松辽盆地沙河子组页岩孔隙结构表征<br/>——基于低场核磁共振技术

松辽盆地沙河子组页岩孔隙结构表征
——基于低场核磁共振技术

2022-06-23李楚雄申宝剑卢龙飞蒋启贵潘安阳陶金雨丁江辉

油气藏评价与开发 2022年3期

李楚雄，申宝剑，卢龙飞，蒋启贵，潘安阳，陶金雨，丁江辉

（1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡 214126；2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，江苏无锡 214126）

页岩气在我国非常规能源领域占据着重要地位。页岩储集空间的准确评估对页岩气的勘探开发具有重要指导意义[1-3]。通常，页岩气储层以纳米级孔隙为主体，并且具有多样的孔隙类型和结构，复杂的矿物成分和低孔隙度、低渗透率等特征，难以使用常规的岩石物性表征技术开展研究[4-6]。目前，关于页岩微观结构的分析方法主要有基于定性观察的图像分析法和定量表征的流体注入法，但它们均存在一定的局限性[7]。例如：N2吸附不能有效表征大于300 nm 的孔隙；高压压汞不能有效表征微孔，并且实验过程中可能导致页岩孔隙结构的破坏[8]；场发射扫描电镜（FE-SEM）多用于定性观察，基于图像处理软件实现的半定量分析技术尚不成熟，并且难以反映孔隙的空间分布信息和微裂缝的发育程度[7-10]。因此，通常需要多种技术和方法的联用才能达到较好的表征效果。与这些方法相比，低场核磁共振（NMR）技术具有无损、快速、准确等特点，能够有效表征页岩孔隙与微裂缝的发育特征与分布状态，并结合多样化的前处理方式获取页岩孔隙度、渗透率等岩石物性参数，以及孔隙类型、孔径分布等孔隙结构信息，为页岩储层精细化表征提供技术支撑[4-6,10]。

目前，诸多学者已经将核磁共振技术广泛应用于砂岩、碳酸盐岩、煤岩及页岩岩石物性及流体分析等储层评价工作[11-17]，显示出该技术在流体识别与定量以及全直径范围孔隙表征等方面具有显著的优势性。然而，现阶段相关研究以海相页岩为主，有关陆相页岩的核磁共振研究相对较少。通过挑选松辽盆地沙河子组的9个页岩样品开展了在完全饱和、充分干燥条件下的核磁共振实验，结合岩石物性测试、偏光荧光显微镜和场发射扫描电镜观察，分析了页岩核磁共振T2（横向弛豫时间）特征，孔隙类型与空间分布特征，对比了核磁共振孔隙度与气测法孔隙度的差异性。研究结果在表征沙河子组页岩样品微观孔隙结构的基础上，进一步明确核磁共振技术在页岩储层研究中的适用性。

1 样品与实验

1.1 实验样品

实验样品取自我国东北地区松辽盆地的一口勘探取心井，其所在位置为松辽盆地北部深层断陷，该区地层厚度大、连续性好，发育了较完整的断陷层序[18]。其中，下白垩统沙河子组发育多段暗色页岩并夹黑色煤线，是陆相页岩气的有利勘探层段。沙河子组取心井段纵深介于3 327～5 675 m，总段长2 348 m，岩性以砂岩和页岩互层居多，以黑灰色页岩夹煤线、深灰色粉砂质页岩、灰色粉砂岩和细砂岩为主。

研究通过非等间距取样的方式挑选了沙河子组典型的页岩样品，以平行于层理面的方向从岩心段上钻取柱塞样品（直径和长度约2.5 cm），以开展岩石物性测试和核磁共振实验，剩余样品用于其他分析测试，样品纵深随编号的顺序依次增加（表1）。

1.2 核磁共振实验

核磁共振实验使用柱塞样品，前处理过程分为高温干燥和完全饱和两部分。其中，饱和状态核磁共振测试用于表征页岩的全直径孔隙，干燥状态核磁共振测试用于分析页岩岩石基质产生的核磁信号。首先，将样品置于110 ℃条件下干燥24 h以去除样品内的残留水，然后进行核磁共振测试。测试完毕后，将样品置于密闭饱和装置中抽真空1 h 以去除样品内的空气和吸附性杂质，接着使用3%KCl 溶液在30 MPa 流体压力条件下饱和24 h，再次进行核磁共振测试。在完全饱和状态核磁共振测试时，需要用润湿的滤纸将样品表面附着的溶液拭去，这些非孔隙流体会影响测试结果的准确性。核磁共振实验仪器采用苏州纽迈公司生产的MesoMR23/12-060H-I型核磁共振仪，磁场强度0.3±0.03 T，主频率（SF）12 MHz。核磁共振T2分析使用CPMG回波序列，实验参数设置如下：回波间隔时间（TE）0.2 ms，回波个数（NECH）10 000，等待时间（TW）6 000 ms，累加次数（NS）32。以上实验过程能够获取沙河子组页岩样品在完全饱和与充分干燥状态下的T2分布信息，并用于计算核磁共振孔隙度和孔径分布。

1.3 其他实验

核磁共振实验后将柱塞样品清洗烘干（110 ℃/24 h）。先在S-Pore 200 型孔隙度测定仪上进行He（氦）孔隙度测试，气体压力平衡时间设置为30 min。然后在S-Perm 2000 型渗透率测定仪上进行脉冲衰减法渗透率测试，测试至上下游室压力相对平衡后获取空气渗透率值。实验依据国家标准《页岩氦气法孔隙度和脉冲衰减法渗透率的测定：GB/T 34533—2017》。

取剩余样品在机械打磨后进行氩离子抛光2 h，加速电压3 kV，抛光截面的偏转角设置为4°，然后在Helios NanoLAB 650 型聚集离子束场发射扫描电子显微镜上获取样品表面微观结构的照片。测试时样品与镜头的工作距离保持在4 mm，采用较低的加速电压（2.0 kV）以减少电子束对样品表面的破坏。扫描电镜测试依据石油天然气行业标准《岩石样品扫描电子显微镜分析方法：SY/T 5162—2014》。有机显微组分观察依据石油天然气行业标准《全岩光片显微组分鉴定及统计方法：SY/T 6414—2014》，使用莱卡DM4500P偏光荧光显微镜进行有机显微组分鉴定，在油浸条件下观察，使用50倍物镜，折光率（N）1.515。另取少量粉末样品经过盐酸溶液水浴处理后在LECO CS230碳—硫分析仪上进行总有机碳含量（TOC）测试，具体实验方法依据国家标准《沉积岩中总有机碳测定：GB/T 19145—2003》。

以上实验工作均在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所完成。

2 结果与讨论

2.1 岩石物性特征

研究所选取的沙河子组页岩样品的岩石物性参数见表1。其中，岩石密度的变化范围介于2.58～2.69 g/cm3，平均值为2.64 g/cm3；TOC的变化范围介于0.92%～2.72%，平均值为1.68%；He 孔隙度的变化范围介于0.7%～3.4%，平均值为1.8%；基质渗透率的变化范围介于（0.000 8～0.039 1）×10-3μm2，平均值为0.015 3×10-3μm2。沙河子组页岩实测镜质体反射率（Ro）均高于2 %，处于过成熟阶段，生烃能力趋于弱化，烃类的富集与保存主要受控于深成阶段的改造作用[19]。随着埋深增大，页岩样品He 孔隙度呈降低趋势（表1），而基质渗透率整体分布不均匀，属于微达西—纳达西级别的超低渗透率。同时，页岩样品的TOC与He孔隙度没有明显相关性；He孔隙度与基质渗透仅具有微弱的正相关性（图1），表明其基质渗透率可能受多种因素控制，而孔隙度与孔隙结构的影响相对有限。对于具有简单孔隙结构的常规储层样品，其孔隙度与渗透率往往具有较好的正相关性[20]。相比而言，致密砂岩、页岩孔隙之间的连通性降低，并且孔隙类型相对多样，孔隙结构相对复杂，因此，孔隙度与渗透率的相关关系变得不明显。类似的结论也出现在范宜仁等[21]和LI等[10]的研究中。

图1 沙河子组页岩岩石物性参数及与TOC的相关性Fig.1 Correlation between He porosity and TOC,and correlation between physical property parameters of shale rocks in Shahezi Formation

表1 沙河子组页岩TOC和岩石物性参数Table 1 TOC and petrophysical parameters of shale in Shahezi Formation

2.2 核磁共振T2分布特征

核磁共振T2谱主要是基于对多段回波串信号衰减过程曲线的数学反演。自旋回波串的衰减是检测介质中氢原子核的数量及其分布的函数，回波幅度随测试时间的增大而减小，因而使用衰减信息确定孔隙含量和孔径分布[22-23]。简单来说，回波串初始信号幅度经过转换可以得到孔隙度，而其衰减速率能够反映孔径分布和流体类型等信息。因此，核磁共振T2谱中峰值相对较高的样品可能具有更大的孔隙度，而存在多峰或宽峰特征可能代表具有多样化的孔隙结构特征[10,14]。流体在多孔介质中的横向弛豫特征可以用以下数学方程式来表达：

式中：T2为核磁共振横向弛豫时间，ms；T2B、T2D和T2S分别为自由弛豫时间、扩散弛豫时间和表面弛豫时间，ms。

在低场核磁共振实验过程中，外加磁场是相对均匀的，T2总体上是由表面弛豫所贡献，而自由弛豫和扩散弛豫的贡献基本可以忽略[24]。因此，在不考虑孔隙流体的自由弛豫和扩散弛豫时，式（1）可以简化为：

式中：ρ2为表面弛豫率，μm/ms；S为孔隙表面积，μm2；V为孔隙体积，μm3。

由于表面弛豫机制的作用对象是岩石孔隙中的流体介质，因此，表面弛豫的强度通常与流体介质的类型、岩石基质的润湿性、岩石的孔隙结构和分布特征等相关[25]。

通过对核磁共振T2测试与相应的回波反演获取了沙河子组页岩的T2分布图（图2）。总体上，沙河子组页岩在饱和状态下的T2谱多以单峰型呈现，主峰峰值的分布范围介于0.38～1.15 ms，平均值为0.52 ms，弛豫时间较短表明整体孔隙以小孔径为主。其中，SHZ-1—SHZ-4 的主峰值相对较高（信号强度大于300），SHZ-5—SHZ-9 的主峰值相对较低（信号强度小于300），这与He孔隙度的变化特征相匹配（图1a）；次峰（弛豫时间大于1 ms）普遍不明显并且峰值较低（信号强度小于50），这可能与核磁共振噪声信号有关，表明样品内的大孔及微裂缝不发育。

图2 沙河子组页岩核磁共振T2分布Fig.2 T2 distribution of shale in Shahezi Formation

在110 ℃干燥条件下，页岩样品T2谱的主峰信号大幅下降（信号强度小于100），由于页岩样品处于过成熟阶段，有机质内部的含氢量较低[26]，并且顺磁性矿物对核磁共振测试的影响难以评估，认为主峰信号的突出可能是赋存于连通性较差的孔隙内的微量流体所贡献，此类流体属于不可动流体[25]。同时，次峰（弛豫时间大于1 ms）发生峰位偏移，但其信号幅度总体上与完全饱和状态差异不大，这表明外部流体的介入对次峰没有明显影响，因此，认为次峰的出现可能是核磁共振噪声信号造成的，而非大的孔隙或微裂缝内的流体信号所致。

2.2.1 核磁共振孔隙度

在已知岩石样品中原有含氢物质影响不大的情况下，通常同等体积样品在饱和状态下的核磁共振信号量与样品的有效孔隙度成正比，饱水量越大即有效孔隙度越高。在利用标准样品获取核磁信号大小与孔隙度的相关性曲线后，将待测样品的核磁共振测试信号带入定标曲线就能够计算对应的核磁共振孔隙度。将沙河子组页岩样品在完全饱和状态与干燥状态分别进行了核磁共振测试，发现干燥样品仍含有一定的核磁信号。根据前人研究结果[25]，这部分核磁信号主要有2个来源：①页岩中的干酪根和固体沥青等固体有机质会产生核磁信号；②页岩中存在少量呈强束缚状态的含氢流体，这部分束缚流体在110 ℃干燥条件下可能无法有效去除。研究时将干燥样品中的核磁信号作为基底信号，将饱和样品的核磁信号减去干燥样品的核磁信号后获得了扣除基底信号的孔隙度值。经计算，沙河子组页岩样品核磁共振孔隙度分布介于0.68%～3.66%（表2）。

表2 沙河子组页岩核磁共振实验参数Table 2 NMR experimental parameters of shale in Shahezi Formation

2.2.2 核磁共振孔径分布

通过核磁共振实验方法能够实现对岩石样品全孔径分布的表征[5，10，25]。由式（2）可知核磁共振T2参数与孔隙结构参数之间存在一定的相关性，而ρ2在单一样品中是既定的常数，那么在采用其他实验或数学方法获取了T2与(S/V)的转换关系后，就能将核磁共振T2谱转化为孔径分布曲线。基于前人的研究方法[5，10，25]，将式（2）变形为：

式中：r为孔隙半径（孔隙表面积与孔隙体积的比值），μm；FS为孔隙形状因子，引入该参数的意义在于区分不同形状或不同类型的孔隙。

通常认为页岩中的孔隙多为圆柱形，FS可以取2[10，25]。根据SONDDERGELD 等[27]针对页岩表面弛豫率的研究，ρ2可以取0.05 μm/ms。因此，式（3）可以进一步转化为：

利用式（4）进行沙河子组页岩样品孔径分布的计算（图3）。除了SHZ-4，其余样品的孔隙直径主要分布在1～600 nm，峰值孔径主要分布在10～200 nm，表明样品以纳米级孔隙为主。依据前人针对页岩纳米级孔隙的分类方案[28]，可以将孔隙分为：小孔（孔隙直径小于10 nm）；过渡孔（孔隙直径介于10～100 nm）；中孔（孔隙直径介于100～1 000 nm）；大孔（孔隙直径大于等于1 000 nm）。图3 可以看出页岩样品的孔隙直径主要分布在10～1 000 nm，属于过渡孔和中孔共同发育。需要注意，SHZ-4 孔径分布曲线的峰型更宽并且峰值孔径更大，表明其含有相对较多的大孔。尽管如此，SHZ-4 的孔隙仍然主要由纳米孔贡献。

图3 沙河子组页岩核磁共振孔径分布Fig.3 Pore size distribution of shale by NMR in Shahezi Formation

2.3 孔隙类型及分布特征

偏光荧光显微镜观察显示沙河子组页岩有机质类型为Ⅲ型（腐殖型），有机显微组分以镜质组为主，整体含量超过80%，同时含有极少量的惰质组和固体沥青。镜质组在反射光下多为灰色或浅灰色，具有一定细胞结构（图4a），在荧光下为黑色（图4b）；惰质组在反射光下为亮白色或黄白色（图4c）；固体沥青在反射光下呈灰色或深灰色，通常具有镶嵌状结构，且无固定形态（图4d）。由于有机显微组分具有一定的形态和结构特征，进一步结合扫描电镜观察判断不同类型有机显微组分孔隙发育情况。根据焦淑静等[29]针对页岩有机显微组分的扫描电镜形貌特征及识别方法，镜下可以观察到样品内含有大量呈颗粒状和纤维状结构的镜质体（也可能为半丝质体或丝质体）（图5a、图5b），还有呈无定形填隙状的固体沥青（图5c），这些有机质表面大多平整而光滑，几乎不发育有机孔。与此同时，页岩样品的TOC与He孔隙度没有明显相关性（图1a），说明TOC对孔隙度的贡献相对有限。

图4 沙河子组页岩有机显微组分照片Fig.4 Photomicrographs of organic macerals in Shahezi Formation

相比有机孔而言，样品内的无机孔比较发育，依据LOUCKS等[30]对页岩孔隙类型的划分，无机孔主要为粒间孔和粒内孔。粒间孔主要包括有机质—黏土矿物集合体粒间孔（图5d）、黄铁矿粒间孔（图5e）和黏土矿物层间孔（图5f、图5g），孔隙形态以角型和狭缝型为主，多分布于小粒径（一般小于2 μm）矿物颗粒的周缘，较大的颗粒更容易受到压实作用影响而不发育粒间孔。粒内孔主要包括长石和碳酸盐岩等矿物颗粒内部发育的溶蚀孔，溶蚀孔多以星点状形态密集分布，并且孔隙之间的连通性较差（图5h、图5i）。

图5 沙河子组页岩扫描电镜图片Fig.5 SEM images of shale in Shahezi Formation

分析认为，扫描电镜下可见的孔隙普遍小于1 μm，主体孔隙分布于几十至几百纳米，这与核磁共振孔径分布特征是一致的。此外，所有的样品均少见较大的粒缘孔隙和微裂缝，这与核磁共振T2曲线次峰不明显的特征相匹配。前人研究显示[22，29]，Ⅲ型有机质即使在高演化阶段其有机孔发育程度仍十分有限，导致沙河子组页岩有机孔发育较差的主要因素是有机质类型。总体上，沙河子组页岩样品的孔隙类型以纳米尺度的无机孔为主，有机孔普遍不发育。

2.4 气测法孔隙度与核磁共振孔隙度的差异

对于常规储层样品，由于孔隙度较高并且孔隙结构相对简单，其核磁共振孔隙度与气测法孔隙度往往相差不大[6]。但对于致密程度较高的页岩样品，可能存在多种因素导致核磁共振孔隙度与气测法孔隙不能较好的匹配，例如：顺磁性矿物（富含Fe3+，Mn2+等）、闭孔内的流体和难以挥发的黏土束缚流体、有机质、微裂缝的发育以及核磁共振噪声信号等[5，31]，这些客观因素是核磁共振实验过程中需要注意的。

如图6所示，沙河子组页岩样品在未扣除基底信号时计算的核磁共振孔隙度均高于He 孔隙度，但在扣除基底信号后，核磁共振孔隙度与He 孔隙度的匹配度较好（图6a），二者的相关性趋势线与孔隙度中值线近乎平行。上述实验结果表明，在利用核磁共振技术评价页岩孔隙度时，需要扣除样品在干燥状态下的核磁基底信号。

图6 气测法孔隙度与核磁共振孔隙度的相关性Fig.6 Correlation between gas logging porosity and NMR porosity

核磁基底信号主要来源于页岩中的残留有机质和黏土矿物束缚水。已有研究显示，页岩孔隙内的自由水和一般性束缚水在80 ℃干燥环境中会快速蒸发，但去除黏土矿物束缚水可能需要加热至200 ℃以上[17]。因此，页岩在干燥状态下仍可能含有一定的黏土矿物束缚水。由于页岩样品本身的有效孔隙度较低，基底信号的影响是不可忽视的。对于孔隙度越低的样品，核磁共振孔隙度与He 孔隙度的相对误差越大（图6b），这表明孔隙度较小的样品更容易受岩石基质背景信号影响而造成两种测试方法的相对误差。综上所述，核磁共振技术对研究低孔渗页岩样品的有效孔隙度具有较好的适用性，但需要对样品的核磁基底信号进行有效评估，以提高核磁共振分析结果的准确性。