鹽間頁巖油儲層基質(zhì)孔隙內(nèi)鹽賦存狀態(tài)

楊 柳， 魯環(huán)宇， 范 鑫， 黃志文， 周 彤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083； 2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

頁巖氣作為重要的非常規(guī)油氣資源，已經(jīng)在北美實現(xiàn)了商業(yè)開采，受到全世界的廣泛關(guān)注[1]。在非常規(guī)勘探開發(fā)領(lǐng)域，頁巖油是繼頁巖氣之后的又一新能源，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)獲得了迅猛發(fā)展[2]。2017年，北美頁巖油的產(chǎn)量占到石油總產(chǎn)量的23%，極大地緩解了能源的供需矛盾。研究發(fā)現(xiàn)，我國的頁巖油分布廣泛，且儲量豐富，極具開發(fā)潛力，然而目前尚處于勘探開發(fā)初級階段[3]。頁巖油的高效開發(fā)對改善中國的能源結(jié)構(gòu)、降低石油對外依存度具有重要意義。

頁巖油通常以吸附態(tài)及少量游離態(tài)賦存于頁巖地層中，屬于源儲共生的非常規(guī)石油資源，往往需要依靠大規(guī)模的水平井多級壓力技術(shù)才能實現(xiàn)頁巖油的高效開發(fā)[4-5]。然而，頁巖油儲層具有低孔、低滲的特點，儲層孔隙度一般低于10%，滲透率低于0.01 mD[6]。此外，頁巖油儲層孔喉處于微納米級別，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且礦物組成多樣，使得大量的頁巖油滯留在基質(zhì)孔隙中，難以運移進入人工裂縫中。目前，依靠衰竭式開采的采出程度往往低于10%?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明，向儲層中注氣可以提高頁巖油的采出程度[7]。

中國江漢盆地的潛江凹陷頁巖油儲量豐富，屬于優(yōu)質(zhì)的烴源巖儲層，具有較好的勘探開發(fā)潛力。潛江凹陷是在強蒸發(fā)、高鹽度環(huán)境下沉積而成，具有“滿盆泥、半盆鹽”的特征[8-9]。鹽韻律層系廣泛發(fā)育為頁巖油的開發(fā)帶來挑戰(zhàn)。鹽間頁巖儲層中的鹽遇到水基工作液后會發(fā)生溶解、擴散，甚至在溫壓發(fā)生變化時出現(xiàn)重結(jié)晶的現(xiàn)象，使得孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化[10-12]。然而，目前尚沒有關(guān)于鹽間頁巖鹽賦存形態(tài)等方面的研究。基于此問題，開展巖間頁巖顯微鏡及掃描電鏡分析，離子溶解及擴散實驗等工作，以便得到頁巖儲層鹽賦存狀態(tài)及特征以及頁巖儲層鹽離子溶解及擴散特征，深入研究潛江凹陷鹽間頁巖鹽賦存狀態(tài)，對實現(xiàn)頁巖油有效開發(fā)具有重要作用。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗樣品

江漢盆地潛江組是中國頁巖油開發(fā)潛力最大的地層，從鹽間地層中采集了3種不同巖樣，作為實驗的樣品，分別為白云質(zhì)頁巖、泥頁巖和鈣芒硝頁巖。白云質(zhì)頁巖整體呈現(xiàn)出褐色，肉眼可見到較大的鹽顆粒分布在白云質(zhì)頁巖中；鈣芒硝質(zhì)頁巖呈灰白色，大量的小鹽粒分散在頁巖中，較為均勻；泥質(zhì)頁巖外觀為暗黑色，層理弱面較為發(fā)育，鹽主要充填于弱面中。潛江組總體上具有較強的非均質(zhì)性，物理特征可能存在較大差異，3種巖樣的礦物含量特征如表1所示。其中，鈣芒硝質(zhì)頁巖石鹽含量較高，泥質(zhì)頁巖含量較低，石鹽易溶于水，晶形呈立方體,在立方體晶面上常有階梯狀凹陷，晶體聚集在一起成塊狀、粒狀。

表1 巖樣礦物分布

注：TOC為總有機碳。

1.2 實驗裝置及方法

1.2.1 顯微鏡及掃描電鏡分析

針對3種不同的鹽間頁巖樣品，通過肉眼、顯微鏡和掃描電鏡從3個不同的尺度來觀測鹽晶體的形態(tài)及分布特征。圖1所示為中國科學(xué)院力學(xué)研究所顯微鏡，可以從毫米尺度對鹽顆粒、裂縫和顆粒進行分析。圖2所示為中國科學(xué)院地質(zhì)地球物理所場發(fā)射掃描電鏡(MERLIN S-4800)，可以從微米尺度對鹽晶體形態(tài)、大小及分布特征進行分析。

圖1 顯微鏡Fig.1 Microscope

圖2 場發(fā)射掃描電鏡Fig.2 Field emission scanning electron microscope

1.2.2 鹽離子溶解及擴散實驗

Liu[13]基于粉末樣品開展離子擴散實驗，提出了表征離子擴散速率和能力的表征參數(shù)。壓裂過程中，鹽間頁巖接觸到壓裂液，內(nèi)部的鹽晶體發(fā)生溶解，并在濃度差作用下擴散進入壓裂液中。粉末樣品離子擴散實驗可以很好地模擬這一過程。粉碎的樣品粉末浸沒于蒸餾水中，迅速攪拌后，表面的鹽離子迅速溶解進入水中，測得的電導(dǎo)率能夠很好地反映樣品表面附著的鹽離子質(zhì)量。保持溶液靜止，顆粒樣品內(nèi)部的鹽離子開始擴散進入水中，逐漸提高水溶液的電導(dǎo)率，通過測量溶液電導(dǎo)率隨著時間的變化可以間接獲得鹽間頁巖樣品的離子擴散規(guī)律。

圖3 離子擴散實驗儀Fig.3 Ion diffusion apparatus

開展顆粒樣品的離子擴散實驗，采用儀器如圖3所示，型號為Mettler Toledo FiveEasy Plus。具體的實驗步驟如下：

(1)將3個鹽間頁巖樣品(圖4)粉碎成100目的顆粒，分別取3 g顆粒樣品置于1 000 mL的蒸餾水中，攪拌均勻后測得初始電導(dǎo)率G0(表面離子密度)。

圖4 鹽間頁巖粉末樣品Fig.4 Sample of intersalt shale powder

(2)在溶液靜止的條件下，測量相同深度溶液電導(dǎo)率G隨著時間t的變化數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 頁巖儲層鹽賦存狀態(tài)及特征

2.1.1 肉眼觀察

圖5 頁巖樣品圖片F(xiàn)ig.5 Shale sample picture

通過肉眼觀察來分析鹽間頁巖樣品內(nèi)鹽晶體的分布特征，結(jié)果如圖5和圖6所示。3種頁巖樣品均為直徑為25 mm的標準巖樣，3種頁巖油樣品的外觀存在較大不同，主要與鹽晶體顆粒的含量及分布形態(tài)有關(guān)。白云質(zhì)頁巖中鹽晶體主要以團狀聚集的形式存在，呈零散狀分布，大小、形狀差異較大，使得白云質(zhì)頁巖具有較強的微觀非均質(zhì)性。鈣芒硝質(zhì)頁巖儲層微觀均質(zhì)性較好，肉眼難以觀察到明顯的鹽晶體顆粒。泥質(zhì)頁巖的層理發(fā)育較好，鹽晶體主要充填于層理弱面中，巖心鉆取過程中容易發(fā)生開裂，充填的弱面膠結(jié)強度較低。

圖6 泥質(zhì)頁巖中填充鹽的破碎面Fig.6 Broken surface of filled salt in argillaceous shale

2.1.2 顯微鏡觀察

圖7 顯微鏡分析的頁巖樣品圖片F(xiàn)ig.7 Image of shale samples analyzed by microscope

通過顯微鏡觀察來分析鹽間頁巖樣品內(nèi)鹽晶體的分布特征，觀察結(jié)果如圖7所示。白云質(zhì)頁巖晶體以簇狀形式聚集，聚集體直徑為1～5 mm，形成一定的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)；鈣芒硝質(zhì)頁巖上鹽晶體顆粒小，晶體分布均勻且密集，沒有大塊的無晶體區(qū)域；泥質(zhì)頁巖有明顯的層理面，弱面的寬度為0.5～1 mm，考慮到泥質(zhì)頁巖的高滲透率(0.15 mD)特點，可知鹽晶體充填的弱面是部分開啟的，可作為流體滲流的高速通道，對改善頁巖油儲層的物性具有重要意義。

2.1.3 SEM觀察

圖8 干燥時頁巖樣品SEM圖Fig.8 SEM diagram of shale samples during drying

通過掃描電鏡分析鹽間頁巖樣品內(nèi)鹽晶體的分布特征，結(jié)果如圖8、圖9所示。不同的頁巖油樣品的鹽晶體在形態(tài)和分布上存在較大差別。白云質(zhì)頁巖在干燥時以簇狀形式存在，每簇晶粒上鹽晶體均較密集，各晶體大小不一，形態(tài)各異。泡水后，鹽晶體很大程度上溶解，晶體形態(tài)逐漸消失，較難找到大體積的晶體。原來鹽顆粒存在的位置形成了較為明顯的凹坑，巖樣表面呈現(xiàn)坑坑洼洼的現(xiàn)象。

鈣芒硝頁巖鹽晶體分布較均勻，干燥時，鹽晶體以相似距離分布在巖體上，晶體顆粒直徑較小。泡水后，幾乎無法辨別鹽晶體顆粒，巖體表面呈現(xiàn)出大面積分布的小坑洞。

泥頁巖在干燥狀態(tài)下，鹽晶體主要分布在巖體軟弱面形成的裂縫中，泡水后，鹽晶體溶于軟弱面之中，較難找出呈現(xiàn)顆粒形態(tài)的鹽晶體，裂縫處原本鹽晶體的位置變?yōu)榘伎印?/p>

2.2 頁巖儲層鹽離子溶解及擴散特征

鹽間頁巖接觸水后，鹽晶體發(fā)生溶解，并電離出大量的鹽離子。鹽離子由于濃度差作用開始逐漸擴散進入水中。顆粒樣品內(nèi)部的鹽離子開始擴散進入水中，逐漸提高水溶液的電導(dǎo)率，通過測量溶液電導(dǎo)率隨著時間的變化可以間接獲得鹽間頁巖樣品的離子擴散規(guī)律。

圖10 電導(dǎo)率與時間、時間的平方根的關(guān)系Fig.10 Relationship between conductivity and square root of time and time

圖10所示為溶液電導(dǎo)率與時間、時間平方根的關(guān)系曲線。D、G和A分別代表白云質(zhì)頁巖、鈣芒硝質(zhì)頁巖和泥質(zhì)頁巖。虛線代表陸相頁巖樣品GCG，海相頁巖樣品LMX、NTT、LJP及淡水相頁巖樣品LYC、UYC的離子擴散實驗結(jié)果[13]，主要為了對比、驗證鹽間頁巖的實驗結(jié)果。鹽間頁巖的實驗曲線總體趨勢與文獻[13]中的結(jié)果基本一致。電導(dǎo)率從初始電導(dǎo)率G0開始隨著滲吸時間緩慢增加，初期增加較快，后期曲線逐漸趨于平緩。然而，鹽間頁巖儲層D和C的電導(dǎo)率與的線性關(guān)系較差，曲線存在較大的波動性。這可能由于鹽間頁巖巖晶體溶解影響了孔隙結(jié)構(gòu)，進而影響到了鹽離子的擴散速率。

圖11所示為鹽間頁巖儲層離子擴散特征參數(shù)對比。需要指出的是，鹽間頁巖油儲層的表面離子密度和離子擴散速率大大高于海相、陸相頁巖氣儲層，為15～45倍。Liu[13]發(fā)現(xiàn)海相頁巖氣儲層的鹽度大幅度高于常規(guī)砂巖儲層，呈現(xiàn)出高鹽度的特征，使得頁巖氣井壓后返出的壓裂液鹽度上升幾十倍。然而，海相頁巖氣儲層內(nèi)的鹽離子主要賦存于孔隙壁面和黏土礦物層間。而鹽間頁巖油儲層中鹽離子主要以晶體的形式分散于巖石內(nèi)部，是巖石骨架結(jié)構(gòu)的一部分。相比，海相頁巖氣儲層而言，壓裂液吸入鹽間頁巖油儲層后發(fā)生的水-巖作用更強，鹽晶體溶解對孔隙結(jié)構(gòu)的影響也更加劇烈。

圖11 鹽間頁巖油與頁巖氣儲層的離子擴散特征Fig.11 Ion diffusion characteristics of intersalt shale oil and shale gas reservoir

3 討論

鹽間頁巖中鹽離子主要以晶體的形式分散于巖石內(nèi)部，是巖石骨架結(jié)構(gòu)的一部分。遇水后，鹽離子易發(fā)生溶解，電離出的鹽離子在濃度差作用下發(fā)生擴散作用，水溶液的導(dǎo)電率逐漸提高, 示意圖如圖12所示。巖石骨架中鹽離子的溶解，將導(dǎo)致巖石孔隙變大，結(jié)構(gòu)變得更加松散，將對油儲層的運移產(chǎn)生一定程度的影響。開展鹽離子溶解及擴散實驗，對鹽間頁巖表面附著的鹽離子質(zhì)量有了定量統(tǒng)計，也對鹽間頁巖樣品的離子擴散規(guī)律進行了總結(jié)。但鹽離子溶解后，巖石孔隙結(jié)構(gòu)將如何變化，還需要進一步研究，這對頁巖油的有效開發(fā)具有重要意義。

圖12 鹽晶體溶解及擴散示意圖Fig.12 Schematic diagram of dissolution and diffusion of salt crystals

4 結(jié)論

對3種鹽間頁巖樣品開展顯微鏡及掃描電鏡分析、離子溶解及擴散實驗，得出結(jié)論如下：

(1)白云質(zhì)頁巖中鹽晶體主要以團狀聚集的形式存在，具有較強的微觀非均質(zhì)性；鈣芒硝頁巖微觀均質(zhì)性較好，顆粒直徑低于0.1 mm，顯微鏡下能夠看到大量的鹽晶體顆粒分布在泥頁巖樣品內(nèi)；泥頁巖鹽晶體主要充填于層理弱面中，鹽晶體充填的弱面是部分開啟的，可作為流體滲流的高速通道。

(3)與海陸相對比，鹽間頁巖油儲層的表面離子密度和離子擴散速率大大高于海相、陸相頁巖氣儲層，為15～45倍。3種樣品中，鈣芒硝頁巖表面離子密度最大，初始電導(dǎo)率值最高，擴散速率約為白云質(zhì)頁巖的1.5倍，為泥質(zhì)頁巖的3倍。