氮氣吸附法的致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)分析

李昊遠

（西安石油大學地球科學與工程學院， 陜西 西安 710200）

致密油氣作為非常規(guī)油氣的重要組成，已成為全球石油石油勘探的重點領域[1]。致密儲層多發(fā)育微納米級孔隙，儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)是研究非常規(guī)油氣的重要內(nèi)容。常規(guī)壓汞與孔滲分析等方法難以滿足要求。近年來，許多新的實驗方法開始應用到致密砂巖儲層研究中，如氮氣吸附技術、核磁共振、恒速壓汞等[2]，氮氣吸附技術不僅可以獲取常規(guī)測試的參數(shù)而且可以獲取孔喉的幾何類型與比表面積、孔徑分布、孔隙體積等相關信息[3]。

研究區(qū)西峰地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部地區(qū)。上三疊統(tǒng)延長組分為10 個油層組，其沉積特征反映了湖盆的演化過程[4]。長8 儲層巖性主要是中—細粒巖屑長石砂巖與中—細粒長石巖屑砂，其平均孔隙度10.57%，平均滲透率0.195×10-3μm2屬于低滲致密砂巖儲層[2]。致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性需要用多種方法聯(lián)合表征，本文用氮氣吸附實驗來表征200nm 以內(nèi)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[5]，分析不同的微觀孔隙的吸附—脫附曲線類型、比表面積、孔體積、孔徑類型來刻畫致密砂巖儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)[1-13]。

1 實驗樣品及分析方法

應用低溫氮氣吸附實驗測定了來自于西峰地區(qū)延長組長8 致密砂巖的5 塊樣品（表1）。

本文實驗分析在完成。實驗儀器為，檢測溫度為25℃。實驗過程為：取2 至3g 的巖石樣品粉碎至0.18 至0.25mm 粒徑裝入樣品管中，在110℃下進行烘干，在真空環(huán)境下除去其他氣體成分；利用“靜態(tài)容量法”對試樣進行吸附實驗，在77K 的恒溫下，用99.999%的氮氣對樣品和儀器進行充填并開始測量，按照預先設計好的壓力進行實驗，獲得不同壓力下的氮氣吸附量與脫附量。通過氮氣吸附量、脫附量與氣體相對壓力的關系得到吸附與脫附等溫線。根據(jù)國標GB/T19587-2004《氣體吸附BET 法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》的規(guī)定，通過BET 方程計算獲得孔隙的比表面積，并根據(jù)孔徑分布與孔隙體積分布情況定量表征2 至200nm 的孔隙分布情況[9-10]。

表1 延長組長8 致密砂巖樣品測試結(jié)果

2 孔隙類型分析

在氮氣吸附實驗中，隨著相對壓力的升高，氮氣氣體逐漸吸附在毛細孔隙中，實驗達到最大測量孔隙半徑后暫停；然后壓力下降，微納米孔中吸附的氮氣開始解吸，壓力下降到某一半徑時，微納米孔中的氮氣開始蒸發(fā)，當凝結(jié)的壓力與蒸發(fā)時的壓力相同時，吸附曲線與脫附曲線重合；當不同時，吸附等溫線與脫附等溫線錯位，形成了回滯環(huán)。

圖1 IUPAC 的六種等溫吸附線

Single（1985）根據(jù)等溫曲線的曲線形態(tài)及回滯環(huán)的特征提出將氣體等溫線分成6 種類型（圖1a）。由于毛細凝聚的現(xiàn)象，等溫吸附曲線與脫附曲線錯位，產(chǎn)生了吸附滯后的現(xiàn)象，長8 段致密砂巖樣品屬于第IV 種類型。根據(jù)IUPAC 最近分類提出將IV 型等溫線分成四種類型，分別對應了四種孔隙形態(tài)（圖2）。H1 與H2 型回滯環(huán)吸附等溫線有飽和吸附平臺，反映了孔徑分布較均勻，H1 屬于兩端都開放的圓筒型，H2 屬于墨水瓶型；H3 型回滯等溫線沒有明顯的飽和吸附平臺，表明孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，形成似片狀顆粒組成的槽狀孔；H4 型等溫線較H3 進一步呈現(xiàn)平緩趨勢，其孔隙形態(tài)夾縫孔。

圖2 IV 型四種等溫線類型

長8 段致密砂巖樣品實驗結(jié)果如圖3 所示。樣品的氮氣吸附—脫附曲線都屬于H3 型，說明儲集層大部分為槽狀孔隙。吸附回線形成的回滯環(huán)的范圍較窄，在相對壓力較高時（1＞P/P0＞0.8）快速升高，但是未出現(xiàn)飽和吸附的情況，而是發(fā)生了毛細凝聚的現(xiàn)象；相對壓力降低（0.8＞P/P0＞0.4），回滯環(huán)的寬度均較窄，呈現(xiàn)明顯的下凹形狀；相對壓力繼續(xù)下降（P/P0＜0.4），脫附等溫線與吸附等溫線不在分離。

圖3 延長組長6 段致密砂巖吸附—脫附曲線

3 比表面積、孔體積與孔徑的分布

通常情況下可以通過BET 公式只適合用于處理相對壓力（P/P0）在0.05 至0.3 之間的吸附數(shù)據(jù)。因為相對壓力小于0.05 時，不能形成多層物理吸附；而相對壓力大于0.3 時，毛細凝聚的現(xiàn)象的出現(xiàn)又破壞了多層物理吸附。根據(jù)BET 公式（1）（2）可知，可以用P/V（P0-P）和作圖獲取一條直線，其直線的斜率為C-1/CVm，截距為1/CVm，借此求出常數(shù)C 和Vm。

將公式（1）變形為：

式中：P0為吸附溫度下的吸附質(zhì)飽和蒸汽壓，kPa；P 為平衡吸附氣壓力，kPa；Vm為單分子層飽和吸附量，mmol/g；V 為總吸附量，mmol/g；C為BET 方程常數(shù)。

由Vm可以算出固體表面鋪滿單分子層時所需的分子數(shù)。當知道每個分子的截面積，就可以求出吸附劑的總表面積和比表面積。

式中：S 為比表面積，m2/g；Am為氮氣吸附分子的平均截面積，0.162nm2；NA為阿伏伽德羅常數(shù)，6.02×1023；Vm為單分子層飽和吸附量，mmol/g。

比表面積是指單位體積或質(zhì)量的物質(zhì)具有的表面積，針對氮氣吸附而言，比表面積越大就意味著樣品的孔隙空間就越大，表現(xiàn)出強相關性（如表3），氮氣的吸附總量會隨著比表面積的增大而增大；比表面積與物性呈現(xiàn)負相關，滲透率的相關性很強（R2=0.87），與孔隙度的較為一半（RR2=0.73）。

表2 致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)吸附等溫線可以計算出孔隙體積與孔徑分布的特征，將平均孔隙直徑分為微孔（＜10nm）、中孔（10～50nm）、大孔（＞50nm），孔隙體積與各類型孔之間的相關性如表3 所示。可以發(fā)現(xiàn)，無論是占據(jù)主要主要空間的微孔或者中孔都沒有和孔隙體積有相關性，說明致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的復雜；孔隙體積與滲透率（R2=0.4）與孔隙度（R2=0.4）的關系均一般。

表3 比表面積和孔隙體積與物性關系

4 結(jié)論

1）根據(jù)吸附—脫附等溫線的形態(tài)，延長組長8 致密砂巖儲層實驗樣品的孔隙結(jié)構(gòu)為IUPAC的IV 中的H3 類型，孔隙類型主要為似片狀顆粒組成的槽狀孔。

2）比表面積分布范圍為2.00～5.65m2/g 比表面積越大，孔隙空間就越大，氮氣的吸附總量也越大；比表面積總體上和物性呈現(xiàn)負相關，與滲透率的正相關性較強，與孔隙度具有一般的負相關性。

3）微孔與中孔占據(jù)了孔隙體積的76.79%～88.72%，但是沒有一種孔隙與體積呈現(xiàn)明顯的正相關關系，說明致密砂巖儲層孔隙類型發(fā)育復雜；孔隙體積與物性上整體呈現(xiàn)正相關趨勢，與滲透率和孔隙度正相關性一般，可能是由于氮氣吸附測量范圍的原因。

4）綜合以上三點，致密砂巖儲層具有較高孔隙度但是未具有較高滲透率的原因在于微孔及中孔提供了儲存流體的空間并占據(jù)了大量的孔隙空間，但沒有與之對應的大孔來提供滲流。