瑪湖凹陷二疊系風城組頁巖油儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)精細表征

邵廣輝，高衍武，藺敬旗，吳偉，楊帆，肖華，王先虎，彭宇，曾蕊

1.中國石油集團測井有限公司地質(zhì)研究院， 陜西 西安 710000 2.中國石油集團測井有限公司新疆分公司， 新疆 克拉瑪依 834000 3.中國石油集團測井有限公司制造公司， 陜西 西安 710000 4.中國石油集團測井有限公司長慶分公司， 陜西 西安 710000

近年來，瑪湖凹陷二疊系風城組頁巖油作為準噶爾盆地重要的非常規(guī)接替資源，已成為勘探開發(fā)的熱點。已有研究成果表明[1-4]，研究區(qū)儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)復雜，微米、納米級孔隙均有發(fā)育，孔徑分布范圍廣，頁巖油儲層物性及可動油豐度受孔隙結(jié)構(gòu)影響大。

對于頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)評價，前人通常運用低溫氮氣吸附、核磁共振及高壓壓汞等方法進行孔隙結(jié)構(gòu)特征分析，利用單一實驗或多種實驗結(jié)果單獨分析頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征。但受實驗原理的影響，每種實驗所得出的孔隙結(jié)構(gòu)特征在表征上各有利弊[5-7]，單一實驗方法往往只能體現(xiàn)儲層一部分孔隙結(jié)構(gòu)特征，無法全面表征頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)及其分布范圍，對于原油賦存狀態(tài)多樣的頁巖油儲層，各類孔隙都存在原油的分布，只評價小孔或大孔的孔隙結(jié)構(gòu)不足以滿足儲層吸附油和游離油豐度的評價，對試油及勘探開發(fā)造成不確定性。準確表征微觀孔隙結(jié)構(gòu)是進行頁巖油儲層含油性評價的關(guān)鍵。為此，筆者以瑪湖凹陷二疊系風城組頁巖油儲層為例，以實驗方法原理為基礎(chǔ)，逐一分析實驗結(jié)果并判斷其在頁巖孔隙結(jié)構(gòu)表征方面上的優(yōu)缺點，最終優(yōu)選實驗結(jié)果開展多方法孔隙結(jié)構(gòu)聯(lián)合表征，以期建立頁巖油全孔徑精細表征方法，為正確認識儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征及后期頁巖油資源的開發(fā)提供依據(jù)。

1 樣品的基本特征

為了增加不同測試結(jié)果的對比性，將同一深度點上的頁巖樣品切分成平行樣，分別開展礦物成分、地化特征和氣測孔隙度測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知，頁巖樣品總有機碳(TOC)含量分布范圍為0.39%～1.07%，氦氣孔隙度分布范圍為2.61%～5.92%。礦物成分以石英與白云石為主，長石含量次之，部分樣品發(fā)育填充堵塞孔隙的方解石，黏土平均含量為6.79%，其他礦物成分含量較少。石英對儲層孔隙有一定的支撐作用，長石和白云石易發(fā)生溶蝕形成次生孔隙，三者整體含量高的樣本，其孔隙發(fā)育情況要優(yōu)于其他樣品。

表1 頁巖樣品基本信息

2 實驗結(jié)果

2.1 掃描電鏡

利用Crossbeam550型掃描電鏡儀器對巖樣進行抽提清洗，在樣品表面上用細聚焦電子束由點到行進行掃描，最終利用探測器對圖像進行放大處理，通過不同放大倍數(shù)下的觀察，從而對微米級、亞微米級和納米級孔隙進行觀察和分析。

圖像分析結(jié)果顯示，研究區(qū)頁巖樣品的孔隙分為有機孔和無機孔兩大類。有機孔是頁巖有機組分在生烴過程中在有機質(zhì)內(nèi)部或邊緣所產(chǎn)生的孔隙，是頁巖油儲層重要的孔隙類型。如圖1所示，通過不同倍數(shù)觀測到有機孔形態(tài)多樣，多以近圓形和橢圓形為主，局部發(fā)育狹長型和不規(guī)則狀有機質(zhì)孔。研究區(qū)頁巖熱演化程度偏低，并不發(fā)育蜂窩狀密集分布的有機質(zhì)孔隙，多為孤立的形式分布在有機質(zhì)中，孔徑以納米級和亞微米級孔隙為主，少數(shù)狹長型有機孔可達到微米級。

圖1 頁巖樣品有機孔形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of organic pores in shale samples

無機孔主要發(fā)育粒間孔、粒內(nèi)孔、黏土層間孔(見圖2)。在長石、石英等礦物顆粒之間或與有機質(zhì)的交接邊緣處通常發(fā)育粒間孔，以近卵形、三角形或不規(guī)則狀為主，多數(shù)孔徑可達到數(shù)十至百納米，普遍具有較好的孔隙連通性，是頁巖儲層主要的滲流通道。粒內(nèi)孔發(fā)育在礦物顆粒的內(nèi)部，多數(shù)以點狀分布，尺寸較小。黏土層間孔是黏土礦物之間的孔隙，一般呈狹縫狀，定向平行分布，長度可達5μm。由于巖石在生長過程中礦物晶體堆積疏松，造成巖樣局部在黃鐵礦、黏土等礦物晶體之間發(fā)育少量晶間孔[8]。其次，由于成巖過程中的壓實、脫水收縮和重結(jié)晶作用，在無機礦物基質(zhì)中發(fā)育微裂縫[9]，具有一定的延展性，縫寬在50～580μm范圍內(nèi)，局部微裂縫連接形成縫網(wǎng)，這種縫網(wǎng)在頁巖油運移的過程中起到了改善滲流環(huán)境的突出作用。最后，長石與白云石均有溶蝕作用，對儲層起到增孔的作用，其中長石是溶蝕主體，白云石次之。

圖2 頁巖樣品無機孔形態(tài)特征Fig.2 Morphological characteristics of inorganic pores in shale samples

2.2 核磁共振

根據(jù)核磁共振原理，在均勻的靜磁場中，巖樣飽和流體時的氫質(zhì)子由于靜磁場發(fā)生極化而產(chǎn)生磁矢量。同時，氫質(zhì)子被頻率脈沖激發(fā)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。在去除頻率脈沖后，可以得到幅度隨時間衰減的信號[10]。由于儲層孔隙中流體的氫質(zhì)子與孔徑大小呈正相關(guān)性，實驗得出的橫向弛豫時間(T2)譜圖能夠展現(xiàn)出儲層孔隙的分布特征。T2越短，孔隙體積越小，反之孔隙體積越大[11,12]。對研究區(qū)頁巖樣品進行長時間的徹底洗油并烘干，將頁巖樣品模擬飽和原始地層礦化度的水，利用MacroMR12-50H-1核磁共振分析儀最終得到飽和水頁巖樣品的T2譜。

研究區(qū)頁巖樣品T2譜可以分為兩種典型類型：1類和2類(見圖3)。兩種類型均為雙峰特征，說明樣品至少發(fā)育兩種孔隙類型，T2譜圖的左側(cè)峰為微小孔特征峰，右側(cè)峰為中大孔特征峰。1類樣品譜峰的位置在0.1～5ms之間，譜峰靠左，說明該類樣品微小孔發(fā)育較好，中大孔少量發(fā)育；2類樣品譜峰的位置在1～100ms之間，說明微小孔隙不發(fā)育，黏土及毛細管束縛水含量少，該樣品以發(fā)育中大孔為主。結(jié)合全巖礦物、掃描電鏡及地化實驗分析，1類樣品T2譜整體黏土及有機質(zhì)含量較高，發(fā)育多種孔隙類型，孔隙結(jié)構(gòu)復雜，有機孔占其樣品孔隙類型的主導位置；2類樣品T2譜則以無機孔為主，主要發(fā)育剩余粒間孔及溶蝕孔，中大孔隙發(fā)育，整體物性優(yōu)于1類樣品，但生油能力較弱。

2.3 高壓壓汞

利用PoreMaster-PM33-13型壓汞儀，設(shè)置163MPa為實驗最高壓力，測量研究區(qū)頁巖樣品的進汞和退汞曲線。利用進汞、退汞曲線，結(jié)合Washburn理論[13]，可計算出樣品的孔喉大小、孔徑分布及連通性等參數(shù)。

圖4 頁巖樣品壓汞曲線特征Fig.4 Characteristics of mercury injection curve of shale samples

研究區(qū)頁巖樣品整體排驅(qū)壓力大，平臺段斜率大，進汞退汞效率低(見圖4)。進汞飽和度平均為38.5%，進汞飽和度與壓力呈線性關(guān)系，平臺段斜率大，分選較差，退汞曲線隨著壓力下降，退汞飽和度并沒有匹配的變化趨勢；當壓力下降至極低時，樣品退汞才出現(xiàn)下降趨勢，最終退汞效率較低表明頁巖樣品的孔隙中仍滯留了大量殘留汞。上述進汞和退汞曲線的特征共同表明了研究區(qū)頁巖樣品主要以較小的孔隙網(wǎng)絡為主，整體喉道細小，大部分孔隙不連通，孤立孔占比大，這種結(jié)構(gòu)不利于孔隙內(nèi)部流體的運移，整體屬于微孔細喉儲層。由于頁巖樣品整體進汞飽和度過低，壓汞曲線反映的并不是真實的孔隙結(jié)構(gòu)，只能用來定性分析判斷儲層孔隙結(jié)構(gòu)的特征。

2.4 低溫氮氣吸附

首先選取洗油前后的殘余樣品，粉碎為60～70目，碎樣分別在60、100℃下抽真空至壓力為30mmHg，再分別通過100、300℃環(huán)境下烘干24h，將樣品中過剩水分和雜質(zhì)氣體進行去除，通過低溫氮吸附設(shè)備ASAP2420在臨界溫度下測量氮氣的吸附量和脫附量，最終得到洗油前后的低溫氮氣吸附、脫附曲線及樣品孔徑分布等實驗數(shù)據(jù)。

圖6為洗油前后孔體積變化率與孔徑關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)，樣品洗油后具有更大的孔體積，且在TOC和黏土較為發(fā)育的樣品中更為明顯，表明樣品發(fā)育大量微孔，同時也反映出有機質(zhì)對頁巖微孔的發(fā)育具有主要貢獻，洗油后釋放的孔隙原先可能被油/瀝青所占據(jù)，導致洗油前后孔體積變化明顯。

圖5 低溫氮氣等溫吸附-脫附曲線 圖6 孔體積變化率與孔徑的關(guān)系曲線Fig.5 Isothermal adsorption-desorption curve Fig.6 The relation curve between change rate of of cryogenic nitrogen pore volume and pore diameter

2.5 實驗結(jié)果分析

某種程度上，孔隙度的大小是孔隙結(jié)構(gòu)差異的定量表現(xiàn)形式。為了精細描述掃描電鏡、核磁共振、高壓壓汞、低溫氮氣吸附4種實驗手段評價頁巖油孔隙結(jié)構(gòu)的差異性，對其孔隙度測量值進行深入分析。氦氣是惰性氣體，常溫下在巖石中不發(fā)生吸附現(xiàn)象，分子較小，能夠進入大部分孔隙中，測量結(jié)果與真實值最為接近。本次研究選用氦氣孔隙度近似作為巖樣真實孔隙度。各實驗獲取孔隙度結(jié)果如表2所示。

1)掃描電鏡實驗顯示，研究區(qū)頁巖油儲層實際孔徑分布范圍從納米級到微米級，但掃描電鏡受視域影響，無法在同一視域下兼顧大小尺度孔隙，更偏向定性認識。

2)由表2可知，核磁孔隙度平均值是氦氣孔隙度平均值的近82%，約18%的孔隙度沒有被探測，其原因一方面是核磁實驗受取樣時間及地層壓力釋放的影響，孤立孔隙中的流體發(fā)生逸散；另一方面水分子要大于氦氣分子，導致核磁樣品的微小孔隙難以完全飽和水，減少了樣品孔隙度的測量值。

表2 不同實驗方法孔隙度測量結(jié)果

3)對于高壓壓汞實驗，由于頁巖樣品整體孔隙體積較小，孤立孔發(fā)育，孔隙連通性差，排驅(qū)壓力大，并且壓汞實驗受儀器最大壓力的影響，無法將樣品的孔隙完全沖注。因此，汞只進入了一部分連通性相對較好的孔隙中，導致壓汞實驗測量孔隙度與氦氣法測量偏差較大，與氦氣孔隙度相比近59%的孔隙度被嚴重低估，其結(jié)果不能完全反映微小孔發(fā)育樣品的孔隙特征。

4)低溫氮氣吸附實驗的測量原理對于檢測納米級孔隙以及孤立不連通孔隙更加具有優(yōu)勢，能更好地反映微小孔隙的結(jié)構(gòu)特征，但其對大孔隙反映不夠靈敏，液氮孔隙度平均值只占氦氣孔隙度平均值的57%。

綜上分析認為，采用單一的傳統(tǒng)實驗手段不能夠充分表征頁巖油儲層的孔隙結(jié)構(gòu)，儲層物性的定量評價誤差較大。

3 孔隙特征多尺度聯(lián)合表征

為了從整體上展現(xiàn)頁巖油儲層的孔隙特征，首先利用核磁共振T2譜與低溫氮氣吸附實驗的相關(guān)性，采用線性方式轉(zhuǎn)換[15-17]，得出核磁共振實驗的孔徑分布曲線。圖7為編號19CJ1-33、19CJ1-14的樣品不同實驗方法得出的孔徑分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)，低溫氮氣吸附在表征孔徑小于10nm的孔隙特征時，能更精細地顯示微小孔徑的變化，而核磁共振和高壓壓汞在表征中、大孔隙時效果明顯；在10～100nm的區(qū)間內(nèi)，隨著孔隙變小，高壓壓汞孔徑分布逐漸偏離核磁共振，且孔徑越小分布差異越大，這因為高壓壓汞實驗主要針對連通孔喉發(fā)育的樣品，測量的孔隙度及孔徑分布圖主要反映的是大孔部分，而對于孤立孔發(fā)育、孔喉配比差、以窄頸孔隙為主的頁巖樣品，高壓壓汞測量結(jié)果低于真實孔隙度，所以中大孔采用核磁共振實驗結(jié)果表征。

圖7 頁巖樣品不同實驗方法測量孔徑分布圖Fig.7 Pore size distribution of shale samples measured by different experimental methods

表3 多尺度孔隙度計算結(jié)果

綜上分析，利用低溫氮氣吸附和核磁共振的孔徑分布曲線拼接擬合，可以實現(xiàn)頁巖油儲層孔隙的多尺度表征，其多尺度孔隙度如表3所示，實驗樣品的全孔徑精細表征圖如圖8所示。

圖8 頁巖樣品全孔徑精細表征圖Fig.8 Fine characterization of full pore size of shale samples

在擬合過程中分段求取液氮孔隙度和核磁孔隙度，再依據(jù)低溫氮氣吸附和核磁共振兩種實驗孔徑分布曲線的拼接位置將孔隙度進行累加，得到實驗樣品整體的孔隙度大小，即全尺度孔隙度，其值與氦氣孔隙度基本符合(見表2、表3)，表明拼接后的孔徑分布曲線代表了頁巖油儲層整體的孔隙分布。分析圖8發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)頁巖油儲層孔徑分布具有以下2個特征：①孔徑分布范圍廣，可橫跨3～5個數(shù)量級，除個別大孔較發(fā)育的樣品，孔徑大于100nm的孔隙占總體的20%，60%的孔隙孔徑在10～30nm之間，說明頁巖樣品的孔隙主要以小孔及微孔為主，這與頁巖樣品粒度細、成熟度高，在成巖過程中普遍經(jīng)歷強烈壓實的減孔作用有關(guān)[18,19]；②在孔徑小于30nm范圍內(nèi)，黏土的TOC含量越高，孔徑的主峰位置越靠左，表明有機孔主要集中在小于30nm孔徑的孔隙中，有機孔在頁巖的儲集空間中占有特殊的一部分。

4 結(jié)論

1)瑪湖凹陷二疊系風城組頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)復雜，孔隙度低，孔喉細小，連通性差，孔徑分布跨度大，傳統(tǒng)的單一實驗方法不能滿足孔隙結(jié)構(gòu)精細評價要求。

2)多尺度孔隙結(jié)構(gòu)聯(lián)合表征結(jié)果顯示，研究區(qū)儲層孔隙系統(tǒng)完整，樣品的全孔徑分布曲線呈多峰，孔徑主要集中在10～30nm之間，小孔隙與TOC含量、黏土含量關(guān)系密切，整體納米級孔隙發(fā)育，少數(shù)樣品發(fā)育微米級以上孔隙。