王鑫,曾濺輝,孔祥曄,仇恒遠(yuǎn),王乾右,賈昆昆
(1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,102249;2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京,102249;3.中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,北京,102249)
頁巖油氣作為一種非常規(guī)油氣資源,是目前國內(nèi)外油氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)[1-3]。頁巖儲(chǔ)層孔隙直徑以納米尺度為主,儲(chǔ)層質(zhì)量極差,毛細(xì)管力更強(qiáng)[2-4]。自發(fā)滲吸是在毛細(xì)管力作用下的多項(xiàng)流動(dòng)過程[5],普遍存在于頁巖油氣成藏與開發(fā)過程中,在頁巖油氣微觀流動(dòng)機(jī)理和宏觀滲流規(guī)律的研究中具有重要的科學(xué)和工程價(jià)值[5-7]。根據(jù)毛細(xì)管滲吸理論,潤濕性對納米孔隙中流體的滲流能力起到了關(guān)鍵的作用[5-7]。潤濕性是固體表面被某一種流體相所覆蓋的優(yōu)先選擇性,巖石儲(chǔ)層的潤濕性根據(jù)接觸角可分為水濕、油濕和中性潤濕[6]。目前,針對頁巖的潤濕性表征手段主要停留在頁巖表面宏觀潤濕角測量[6-10]。然而,頁巖組分結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔隙類型多樣,孔隙界面與流體間存在不同的潤濕效應(yīng)[6-10]。宏觀潤濕角并不能表征頁巖孔隙表面的潤濕特性,嚴(yán)重制約了對自發(fā)滲吸過程在空間和時(shí)間維度上的精細(xì)解釋。低磁場核磁共振技術(shù)具有快速、無損和測試精度高等特點(diǎn),為頁巖中流體分布狀態(tài)與流動(dòng)過程的準(zhǔn)確檢測提供了可能[11-12]。
本文采用總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(TOC)分析、X射線衍射(XRD)礦物組分分析、接觸角測試和掃描電鏡觀察,首先明確了頁巖樣品中孔隙類型及其潤濕性;然后,結(jié)合自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn),詳細(xì)研究了頁巖孔隙潤濕性對流體滲吸行為的控制作用;最后,采用自發(fā)滲吸-核磁共振聯(lián)測技術(shù),進(jìn)一步準(zhǔn)確表征了頁巖中流體滲吸過程和特征,以期為頁巖儲(chǔ)層中微觀滲流機(jī)理的研究提供參考。
四川盆地是在揚(yáng)子克拉通的基礎(chǔ)上發(fā)育起來的疊合盆地,位于上揚(yáng)子地區(qū)西北部,油氣資源豐富[13]。上揚(yáng)子臺(tái)地頻繁劇烈的構(gòu)造活動(dòng)造成四川盆地內(nèi)部的構(gòu)造具有多旋回、多期構(gòu)造變動(dòng)和多級控制的特征[13]。根據(jù)盆地內(nèi)的區(qū)域構(gòu)造和油氣分布特征,劃分出6個(gè)二級構(gòu)造單元(圖1)[13-14]。構(gòu)造相對穩(wěn)定時(shí)期形成了多套頁巖層系。海相、海陸過渡相和陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖均有發(fā)育[14]。其中,四川盆地及周緣志留系龍馬溪組一段海相頁巖和侏羅系自流井組大安寨段陸相頁巖是最有勘探潛力的頁巖層系[14]。
圖1 四川盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐峙c井位分布[13-14]Fig.1 Tectonic units in Sichuan Basin and well locations[13-14]
早志留世龍馬溪組沉積早期,隨著揚(yáng)子板塊與華夏板塊持續(xù)碰撞,四川盆地形成“多隆圍一凹”的構(gòu)造格局,沉積環(huán)境以深水陸棚和淺水陸棚為主[15-16]。受全球性冰川融化影響,沉積盆地水體擴(kuò)大并發(fā)生分層。表層水體形成具有高生物生產(chǎn)力的富氧環(huán)境,底層水體形成缺氧的強(qiáng)還原環(huán)境,促進(jìn)了沉積有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)與保存[15],形成了一套優(yōu)質(zhì)的富有機(jī)質(zhì)頁巖[16]。龍馬溪組一段海相頁巖主要分布在川東褶皺帶、川西南低緩褶皺帶、川南褶皺帶及四川盆地南緣。巖性以黑色炭質(zhì)頁巖和灰黑色硅質(zhì)頁巖為主,筆石類化石發(fā)育[16],是我國頁巖氣勘探最主要的海相頁巖地層。
早侏羅世自流井組大安寨段沉積時(shí)期,四川盆地伸展作用弱,造山活動(dòng)穩(wěn)定,盆地湖泛較大,形成早侏羅世最大的淡水湖盆[17-18]。湖盆中心主要發(fā)育半深湖沉積,湖盆邊緣陸源碎屑供給較小,湖水清澈,發(fā)育大面積介殼灘[17-18]。自流井組大安寨段陸相頁巖主要分布在川北低平褶皺帶、川中平緩褶皺帶和川東褶皺帶。巖性以深灰色泥巖、黑色頁巖為主,黑色頁巖夾介殼灰?guī)r與頁巖不等厚互層,雙殼類、介形蟲和腹足類化石較常見[19],是我國陸相頁巖油氣勘探的主要層位。
基于已有頁巖樣品成熟度,分別選取不同成熟度時(shí)四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組一段(5 塊)和下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段(5 塊)頁巖樣品。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,在鉆井巖心中鉆取直徑為25 mm、長度為70 mm的柱塞樣品,并將柱塞樣品切割為3段,如圖2所示。
圖2 頁巖樣品實(shí)驗(yàn)流程圖解Fig.2 Graphical explanation for shale sample experimental process
對A 段和C 段樣品主要進(jìn)行自發(fā)滲吸-核磁共振聯(lián)測實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡觀測。將A段和C段柱塞樣品側(cè)面用環(huán)氧樹脂涂蓋并密封,頂、底橫截面不進(jìn)行處理,烘干后進(jìn)行自發(fā)滲吸-核磁共振聯(lián)測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后,將烘干樣品進(jìn)行離子拋光處理,隨后進(jìn)行掃描電鏡觀察。
B 段樣品主要進(jìn)行總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(TOC)分析、X射線衍射(XRD)礦物組分分析和自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)。首先,將B段切割出4個(gè)邊長為10 mm的立方體,分別選取頂、底面平行和垂直頁理方向的樣品各2個(gè);然后,將立方體側(cè)面用環(huán)氧樹脂涂蓋并密封,對頂、底面不進(jìn)行處理,烘干后進(jìn)行自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后,將立方體側(cè)面采用砂紙打磨,去除側(cè)面的環(huán)氧樹脂;隨后,將樣品研磨為粉末進(jìn)行XRD礦物組分分析和w(TOC)分析。
收集1 塊無煙煤樣本和5 塊單礦物樣本(方解石、白云石、蒙脫石、伊利石和綠泥石),采用捕泡法測定頁巖組分在油水系統(tǒng)中的潤濕角,滴定相為原油,環(huán)繞相為去離子水。測試潤濕角前將樣品磨制成礦物薄片(長×寬×厚為25 mm×25 mm×3 mm),對其表面進(jìn)行拋光處理,消除粗糙程度對潤濕性的影響。
所有實(shí)驗(yàn)在中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由CS230HC 型碳硫分析儀測定,礦物成分由Ultima IV 全自動(dòng)X 射線衍射分析儀(日本東京Rigaku)測定,頁巖單組分潤濕角由DSA100型光學(xué)潤濕角測量儀測定。掃描電鏡觀察采用FEI-HELIOSNanoLab 650的聚焦離子束掃描電子顯微鏡,核磁共振測試采用SPEC-RC035核磁共振儀,自發(fā)滲吸測試采用自發(fā)滲吸儀[9]。頁巖樣品鏡質(zhì)組反射率分別由中國石油股份有限公司西南油氣田和中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司提供。鏡質(zhì)組反射率(Ro)采用鏡質(zhì)組反射率測定儀測試,其中龍馬溪組頁巖樣品鏡質(zhì)組反射率為瀝青反射率換算成的等效鏡質(zhì)組反射率[20]。
根據(jù)應(yīng)用服務(wù)層提供的應(yīng)用接口,可以實(shí)現(xiàn)對在押人員身體狀況的健康管理、病情研判,并使醫(yī)護(hù)人員結(jié)合病情實(shí)施有效的疾病和治療干預(yù)方案;同時(shí)對Web 平臺(tái)用戶和移動(dòng)通訊終端(Android、iOS)提供了醫(yī)療健康信息以及數(shù)據(jù)分析和信息挖掘服務(wù)的接口,幫助用戶更好的對生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測和分析預(yù)判。
頁巖樣品組成成分主要包括有機(jī)質(zhì)、石英、長石、方解石、白云石和黏土礦物(表1)。其中龍馬溪組一段海相頁巖具有高有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、高成熟度、高硅質(zhì)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和低黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的特征,自流井組大安寨段陸相頁巖樣品具有低有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、低成熟度、低硅質(zhì)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和高黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的特征。
表1 頁巖樣品信息及其組成成分表Table 1 Shale sampls information and its composition %
龍馬溪組一段頁巖樣品總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于2.53%~4.80%,平均值為3.65%;自流井組大安寨段頁巖樣品總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.73%~1.99%,平均值為1.39%。龍馬溪組一段頁巖相較于自流井組大安寨段頁巖具有良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。龍馬溪組一段頁巖成熟度Ro介于2.76%~3.27%,處于過成熟階段;而自流井組大安寨段頁巖Ro介于0.87%~1.29%,處于成熟—高成熟階段。頁巖樣品礦物成分主要為黏土礦物和石英,質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)60%以上。龍馬溪組一段頁巖樣品石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高,平均值為46.98%;自流井組大安寨段頁巖樣品黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高,平均值為54.5%。此外,還普遍含有鉀長石、斜長石、方解石和白云石等礦物。
頁巖樣品孔隙類型豐富,主要包括有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黏土礦物微裂縫和碳酸鹽礦物粒內(nèi)溶蝕孔(圖3)。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物晶間孔對頁巖總孔隙度的貢獻(xiàn)最大,黏土礦物微裂縫在部分樣品中發(fā)育,碳酸鹽粒內(nèi)溶蝕孔占比較小,與前人通過孔隙度數(shù)學(xué)模型所得計(jì)算結(jié)果一致[21-22]。
有機(jī)質(zhì)孔是有機(jī)質(zhì)生烴演化的產(chǎn)物,不同賦存位置的有機(jī)質(zhì)中有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育特征存在差異。主要分為與黏土礦物共生的有機(jī)質(zhì)(圖3(a)和(b))和孤立的有機(jī)質(zhì)(圖3(c)~(f))。龍馬溪組一段頁巖中與黏土礦物共生的有機(jī)質(zhì)近平行于黏土層,呈長條狀分布,有機(jī)質(zhì)孔呈不規(guī)則狀或橢圓狀,孔徑相對較小,多小于100 nm(圖3(a))。大安寨段頁巖中與黏土礦物共生的有機(jī)質(zhì)強(qiáng)烈變形,內(nèi)部有機(jī)質(zhì)孔極不規(guī)則,孔徑差異大,從納米級到微米級(圖3(b))。處在生烴高峰的孤立有機(jī)質(zhì)中多發(fā)育海綿狀有機(jī)質(zhì)孔,孔隙形狀極不規(guī)則,微米級有機(jī)質(zhì)孔內(nèi)部嵌套納米級孔隙,形成連通性較好的孔隙網(wǎng)絡(luò)(圖3(c)和(d))。處在過高(圖3(e))或過低(圖3(f))成熟度的孤立有機(jī)質(zhì)中幾乎不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔。整體上龍馬溪組一段頁巖樣品中有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度好于大安寨頁巖樣品。
黏土礦物主要為頁巖提供了晶間孔和微裂縫。黏土礦物晶間孔常呈狹縫狀(圖3),有的呈不規(guī)則多邊形狀分布于顆粒接觸部位(圖3(e)),孔徑較大,從幾十納米到幾微米,具有一定的連通性。龍馬溪組一段頁巖樣品中黏土礦物晶間孔多呈板狀(圖3(a)和(e)),而大安寨段頁巖樣品黏土礦物晶間孔變形較嚴(yán)重(圖3(b)和(f))。黏土礦物微裂縫主要發(fā)育在大安寨段頁巖樣品中,多平行層面分布,長度常為幾百微米,開度多小于3 μm(圖3(g))。
碳酸鹽礦物粒內(nèi)溶蝕孔是頁巖樣品中較為常見的粒內(nèi)孔,龍馬溪組一段頁巖樣品和大安寨段頁巖樣品中均少量發(fā)育粒內(nèi)溶蝕孔(圖3(h)和(i))。粒內(nèi)溶孔形狀各異,呈四邊形狀、橢圓狀或不規(guī)則狀,孔徑相對較大,幾百納米到十幾微米。碳酸鹽礦物粒內(nèi)溶蝕孔連通性較差,在礦物表面孤立存在。
圖3 頁巖樣品孔隙類型及其發(fā)育特征Fig.3 Pore types and development characteristics of shale samples
從材料化學(xué)的角度分析,巖石組分的晶體結(jié)構(gòu)對其表面的潤濕性起到了關(guān)鍵作用,進(jìn)一步?jīng)Q定了孔隙表面的潤濕性[23]。油和水在頁巖組分表面的吸附作用存在競爭關(guān)系,以接觸角表現(xiàn)出來[23]。在油-水-巖系統(tǒng)中,組分表面水的接觸角越小,水在組分表面的相互作用力越大,表明越親水,反之親油[24]。石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水的潤濕角在[0°,75°)范圍內(nèi)為水濕,在[75°,105°)范圍內(nèi)為中性潤濕,在[105°,180°)范圍內(nèi)為油濕[25-26]。圖4所示為無煙煤樣品和單礦物樣品在油-水系統(tǒng)中的潤濕角測量結(jié)果。由圖4可見:無煙煤樣和方解石為油濕樣品,白云石和蒙脫石為中性潤濕樣品,綠泥石和伊利石為水濕樣品。
圖4 無煙煤樣品和單礦物樣品在油-水系統(tǒng)中的潤濕角θ測量結(jié)果Fig.4 Wetting angles of anthracite samples and single mineral samples in oil-water system
碳酸鹽礦物為離子化合物,其晶體表面對原油中的極性分子有極強(qiáng)影響,與原油接觸后整體表現(xiàn)為中性或親油的潤濕特性(圖4(b)和(c))[23,29]。因此,由碳酸鹽礦物所構(gòu)成的粒內(nèi)孔表面同樣表現(xiàn)為中性或親油的潤濕特性。
黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)主要分為二八面體和三八面體,其中伊利石、蒙脫石和伊/蒙混層屬于二八面體黏土礦物,綠泥石屬于三八面體黏土礦物[30]。二八面體黏土礦物兩側(cè)為鋁硅四面體結(jié)構(gòu),中間為鋁鐵八面體結(jié)構(gòu)。陽離子大量存在于2片鋁硅四面體結(jié)構(gòu)中間,晶體在水溶液中顯示為正電,導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)中富含水分子,具有中性或親水的潤濕特性[31]。與二八面體黏土礦物相似,三八面體黏土礦物也是由于陽離子交換呈現(xiàn)出親水的特征[31]。不同的黏土礦物晶體結(jié)構(gòu)存在差異,導(dǎo)致其表現(xiàn)出不同親水能力(圖4(d)~(f))。因此,由黏土礦物所構(gòu)成的晶間孔及其微裂縫表面同樣表現(xiàn)為中性或親水的潤濕特性。
對10 塊頁巖樣品進(jìn)行了去離子水和正癸烷自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn),圖5所示為典型頁巖樣品順層或垂直層理方向的去離子水和正癸烷自發(fā)滲吸測試結(jié)果。由圖5可見:在每個(gè)自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)的最初30 s 左右,樣品在沉降到流體中時(shí)不穩(wěn)定;在樣品穩(wěn)定時(shí),累積自發(fā)滲吸高度與自發(fā)滲吸時(shí)間在對數(shù)尺度上呈線性關(guān)系。根據(jù)滲流理論[32-34],在對數(shù)尺度上流體累積自發(fā)滲吸高度H與自發(fā)滲吸時(shí)間t之間的斜率能夠表征多孔介質(zhì)對流體的自發(fā)滲吸能力[9]。
圖5 典型頁巖樣品順層或垂直層理方向的去離子水和正癸烷自發(fā)滲吸測試結(jié)果Fig.5 Spontaneous imbibition test results of deionized water and n-decane on direction parallel or vertical to bedding planes of typical shale samples
表2所示為頁巖樣品去離子水和正癸烷自發(fā)滲吸斜率。由表2可見:整體上,正癸烷順層和垂直層理自發(fā)滲吸斜率均值為分別0.376 7 和0.317 2,去離子順層和垂直層理自發(fā)滲吸斜率均值分別為0.351 3 和0.303 0。因此,順層方向上頁巖樣品對流體的自發(fā)滲吸能力比垂直層理方向的大;同時(shí),頁巖樣品對正癸烷的自發(fā)滲吸能力大于對去離子水的自發(fā)滲吸能力。龍馬溪組一段頁巖樣品自發(fā)滲吸斜率介于0.115 3~0.478 3,平均值為0.275 6(表2)。自流井組大安寨段頁巖樣品自發(fā)滲吸斜率介于0.261 2~0.582 7,平均值為0.398 6(表2),表明自流井組大安寨段頁巖樣品比龍馬溪組一段頁巖樣品有著更強(qiáng)的自發(fā)滲吸能力。
表2 頁巖樣品去離子水和正癸烷自發(fā)滲吸斜率統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of spontaneous imbibition slope of deionized water and n-decane in shale samples
構(gòu)成孔隙的巖石組分潤濕性不同,導(dǎo)致不同類型孔隙表面潤濕特性也存在差異。親油有機(jī)質(zhì)孔、親水黏土礦物晶間孔及黏土礦物微裂縫具有良好連通性(圖3(a)~(d)和(g)),是自發(fā)滲吸的主要通道。表3所示為頁巖樣品組分與自發(fā)滲吸斜率的相關(guān)性及顯著性分析結(jié)果。由表3可見:有機(jī)質(zhì)的富集程度對正癸烷的自發(fā)滲吸行為具有顯著的控制作用,黏土礦物富集程度對去離子水的自發(fā)滲吸行為具有顯著的控制作用。
表3 頁巖樣品組分與自發(fā)滲吸斜率的相關(guān)性及顯著性分析Table 3 Correlation and significance analysis between shale components and spontaneous imbibition slope in shale samples
有機(jī)質(zhì)孔是頁巖中主要的親油孔隙,而有機(jī)質(zhì)的富集能夠增加親油有機(jī)質(zhì)孔在頁巖孔隙中的占比[4]。有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度的差異進(jìn)一步導(dǎo)致海相與陸相頁巖表現(xiàn)出不同的自發(fā)滲吸行為(圖5,表2)。龍馬溪組一段頁巖樣品有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,普遍發(fā)育連通性較好的親油有機(jī)質(zhì)孔隙(圖3(c))。在順層和垂直層理方向上,正癸烷自發(fā)滲吸斜率與w(TOC)相關(guān)性極好,均在0.005 水平上顯著相關(guān),R2均達(dá)到0.9以上,(圖6(a),表3)。大安寨段頁巖樣品w(TOC)較龍馬溪組一段頁巖樣品低,但同樣發(fā)育連通性較好的親油有機(jī)質(zhì)孔(圖3(d)),順層方向和垂直層理方向正癸烷滲吸斜率與w(TOC)同樣具有較好的相關(guān)性,均在0.1 水平上顯著相關(guān),R2分別為0.625 7 和0.744 2(圖6(b),表3)。因此,頁巖中親油有機(jī)質(zhì)孔隙的大量發(fā)育,對正癸烷的滲吸行為起到了積極的控制作用,而總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,有機(jī)質(zhì)孔占比越大,對正癸烷自發(fā)滲吸行為的控制作用越明顯。但在龍馬溪組一段和自流井組大安寨段頁巖樣品中,w(TOC)與去離子水的自發(fā)滲吸斜率相關(guān)性均較差(圖6,表3),親油有機(jī)質(zhì)孔對去離子水的自發(fā)滲吸行為作用并不明顯。
圖6 頁巖樣品自發(fā)滲吸斜率與w(TOC)的相關(guān)關(guān)系圖Fig.6 Correlationship between spontaneous imbibition slopes and w(TOC) of shale samples
黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加在一定程度上保證了親水黏土礦物晶間孔的發(fā)育[4]。黏土礦物晶間孔及微裂縫發(fā)育程度的差異同樣導(dǎo)致了海相與陸相頁巖表現(xiàn)出不同的自發(fā)滲吸行為(圖5,表2)。黏土礦物是龍馬溪組一段頁巖樣品中礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅低于石英的重要礦物組分,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.08%,親水性的黏土礦物晶間孔發(fā)育程度較好(圖3(a)和3(e))。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與去離子水的自發(fā)滲吸斜率具有較高的相關(guān)性,順層方向和垂直層理方向上的去離子水滲吸斜率與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在0.005 和0.1 水平上顯著相關(guān),R2分別高達(dá)0.946 5 和0.702 7,而正癸烷自發(fā)滲吸斜率與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不具有相關(guān)性(圖7(a),表3)。黏土礦物是自流井組大安寨段頁巖樣品的主要礦物,質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%以上,普遍發(fā)育親水性的黏土礦物晶間孔(圖3(b)和(f)),順層方向還發(fā)育有親水性的黏土礦物微裂縫(圖3(g))。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與不同滲吸流體的自發(fā)滲吸斜率均存在一定的相關(guān)性,與順層方向和垂直層理方向上的去離子水滲吸斜率分別在0.1 和0.05 水平上顯著相關(guān),R2均達(dá)到0.7以上,而與正癸烷滲吸斜率的相關(guān)性略差(圖7(b),表3)。因此,黏土礦物晶間孔及其微裂縫對頁巖樣品去離子水的滲吸起到了積極的控制作用。同時(shí),黏土礦物微裂縫增加了頁巖儲(chǔ)層的連通性,正癸烷自發(fā)滲吸行為也得到了一定提高。
圖7 頁巖樣品自發(fā)滲吸斜率與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)關(guān)系圖Fig.7 Correlationship between spontaneous imbibition slopes and clay mineral mass fraction of shale samples
在自發(fā)滲吸-核磁共振聯(lián)測過程中,核磁共振檢測是分時(shí)段進(jìn)行的,故其內(nèi)部流體的分布規(guī)律也是通過不同時(shí)間點(diǎn)測得的核磁共振T2譜分析得到[35]。前人將頁巖儲(chǔ)層的孔隙大體分為3 個(gè)尺度:弛豫時(shí)間小于1 ms 的信號由基質(zhì)微孔隙中的流體提供,弛豫時(shí)間為1~100 ms 的信號由微裂隙中的流體提供,弛豫時(shí)間大于100 ms 的信號由層理裂隙中的流體提供[36-38]。圖8所示為1 號樣品自發(fā)滲吸過程中的T2圖譜,由圖8可見:頁巖樣品正癸烷和去離子水的滲吸過程普遍是從基質(zhì)孔隙開始,最后逐漸驅(qū)替到微裂隙中。
圖8 1號樣品自發(fā)滲吸過程中的T2圖譜Fig.8 T2 spectrum during spontaneous imbibition of No.1 samples
提取核磁T2圖譜的峰值、峰位和最大弛豫時(shí)間來分別表征自發(fā)滲吸過程中巖心內(nèi)部流體的滲吸量、滲吸的主要孔徑和滲吸的最大孔徑。受流體滲吸方向與孔隙結(jié)構(gòu)及其潤濕特性的控制,不同頁巖樣品內(nèi)部表現(xiàn)出復(fù)雜的流體滲吸行為(圖9~11)。
圖9所示為頁巖樣品滲吸過程中T2圖譜的峰值隨自發(fā)滲吸時(shí)間的變化規(guī)律。由圖9可見:頁巖樣品自發(fā)滲吸過程中T2圖譜的峰值不斷穩(wěn)定增加,且去離子水T2圖譜的峰值通常大于正癸烷T2圖譜的峰值。這表明滲吸流體在毛細(xì)管力的作用下不斷驅(qū)替空氣,占據(jù)新的孔隙;在同一滲吸階段,孔隙空間較大的黏土礦物晶間孔有利于頁巖中賦存更多的去離子水,而有機(jī)質(zhì)孔的孔隙空間較小,頁巖中賦存的正癸烷較少。
圖9 頁巖樣品自發(fā)滲吸過程中T2圖譜的峰值隨滲吸時(shí)間的變化Fig.9 Variation process of peak value of T2 spectrum with imbibition time during spontaneous imbibition process of shale samples
圖10所示為頁巖樣品滲吸過程中T2圖譜的峰位隨自發(fā)滲吸時(shí)間的變化規(guī)律。除10 號樣品外,頁巖樣品前90 min 自發(fā)滲吸過程中T2圖譜的峰位基本保持不變,而90 min 后,T2圖譜的峰位存在上下波動(dòng)的特征。10 號樣品在順層方向上存在自發(fā)滲吸過程,存在順層方向的黏土礦物微裂縫(圖3(g))。10 號樣品在前90 min 時(shí),滲吸流體主要填充黏土礦物微裂縫,T2圖譜的峰位較大,滲吸流體將裂縫充滿后(90 min后)開始對小尺度的孔隙進(jìn)行填充,在較小的峰位區(qū)間進(jìn)行波動(dòng)。因此,在自發(fā)滲吸方向上沒有優(yōu)勢通道的情況下,小尺度的孔隙具有更強(qiáng)的滲吸動(dòng)力,頁巖前期的滲吸過程以小尺度的孔隙填充為主;但后期由于頁巖親油和親水孔隙在空間上分布具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,導(dǎo)致不同階段不同滲吸流體充填的主要孔徑不同。
圖10 頁巖樣品自發(fā)滲吸過程中T2圖譜的峰位隨滲吸時(shí)間的變化Fig.10 Variation process of peak position of T2 spectrum with imbibition time during spontaneous imbibition process of shale samples
圖11所示為頁巖樣品滲吸過程中T2圖譜的最大弛豫時(shí)間隨自發(fā)滲吸時(shí)間的變化規(guī)律。從圖11可見:T2圖譜的最大弛豫時(shí)間隨自發(fā)滲吸時(shí)間的推移而不斷變大。這表明頁巖樣品在滲吸過程中,不斷有更大孔徑的孔隙被填充。同時(shí),正癸烷的最大弛豫時(shí)間通常小于去離子水的最大弛豫時(shí)間,隨著自發(fā)滲吸時(shí)間的推移,部分去離子水的最大弛豫時(shí)間逐漸大于10 ms。因此,受孔隙潤濕性的控制,孔隙半徑較大的黏土礦物晶間孔優(yōu)先選擇去離子水進(jìn)行充填,而孔隙半徑較小的親油有機(jī)質(zhì)孔優(yōu)先選擇正癸烷進(jìn)行充填。
對于成熟度過高的2號頁巖樣品和成熟度較低的9號樣品,正癸烷在自發(fā)滲吸過程中,其核磁T2圖譜的峰值、峰位和最大弛豫時(shí)間均保持較小的值,而在去離子水自發(fā)滲吸過程中核磁T2圖譜的峰值、峰位和最大弛豫時(shí)間相對較大。這是由于過成熟有機(jī)質(zhì)中會(huì)出現(xiàn)大量的石墨結(jié)構(gòu),石墨結(jié)構(gòu)中的碳原子之間在受到外力時(shí)可以通過化學(xué)鍵的扭轉(zhuǎn)增加其承受形變的能力[39-40]。有機(jī)質(zhì)被擠壓變形的同時(shí),親油的有機(jī)質(zhì)孔同樣發(fā)生擠壓變形,甚至坍塌,導(dǎo)致親油有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量減小,但親水的黏土礦物晶間孔相對發(fā)育(圖3(e))。因此,2 號頁巖樣品在對正癸烷的整個(gè)滲吸過程中,滲吸量較小,被填充的孔徑較?。欢鴮θルx子水的滲吸過程中,前期滲吸量較小,被填充的孔徑較小,后期去離子水填充孔徑較大的黏土礦物晶間孔,滲吸量也開始變大。9 號樣品有機(jī)質(zhì)成熟度較低,還未達(dá)到生烴高峰,有機(jī)質(zhì)孔未大量發(fā)育,而黏土礦物晶間孔相對發(fā)育(圖3(f))。因此,成熟度較低的9 號樣品與2 號樣品具有類似的自發(fā)滲吸特征。
1) 頁巖中主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黏土礦物微裂縫和碳酸鹽礦物粒內(nèi)溶蝕孔;有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物晶間孔分別為親油孔隙和親水孔隙,在頁巖中普遍發(fā)育,且連通性較好;黏土礦物微裂縫表現(xiàn)出親水的潤濕特性,在大安寨段頁巖樣品中平行于層理發(fā)育,增加了頁巖本身的連通性;碳酸鹽礦物粒內(nèi)溶蝕孔表現(xiàn)出親油的潤濕特性,在頁巖中占比極小,多孤立存在。
2) 有機(jī)質(zhì)孔是頁巖中親油孔隙的主要貢獻(xiàn)者,其發(fā)育程度對正癸烷的自發(fā)滲吸行為起到了主要的控制作用;處于生烴高峰的頁巖有機(jī)質(zhì)孔普遍發(fā)育,有利于正癸烷在頁巖樣品中的自發(fā)滲吸;過高或過低成熟度的頁巖有機(jī)質(zhì)孔欠發(fā)育,嚴(yán)重減弱了正癸烷在頁巖中的滲吸行為。
3) 黏土礦物晶間孔及其微裂縫是親水孔隙的主要貢獻(xiàn)者;黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加在一定程度上保證了黏土礦物晶間孔的發(fā)育,為去離子水提供了主要的滲流通道;黏土礦物微裂縫能夠明顯提高頁巖對去離子水的滲吸能力,同時(shí)提高對正癸烷的自發(fā)滲吸能力。
4) 頁巖中自發(fā)滲吸的過程表現(xiàn)為流體通過毛細(xì)管力不斷地驅(qū)替空氣,向更大的孔隙中填充;在滲吸方向上沒有微裂縫的情況下,前期的滲吸過程以填充直徑較小的孔隙為主,后期的滲吸過程受親油和親水孔隙非均質(zhì)性的控制,不同滲吸階段不同流體填充的主要孔徑不同;而黏土礦物微裂縫發(fā)育時(shí),前期以充填直徑較大的微裂縫為主。