页岩气储层孔隙度测试方法关键参数优化

周尚文 董大忠 张介辉 邹 辰 田 冲 芮 昀 刘德勋 焦鹏飞

1.中国石油勘探开发研究院 2.中国石油非常规油气重点实验室 3.中国石油浙江油田公司 4.中国石油西南油气田公司页岩气研究院

0 引言

页岩气具有自生自储、大面积连续聚集的特征，主要以游离态和吸附态赋存于裂缝和孔隙中[1-4]。作为一种典型的非常规天然气资源，页岩气在我国已经初步实现了工业化开发[5]。随着我国油气对外依存度不断升高，常规油气资源勘探开发的难度不断加大，页岩气已成为我国天然气产量增长的重要领域[6]。2020年我国页岩气产量达到200×108m3，累计探明储量超过2×1012m3。

孔隙度是油气储层评价的关键参数之一，对于确定岩石储集空间、流体饱和度以及油气地质储量等均具有重要的意义[7-9]。页岩岩性致密，孔隙度和渗透率与常规储层相比均偏小[10-12]。由于其主要发育微纳米孔隙，孔隙结构复杂，对其孔隙度进行精确测试难度较大[9-12]。页岩孔隙度测试方法较多，主要包括气测法[13]、液测法[9]和核磁共振法[14-15]。目前主要采用美国天然气研究所（Gas Research Institute）的方法（简称GRI法）来测试页岩的总孔隙度，采用气测柱塞样的方法来测试页岩的有效孔隙度[16-18]。Sun等[13]讨论了孔压、扩散时间和颗粒大小对总孔隙度测量的影响，并给出了对应的最优测试条件；孙建孟等[19]利用核磁共振方法研究了颗粒粒径对页岩样品孔隙度的影响，认为60目范围内的页岩碎样能准确表征页岩储层本身的孔隙度；姜柏材等[20]探讨了平衡时间对页岩孔隙度测试结果的影响，建议柱塞样品分析时间不低于4 000 s；杨巍等[10]认为柱体测定有效孔隙度方法优于碎样方法；蒋裕强等[16]指出不同测量方法或不同实验室对同一样品的孔隙度测量结果差异可达3倍，给储层评价带来了很大困难。综上所述，已有学者进行了不同孔隙度测试方法的参数优化研究，但对于不同方法测试结果的对比和方法选取的研究则较少[21-23]。

孔隙度也是页岩气地质储量计算中最关键的参数之一，其测试结果的大小直接影响储量计算的准确性[24-27]。根据页岩气储量计算标准《页岩气资源/储量计算与评价技术规范：DZ/T 0254—2014》[28]，目前主要采用容积法计算游离气地质储量，采用体积法计算吸附气地质储量。在游离气量计算过程中，需要使用孔隙度值，孔隙度的测量误差将直接影响到页岩气储量计算结果的准确性。为此，笔者采用不同测试方法开展了四川盆地南部（以下简称川南地区）下志留统龙马溪组页岩孔隙度测试实验，在优化相应的测试参数的基础上，对比了页岩孔隙度测试结果；同时还分析了不同方法测定的孔隙度值对页岩气储量计算结果的影响，提出了储量计算的最优孔隙度测试方法，以期为我国页岩气储量计算方法选择和相关标准制订提供参考。

1 实验材料与方法

选取川南地区昭通页岩气示范区6口评价井共65个龙马溪组页岩样品进行不同方法的孔隙度测试（表1、图1）。所选样品总有机碳含量（TOC）介于0.34%～7.52%，平均值为2.21%。样品矿物组成以石英和黏土矿物为主，石英含量介于12.6%～55.2%，平均值为34.7%；黏土矿物含量介于13.5%～64.3%，平均值为30.3%（表1）。为了保证测试结果的准确性，先选取部分代表性样品用于实验参数优化，其余样品均采用优化后的参数进行测试；同时为了测试结果的可对比性，先进行气测法孔隙度测试，然后对同一页岩柱塞样品进行液测法和核磁共振法孔隙度测试。此外，将钻取柱塞后剩余的块状样品粉碎为不同粒径的样品后，进行颗粒气测法孔隙度测试。

表1 五峰组—龙马溪组页岩样品基本参数表

图1 实验样品选取位置图

孔隙度的测试是基于岩石样品的总体积、骨架体积和孔隙体积3部分确定的，确定总体积、骨架体积即可确定孔隙度值[29-30]。由于页岩岩性致密，各部分体积较难进行精确的测试[31]。目前主要还是通过改进常规孔隙度测试方法来进行页岩的孔隙度测试，包括气测法[13]、液测法[9]和核磁共振法[14-15]3种。

1.1 气测法

气测法也称作气体膨胀法，主要是通过气体的膨胀进入样品的孔隙后，记录平衡前后的压力来确定岩石的骨架体积。根据波义耳定律，页岩骨架体积计算公式如式（1），其中样品的骨架体积计算式如式（2），该方程是在假设测试过程恒温、忽略阀门驱替体积的条件下推导得出：

式中p1表示膨胀前参考室的压力，MPa；p2表示膨胀后系统的平衡压力，MPa；Vr表示参考室体积，cm3；Vs表示样品室体积，cm3；Vg表示样品骨架体积，cm3；Z1表示p1压力条件下气体的压缩因子；Z2表示p2压力条件下气体的压缩因子。

在确定样品总体积后，即可采用式（3）计算样品的孔隙度。

采用气测法，可以对柱塞样品、块状样品和颗粒状样品进行孔隙度的测试，但是不同规格样品所需测试条件明显不同。柱塞样品的总体积通过测量样品的长度和直径计算得出，颗粒样品的总体积通过测试样品的重量和视密度计算，样品的视密度采用饱和液体法确定。目前国内外常用的页岩孔隙度测试方法（GRI方法）[9]就是基于颗粒样品的测试提出的，与传统的柱塞样测试相比，GRI方法可最大程度的沟通页岩中的不连通孔隙，对于评价页岩的总孔隙度具有重要意义。

1.2 液测法

液测法也称作饱和液体法，主要是通过称量饱和已知密度流体前后页岩样品的重量，认为样品重量的增加来源于流体进入岩石孔隙中，从而可较简单地确定岩石的孔隙体积。前人主要选用去离子水、煤油、酒精等流体作为介质进行岩石饱和，其中，去离子水性质稳定，密度易获取，常用于页岩孔隙度测试中，计算表达式为：

1.3 核磁共振法

核磁共振法主要是通过低场核磁共振技术检测页岩孔隙中流体信号量，与已知孔隙度标样进行对比后，即可回归确定样品的孔隙度[32-33]。该方法对砂岩、碳酸盐岩等储层的孔隙度可进行较准确的测试，但应用到页岩孔隙度测试中时，产生了较多新的问题，如黏土矿物遇水膨胀、有机质产生核磁共振信号等[14,17]。因此亟需对该方法进行进一步优化研究。由于新鲜页岩样品孔隙中的流体并未占满整个孔隙空间，所以实验前需将样品完全饱和地层水，才能对其孔隙度进行准确测试，计算表达式为：

基于参数优化，笔者使用的核磁共振测试主要参数为：主频为21 MHz，回波间隔时间（TE）为0.06 ms，等待时间（TW）为3 000 ms，回波个数为16 000个，扫描次数为32次，增益为20 dB。

2 方法优化与测试结果

2.1 气测法测试孔隙度

气测法既可以进行柱状岩心样品的测试，也可以进行颗粒样品的测试。为了进行有效的对比，柱状岩心孔隙度测试完成后，将其粉碎进行颗粒孔隙度测试。如本文参考文献[13, 20]所述，页岩岩性致密，气测时应尽量延长气体饱和平衡时间。为此，笔者首先进行了部分样品不同饱和时间下孔隙度测试结果的对比，结果如图2所示。从图2中可以看出，随着饱和平衡时间的增加，孔隙度均呈先增大后稳定的趋势。这说明，当饱和平衡时间过短时，氦气不能完全进入页岩孔隙中，通过延长时间可以让氦气充分进入。当孔隙度测试值达到稳定时，说明样品已完全被氦气饱和，该饱和平衡时间为测试最优条件。对于龙马溪组页岩样品，饱和平衡时间至少应达到1 800 s，较短的平衡时间将低估页岩的孔隙度值。

图2 页岩柱塞样品气测孔隙度随饱和时间的变化图

对于颗粒样品，不仅需考虑饱和平衡时间的影响，还需考虑颗粒目数的影响。Sondergel等[34]指出，不同实验室间页岩颗粒孔隙度测量结果存在差异的原因在于碎样粉碎程度，即碎样目数的不同。然而，目前并没有碎样的粉碎标准可供参考。GRI方法建议采用的样品粒径介于20～35目（0.85～0.50 mm）[24]。Karathasis等[35]研究指出将岩心粉碎至325目可获取稳定的孔隙度值。付永红等[36]建议气测孔隙度时，粉碎的粒径介于4～60目。Han等[37]基于低温氮气和二氧化碳吸附实验，进行了不同粒径页岩样品孔隙结构的研究，发现随着颗粒粒径减小，页岩孔体积和比表面积均会先增大后维持稳定，建议130目为不破坏页岩孔隙结构的最佳粒径。可以看出，关于采用多大粒径的颗粒样品进行孔隙度测试仍存在较大争议。笔者将同一页岩样品粉碎粒径为20～40目、40～60目、60～100目和100～200目的颗粒状样品进行气测孔隙度测试，其结果如图3所示。

图3 页岩颗粒样品气测孔隙度随颗粒粒径的变化图

从图3可以看出，随着颗粒粒径的减小，气测孔隙度值先增大，后趋于稳定。不同样品的趋势有所区别，这可能与样品的孔隙结构差异有关。但该现象证明了页岩中有大量孔隙是不连通的，当样品粒径较大时，氦气分子无法进入不连通孔隙。而当样品粉碎至一定程度时，部分闭孔打开，氦气分子得以进入，使得测试结果增大。但当样品粉碎过细时，有可能破坏岩石的矿物结构，导致与矿物相关的孔隙被破坏，使得人为增加或减小一定量的孔隙。因此，粉碎的最小粒径应大于页岩中矿物的最大粒径，不改变原始粒度组成。从图3分析结果来看，当颗粒目数大于60目时，部分样品孔隙度出现减小。因此笔者建议采用20～60目（粒径介于0.85～0.25 mm）的颗粒样品进行龙马溪组页岩孔隙度测试。

2.2 液测法孔隙度测试

应用液测法进行页岩孔隙度测试时，由式（4）可以看出，其准确性主要依赖于样品饱和前后重量的测试结果。由于样品重量均采用万分之一的天平进行测试，为了准确确定其孔隙度，需满足两个条件：一是样品能完全烘干，二是样品能完全饱和。对于页岩的干燥，已有学者进行研究建议采用110 ℃进行岩心的烘干，在该温度下既可尽量达到烘干效果，也可避免对黏土矿物的破坏[18,36]。但目前对页岩的烘干时间还没有标准明确指出。笔者选取了部分岩心进行了不同烘干时间的重量分析，如图4-a所示，可以看出随着烘干时间的增长，样品重量最终达到平衡。当烘干24 h时，其重量平均减小0.42%，可进一步延长烘干时间。当烘干时间延长至48 h后，其重量变化减小，平均减小率仅为0.08%。从相应的核磁共振T2谱（图5-b）变化也可以看出烘干时间介于24～48 h时，样品信号还有比较明显的减小，烘干时间超过48 h后样品信号变化不明显。因此，建议龙马溪组海相页岩的烘干时间需至少达到48 h。

图4 页岩样品随烘干时间的变化重量和核磁共振T2谱变化图

图5 页岩不同回波间隔时间条件下的核磁共振T2谱及累积信号幅度图

样品烘干条件确定后，还需进一步确定加压饱和条件，才能准确确定页岩孔隙度。因为页岩的黏土矿物发育且易碎，当其在水中饱和时间过长时，样品易被破坏，无法进行后续测试。已有学者[32]建议在15 MPa条件下加压24 h进行页岩的饱和水实验，认为饱和压力太低时，水无法完全进入；饱和压力过大时，岩心会遭受一定程度地破坏。笔者测试的液测孔隙度也是基于此条件下的饱和水实验进行的。

2.3 核磁共振法孔隙度测试

核磁共振孔隙度测试结果的确定主要依赖于其核磁共振信号的准确确定，测得的核磁共振信号量要能准确反映页岩中全部流体的信号。因为页岩岩性致密，纳米孔隙内流体的信号较难检测，需提高核磁共振设备的性能才能满足要求[38]。对其影响较大的核磁共振参数为回波间隔时间（TE）和等待时间（TW）[19]。页岩不同回波间隔时间条件下的核磁共振T2谱如图5-a所示，其累积信号如图5-b所示。从图5可以看出，回波间隔时间差异对核磁共振信号的采集影响较大，当回波间隔时间较大时，部分小孔隙内的信号是无法检测到的，左峰明显偏低。累积信号量随回波间隔时间增大也明显变小，导致低估页岩的孔隙度值。因此，对于页岩核磁共振孔隙度测试，需尽量减小回波间隔时间，其测试结果会更加准确。受制于场强的限制，笔者采用核磁共振设备回波间隔时间最低为0.06 ms，页岩孔隙度测试中也采用该参数值。

页岩不同等待时间条件下的核磁共振T2谱如图6-a所示，其累积信号如图6-b所示。从图6可以看出，等待时间差异对核磁共振信号的采集影响不大，累积信号量几乎无变化。为了让重复采样等待期间样品系统尽量恢复平衡状态，笔者页岩孔隙度测试采用的等待时间为3 000 ms。

图6 页岩不同等待时间条件下的核磁共振T2谱及累积信号幅度图

对于页岩核磁共振孔隙度测试，还需厘清的一个关键问题是干燥样品的核磁共振信号问题[14]。实验测试过程中发现，采用2.2中所述方法进行页岩样品烘干后，其依然有较大的核磁共振信号，如图7-a所示。Martinez等[39]研究认为，页岩中并不含有大量影响核磁共振信号的强磁性成分。在提高采集信噪比与分辨率的基础上，相对于孔隙中流体的氢原子核信息，骨架中的氢核信息基本上可以忽略不计。蒋裕强等[17]认为该部分信号可能来源于闭孔中水和黏土矿物束缚水，再增高温度也无法去除。图4-b也表明页岩中存在不来源孔隙中水的核磁共振信号，在计算核磁共振孔隙度时，应扣除该部分信号，计算公式应优化为：

式中As表示饱和水后页岩样品的核磁共振T2谱信号大小；Ad表示干燥页岩样品的核磁共振T2谱信号大小。

将扣除该部分信号前和未扣除该部分信号的核磁共振孔隙度计算结果与液测孔隙度结果进行对比（图7-b），发现扣除干燥样核磁共振信号后的测试结果与液测孔隙度值吻合较好，平均相对误差由37.8%减小至8.8%，证明了该方法的可靠性。

图7 页岩初始、干燥和饱和条件下的核磁共振T2谱及其核磁共振孔隙度与液测孔隙度对比图

3 讨论

3.1 不同方法测试结果对比

在基于上述页岩孔隙度测试方法优化的基础上，对3种方法的测试结果进行对比分析。对于气测法，还需对比采用柱塞样和颗粒样的孔隙度测试结果。在优化气体饱和时间和颗粒粉碎粒度的基础上，所选取的昭通页岩气示范区65个龙马溪组页岩样品的对比结果如图8所示。从图8可以看出，对于所有的样品，页岩颗粒样孔隙度均大于柱塞样孔隙度。这是由于页岩中存在大量不连通的孔隙，这些不连通的孔隙在样品粉碎过程中被打开变成了可测量孔隙。可以认为，柱塞样孔隙度反映了页岩连通孔隙度，而颗粒孔隙度反映了页岩总孔隙度，颗粒孔隙度与柱塞样孔隙度之间的差值可反映柱塞样的不连通孔隙的多少[17]。笔者测试的昭通页岩气示范区龙马溪组页岩样品中不连通孔隙的占比介于13.1%～27.7%，平均值为20.1%。

图8 页岩颗粒样品与柱塞样品气测孔隙度测试结果对比图

对于测试核磁共振孔隙度和液测孔隙度，在上述方法优化的基础上，所选取的昭通页岩气示范区65个龙马溪组页岩样品的测试结果对比如图9所示。从图9可以看出，几乎所有样品的液测孔隙度值均大于核磁共振孔隙度值，相对误差约为10%。液测孔隙度的测试结果依赖于样品重量的测试结果，饱和水后的页岩样品表面会吸附部分水分，在称量过程中并不能完全将该部分表面水擦拭干净，导致饱和水后的样品重量偏大。因此，表面水的存在可能是液测孔隙度偏大的原因之一。

图9 部分页岩样品液测孔隙度、颗粒气测孔隙度与核磁共振孔隙度结果对比图

对比核磁共振孔隙度与颗粒气测孔隙度，即可确定两种方法测试结果的大小关系。核磁共振孔隙度与颗粒气测孔隙度测试结果对比如图9所示。从图9可以看出，两者之间的大小关系没有规律性，总体来看核磁共振孔隙度稍大，但部分样品的颗粒气测孔隙度亦大于核磁共振孔隙度。这种现象是由于这两种方法采用的实验原理、介质和过程完全不同造成的。

将上述测试结果采用箱线图（图10）进行表示后，可以更清晰地看出测试结果的差别，从平均值和中位数上看，其大小关系为：液测孔隙度＞核磁共振孔隙度＞颗粒气测孔隙度＞柱塞气测孔隙度。采用核磁共振法和液测法测试过程中，需先进行饱和流体的操作，不论是采用何种流体（水或油），其饱和程度与润湿性有关。付永红等[36]的研究表明，饱和油测试的孔隙度明显低于饱和水测试的孔隙度。此外，我国南方海相页岩中黏土矿物含量较高且成分以伊利石为主[32]，吸水后由于水化作用可能产生微裂缝，导致更多的水滞留于微裂缝中。笔者在实验中也观察到饱和水后的页岩样品会产生破碎、掉渣等现象，这些都会导致核磁共振法和液测法的孔隙度值偏离页岩样品本身的真实值。而相对来说，气测孔隙度测试过程中，采用的气体介质（氦气）不会与页岩样品发生反应，测试结果精度仅依赖于压力计量精度。在保证仪器精度和气密性的情况下，建议采用气测法进行页岩孔隙度测试。

图10 页岩不同孔隙度测试方法测试结果对比图

3.2 测试结果对储量计算结果影响

对于页岩气田探明地质储量的计算，目前主要是通过体积法来计算吸附气地质储量和容积法来计算游离气地质储量[28]。吸附气地质储量的计算主要决定于吸附气含量的确定，储层孔隙度不参与计算。而游离气地质储量的计算主要依赖于储层孔隙度和含气饱和度值，其计算公式为：

式中Gy表示页岩气游离气总地质储量，108m3；Ag表示页岩气含气面积，km2；h表示页岩储层的有效厚度，m；φ表示页岩孔隙度；Sgi表示原始含气饱和度；Bgi表示原始页岩气体积系数。

从式（7）可以看出，孔隙度的准确确定对于页岩气地质储量的计算至关重要。但目前可供参考的标准《页岩气资源/储量计算与评价技术规范：DZ/T 0254—2014》中并未明确规定该孔隙度值应采用何种方法确定[28]。目前国内在进行探明地质储量申报时，不同油田公司采取的孔隙度确定方法也不尽相同，需要统一测试方法和流程已成为研究人员的共识。为了分析孔隙度测试方法对储量计算结果的影响，基于上述实验方法确定的孔隙度中位数值，以2019年进行储量申报的川南太阳—大寨地区阳102井区为例进行对比分析，其计算结果如表2所示。需说明的是，笔者仅为评估孔隙度测试方法对储量计算结果的影响程度，并未考实际页岩气田地质储量计算中需考虑的孔隙度覆压校正和井点平均计算等步骤。

表2 基于不同孔隙度测试方法的阳102井区地质储量计算表

对于阳102井区，采用柱塞样气测、颗粒样气测、核磁共振法和液测法测试的孔隙度分别为3.72%、4.46%、4.85%、5.48%，其对应计算的页岩气总地质储 量分别为 891.70×108m3、977.12×108m3、1 022.14×108m3、1 095.04×108m3，可以看出孔隙度的测试结果对地质储量的计算结果影响较大，采用柱塞样气测孔隙度值和采用液测孔隙度值计算的游离气地质储量相差203.34×108m3，相对误差高达23%。如果采用柱塞样气测孔隙度值进行计算，可能会严重低估页岩气田的储量；而采用液测孔隙度值进行计算，可能会高估其储量。因此，正确选取能代表储层实际性质的孔隙度参数值，对于储量计算来说是至关重要的。

基于上述分析，由于柱塞样气测孔隙度仅能代表页岩中的连通孔隙度，不能代表页岩的全部储集空间。此外，核磁共振法和液测法测试过程中需引入流体进行饱和，可能会对页岩孔隙产生破坏，不能代表页岩的真实孔隙空间大小。而颗粒法气测孔隙度能较全面地反映页岩的全部空间，且不受外加流体性质的影响。因此，在有效控制颗粒粒径的基础上，建议采用颗粒气测孔隙度进行页岩气地质储量的计算。

4 结论

1）优化了3种页岩孔隙度测试方法的相关参数和流程。气测法优化后饱和平衡时间至少应达到1 800 s，宜采用20～60目（粒径0.85～0.25 mm）的颗粒样品进行页岩总孔隙度测试；液测法应烘干温度为110 ℃，烘干时间至少48 h，采用15 MPa围压进行24 h的加压饱和；核磁共振法应在优化回波时间和等待时间的基础上应扣除干燥样核磁共振信号后进行核磁共振孔隙度计算。

2）不同测试方法的页岩孔隙度测试结果存在的关系为：液测孔隙度＞核磁共振孔隙度＞颗粒气测孔隙度＞柱塞气测孔隙度。液测孔隙度结果偏大，柱塞样气测孔隙度仅能测试连通孔隙度，测试结果偏小。

3）不同测试方法对页岩气地质储量计算结果有较大影响。核磁共振法和液测法测试过程中需引入流体进行饱和，可能会对页岩孔隙产生破坏，颗粒法气测孔隙度能较全面地反映页岩的全部空间，且不受外加流体性质的影响。建议采用颗粒气测孔隙度进行页岩气地质储量的计算。