邵廣輝，高衍武，藺敬旗，吳偉，楊帆，肖華，王先虎，彭宇，曾蕊

1.中國石油集團(tuán)測井有限公司地質(zhì)研究院， 陜西 西安 710000 2.中國石油集團(tuán)測井有限公司新疆分公司， 新疆 克拉瑪依 834000 3.中國石油集團(tuán)測井有限公司制造公司， 陜西 西安 710000 4.中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶分公司， 陜西 西安 710000

近年來，瑪湖凹陷二疊系風(fēng)城組頁巖油作為準(zhǔn)噶爾盆地重要的非常規(guī)接替資源，已成為勘探開發(fā)的熱點(diǎn)。已有研究成果表明[1-4]，研究區(qū)儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微米、納米級(jí)孔隙均有發(fā)育，孔徑分布范圍廣，頁巖油儲(chǔ)層物性及可動(dòng)油豐度受孔隙結(jié)構(gòu)影響大。

對(duì)于頁巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)，前人通常運(yùn)用低溫氮?dú)馕健⒑舜殴舱窦案邏簤汗确椒ㄟM(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)特征分析，利用單一實(shí)驗(yàn)或多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果單獨(dú)分析頁巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征。但受實(shí)驗(yàn)原理的影響，每種實(shí)驗(yàn)所得出的孔隙結(jié)構(gòu)特征在表征上各有利弊[5-7]，單一實(shí)驗(yàn)方法往往只能體現(xiàn)儲(chǔ)層一部分孔隙結(jié)構(gòu)特征，無法全面表征頁巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及其分布范圍，對(duì)于原油賦存狀態(tài)多樣的頁巖油儲(chǔ)層，各類孔隙都存在原油的分布，只評(píng)價(jià)小孔或大孔的孔隙結(jié)構(gòu)不足以滿足儲(chǔ)層吸附油和游離油豐度的評(píng)價(jià)，對(duì)試油及勘探開發(fā)造成不確定性。準(zhǔn)確表征微觀孔隙結(jié)構(gòu)是進(jìn)行頁巖油儲(chǔ)層含油性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。為此，筆者以瑪湖凹陷二疊系風(fēng)城組頁巖油儲(chǔ)層為例，以實(shí)驗(yàn)方法原理為基礎(chǔ)，逐一分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并判斷其在頁巖孔隙結(jié)構(gòu)表征方面上的優(yōu)缺點(diǎn)，最終優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果開展多方法孔隙結(jié)構(gòu)聯(lián)合表征，以期建立頁巖油全孔徑精細(xì)表征方法，為正確認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征及后期頁巖油資源的開發(fā)提供依據(jù)。

1 樣品的基本特征

為了增加不同測試結(jié)果的對(duì)比性，將同一深度點(diǎn)上的頁巖樣品切分成平行樣，分別開展礦物成分、地化特征和氣測孔隙度測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知，頁巖樣品總有機(jī)碳(TOC)含量分布范圍為0.39%～1.07%，氦氣孔隙度分布范圍為2.61%～5.92%。礦物成分以石英與白云石為主，長石含量次之，部分樣品發(fā)育填充堵塞孔隙的方解石，黏土平均含量為6.79%，其他礦物成分含量較少。石英對(duì)儲(chǔ)層孔隙有一定的支撐作用，長石和白云石易發(fā)生溶蝕形成次生孔隙，三者整體含量高的樣本，其孔隙發(fā)育情況要優(yōu)于其他樣品。

表1 頁巖樣品基本信息

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 掃描電鏡

利用Crossbeam550型掃描電鏡儀器對(duì)巖樣進(jìn)行抽提清洗，在樣品表面上用細(xì)聚焦電子束由點(diǎn)到行進(jìn)行掃描，最終利用探測器對(duì)圖像進(jìn)行放大處理，通過不同放大倍數(shù)下的觀察，從而對(duì)微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)孔隙進(jìn)行觀察和分析。

圖像分析結(jié)果顯示，研究區(qū)頁巖樣品的孔隙分為有機(jī)孔和無機(jī)孔兩大類。有機(jī)孔是頁巖有機(jī)組分在生烴過程中在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部或邊緣所產(chǎn)生的孔隙，是頁巖油儲(chǔ)層重要的孔隙類型。如圖1所示，通過不同倍數(shù)觀測到有機(jī)孔形態(tài)多樣，多以近圓形和橢圓形為主，局部發(fā)育狹長型和不規(guī)則狀有機(jī)質(zhì)孔。研究區(qū)頁巖熱演化程度偏低，并不發(fā)育蜂窩狀密集分布的有機(jī)質(zhì)孔隙，多為孤立的形式分布在有機(jī)質(zhì)中，孔徑以納米級(jí)和亞微米級(jí)孔隙為主，少數(shù)狹長型有機(jī)孔可達(dá)到微米級(jí)。

圖1 頁巖樣品有機(jī)孔形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of organic pores in shale samples

無機(jī)孔主要發(fā)育粒間孔、粒內(nèi)孔、黏土層間孔(見圖2)。在長石、石英等礦物顆粒之間或與有機(jī)質(zhì)的交接邊緣處通常發(fā)育粒間孔，以近卵形、三角形或不規(guī)則狀為主，多數(shù)孔徑可達(dá)到數(shù)十至百納米，普遍具有較好的孔隙連通性，是頁巖儲(chǔ)層主要的滲流通道。粒內(nèi)孔發(fā)育在礦物顆粒的內(nèi)部，多數(shù)以點(diǎn)狀分布，尺寸較小。黏土層間孔是黏土礦物之間的孔隙，一般呈狹縫狀，定向平行分布，長度可達(dá)5μm。由于巖石在生長過程中礦物晶體堆積疏松，造成巖樣局部在黃鐵礦、黏土等礦物晶體之間發(fā)育少量晶間孔[8]。其次，由于成巖過程中的壓實(shí)、脫水收縮和重結(jié)晶作用，在無機(jī)礦物基質(zhì)中發(fā)育微裂縫[9]，具有一定的延展性，縫寬在50～580μm范圍內(nèi)，局部微裂縫連接形成縫網(wǎng)，這種縫網(wǎng)在頁巖油運(yùn)移的過程中起到了改善滲流環(huán)境的突出作用。最后，長石與白云石均有溶蝕作用，對(duì)儲(chǔ)層起到增孔的作用，其中長石是溶蝕主體，白云石次之。

圖2 頁巖樣品無機(jī)孔形態(tài)特征Fig.2 Morphological characteristics of inorganic pores in shale samples

2.2 核磁共振

根據(jù)核磁共振原理，在均勻的靜磁場中，巖樣飽和流體時(shí)的氫質(zhì)子由于靜磁場發(fā)生極化而產(chǎn)生磁矢量。同時(shí)，氫質(zhì)子被頻率脈沖激發(fā)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。在去除頻率脈沖后，可以得到幅度隨時(shí)間衰減的信號(hào)[10]。由于儲(chǔ)層孔隙中流體的氫質(zhì)子與孔徑大小呈正相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)得出的橫向弛豫時(shí)間(T2)譜圖能夠展現(xiàn)出儲(chǔ)層孔隙的分布特征。T2越短，孔隙體積越小，反之孔隙體積越大[11,12]。對(duì)研究區(qū)頁巖樣品進(jìn)行長時(shí)間的徹底洗油并烘干，將頁巖樣品模擬飽和原始地層礦化度的水，利用MacroMR12-50H-1核磁共振分析儀最終得到飽和水頁巖樣品的T2譜。

研究區(qū)頁巖樣品T2譜可以分為兩種典型類型：1類和2類(見圖3)。兩種類型均為雙峰特征，說明樣品至少發(fā)育兩種孔隙類型，T2譜圖的左側(cè)峰為微小孔特征峰，右側(cè)峰為中大孔特征峰。1類樣品譜峰的位置在0.1～5ms之間，譜峰靠左，說明該類樣品微小孔發(fā)育較好，中大孔少量發(fā)育；2類樣品譜峰的位置在1～100ms之間，說明微小孔隙不發(fā)育，黏土及毛細(xì)管束縛水含量少，該樣品以發(fā)育中大孔為主。結(jié)合全巖礦物、掃描電鏡及地化實(shí)驗(yàn)分析，1類樣品T2譜整體黏土及有機(jī)質(zhì)含量較高，發(fā)育多種孔隙類型，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有機(jī)孔占其樣品孔隙類型的主導(dǎo)位置；2類樣品T2譜則以無機(jī)孔為主，主要發(fā)育剩余粒間孔及溶蝕孔，中大孔隙發(fā)育，整體物性優(yōu)于1類樣品，但生油能力較弱。

2.3 高壓壓汞

利用PoreMaster-PM33-13型壓汞儀，設(shè)置163MPa為實(shí)驗(yàn)最高壓力，測量研究區(qū)頁巖樣品的進(jìn)汞和退汞曲線。利用進(jìn)汞、退汞曲線，結(jié)合Washburn理論[13]，可計(jì)算出樣品的孔喉大小、孔徑分布及連通性等參數(shù)。

圖4 頁巖樣品壓汞曲線特征Fig.4 Characteristics of mercury injection curve of shale samples

研究區(qū)頁巖樣品整體排驅(qū)壓力大，平臺(tái)段斜率大，進(jìn)汞退汞效率低(見圖4)。進(jìn)汞飽和度平均為38.5%，進(jìn)汞飽和度與壓力呈線性關(guān)系，平臺(tái)段斜率大，分選較差，退汞曲線隨著壓力下降，退汞飽和度并沒有匹配的變化趨勢；當(dāng)壓力下降至極低時(shí)，樣品退汞才出現(xiàn)下降趨勢，最終退汞效率較低表明頁巖樣品的孔隙中仍滯留了大量殘留汞。上述進(jìn)汞和退汞曲線的特征共同表明了研究區(qū)頁巖樣品主要以較小的孔隙網(wǎng)絡(luò)為主，整體喉道細(xì)小，大部分孔隙不連通，孤立孔占比大，這種結(jié)構(gòu)不利于孔隙內(nèi)部流體的運(yùn)移，整體屬于微孔細(xì)喉儲(chǔ)層。由于頁巖樣品整體進(jìn)汞飽和度過低，壓汞曲線反映的并不是真實(shí)的孔隙結(jié)構(gòu)，只能用來定性分析判斷儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的特征。

2.4 低溫氮?dú)馕?/h3>

首先選取洗油前后的殘余樣品，粉碎為60～70目，碎樣分別在60、100℃下抽真空至壓力為30mmHg，再分別通過100、300℃環(huán)境下烘干24h，將樣品中過剩水分和雜質(zhì)氣體進(jìn)行去除，通過低溫氮吸附設(shè)備ASAP2420在臨界溫度下測量氮?dú)獾奈搅亢兔摳搅?，最終得到洗油前后的低溫氮?dú)馕健⒚摳角€及樣品孔徑分布等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6為洗油前后孔體積變化率與孔徑關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)，樣品洗油后具有更大的孔體積，且在TOC和黏土較為發(fā)育的樣品中更為明顯，表明樣品發(fā)育大量微孔，同時(shí)也反映出有機(jī)質(zhì)對(duì)頁巖微孔的發(fā)育具有主要貢獻(xiàn)，洗油后釋放的孔隙原先可能被油/瀝青所占據(jù)，導(dǎo)致洗油前后孔體積變化明顯。

圖5 低溫氮?dú)獾葴匚?脫附曲線 圖6 孔體積變化率與孔徑的關(guān)系曲線Fig.5 Isothermal adsorption-desorption curve Fig.6 The relation curve between change rate of of cryogenic nitrogen pore volume and pore diameter

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

某種程度上，孔隙度的大小是孔隙結(jié)構(gòu)差異的定量表現(xiàn)形式。為了精細(xì)描述掃描電鏡、核磁共振、高壓壓汞、低溫氮?dú)馕?種實(shí)驗(yàn)手段評(píng)價(jià)頁巖油孔隙結(jié)構(gòu)的差異性，對(duì)其孔隙度測量值進(jìn)行深入分析。氦氣是惰性氣體，常溫下在巖石中不發(fā)生吸附現(xiàn)象，分子較小，能夠進(jìn)入大部分孔隙中，測量結(jié)果與真實(shí)值最為接近。本次研究選用氦氣孔隙度近似作為巖樣真實(shí)孔隙度。各實(shí)驗(yàn)獲取孔隙度結(jié)果如表2所示。

1)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)顯示，研究區(qū)頁巖油儲(chǔ)層實(shí)際孔徑分布范圍從納米級(jí)到微米級(jí)，但掃描電鏡受視域影響，無法在同一視域下兼顧大小尺度孔隙，更偏向定性認(rèn)識(shí)。

2)由表2可知，核磁孔隙度平均值是氦氣孔隙度平均值的近82%，約18%的孔隙度沒有被探測，其原因一方面是核磁實(shí)驗(yàn)受取樣時(shí)間及地層壓力釋放的影響，孤立孔隙中的流體發(fā)生逸散；另一方面水分子要大于氦氣分子，導(dǎo)致核磁樣品的微小孔隙難以完全飽和水，減少了樣品孔隙度的測量值。

表2 不同實(shí)驗(yàn)方法孔隙度測量結(jié)果

3)對(duì)于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，由于頁巖樣品整體孔隙體積較小，孤立孔發(fā)育，孔隙連通性差，排驅(qū)壓力大，并且壓汞實(shí)驗(yàn)受儀器最大壓力的影響，無法將樣品的孔隙完全沖注。因此，汞只進(jìn)入了一部分連通性相對(duì)較好的孔隙中，導(dǎo)致壓汞實(shí)驗(yàn)測量孔隙度與氦氣法測量偏差較大，與氦氣孔隙度相比近59%的孔隙度被嚴(yán)重低估，其結(jié)果不能完全反映微小孔發(fā)育樣品的孔隙特征。

4)低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)的測量原理對(duì)于檢測納米級(jí)孔隙以及孤立不連通孔隙更加具有優(yōu)勢，能更好地反映微小孔隙的結(jié)構(gòu)特征，但其對(duì)大孔隙反映不夠靈敏，液氮孔隙度平均值只占氦氣孔隙度平均值的57%。

綜上分析認(rèn)為，采用單一的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段不能夠充分表征頁巖油儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)層物性的定量評(píng)價(jià)誤差較大。

3 孔隙特征多尺度聯(lián)合表征

為了從整體上展現(xiàn)頁巖油儲(chǔ)層的孔隙特征，首先利用核磁共振T2譜與低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)的相關(guān)性，采用線性方式轉(zhuǎn)換[15-17]，得出核磁共振實(shí)驗(yàn)的孔徑分布曲線。圖7為編號(hào)19CJ1-33、19CJ1-14的樣品不同實(shí)驗(yàn)方法得出的孔徑分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)，低溫氮?dú)馕皆诒碚骺讖叫∮?0nm的孔隙特征時(shí)，能更精細(xì)地顯示微小孔徑的變化，而核磁共振和高壓壓汞在表征中、大孔隙時(shí)效果明顯；在10～100nm的區(qū)間內(nèi)，隨著孔隙變小，高壓壓汞孔徑分布逐漸偏離核磁共振，且孔徑越小分布差異越大，這因?yàn)楦邏簤汗瘜?shí)驗(yàn)主要針對(duì)連通孔喉發(fā)育的樣品，測量的孔隙度及孔徑分布圖主要反映的是大孔部分，而對(duì)于孤立孔發(fā)育、孔喉配比差、以窄頸孔隙為主的頁巖樣品，高壓壓汞測量結(jié)果低于真實(shí)孔隙度，所以中大孔采用核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果表征。

圖7 頁巖樣品不同實(shí)驗(yàn)方法測量孔徑分布圖Fig.7 Pore size distribution of shale samples measured by different experimental methods

表3 多尺度孔隙度計(jì)算結(jié)果

綜上分析，利用低溫氮?dú)馕胶秃舜殴舱竦目讖椒植记€拼接擬合，可以實(shí)現(xiàn)頁巖油儲(chǔ)層孔隙的多尺度表征，其多尺度孔隙度如表3所示，實(shí)驗(yàn)樣品的全孔徑精細(xì)表征圖如圖8所示。

圖8 頁巖樣品全孔徑精細(xì)表征圖Fig.8 Fine characterization of full pore size of shale samples

在擬合過程中分段求取液氮孔隙度和核磁孔隙度，再依據(jù)低溫氮?dú)馕胶秃舜殴舱駜煞N實(shí)驗(yàn)孔徑分布曲線的拼接位置將孔隙度進(jìn)行累加，得到實(shí)驗(yàn)樣品整體的孔隙度大小，即全尺度孔隙度，其值與氦氣孔隙度基本符合(見表2、表3)，表明拼接后的孔徑分布曲線代表了頁巖油儲(chǔ)層整體的孔隙分布。分析圖8發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)頁巖油儲(chǔ)層孔徑分布具有以下2個(gè)特征：①孔徑分布范圍廣，可橫跨3～5個(gè)數(shù)量級(jí)，除個(gè)別大孔較發(fā)育的樣品，孔徑大于100nm的孔隙占總體的20%，60%的孔隙孔徑在10～30nm之間，說明頁巖樣品的孔隙主要以小孔及微孔為主，這與頁巖樣品粒度細(xì)、成熟度高，在成巖過程中普遍經(jīng)歷強(qiáng)烈壓實(shí)的減孔作用有關(guān)[18,19]；②在孔徑小于30nm范圍內(nèi)，黏土的TOC含量越高，孔徑的主峰位置越靠左，表明有機(jī)孔主要集中在小于30nm孔徑的孔隙中，有機(jī)孔在頁巖的儲(chǔ)集空間中占有特殊的一部分。

4 結(jié)論

1)瑪湖凹陷二疊系風(fēng)城組頁巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙度低，孔喉細(xì)小，連通性差，孔徑分布跨度大，傳統(tǒng)的單一實(shí)驗(yàn)方法不能滿足孔隙結(jié)構(gòu)精細(xì)評(píng)價(jià)要求。

2)多尺度孔隙結(jié)構(gòu)聯(lián)合表征結(jié)果顯示，研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)完整，樣品的全孔徑分布曲線呈多峰，孔徑主要集中在10～30nm之間，小孔隙與TOC含量、黏土含量關(guān)系密切，整體納米級(jí)孔隙發(fā)育，少數(shù)樣品發(fā)育微米級(jí)以上孔隙。