朱澤棟,徐 壯,彭女佳,石雪峰,臧曉琳,張雪峰,孫 武

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津塘沽300452;2.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,江西南昌330013;3.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌330013;4.中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院,河南南陽(yáng)473132)

目前已有許多學(xué)者針對(duì)頁(yè)巖的巖石物理特性進(jìn)行了相關(guān)研究[1-5]。研究表明,頁(yè)巖的孔徑分布對(duì)巖石物理特性如力學(xué)特性和電學(xué)特性有巨大影響[6-7],并且在滲透率與孔隙度相關(guān)性中起著重要作用[8]。目前已有多種測(cè)試方法被用于頁(yè)巖巖石物理特性研究,如高壓壓汞(MICP)、N2與CO2吸附、小角度中子散射技術(shù)(SANS/USANS)、高分辨率掃描電子顯微鏡(SEM)和微/納米CT[9-11]。然而這些方法也存在局限和不足。N2吸附不能很好地表征頁(yè)巖中大孔隙和微裂縫。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)通常用于分析中孔隙和大孔隙。此外,汞侵入可能破壞頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu),從而影響測(cè)量結(jié)果的可靠性。氬離子拋光-掃描電鏡只能用于觀察頁(yè)巖樣品的局部孔隙特征,不能反映孔隙和微裂縫的空間分布。此外,拋光過程中會(huì)破壞頁(yè)巖樣品孔隙結(jié)構(gòu),人為產(chǎn)生大量的孔隙和微裂縫,導(dǎo)致得到的孔隙度、孔徑存在較大的誤差。相比較而言,利用核磁共振(NMR)與頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)(SIP)研究頁(yè)巖的巖石物理特性具有快速、無損和結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì),避免了人為破壞孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致結(jié)果誤差較大的弊端。因此,眾多學(xué)者已經(jīng)將NMR和SIP的地球物理方法應(yīng)用到頁(yè)巖巖石物理研究之中。劉志軍等[12]利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)對(duì)不同溫度下飽和水與離心狀態(tài)下?lián)犴樀貐^(qū)頁(yè)巖的可動(dòng)流體T2截止值、束縛流體孔隙度、飽和流體孔隙度等孔隙參數(shù)進(jìn)行研究,定量評(píng)價(jià)了頁(yè)巖隨溫度升高其孔隙結(jié)構(gòu)的連通性演化規(guī)律;李軍等[13]利用核磁共振技術(shù)對(duì)不同壓力下飽和甲烷氣的巖心樣品進(jìn)行測(cè)試,觀測(cè)核磁共振T2譜隨壓力的變化特征,確定了頁(yè)巖中游離氣與吸附氣在孔隙中的位置,并進(jìn)行定量評(píng)價(jià);李志清等[14]利用核磁共振技術(shù)對(duì)頁(yè)巖納米孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了詳細(xì)研究,探測(cè)了不同孔徑尺度下的頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu);姚艷斌等[15]基于四川盆地海相頁(yè)巖的低場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn),從頁(yè)巖的孔隙度、滲透率、孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)及甲烷吸附能力出發(fā),介紹了核磁共振技術(shù)在頁(yè)巖儲(chǔ)層物性與流體特征研究中的應(yīng)用。自從SMITH在1943年觀測(cè)到巖石的激發(fā)極化現(xiàn)象,頻譜激發(fā)實(shí)驗(yàn)一直都是研究巖石復(fù)雜物理特性的重要手段。FRASER等[16]在0.1～1000.0Hz電導(dǎo)率頻率下開展了巖石礦化類型識(shí)別研究,通過電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確識(shí)別了巖石的礦化類型;DAVID等[17]通過巖石復(fù)電阻率研究,探明了不同類型孔隙流體對(duì)巖石復(fù)電阻率的影響機(jī)理;VLADIMIR等[18]利用頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)測(cè)量了包括頁(yè)巖在內(nèi)的不同類型的泥巖的復(fù)電阻率,研究表明頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確表征包括頁(yè)巖在內(nèi)的多種泥巖的孔隙特征,在未來非常規(guī)儲(chǔ)層勘探研究中具有重要的指導(dǎo)作用;REVIL[19]利用斯特恩層極化模型研究了泥頁(yè)巖的復(fù)電導(dǎo)率的各向異性包括地層因素、孔隙彎曲度等多種因素,以及TOC含量對(duì)復(fù)電阻率的影響;YU等[20]在開展南方頁(yè)巖氣研究過程中,通過頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)探究了頁(yè)巖復(fù)電阻率對(duì)頁(yè)巖礦物含量的響應(yīng)特征;向葵等[21]通過開展頁(yè)巖復(fù)電阻率研究,探明了復(fù)電阻率頻散特性對(duì)頁(yè)巖有機(jī)碳含量的響應(yīng)特征,確定了利用頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)研究頁(yè)巖儲(chǔ)層的可行性。

近年來,隨著我國(guó)四川盆地奧陶系五峰組—志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖的工業(yè)化開采,越來越多的學(xué)者聚焦于我國(guó)南方頁(yè)巖的研究,而湘西北下寒武統(tǒng)頁(yè)巖因其埋藏深度大、有機(jī)碳含量高、熱演化程度比龍馬溪組頁(yè)巖更高,因此,下寒武統(tǒng)頁(yè)巖孔隙特征比志留統(tǒng)頁(yè)巖的孔隙特征更加復(fù)雜。馮光俊[22]利用高溫高壓甲烷吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)合電鏡觀察對(duì)湘西北下寒武統(tǒng)頁(yè)巖的孔隙類型進(jìn)行了劃分,并分析了微孔隙對(duì)頁(yè)巖氣的吸附機(jī)理;趙俊斌等[23]利用掃描電鏡和壓汞實(shí)驗(yàn)對(duì)湘西北牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙特征進(jìn)行了研究,分析了孔隙度、平均孔徑、孔體積、比表面積,簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)了頁(yè)巖的儲(chǔ)集性和吸附性;姜文等[24]通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)開展了湘西北牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià),分析了牛蹄塘組頁(yè)巖吸附機(jī)理。但這些研究手段單一且有破壞孔隙結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn),缺乏對(duì)比性研究。目前尚未有學(xué)者利用NMR與SIP對(duì)寒武系頁(yè)巖孔滲特征開展研究,因此,本次研究引入一種結(jié)合NMR和SIP的綜合方法,定量表征孔隙屬性對(duì)頁(yè)巖的NMR響應(yīng)和SIP電學(xué)特性的影響。為了探究NMR與SIP在頁(yè)巖中的巖石物理響應(yīng)特征,本次研究挑選了下寒武統(tǒng)牛蹄塘組的頁(yè)巖樣品,通過對(duì)樣品進(jìn)行低場(chǎng)核磁共振測(cè)試,獲得樣品的橫向弛豫分布與NMR孔隙度,并定量表征了頁(yè)巖的孔徑分布,結(jié)合掃描電鏡照片及孔滲測(cè)試,對(duì)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖的孔隙特征進(jìn)行了詳細(xì)研究。此外,在0.1～10000.0Hz的頻率范圍內(nèi)對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行了頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn),詳細(xì)分析了下寒武統(tǒng)頁(yè)巖的電導(dǎo)率、相位、頻率與孔隙度、滲透率、比表面積之間的關(guān)系,探討了下寒武統(tǒng)頁(yè)巖的巖石物理特性,為后續(xù)頁(yè)巖氣勘探和開發(fā)提供了指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 核磁共振

核磁共振測(cè)試的獨(dú)特之處在于對(duì)樣品是非破壞性測(cè)試,并且能夠提供準(zhǔn)確、可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果。核磁共振是基于對(duì)氫原子核有直接敏感性,從而產(chǎn)生弛豫現(xiàn)象。因此,核磁共振的基本原理是原子核在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的物理運(yùn)動(dòng)。核磁共振的弛豫過程分別會(huì)產(chǎn)生縱向弛豫時(shí)間(T1)和橫向弛豫時(shí)間(T2)。在90°脈沖刺激下,會(huì)發(fā)生狹義的弛豫過程,橫向弛豫時(shí)間會(huì)與橫向磁化強(qiáng)度Mxy的振幅形成時(shí)間函數(shù),得到如下關(guān)系:

(1)

式中:M0,xy是t=0時(shí)的橫向磁化強(qiáng)度;t是實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間;T2是橫向弛豫時(shí)間。通常有3種不同的機(jī)制會(huì)影響核磁共振的時(shí)間衰減,分別是以橫向弛豫時(shí)間為主的體弛豫時(shí)間T2B;以有效弛豫時(shí)間為代表的表面弛豫時(shí)間T2S;以異質(zhì)性弛豫為代表的擴(kuò)散馳豫時(shí)間T2D。3種機(jī)制對(duì)NMR時(shí)間衰減的影響是平等的,因此總弛豫時(shí)間可以由3種影響機(jī)制表示。同時(shí),將M0,xy的振幅以對(duì)數(shù)坐標(biāo)的形式作為T2的函數(shù)帶入總弛豫時(shí)間方程中,最終獲得總弛豫時(shí)間方程如下[25-26]:

(2)

式中:ρ2是對(duì)應(yīng)于增強(qiáng)表面弛豫能力的表面弛豫率;S是孔隙的表面積;V是孔隙的體積;TE是自旋回波序列脈沖實(shí)驗(yàn)(Carr-Purcell-Meiboom-Gill,CPMG)序列的回波間隔時(shí)間;γ是氫原子核的旋磁比,其值取決于流體類型;G是有效磁場(chǎng)梯度;D0是吸附質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)。由于頁(yè)巖具有復(fù)雜的孔隙系統(tǒng),孔徑普遍較小,可達(dá)到納米級(jí)別,因此,在對(duì)頁(yè)巖開展核磁共振研究時(shí),體積流體貢獻(xiàn)1/T2B遠(yuǎn)小于表面貢獻(xiàn)1/T2S,使其自身可忽略不計(jì)。同時(shí),本次研究使用的儀器磁場(chǎng)強(qiáng)度較低,為2MHz,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的有效磁場(chǎng)梯度較小,CPMG脈沖序列的回波時(shí)間較短,擴(kuò)散部分的貢獻(xiàn)也可以忽略[27]。因此,T2通?？梢酝ㄟ^表面弛豫來近似估計(jì):

(3)

式中:a是無量綱幾何相關(guān)因子,對(duì)于片狀孔a=1,對(duì)于圓柱形孔a=2,對(duì)于球形孔a=3;r是樣品的孔徑特征,如球形孔,r是頁(yè)巖樣品孔徑。顯然,T2與S/V(表面積與體積比,將在下面顯示為Spor)、孔徑成正比。通過確定橫向弛豫時(shí)間T2、表面弛豫率及幾何形狀因子,可以根據(jù)公式(3)計(jì)算出孔徑分布[28]。

1.2 頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)

頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)是探測(cè)多孔介質(zhì)中發(fā)生低頻極化機(jī)制的地球物理測(cè)量方法。除了傳統(tǒng)直流法測(cè)量的孔隙流體電導(dǎo)率外,復(fù)合電導(dǎo)率對(duì)晶粒-液體界面的電容性質(zhì)更敏感。電容特性由表面電化學(xué)和表面幾何特性控制。電中性原理引起離子被吸引并累積在晶粒表面上,形成復(fù)雜的電層?，F(xiàn)有的理論模型將電化學(xué)誘導(dǎo)層定義為雙電層[29],即尾層和擴(kuò)散層。由于雙電層中離子的可移動(dòng)性差,當(dāng)對(duì)樣品施加電場(chǎng)時(shí),雙電層中的離子不能遷移出來,而是在表面上切向移動(dòng)。當(dāng)撤去電場(chǎng)后,離子要恢復(fù)原始狀態(tài),這時(shí)可以觀察到兩個(gè)電位電極之間的電壓不會(huì)立即降至0[30],這種現(xiàn)象稱為激發(fā)極化現(xiàn)象。復(fù)電導(dǎo)率σ*與孔隙空間中的離子傳導(dǎo)及顆粒邊界的激發(fā)極化現(xiàn)象有關(guān)。通常,孔隙度與復(fù)電導(dǎo)率的關(guān)系是通過Archie公式獲得,并且根據(jù)離子傳導(dǎo)情況,將復(fù)電導(dǎo)率分解為電導(dǎo)率實(shí)部σ′和電導(dǎo)率虛部σ″。三者之間的關(guān)系可以表達(dá)如下:

(4)

式中:ρ*(f)是頻率為f時(shí)的電阻率;f是頻率;i是虛部的數(shù)量。電導(dǎo)率|σ|與相位φ可以通過電導(dǎo)率實(shí)部與虛部計(jì)算獲得:

(5)

(6)

電阻率的實(shí)部ρ′與虛部ρ″可以通過電阻率|ρ|與兩個(gè)電極之間的相位φ計(jì)算得到。在角坐標(biāo)中,ρ′與ρ″由(7)式和(8)式獲得:

ρ′=cos(-φ)|ρ|

(7)

ρ″=sin(-φ)|ρ|

(8)

最終復(fù)電導(dǎo)率表達(dá)如下:

(9)

根據(jù)Archie定律,地層因子F代表通過有效流體連接的孔隙度,而復(fù)電導(dǎo)率可以解釋為電阻率與地層因子F有關(guān)的參數(shù),因此,Archie將地層因子定義為:

(10)

其中,σ0為飽和流體樣品的初始電導(dǎo)率,σf是頻率為f時(shí)的電導(dǎo)率,F=Φ-m,Φ是孔隙度,m是Archie公式中的膠結(jié)指數(shù),對(duì)于固結(jié)巖樣,m取值1.5～2.0。然而膠結(jié)指數(shù)m取決于顆粒和孔隙的幾何形狀及粗糙度,這使得m的取值范圍可以低至1.3或高于4.0。

2 實(shí)驗(yàn)方案及選樣

2.1 NMR與SIP測(cè)試

本次研究核磁共振測(cè)試使用的是2MHz的Magritek Ltd巖心分析儀。為了準(zhǔn)確獲取微孔信息,通過不斷調(diào)整參數(shù)與測(cè)試反演模型,最終采用回波間隔為0.069ms,等待時(shí)間為1500ms的CPMG脈沖序列及由MAGRITEK LTD提供的自由感應(yīng)衰減信號(hào)(Free Induction Decay,FID)曲線的多點(diǎn)反演算法研究頁(yè)巖的孔隙屬性。FID曲線的多點(diǎn)反演算法是基于非負(fù)最小二乘(NNLS)反演算法而來。正則化參數(shù)(也稱平滑參數(shù))從L曲線導(dǎo)出。核磁共振測(cè)試的結(jié)果包括橫向弛豫時(shí)間T2、進(jìn)一步反映T2特征值的對(duì)數(shù)平均值T2ML、NMR孔隙度及利用T2分布計(jì)算的孔徑分布。頻譜激發(fā)極化測(cè)試使用的是Ontash Ermac Inc 頻譜激電測(cè)試儀,所有樣品的測(cè)試頻率為0.1～10000.0Hz,以確保測(cè)試數(shù)據(jù)可以覆蓋整個(gè)孔徑分布,特別是納米孔隙。相位移動(dòng)的下限是0.2mrad,參考電阻率為10kΩ·m,這與頁(yè)巖樣品的阻抗數(shù)量級(jí)接近,并且有望提供最佳的信噪比。樣品兩端的夾持器構(gòu)建為有Ag/AgCl電極的改良Wenner陣列。測(cè)試數(shù)據(jù)阻抗和相位移動(dòng)可以使用幾何因子(以m為單位)轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)率的實(shí)部σ′和虛部σ″。幾何因子是樣品的接觸面的表面積除以兩個(gè)電位之間的距離。為了確保頻譜激發(fā)極化測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性,本次測(cè)試電導(dǎo)率的實(shí)部與虛部特征值均來自于頻率為1Hz的σ′譜與σ″譜。

2.2 樣品信息

本次研究從湘西北地區(qū)選取實(shí)驗(yàn)樣品20個(gè),其中CY1井11個(gè),HY1井9個(gè)。CY1井與HY1井位于川東湘西斷褶帶上,鄰近保靖—慈利斷裂,受斷裂所控制的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大,經(jīng)歷了武陵期—燕山期多期次壓扭性構(gòu)造運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生了強(qiáng)烈的褶皺及抬升剝蝕,嚴(yán)重影響了頁(yè)巖氣的富集與保存(圖1)。本次研究實(shí)驗(yàn)樣品取自兩口鉆井位于下寒武統(tǒng)牛蹄塘組的巖心小柱(圖2)。所有樣品進(jìn)行了XRD衍射實(shí)驗(yàn)、氦氣孔滲測(cè)試,獲得了巖心的巖相、氦氣孔隙度與滲透率等信息,部分樣品進(jìn)行了氬離子拋光掃描電鏡觀察。此外,所有樣品在70℃恒溫箱中進(jìn)行干燥處理,并將樣品置于去離子水與0.01mol/L氯化鈉鹽水中進(jìn)行真空加壓飽和,使得樣品分別飽和去離子水與氯化鈉鹽水。在樣品飽和流體之后,將樣品固定在相同的巖心夾持器中靜置72h直至樣品電導(dǎo)率穩(wěn)定不變(通常情況下,電導(dǎo)率穩(wěn)定在0.096～0.115S/m)。將樣品用Teflon膠帶包裹以避免液體流失并降低核磁共振測(cè)試時(shí)的背景噪聲。隨后,用半膜與凝硅膠密封樣品,進(jìn)行核磁共振與頻譜激發(fā)極化測(cè)試。樣品的詳細(xì)信息及測(cè)試結(jié)果見表1。

圖1 研究區(qū)井位分布

圖2 湘西北牛蹄塘組HY1井(a)與CY1井(b)分布[31]

表1 樣品信息及測(cè)試數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 NMR孔隙度與T2分布

將HY1井與CY1井NMR測(cè)試孔隙度與氦氣孔隙度進(jìn)行對(duì)比,整體來看,NMR測(cè)試孔隙度與氦氣孔隙度相關(guān)性較好,R2=0.94,說明NMR測(cè)試孔隙度真實(shí)準(zhǔn)確(圖3)。此外,NMR測(cè)試孔隙度比氦氣孔隙度略高,根據(jù)兩種測(cè)試方法的原理,這是可以接受的。NMR孔隙度由等效水含量計(jì)算,意味著核磁共振計(jì)算的孔隙度是孔隙飽和狀態(tài)的函數(shù)。本次研究中,對(duì)下寒武系頁(yè)巖進(jìn)行了礦物組分分析,發(fā)現(xiàn)HY1井與CY1井頁(yè)巖含有大量黏土礦物,最高可達(dá)60%(表2)。在完全飽和水的狀態(tài)下,水與黏土礦物會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致黏土礦物過度吸水[32,25],這就導(dǎo)致NMR測(cè)試孔隙度略高于真實(shí)孔隙度。此外,該研究中的頁(yè)巖樣品具有較小的平均孔徑,平均為2.8nm(表2),而氮和氧分子的直徑為0.3nm。如此小的喉部半徑使得微小的喉部容易吸附空氣中的氧氣和氮?dú)夥肿硬⒈蛔枞?。?dāng)喉部?jī)蓚?cè)之間的壓力差不足以克服吸附分子的障礙時(shí),氦氣停止進(jìn)入喉部另一側(cè)的微孔,系統(tǒng)達(dá)到“平衡”。此時(shí)并不是一個(gè)真正理想的平衡狀態(tài),測(cè)得的壓力高于理想的平衡壓力,導(dǎo)致計(jì)算出的氦氣孔隙度略低[33]。從單井來看,HY1井NMR孔隙度分布在2.83%～3.79%,平均為3.12%;CY1井NMR孔隙度分布在3.96%～6.63%,平均為4.56%,顯然CY1井NMR孔隙度略大于HY1井孔隙度(表1)。

圖3 NMR孔隙度與氦氣孔隙度響應(yīng)關(guān)系

表2 頁(yè)巖樣品礦物組分及平均孔徑

分別從HY1井與CY1井的橫向弛豫時(shí)間分布譜中選擇6個(gè)最具代表性的T2分布,如圖4所示。弛豫時(shí)間以ms為單位,信號(hào)幅度無量綱值,僅反映信號(hào)強(qiáng)度。相比之下,HY1井和CY1井頁(yè)巖樣品的T2弛豫分布存在顯著差異。HY1井的信號(hào)幅度普遍較低,分布在0.05～0.09,T2表現(xiàn)為多峰分布,存在2～3個(gè)峰值,其中左側(cè)的峰值最大,集中分布在1ms處,另外2處峰分布在20～80ms與200～400ms處,峰與峰之間不連續(xù),有明顯的波谷(圖4a)。CY1井信號(hào)幅度較大,分布在0.12～0.16,普遍表現(xiàn)為多峰分布,左側(cè)峰值最大,對(duì)應(yīng)弛豫時(shí)間在1～5ms,峰值分布較為分散,且其它峰分布時(shí)間大于50ms,部分右峰大于200ms,峰與峰之間無明顯波谷,且多峰連接處信號(hào)幅度較大(圖4b)。信號(hào)幅度和T2峰值的分布與孔隙度具有非常好的一致性,HY1井頁(yè)巖的信號(hào)幅度較低,說明其缺乏與較低孔隙度相關(guān)的孔隙空間,而CY1井頁(yè)巖樣品的信號(hào)幅度較高,說明發(fā)育了比HY1井更多的孔隙,提供了更多的孔隙空間。此外,T2分布與孔徑分布在NMR測(cè)試中也有非常好的一致性,每個(gè)橫向弛豫時(shí)間代表了孔徑大小,即較長(zhǎng)的橫向弛豫時(shí)間代表較大孔徑,較短的橫向弛豫時(shí)間代表較小的孔徑[34-36]。

圖4 下寒武統(tǒng)HY1井(a)與CY1井(b)不同樣品核磁共振T2分布

HY1井與CY1井左側(cè)最高峰都分布在1ms處,表明兩口井頁(yè)巖樣品都發(fā)育大量微孔,其中HY1井左峰分布集中,說明微孔孔徑變化不大,孔隙形態(tài)均一,微孔類型較為簡(jiǎn)單;而CY1井左峰分布不集中,說明微孔發(fā)育類型復(fù)雜,形態(tài)多樣?；赥2分布的形狀將T2譜分為連續(xù)多峰T2分布(無明顯波谷,如CY1井)與不連續(xù)多峰T2分布(有明顯波谷,如HY1井)。前者表明樣品在微孔與中孔、大孔之間具有較好的連通性,而后者表明樣品中的孔隙相對(duì)封閉,微孔與中孔、大孔之間的連通性較差。通過掃描電鏡觀察,兩口鉆井的頁(yè)巖中微裂縫相對(duì)發(fā)育良好。圖5為下寒武統(tǒng)頁(yè)巖掃描電鏡照片。由圖5 可以看出,CY1井頁(yè)巖中的微裂縫增加了孔隙之間的連通性并改善了頁(yè)巖的滲透性,微裂縫連接微孔隙和大孔隙(圖5a至圖5f),有助于氣體的擴(kuò)散。相比之下,對(duì)于具有不連續(xù)多峰T2分布的HY1井頁(yè)巖,雖然樣品中存在一定數(shù)量的大孔隙或微裂縫,但連通性差,氣體擴(kuò)散困難(圖5g至圖5i)。鑒于上述情況,裂縫發(fā)育狀況及連通性是影響低孔隙度頁(yè)巖滲透率的主要因素,如果孔隙度較低,但發(fā)育連通孔隙的裂縫,則滲透率也會(huì)很高,這與本研究中HY1井與CY1井頁(yè)巖的孔隙度和滲透率現(xiàn)象一致(圖6)。

圖5 下寒武統(tǒng)頁(yè)巖掃描電鏡照片a～f CY1井不同深度巖心掃描電鏡照片(深度分別為2457.6,2464.1,2488.5,2648.9,2651.2,2687.2m); g～i HY1井不同深度巖心掃描電鏡照片(深度分別為2503.1,2513.2,2533.6m)

圖6 下寒武統(tǒng)HY1井與CY1井頁(yè)巖氦氣孔隙度與滲透率相關(guān)關(guān)系(1mD≈0.987×10-3μm2)

3.2 NMR計(jì)算孔徑分布與Spor

采用公式(3)可以得到T2分布與表面弛豫率ρ2、幾何形狀因子a及孔徑分布r的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過核磁共振測(cè)試已經(jīng)得到頁(yè)巖樣品的T2分布,根據(jù)前人對(duì)寒武系頁(yè)巖掃描電鏡觀察結(jié)果,HY1井孔隙形狀多為球形孔[37],因此幾何因子取值3,而CY1井孔隙形狀多樣,介于柱形孔與球形孔之間[37],因此幾何因子取值2.5。本次研究通過選取部分頁(yè)巖進(jìn)行400MPa高壓壓汞實(shí)驗(yàn)確定的孔徑分布與核磁共振測(cè)試的T2分布進(jìn)行擬合,從而獲得準(zhǔn)確的表面弛豫率,HY1井表面弛豫率取值1.056nm/ms,CY1井取值0.578nm/ms。根據(jù)得到的HY1井與CY1井幾何形狀因子與表面弛豫率,結(jié)合核磁共振測(cè)試得到的T2分布,最終得到了兩口井的孔徑分布,如圖7所示。HY1井頁(yè)巖孔徑主要分布在1～10nm,還有部分孔徑分布在80～200nm及1μm處(圖7a),而CY1井孔徑主要分布在1～50nm,大孔隙與微裂縫孔徑主要分布在大于1μm處(圖7b)。根據(jù)IUPAC提供的孔隙分類方案,HY1井與CY1井普遍發(fā)育大量的微孔隙與中孔隙,HY1井發(fā)育適量大孔隙與微裂縫,而CY1井廣泛發(fā)育微裂縫。造成這種現(xiàn)象的原因主要是牛蹄塘組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量高,歷史時(shí)期最大埋深大,高溫高壓導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)快速生烴,發(fā)育大量的有機(jī)孔[38-39],而有機(jī)孔是微孔隙與中孔隙的主要來源,因此,兩口井微孔隙與中孔隙廣泛發(fā)育。

同時(shí),根據(jù)公式(3)也可以利用T2分布計(jì)算出孔隙表面積與體積之比Spor。如果將Spor特征值與孔徑對(duì)應(yīng)起來,就可以利用核磁共振測(cè)試得到的T2ML計(jì)算Spor。主要依據(jù)是因?yàn)榭紫侗砻娣e與體積之比Spor包含了孔隙的幾何形狀和孔隙大小的特征信息[40],其與表面電導(dǎo)率等電學(xué)性質(zhì)有關(guān)。由表1可以看出,HY1井與CY1井頁(yè)巖有相似的Spor值,對(duì)于孔隙度、孔徑、孔隙形態(tài)有差異的頁(yè)巖樣品,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是孔隙表面與顆粒表面的粗糙度影響了頁(yè)巖的巖石物理性質(zhì)。從理論上來說,孔隙度相同,Spor值越高,表面越粗糙。特別是在頁(yè)巖中,成巖作用會(huì)使巖石表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜。下寒武統(tǒng)地層經(jīng)歷了較強(qiáng)的成巖作用,這意味著下寒武統(tǒng)地層發(fā)育的頁(yè)巖傾向于具有較粗糙的巖石表面。因此,復(fù)雜的巖石表面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致Spor值相似的頁(yè)巖的孔徑存在差異,而微孔隙到大孔隙都有發(fā)育的頁(yè)巖,T2ML和Spor這兩個(gè)參數(shù)并未顯示出明顯的差異。相反,僅對(duì)有效流體路徑敏感的滲透率和電導(dǎo)率的實(shí)部顯示出不同頁(yè)巖之間的差異。

圖7 下寒武統(tǒng)HY1井(a)與CY1井(b)不同樣品孔徑分布

3.3 復(fù)合電導(dǎo)率

利用頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)分別計(jì)算出HY1井與CY1井巖樣的相位,通過觀察不同頻率條件下相位的變化特征,研究下寒武統(tǒng)頁(yè)巖的相移譜。由相移譜(圖8)可以看出,兩口井頁(yè)巖都沒有明顯的峰值頻率可以作為特征頻率,且隨著頻率的增加,相位逐漸減小,在1000～10000Hz處,相位出現(xiàn)了明顯的谷值,說明此時(shí)電信號(hào)發(fā)生了突變。REVIL等[41]在研究碳酸鹽巖時(shí)也發(fā)現(xiàn)了相似的相移譜特征,在特低孔滲樣品中利用1Hz處的數(shù)據(jù)點(diǎn)代表特征數(shù)據(jù),較好地研究了低孔滲樣品的巖石物理特性。因此,本次研究過程中,涉及到孔隙特征研究的電導(dǎo)率實(shí)部與虛部數(shù)據(jù)都是在1Hz處存在特征值,如圖9所示,下寒武統(tǒng)頁(yè)巖電導(dǎo)率的實(shí)部隨頻率的增加先增加再逐步趨于不變,且兩口井的電導(dǎo)率實(shí)部數(shù)據(jù)沒有明顯的分界線,除HY1井一塊樣品表現(xiàn)出了較低的電導(dǎo)率實(shí)部值以外,其它頁(yè)巖樣品的電導(dǎo)率實(shí)部值分布集中。電導(dǎo)率虛部數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了與電導(dǎo)率實(shí)部數(shù)據(jù)明顯不同的分布特征,整體上電導(dǎo)率虛部值先隨著頻率的增加逐漸減小,隨后趨于不變。但HY1井的一塊樣品(深度2553.9m)與CY1井的一塊樣品(深度2689.3m)表現(xiàn)出了異常分布特征,HY1井異常樣品的電導(dǎo)率虛部表現(xiàn)出隨頻率增加先緩慢減小后快速減小,最后趨于不變的特征,CY1井異常樣品的電導(dǎo)率虛部表現(xiàn)出隨頻率增加先緩慢增加后快速減小,最后趨于不變的特征。導(dǎo)致這兩塊樣品出現(xiàn)異常分布特征的原因可能是有機(jī)碳及黃鐵礦含量較高,而有機(jī)碳發(fā)育大量微孔隙,不僅會(huì)引起較高的束縛水飽和度,同時(shí)會(huì)大大增加巖石內(nèi)部的比表面積,進(jìn)而增加巖石的陽(yáng)離子交換量。另外,黃鐵礦本身是良好導(dǎo)體,黃鐵礦含量的增加有助于巖樣低電阻的形成并產(chǎn)生極化。較高含量的有機(jī)碳和黃鐵礦導(dǎo)致頁(yè)巖的導(dǎo)電性發(fā)生突變,會(huì)表現(xiàn)出與其它頁(yè)巖樣品不同的分布特征。

圖8 下寒武統(tǒng)HY1井(a)與CY1井(b)不同頁(yè)巖樣品計(jì)算相位與頻率響應(yīng)關(guān)系

圖9 下寒武統(tǒng)不同頁(yè)巖樣品電導(dǎo)率實(shí)部(a)、電導(dǎo)率虛部(b)與頻率響應(yīng)關(guān)系

圖10a和圖10b分別顯示了1Hz處頁(yè)巖NMR孔隙度、滲透率與電導(dǎo)率實(shí)部的關(guān)系。如果將HY1井與CY1井?dāng)?shù)據(jù)作為一個(gè)整體,其顯示出較為離散的分布特征。由于HY1井與CY1井孔隙度大約在4%處存在明顯的分界,因此當(dāng)分開觀察時(shí),HY1井與CY1井的電導(dǎo)率實(shí)部表現(xiàn)出了不同的分布特征。HY1井電導(dǎo)率實(shí)部由0.14S/m變化到0.28S/m,CY1井電導(dǎo)率實(shí)部分布在0.13～0.29S/m,兩口鉆井的電導(dǎo)率實(shí)部都均勻分布,沒有明顯的區(qū)別,造成這種特征的原因是HY1井與CY1井分布在同一地層,頁(yè)巖孔隙類型相似,而電導(dǎo)率實(shí)部直接揭示了巖石孔隙類型特征,因此,針對(duì)孔隙類型相似的頁(yè)巖表現(xiàn)出了相似的電導(dǎo)率實(shí)部分布特征。圖10c和圖10d分別顯示了1Hz處頁(yè)巖的NMR孔隙度、滲透率與電導(dǎo)率虛部的關(guān)系。兩口鉆井頁(yè)巖樣品的電導(dǎo)率虛部表現(xiàn)出了明顯不同的分布特征,在HY1井的頁(yè)巖樣品中,電導(dǎo)率的虛部表現(xiàn)出了較為集中的分布特征,

圖10 下寒武統(tǒng)兩井頁(yè)巖電導(dǎo)率實(shí)部與NMR孔隙度(a)、滲透率(b)響應(yīng)關(guān)系及電導(dǎo)率虛部與NMR孔隙度(c)、滲透率(d)響應(yīng)關(guān)系

其值主要分布在0.026～0.036S/m,而CY1井頁(yè)巖樣品的電導(dǎo)率虛部表現(xiàn)出較為分散的分布特征,其值主要分布在0.002～0.055S/m。造成這種差異的原因可能是HY1井與CY1井頁(yè)巖的孔隙復(fù)雜程度不同,HY1井頁(yè)巖的孔徑分布集中,孔隙幾何形狀一致,孔隙連通性差,孔隙復(fù)雜程度較低;而CY1井孔徑變化較大,孔隙幾何形狀多樣,孔隙連通性好,孔隙復(fù)雜,而電導(dǎo)率虛部直接反映了巖石孔隙的復(fù)雜程度。因此,針對(duì)孔隙復(fù)雜程度存在差異的頁(yè)巖表現(xiàn)出了截然不同的電導(dǎo)率虛部分布特征[24]。

3.4 電學(xué)特征及物性評(píng)價(jià)

聯(lián)合NMR與SIP開展研究區(qū)頁(yè)巖孔滲特征研究。由圖6可知,研究區(qū)頁(yè)巖孔隙度與滲透率相關(guān)性較差,這可能與頁(yè)巖孔隙類型及對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)有關(guān)。為了探明影響頁(yè)巖孔隙度及滲透率的因素,開展了研究區(qū)比表面積Spor與孔隙度、滲透率響應(yīng)關(guān)系研究。如圖11a所示,研究區(qū)NMR孔隙度與比表面積Spor相關(guān)性很好,比表面積隨著孔隙度的增加而增加,說明研究區(qū)孔隙以吸附孔為主,能夠提供大面積吸附空間,而頁(yè)巖中粘土礦物粒間孔、粒內(nèi)孔及有機(jī)質(zhì)孔隙可以提供大量吸附空間,增加頁(yè)巖的比表面積,且由表2可知,研究區(qū)頁(yè)巖粘土礦物及有機(jī)碳含量普遍較高,這就提供了大量的吸附孔隙。而研究區(qū)比表面積Spor與滲透率相關(guān)性較差(圖11b),說明提供比表面積的吸附孔隙對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)不大,而研究區(qū)除了發(fā)育吸附孔隙以外,還有大量的微裂縫發(fā)育,且微裂縫發(fā)育的HY1井頁(yè)巖的孔隙度雖然低,但滲透率卻很高,這說明研究區(qū)微裂縫的發(fā)育是影響滲透率的主要因素?？紫抖扰c滲透率的關(guān)系在電學(xué)特性上也有體現(xiàn),由圖10可知,HY1井的孔隙度和滲透率與σ″之間存在線性關(guān)系,而CY1井的孔隙度和滲透率與σ″之間表現(xiàn)出了雜亂分布的特征,說明CY1井頁(yè)巖含有影響電學(xué)特性的成分,通過對(duì)比HY1井與CY1井礦物組分,發(fā)現(xiàn)CY1井頁(yè)巖有機(jī)碳及黃鐵礦的含量比HY1井高,而頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔隙是微孔隙的主要貢獻(xiàn)者,這些微孔隙的發(fā)育不僅會(huì)引起較高的束縛水飽和度,同時(shí)會(huì)大大增加巖石內(nèi)部的比表面積,進(jìn)而增加巖石的陽(yáng)離子交換量。而黃鐵礦是良好的電子導(dǎo)體,屬于極化性礦物,能夠潛在地引起巖石骨架導(dǎo)電,黃鐵礦含量的增加有助于巖樣低電阻的形成并產(chǎn)生極化。當(dāng)頁(yè)巖中黃鐵礦含量較低,只是零星分布在孔隙當(dāng)中時(shí),對(duì)頁(yè)巖導(dǎo)電性的影響相對(duì)較小;但是黃鐵礦本身具有較高的陽(yáng)離子交換能力,當(dāng)黃鐵礦含量較高時(shí),對(duì)頁(yè)巖導(dǎo)電性的影響比較明顯。由圖11c 和圖11d可以看出,CY1井有機(jī)碳、黃鐵礦含量都與σ″之間存在線性關(guān)系;HY1井有機(jī)碳、黃鐵礦含量都與σ″之間無明顯相關(guān)性,這說明有機(jī)碳和黃鐵礦的存在是導(dǎo)致兩口井頁(yè)巖電學(xué)特性差異的主要原因。

圖11 下寒武統(tǒng)頁(yè)巖比表面積Spor與NMR孔隙度(a)、滲透率(b)響應(yīng)關(guān)系及電導(dǎo)率虛部與有機(jī)碳(c)、黃鐵礦(d)含量響應(yīng)關(guān)系

前人研究認(rèn)為,在固結(jié)砂巖和未固結(jié)砂-粘土混合樣品中,比表面積Spor和電導(dǎo)率虛部σ″之間存在線性關(guān)系,盡管巖性變化,所有硅質(zhì)碎屑巖應(yīng)遵循相同的線性關(guān)系[42]。為了研究SIP與NMR響應(yīng)之間的相關(guān)性,我們使用T2ML與公式(3)計(jì)算出的S/V代替Spor。根據(jù)σ″與Spor建立的響應(yīng)關(guān)系可以研究頁(yè)巖電學(xué)特征與孔隙空間相關(guān)的比表面積之間的響應(yīng)特征。但是,下寒武統(tǒng)頁(yè)巖的電導(dǎo)率虛部σ″與Spor之間并沒有明顯的相關(guān)性,這與前人的研究有著明顯的不同(圖12a)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是頁(yè)巖具有復(fù)雜的孔隙特征和強(qiáng)烈的各向異性,這使得單一的Spor參數(shù)不能反映頁(yè)巖的電學(xué)特征,因此,要對(duì)這一參數(shù)進(jìn)行校正或改進(jìn)。在阿爾奇公式中,地層因子F是反映巖石孔隙導(dǎo)電特性的參數(shù),其與巖石孔隙度、巖石導(dǎo)電特性有著密切關(guān)系[43]。根據(jù)先前的研究,電導(dǎo)率虛部σ″直接反映了頁(yè)巖孔隙的復(fù)雜程度,且與頁(yè)巖的孔隙特征、電學(xué)特征有著一定的相關(guān)性。因此,本次研究結(jié)合阿爾奇定律與頻譜激發(fā)極化原理,建立起σ″·F與Spor的響應(yīng)關(guān)系。其中F=Φ-m,m是阿爾奇公式中的膠結(jié)指數(shù),本次實(shí)驗(yàn)所用地層水電導(dǎo)率為0.10697S/m,樣品在1KHz下的電導(dǎo)率由巖電實(shí)驗(yàn)求得,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到兩口井地層因子F,再由公式(10)及樣品孔隙度可得到兩口井的膠結(jié)指數(shù),HY1井膠結(jié)指數(shù)為1.586,CY1井膠結(jié)指數(shù)為1.431,并利用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系擬合得到σ″·F與Spor的響應(yīng)關(guān)系(圖12b)。根據(jù)響應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩口井下寒武統(tǒng)頁(yè)巖σ″·F與Spor之間都有著較好的相關(guān)性,表明地層因子F在改變頁(yè)巖電導(dǎo)率的過程中起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中兩口井的σ″·F與Spor的相關(guān)系數(shù)分別為0.81與0.86,這與前人建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系有著非常好的一致性[44],表明將NMR與SIP相結(jié)合估算頁(yè)巖比表面積Spor的方法是可行的。

圖12 下寒武統(tǒng)頁(yè)巖電導(dǎo)率虛部與Spor響應(yīng)關(guān)系(a)及電導(dǎo)率虛部與地層因子的乘積與Spor響應(yīng)關(guān)系(b)

此外,利用NMR孔隙度、滲透率及T2ML的關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖物性評(píng)價(jià)。T2ML直接影響頁(yè)巖的孔徑分布和孔徑大小,較低T2ML的頁(yè)巖樣品通常具有較低的孔隙度和孔徑,相反,較高T2ML的頁(yè)巖樣品傾向于具有較高的孔隙度和孔徑。根據(jù)NMR孔隙度與T2ML的響應(yīng)關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn),HY1井與CY1井的NMR孔隙度在4%處有一個(gè)明顯的分界線,我們定義NMR孔隙度>4%的區(qū)域?yàn)楦呖紫抖葏^(qū)域,NMR孔隙度<4%的區(qū)域?yàn)榈涂紫抖葏^(qū)域,可以發(fā)現(xiàn),T2ML較高的頁(yè)巖樣品位于高孔隙度區(qū)域,而T2ML較低的頁(yè)巖樣品位于低孔隙度區(qū)域。此外,根據(jù)T2ML的數(shù)值,我們將頁(yè)巖樣品的孔隙度與滲透率分成3個(gè)部分,T2ML<1.35ms的為A區(qū),1.35ms2.19ms的為C區(qū)(圖13)。位于A區(qū)的頁(yè)巖樣品,孔隙度較低,普遍低于4%,滲透率較小,以小于0.1mD的頁(yè)巖為主,多發(fā)育微孔,孔徑較小,頁(yè)巖物性較差;位于B區(qū)的頁(yè)巖樣品,孔隙度較高,普遍大于4%,滲透率較低,孔隙類型多樣,孔徑較大,頁(yè)巖物性一般;位于C區(qū)的頁(yè)巖樣品,孔隙度較大,普遍大于4%,滲透率較高,普遍高于1mD,大孔隙與微裂縫廣泛發(fā)育,連通性好,頁(yè)巖物性較好。

圖13 下寒武統(tǒng)頁(yè)巖物性分類

4 結(jié)論

1) 湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖孔隙類型多樣,孔徑主要分布在1～50nm處。其中,HY1井頁(yè)巖的孔徑分布較為集中,以微孔隙與中孔隙為主,大孔隙發(fā)育較少,孔隙連通性較差,CY1井頁(yè)巖的孔徑分布均勻,廣泛發(fā)育大孔隙與微裂縫,孔隙連通性較好。

2) 分析頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖孔隙類型相似,但孔隙復(fù)雜程度不同,HY1井頁(yè)巖的孔徑分布集中,孔隙幾何形狀一致,孔隙復(fù)雜程度較低,而CY1井孔徑變化較大,孔隙幾何形狀多樣,孔隙較為復(fù)雜。

3) 通過核磁共振與頻譜激發(fā)極化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)頁(yè)巖具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu),而微裂縫的存在完全改變了頁(yè)巖的滲透率。此外,地層因子在改變富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖電導(dǎo)率的過程中起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。

4) 根據(jù)NMR孔隙度、滲透率及T2ML劃分出下寒武統(tǒng)頁(yè)巖3個(gè)物性評(píng)價(jià)區(qū),位于A區(qū)的頁(yè)巖樣品,孔隙度較低,滲透率較小,多發(fā)育微孔隙,孔徑小,頁(yè)巖物性較差;位于B區(qū)的頁(yè)巖樣品,孔隙度較高,滲透率較低,孔隙類型多樣,孔徑較大,頁(yè)巖物性一般;位于C區(qū)的頁(yè)巖樣品,孔隙度較大,滲透率較高,大孔隙與微裂縫廣泛發(fā)育,連通性好,頁(yè)巖物性較好。