基于氮吸附的致密砂巖儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙分布表征

孫 彤，張志強(qiáng)，師永民，汪 賀

(北京大學(xué)，北京 100871)

0 引 言

華慶油田長63小層是一套半深湖—深湖相為主的厚層砂質(zhì)碎屑流砂體體系，非均質(zhì)性強(qiáng)且物性差，為典型的致密砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層孔隙度平均為9.86%，滲透率為0.01～0.50 mD，孔隙類型以礦物粒間殘余孔、黏土礦物晶間孔及顆粒內(nèi)部溶蝕孔為主。目前針對(duì)華慶油田油氣儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究較多，常見掃描電鏡、高壓壓汞、核磁共振等方法，但利用氮吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)致密砂巖納米級(jí)孔隙特征研究相對(duì)較少[1-4]。低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)可有效解決致密儲(chǔ)層比表面積較大和孔徑較小的問題，可對(duì)微小孔隙及微裂縫的半徑分布進(jìn)行準(zhǔn)確表征，尤其是對(duì)納米級(jí)孔隙進(jìn)行定量描述。前人研究普遍認(rèn)為[5-9]，微納米級(jí)孔隙是致密油儲(chǔ)層的重要賦存空間，有效表征致密儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙分布特征對(duì)明確致密儲(chǔ)集空間具有重要意義。因此，有必要對(duì)鄂爾多斯盆地華慶油田延長組長63致密砂巖儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取鄂爾多斯盆地華慶油田延長組長63小層巖樣(F1—F6、G1—G10)，利用掃描電鏡觀察致密砂巖儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)特征，氮吸附實(shí)驗(yàn)定量評(píng)價(jià)致密砂巖納米級(jí)孔隙分布特征。掃描電鏡利用高能電子束與樣品物質(zhì)的交互信息反映，觀察物體表面結(jié)構(gòu)與成分，具有景深大、立體感強(qiáng)和分辨率高的特點(diǎn)，主要用來觀察孔隙形狀、孔喉大小及進(jìn)行成分分析[10-13]。氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)采用美國 Quantachrome 公司生產(chǎn)的 QUADRASORB SI 型比表面積和孔徑分析儀，通過等溫物理吸附的靜態(tài)容積法得到等溫吸附曲線，可用于刻畫介質(zhì)的孔徑及比表面積分布等[14-15]，氮吸附的有效分析范圍為2～100 nm[16-17]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡觀察

掃描電鏡結(jié)果顯示，致密砂巖儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙特征復(fù)雜多樣，主要包括黏土礦物晶間孔、殘余晶間孔、粒內(nèi)溶蝕孔及微裂縫等(圖1)。黏土礦物充填粒間孔隙，發(fā)育大量的黏土礦物晶間孔，以伊利石、綠泥石及伊蒙混層等晶間微孔隙為主，孔徑小，形態(tài)隨黏土礦物類型而變化，具有一定的連通性。伊利石晶間孔隙多為不規(guī)則圓柱狀、橢球狀、條帶狀等形狀，孔隙直徑為140～1 650 nm，平均為820 nm；綠泥石形態(tài)規(guī)則，但大多堆積雜亂，其晶間孔隙有圓柱狀、狹縫狀、條帶狀、層狀等，孔隙直徑為150～350 nm，平均為240 nm；伊蒙混層總體呈網(wǎng)狀分布，其晶間孔隙大多呈圓柱狀孔洞形態(tài)，孔隙直徑為280～990 nm，平均為630 nm。納米孔物性條件較差，含油性較差，晶間孔以油膜方式賦存原油，致密儲(chǔ)層發(fā)育的微裂縫具有明顯改善儲(chǔ)層滲透率的作用。

圖1 致密砂巖儲(chǔ)層納米孔隙發(fā)育特征

2.2 低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)

2.2.1 氮吸附平衡等溫線

圖2為H1、H2、H3三種類型回滯環(huán)曲線。由圖2可知，各樣品的吸附-脫附曲線的形態(tài)不同，整體上均呈反“S”形，根據(jù)IUPAC的吸附平衡等溫線分類[18-20]，各樣品的吸附等溫線均為典型的Ⅳ型等溫線。在低壓段有較多微孔存在，且與氮有較強(qiáng)的作用力，隨相對(duì)壓力的增加，在中壓段后，各樣品的吸附等溫線形態(tài)逐漸顯現(xiàn)較大的差異。

根據(jù)IUPAC的遲滯回線分類[18-20]，可將樣品分為3種：①樣品F5、F6、G1、G2以及G5的吸附等溫線呈現(xiàn)H1型回滯環(huán)(圖2a)，總體較窄，脫附曲線基本平行于吸附曲線，無明顯的拐點(diǎn)，表明樣品孔徑范圍較窄，對(duì)應(yīng)圓柱狀、圓筒狀、橢球狀的納米級(jí)孔隙，孔隙連通性較好；②樣品F4、G4、G6、G7以及G10的吸附等溫線呈現(xiàn)H2型回滯環(huán)(圖2b)，總體較寬，表明樣品孔徑范圍較窄，脫附曲線比吸附曲線陡，存在明顯下降的拐點(diǎn)，表明樣品孔型復(fù)雜多樣、孔徑分布范圍寬，對(duì)應(yīng)墨水瓶狀的納米級(jí)孔隙，孔隙連通性較差；③樣品F1、F2、F3、G3、G8以及G9的吸附等溫線呈現(xiàn)H3型回滯環(huán)(圖2c)，總體特別窄，脫附曲線與吸附曲線大致趨于重合，且隨相對(duì)壓力的增大上升速度快，當(dāng)平衡壓力接近飽和蒸氣壓時(shí)沒有發(fā)生飽和吸附現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)狹縫狀、彎片狀的納米級(jí)孔隙。

圖2 3種類型回滯環(huán)

2.2.2 孔徑分布特征

據(jù)IUPAC及桑樹勛等[21]的孔隙分類將致密砂巖樣品納米級(jí)孔隙分為4個(gè)區(qū)間，即吸收微孔(孔徑小于2 nm)、吸附介孔(孔徑為2～10 nm)、凝聚吸附介孔(孔徑為10～100 nm)以及滲流大孔(孔徑大于100 nm)，孔隙分布主要呈現(xiàn)3種模式。

(1) 小單峰模式。樣品G1、G3、G4、G6以及G10呈現(xiàn)出小單峰的分布模式(圖3a)，納米級(jí)孔徑分布在258 nm以內(nèi)，主要有一個(gè)峰值分布在2～10 nm，其他區(qū)間沒有出現(xiàn)峰值，且孔徑分布幅度較小。由圖3a可知：孔徑為40～130 nm時(shí)，曲線下降逐漸緩慢，孔徑大于130 nm之后，曲線下降趨勢(shì)較為明顯；4種孔隙分布頻率從大到小依次為吸附介孔(42%)、吸收微孔(31%)、凝聚吸附介孔(19%)、滲流大孔(8%)。

(2) 雙峰式分布。樣品F1、F2、F3、F5、F6、G2、G8以及G9呈現(xiàn)出多小峰、單大峰的雙峰模式(圖3b)，納米級(jí)孔徑分布在268 nm以內(nèi)，主要由多個(gè)小峰值(2～4個(gè))和一個(gè)大峰值組成，小峰值分布在2～10 nm，大峰值分布在10～100 nm，其余區(qū)間沒有出現(xiàn)峰值，且孔徑分布幅度較小。由圖3b可知：孔徑大于130 nm后均急劇下降；4種孔隙分布頻率從大到小依次為吸附介孔(43%)、吸收微孔(29%)、凝聚吸附介孔(20%)、滲流大孔(8%)。

(3) 多小峰模式：樣品F4、G5以及G7呈現(xiàn)出多小峰的模式(圖3c)，納米級(jí)孔徑分布在288 nm以內(nèi)，主要由2～3個(gè)小峰值組成，小峰值分布在2～10 nm，其余區(qū)間沒有出現(xiàn)峰值，且孔徑分布幅度較小。由圖3c可知：孔徑大于130 nm后均明顯下降；4種孔隙分布頻率從大到小依次為吸附介孔(45%)、吸收微孔(29%)、凝聚吸附介孔(19%)、滲流大孔(7%)。

圖3 樣品孔徑分布對(duì)比分析3種分布模式

表1為各樣品孔徑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。由表1可知，不同樣品的孔徑變化范圍不同，且差異較大：①SF微孔主要分布在1.277～1.375 nm，平均孔徑為1.337 nm；②BJH中孔主要分布在8.075～26.509 nm，平均孔徑為13.452 nm；③BET總孔主要分布在8.186～49.733 nm，平均孔徑為17.066 nm。其中，樣品F1、F3和F5的孔徑相對(duì)較大，樣品G1、G6和G7的孔徑相對(duì)較小，該孔徑分布結(jié)果與BJH中孔分布一致。

表1 各樣品孔徑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2.2.3 比表面積和孔體積分布特征

運(yùn)用T-Plot、SF、BJH、Langmuir以及最高單點(diǎn)吸附等方法進(jìn)行了比表面積和孔體積的計(jì)算(表2)。由表2可知，不同樣品的比表面積和孔體積差異明顯。其中，微孔比表面積為0.579～3.996 m2/g，平均為2.040 m2/g；中孔比表面積為1.145～4.457 m2/g，平均為2.524 m2/g；總孔比表面積為0.825～5.832 m2/g，平均為3.005 m2/g。微孔孔體積總體較小，為0.195×10-3～1.134×10-3mL/g，平均為0.548×10-3mL/g；中孔孔體積為4.845×10-3～11.605×10-3mL/g，平均為7.032×10-3mL/g；總孔孔體積為5.300×10-3～12.152×10-3mL/g，平均為7.480×10-3mL/g。

表2 各樣品比表面積和孔體積參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3 對(duì)比分析

2.3.1 納米級(jí)孔隙特征及掃描電鏡方法、氮吸附方法對(duì)比

圖4為掃描電鏡和氮吸附結(jié)果對(duì)比。掃描電鏡觀察顯示，致密砂巖樣品中的納米級(jí)孔隙主要有圓柱狀、橢球狀、條帶狀、狹縫狀以及層狀等，大多為黏土礦物晶間孔，分布在伊利石、綠泥石及伊蒙混層等黏土礦物晶間，少量為粒內(nèi)溶蝕孔、粒間孔及微裂縫，該方法簡(jiǎn)單且直觀；低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)得到的等溫吸附曲線的遲滯回線顯示，致密砂巖巖樣納米級(jí)孔隙有連通性好的圓柱狀、橢球狀、圓筒狀孔隙，連通性差的墨水瓶狀孔隙以及狹縫狀、彎片狀孔隙。兩者實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相對(duì)一致性，如巖樣G9的掃描電鏡結(jié)果顯示，納米孔為條帶狀，與其氮吸附實(shí)驗(yàn)得到的H3型回滯環(huán)反映的狹縫狀孔隙類型相似(圖4a、b)；F6巖樣的掃描電鏡結(jié)果顯示，納米孔為圓柱狀及橢球狀，與氮吸附實(shí)驗(yàn)得到的H1型回滯環(huán)反映的圓柱狀孔隙類型相同(圖4c、d)。對(duì)比兩者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，掃描電鏡可直觀地看到納米級(jí)孔隙的形態(tài)及其分布，但分辨率限制了更小級(jí)別納米級(jí)孔隙的觀測(cè)；氮吸附則可測(cè)得小于100 nm甚至幾納米的孔隙，可從回滯環(huán)推斷出大概的孔隙類型，但無法直觀看到具體的孔隙形態(tài)和分布。兩者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)一致，可進(jìn)行相互驗(yàn)證。因此，聯(lián)合掃描電鏡的定性觀察和氮吸附的定量研究，能很好地對(duì)致密砂巖納米級(jí)孔隙進(jìn)行表征，提高了研究的準(zhǔn)確度。

圖4 掃描電鏡和氮吸附結(jié)果對(duì)比

2.3.2 低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)的塊樣和粉末樣對(duì)比

圖5為塊樣和粉末樣對(duì)比結(jié)果。由圖5可知，1、3、6號(hào)樣品塊樣和粉末樣最終吸附量結(jié)果幾乎一致，但壓力變化過程中吸附量具有明顯差異，塊樣吸附量明顯大于粉末樣；2、5號(hào)樣品壓力變化過程中吸附量測(cè)量結(jié)果幾乎一致；4號(hào)樣品塊樣和粉末樣最終吸附量結(jié)果幾乎一致，但壓力變化過程中吸附量存在少許差異，其中吸附曲線幾乎一致，但脫附曲線塊樣吸附量明顯大于粉末樣。由塊狀樣品和粉末狀樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，1、2、3、4、6號(hào)樣品的塊樣和粉末樣最終吸附量結(jié)果幾乎一致，5號(hào)樣品的塊樣和粉末樣最終吸附量結(jié)果差異較大。塊樣和粉末樣的吸附量實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差為6.65%～28.68%，變化較大，且差異較明顯。

前人研究認(rèn)為[7]，為提高測(cè)量值的精度，氮吸附實(shí)驗(yàn)前需對(duì)樣品進(jìn)行研磨粉碎，可使氮?dú)獾倪\(yùn)移路徑縮短，盡快達(dá)到吸附平衡，且顆粒粒徑也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在進(jìn)行氮吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)采用塊樣和粉末樣進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，塊樣和粉末樣的最終吸附量不同，部分樣品相差不大，部分樣品相差懸殊，吸附過程中的吸附量也存在差異。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果表明，氮吸附實(shí)驗(yàn)的樣品需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难心テ扑?，適當(dāng)?shù)难心ビ兄诤娓煽紫秲?nèi)的束縛水，一定程度上增大孔隙和顆粒外表面的接觸面積，從而提高測(cè)量值的準(zhǔn)確性，但過度破碎會(huì)導(dǎo)致樣品二次破壞，使較大的介孔遭到粉碎，從而導(dǎo)致測(cè)量值的不準(zhǔn)確。

2.3.3 比表面積和孔體積分析

由比表面積和孔體積數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知，致密儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙的微孔、中孔及大孔的比表面積差異不大，但中孔的孔體積遠(yuǎn)大于微孔孔體積。由微孔、中孔及大孔的比表面積和孔體積相關(guān)性分析可知：微孔的比表面積和孔體積相關(guān)性最好，反映了正常孔隙信息，無微裂縫等的影響；中孔比表面積和孔體積相關(guān)性相對(duì)較差，部分孔體積大而比表面積小，可能是由于顆粒邊緣及內(nèi)部微裂縫以及黏土礦物晶間孔發(fā)育的影響；致密儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙多以中孔為主，決定了納米級(jí)總孔的發(fā)育。

圖5 塊樣和粉末樣對(duì)比

3 結(jié) 論

(1) 掃描電鏡結(jié)果顯示，華慶油田長63致密砂巖儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙主要為圓柱狀、橢球狀及條帶狀，多為黏土礦物晶間孔且含油性較差，致密儲(chǔ)層發(fā)育的微裂縫具有明顯改善儲(chǔ)層滲透率的作用；低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)得到的回滯環(huán)主要是H1、H2及H3型，表明孔隙形態(tài)主是圓柱狀、橢球狀、墨水瓶狀及狹縫狀。掃描電鏡和低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)兩者結(jié)果具有相對(duì)一致性，與單一方法相比，定性、定量相結(jié)合的方法能全面反映致密儲(chǔ)層孔徑分布。

(2) 對(duì)于氮吸附實(shí)驗(yàn)樣品，進(jìn)行適當(dāng)研磨粉末樣有助于提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，不研磨或過度粉碎均會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差。

(3) 華慶油田長63致密砂巖樣品低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吸附等溫線均屬于IUPAC分類的Ⅳ型等溫線；孔徑分布曲線呈現(xiàn)出小單峰、雙峰式以及多小峰3種模式，孔徑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出各巖樣變化范圍不同，但與BJH中孔分布具有一致性；比表面積和孔體積分析表明，致密儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙多以中孔為主，決定了納米級(jí)總孔的發(fā)育。