頁巖巖心氣測(cè)孔隙度測(cè)量參數(shù)初探與對(duì)比

付永紅，司馬立強(qiáng)，張楷晨，王 亮，鄧 茜

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.福建中國石油油品倉儲(chǔ)有限公司，福建 泉州 362700；3.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度是頁巖氣儲(chǔ)層勘探層位選取、資源潛力評(píng)價(jià)、儲(chǔ)量計(jì)算等最基本的參數(shù)[1-2]，由于頁巖氣儲(chǔ)層的納米孔隙以及復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)[3]，增加了其孔隙度準(zhǔn)確測(cè)量的難度。目前，孔隙度測(cè)量方法較多，主要包含GRI[4]、GIP[5]、WIP[6]、DLP[7]、核磁共振法[8]等?？紫抖葴y(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于孔隙度測(cè)量時(shí)樣品的預(yù)處理方法及測(cè)量參數(shù)的設(shè)置。對(duì)于常規(guī)儲(chǔ)層，較小的注入壓力(0.8 MPa)能使氣體很快進(jìn)入巖心孔隙，并達(dá)到設(shè)置的平衡狀態(tài)。頁巖氣儲(chǔ)層由于其極低的滲透率、復(fù)雜的礦物成分，較低的注入壓力并不能使氣體完全進(jìn)入頁巖微孔隙；同時(shí)，由于微孔隙的復(fù)雜化，高壓條件下的氣體理想平衡狀態(tài)缺乏相關(guān)研究，即頁巖巖心孔隙度測(cè)量的平衡條件并無判別依據(jù)，使得不同實(shí)驗(yàn)室間孔隙度的測(cè)量結(jié)果差異較大。

為明確頁巖孔隙度測(cè)量結(jié)果差異較大的原因，選取焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，開展多方法孔隙度測(cè)量對(duì)比研究，分析巖心預(yù)處理(干燥溫度)、參數(shù)設(shè)置(測(cè)量的壓力)、測(cè)量方法等對(duì)孔隙度測(cè)量結(jié)果的影響。

1 樣品特征及實(shí)驗(yàn)流程

1.1 樣品特征

實(shí)驗(yàn)選取6組樣品，均取自焦石壩地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層井下巖心，巖心樣品TOC含量分布在2.11%～4.66%，具有較高的勘探開發(fā)潛力，樣品編號(hào)及礦物組成詳見表1。其中，每組樣品分為2個(gè)(如0803-1和0803-2)相似的平行樣，來源于全直徑巖心上的同一柱塞樣，分別用于不同溫度(60、80、90、100、110、150、200 ℃)和不同充注壓力(0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa)的孔隙度測(cè)試。

表1 巖心樣品編號(hào)及礦物組成特征

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

孔隙度測(cè)量方法多樣，該研究主要選取常用的3種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，即氦氣孔隙度法、飽和液體法和核磁共振分析法。氦氣孔隙度測(cè)量的測(cè)試儀器為美國生產(chǎn)的AccuPyc II 1340系列氣體置換法真密度儀，測(cè)試原理為波義耳氣體膨脹定律。該儀器的主要優(yōu)勢(shì)是注入壓力比常規(guī)孔隙度測(cè)量?jī)x高出2.5 MPa，即最高壓力可達(dá)3.5 MPa。飽和液體法測(cè)量孔隙度時(shí)，飽和介質(zhì)為油(十二烷)和水(去離子水)，通過高精度(小于0.1 mg)天平測(cè)量巖心質(zhì)量、空氣中巖心飽和質(zhì)量、飽和介質(zhì)中巖心飽和質(zhì)量，計(jì)算巖心總體積和孔隙體積，進(jìn)而計(jì)算孔隙度。核磁共振法測(cè)量巖心孔隙度參照謝然紅等提出的相關(guān)測(cè)試流程[9]，相關(guān)測(cè)試參數(shù)設(shè)置如下：等待時(shí)間為6 s、回波間隔為0.1 ms、掃描次數(shù)為64次、回波個(gè)數(shù)為10 000個(gè)。

實(shí)驗(yàn)先測(cè)試不同干燥溫度下和不同注入壓力條件下的氣測(cè)孔隙度，再飽和油(水)，測(cè)量飽和液體法孔隙度和核磁孔隙度。所有實(shí)驗(yàn)測(cè)試均在恒溫(25 ℃)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)量，以減小溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖心氣測(cè)孔隙度結(jié)果分析

2.1.1 不同干燥溫度孔隙度測(cè)試結(jié)果分析

頁巖中3種典型的水主要包含自由水、毛管束縛水、黏土束縛水(CBW)，其中，自由水為毛管壓力作用下的可動(dòng)流體，毛管束縛水和黏土束縛水為不可動(dòng)流體。毛管束縛水靠毛管壓力和潤濕性差異將水束縛于孔隙表面，黏土束縛水主要通過離子電化學(xué)作用將水吸附于黏土表面，該部分空間可儲(chǔ)集大量的烴。因此，為準(zhǔn)確測(cè)量頁巖總孔隙度，這兩部分束縛水都應(yīng)被去除,且不能破壞以O(shè)H-形式存在的結(jié)合水。

分析了不同干燥溫度對(duì)頁巖孔隙度測(cè)量的影響(圖1)。由圖1可知：干燥溫度小于90 ℃時(shí)，孔隙度值增長幅度較大；干燥溫度為90～110 ℃時(shí)，孔隙度值分布較穩(wěn)定；干燥溫度大于110 ℃時(shí)，孔隙度值又出現(xiàn)了明顯上升。該現(xiàn)象表明：干燥溫度小于110 ℃時(shí)，頁巖干燥過程主要去除了孔隙中的游離水和束縛水；當(dāng)干燥溫度大于110 ℃后，主要去除黏土束縛水和結(jié)合水，該部分水被蒸發(fā)后可能引起孔隙度結(jié)構(gòu)的改變，使孔隙度值明顯增大。

為進(jìn)一步確定最佳干燥溫度，測(cè)量了2塊巖心(0803-2和0806-2)在不同干燥溫度下干燥后的核磁T2譜(圖2)。由圖2可知，2塊巖心的核磁T2譜隨干燥溫度的增加具有相似的變化趨勢(shì)，當(dāng)溫度升至80 ℃后，巖心的核磁T2譜降幅明顯變緩，說明干燥80 ℃能去除絕大部分游離水和束縛水。TestamantiM等指出，美國Perth盆地頁巖氣儲(chǔ)層干燥60 ℃能完全去除黏土束縛水，且高溫會(huì)改變頁巖孔隙結(jié)構(gòu)[10]?？紤]到焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層埋深較大，地層溫度較高(大于100 ℃)，故推薦使用110 ℃干燥巖心。

圖1 6組樣品不同干燥溫度下的孔隙度測(cè)試結(jié)果

圖2 巖心0803-2和0806-2在不同干燥溫度下的核磁T2譜

2.1.2 不同注入壓力孔隙度測(cè)試結(jié)果分析

Luffel等人認(rèn)為，充注壓力越大，氦氣分子越易進(jìn)入孔徑相對(duì)較小的孔隙中[4]。李新等指出，頁巖平均孔喉半徑較小，平均為2.8 nm[11]。因此，頁巖發(fā)育大量的納米微孔，使低壓氦氣分子難以快速進(jìn)入頁巖的所有孔隙中，甚至不能進(jìn)入更細(xì)小的微孔。由于頁巖孔隙度測(cè)量過程中，壓力參數(shù)的不確定性，使測(cè)量結(jié)果多樣化，因此，研究設(shè)置了不同充注壓力以確定測(cè)量頁巖孔隙度的最小充注壓力(圖3)。由圖3可知：當(dāng)充注壓力小于2.0 MPa時(shí)，孔隙度測(cè)量值隨充注壓力的增大而增大；當(dāng)充注壓力大于2.0 MPa時(shí)，孔隙度測(cè)量值趨于穩(wěn)定。即當(dāng)壓力小于2.0 MPa時(shí)，氦氣無法充注于頁巖微孔中；當(dāng)壓力大于2.0 MPa時(shí)，孔隙度測(cè)量值基本不變，表明氦氣分子在該壓力下能快速進(jìn)入頁巖微孔并達(dá)到平衡。故推薦使用2.0 MPa作為測(cè)量頁巖孔隙度的最小充注壓力。

2.2 核磁共振孔隙度

選取去離子水和油為飽和介質(zhì)，抽真空加壓飽和后，測(cè)量巖心樣品的核磁T2譜，通過對(duì)核磁T2譜面積的積分進(jìn)而計(jì)算巖心孔隙度(表2)。由表2可知，巖心飽和水的核磁孔隙度明顯大于巖心飽和油的核磁孔隙度。這是因?yàn)椋孩賻r心的潤濕性更偏向于水濕[12]，飽和過程中水進(jìn)入更多的孔隙；②黏土具有較強(qiáng)的親水能力，吸水后由于水化作用產(chǎn)生微裂縫[13-15]，使核磁孔隙度偏大。李新等指出，頁巖飽和水核磁孔隙度明顯偏大的原因很大程度源于黏土含量的影響[11]。因此，利用核磁共振測(cè)量的孔隙度由于誤差大而不能代表巖心真實(shí)孔隙度。

圖3 6組樣品不同充注壓力下的孔隙度測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步研究壓力變化對(duì)頁巖孔隙度的影響，記錄了不同壓力條件下氦氣進(jìn)入巖心后系統(tǒng)的壓力變化過程。研究表明：較小的壓力充注于頁巖孔隙時(shí)，氦氣分子能很快注入較大孔隙并達(dá)到平衡，卻無法進(jìn)入微孔；當(dāng)充注壓力增加，氦氣平衡時(shí)間出現(xiàn)明顯的延長，更難達(dá)到平衡。這主要因?yàn)槲⒖拙哂休^大的比表面積，吸附能力較強(qiáng)，使氦氣在常溫高壓條件下出現(xiàn)了明顯的吸附現(xiàn)象。為了減小吸附現(xiàn)象對(duì)孔隙度測(cè)量的影響，應(yīng)選取較小的充注壓力，故推薦使用2.0 MPa作為測(cè)量頁巖孔隙度的充注壓力。

表2 樣品孔隙度測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.3 飽和液體法孔隙度

飽和液體法測(cè)量頁巖孔隙度時(shí)，首先應(yīng)對(duì)巖心進(jìn)行干燥、洗油洗鹽，隨后抽真空加壓飽和，使巖心完全達(dá)到飽和，以免低估其孔隙度。飽和液體法測(cè)量孔隙度對(duì)飽和流體的選擇依賴性較大，必須考慮潤濕性和水敏性的影響。該研究中，分別計(jì)算了飽和去離子水和油的孔隙度(表2)。結(jié)果顯示，飽和水的孔隙度明顯比飽和油的孔隙度大，主要原因是頁巖巖心含有大量的黏土礦物，自身膨脹加大了對(duì)水的吸入，使其孔隙度偏大。

3 結(jié)果對(duì)比分析

為分析孔隙度的可靠性，對(duì)比了不同測(cè)量方法的孔隙度測(cè)量值的差異性(表2)。由表2可知，氦氣測(cè)孔隙度略大于飽和油孔隙度，明顯小于飽和水孔隙度。通過測(cè)量結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，飽和水時(shí)，黏土礦物過量吸水使含水孔隙度明顯大于氦氣測(cè)孔隙度。由于頁巖礦物組分復(fù)雜，通常有機(jī)質(zhì)具有明顯的油潤濕性，非有機(jī)質(zhì)具有親水性(如石英、長石、方解石，尤其是黏土礦物[16-17])，使油分子難以完全進(jìn)入水潤濕的黏土孔隙，導(dǎo)致飽和油孔隙度略低于氦氣測(cè)孔隙度。為此，分別采用飽和水計(jì)算巖心體密度和飽和油計(jì)算巖心骨架密度[6-7]，進(jìn)而計(jì)算出巖心的有效孔隙度(DLP孔隙度)(表2)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，DLP孔隙度分布于飽和水孔隙度和飽和油孔隙度之間，與氦氣測(cè)孔隙度更為接近，有效克服了黏土吸水膨脹的影響，更接近于巖心的真實(shí)孔隙度。

頁巖巖心孔隙度中包含大量的微孔，尤其是有機(jī)孔和黏土孔，都是能儲(chǔ)集天然氣的有利孔隙。有機(jī)孔發(fā)育程度主要受TOC含量影響，黏土孔受控于黏土礦物含量和黏土礦物類型?？紫抖葴y(cè)量時(shí)，這2類孔隙均為必須測(cè)量的孔隙。分析表明，飽和水孔隙度與黏土礦物含量具有明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖4a)，進(jìn)一步證實(shí)含水孔隙度偏大主要受黏土礦物的影響，而飽和油孔隙度與TOC含量存在較好的相關(guān)性(圖4b)。同時(shí)，分析了氣測(cè)孔隙度與TOC含量和黏土礦物含量之間的關(guān)系(圖4c、d)，發(fā)現(xiàn)氣測(cè)孔隙度與TOC含量和黏土礦物含量均具有正相關(guān)關(guān)系，表明氦氣分子既能進(jìn)入頁巖中發(fā)育的有機(jī)孔隙，也能進(jìn)入大量的黏土孔隙，進(jìn)一步證實(shí)了氣測(cè)孔隙度的可靠性。

圖4 飽和水(油)、氣測(cè)孔隙度與TOC、黏土礦物含量關(guān)系

為有效測(cè)量頁巖總孔隙度，推薦使用110 ℃進(jìn)行干燥，以免高溫破壞巖心孔隙結(jié)構(gòu)。同時(shí)，利用氦氣法測(cè)量孔隙度時(shí)，最佳注入壓力為2.0 MPa，過低會(huì)低估頁巖孔隙度，過高可能會(huì)高估頁巖孔隙度。DLP孔隙度和氣測(cè)孔隙度與TOC含量和黏土礦物含量具有較好的相關(guān)性，更接近于真實(shí)值。

4 結(jié) 論

(1) 為有效去除頁巖巖心中的游離水和束縛水，建議干燥溫度為110 ℃，以免高溫破壞頁巖孔隙結(jié)構(gòu)。

(2) 利用氦氣法測(cè)量頁巖孔隙度時(shí)，建議最佳注入壓力為2.0 MPa，過低可能會(huì)低估頁巖孔隙度，過高可能會(huì)高估頁巖孔隙度。

(3) 由于黏土礦物過量自吸水，使頁巖含水孔隙度明顯偏大；由于孔隙組分潤濕性的差異，使頁巖含油孔隙度略低。

(4) 頁巖礦物組分復(fù)雜，潤濕性差異大，利用DLP法測(cè)量的孔隙度與氣測(cè)孔隙度具有較高的一致性，更接近于頁巖真實(shí)孔隙度。

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