页岩气储层孔隙结构模型和物性测试方法研究进展

李子元

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

1 页岩物性和孔隙结构模型

岩石的孔渗测试和孔隙结构均是基于一定物理模型开展的，这些物理模型是对实测物性数据进行解释的基础和关键，基于不同的模型所得出的结果及其所代表的地质意义存在较大的差别，因此，针对不同特点的岩石选择合适的岩石物性和孔隙结构模型是岩石的孔渗和孔隙结构测试和结果解释的基础和依据。

1.1 页岩的岩石物理模型

在对岩石孔隙度进行测定之前需要明确岩石孔隙空间的定义，这就需要建立一定的岩石物理模型。根据GRI标准(RP40)，认为页岩的岩石物理模型由基质部分和孔隙空间两大部分组成(见图1左图)。其中基质部分体积包括非粘土矿物基质体积，如石英、长石等矿物，干燥状态的粘土体积，粘土表面的吸附水体积和毛管束缚水体积，以及有机质体积四个部分。孔隙空间体积包括有效孔隙孔体积和闭孔隙体积两部分，有效孔隙度则针对连通孔体积部分。页岩中连通孔隙空间内一般含有自由态的油、气、水三相流体。目前孔隙度测试方法主要都是针对这部分有效孔隙体积进行测量的。

图1 GRI岩石物理模型(左)和改进后的岩石物理模型(右)(据 Raymond J.Ambrose)

Raymond J.Ambrose认为，现行的 GRI岩石物理模型并不适用于含气页岩的实际情况，因为含气页岩中普遍存在的有机质和粘土矿物具有很强的吸附烃类气体的能力，这部分吸附气也占用了一部分连通孔隙空间，并且通过模拟计算发现这些单层或多层吸附的气体分子所占的体积是不可忽视，对最终储量评价具有很大的影响。因此，在新的岩石物理模型中，自由连通的孔隙体积并不包括气体吸附层所占有的体积(见图1右图)。数值模拟结果表明，在吸附能力较小的页岩中，采用改进后的模型得到的游离气含量减少了14.2%，总气量减少了11.6%;而在吸附能力较大的页岩样中游离气含量则可减少30.2%，总气量减少17.1%。可见，采用不同的岩石物理模型可以得到具有不同意义的物性参数。

因此，在对实测物性参数的实际地质意义进行解释时，页岩岩石物理模型的建立是关键。有关岩石孔隙度参数的测试和应用必须在一定的岩石物理模型框架下进行。岩石物理模型可以根据实际测试条件和研究需要进行修改，以获得符合不同研究目的需要的，最可靠和真实的物性参数。

1.2 页岩的孔隙结构模型

孔隙结构是指不同类型孔隙空间的总和及其相互关系，孔隙结构模型是人为建立的一系列关于孔隙类型和分布关系的假设，是分析解释实验数据的依据。根据孔隙空间与样品外表面的连通关系可以把孔隙分为闭孔(见图2，a)和开孔两大类。其中开孔按照孔隙终端特征又可分为盲孔(见图2，b，f)和通孔(或内连孔)(见图 2，c－e－c，c－e－d)两类。前者只有一端与外表面相通，后者则孔隙两端都与外表面相通，当多孔相连时则为内连孔通。闭孔是注入法和气体吸附法所不能探测到的孔隙类型，在其相应的孔隙结构模型中不予考虑，但闭孔对样品体密度等参数有重要影响。开孔为孔隙结构测试中的有效孔隙，是孔隙结构模型的表征主体。此外，因样品表面粗糙不规则所形成的孔隙空间虽然在本质上也属于盲孔(见图2，g)，但一般只当孔隙深度大于开口宽度时才作为孔隙考虑，即包含于样品表面封套体积内的外表面孔隙(见图3)。孔隙的几何形态也是结构模型参数计算中需要设定的重要前提，具有不同形状的孔隙空间最终均可简化为三类:孔壁平行且狭长的狭缝孔、横截面为圆形的圆柱孔以及颈窄肚阔的“墨水瓶”孔(见图 2，b)或“漏斗型”孔(见图2，d)。孔隙结构模型中可以对狭缝孔和圆柱孔在孔径与表面积、孔体积之间建立定量关系，而“墨水瓶”孔则只能通过测试实现定性识别，一般不作为孔隙结构计算模型中的孔隙类型。

但是，在页岩孔隙结构的实际研究中，人们发现上述模型的应用也存在一定的局限性。由于页岩主要由片状的粘土矿物组成，具有弯片状几何形态的孔隙空间最为常见，所以很难区分传统意义中的孔隙和孔喉。另一方面，页岩中发育的孔隙直径一般均在纳米级，通常最大孔径的粒间孔也在几百纳米左右，比常规砂岩的孔喉直径(2微米)还要小。所以鉴于页岩孔隙之间较差的连通性和较强的非均一性，需要采用新的模型以弱化连通孔隙或孔喉的概念。根据国际理论和应用化学协会(IUPAC)基于气体吸附理论的孔隙分类，可以把页岩中发育的所有类型的孔隙空间按孔径大小划分为三大类:孔径小于2纳米的为微孔，孔径介于2到50纳米之间的为中孔，孔径大于50纳米的统称大孔。这些不同孔径范围的孔隙空间相互组合，构成了页岩大孔－中孔－微孔复合型网络系统(见图4)。此类模型中的孔径特别指圆柱孔的圆截面直径或狭缝孔平行孔壁之间的距离。这种通过孔径大小表征孔隙空间特征的孔隙结构模型，不仅简化了页岩中各种类型孔隙的连通关系，最重要的是它能够更好的反映孔径与孔隙中流体的流动机制的对应关系。如当孔径大小与气体平均分子直径的数量级相当时，流体的流动机制由常规储层中的达西流向滑脱流转换，又如微孔结构直接控制页岩的气体吸附能力。但是在这种模型中，没有对孔径大于50纳米的孔隙进行进一步细分，不便于实际应用中对页岩大孔孔隙的研究。因此，孔隙结构模型的选取应根据研究的需要和目的决定，而不同的孔隙结构模型则对应不同原理的测试方法。

图2 孔隙类型分类

图3 不规则表面上的外表面孔隙

2 页岩物性和孔隙结构测试方法

2.1 定性测试方法

在直接观测孔隙结构的显微结构观察方法中，普通光学显微镜的观测精度已不能满足页岩的研究要求，目前主要采用电子显微技术。目前国内外应用于页岩微观研究最多的是扫描电子显微镜(SEM)，提高扫描电镜成像分辨率的关键是降低样品表面的电荷聚集效应，方法主要包括对观测样品表面进行增强导电性处理以及抛光处理，或降低扫描电镜自身所需的激发电压等。岩石样品往往要在其表面喷金膜或镀碳膜以增强导电性，而对富有机碳的页岩样品不推荐镀碳处理以防止其与样品自身的碳元素相混淆。目前针对易碎页岩样品的抛光多采用较为温和的普通氩离子抛光技术。

普通氩离子抛光技术是在常规打磨抛光面上再次进行离子减薄以获得更为平整的样品表面，样品面积一般不超过1厘米×1厘米，沿层面将其打磨成0.1毫米左右厚度的薄片后再放入离子抛光机中进行离子减薄。如图5，页岩样品层面垂直氩离子束切割方向放置，一部分区域受铂片遮挡未遭受离子束减薄作用，而相邻区域则被离子束在垂直层面方向向下减薄至一定厚度，因此两个区域交界处就形成了一个阶步，它既是一个平行于离子切割方向的抛光平面，也是垂直于页岩样品层理方向的一个剖面。阶步的高度可通过抛光时间控制，一般在微米级。抛光后的样品喷金后在扫描电镜即可找到抛光后的阶步并对其做进一步的微观观测，在背散射模式下(BSEM)分辨率一般可达4～5纳米。此种抛光方法可以有效防止传统抛光中因颗粒人为破坏缺失而在抛光面上形成的假孔，抛光更精细，相应耗时较长，常需几个小时。

图4 大－中－微孔复合型

采用电子显微镜观测法对页岩进行孔隙结构研究具有观测结果直观、操作方法简易的特点，可以很好的识辨页岩中发育的孔隙类型及其结构特征。通过扫描电镜观测到的孔径大小其实是孔隙三维空间在某一二维平面上的投影，面孔率参数不能代表样品的实际孔隙度。另一方面，对于非均质性较强的页岩来说，电子显微镜的取样点大小相对其他测试方法要小的多，微米级的点观测的方式有时不能体现整体的物性结构特征，而只是对微米－纳米级局部岩石物理结构的放大。综上所述，电镜观测法可以对页岩孔隙结构特征进行定性－半定量研究，利用面孔率推算所得孔隙度只具有相对意义，不能定量表征样品孔隙度大小。

图5 普通氩离子抛光示意图

2.2 定量测试方法

2.2.1 排汞法

在孔隙度的测量中，只要获得样品的骨架体积(Vg)或骨架密度(ρg)、表观体积(Vb)或表观体积密度(ρb)、孔隙体积(Vp)或比孔容(Vc)这三组参数中的任意两组即可按定义计算出孔隙度。

由于页岩具有吸湿性，常规的排水法测表观体积已不再适用。排汞法基于阿基米德浮力原理，采用非润湿相汞，适用于页岩岩石样品表观体积的测量，根据操作规程的差异可分为两种，一种方法通过计算样品顶部进入汞池4～5 mm深度时的汞的质量变化和温度参数，选用相应的汞密度计算排汞体积即为样品的表观体积。另一种方法原理类似，采用体积泵直接读出样品的排汞体积，这种方法比较迅速，但是样品需要进入汞面以下50 mm的深度，对应有1 psi(6.9 kpa)的压力，可能会导致汞分子与样品微表面的完全贴合，而且可能会有汞进入样品的大孔，这都会使测试所得的体积小于真实表观体积。此外，样品浸入过程若带有气泡则会使测得表观体积偏大。排汞法要求要求样品必须为规则的小岩心柱，体积至少在10cm3以上，一般为直径在2.54～3.81 cm，长度2.54 cm或3.81 cm以上的圆柱体。圆柱体表面必须光滑，不能有裂缝、坑洞等。排汞法测页岩表观体积并不适用于不规则样品的测试，并且对样品常造成污染，不利于其他相关测试的进行。排汞法只能测试样品表观体积，需要与其他测试方法结合才能获得孔隙度参数，具有一定局限性。

2.2.2 脉冲衰减法

渗透率是衡量多孔介质中允许流体通过的能力的参数。渗透率的类型划分有很多种形式。根据测试样品中含有的流体相的种类(如油－水)可分为有效渗透率、绝对渗透率和相对渗透率。目前在页岩渗透率测量中主要还是针对单相流体的绝对渗透率。根据渗流方向与岩石层理的关系可划分为垂直层理方向的垂直渗透率和平行层理方向的平行渗透率，对于层理发育的页岩来说，渗透率的各向异性是不能忽视的。根据渗透率测试探针的类型渗透率可分为液测渗透率和气测渗透率。在低孔低渗的页岩中，采用气体测得的渗透率要大于常规的液测渗透率，这是由于气体滑脱现象的存在。

由于页岩的孔渗性极差且遇水易膨胀，基于达西流原理的常规液体渗透率测试方法或稳态测试方法已不再适用。非稳态脉冲衰减法是目前最为适用的页岩渗透率测试方法，采用氦气作为测试气体，可以同时测得页岩的孔隙度和渗透率两个物性参数值。

脉冲衰减法测试渗透率的工作原理为:首先给岩芯施加一个孔隙压力，然后通过岩芯传递一个压差脉冲，计算机数据采集系统记录岩芯两端的压力差、下游压力和时间，并由软件绘制出压差和平均压力与时间的对数曲线，软件通过对压力和时间数据的线性回归计算渗透率。通过改变孔隙压力进行多点测量，即可采用常规方法计算克氏渗透率。测试渗透率范围在0.000 01～10 md。测试系统使用较高的孔隙压力以加快测试速度，并且采用很小的压差以减少非达西流态的影响。测试过程中也可以通过岩心夹持器施加一定围压以模拟储层实际压力条件。测试的难点在于小岩心柱的钻取，要求其规格与岩心夹持器必须能够完全贴合才能保证不出现漏气现象以致影响测试结果。但是，在岩心的实际钻取过程中，会产生许多的人工微裂缝，这些裂缝对渗透率的测试具有很大影响。渗透率的测量值与应力变化之间具有良好的线性关系，证明了样品中微裂缝的存在。

这种测试所需的测试时间短，精度高，并且可以同时获得覆压孔隙度。但是无法反映样品的孔径分布等孔隙结构特征。

2.2.3 核磁共振技术

核磁共振技术(NMR)可以应用于泥页岩孔隙结构和物性测试中，包括孔隙度、渗透率及其孔径分布。通过改进谱分析方法，由驰豫数据可得页岩孔隙度，拟毛细管压力曲线或是岩石内部结构的三维成像。核磁共振技术可以应用于对岩心的实验室测定也可以应用于对现场的测井。相较于其他物性测试方法，核磁共振不受岩性影响且对样品无破坏性，可以在样品不完整的情况下进行渗透率测量。NMR所测为总孔隙度，包括闭孔隙的体积，比实验室气体流动饱和技术，如氦气气测孔隙度的结果要大。由核磁共振T2谱经校正得到拟毛细管压力曲线虽然不能与压汞实测孔喉分布完全吻合，但可以反映更加全面的孔隙信息。NMR物性参数的分析结果与粉碎岩样分析结果相比具有很大差别，而基于成像分析的孔径分布与NMR结果有很好的一致性。

2.2.4 CT 成像扫描

CT成像扫描也是一种很好的无损物性结构测试方法。其原理为通过X射线获得样品的密度，同时对基质和孔隙流体进行成像，根据物质密度在三维空间的成像可以清楚的辨别样品内部的孔隙空间和相互关系，对孔隙连通情况和孔隙内流体分布特征具有很好的反映。目前已有高精度的微米级CT扫描应用于页岩孔隙结构研究中。但受目前国内测试条件限制，只能采用医用CT成像仪，虽操作简单，但成像分辨率不能达到页岩研究要求。

2.2.5 中子 －X射线衍射法

中子－X射线衍射法通过对1～2 mm厚的岩石薄片进行小角度中子衍射(SANS)和X射线衍射(SAXS)，根据测试射线穿过岩石薄片后射线的衍射角和衍射波长参数以及一定孔隙几何形状的计算模型得到岩石孔径的大小和分布特征，可测孔径范围一般在1～100纳米。目前已有学者成功采用中子－X射线衍射法对页岩样品进行了孔隙结构研究，并且其孔径分布特征与氮气吸附法所得结果具有较好的一致性。此种方法能够测试的孔径范围有限，并且不能对比表面、孔体积、孔隙度和渗透率等物性结构参数进行定量测试，应用领域具有局限性。

3 结语

(1)页岩的岩石物理模型中吸附气也占用了一部分连通孔隙空间，页岩的孔隙结构模型根据页岩中发育的孔隙空间按孔径大小划分为三大类:微孔、中孔和大孔。

(2)对富有机碳的页岩样品进行扫描电镜观测前应进行氩离子抛光。页岩物性的各种定量测试方法都有各自的适用性和局限性，在实际应用中，应该根据实际情况加以选择和综合。

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