页岩油气储层孔隙结构表征新方法研究

页岩油气储层孔隙结构表征新方法研究

孙德盛

大港油田公司第一采油厂

摘要：在我国石油领域中，油气的对外依存度明显日益上升，这一现象已经严重影响了我国的能源安全。建国以来油气资源量充足一直是国家能源安全的重要保障，然而常规油气资源己经成为经济可持续发展的瓶颈。经过疫情冲击，邹才能提出我国要采取“极限低成本战略”，要保障国内油气的勘探开发生产不动摇，只有这样，才能确保我国石油工业在未来进行可持续发展、保证在发展中时刻健康发展。在页岩油气领域实现有效的勘探、将页岩油与页岩气资源实现最大限度地开发，可确保我国在能源战略方面的安全性，并且对减少外国石油的进口有着积极的影响。

关键词：页岩油气；孔隙结构；表征

引言

随着全球能源需求的增加，页岩油气的勘探与开发在成为热点的同时，大量学者发现储层的纳米尺度孔隙结构特征对页岩油气的开采与开发有着重要影响。在针对吉木萨尔页岩油储层样品的研究中，发现主要存在着岩性复杂、页岩油储层渗流机理不明确、开发参数难以落实等问题。通过研究，本文将在获得页岩油气储层岩心样品基础参数的基础上，建立起全新的全尺度孔径分布测试方法。最终，明确页岩油气储层样品的全尺度孔径分布特征，落实页岩油气开发的理论参数，研究页岩油气赋存与动用规律，为进一步提高页岩油气开发效果提供实验支持。

页岩油储层具有复杂的油气层物理特征，包括各种复杂的岩性、矿物组成、有机质组成、细小的孔隙形态和天然裂缝系统，这些特征都严重影响着流体物性，页岩油储层孔喉结构表征是明确流体赋存与动用的基础。

1 页岩油储层样品物性特征

页岩油样品成分多样且多为过渡性岩类，包含油浸泥质粉砂岩、灰色油迹灰质泥岩、荧光粉砂质泥岩、灰色油斑细砂岩等多种岩性。故将其主要分为砂岩类、云岩类与泥岩类，其中砂岩类与云岩类主要为云质砂岩、砂屑云岩、含云含泥砂岩和云砂过渡岩性，泥岩类主要为粉砂质泥岩和云质泥岩。

砂岩类和白云岩类的脆性较好，黏土矿物含量相对较低。从微观局部上看，样品的岩矿分布极为复杂，其中石英、白云石等脆性矿物的分布范围较大，易于产生缝网。总体样品中黏土矿物含量相对较低，其中白云岩类有中强水敏、中弱速敏的风险；砂岩类有中强水敏的风险。

孔隙度和渗透率是最常见的认识储层的基本参数，也是油田开发最为重要的参数。砂岩类和云岩类的渗透率和孔隙度具有一定正相关性，砂岩类的渗透率和孔隙度成弱指数关系，且在相同的孔隙度下，砂岩类渗透率高于云岩类。泥岩类的渗透率和孔隙度没有明显关系，约60%的泥岩孔隙度均低于6%。较高孔隙度、渗透率的泥岩类样品通常具有一定比例的粉砂质或白云质。

2 孔喉特征与连通性分析

2.1 烃源岩有机质孔隙特征

将扫描后的聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)图片利用avizo软件中的FIBStackWizard模块预处理，以校正后的图像进行数字岩心分析，其主要研究的内容为直径0.007-1μm的孔隙与喉道分布。

2.2 孔喉分布特征

运用聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)分析页岩油储层样品，可以得到直径为0.007-1μm的样品孔喉分布特征，其分析结果为：粉砂岩的孔隙大，砂屑云岩的喉道大，粉砂岩的孔容约为碎屑云岩的2倍，砂屑云岩的单位质量喉道体积为粉砂岩的1.7倍。

运用Nano-CT扫描成像技术同样可以发现：砂屑云岩的喉道发育程度比粉砂岩高，粉砂岩的孔隙发育程度比砂屑云岩高，这与0.007-1μm尺度的FIB-SEM认识规律一致。泥岩的孔隙发育程度低、孔隙率较低，喉道发育程度主要受砂岩类、碳酸盐类这些次要岩性控制。

Nano-CT扫描成像技术主要研究直径>1μm的孔喉结构、探究三种不同岩性样品的孔喉连通特征并计算其面孔率。通过观察图4.8可以发现，泥岩类样品的孔隙较不发育，平均面孔率为0.56%，粉砂岩和碎屑云岩样品的孔隙较发育，平均面孔率分别为5.54%和4.71%。砂屑云岩和粉砂岩样品的孔喉连通性好，孔隙、喉道分布较为均匀，储集和渗流能力均较强，存在优势渗流通道；泥岩样品的孔隙、喉道分布零散，连通性差，非均质性极强，可能存在少量的优势渗流通道，整体上储、渗能力较差。

将聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)测试的0.007-1μm孔喉直径分布数据与Nano-CT扫描成像技术测试的>1μm孔喉直径分布数据进行拼接，可以得到三种岩性样品的全尺度孔喉直径分布曲线。粉砂岩和砂屑云岩的大孔隙和大喉道相对发育，泥岩几乎没有直径大于200μm的孔隙，也几乎没有直径大于3μm的喉道。所以粉砂岩和砂屑云岩以直径50μm的孔隙为主，其0.05-0.5μm的喉道最为发育。

2.3 孔隙形态特征

在泥岩、粉砂岩与砂屑云岩中分别取4块样品，对其进行低温氮气吸附实验，观察其迟滞回线类型。

虽然页岩油储层样品与页岩气储层中单纯的页岩样品相比岩性更加复杂，但三种岩性的页岩油储层样品的迟滞回线类型反而相对简单，多属于典型的H3型与H4型，即对应着大量的楔状、板状和狭缝型孔隙。

在相对压力接近1时，泥岩样品吸附-脱附等温线中的吸附分支上翘幅度没有粉砂岩和砂屑云岩的大，说明它们的孔隙尺寸相对较小。反观粉砂岩和砂屑云岩样品，在相对压力接近1时，吸附分支有着明显的上翘现象，这说明了粉砂岩和砂屑云岩样品中含有大量的宏孔。同时，粉砂岩的吸附分支在相对压力为0.8左右时上升速度逐渐变快，砂屑云岩的吸附分支则是在相对压力接近1时陡然上升，这一现象说明二者的孔隙形态虽然可以根据IUPAC分类法进行简单归类，但实际上仍有所差异。此时单凭吸附-脱附形成的迟滞回线已经难以准确判断它们的孔隙形态，需要借助原子力显微镜进行进一步研究。

通过原子力显微镜法可以观察到不同岩性样品的表面形貌特征：

（1）页岩表面形态最为复杂，高低起伏明显，纳米级孔隙(1-100nm)间通过大量细小喉道连接，孔喉网络最为复杂。

（2）泥岩表面整体呈现出一种陡峭山状的突起，无突起处的底面类似于平板状。但是由于黏土矿物产状复杂多样，表面多出毛刺状，孔喉发育程度较低，连通性较差。

（3）粉砂岩表面粒间缝较为发育，孔隙多呈现出平板状、楔形状，连通性较好。

（4）砂屑云岩并不是完全意义上的平板状，而是在部分简单平板结构的基础上呈现出一些溶孔状，并且在多处形成了一端开放或两端同时开放的近椭圆柱体结构。

2.4 孔隙复杂程度

利用低温氮气吸附实验的数据计算各岩性样品的分形维数，发现总体上分形维数与低温氮气吸附平均孔径成明显负相关关系。

其中页岩的低温氮气吸附平均孔径最小，通常小于 20nm；泥岩次之，介于15-30nm之间；粉砂岩和砂屑云岩的通常都高于30nm，且其中砂屑云岩的孔径明显更大。

同时，吉木萨尔芦草沟组页岩油藏中粉砂岩、砂屑云岩的分形维数通常低于2.75，再次说明了在页岩油样品中，相较于粉砂岩与砂屑云岩样品，泥岩样品的孔隙结构更为复杂。而四川龙马溪组页岩的分形维数最大，低温氮吸附平均孔径＜20nm，体现出页岩储渗空间最为复杂的特点。

3 结束语

国内已有大量含油气盆地被探明，油气资源正呈现出增储难、品质差的特点。我国亟需在常规石油领域进行突破，以接续我国的能源动力、保护国家能源安全。实现―页岩气革命‖与―页岩油革命‖的早日成功。

参考文献：

[1]邹才能,潘松圻,荆振华,等.页岩油气革命及影响[J].石油学报,2020,41(1):1-12.

[2]彭军,韩浩东,夏青松,等.深埋藏致密砂岩储层微观孔隙结构的分形表征及成因机理[J].石油学报,2018,39(7):775-791