基于恒速压汞技术研究页岩气储层孔隙结构：以湘西北地区五峰组页岩为例

王 静,郗兆栋,陆冬华

(1.核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083)

0 引言

页岩气具有自生自储的特征，页岩气储层被认为是一种复杂的非均质多孔介质，具有复杂的孔隙系统，导致其具有复杂的储气机制和转换机制，这使得很难预测一个地区页岩气的空间分布和有效性(Xi et al.，2018a，2019a；郗兆栋等，2018，姜生玲等，2018)。一般从孔隙和喉道的大小、形态、连通性等几方面表征页岩气储层孔隙结构，而页岩气储层的喉道和孔隙大小分布范围广泛且形态多样，因此需要联合多种实验手段去刻画(Yang et al.，2014；Yang et al.，2017；张鹏等，2019)。目前对孔隙结构的测试方法有很多，常用的多为镜下观测法(如扫描电镜等)、气体吸附法(如氮气吸附)以及常规压汞等，但是以上方法均不能很好地将孔隙和喉道区别开，不能获取关于喉道的关键参数(Tian et al.，2015；Wei et al.，2016)。对于低渗储层而言，尤其是页岩气储层，分析喉道特征及其与孔隙的关系是表征孔隙结构的重要方面。恒速压汞技术可以分别获得孔隙和喉道的相关参数，主要包括孔喉大小及分布特征、孔喉比、毛细管压力曲线等(Zhang et al.，2019；庞姗等，2019)。所以恒速压汞实验对于研究低渗、特低渗储层更为适用和精确。

然而目前的研究大多针对孔隙而忽略了喉道特征的研究，使得对于页岩气储层孔隙结构的认识相对片面(Milliken et al.，2013；Pan et al.，2015)。本次研究选取湘西北地区海相页岩五峰组的4块样品开展恒速压汞实验，定量分析孔隙，喉道和孔喉比等参数，为全面分析页岩储层孔隙结构提供一定的指导意义(郗兆栋等，2018)。

1 实验原理

恒速压汞法是以较低的恒定流速将汞注入到孔隙中，注入速度为0.0001 cm3/min或0.00005 cm3/min，如此低的进汞速度可认为是准静态的过程。从恒速压汞的模型可以看出(图1)：因为其进汞速度低，过程近似为准静态，因此可将孔隙和喉道分开测量(崔连训，2012；杜江民等，2016)。孔隙和喉道等参数主要是基于汞注入过程中压力升降的变化得到的(图2b)。简单来讲，汞注入后需要先通过喉道才能进入孔隙，在突破喉道的过程中压力会不断上升，当压力累计到一定时汞突破喉道进入孔隙，这时压力会迅速回落，此时汞开始充满与此喉道连通的孔隙，这时可得到与该孔隙和喉道的相关压力数值。重复上述过程便可以得到页岩样品中所有喉道和孔隙的压力数据(高永利和张志国，2011；解伟等，2011)。根据突破喉道的压力和汞进入体积可分别得到喉道半径及孔隙大小(朱晴等，2019)。此过程有两点需要注意：(1)始终保持较低的汞注入速度；(2)汞优先进入与大喉道连通的孔隙。

图1 恒速压汞模型(据陈蒲礼等，2013修改)Fig.1 Model of constant-speed mercury injection(modified from Chen et al.,2013)

2 实验结果

恒速压汞相比于常规压汞的实验过程要长很多且页岩通常具有纳米级的孔喉系统，因此必须在开展恒速压汞实验前选择代表性的样品。前人在研究低渗透砂岩储层的孔隙结构时认为，样品选取应在以铸体薄片和扫描电镜观察的基础上，考虑样品所处沉积微相并参考大量的常规压汞测试结果参数，充分考虑实验结果的对比性和代表性(万琳等，2018；张鹏等，2018)。本次研究所选样品采自湘西北地区桑植区块奥陶系五峰组，所选的页岩样品是参考本团队已发表文章中压汞和低温氮气吸附的结果后(Xi et al.，2018b，2019b)选取的渗透率区间为<0.5 mD，0.5 mD，1 mD～5 mD，5 mD～10 mD的4块样品，恒速压汞实验于2019年在核工业北京地质研究院完成相关测试，测试结果见表1。4块页岩具有相近的有机质含量(1.0%～1.5%)、矿物组分(石英为主，其次为粘土矿物)及岩相特征，具有一定的对比性和代表性。

图2 恒速压汞进汞过程示意图(据高永利和张志国,2011)Fig.2 Schematic diagrams of constant-speed mercury injection process(modified from Gao and Zhang,2011)a-孔喉模型示意图;b-压力升降图a-sketch of pore and throat；b-diagram of pressure rise and fall

表1 恒速压汞实验参数统计表

3 孔喉特征分析

3.1 孔隙特征

本次研究所选4块样品的渗透率与平均孔隙半径没有明显的相关性(图3)，且孔隙大小分布呈正态分布的趋势(图4)。不同渗透率样品孔径峰值差异很小，都集中在100～200 μm之间，表明页岩样品的渗透率与孔隙大小无明显相关关系，孔隙特征不是控制此研究中页岩样品渗透率的关键因素。

图3 渗透率与平均孔隙半径关系Fig.3 Relationship between permeability and average pore radius

图4 页岩样品孔隙分布特征曲线图Fig.4 Frequency versus pore radius of shale samples

3.2 喉道特征

喉道反映了孔隙之间的连通情况。页岩样品的渗透率与喉道半径存在明显的正相关性，渗透率高的页岩储层具有较大的平均喉道半径(图5)。此外，页岩样品也具有不同的喉道分布特征。渗透率较低的样品喉道分布集中且主要以小喉道为主，而渗透率较高的样品喉道分散分布且主要以大吼道为主(图6)。本次所选渗透率最低的1号样品喉道半径均小于1 μm且集中于0.5 μm左右。而渗透率最大的4号样品的喉道半径分布范围为0～7 μm，且大喉道所占比例增加很多，主喉道半径集中于2.5 μm，对于低渗透储层来说，正是由于这些较大喉道的存在，相对降低了页岩气开采难度。

如恒速压汞实验的原理一样，汞会优先突破大喉道继而进入与之连通的孔隙。因此，页岩气储层的渗透率也主要受控于大喉道的数量，喉道半径越大且数量越多的低渗储层一般具有较高的渗透率(陈蒲礼等，2013；赵华伟等，2017)。前人也证实了渗透率越高的样品，大喉道的贡献比小喉道的贡献率高得多。然而，从本次实验数据可以看出(表1)，渗透率越大的样品，其有效喉道数量并不是逐渐增多的。从恒速压汞的模型可以看出，这主要是因为当喉道半径增大到一定程度时，喉道与孔隙的区别可能就会变小，孔隙特征就足以表征储层的储集特征(孟子圆等，2019)。因此，前人研究指出以大孔为主的页岩储层孔隙体积及孔隙度往往与渗透率存在较好的相关关系，但以微孔和介孔为主的页岩储层孔隙度和渗透率往往不具有相关性(Xi et al.，2018a，2019a)。此外，喉道的数量只是影响渗透率的一个因素，喉道的分布特征及形态也会对渗透率起到一定的作用。因此大喉道数越多，渗透率不一定会逐渐增大。从本文的结果看，对于页岩气储层而言，喉道大小及其分布情况依然是控制低渗储层孔隙结构的关键要素及主要因素之一(Loucks et al.，2009；Hu et al.，2016)。

图5 渗透率与平均喉道半径关系Fig.5 Relationship between permeability and average pore throat radius

图6 喉道半径分布特征曲线图Fig.6 Frequency versus throat radius of shale samples

3.3 孔喉比

孔喉比与渗透率存在着明显的负相关关系，渗透率越高的样品孔喉比越小，孔喉比由300逐渐降至小于100(图7)。有的学者提出：在低渗储层中，如果渗透率接近，那么孔喉比与渗透率并没有明显的相关性，甚至于得出与上述相反的结论(Li et al.，2020；Wang et al.，2020)，至于样品渗透率之间相差多大还有待进一步的研究。本文选取的4块样品渗透率差异很大，分布范围从0.23～5.46 mD，因此可以认为孔喉比也是影响低渗储层孔隙结构的因素。

从图8的4个样品孔喉比特征曲线来看，页岩气储层的孔喉比整体分布范围较大，分布在0～700之间且孔喉比数值整体偏大，这是低渗储层难开发的原因之一。4块样品的孔喉比特征曲线差异还是比较大的，峰值差异也较大(90～300)。渗透率较小样品的孔喉比大，分布范围很宽，非均质性较强，表明样品中较大孔径的孔隙与较小的喉道相连(如墨水瓶型)。这类储层的孔隙结构通常具有连通性较差且发育较多死孔隙，不利于页岩气的储集(Mastalerz et al.，2013；Jiu et al.，2016)。相反，渗透率较大的页岩样品具有较小的孔喉比和分布区间，说明单个孔隙被大喉道所控制，渗流能力就相对较好。

图7 页岩样品渗透率与平均孔喉比的相关关系Fig.7 Correlation between permeability and average pore/throat ratio of shale samples

图8 基于恒速压汞的孔喉比分布特征Fig.8 Frequency versus pore/throat ratio revealed by constant-speed mercury injection experiments

3.4 毛细管曲线

本次研究分别得到了总体毛细管压力曲线，孔隙和喉道的毛细管压力曲线(图9)。汞开始注入时，总体毛细管压力与孔隙毛细管压力相当，即汞先进入大喉道所控制的孔隙中。而后随着压力的继续增大，汞开始突破较小的喉道继而进入与之连通的孔隙，但表现为急剧增大的进汞压力但相对较慢的进汞量，表明喉道开始作为主要的控制因素。从毛细管压力曲线的形态可以得出，孔隙在低渗储层开发前期起着一定的主导作用，随着压力的增加，喉道开始起主要作用。对于页岩气储层而言，喉道的作用会越加凸显(Chen et al.，2018)，因为自身渗透率很低，细小喉道数量多，喉道起作用时间会提前甚至在开发前期就是大喉道作为主要的渗流通道。

图9 页岩样品的毛细管压力曲线特征Fig.9 Capillary pressure versus mercury saturation of shale samples

4 结论与展望

(1)具有不同渗透率的页岩气储层具有差异较为明显的孔隙结构特征，但表现为较为相似的孔隙特征而不同的喉道特征。

(2)渗透率较高的页岩气储层具有较大的喉道半径、宽泛的分布范围及较小的孔喉比；而渗透率较低的页岩气储层具有较大的孔喉比及较小的喉道半径。

对于低渗储层而言，尤其是页岩气储层，喉道特征(主要包括大小、分布特征、形态等)是研究页岩气储层储集空间和吸附能力的重要部分，是控制页岩气渗流能力的关键因素之一，在以后对页岩气的勘探开发中应特别注意及重视。