氮气吸附法的致密砂岩孔隙结构分析

李昊远

（西安石油大学地球科学与工程学院， 陕西 西安 710200）

致密油气作为非常规油气的重要组成，已成为全球石油石油勘探的重点领域[1]。致密储层多发育微纳米级孔隙，储层的微观孔隙结构是研究非常规油气的重要内容。常规压汞与孔渗分析等方法难以满足要求。近年来，许多新的实验方法开始应用到致密砂岩储层研究中，如氮气吸附技术、核磁共振、恒速压汞等[2]，氮气吸附技术不仅可以获取常规测试的参数而且可以获取孔喉的几何类型与比表面积、孔径分布、孔隙体积等相关信息[3]。

研究区西峰地区位于鄂尔多斯盆地西南部地区。上三叠统延长组分为10 个油层组，其沉积特征反映了湖盆的演化过程[4]。长8 储层岩性主要是中—细粒岩屑长石砂岩与中—细粒长石岩屑砂，其平均孔隙度10.57%，平均渗透率0.195×10-3μm2属于低渗致密砂岩储层[2]。致密砂岩储层微观孔隙结构的非均质性需要用多种方法联合表征，本文用氮气吸附实验来表征200nm 以内的微观孔隙结构特征[5]，分析不同的微观孔隙的吸附—脱附曲线类型、比表面积、孔体积、孔径类型来刻画致密砂岩储层的微观孔隙结构[1-13]。

1 实验样品及分析方法

应用低温氮气吸附实验测定了来自于西峰地区延长组长8 致密砂岩的5 块样品（表1）。

本文实验分析在完成。实验仪器为，检测温度为25℃。实验过程为：取2 至3g 的岩石样品粉碎至0.18 至0.25mm 粒径装入样品管中，在110℃下进行烘干，在真空环境下除去其他气体成分；利用“静态容量法”对试样进行吸附实验，在77K 的恒温下，用99.999%的氮气对样品和仪器进行充填并开始测量，按照预先设计好的压力进行实验，获得不同压力下的氮气吸附量与脱附量。通过氮气吸附量、脱附量与气体相对压力的关系得到吸附与脱附等温线。根据国标GB/T19587-2004《气体吸附BET 法测定固态物质比表面积》的规定，通过BET 方程计算获得孔隙的比表面积，并根据孔径分布与孔隙体积分布情况定量表征2 至200nm 的孔隙分布情况[9-10]。

表1 延长组长8 致密砂岩样品测试结果

2 孔隙类型分析

在氮气吸附实验中，随着相对压力的升高，氮气气体逐渐吸附在毛细孔隙中，实验达到最大测量孔隙半径后暂停；然后压力下降，微纳米孔中吸附的氮气开始解吸，压力下降到某一半径时，微纳米孔中的氮气开始蒸发，当凝结的压力与蒸发时的压力相同时，吸附曲线与脱附曲线重合；当不同时，吸附等温线与脱附等温线错位，形成了回滞环。

图1 IUPAC 的六种等温吸附线

Single（1985）根据等温曲线的曲线形态及回滞环的特征提出将气体等温线分成6 种类型（图1a）。由于毛细凝聚的现象，等温吸附曲线与脱附曲线错位，产生了吸附滞后的现象，长8 段致密砂岩样品属于第IV 种类型。根据IUPAC 最近分类提出将IV 型等温线分成四种类型，分别对应了四种孔隙形态（图2）。H1 与H2 型回滞环吸附等温线有饱和吸附平台，反映了孔径分布较均匀，H1 属于两端都开放的圆筒型，H2 属于墨水瓶型；H3 型回滞等温线没有明显的饱和吸附平台，表明孔隙结构不均匀，形成似片状颗粒组成的槽状孔；H4 型等温线较H3 进一步呈现平缓趋势，其孔隙形态夹缝孔。

图2 IV 型四种等温线类型

长8 段致密砂岩样品实验结果如图3 所示。样品的氮气吸附—脱附曲线都属于H3 型，说明储集层大部分为槽状孔隙。吸附回线形成的回滞环的范围较窄，在相对压力较高时（1＞P/P0＞0.8）快速升高，但是未出现饱和吸附的情况，而是发生了毛细凝聚的现象；相对压力降低（0.8＞P/P0＞0.4），回滞环的宽度均较窄，呈现明显的下凹形状；相对压力继续下降（P/P0＜0.4），脱附等温线与吸附等温线不在分离。

图3 延长组长6 段致密砂岩吸附—脱附曲线

3 比表面积、孔体积与孔径的分布

通常情况下可以通过BET 公式只适合用于处理相对压力（P/P0）在0.05 至0.3 之间的吸附数据。因为相对压力小于0.05 时，不能形成多层物理吸附；而相对压力大于0.3 时，毛细凝聚的现象的出现又破坏了多层物理吸附。根据BET 公式（1）（2）可知，可以用P/V（P0-P）和作图获取一条直线，其直线的斜率为C-1/CVm，截距为1/CVm，借此求出常数C 和Vm。

将公式（1）变形为：

式中：P0为吸附温度下的吸附质饱和蒸汽压，kPa；P 为平衡吸附气压力，kPa；Vm为单分子层饱和吸附量，mmol/g；V 为总吸附量，mmol/g；C为BET 方程常数。

由Vm可以算出固体表面铺满单分子层时所需的分子数。当知道每个分子的截面积，就可以求出吸附剂的总表面积和比表面积。

式中：S 为比表面积，m2/g；Am为氮气吸附分子的平均截面积，0.162nm2；NA为阿伏伽德罗常数，6.02×1023；Vm为单分子层饱和吸附量，mmol/g。

比表面积是指单位体积或质量的物质具有的表面积，针对氮气吸附而言，比表面积越大就意味着样品的孔隙空间就越大，表现出强相关性（如表3），氮气的吸附总量会随着比表面积的增大而增大；比表面积与物性呈现负相关，渗透率的相关性很强（R2=0.87），与孔隙度的较为一半（RR2=0.73）。

表2 致密砂岩储层孔隙结构参数

根据吸附等温线可以计算出孔隙体积与孔径分布的特征，将平均孔隙直径分为微孔（＜10nm）、中孔（10～50nm）、大孔（＞50nm），孔隙体积与各类型孔之间的相关性如表3 所示。可以发现，无论是占据主要主要空间的微孔或者中孔都没有和孔隙体积有相关性，说明致密砂岩孔隙结构的复杂；孔隙体积与渗透率（R2=0.4）与孔隙度（R2=0.4）的关系均一般。

表3 比表面积和孔隙体积与物性关系

4 结论

1）根据吸附—脱附等温线的形态，延长组长8 致密砂岩储层实验样品的孔隙结构为IUPAC的IV 中的H3 类型，孔隙类型主要为似片状颗粒组成的槽状孔。

2）比表面积分布范围为2.00～5.65m2/g 比表面积越大，孔隙空间就越大，氮气的吸附总量也越大；比表面积总体上和物性呈现负相关，与渗透率的正相关性较强，与孔隙度具有一般的负相关性。

3）微孔与中孔占据了孔隙体积的76.79%～88.72%，但是没有一种孔隙与体积呈现明显的正相关关系，说明致密砂岩储层孔隙类型发育复杂；孔隙体积与物性上整体呈现正相关趋势，与渗透率和孔隙度正相关性一般，可能是由于氮气吸附测量范围的原因。

4）综合以上三点，致密砂岩储层具有较高孔隙度但是未具有较高渗透率的原因在于微孔及中孔提供了储存流体的空间并占据了大量的孔隙空间，但没有与之对应的大孔来提供渗流。