渤海湾盆地沾化凹陷页岩微观孔隙特征实验研究

2019-03-05马海洋夏遵义温庆志张鹏宇

石油实验地质 2019年1期

马海洋，夏遵义，温庆志，3，张鹏宇

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东青岛 266580；2.北京大学工学院，北京 100871；3.北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心，北京 100871)

随着常规油气资源探明率的下降，页岩油气等非常规能源在油气勘探中得到了越来越多的重视[1-5]。我国页岩油气勘探工作起步较晚，尤其是陆相页岩储层，由于对储层特征认识不足等，限制了对页岩油气资源的进一步勘探与开发[6-7]。与常规砂岩或碳酸盐岩储层不同，页岩储层属于低孔低渗储层，页岩油气主要以吸附态、游离态或溶解态赋存在页岩储层复杂的微纳米孔缝中[8-10]。因此，页岩储层微观孔隙结构的研究对页岩油气富集机理、渗流机理、含油气性评价和开发选区等方面具有重要意义。

基于此，利用氩离子抛光扫描电镜、低温气体吸附、高压压汞和核磁共振等手段，对渤海湾盆地沾化凹陷始新统沙三下段陆相页岩的微观孔隙结构进行系统研究，为页岩油气资源的高效开发提供储层基础资料。

1 实验样品

实验样品取自渤海湾盆地沾化凹陷沙河街组沙三下段，深度在2 909.5～3 129.5 m，岩性以深灰色泥岩、灰质泥岩、油泥岩、白云质泥岩、灰质油泥岩、灰褐色油页岩为主。钻井取心证实微细裂缝较发育，测井孔隙度为2.65%～5.62%，渗透率介于(0.1～0.3)×10-3μm2。

选取不同深度6组页岩样品开展相关实验(表1)。样品有机碳(TOC)含量在1.54%～5.09%。有机质类型主要为Ⅰ型和Ⅱ1型；镜质体反射率(Ro)介于0.56%～0.90%，处于低成熟—成熟阶段。矿物成分以碳酸盐矿物为主，其中方解石含量在10.9%～58.3%，平均为41.1%，此外，碳酸盐矿物还包含少量白云石；脆性矿物中石英含量较少，介于7.2%～14.9%，但黄铁矿和长石含量相对较高，三者总量介于22.8%～33.3%，平均为27.2%。黏土矿物主要包括伊蒙混层、伊利石、绿泥石、坡缕石等，总量在13.2%～ 51.5%，平均25.3%。

2 实验方法

2.1 氩离子抛光扫描电镜

实验使用Quanta FEG 450场发射扫描电镜完成。将样品切割成约10 mm×10 mm×5 mm大小的块状样品，对块状样品的10 mm×10 mm表面进行氩离子抛光，并将抛光面进行喷碳处理，增强表面导电性。采用背散射电子成像和二次电子成像结合的方式进行微观孔隙的观察。

2.2 低温低压气体吸附实验

实验使用美国康塔仪器公司生产的AutosorbiQ2-MP型全自动比表面及孔径分析仪完成。对于低温N2吸附实验，将3～5 g样品磨碎至20/40目颗粒。为了消除样品中残余水分对结果的影响，先将样品进行4 h的150 ℃干燥抽真空预处理，再在101.3 kPa和77.35 K环境下，测定不同相对压力下的N2吸附脱附量。采用BJH法计算孔径分布和孔体积，采用BET模型计算比表面积[11-12]。

对于低温CO2吸附实验，为避免样品间的差异对结果造成影响，将N2吸附所用的样品重新进行4 h真空脱气处理，在101.3 kPa和273.15 K环境下，测定不同相对压力下CO2吸附脱附量。利用DA模型计算样品的孔容及孔径分布，采用DR模型计算样品的比表面积[13-14]。

2.3 高压压汞实验

实验使用美国康塔仪器公司生产的PoreMaster 60GT型压汞仪完成。将3～5 g样品磨碎至10/20目，在110 ℃下脱气烘干24 h，测定不同压力下的进汞量和退汞量。结合Washburn公式，计算得到各进汞压力对应的孔径大小，根据进汞量获得孔体积，利用Young-Dupré方程可计算相应孔径孔隙的比表面积[15]。

2.4 核磁共振技术

实验使用上海纽迈公司生产的MicroMR23-060H-1型核磁共振分析仪完成。将样品制成直径小于25.4 mm、高度小于35 mm的圆柱，进行24 h、110 ℃烘干抽真空处理。将样品饱和正十二烷(48 h)后，进行核磁共振实验，获得饱和油状态下的T2谱；将饱和油的样品高速离心4 h去除游离油，离心力为2.72 MPa，离心后进行核磁共振实验，获得残余油状态下的T2谱。根据饱和油和残余油状态下的T2谱，可对样品的孔隙特征进行分析。

3 结果与分析

3.1 页岩微观孔隙类型

通过氩离子抛光扫描电镜观察发现，沙三下段页岩储层发育有大量结构复杂的微观孔隙，初步将其划分为有机孔、粒间孔、粒内孔、晶间孔、溶蚀孔和微裂缝等6类孔隙。

3.1.1 有机孔

有机孔是有机质在热演化生烃过程中所形成的孔隙，对页岩油气的生成和储集都具有重要作用[16-17]。沙三下段页岩样品中有机孔发育位置及形态有一定差异，可能与样品成熟度较低有关，总体含量较少。相对来说以有机质边缘的狭长型孔居多(图1a)，有机质内孔含量较少，主要呈圆形或椭圆形(图1b)。

表1 渤海湾盆地沾化凹陷沙三下段页岩样品基础分析数据

3.1.2 粒间孔

粒间孔是由沉积、成岩改造或矿物之间的力学机械作用等因素形成，多见于矿物颗粒之间[18-19]。沙三下段页岩中粒间孔较为发育，形态一般呈三角形、不规则多边形和狭长形(图1c)，此类孔隙连通性好，对页岩油气的运移具有重要作用。

3.1.3 粒内孔

粒内孔是由于不稳定矿物在沉积埋藏时转变为其他矿物成分过程中产生的一类孔隙[20]。由于成岩演化作用的影响，一些粒内孔易被充填。沙三下段页岩中粒内孔多为狭长型的黏土矿物粒内孔(图1c)，内表面积大，可为页岩油气的赋存提供空间。

3.1.4 晶间孔

晶间孔是由于矿物晶体结晶或堆积时不紧密而产生的孔隙[21]。沙三下段页岩中以黄铁矿晶间孔(图1d)最为发育，同时在石英、长石和方解石等矿物中也有发现。该类孔隙普遍在矿物集合体中孤立地发育，基本不连通。

3.1.5 溶蚀孔

溶蚀孔是在沉积、构造、生烃演化等作用下，不稳定矿物内部产生溶解而形成的[21]。沙三下段页岩由于方解石含量高，溶蚀孔多存在于方解石内部，且发育较多(图1e)。此类孔隙孔径较小，一般呈圆形或不规则多边形，绝大多数为孤立孔隙，连通性差。

3.1.6 微裂缝

在成岩过程中，构造应力、压实、脱水收缩和重结晶作用等诸多因素均可产生微裂缝[22]。沙三下段页岩中微裂缝较为发育，且类型多样(图1e，f)。对于低孔低渗的页岩储层，微裂缝作为页岩油气运移的主要通道，可有效提高其孔隙度及渗透率。另外，微裂缝与水力压裂形成的人工裂缝相互连接形成缝网结构，可极大提高页岩油气资源的开采效率。

3.2 孔隙分布特征

沙三下段页岩孔隙特征复杂，从纳米级孔隙、微米级孔隙到微裂缝均有不同程度发育。为了更加了解页岩孔隙分布特征，采用CO2吸附实验+N2吸附实验+高压压汞联合对沙三下段页岩孔隙结构特征进行全面研究。

3.2.1 CO2吸附解吸结果分析

沙三下段页岩样品CO2吸附解吸等温线均呈现同一形态。以S5样品(图2a)为例，吸附时CO2吸附量均随着相对压力的升高而增加，整个过程中吸附量增长速度变化不大。解吸时，在相对压力较高的区域，CO2的解吸速度较慢，随相对压力的降低，解吸速度逐渐加快。解吸时吸附曲线与解吸曲线不重合，存在解吸附滞后现象。根据以上特征可得出等温吸附曲线是典型的Ⅰ型等温曲线。

由图2b可知，沙三下段页岩样品的DA孔径分布均呈单峰分布，且峰值对应的孔径大小基本都在2 nm左右的区域，说明在CO2吸附解吸实验中，1～4 nm之间的孔隙尤其是2 nm左右的孔隙占据主要优势，是孔体积的主要贡献者。

3.2.2 N2吸附解吸结果分析

沙三下段页岩样品的吸附解吸等温线均呈现反“S”型(图3a)，属于IV型等温线。以样品S1和S5为例，当相对压力较低(P/P0<0.4)时，吸附量随相对压力的升高增加缓慢，吸附支上凸；当相对压力较高(0.8

图1 渤海湾盆地沾化凹陷沙三下段页岩微观孔隙类型

图2 渤海湾盆地沾化凹陷沙三下段页岩CO2吸附解吸等温线及孔径分布曲线

图3 渤海湾盆地沾化凹陷沙三下段页岩N2吸附解吸等温线及孔径分布曲线

由图3b可知，样品孔径分布复杂，孔径分布曲线存在多个不同的峰值，最大峰值集中在3～4 nm之间，表明此范围内孔隙数量最多，对页岩孔体积贡献最大。样品S1和S2还有分布在5～8 nm和7～10 nm 之间的小峰值。另外，样品中也存在一定量10 nm以上的孔隙，最大在200 nm左右，使孔径分布曲线出现“拖尾”现象。

3.2.3 高压压汞实验结果分析

根据高压压汞实验获得进汞退汞曲线，可对多孔介质孔喉特征进行分析[17,24-26]。研究区样品的压汞曲线可分为2种形态(图4a)。第一种以S4为例，进汞体积在0.5 MPa时开始增大，说明样品中大于1 μm的孔隙开始较为发育；在2.5 MPa左右增速变缓，说明几百纳米的大孔发育较少；而在40 MPa时曲线变陡，说明发育着大量几到几十纳米的孔隙；退汞曲线形成的滞后环宽大，退汞曲线接近水平，表明样品中开放的平行板状孔较多。第二种以S6为例，进汞体积同样在0.5 MPa左右开始迅速增加，表明微米级的孔隙较多；在20～150 MPa之间进汞曲线接近水平，直到150 MPa之后进汞量迅速上升，说明样品中存在部分几纳米的孔隙；退汞曲线初始段与进汞曲线重合，滞后环窄小，表明样品中以半封闭型孔为主。

根据高压压汞得到的页岩样品孔径分布，样品的孔径以多峰方式分布(图4 b)，最高峰值处于10 nm左右的居多(最小测至7 nm左右)；样品S3和S4还存在50 nm左右的峰值；而在50 nm～10 μm孔径区间，所有样品均有一定数量的孔隙分布，且分布较为均匀；另外，在10μm以上的孔径也均存在一个小峰，说明微米级孔缝均有发育。由于高压压汞自身的局限，对于较小的纳米孔隙无法进行测试。

图4 渤海湾盆地沾化凹陷沙三下段页岩高压压汞进退汞曲线及孔径分布曲线

3.2.4 页岩孔隙全孔径分段表征

由于各实验方法可测得的孔径范围和侧重点不同，单独使用任何一种方法都无法对页岩孔隙分布特征进行准确分析。与N2相比，CO2可进入更小的孔隙，而汞分子则由于自身性质更难以进入微小孔隙，更适合对大孔隙进行测量。因此，根据IUPAC的分类标准[23]，结合各实验的精度和量程，采用低温CO2吸附实验的结果对微孔(<2 nm)进行表征，采用低温N2吸附实验的结果对中孔(2～50 nm)表征，而对于宏孔(>50 nm)则采用高压压汞实验的结果。

由表2可知，沙三下段页岩微孔孔体积较小，介于0.000 35～0.001 29 mL/g之间，平均占比仅为8.82%；中孔孔体积占总孔体积的比例为49.99%，该段孔体积介于0.001 27～0.008 59mL/g之间；宏孔孔体积稍小于中孔孔体积，占比41.19%，介于0.001 63～0.007 56 mL/g。因此，沙三下段页岩孔体积主要由中孔和宏孔提供，是页岩油气的主要储集空间和运移通道，而微孔对总孔体积贡献量很少。

由表3可知，沙三下段页岩微孔的比表面积最大，平均为0.607 m2/g，占总比表面积的61.52%；中孔比表面积较小，占比34.86%，平均为0.286 m2/g；而宏孔的比表面积平均为0.027 m2/g，仅占3.62%。因此，沙三下段页岩比表面积主要由微孔提供，提供了页岩油气吸附的主要空间，中孔贡献次之，宏孔贡献很小。

表2 渤海湾盆地沾化凹陷沙三下段页岩孔体积分段统计

表3 渤海湾盆地沾化凹陷沙三下段页岩比表面积分段统计

3.3 孔隙连通性

页岩中纳米级孔隙十分发育，较常规储层孔隙连通性差，常规方法难以对其连通性进行有效测试[27]。采用核磁共振技术，可有效解决页岩孔隙连通性的测试问题[28-29]。首先将样品饱和流体，获得饱和流体状态下的T2谱，求出饱和流体的体积，即页岩的总孔体积，进而求出其总孔隙度；再对样品进行离心，获得残余流体状态下的T2谱，结合饱和状态下的T2谱可计算出T2截止值，在截止值左边部分认为是束缚流体，右边部分认为是可动流体，可计算出样品的束缚流体和自由流体孔隙度，自由流体孔隙度即有效孔隙度，也就是连通孔隙度。

由图5可见，饱和流体状态下T2谱呈双峰分布，分别在0.2 ms和5 ms左右，大于10 ms只存在一个小峰。由于T2值越小代表孔径越小，峰的面积越大表明孔隙量越多，因此样品主要以微小孔隙为主。离心后大于10 ms的峰降幅很大，即较大孔隙内的流体被离心出来，表明这部分孔隙连通性好；小于10 ms的2个主峰变化不明显，即微小孔隙的流体几乎未被离心出来，说明该部分孔隙连通性差。根据2种状态下的T2谱，得到S3样品的T2截止值为26.59 ms，小于该值的部分为束缚流体，大于该值的部分为可动流体。

由核磁共振得到沙三下段页岩的孔隙信息(表4)。沙三下段页岩的孔隙度较低，平均为5.81%；样品的T2截止值平均为17.28 ms，低于砂岩及碳酸盐岩储层；孔隙连通性差，连通孔隙度介于0.11%～0.64%，且连通孔隙主要为大孔及裂缝，微小孔连通性极差。该特征利于页岩油气的储存，但不利于其开发，需借助水力压裂等措施提高储层的连通性。