含油气致密储层纳米级孔喉特征及意义

杨 智，邹才能，吴松涛，陶士振，侯连华，朱如凯，袁选俊

中国石油勘探开发研究院，北京 100083

【环境与能源 / Environment and Energy】

含油气致密储层纳米级孔喉特征及意义

杨 智，邹才能，吴松涛，陶士振，侯连华，朱如凯，袁选俊

中国石油勘探开发研究院，北京 100083

从毫-微米级孔喉圈闭油气，向微-纳米级孔喉连续型油气延伸，是油气储层地质研究的趋势，加强对非常规油气储层微观表征研究意义重大．应用场发射扫描电镜和纳米计算机断层扫描重构等先进技术，在含油气致密泥页岩、砂岩和灰岩储层中发现孔径小于1 μm的纳米级孔喉系统普遍发育．研究发现，在非常规源储共生层系油气储层内，纳米级孔喉是储集空间的主体，占储集空间总体积的70%～80%，微米到毫米级孔隙、裂缝等储集空间仅局部发育．非常规油气致密储层主体孔径为20～500 nm，其中页岩气储层孔径为5～200 nm，页岩油储层孔径为30～400 nm，致密灰岩油储层孔径为40～500 nm，致密砂岩油储层孔径为50～900 nm，致密砂岩气储层孔径为40～700 nm．油气水在纳米级孔喉系统中，渗流能力差，油气被滞留吸附，在源储共生层系中大面积连续分布，泥页岩烃源层中可能滞留了占总生烃量30%～40%的油气资源，近源致密砂岩、灰岩等储层中可能聚集了20%～30%的油气资源，纳米级孔喉储集空间中很可能聚集了超乎想象的巨量油气资源．非常规致密储层中纳米级孔喉系统的发现，改变了对油气储层微观孔隙空间的传统认识，对认识非常规源储共生层系油气连续聚集的地质特征，拓展资源潜力有重要战略价值．

纳米级孔喉；致密储层；致密油；致密气；页岩油；页岩气；连续型油气聚集

石油地质学的发展和全球油气勘探目标的转移，具有从毫-微米孔喉的圈闭油气，逐渐向微-纳米孔喉的连续型油气聚集发展的趋势[1-2]．根据油气赋存储层的孔径大小，可将油气聚集分为毫米孔油气(孔径大于1 mm)、微米孔油气(孔径1 mm～1 μm)和纳米孔喉油气(孔径小于1 μm)．其中，毫-微米孔油气包括构造圈闭、岩性地层圈闭和碳酸盐岩缝洞等常规油气，也包括浅层生物气、天然气水合物、重油和沥青砂等非常规油气，纳米孔喉油气主要为非常规油气，包括页岩油气、致密油气和油页岩等源储共生型油气聚集．

非常规油气资源在全球能源结构中具有重要的战略地位，其中，源储共生型油气聚集，是未来非常规油气储产量增长的主体．从常规油气向非常规油气的勘探转变，突破了常规储层物性下限与传统圈闭找油的理念，本质上是储集油气的储层发生了改变[2-5]．源储共生型油气分布于大面积连片的储集体系内，纳米级孔喉广泛发育(主要是10～500 nm的孔喉)，起着沟通和连接的决定性作用，兼具生、储、盖等多项功能，控制着油气连续性聚集和分布，这些都明显不同于传统油气成藏．因此，纳米级孔喉系统表征、油气聚集机制、储量下限及规模的研究，对认识源储共生型油气聚集具有重要意义[2-13]．本研究以中国鄂尔多斯盆地和四川盆地页岩气、页岩油和致密灰岩油、致密砂岩油、致密砂岩气为例，详细描述了源储共生型油气致密储层纳米级孔隙的特征，比较了常规与非常规油气地质特征，提出了纳米孔喉油气的概念，并进一步分析了不同类型油气的聚集机制，探讨了源储共生型油气的理论物性下限和理论储量规模．

1 源储共生型油气储层的纳米级孔隙特征

利用场发射扫描电镜技术和纳米计算机断层扫描(computed tomography， CT)技术， 在对鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩油与生油岩、鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气、四川盆地侏罗系致密砂岩油与灰岩油和四川盆地下古生界海相含气页岩等储层研究中，观察到孔径小于1 μm的纳米级孔隙新类型，储层主体孔径范围为20～500 nm，其中，页岩气储层孔径范围为5～200 nm，页岩油储层孔径范围为30～400 nm，致密灰岩油储层孔径范围为40～500 nm，致密砂岩油储层孔径范围为50～900 nm，致密砂岩孔径范围为40～700 nm(表1)．

1.1 页岩气

页岩气是指产于页岩地层中的天然气．2014年美国页岩气年产量达到3.637×1011m3，约占总产量的50%． 中国页岩气起步较晚， 目前以南方海相页岩为重点，2014年页岩气年产量达到1.3×109m3．

表1 中国典型盆地页岩油气、致密油气储层纳米级孔隙基本特征Table 1 Characteristics of nano-sized pore reservoir for shale oil & gas and tight oil & gas in Chinese basins

本次分析样品取自威201井、长芯1井的寒武系和志留系海相页岩气储层，利用场发扫描电子显微镜发现了丰富的纳米级孔隙．页岩气储层纳米级孔隙分为有机质内孔、颗粒内孔、自生矿物晶间孔及微裂缝等(图1)．有机质内孔分布于有机质内部或与黄铁矿颗粒吸附的有机质中，孔隙直径介于5～900 nm，主体在150 nm左右，呈规则凹坑近球状密集分布，是页岩中由于有机质演化形成的纳米级孔隙类型；颗粒内孔主要包括长石溶蚀和绿泥石等黏土矿物溶蚀形成的纳米级孔隙，呈三角形、长条状或片状，孔径范围60～500 nm；在有机质内部还发现了微裂缝，呈明显的锯齿弯曲状，缝宽约300 nm，延伸长度十几微米．统计结果发现，页岩的有机质内孔可占有机质颗粒面积的20%以上，可增加面孔率4%～7%，对页岩储层孔隙度的贡献达12%～30%[3]，是页岩气储层最重要的储集空间．

图1 四川盆地下古生界页岩气储层典型微观照片[14]Fig.1 Microphotographs of Lower Paleozoic shale gas reservoir in Sichuan basin[14]

1.2页岩油

页岩油是指成熟烃源岩已生成并滞留在页岩地层中的石油聚集，页岩既是生油岩，又是储集岩，石油基本未运移，属原地滞留石油资源．

本次分析样品取自四川盆地川中地区侏罗系样品主要选自大安寨段页岩，利用场发扫描电子显微镜观察到丰富的纳米级孔隙．页岩油储层纳米级孔隙分为有机质孔、黏土矿物基质孔和颗粒粒内孔等(图2)，页岩油储层主体孔径范围为30～400 nm．

四川盆地川中侏罗系大安寨段页岩，有机质孔沿有机质与基质边缘发育，白云石粒内孔则呈多种形态，还包括黄铁矿晶间有机质孔、石膏晶间孔和伊蒙混层基质孔等(图2)．

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段页岩样品中，有机质孔呈长条形，主要分布于有机质颗粒边缘，孔径30～200 nm，黏土矿物基质孔主要为片状绿泥石基质孔，呈长条形、弯片状展布(图3)．

图2 四川盆地侏罗系页岩油储层典型微观照片Fig.2 Microphotographs of Jurassic shale oil reservoir in Sichuan basin

图3 鄂尔多斯盆地中生界页岩油储层典型微观照片Fig.3 Microphotographs of Mesozoic shale oil reservoir in Ordos basin

1.3 致密油

致密油是指储集在覆压基质渗透率小于或等于0.1×10-3μm2(空气渗透率小于1×10-3μm2)的致密砂岩、致密碳酸盐岩和混积岩等储集层中的石油．北美典型的致密油有威利斯顿盆地Bakken、德克萨斯南部的Eagle Ford 等，产层是与生油岩互层的致密灰岩、云质粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，孔隙度2%～12%，渗透率0.01×10-3～0.1 ×10-3μm2．中国也具有形成致密油的地质条件，目前已在鄂尔多斯盆地华庆地区延长组、四川盆地公山16井、龙岗9井的侏罗系获得工业性发现，松辽盆地青山口组致密油也有良好资源前景．本文重点研究鄂尔多斯盆地三叠系延长组和四川盆地川中侏罗系致密油储层．

图4 四川盆地侏罗系致密灰岩油储层典型微观照片Fig.4 Microphotographs of Jurassic tight limestone oil reservoir in Sichuan basin

四川盆地川中侏罗系样品主要选自大安寨段介壳灰岩和凉高山组砂岩，鄂尔多斯延长组样品主要选自上三叠统延长组6段和长8段致密砂岩，进行高精度场发射扫描电子显微镜分析(图4和图5)．实验中观察到多种类型的纳米级孔隙，主要包括杂基及颗粒内微孔、自生矿物晶间孔及微裂缝等，致密灰岩油储层主体孔径在40～500 nm，致密砂岩油储层主体孔径在50～900 nm．颗粒内孔主要为长石溶蚀和黏土矿物溶蚀、石英溶蚀形成的纳米级孔隙，长石颗粒边缘溶蚀微孔呈三角形或近圆形，凹凸不平，孔径25～200 nm；黏土矿物纳米孔喉为片状矿物之间的孔隙，以绿泥石和伊利石为主，孔径100～500 nm，连通性较好；石英颗粒纳米孔喉为表面刻蚀坑，形态不规则，以长条形为主，孔径200～500 nm．自生矿物晶间孔包括片状高岭石晶间孔及柱状钠长石晶间孔，片状高岭石叠加生长形成的晶间孔径最大可达250 nm，柱状钠长石晶簇叠加生长，单晶之间的晶间孔径约20 nm．

图5 鄂尔多斯盆地中生界致密砂岩油储层典型微观照片Fig.5 Microphotographs of Mesozoic tight sandstone oil reservoir in Ordos basin

1.4 致密气

致密气主要指致密砂岩中储存的天然气，一般地下渗透率<0.1 ×10-3μm2．中国致密气勘探已获得重要发现，形成了鄂尔多斯盆地苏里格和四川盆地川中须家河组两个大型致密气区，此外，塔里木库车克深2井白垩系、吐哈山前带侏罗系、松辽南部登娄库组及渤海湾深层沙三段等致密气勘探均获得新发现，是最现实的非常规天然气资源．

本次致密砂岩气储层样品分别取自四川盆地上三叠统须家河组致密砂岩气储层、鄂尔多斯盆地苏里格气田下二叠统下石盒子组8段和山西组1段致密砂岩气储层．应用场发射扫描和纳米CT技术进行实验分析，同样观察到丰富的纳米级孔隙(图6)．通过实验观察，发现纳米级孔隙也主要包括颗粒内微孔、自生矿物晶间孔及微裂缝等3种类型，致密砂岩气储层主体孔径在40～700 nm．石英粒间孔径50～250 nm，伊利石层间缝孔喉直径50～400 nm．应用纳米CT进行三维扫描重构数据计算表明，常规孔隙仅占总孔隙的15%左右，这部分资源利用常规技术即可有效开发，而剩余总孔隙的50%～60%主要是纳米级孔隙，这部分资源需要通过非常规勘探开发技术开发利用．

图6 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气储层 典型微观照片Fig.6 Microphotographs of Upper Paleozoic tight sandstone gas reservoir in Ordos basin

2 讨 论

2.1 常规与非常规油气特征比较

图7 世界大油气田及中国主要油气田物性分布Fig.7 (Color online) Porosity & permeability distribution of giant oil & gas fields in China and other areas in the world

一般地，常规油气局部富集，非常规油气连续聚集．常规圈闭油气与非常规储层油气在储层特征、源储配置、成藏特征、渗流机理、分布和聚集等特征方面存在明显差别，见图7和表2．常规油气主要表现为：油气从烃源岩生成和排出后，经浮力驱动发生二次运移，并在构造、岩性地层圈闭中聚集形成油气藏．非常规油气.重点包括连续型油气聚集，主要是滞留在烃源岩内，或经一次运移或近源岩经短距离二次运移，在盆地中心、斜坡等大面积非常规储层中连续或准连续分布的油气聚集，

无明确圈闭与盖层界限，流体分异差，无统一油气水界面和压力系统，含油气饱和度差异大，油气水常多相共存．

2.2 纳米孔喉油气概念及特征

纳米孔喉油气是指聚集在纳米级储集空间中的油气，一般储层孔隙小于1 μm，局部发育微米-毫米级孔隙，主要包括页岩油气和致密油气等，常规技术难开采．

纳米孔喉油气的主要特征是：① 源储共生，致密储集层与油气连续分布；② 源内滞留或短距离运移；③ 以扩散作用、分子作用等为主，非浮力聚集；④ 一般单井无自然工业产能，需开发纳米油气新技术．

2.3 油气聚集机制

储集空间大小的序列分布决定了烃类资源的形成机制和聚集类型(图8)．天然气中主要成分甲烷分子直径为0.38 nm，轻质原油分子为0.6～0.9 nm，原油组分中最大沥青质分子直径为4 nm，它们的分子直径远比我们想象的要小．在毫米级(孔喉直径大于1 mm)及以上孔隙中，流体可自由流动，形成“管流”，服从静水力学规律；在微米级(孔喉直径1 mm～1 μm)孔隙中，毛细管阻力限制流体自由流动，形成“渗流”，服从达西渗流规律．毫-微米孔喉直径的常规储层中，油气运移遵循阿基米德定律，浮力为主要运移动力，油气水可分异，呈游离态，渗流能力强，可形成统一的流体压力系统，油气局部富集，呈单体型聚集于构造高点，或集群型聚集于岩性、地层圈闭中．在纳米级(孔喉直径小于1 μm)孔喉中，流体与周围介质之间存在巨大的黏滞力和分子作用力，一般条件下，流体不能自由流动，形成“滞留”，生烃型超压和扩散作用为主要动力，油气在盆地中心、斜坡等大面积非常规储集层中准连续或连续分布，无明显圈闭与盖层界限，流体分异差，无统一油气水界面和压力系统，含油气饱和度差异大．油气在非常规致密储层“纳米级”狭窄孔喉中聚集，储集空间有限，存在一个油气自由移动的门槛空间．经大量实验和计算发现：对于近源致密砂岩储层，剔除束缚水膜占据的空间约40 nm，再考虑到分子力吸附、压力吸附等可能固定赋存约10 nm厚的烃气分子，致密砂岩储气空间直径下限约为50 nm；对于源岩层系泥页岩储层，主要考虑分子力吸附等作用，在孔壁非常接近情况下，泥页岩储气空间直径下限约为2～5 nm．从小于5 nm到单烃气分子大小的储集空间尺度范围，仍是烃类资源大量储集的空间，包括致密油气、页岩油气、煤层气、浅层生物气和天然气水合物等都有大量储集，考虑到经济动用，很可能只有天然气水合物具有经济价值．这种由氢键水笼体叠置形成的晶体化合物，随着认识程度和技术水平的深入，将很快成为现实能源．

表2 常规油气与非常规油气特征比较Table 2 Comparison of characteristics of conventional and unconventional oil & gas

图8 烃类储集空间序列及形成机制[15]Fig.8 (Color online) Hydrocarbon reservoir space sequence and hydrocarbon formation mechanism[15]

2.4 致密砂岩油气物性下限探讨

在致密砂岩气和页岩气储层中，纳米级孔喉占据总体孔喉主体，它决定了其低孔-超低渗的物性及特殊的成藏机理．对应小于1 μm的纳米级孔喉储集空间，油气在其中的赋存状态及最终可动用程度，是油气勘探生产最为关注的问题，临界孔喉半径的研究非常重要． 在中国已探明致密油气储量中， 还有1/3～1/5的纳米孔喉滞留的理论储量没有计算在内，以鄂尔多斯盆地致密砂岩气为例说明．

鄂尔多斯盆地苏里格上古生界致密砂岩大气区储层孔喉半径普遍较小，半径<100 nm的孔喉约占总体孔喉的52.1%，半径介于100～1 000 nm之间的孔喉约占总体孔喉的34.5%，两者相加，纳米级孔喉占总体孔喉的85.0%以上，可见纳米级孔喉是苏里格大气区致密砂岩的主要储集空间(图9)．根据甲烷分子直径和束缚水膜厚度两个关键参数，计算苏里格致密气储层临界孔隙直径在60 nm左右，对应的渗透率约为0.03 ×10-3μm2(图9和图10)．苏里格气田目前提交探明储量物性下限为孔隙度5%、渗透率0.10 ×10-3μm2．按照理论物性下限孔隙度3.0%、渗透率0.03 ×10-3μm2计算，由于纳米级孔隙的贡献，苏里格气田理论上可以新增探明地质储量1.1×1012m3，储量规模将由目前2.8×1012m3扩大到3.9×1012m3．因此，纳米级孔隙的发现将大大提升我国致密油的资源潜力和利用价值．

图9 苏里格大气区致密储层储集空间、 束缚水膜厚度及分子大小比较Fig.9 (Color online) Comparison of reservoir space, irreducible water film thickness and molecular size for tight reservoir of Sulige gas field in Ordos basin

图10 卾尔多斯盆地苏里格上古生界致密砂岩 气储层物性下限推导模式图(据文献[16]，有修改)Fig.10 (Color online) Reservoir space cutoff model for tight reservoir in Sulige gas field in Ordos basin (by Ref.[16], revised)

3 非常规油气储层纳米孔喉发现的意义

本次研究在源储共生型油气储层中发现大量纳米级孔隙，证实页岩、致密灰岩和致密砂岩等非常规致密储层中纳米级孔喉非常发育，并不缺乏储集空间，这一认识对研究非常规油气聚集机理和资源潜力评价具有重要意义．

1)揭示大面积分布的源储共生型油气是勘探开发重大新领域．纳米孔喉作为非常规储层的主要孔隙类型，为页岩油气和致密油气等提供了重要储集空间，证实非常规油气潜力超出预期．这一新发现突破了资源的禁区，增加了资源类型与资源量．

2)揭示纳米孔喉决定源储共生型油气滞留聚集机理和连续型分布特征．从薄片上观察，纳米孔喉看似独立分布，实际上在立体空间构成连续的微孔分布，这些微孔在生排烃阶段是主要的排出运移通道，生排烃结束后又成为油气滞留空间．按照逐级满足的规则，这些微孔一般蕴藏丰富而充满度很高的油气，而且一般不含水．非常规油气成藏由于巨大的分子作用力，浮力在非常规储层难以发挥作用，流体具有非达西渗流特点，具有特殊的非浮力驱动成藏机理，油气分布不受构造圈闭或岩性圈闭控制，大面积连续成藏，突破了传统油气地质理论，突破了常规储层下限和传统圈闭成藏，证实了纳米级储层也能聚集工业化油气．

3)源储共生型油气储层中纳米级孔隙的发现带来了油气工业技术的革命性需求．通过采取水平井等大规模体积压裂，形成地下缝网体系，可以实现非常规油气的工业化开采，带动了油气勘探开发技术的升级换代和快速发展．

结 语

源储共生型油气聚集是未来非常规油气储产量增长的主体，其储层内纳米级孔喉广泛发育，如中国鄂尔多斯盆地和四川盆地源储共生型油气储层，储层主体孔径为20～500 nm．

油气储层孔喉尺寸分布的不同序列，是常规油气与非常规油气的最本质区别，提出了纳米孔喉油气的概念，泥页岩烃源层中可能滞留了30%～40%的生成油气资源，近源致密砂岩、灰岩等储层中可能聚集了20%～30%的油气资源，纳米级孔喉储集空间中很可能聚集了超乎想象的巨量油气资源．在中国已探明致密油气储量中，还有1/3～1/5的纳米孔喉滞留的理论储量没有计算在内，如目前鄂尔多斯盆地苏里格上古生界致密砂岩气已发现的近3×1012m3工业储量，实际具备4×1012m3理论储量的规模．

中国非常规源储共生型致密储层纳米级孔喉系统的发现，改变了毫-微米级孔隙是油气储层唯一微观孔隙的传统认识，开辟出源储共生型油气聚集成为新领域，增加了资源类型与资源潜力，带来了油气工业技术革命性需求，延长了石油工业的生命周期，将带动整个石油工业技术的升级换代和快速发展，对推动非常规油气勘探开发，保障国家能源安全具有重大意义．

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【中文责编：晨 兮；英文责编：子 兰】

2015-02-11；Accepted：2015-04-27

Characteristics of nano-sized pore-throat in unconventional tight reservoir rocks and its scientific value

Yang Zhi, Zou Caineng†, Wu Songtao, Tao Shizhen,

Hou Lianhua, Zhu Rukai, and Yuan Xuanjun PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, P.R.China

Petroleum geologists are expanding their perspective from conventional traps to unconventional continuous reservoirs, and characterization study for unconventional tight reservoir in micro-meter and nano-meter scale is becoming more and more important. Based on the field emission scanning electron microscope (SEM) and the nano-CT reconfiguration technique, we verify the nano-pore-throat system in tight sandstone, shale and limestone with size less than one micron. Systematic studies show that nano-scale pore-throat system develops extensively in rocks of unconventional reservoirs serving as both source and reservoir rock. The nano-scale pores provide the main storage space accounting for 70%-80% of the total, and millimeter-pores, micro-pores and micro-fractures develop much less. Pore diameter of the unconventional tight reservoir rock is mainly 20-500 nm, in which 5-200 nm for that of the shale gas reservoir and 30-400 nm for that of the shale oil reservoir, the pore size of the tight limestone oil reservoir is 40-500 nm, pore size of the tight sandstone oil reservoir is 50-900 nm, and pore size of the tight sandstone gas reservoir is 40-700 nm. Oil, gas and water existing within the nano-pore-throat system are difficult to flow or separate. Oil and gas are caught or adsorbed and distributed extensively in the symbiotic layer of source and reservoir rocks. Petroleum resources caught in shales account for 30%-40% of the total generated, and those in tight sandstone and limestone adjacent to source rock account for 20%-30% of the total. Consequently, unimaginable amounts of oil and gas resources may be accumulated in the nano-scale pore-throat space in unconventional reservoirs. The discovery of nano-scale pore system within unconventional tight reservoirs has changed the traditional understanding of the micro space fabric of reservoir rocks. This provides the significant scientific value on further understanding the geological characteristics of continuous petroleum accumulation in unconventional reservoirs, and increasing more valuable resources of unconventional reservoirs in future.

nano-sized pore-throat; tight reservoir; tight oil; tight gas; shale oil; shale gas; continuous hydrocarbon accumulation

： Yang Zhi, Zou Caineng, Wu Songtao, et al. Characteristics of nano-sized pore-throat in unconventional tight reservoir rocks and its scientific value[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2015, 32(3): 257-265.(in Chinese)

TE 311

A

10.3724/SP.J.1249.2015.03257

国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB239000)；国家科技重大专项资助项目(2011ZX05001)

杨 智(1980—)，男(汉族)，中国石油勘探开发研究院高级工程师、博士. E-mail: yangzhi2009@petrochina.com.cn

Foundation：National Basic Research Program of China (2014CB239000); National Science and Technology Major Project (2011ZX05001)

† Corresponding author：Professor Zou Caineng. E-mail: zcn@petrochina.com.cn

引 文：杨 智，邹才能，吴松涛，等. 含油气致密储层纳米级孔喉特征及意义[J]. 深圳大学学报理工版，2015，32(3)：257-265.