頁巖油儲(chǔ)層巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

張哲豪，李新，趙建斌，張永浩，劉鵬，羅燕穎

（1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司地質(zhì)研究院，陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

0 引 言

頁巖油作為重要的戰(zhàn)略接替資源，已成為油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域關(guān)注的熱門對(duì)象[1-4]。中國(guó)相繼在鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段、準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組、渤海灣盆地孔店組、松遼盆地青山口組和嫩江組、三塘湖盆地二疊系、柴達(dá)木盆地古近系發(fā)現(xiàn)頁巖油儲(chǔ)層，預(yù)測(cè)總可采儲(chǔ)量達(dá)30×108～60×108t，資源潛力巨大[5-11]。頁巖油以游離、吸附及溶解態(tài)等多種方式賦存于泥頁巖層系中，是泥頁巖地層生烴后就地聚集的結(jié)果，具有源巖儲(chǔ)層化、聚集原地化、孔隙納米化、賦存方式多樣化、微觀機(jī)理復(fù)雜化的特點(diǎn)[12-15]。目前中國(guó)對(duì)頁巖油的勘探開發(fā)依舊借鑒致密油氣的成功經(jīng)驗(yàn)，不能針對(duì)頁巖油的特殊性提出其特有的地質(zhì)評(píng)價(jià)需求，同時(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)也因機(jī)理、方法、工藝上認(rèn)識(shí)的不足難以支撐頁巖油評(píng)價(jià)工作[16-19]。因此，本文在分析頁巖油儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)頁巖油地質(zhì)評(píng)價(jià)需求，梳理相應(yīng)的巖石物理實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)，并指出實(shí)驗(yàn)技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)及下一步發(fā)展方向，以期從實(shí)驗(yàn)角度加強(qiáng)頁巖油儲(chǔ)層微觀機(jī)理認(rèn)識(shí)、提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度，定性定量表征儲(chǔ)層發(fā)育特征，為中國(guó)頁巖油勘探評(píng)價(jià)工作提供依據(jù)。

1 頁巖油地質(zhì)評(píng)價(jià)需求

中國(guó)頁巖油具有分布范圍廣、巖性復(fù)雜、成熟度不一、原油類型多樣等地質(zhì)特點(diǎn)[5-11]，因此，確定各大油田頁巖油儲(chǔ)層含油性，分析油氣是否形成、形成多少、形成哪種類型是地質(zhì)評(píng)價(jià)中首要解決的問題。含油性分析可有效預(yù)測(cè)頁巖油勘探潛力，并為油氣賦存狀態(tài)及開發(fā)方式的研究提供依據(jù)。

當(dāng)頁巖層系生成原油且滯留于烴源巖時(shí)，此時(shí)應(yīng)分析的問題是烴源巖能否作為有效儲(chǔ)層，礦物組分如何影響孔隙類型及分布狀態(tài)，孔隙類型、大小及連通情況如何控制原油儲(chǔ)集規(guī)律，總孔隙度及有效孔隙度如何定義與定量表征等。通過以上研究可確定儲(chǔ)層儲(chǔ)集性，厘清頁巖油成儲(chǔ)機(jī)理及富集規(guī)律。

當(dāng)頁巖油儲(chǔ)集于泥頁巖層系中，此時(shí)應(yīng)考慮頁巖油的賦存狀態(tài)，一般重質(zhì)的油、吸附的油難以流動(dòng)，輕質(zhì)的油、游離的油容易流動(dòng)。因此，應(yīng)確定頁巖油儲(chǔ)層孔隙中哪些油可動(dòng)、在什么條件下可動(dòng)、有多少可動(dòng)、流動(dòng)機(jī)制是什么等問題，以此表征頁巖油儲(chǔ)層可動(dòng)性，計(jì)算頁巖油資源可動(dòng)量。

以上分析主要是基于頁巖油勘探提出的地質(zhì)評(píng)價(jià)需求，而可壓性則是開發(fā)中最需關(guān)注的地質(zhì)指標(biāo)。可壓性是分析頁巖油儲(chǔ)層如何現(xiàn)場(chǎng)改造提高采收率的關(guān)鍵參數(shù)，決定頁巖油的可采儲(chǔ)量，實(shí)驗(yàn)室主要基于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)壓裂方案，保證頁巖油儲(chǔ)層效益開采。

綜上所述，含油性、儲(chǔ)集性、可動(dòng)性、可壓性是頁巖油勘探開發(fā)，地質(zhì)工程一體化評(píng)價(jià)中急需解決的問題，4種地質(zhì)特征間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，只有統(tǒng)籌兼顧、相互分析才能更加高效勘探開發(fā)頁巖油。

2 頁巖油巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 含油性實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)

頁巖油儲(chǔ)層含油性主要是分析有機(jī)質(zhì)豐度、類型、演化程度及生成油氣含量、空間分布等特征，實(shí)驗(yàn)室常用總有機(jī)碳含量（TOC）、熱解參數(shù)、干酪根顯微組分、鏡質(zhì)體反射率Ro來定量表征，同時(shí)還可利用激光共聚焦技術(shù)可視化確定原油儲(chǔ)集規(guī)律。

總有機(jī)碳含量是表征有機(jī)質(zhì)豐度最具代表性的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試步驟：用稀鹽酸去除樣品中無機(jī)碳后，在高溫氧氣流中燃燒將總有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，經(jīng)紅外檢測(cè)器檢測(cè)給定含量[20-21]?？傆袡C(jī)碳含量決定頁巖的生烴能力，含量越高生烴潛力越大。中國(guó)鄂爾多斯盆地總有機(jī)碳含量平均值為13%，最高可達(dá)38%，這是長(zhǎng)慶油田發(fā)現(xiàn)億噸級(jí)頁巖油儲(chǔ)層的基礎(chǔ)，但柴達(dá)木盆地古近系泥頁巖層系總有機(jī)碳含量?jī)H約為1%，依然具有良好的生烴潛力。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，咸化湖盆單位有機(jī)碳生烴潛力是淡水湖盆單位有機(jī)碳生烴潛力的3 ～5倍，因此，在依據(jù)總有機(jī)碳含量判別生烴潛力的同時(shí)，還應(yīng)考慮沉積環(huán)境。

烴源巖沉積環(huán)境主要依據(jù)有機(jī)質(zhì)類型判定[22]，實(shí)驗(yàn)室可通過識(shí)別干酪根顯微組分及含量、計(jì)算干酪根類型指數(shù)來確定有機(jī)質(zhì)類型。不同類型的有機(jī)質(zhì)生烴能力有所差異，中國(guó)烴源巖類型以Ⅰ型、Ⅱ型為主，干酪根中氫含量相對(duì)較高，生油潛力較好。

鏡質(zhì)體反射率Ro是表征有機(jī)質(zhì)成熟度最關(guān)鍵的參數(shù)，反應(yīng)了烴源巖所處的生烴階段，決定頁巖油生烴潛力、賦存狀態(tài)及開發(fā)方式，實(shí)驗(yàn)室往往通過測(cè)得的瀝青反射率Rb來換算等效鏡質(zhì)體反射率REq[23]。對(duì)于中低成熟度泥頁巖層系，未轉(zhuǎn)化的有機(jī)質(zhì)與滯留的石油含量相對(duì)較高，可通過原位轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)頁巖油效益開發(fā)；而對(duì)于中高成熟度泥頁巖層系，賦存于頁巖夾層的石油與滯留烴則是主要勘探目標(biāo)，經(jīng)常采用水平井+體積壓裂技術(shù)開發(fā)[24-25]。

上述含油性分析主要從有機(jī)質(zhì)特征方面展開，而巖石熱解實(shí)驗(yàn)，則可通過升溫來直接獲取頁巖油樣品游離烴及裂解烴含量。當(dāng)溫度低于300 ℃時(shí)，可得到游離烴揮發(fā)產(chǎn)物、重質(zhì)烴揮發(fā)產(chǎn)物及干酪根低溫?zé)峤到猱a(chǎn)物，三者之和定義為S1；溫度高于300 ℃時(shí)，可得到干酪根裂解產(chǎn)物及部分難揮發(fā)烴類S2。S1+S2可代表頁巖油的含油性及其生烴潛力，但須注意的是，熱解樣品在取樣及制備過程中，會(huì)有部分輕烴組分逸散，導(dǎo)致S1偏小。因此，建議采用保壓取心+冷凍密閉碎樣方法，減少實(shí)驗(yàn)誤差[26-27]。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室還可利用激光共聚焦技術(shù)精細(xì)刻畫原油在孔隙中的賦存狀態(tài)，該技術(shù)主要基于原油輕質(zhì)組分、重質(zhì)組分會(huì)產(chǎn)生不同的熒光效應(yīng)，從而分析原油不同組分在儲(chǔ)層中的含量與分布形態(tài)，可視化確定儲(chǔ)層含油性[28]。本次挑選柴達(dá)木盆地紋層狀灰云質(zhì)頁巖進(jìn)行激光共聚焦掃描（見圖1），得到輕質(zhì)組分與重質(zhì)組分的含量比（輕重比）為1.09。

圖1 紋層狀灰云質(zhì)頁巖激光共聚焦圖片

2.2 儲(chǔ)集性實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)

2.2.1 巖性分析技術(shù)

當(dāng)前頁巖油儲(chǔ)層巖性復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)、黏土含量相對(duì)較高且含有機(jī)質(zhì)，因此，對(duì)巖性分析技術(shù)提出了更精確、更全面的需求。目前巖性分析主要包括X射線全巖、黏土礦物分析（X-ray Diffraction，XRD）、X射線熒光主量元素分析（X-ray Fluorescence，XRF）及鏡下觀察等方法，其中XRD、XRF是最為普遍的礦物分析技術(shù)，其主要通過布拉格公式來確定全巖、黏土礦物、主量元素類型及含量，但該方法受礦物結(jié)晶度、制樣定向排列等影響，只能給出定性半定量分析結(jié)果。因此，巖心鏡下觀察技術(shù)，在微觀尺度上直接獲得更為精細(xì)的、可視化的礦物組成與分布關(guān)系，是當(dāng)前巖性分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，由此研發(fā)出QEMSCAN系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、雙探頭X射線能譜儀相結(jié)合作為硬件支持，掃描圖像清晰且分辨率高、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，能對(duì)樣品礦物組成、成分含量、接觸關(guān)系等重要參數(shù)自動(dòng)定量分析，是目前巖性分析最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)手段，但此技術(shù)鏡下觀察視域有限，測(cè)試數(shù)據(jù)不能完全代表整塊巖心情況。因此，應(yīng)將XRD、XRF及QEMSCAN（掃描電鏡礦物定量評(píng)價(jià)）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，以此來確定頁巖油儲(chǔ)層巖性特征[29-30]。

2.2.2 孔隙度分析技術(shù)

頁巖油孔隙特征是判斷儲(chǔ)層儲(chǔ)油能力及可開采性的重要因素。常規(guī)的孔隙度分析技術(shù)包括氦氣法、飽和液體法和核磁共振法，但由于頁巖油樣品黏土含量相對(duì)較高、遇水易膨脹且微納米級(jí)孔隙中滯留油相對(duì)較多，因此，上述3種方法對(duì)頁巖油柱塞巖心的測(cè)量工藝需要改進(jìn)后才適用[31]。另外，斯倫貝謝公司創(chuàng)新推出了顆粒法孔隙度實(shí)驗(yàn)、干餾實(shí)驗(yàn)聯(lián)合的孔隙度測(cè)試技術(shù)（Tight Rock Analysis，TRA）。TRA測(cè)試步驟：①將樣品粉碎成合適的粒徑大小，稱重后通過波義爾定律測(cè)得顆粒法孔隙度；②將樣品放入干餾罐中，準(zhǔn)確計(jì)量不同溫度下樣品產(chǎn)出烴類及最終殘留樣品的重量；③通過計(jì)算獲取孔隙度、骨架密度及流體飽和度。TRA孔隙度測(cè)量技術(shù)具有不洗油洗鹽、能夠評(píng)價(jià)所有孔隙空間、定量表征頁巖油可動(dòng)性的優(yōu)點(diǎn)，但其也會(huì)因樣品顆粒粉碎的大小、產(chǎn)出烴類計(jì)量的準(zhǔn)確度而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。

2.2.3 孔隙結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

頁巖儲(chǔ)層中孔隙類型多樣，主要包括黏土礦物晶間孔、粒間孔、粒內(nèi)孔、微裂縫和有機(jī)質(zhì)孔（見圖2），因此，有效識(shí)別孔隙類型并厘清孔隙間連通關(guān)系極為重要，是研究油氣賦存狀態(tài)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室目前主要采用壓汞法、N2和CO2吸附法、聚焦離子束拋光-電鏡掃描法（FIB-SEM）及CT掃描等方法開展孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)，其中壓汞法由于進(jìn)汞壓力較小且汞分子較大等原因，在表征微納米孔隙時(shí)有一定局限性。而N2和CO2吸附實(shí)驗(yàn)中N2和CO2分子能更好進(jìn)入微納米孔隙，獲取吸附—脫附等溫線圖，得到表面積、孔體積、平均孔徑等表征參數(shù)，但在表征大孔時(shí)又有一定局限性。聚焦離子束拋光-掃描電鏡法先利用氬離子拋光技術(shù)獲得高質(zhì)量樣品平面后，通過掃描電鏡直接觀察納米級(jí)到厘米級(jí)的孔隙類型及連通情況，但該方法觀察視域較小，只能定性判別孔隙結(jié)構(gòu)，不能定量表征整塊樣品孔隙發(fā)育特征?；贑T掃描重構(gòu)的巖心三維圖像也可直觀分析孔隙結(jié)構(gòu)，但其分析結(jié)果與掃描分辨率及軟件算法相關(guān)，分辨率越高，灰度圖像骨架與孔隙識(shí)別越精細(xì)，則分析的數(shù)據(jù)越可靠，目前CT掃描的分辨率以微米級(jí)為主。綜上所述，由于實(shí)驗(yàn)方法、原理、分辨率的不同，各個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)所表征的孔隙結(jié)構(gòu)也不完全一致（見圖3），都有其一定的局限性。因此，如何將多尺度實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合、定量表征全尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征是需深入研究的難點(diǎn)[32-33]。

圖2 頁巖油儲(chǔ)層孔隙類型

圖3 不同實(shí)驗(yàn)觀測(cè)孔徑尺寸區(qū)間不同

2.3 可動(dòng)性實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)

識(shí)別儲(chǔ)層流體賦存狀態(tài)、確定可動(dòng)流體飽和度是頁巖油可動(dòng)性評(píng)價(jià)中急需解決的技術(shù)難點(diǎn)，是分析儲(chǔ)層可采性的關(guān)鍵因素。常規(guī)儲(chǔ)層中主要依據(jù)阿爾奇公式建立巖電飽和度模型來判斷含油飽和度，而頁巖導(dǎo)電機(jī)理復(fù)雜且不能飽和流體，該方法已經(jīng)失效。同時(shí)利用離心法、氣驅(qū)法聯(lián)合一維核磁共振的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也因不能有效驅(qū)替微納米孔隙的流體而產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差。目前評(píng)價(jià)頁巖油可動(dòng)性的方法主要包括多溫階分段熱解法、T1—T2二維核磁共振法。

熱解實(shí)驗(yàn)中S1包含干酪根低溫?zé)峤猱a(chǎn)物，而S2包含難揮發(fā)烴類，因此，直接用S1代表游離烴并不符合實(shí)際。針對(duì)這些問題，學(xué)者們采用多溫階熱解技術(shù)，分別得到200、350、450 ℃及600 ℃下樣品的熱解產(chǎn)物S1-1、S1-2、S2-1、S2-2。S1-1主要成分為輕質(zhì)油，代表自然產(chǎn)能的可動(dòng)油量；S1-2主要成分為輕中質(zhì)油，利用S1-1+S1-2可代表最大可動(dòng)油量；S2-1成分以瀝青質(zhì)、重?zé)N為主，可代表吸附態(tài)烴類；S2-2代表干酪根的生烴能力，S1-1、S1-2、S2-1三者之和可表征頁巖總含油量[34]。但對(duì)于未成熟-低成熟頁巖油，由于吸附油、游離油區(qū)分界限不明確，在定量表征上會(huì)存在一定局限性。

T1—T2二維核磁共振實(shí)驗(yàn)主要基于頁巖油原始樣品來展開，不做洗油洗鹽處理，具有快速、無污染、樣品可重復(fù)實(shí)驗(yàn)、定量表征不同流體特征等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)主要基于流體（油、氣、水）縱向弛豫時(shí)間T1、橫向弛豫時(shí)間T2特征的不同而建立。二維核磁共振標(biāo)準(zhǔn)圖譜中，由于水的縱向弛豫時(shí)間和橫向弛豫時(shí)間相等，其核磁共振譜圖會(huì)一直處于T1/T2的“1”倍線上，并可通過橫向弛豫時(shí)間從小到大依次將水分為黏土水、束縛水及可動(dòng)水；而油的縱向弛豫時(shí)間隨著黏度的增大，逐漸大于橫向弛豫時(shí)間。因此，油的核磁共振譜圖會(huì)處于“1”倍線之上，并且油的黏度越高越偏離“1”倍線，同時(shí)可利用不同黏度油的橫向弛豫時(shí)間區(qū)分吸附油、可動(dòng)油、瀝青質(zhì)。綜上所述，可定量計(jì)算黏土水、束縛水、可動(dòng)水、吸附油、可動(dòng)油及干酪根含量[35-36]。但在實(shí)際測(cè)試過程中，由于頁巖中發(fā)育黃鐵礦等順磁物質(zhì)，對(duì)水的橫向弛豫影響較大，對(duì)縱向弛豫幾乎沒有影響，導(dǎo)致水的譜圖與油的譜圖重疊，不能準(zhǔn)確表征流體含量，此時(shí)需開展多溫階熱解及重水抑制法二維核磁共振實(shí)驗(yàn)，定量表征不同賦存狀態(tài)油水含量。

2.4 可壓性實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)

頁巖油儲(chǔ)層可壓性分析是工程壓裂開發(fā)評(píng)價(jià)的必要環(huán)節(jié)。目前常用脆性礦物法、泊-楊法計(jì)算得到脆性指數(shù)來指導(dǎo)泥頁巖儲(chǔ)層壓裂，但均有一定的局限性。例如脆性礦物法沒有考慮礦物分布形式、膠結(jié)程度、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、流體類型及溫度壓力對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，泊-楊法在機(jī)理上難以達(dá)到共識(shí)，并且脆性指數(shù)在巖石力學(xué)中物理意義也比較模糊，因此，直接用脆性指數(shù)并不能完全反映巖心真實(shí)力學(xué)性質(zhì)[37-38]。針對(duì)頁巖油可壓性分析，中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司（中油測(cè)井）從壓裂所需力的大小、壓后裂縫的復(fù)雜度及壓后裂縫延展性考慮，形成基于巖心壓后裂縫定量分析的頁巖可壓裂性實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)。

頁巖可壓裂性實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)主要基于三軸壓裂實(shí)驗(yàn)、光學(xué)掃描及壓前壓后CT掃描展開，分別通過巖心強(qiáng)度、裂縫復(fù)雜程度、脆性指數(shù)這3個(gè)參數(shù)來定量表征巖心壓裂過程的壓裂、啟縫及擴(kuò)張環(huán)節(jié)。其中巖心強(qiáng)度代表壓裂巖石所需力的大小，用經(jīng)尺寸效應(yīng)校正后的巖心抗壓強(qiáng)度來表征；裂縫復(fù)雜程度代表巖石壓后形成的縫網(wǎng)復(fù)雜程度，用壓后裂縫的面縫率、孔隙度與傾角離散度來表征；脆性指數(shù)代表巖石壓裂后裂縫張開速度與寬度，用應(yīng)力—應(yīng)變曲線上峰后應(yīng)力跌落角來表征。最終通過以上參數(shù)綜合分析獲得巖心可壓裂性指數(shù)，表征單位體積巖石作用單位能量可產(chǎn)生的裂縫復(fù)雜度。巖心可壓裂性指數(shù)是儲(chǔ)層礦物組分、地應(yīng)力、各向異性、脆性等性質(zhì)的綜合反映，因此，其可直接指示儲(chǔ)層可壓性。

3 室內(nèi)巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展方向

目前針對(duì)頁巖油儲(chǔ)層已形成一些特色的巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)，但還不能完全滿足勘探開發(fā)的評(píng)價(jià)需求，面對(duì)技術(shù)短板，需在建立不同地區(qū)二維核磁共振圖譜及發(fā)展數(shù)字巖心等方面進(jìn)一步加強(qiáng)室內(nèi)巖石物理分析能力。

3.1 建立不同地區(qū)二維核磁共振流體評(píng)價(jià)圖版

二維核磁共振識(shí)別流體的實(shí)驗(yàn)方法主要利用頁巖油二維核磁共振標(biāo)準(zhǔn)圖譜展開，但在實(shí)際測(cè)試過程中，各個(gè)地區(qū)儲(chǔ)層發(fā)育特征不同，其二維核磁共振圖版差異也較大，并不能直接以標(biāo)準(zhǔn)圖版為基礎(chǔ)展開研究。中油測(cè)井分別挑選大慶油田古龍頁巖油樣品及長(zhǎng)慶油田長(zhǎng)73頁巖油樣品開展二維核磁共振實(shí)驗(yàn)（見圖4），古龍頁巖油樣品主要流體以黏土水、束縛油、極少量的可動(dòng)烴為主，黏土水T2約為1 ms，束縛油T2為1 ～10 ms；而長(zhǎng)73頁巖油樣品流體主要由黏土水、束縛水、束縛油、可動(dòng)水、可動(dòng)油組成，黏土水T2約為0.1 ms，束縛水、束縛油T2約為1 ms，可動(dòng)水、可動(dòng)油T2為1 ～10 ms。綜上所述，各個(gè)油區(qū)頁巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)不同，流體類型也不同，所對(duì)應(yīng)的T2時(shí)間也不一致，因此，只有針對(duì)不同地區(qū)頁巖油樣品建立其特有的二維核磁共振流體識(shí)別圖版，才能更加準(zhǔn)確分析賦存流體類型及含量，為頁巖油評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

圖4 不同地區(qū)二維核磁共振圖版

3.2 3D數(shù)字巖石物理技術(shù)

為了研究頁巖油儲(chǔ)層微觀物理機(jī)理、三維可視化表征巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)與流體賦存狀態(tài)，學(xué)者們從巖心高分辨率成像、3D數(shù)字化巖心及數(shù)值模擬計(jì)算等方面出發(fā)，建立了3D數(shù)字巖石物理技術(shù)。該方法能快速有效地計(jì)算儲(chǔ)層巖石性質(zhì)和多相流流動(dòng)特征，包括孔隙度、滲透率、毛細(xì)管壓力、彈性和力學(xué)性質(zhì)、孔隙內(nèi)流體流動(dòng)狀況等參數(shù)。但該技術(shù)目前還沒有技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可以依循，同時(shí)在多屬性精準(zhǔn)數(shù)字巖石孔隙格架建立、跨尺度不同分辨率數(shù)字巖石數(shù)據(jù)融合方法及數(shù)值模擬結(jié)果標(biāo)定與刻度上存在很多難點(diǎn)。因此，下一步應(yīng)加強(qiáng)多學(xué)科交叉點(diǎn)理論研究，不斷完善統(tǒng)計(jì)方法及數(shù)值模擬算法，早日實(shí)現(xiàn)3D數(shù)字巖石物理技術(shù)規(guī)范化、成熟化，為頁巖油定量研究提供支撐方法[39-41]。

4 井場(chǎng)巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展方向

面對(duì)頁巖油等非均質(zhì)性較強(qiáng)的儲(chǔ)層，室內(nèi)巖心測(cè)試分析只能提供測(cè)試點(diǎn)巖心特征，不具備連續(xù)性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能完全代表地層情況；同時(shí)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析周期較長(zhǎng)，不能及時(shí)提供勘探開發(fā)急需的關(guān)鍵參數(shù)，并且測(cè)試過程中樣品油氣散失較大，在評(píng)價(jià)頁巖油含油性、可動(dòng)性等方面誤差較大。針對(duì)上述問題，中油測(cè)井推出井場(chǎng)快速測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)能夠及時(shí)進(jìn)行巖心連續(xù)、快速測(cè)量，可對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層的勘探開發(fā)提供及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的參數(shù)，是目前針對(duì)頁巖油勘探開發(fā)急需推廣的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

中油測(cè)井以車載快速巖石物理實(shí)驗(yàn)室為載體，集成二維核磁共振、高精度光學(xué)掃描、漫反射紅外光譜測(cè)試、自然伽馬能譜測(cè)試、高溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)手段，可對(duì)新鮮全直徑巖心進(jìn)行井場(chǎng)快速測(cè)量。目前國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)核磁共振儀器磁場(chǎng)頻率為6 MHz，最短回波間隔為0.2 ms，最小縱向分辨率為1 cm，測(cè)試巖心長(zhǎng)度上限為1 m，直徑上限為110 mm，可實(shí)現(xiàn)一維核磁共振T2譜、二維核磁共振T1—T2譜的連續(xù)測(cè)量，能夠精準(zhǔn)、快速提供儲(chǔ)層核磁總孔隙度、可動(dòng)孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、流體類型及含量等信息，相比室內(nèi)二維核磁共振技術(shù)其具有不破壞巖心、更能反映真實(shí)流體性質(zhì)的特點(diǎn)。采用現(xiàn)場(chǎng)核磁共振儀器在長(zhǎng)慶油田XX井頁巖油甜點(diǎn)段進(jìn)行了連續(xù)一維核磁共振T2譜和定點(diǎn)二維核磁共振T1—T2譜測(cè)量，定量計(jì)算出總孔隙度為5%～12%，含油飽和度為60%～85%（見圖5）。

圖5 長(zhǎng)慶油田XX井頁巖油現(xiàn)場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果

便捷式漫反射紅外光譜儀主要通過測(cè)量不同礦物的漫反射紅外光譜波數(shù)幅度特征來確定礦物類型及含量，相比X衍射全巖分析技術(shù)，其可以通過測(cè)量碳?xì)滏I的振動(dòng)頻率及脂肪族CH2、CH3和芳香族的豐度來判斷有機(jī)質(zhì)含量及成熟度，為研究頁巖含油性提供依據(jù)。但目前X衍射礦物譜圖已有成熟的軟件可以進(jìn)行解譜分析礦物類型及含量，而漫反射紅外光譜只有斯倫貝謝公司有配套的解譜軟件，國(guó)內(nèi)還沒有在這方面做過研究。因此，應(yīng)盡快建立標(biāo)準(zhǔn)礦物漫反射紅外光譜庫，為漫反射紅外光譜的解譜提供軟件支持[42]。

5 結(jié) 論

（1）從頁巖油儲(chǔ)層評(píng)價(jià)需求出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)了頁巖油巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)。目前特色的實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括以總有機(jī)碳含量（TOC）、熱解參數(shù)、干酪根顯微組分、鏡質(zhì)體反射率Ro、激光共聚焦為主的含油性分析技術(shù)；以QEMSCAN、TRA、多尺度孔徑實(shí)驗(yàn)為主的儲(chǔ)集性分析技術(shù)；以多溫階熱解、T1—T2二維核磁共振法為主的可動(dòng)性分析技術(shù)；以及基于巖心壓后裂縫定量分析的可壓裂性分析技術(shù)。

（2）目前，頁巖油實(shí)驗(yàn)技術(shù)存在如下問題：頁巖油巖樣取心及送樣過程輕質(zhì)組分逸散導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大；多尺度孔隙結(jié)構(gòu)融合方法不完善；不同地區(qū)二維核磁共振流體識(shí)別圖版差異大。

（3）建議未來巖石物理技術(shù)同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。室內(nèi)分析應(yīng)從頁巖油儲(chǔ)層微觀機(jī)理角度出發(fā)，加強(qiáng)和完善巖石物理工藝及技術(shù)，同時(shí)基于多物理方法，發(fā)展跨尺度、多學(xué)科融合的三維數(shù)值模擬技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)打造車載巖心實(shí)驗(yàn)室，建立井場(chǎng)快速巖石物理實(shí)驗(yàn)體系，形成井場(chǎng)頁巖油儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。