基于恒速壓汞技術(shù)研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)：以湘西北地區(qū)五峰組頁(yè)巖為例

王 靜,郗兆棟,陸冬華

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

0 引言

頁(yè)巖氣具有自生自儲(chǔ)的特征，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層被認(rèn)為是一種復(fù)雜的非均質(zhì)多孔介質(zhì)，具有復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)，導(dǎo)致其具有復(fù)雜的儲(chǔ)氣機(jī)制和轉(zhuǎn)換機(jī)制，這使得很難預(yù)測(cè)一個(gè)地區(qū)頁(yè)巖氣的空間分布和有效性(Xi et al.，2018a，2019a；郗兆棟等，2018，姜生玲等，2018)。一般從孔隙和喉道的大小、形態(tài)、連通性等幾方面表征頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)，而頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的喉道和孔隙大小分布范圍廣泛且形態(tài)多樣，因此需要聯(lián)合多種實(shí)驗(yàn)手段去刻畫(Yang et al.，2014；Yang et al.，2017；張鵬等，2019)。目前對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法有很多，常用的多為鏡下觀測(cè)法(如掃描電鏡等)、氣體吸附法(如氮?dú)馕?以及常規(guī)壓汞等，但是以上方法均不能很好地將孔隙和喉道區(qū)別開(kāi)，不能獲取關(guān)于喉道的關(guān)鍵參數(shù)(Tian et al.，2015；Wei et al.，2016)。對(duì)于低滲儲(chǔ)層而言，尤其是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，分析喉道特征及其與孔隙的關(guān)系是表征孔隙結(jié)構(gòu)的重要方面。恒速壓汞技術(shù)可以分別獲得孔隙和喉道的相關(guān)參數(shù)，主要包括孔喉大小及分布特征、孔喉比、毛細(xì)管壓力曲線等(Zhang et al.，2019；龐姍等，2019)。所以恒速壓汞實(shí)驗(yàn)對(duì)于研究低滲、特低滲儲(chǔ)層更為適用和精確。

然而目前的研究大多針對(duì)孔隙而忽略了喉道特征的研究，使得對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)相對(duì)片面(Milliken et al.，2013；Pan et al.，2015)。本次研究選取湘西北地區(qū)海相頁(yè)巖五峰組的4塊樣品開(kāi)展恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，定量分析孔隙，喉道和孔喉比等參數(shù)，為全面分析頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)提供一定的指導(dǎo)意義(郗兆棟等，2018)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

恒速壓汞法是以較低的恒定流速將汞注入到孔隙中，注入速度為0.0001 cm3/min或0.00005 cm3/min，如此低的進(jìn)汞速度可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)的過(guò)程。從恒速壓汞的模型可以看出(圖1)：因?yàn)槠溥M(jìn)汞速度低，過(guò)程近似為準(zhǔn)靜態(tài)，因此可將孔隙和喉道分開(kāi)測(cè)量(崔連訓(xùn)，2012；杜江民等，2016)?？紫逗秃淼赖葏?shù)主要是基于汞注入過(guò)程中壓力升降的變化得到的(圖2b)。簡(jiǎn)單來(lái)講，汞注入后需要先通過(guò)喉道才能進(jìn)入孔隙，在突破喉道的過(guò)程中壓力會(huì)不斷上升，當(dāng)壓力累計(jì)到一定時(shí)汞突破喉道進(jìn)入孔隙，這時(shí)壓力會(huì)迅速回落，此時(shí)汞開(kāi)始充滿與此喉道連通的孔隙，這時(shí)可得到與該孔隙和喉道的相關(guān)壓力數(shù)值。重復(fù)上述過(guò)程便可以得到頁(yè)巖樣品中所有喉道和孔隙的壓力數(shù)據(jù)(高永利和張志國(guó)，2011；解偉等，2011)。根據(jù)突破喉道的壓力和汞進(jìn)入體積可分別得到喉道半徑及孔隙大小(朱晴等，2019)。此過(guò)程有兩點(diǎn)需要注意：(1)始終保持較低的汞注入速度；(2)汞優(yōu)先進(jìn)入與大喉道連通的孔隙。

圖1 恒速壓汞模型(據(jù)陳蒲禮等，2013修改)Fig.1 Model of constant-speed mercury injection(modified from Chen et al.,2013)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

恒速壓汞相比于常規(guī)壓汞的實(shí)驗(yàn)過(guò)程要長(zhǎng)很多且頁(yè)巖通常具有納米級(jí)的孔喉系統(tǒng)，因此必須在開(kāi)展恒速壓汞實(shí)驗(yàn)前選擇代表性的樣品。前人在研究低滲透砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)認(rèn)為，樣品選取應(yīng)在以鑄體薄片和掃描電鏡觀察的基礎(chǔ)上，考慮樣品所處沉積微相并參考大量的常規(guī)壓汞測(cè)試結(jié)果參數(shù)，充分考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性和代表性(萬(wàn)琳等，2018；張鵬等，2018)。本次研究所選樣品采自湘西北地區(qū)桑植區(qū)塊奧陶系五峰組，所選的頁(yè)巖樣品是參考本團(tuán)隊(duì)已發(fā)表文章中壓汞和低溫氮?dú)馕降慕Y(jié)果后(Xi et al.，2018b，2019b)選取的滲透率區(qū)間為<0.5 mD，0.5 mD，1 mD～5 mD，5 mD～10 mD的4塊樣品，恒速壓汞實(shí)驗(yàn)于2019年在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成相關(guān)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。4塊頁(yè)巖具有相近的有機(jī)質(zhì)含量(1.0%～1.5%)、礦物組分(石英為主，其次為粘土礦物)及巖相特征，具有一定的對(duì)比性和代表性。

圖2 恒速壓汞進(jìn)汞過(guò)程示意圖(據(jù)高永利和張志國(guó),2011)Fig.2 Schematic diagrams of constant-speed mercury injection process(modified from Gao and Zhang,2011)a-孔喉模型示意圖;b-壓力升降圖a-sketch of pore and throat；b-diagram of pressure rise and fall

表1 恒速壓汞實(shí)驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 孔喉特征分析

3.1 孔隙特征

本次研究所選4塊樣品的滲透率與平均孔隙半徑?jīng)]有明顯的相關(guān)性(圖3)，且孔隙大小分布呈正態(tài)分布的趨勢(shì)(圖4)。不同滲透率樣品孔徑峰值差異很小，都集中在100～200 μm之間，表明頁(yè)巖樣品的滲透率與孔隙大小無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系，孔隙特征不是控制此研究中頁(yè)巖樣品滲透率的關(guān)鍵因素。

圖3 滲透率與平均孔隙半徑關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability and average pore radius

圖4 頁(yè)巖樣品孔隙分布特征曲線圖Fig.4 Frequency versus pore radius of shale samples

3.2 喉道特征

喉道反映了孔隙之間的連通情況。頁(yè)巖樣品的滲透率與喉道半徑存在明顯的正相關(guān)性，滲透率高的頁(yè)巖儲(chǔ)層具有較大的平均喉道半徑(圖5)。此外，頁(yè)巖樣品也具有不同的喉道分布特征。滲透率較低的樣品喉道分布集中且主要以小喉道為主，而滲透率較高的樣品喉道分散分布且主要以大吼道為主(圖6)。本次所選滲透率最低的1號(hào)樣品喉道半徑均小于1 μm且集中于0.5 μm左右。而滲透率最大的4號(hào)樣品的喉道半徑分布范圍為0～7 μm，且大喉道所占比例增加很多，主喉道半徑集中于2.5 μm，對(duì)于低滲透儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，正是由于這些較大喉道的存在，相對(duì)降低了頁(yè)巖氣開(kāi)采難度。

如恒速壓汞實(shí)驗(yàn)的原理一樣，汞會(huì)優(yōu)先突破大喉道繼而進(jìn)入與之連通的孔隙。因此，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲透率也主要受控于大喉道的數(shù)量，喉道半徑越大且數(shù)量越多的低滲儲(chǔ)層一般具有較高的滲透率(陳蒲禮等，2013；趙華偉等，2017)。前人也證實(shí)了滲透率越高的樣品，大喉道的貢獻(xiàn)比小喉道的貢獻(xiàn)率高得多。然而，從本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出(表1)，滲透率越大的樣品，其有效喉道數(shù)量并不是逐漸增多的。從恒速壓汞的模型可以看出，這主要是因?yàn)楫?dāng)喉道半徑增大到一定程度時(shí)，喉道與孔隙的區(qū)別可能就會(huì)變小，孔隙特征就足以表征儲(chǔ)層的儲(chǔ)集特征(孟子圓等，2019)。因此，前人研究指出以大孔為主的頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙體積及孔隙度往往與滲透率存在較好的相關(guān)關(guān)系，但以微孔和介孔為主的頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率往往不具有相關(guān)性(Xi et al.，2018a，2019a)。此外，喉道的數(shù)量只是影響滲透率的一個(gè)因素，喉道的分布特征及形態(tài)也會(huì)對(duì)滲透率起到一定的作用。因此大喉道數(shù)越多，滲透率不一定會(huì)逐漸增大。從本文的結(jié)果看，對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層而言，喉道大小及其分布情況依然是控制低滲儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素及主要因素之一(Loucks et al.，2009；Hu et al.，2016)。

圖5 滲透率與平均喉道半徑關(guān)系Fig.5 Relationship between permeability and average pore throat radius

圖6 喉道半徑分布特征曲線圖Fig.6 Frequency versus throat radius of shale samples

3.3 孔喉比

孔喉比與滲透率存在著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，滲透率越高的樣品孔喉比越小，孔喉比由300逐漸降至小于100(圖7)。有的學(xué)者提出：在低滲儲(chǔ)層中，如果滲透率接近，那么孔喉比與滲透率并沒(méi)有明顯的相關(guān)性，甚至于得出與上述相反的結(jié)論(Li et al.，2020；Wang et al.，2020)，至于樣品滲透率之間相差多大還有待進(jìn)一步的研究。本文選取的4塊樣品滲透率差異很大，分布范圍從0.23～5.46 mD，因此可以認(rèn)為孔喉比也是影響低滲儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的因素。

從圖8的4個(gè)樣品孔喉比特征曲線來(lái)看，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔喉比整體分布范圍較大，分布在0～700之間且孔喉比數(shù)值整體偏大，這是低滲儲(chǔ)層難開(kāi)發(fā)的原因之一。4塊樣品的孔喉比特征曲線差異還是比較大的，峰值差異也較大(90～300)。滲透率較小樣品的孔喉比大，分布范圍很寬，非均質(zhì)性較強(qiáng)，表明樣品中較大孔徑的孔隙與較小的喉道相連(如墨水瓶型)。這類儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)通常具有連通性較差且發(fā)育較多死孔隙，不利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集(Mastalerz et al.，2013；Jiu et al.，2016)。相反，滲透率較大的頁(yè)巖樣品具有較小的孔喉比和分布區(qū)間，說(shuō)明單個(gè)孔隙被大喉道所控制，滲流能力就相對(duì)較好。

圖7 頁(yè)巖樣品滲透率與平均孔喉比的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between permeability and average pore/throat ratio of shale samples

圖8 基于恒速壓汞的孔喉比分布特征Fig.8 Frequency versus pore/throat ratio revealed by constant-speed mercury injection experiments

3.4 毛細(xì)管曲線

本次研究分別得到了總體毛細(xì)管壓力曲線，孔隙和喉道的毛細(xì)管壓力曲線(圖9)。汞開(kāi)始注入時(shí)，總體毛細(xì)管壓力與孔隙毛細(xì)管壓力相當(dāng)，即汞先進(jìn)入大喉道所控制的孔隙中。而后隨著壓力的繼續(xù)增大，汞開(kāi)始突破較小的喉道繼而進(jìn)入與之連通的孔隙，但表現(xiàn)為急劇增大的進(jìn)汞壓力但相對(duì)較慢的進(jìn)汞量，表明喉道開(kāi)始作為主要的控制因素。從毛細(xì)管壓力曲線的形態(tài)可以得出，孔隙在低滲儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)前期起著一定的主導(dǎo)作用，隨著壓力的增加，喉道開(kāi)始起主要作用。對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層而言，喉道的作用會(huì)越加凸顯(Chen et al.，2018)，因?yàn)樽陨頋B透率很低，細(xì)小喉道數(shù)量多，喉道起作用時(shí)間會(huì)提前甚至在開(kāi)發(fā)前期就是大喉道作為主要的滲流通道。

圖9 頁(yè)巖樣品的毛細(xì)管壓力曲線特征Fig.9 Capillary pressure versus mercury saturation of shale samples

4 結(jié)論與展望

(1)具有不同滲透率的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有差異較為明顯的孔隙結(jié)構(gòu)特征，但表現(xiàn)為較為相似的孔隙特征而不同的喉道特征。

(2)滲透率較高的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有較大的喉道半徑、寬泛的分布范圍及較小的孔喉比；而滲透率較低的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有較大的孔喉比及較小的喉道半徑。

對(duì)于低滲儲(chǔ)層而言，尤其是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，喉道特征(主要包括大小、分布特征、形態(tài)等)是研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間和吸附能力的重要部分，是控制頁(yè)巖氣滲流能力的關(guān)鍵因素之一，在以后對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)特別注意及重視。