頁巖柱塞樣與碎樣孔隙度差異性分析與啟示

付永紅，蔣裕強，陳 虎，周克明，邱峋晰，張海杰，劉雄偉，谷一凡，蔣增政

(1.西南石油大學 地球科學與技術(shù)學院，成都 610500；2.中國石油非常規(guī)油氣重點實驗室 儲層評價實驗室，成都 610500；3.中國石油 西南油氣田公司 開發(fā)事業(yè)部，成都 610051；4.中國石油 西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610213；5.四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司，成都 610051；6.重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司，重慶 610213；7.四川杰瑞泰克科技有限公司，成都 610500)

隨著常規(guī)油氣資源的不斷開發(fā)和消耗，非常規(guī)資源的有效開發(fā)已呈必然趨勢[1]。頁巖氣全球資源量達456×1012m3，是煤層氣與致密砂巖氣資源量的總和[2]，在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟條件下展示出巨大的資源潛力[3]。美國頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)突破[4-7]，極大地促進了我國頁巖氣資源勘探開發(fā)的進程。

頁巖孔隙以納米孔隙為主，常規(guī)儲層孔隙度測量方法難以適用于低孔高產(chǎn)頁巖氣儲層評價[8]。因此，準確測量頁巖孔隙度是評價頁巖儲層品質(zhì)和頁巖氣儲量計算的重要前提之一[9-12]。核磁共振(NMR)[13]、壓汞[14]、氣體吸附[14]、小角散射[15]等方法逐漸應(yīng)用于頁巖孔隙度表征[16]，國內(nèi)通常采用氦孔法或液體飽和法[17]測量頁巖柱塞樣孔隙度，國外以碎樣孔隙度測量為主[18]。氦氣分子半徑小，分子篩效應(yīng)弱[19-20]，可有效測量頁巖連通孔隙度，但氦孔隙度與其他方法測量孔隙度之間的差異認識不明確。這些問題將嚴重影響頁巖氣總資源量評估及頁巖氣評層選區(qū)和高效開發(fā)。

1 實驗樣品和巖石學特征

選取重慶西部榮昌地區(qū)R203井志留系龍馬溪組6塊柱塞樣品(直徑25 mm×長度40 mm)，首先采用氦孔法、液體飽和法和NMR法依次測量柱塞樣孔隙度，然后將柱塞樣粉碎成不同粒徑大小(>20，10～20，5～10，2～5，0.25～2，0.15～0.25 mm)，再測量碎樣氦孔隙度，并對比柱塞樣孔隙度與碎樣孔隙度之間的差異，在此基礎(chǔ)上確定頁巖總孔隙度和連通孔隙度。實驗樣品的有機碳含量分布在1.63%～3.70%之間，石英含量分布在49.9%～61.2%之間，黏土含量分布在24.2%～30.7%之間(表1)。由于有機碳含量和礦物組分的差異，可能造成不同樣品間的孔隙度差異明顯，如有機碳含量與孔隙度存在較好關(guān)系[12]，即有機碳含量高，孔隙度相對較高。

2 孔隙度測量步驟

液體飽和法和核磁共振法均采用抽真空加壓飽和鹽水(2%的NaCl溶液)和飽和油(十二烷)，分別測量其平行柱塞樣的孔隙度。實驗步驟如下：

(1)將6組平行樣在200 ℃條件下烘干24 h后備用；

(2)選取其中一組平行樣測量氦氣孔隙度，飽和壓力分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.5，2.0，3.0 MPa；

(3)測量完氦孔隙度后再將樣品飽和油，測量其孔隙度；

表1 實驗樣品有機碳含量和巖石礦物學特征

圖1 碎樣外觀總體積測量原理Fig.1 Measuring principle of appearance total volume of crushed sample

(4)另一組平行樣飽和鹽水后，測量其鹽水孔隙度；

(5)液體飽和法孔隙度測量完畢后，再采用核磁共振測量孔隙度；

(6)將飽和油的樣品烘干，并逐漸粉碎至不同粒徑，測量碎樣孔隙度。

柱塞樣氦孔隙度和液體飽和法孔隙度測量方法參考標準“巖心分析方法：GB/T 29172—2012”。核磁共振孔隙度測量步驟詳見參考文獻[13]。碎樣氦孔隙度測量時，外觀總體積測量采用向圓柱形容器中加剛性小顆粒(剛性小顆粒小于60目，不會粘附于頁巖顆粒表面)，在外加振實壓力下進行充填，根據(jù)未裝樣品和裝滿樣品前后兩次柱塞的位置之差，計算碎樣外觀體積(圖1)。計算公式如下：

式中：Vb為被測樣品的外觀總體積，cm3；d為圓柱形容器的內(nèi)直徑，cm；L0為僅裝入剛性顆粒時柱塞離底座的距離，cm；L1為裝入被測樣品后柱塞離底座的距離，cm。

碎樣顆粒體積測量采用波義耳雙室法，參考標準《巖心分析方法：GB/T 29172—2012》。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 柱塞樣孔隙度測量結(jié)果分析

利用氦孔法、液體飽和法和核磁共振法測量柱塞樣孔隙度差異明顯(表2)，其中飽和鹽水核磁共振孔隙度最大，飽和鹽水液體飽和法孔隙度次之，氦氣飽和法孔隙度最小。

3.1.1 液體飽和法孔隙度測量結(jié)果分析

采用鹽水和油作為飽和介質(zhì)測量頁巖柱塞樣品孔隙度，結(jié)果顯示飽和油的孔隙度小于飽和鹽水的孔隙度(表2)。研究區(qū)頁巖發(fā)育大規(guī)模有機孔、粒內(nèi)溶孔和有機質(zhì)邊緣縫等(圖2)，這些孔隙空間和裂縫空間具有不同的潤濕性，影響了油水進入有機孔和無機孔的難易程度，造成孔隙度測量結(jié)果出現(xiàn)較大差異。實驗表明，柱塞樣單位質(zhì)量巖心自吸水量較自吸油量大，表明頁巖柱塞樣具有更多的親水性連通孔隙，而親油性連通孔隙相對較少[21-23]，也造成飽和鹽水核磁孔隙度偏大。由表1可知，此次研究樣品黏土礦物含量較高(24.2%～30.7%)，且成分以伊利石為主[24]，吸水后由于水化作用可產(chǎn)生微裂縫[25-28]，導致更多的水滯留于水化作用產(chǎn)生的微裂縫中，進一步使飽和鹽水的孔隙度大于飽和油的孔隙度，也造成飽和鹽水的核磁孔隙度大于飽和油的核磁孔隙度。

3.1.2 核磁共振孔隙度測量結(jié)果分析

為了分析核磁共振孔隙度較液體飽和法孔隙度偏大的原因，實驗測量前對樣品進行了原始狀態(tài)和不同溫度烘干后的核磁T2譜測量，發(fā)現(xiàn)200 ℃干燥后頁巖樣品仍具有較高的核磁信號(圖3)。研究表明，這些信號主要是由黏土礦物層間水未完全去除和有機質(zhì)核磁響應(yīng)引起。在計算核磁共振孔隙度時，干燥巖心的核磁信號也將計算為總孔隙度的一部分，導致核磁共振孔隙度較其他柱塞樣孔隙度測量結(jié)果偏大。此外，核磁共振還可以檢測到頁巖閉孔中所含的H原子，閉孔也是導致核磁共振孔隙度測量結(jié)果偏大的原因之一。不管采用哪種實驗測量方法，R203-1號樣品的孔隙度本身大于R203-4號樣品的孔隙度，所以R203-1號樣品在不同狀態(tài)下的核磁強度大于R203-4號樣品的核磁強度。此外，R203-1號樣品的黏土含量也大于R203-4號樣品的黏土含量，其黏土晶間的束縛水含量也相對較高。

表2 不同方法柱塞樣孔隙度測量結(jié)果

圖2 樣品R203-1有機孔(a)、 無機孔(b)及微裂縫(c)電鏡觀測結(jié)果Fig.2 Electron microscopic observations of organic pores(a), inorganic pores(b) and micro fractures(c) in sample R203-1

圖3 巖心R203-1(a)和R203-4(b)在不同干燥溫度下的核磁T2譜Fig.3 NMR T2 spectra of cores R203-1(a) and R203-4(b) at different drying temperatures

3.1.3 氦孔隙度測量結(jié)果分析

氦孔法在常規(guī)巖心孔隙度測量中應(yīng)用廣泛，但測量的頁巖孔隙度與其他方法相比結(jié)果大大偏小(表2)。由于頁巖發(fā)育大量微納米孔隙，氦孔法飽和壓力較低，氦氣難以進入將其飽和，為此開展了不同注入壓力下的氦孔隙度測量。圖4顯示，當注入壓力逐漸升高時，氦孔隙度逐漸增大，尤其是在2 MPa之前，孔隙度增加比較明顯。由圖5可知，在0.20～2.07 MPa氣體注入壓力下，氣體進入孔隙空間所需時間更長，孔隙度也隨注入壓力的增加而增大，可見隨著注入壓力增大，氦氣分子可進入更多微小孔隙。頁巖中微小孔隙數(shù)量多，但孔隙體積占比小，使得注入壓力小于1 MPa之前，孔隙度增加明顯；而在1～2 MPa注入壓力下，孔隙度增加緩慢。由于頁巖孔隙細小，氦氣分子在較小的注入壓力下難以充分飽和，導致氦氣孔隙度較液體飽和及核磁共振孔隙度偏小。增大注入壓力(3 MPa)后的氦氣孔隙度仍較飽和鹽水的孔隙度小，表明影響氦氣孔隙度測量結(jié)果的影響因素不僅僅只有注入壓力。對比氦孔隙度與液體飽和法測量流程發(fā)現(xiàn)：飽和液體前，樣品經(jīng)過長時間抽真空處理；而氦孔法沒有對樣品進行抽真空，樣品孔隙中有氣體存在，占據(jù)了部分孔隙空間。此外，頁巖平均孔喉半徑較小[29-30]、比表面大，對空氣和甲烷分子具有較強的吸附能力，也將造成氦孔隙度測量結(jié)果偏低。

圖4 氦孔隙度與注入壓力的關(guān)系Fig.4 Relationship between helium porosity and injection pressure

頁巖黏土礦物含量高，孔隙類型復雜多樣，孔喉細小、比表面大，礦物和有機質(zhì)的潤濕性差異大，對氣體分子的吸附能力較強，導致核磁共振孔隙度和液體飽和法孔隙度結(jié)果大于氦孔隙度。氦孔隙度偏低的原因主要為：(1)注入壓力過低；(2)測量樣品前未對樣品抽真空。為準確測量頁巖孔隙度，需建立一套抽真空和高壓飽和氦氣的實驗方法。

3.2 碎樣孔隙度測量結(jié)果分析

3.2.1 粉碎粒徑的影響

為了與柱塞樣孔隙度測量結(jié)果對比，選取2 MPa作為飽和壓力，理由是注入壓力小于2 MPa時，柱塞樣孔隙度測量結(jié)果變化非常明顯，而大于2 MPa后測量結(jié)果基本不變。與常規(guī)砂巖相比，氣體分子難以快速進入頁巖納米孔隙，也需要更長的平衡時間[31-32]，樣品粒徑不同，飽和平衡時間也不同。圖6顯示，當粒徑大于5 mm時，測量孔隙度值隨粒徑的減小而增大；當粒徑小于5 mm時，孔隙度測量值趨于穩(wěn)定。粒徑較大(大于5 mm)的樣品在相同的注入壓力條件下，氦氣分子完全進入頁巖納米孔隙空間相對困難，使測量孔隙度偏小。

圖5 樣品R203-1不同注入壓力與平衡時間關(guān)系Fig.5 Relationship between different injection pressures and balance time of sample R203-1

圖6 粉碎粒徑與氦孔隙度測量結(jié)果關(guān)系Fig.6 Relationship between crushed particle size and helium porosity

當樣品被粉碎至一定程度后，氦氣分子能有效進入納米孔隙中，測量的氦孔隙度值才具有較高的真實性。此外，6個樣品本身的孔隙度大小和有機碳含量不同導致圖6中曲線不同?？紫抖群陀袡C碳含量越大，粉碎樣品的孔隙度也越大。

粉碎至較小的粒徑是否會破壞巖心的孔隙結(jié)構(gòu)，使測量孔隙度值偏??？換言之，粉碎程度越高，測量結(jié)果是否越精確？因此，在粉碎過程中必須考慮對孔隙結(jié)構(gòu)的破壞作用。頁巖顆粒骨架主要由黏土和泥沙壓實成巖，其粒徑分布在30～60 μm[33]。根據(jù)美國材料與試驗學會(American Society for Testing and Materials，ASTM)粒徑分類標準，細沙類被分為黏土和泥沙兩類，對應(yīng)的粒徑應(yīng)小于0.074 mm，可通過的標準篩目數(shù)為200目[18]，故巖心粉碎的粒徑必須大于顆粒粒徑才能保證孔隙不被破壞。圖6顯示，當粒徑分布在0.25～0.15 mm時，出現(xiàn)孔隙度減小的現(xiàn)象，表明巖心粉碎至0.25 mm可能破壞巖心孔隙結(jié)構(gòu)。因此，頁巖樣品粉碎至粒徑為5～0.25 mm時測量的氦孔隙度更接近于巖石的總孔隙度。

3.2.2 振實壓力和振實次數(shù)的影響

碎樣外觀總體積也是影響氦孔隙度準確測量的關(guān)鍵因素。本論文采用“填積法”實現(xiàn)了對碎樣外觀體積的測量。為增強外觀總體積測量結(jié)果的可靠性，選擇已知體積的標準鋼塊進行體積標定，分析不同振實壓力和不同振實次數(shù)條件下的鋼塊體積。圖7顯示，當振實壓力大于80 N后，測量的外觀體積基本不變；振實次數(shù)大于5次后，測量的外觀體積較為可信。因此可選取100 N的振實壓力和10次振實次數(shù)來標定5塊已知體積的標塊體積，測量結(jié)果與已知結(jié)果具有較高的一致性(圖8)。

因此，注入壓力為2 MPa，粉碎粒徑為5～0.25 mm，振實壓力為100 N，振實次數(shù)為10次條件下測量的巖石氦孔隙度可認為是頁巖巖石的總孔隙度。

3.3 柱塞樣與碎樣氦孔隙度差異分析

部分學者認為，在巖心粉碎過程中絕大部分死孔隙或不連通孔隙被打開，使其變?yōu)榭蛇B通孔隙，增加了有效孔隙度[34]。然而，楊巍等[35]采用邊長為2cm的塊狀頁巖樣品進行研究，指出在樣品粉碎過程中可以增加有效孔隙體積，但頁巖有效孔隙的主要貢獻者仍然為大孔、中孔和微裂縫，在打開44.36%。由此可知，柱塞樣與碎樣之間的孔隙度差異主要源于頁巖孔隙連通程度的差異，柱塞樣樣品粒徑較大，很多孤立孔隙或非連通孔隙將無法被氦氣分子探測，導致孔隙度偏?。粚悠贩鬯榭捎行p小孔隙未連通的盲區(qū)，增大氣體探測孔隙空間，從而測量巖石中的總孔隙空間，包含連通部分和不連通部分。

圖7 測量標塊外觀總體積與振實壓力和振實次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between standard block volume and compaction pressure and times

圖8 標塊的測量體積與真實體積的關(guān)系Fig.8 Relationship between measured and real volumes of standard blocks

死孔隙的同時，大孔、中孔和微裂縫將受到不同程度的破壞，使有效孔隙體積減小。該實驗研究證明邊長為2 cm的塊狀樣品不能完全打開不連通孔隙，氣體分子不能完全進入有機孔和閉孔。前文已得出頁巖樣品粉碎至粒徑為5～0.25 mm并不會破壞巖石的顆粒結(jié)構(gòu)，孔隙并不會因此而遭受損失。圖9顯示，粒徑為2.00～0.25 mm碎樣氦孔隙度遠大于柱塞樣氦孔隙度(注入壓力為2MPa)，其差值分布在0.65%～2.40%，占總孔隙度的11.21%～圖10顯示，柱塞樣氦孔隙度與有機碳含量和黏土礦物含量明顯正相關(guān)，實驗樣品的有機質(zhì)孔隙是氦孔隙度的主要貢獻者。將巖心粉碎至2.00～0.25 mm后，大量不連通的孔隙被打開，碎樣氦孔隙度與有機碳含量的相關(guān)性比柱塞樣更大，表明頁巖中大量不連通孔隙主要存在于有機質(zhì)內(nèi)。碎樣氦孔隙度與柱塞樣氦孔隙度相差越大，反映了頁巖樣品中孔隙發(fā)育程度越復雜。相關(guān)文獻已證實頁巖中發(fā)育大量的不連通孔隙[36-37]，在粉碎過程中被打開[38-40]。故通過研究認為，柱塞樣孔隙度通常表達連通孔隙的信息，而碎樣孔隙度代表頁巖總孔隙度的信息。

圖9 柱塞樣與碎樣(2.00～0.25 mm)氦孔隙度對比Fig.9 Comparison of helium porosity between plug samples and crushed samples (2.00-0.25 mm)

4 孔隙度差異對頁巖氣開發(fā)的啟示

頁巖儲層礦物組分復雜，孔隙類型多樣，孔喉細小、比表面大，礦物和有機質(zhì)的潤濕性差異大，對氣體分子的吸附能力較強，使其有效開發(fā)極具挑戰(zhàn)性。研究表明，頁巖除了發(fā)育連通孔隙外，還發(fā)育大量不連通孔隙，最高可占頁巖樣品總孔隙體積的44.36%。為了實現(xiàn)頁巖氣高效開采，就必須考慮將這部分不連通孔隙變成連通孔隙，才能有效提高頁巖氣產(chǎn)量。

大型水力壓裂技術(shù)已成為實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)高效開采的主要技術(shù)手段[41-44]。水力壓裂技術(shù)主要是通過高壓使巖石破碎，并形成大量網(wǎng)狀縫，以提高頁巖氣的流動能力。因此，有效的體積改造與縫網(wǎng)改造程度將決定單井頁巖氣產(chǎn)量。在壓裂過程中大量的壓裂液注入地層并與頁巖基質(zhì)相互作用，可形成大量網(wǎng)狀縫。大量的網(wǎng)狀裂縫與頁巖基質(zhì)接觸后便能有效增加頁巖的泄氣體積，但不能完全釋放不連通孔隙中的天然氣。由于不連通孔隙主要存在于有機質(zhì)和黏土礦物中，為了有效釋放這部分孔隙中的天然氣，需提高頁巖儲層整體可改造能力，以創(chuàng)造更多的孔隙空間或裂縫空間，提高縫網(wǎng)與有機質(zhì)和黏土礦物的接觸面積，為壓裂液與有機質(zhì)和黏土礦物相互作用提供更多的空間和機會。為實現(xiàn)頁巖氣高效開發(fā)，可考慮在壓裂液中添加適當?shù)幕瘜W劑，改造有機質(zhì)和黏土礦物結(jié)構(gòu)，釋放不連通孔隙中的頁巖氣，以提高頁巖氣單井產(chǎn)量和頁巖氣采收率。

圖10 柱塞樣和碎樣氦孔隙度與有機碳含量和黏土礦物含量的關(guān)系Fig.10 Relationship between helium porosity and TOC content and clay mineral content both in plug samples and crushed samples

5 結(jié)論

(1)頁巖儲層礦物組分復雜，孔隙類型多樣，孔喉細小、比表面大，礦物和有機質(zhì)的潤濕性差異大，對氣體分子的吸附能力較強，導致核磁共振孔隙度和液體飽和法孔隙度(油、鹽水)測量的柱塞樣孔隙度誤差相對較大。若黏土礦物含量較低時，可采用飽和鹽水的方法測量頁巖柱塞樣孔隙度。而氦孔隙度偏低的原因主要為注入壓力過低和測量樣品前未對樣品抽真空。

(2)碎樣氦孔隙度影響因素主要為粉碎粒徑、振實壓力及振實次數(shù)。實驗研究表明，注入壓力為2 MPa時，在粉碎粒徑為5.00～0.25 mm、振實壓力為100 N、振實次數(shù)為10次的測量條件下，測量的碎樣氦孔隙度更接近于頁巖樣品的總孔隙度。

(3)頁巖中大量的不連通孔隙導致碎樣氦孔隙度與柱塞樣氦孔隙度之間存在較大差異。柱塞樣氦孔隙度無法表達不連通的孔隙信息。柱塞樣經(jīng)粉碎后大量不連通孔隙被打開，因此，柱塞樣氦孔隙度為連通孔隙度，碎樣氦孔隙度可視為頁巖總孔隙度。

(4)不連通孔隙主要存在于有機質(zhì)中，少量存在于黏土礦物中。兩者差值大小在某種程度上可反映頁巖樣品中孔隙發(fā)育程度的復雜性?？稍趬毫岩褐刑砑舆m當?shù)幕瘜W劑，改造有機質(zhì)和黏土礦物結(jié)構(gòu)，釋放不連通孔隙中的頁巖氣，以提高頁巖氣單井產(chǎn)量和頁巖氣采收率。