量。一般來說,頁巖儲層中黏土礦物具有較高微孔隙體積和較大的比表面積。但不同黏土礦物孔隙結構不同,孔隙比表面積也存在很大差別。因此,分析黏土礦物類型對比表面積SBET和總孔體積VBJH的影響,通過伊/蒙間層含量和比表面積的相關性分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)伊/蒙間層含量與比表面積SBET呈指數(shù)正相關,相關系數(shù)R為0.42。通過伊/蒙間層含量和總孔體積VBJH的相關性分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)伊/蒙間層含量與總孔體積VBJH正相關,相關系數(shù)R為0.51。研究區(qū)伊/蒙間層礦物間存在狹小的微細孔隙,將增大微孔隙體積和比表面積。

通過綠泥石含量和比表面積SBET的相關性分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)綠泥石含量與比表面積SBET呈指數(shù)負相關,相關系數(shù)R為0.46。通過綠泥石含量和總孔體積VBJH的相關性分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)綠泥石含量與總孔體積VBJH呈指數(shù)負相關,相關系數(shù)R為0.60。

2.4 主控因素分析

(1)研究區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)富集,有機質(zhì)團塊中富含有機孔,有機孔面孔率與總有機碳含量呈正相關關系,證明有機質(zhì)越富集,有機孔含量越高。頁巖孔隙中有機孔含量為60%～80%,有機孔孔徑相對無機孔孔徑小。當孔隙包含3種孔隙結構時,孔隙度一定、某一類孔隙的占比確定時,頁巖的比表面積隨小孔徑孔隙的體積占比增加而線性增加[15],所以有機孔對比表面積貢獻較其他類型無機孔的貢獻大。這也是研究區(qū)總有機碳含量與比表面積SBET呈正相關的原因。

(2)研究區(qū)龍馬溪組頁巖硅質(zhì)生物發(fā)育,頁巖儲層石英含量與總有機碳含量呈正相關,石英含量與比表面積SBET也呈正相關。硅質(zhì)石英發(fā)育一定的無機孔,孔徑相對大的這些無機孔對比表面積貢獻相對較小,所以研究區(qū)石英含量與比表面積SBET的相關性低于總有機碳含量與比表面積SBET的相關性。

(3)研究區(qū)龍馬溪組頁巖黃鐵礦和黃鐵礦晶間孔發(fā)育,黃鐵礦晶間孔孔徑相對其他無機孔孔徑小,對比表面積貢獻相對大。黃鐵礦含量與比表面積SBET呈正相關,由于黃鐵礦含量和黃鐵礦晶間孔含量整體占比不高,所以黃鐵礦含量與比表面積SBET的相關性低于總有機碳含量與比表面積SBET的相關性。

(4)研究區(qū)龍馬溪組頁巖伊/蒙間層和伊/蒙間層層間孔隙相對發(fā)育,對比表面積貢獻較大,所以研究區(qū)伊/蒙間層含量和比表面積SBET呈正相關,由于伊/蒙間層和伊/蒙間層層間孔隙整體占比不高,所以伊/蒙間層含量與比表面積SBET的相關性低于總有機碳含量與比表面積SBET的相關性。

(5)研究區(qū)龍馬溪組頁巖碳酸鹽溶蝕孔不發(fā)育,同時方解石充填微裂縫,對比表面積沒有貢獻。所以方解石含量與比表面積SBET呈指數(shù)負相關。

綜上所述,比表面積SBET與總有機碳含量相關系數(shù)最高,說明總有機碳含量對比表面積SBET的貢獻最大。此外,比表面積SBET與石英含量、黃鐵礦含量、伊/蒙間層含量呈正相關,與方解石含量、綠泥石含量呈負相關,其相關系數(shù)略低。海相頁巖石英顆粒粒間孔、黃鐵礦晶間孔、黏土晶間孔、溶蝕孔均有發(fā)育,但這些孔隙對比表面積SBET的貢獻略低。而總孔體積VBJH與有機質(zhì)含量、礦物含量、黏土礦物組分的相關系數(shù)普遍較低,說明影響總孔體積VBJH的主控因素未能確定。

3.畢業(yè)生職業(yè)發(fā)展管理機制還有待完善。隨著近幾年西方先進的人力資源管理理念的引入，企業(yè)對人才職業(yè)生涯規(guī)劃越來越重視，并引起廣泛關注。油田對新進畢業(yè)生十分重視，通過加強教育引導、溝通交流、導師帶徒、輪崗鍛煉、壓擔子等措施，初步制定了職業(yè)生涯規(guī)劃，但對畢業(yè)生職業(yè)發(fā)展持續(xù)跟蹤培養(yǎng)的機制還不健全，崗位設置層級較少，晉升機會較小，導致部分畢業(yè)生對未來的職業(yè)發(fā)展目標感到比較迷茫和困惑。人力資本投資，人才成長、實現(xiàn)自我價值的平臺不牢，事業(yè)留人沒有充分體現(xiàn)出來。

3 比表面積和總孔體積的測井計算模型

通過以上主控因素分析,認為利用總有機碳含量、石英含量、黃鐵礦含量、方解石含量、伊/蒙間層含量、綠泥石含量擬合回歸計算的比表面積SBET和總孔體積VBJH更接近實測值。通過各個影響參數(shù)分別與實驗測試的比表面積SBET和總孔體積VBJH進行單因素相關性擬合,獲得不同影響參數(shù)之間的相關系數(shù)。

考慮測井資料不能獲取綠泥石含量和伊/蒙間層含量,優(yōu)選影響總孔體積VBJH的總有機碳含量、石英含量、黃鐵礦含量、方解石含量等關鍵指標參數(shù),以每個參數(shù)單因素擬合獲取的冪形式采用多元線性回歸的方法,對比表面積和總孔體積進行統(tǒng)計分析,通過模型計算出比表面積SBET和總孔體積VBJH。

(4)

(5)

式中,VBJH為總孔體積,cm3/g;α1、α2、α3、α4、α5、β1、β2、β3、β4、β5為通過多元線性回歸獲得的系數(shù);γ1、γ2、γ3、γ4、θ1、θ2、θ3、θ4為通過單因素擬合獲取的冪指數(shù);TOC為總有機碳含量,%;VQUA為石英含量,%;VPYR為黃鐵礦含量,%;VCAL為方解石含量,%。

對Y1井比表面積SBET和總孔體積VBJH計算應用(見圖4),計算結果與頁巖實驗測試結果進行對比,擬合公式計算的比表面積SBET和總孔體積VBJH與實驗測試值吻合良好(見圖5、圖6),說明該模型能起到預測比表面積SBET和總孔體積VBJH的效果。

圖4 Y1井龍馬溪組頁巖測井計算比表面積和總孔體積效果圖*非法定計量單位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

圖5 計算比表面積與實驗比表面積交會圖

圖6 計算總孔體積與實驗總孔體積交會圖

SBET=16.64TOC0.3817+0.27VQUA0.9062+
0.63VPYR0.4834+23.45VCAL-0.34-5.23

(6)

VBJH=0.0326TOC0.1978+0.0656VCAL-0.277+
0.0069VQUA0.3492+0.009VPYR0.2088-0.003

(7)

將比表面積SBET預測模型用于川南TY地區(qū)17口重點評價井比表面積的計算,應用評價井測井曲線計算連續(xù)有效的比表面積,明確縱向上龍一11小層比表面積最大,反映龍一11小層中、微孔吸附性最強,為川南TY地區(qū)縱向甜點段優(yōu)選提供依據(jù)。

楊峰等[3]認為微孔和中孔是氣體吸附和存儲的主要場所。比表面積主要反映頁巖儲層的吸附性能,比表面積大小對頁巖儲層吸附氣含量起一定的決定作用。但表征微孔和中孔的存儲性能,比表面積具有局限性,還需要結合孔體積和孔直徑綜合判斷。

4 結 論

(1)龍馬溪組海相頁巖儲層微孔隙發(fā)育,主要為小于10 nm孔徑的孔隙,對該頁巖儲層來說,比表面積是表征其孔隙結構特征的重要參數(shù)。

(2)龍馬溪組海相頁巖儲層的比表面積受到有機碳含量、礦物含量變化影響,其中有機碳含量對比表面積的貢獻最大。此外,石英含量、黃鐵礦含量、伊/蒙間層含量越高,比表面積也越大。方解石含量、綠泥石含量越高,則比表面積越小。本文通過多元擬合方法建立比表面積測井計算模型,達到準確預測比表面積的效果。

(3)將比表面積測井計算模型應用到川南TY地區(qū),獲取連續(xù)的比表面積數(shù)據(jù)。通過多口井比表面積曲線特征對比分析,川南TY地區(qū)龍馬溪組在縱向上龍一11小層比表面積最大。

(4)比表面積反映以吸附為主的頁巖基質(zhì)儲層孔隙結構,其對微納孔隙吸附氣含量有一定的決定作用。