玛湖凹陷二叠系风城组页岩油储层微观孔隙结构精细表征

2023-02-22邵广辉高衍武蔺敬旗吴伟杨帆肖华王先虎彭宇曾蕊

长江大学学报(自科版) 2023年1期

邵广辉，高衍武，蔺敬旗，吴伟，杨帆，肖华，王先虎，彭宇，曾蕊

1.中国石油集团测井有限公司地质研究院，陕西西安 710000 2.中国石油集团测井有限公司新疆分公司，新疆克拉玛依 834000 3.中国石油集团测井有限公司制造公司，陕西西安 710000 4.中国石油集团测井有限公司长庆分公司，陕西西安 710000

近年来，玛湖凹陷二叠系风城组页岩油作为准噶尔盆地重要的非常规接替资源，已成为勘探开发的热点。已有研究成果表明[1-4]，研究区储层微观孔隙结构复杂，微米、纳米级孔隙均有发育，孔径分布范围广，页岩油储层物性及可动油丰度受孔隙结构影响大。

对于页岩油储层孔隙结构评价，前人通常运用低温氮气吸附、核磁共振及高压压汞等方法进行孔隙结构特征分析，利用单一实验或多种实验结果单独分析页岩油储层孔隙结构特征。但受实验原理的影响，每种实验所得出的孔隙结构特征在表征上各有利弊[5-7]，单一实验方法往往只能体现储层一部分孔隙结构特征，无法全面表征页岩油储层孔隙结构及其分布范围，对于原油赋存状态多样的页岩油储层，各类孔隙都存在原油的分布，只评价小孔或大孔的孔隙结构不足以满足储层吸附油和游离油丰度的评价，对试油及勘探开发造成不确定性。准确表征微观孔隙结构是进行页岩油储层含油性评价的关键。为此，笔者以玛湖凹陷二叠系风城组页岩油储层为例，以实验方法原理为基础，逐一分析实验结果并判断其在页岩孔隙结构表征方面上的优缺点，最终优选实验结果开展多方法孔隙结构联合表征，以期建立页岩油全孔径精细表征方法，为正确认识储层孔隙结构特征及后期页岩油资源的开发提供依据。

1 样品的基本特征

为了增加不同测试结果的对比性，将同一深度点上的页岩样品切分成平行样，分别开展矿物成分、地化特征和气测孔隙度测试，结果如表1所示。由表1可知，页岩样品总有机碳(TOC)含量分布范围为0.39%～1.07%，氦气孔隙度分布范围为2.61%～5.92%。矿物成分以石英与白云石为主，长石含量次之，部分样品发育填充堵塞孔隙的方解石，黏土平均含量为6.79%，其他矿物成分含量较少。石英对储层孔隙有一定的支撑作用，长石和白云石易发生溶蚀形成次生孔隙，三者整体含量高的样本，其孔隙发育情况要优于其他样品。

表1 页岩样品基本信息

2 实验结果

2.1 扫描电镜

利用Crossbeam550型扫描电镜仪器对岩样进行抽提清洗，在样品表面上用细聚焦电子束由点到行进行扫描，最终利用探测器对图像进行放大处理，通过不同放大倍数下的观察，从而对微米级、亚微米级和纳米级孔隙进行观察和分析。

图像分析结果显示，研究区页岩样品的孔隙分为有机孔和无机孔两大类。有机孔是页岩有机组分在生烃过程中在有机质内部或边缘所产生的孔隙，是页岩油储层重要的孔隙类型。如图1所示，通过不同倍数观测到有机孔形态多样，多以近圆形和椭圆形为主，局部发育狭长型和不规则状有机质孔。研究区页岩热演化程度偏低，并不发育蜂窝状密集分布的有机质孔隙，多为孤立的形式分布在有机质中，孔径以纳米级和亚微米级孔隙为主，少数狭长型有机孔可达到微米级。

图1 页岩样品有机孔形态特征Fig.1 Morphological characteristics of organic pores in shale samples

无机孔主要发育粒间孔、粒内孔、黏土层间孔(见图2)。在长石、石英等矿物颗粒之间或与有机质的交接边缘处通常发育粒间孔，以近卵形、三角形或不规则状为主，多数孔径可达到数十至百纳米，普遍具有较好的孔隙连通性，是页岩储层主要的渗流通道。粒内孔发育在矿物颗粒的内部，多数以点状分布，尺寸较小。黏土层间孔是黏土矿物之间的孔隙，一般呈狭缝状，定向平行分布，长度可达5μm。由于岩石在生长过程中矿物晶体堆积疏松，造成岩样局部在黄铁矿、黏土等矿物晶体之间发育少量晶间孔[8]。其次，由于成岩过程中的压实、脱水收缩和重结晶作用，在无机矿物基质中发育微裂缝[9]，具有一定的延展性，缝宽在50～580μm范围内，局部微裂缝连接形成缝网，这种缝网在页岩油运移的过程中起到了改善渗流环境的突出作用。最后，长石与白云石均有溶蚀作用，对储层起到增孔的作用，其中长石是溶蚀主体，白云石次之。

图2 页岩样品无机孔形态特征Fig.2 Morphological characteristics of inorganic pores in shale samples

2.2 核磁共振

根据核磁共振原理，在均匀的静磁场中，岩样饱和流体时的氢质子由于静磁场发生极化而产生磁矢量。同时，氢质子被频率脉冲激发，产生核磁共振现象。在去除频率脉冲后，可以得到幅度随时间衰减的信号[10]。由于储层孔隙中流体的氢质子与孔径大小呈正相关性，实验得出的横向弛豫时间(T2)谱图能够展现出储层孔隙的分布特征。T2越短，孔隙体积越小，反之孔隙体积越大[11,12]。对研究区页岩样品进行长时间的彻底洗油并烘干，将页岩样品模拟饱和原始地层矿化度的水，利用MacroMR12-50H-1核磁共振分析仪最终得到饱和水页岩样品的T2谱。

研究区页岩样品T2谱可以分为两种典型类型：1类和2类(见图3)。两种类型均为双峰特征，说明样品至少发育两种孔隙类型，T2谱图的左侧峰为微小孔特征峰，右侧峰为中大孔特征峰。1类样品谱峰的位置在0.1～5ms之间，谱峰靠左，说明该类样品微小孔发育较好，中大孔少量发育；2类样品谱峰的位置在1～100ms之间，说明微小孔隙不发育，黏土及毛细管束缚水含量少，该样品以发育中大孔为主。结合全岩矿物、扫描电镜及地化实验分析，1类样品T2谱整体黏土及有机质含量较高，发育多种孔隙类型，孔隙结构复杂，有机孔占其样品孔隙类型的主导位置；2类样品T2谱则以无机孔为主，主要发育剩余粒间孔及溶蚀孔，中大孔隙发育，整体物性优于1类样品，但生油能力较弱。

2.3 高压压汞

利用PoreMaster-PM33-13型压汞仪，设置163MPa为实验最高压力，测量研究区页岩样品的进汞和退汞曲线。利用进汞、退汞曲线，结合Washburn理论[13]，可计算出样品的孔喉大小、孔径分布及连通性等参数。

图4 页岩样品压汞曲线特征Fig.4 Characteristics of mercury injection curve of shale samples

研究区页岩样品整体排驱压力大，平台段斜率大，进汞退汞效率低(见图4)。进汞饱和度平均为38.5%，进汞饱和度与压力呈线性关系，平台段斜率大，分选较差，退汞曲线随着压力下降，退汞饱和度并没有匹配的变化趋势；当压力下降至极低时，样品退汞才出现下降趋势，最终退汞效率较低表明页岩样品的孔隙中仍滞留了大量残留汞。上述进汞和退汞曲线的特征共同表明了研究区页岩样品主要以较小的孔隙网络为主，整体喉道细小，大部分孔隙不连通，孤立孔占比大，这种结构不利于孔隙内部流体的运移，整体属于微孔细喉储层。由于页岩样品整体进汞饱和度过低，压汞曲线反映的并不是真实的孔隙结构，只能用来定性分析判断储层孔隙结构的特征。

2.4 低温氮气吸附

首先选取洗油前后的残余样品，粉碎为60～70目，碎样分别在60、100℃下抽真空至压力为30mmHg，再分别通过100、300℃环境下烘干24h，将样品中过剩水分和杂质气体进行去除，通过低温氮吸附设备ASAP2420在临界温度下测量氮气的吸附量和脱附量，最终得到洗油前后的低温氮气吸附、脱附曲线及样品孔径分布等实验数据。

图6为洗油前后孔体积变化率与孔径关系曲线，可以发现，样品洗油后具有更大的孔体积，且在TOC和黏土较为发育的样品中更为明显，表明样品发育大量微孔，同时也反映出有机质对页岩微孔的发育具有主要贡献，洗油后释放的孔隙原先可能被油/沥青所占据，导致洗油前后孔体积变化明显。

图5 低温氮气等温吸附-脱附曲线图6 孔体积变化率与孔径的关系曲线Fig.5 Isothermal adsorption-desorption curve Fig.6 The relation curve between change rate of of cryogenic nitrogen pore volume and pore diameter

2.5 实验结果分析

某种程度上，孔隙度的大小是孔隙结构差异的定量表现形式。为了精细描述扫描电镜、核磁共振、高压压汞、低温氮气吸附4种实验手段评价页岩油孔隙结构的差异性，对其孔隙度测量值进行深入分析。氦气是惰性气体，常温下在岩石中不发生吸附现象，分子较小，能够进入大部分孔隙中，测量结果与真实值最为接近。本次研究选用氦气孔隙度近似作为岩样真实孔隙度。各实验获取孔隙度结果如表2所示。

1)扫描电镜实验显示，研究区页岩油储层实际孔径分布范围从纳米级到微米级，但扫描电镜受视域影响，无法在同一视域下兼顾大小尺度孔隙，更偏向定性认识。

2)由表2可知，核磁孔隙度平均值是氦气孔隙度平均值的近82%，约18%的孔隙度没有被探测，其原因一方面是核磁实验受取样时间及地层压力释放的影响，孤立孔隙中的流体发生逸散；另一方面水分子要大于氦气分子，导致核磁样品的微小孔隙难以完全饱和水，减少了样品孔隙度的测量值。

表2 不同实验方法孔隙度测量结果

3)对于高压压汞实验，由于页岩样品整体孔隙体积较小，孤立孔发育，孔隙连通性差，排驱压力大，并且压汞实验受仪器最大压力的影响，无法将样品的孔隙完全冲注。因此，汞只进入了一部分连通性相对较好的孔隙中，导致压汞实验测量孔隙度与氦气法测量偏差较大，与氦气孔隙度相比近59%的孔隙度被严重低估，其结果不能完全反映微小孔发育样品的孔隙特征。

4)低温氮气吸附实验的测量原理对于检测纳米级孔隙以及孤立不连通孔隙更加具有优势，能更好地反映微小孔隙的结构特征，但其对大孔隙反映不够灵敏，液氮孔隙度平均值只占氦气孔隙度平均值的57%。

综上分析认为，采用单一的传统实验手段不能够充分表征页岩油储层的孔隙结构，储层物性的定量评价误差较大。

3 孔隙特征多尺度联合表征

为了从整体上展现页岩油储层的孔隙特征，首先利用核磁共振T2谱与低温氮气吸附实验的相关性，采用线性方式转换[15-17]，得出核磁共振实验的孔径分布曲线。图7为编号19CJ1-33、19CJ1-14的样品不同实验方法得出的孔径分布曲线，可以发现，低温氮气吸附在表征孔径小于10nm的孔隙特征时，能更精细地显示微小孔径的变化，而核磁共振和高压压汞在表征中、大孔隙时效果明显；在10～100nm的区间内，随着孔隙变小，高压压汞孔径分布逐渐偏离核磁共振，且孔径越小分布差异越大，这因为高压压汞实验主要针对连通孔喉发育的样品，测量的孔隙度及孔径分布图主要反映的是大孔部分，而对于孤立孔发育、孔喉配比差、以窄颈孔隙为主的页岩样品，高压压汞测量结果低于真实孔隙度，所以中大孔采用核磁共振实验结果表征。

图7 页岩样品不同实验方法测量孔径分布图Fig.7 Pore size distribution of shale samples measured by different experimental methods

表3 多尺度孔隙度计算结果

综上分析，利用低温氮气吸附和核磁共振的孔径分布曲线拼接拟合，可以实现页岩油储层孔隙的多尺度表征，其多尺度孔隙度如表3所示，实验样品的全孔径精细表征图如图8所示。

图8 页岩样品全孔径精细表征图Fig.8 Fine characterization of full pore size of shale samples

在拟合过程中分段求取液氮孔隙度和核磁孔隙度，再依据低温氮气吸附和核磁共振两种实验孔径分布曲线的拼接位置将孔隙度进行累加，得到实验样品整体的孔隙度大小，即全尺度孔隙度，其值与氦气孔隙度基本符合(见表2、表3)，表明拼接后的孔径分布曲线代表了页岩油储层整体的孔隙分布。分析图8发现，研究区页岩油储层孔径分布具有以下2个特征：①孔径分布范围广，可横跨3～5个数量级，除个别大孔较发育的样品，孔径大于100nm的孔隙占总体的20%，60%的孔隙孔径在10～30nm之间，说明页岩样品的孔隙主要以小孔及微孔为主，这与页岩样品粒度细、成熟度高，在成岩过程中普遍经历强烈压实的减孔作用有关[18,19]；②在孔径小于30nm范围内，黏土的TOC含量越高，孔径的主峰位置越靠左，表明有机孔主要集中在小于30nm孔径的孔隙中，有机孔在页岩的储集空间中占有特殊的一部分。