延长陆相页岩微观孔隙结构分析

吴春燕,程玉群,沈　英,王　宁,贾朋涛,张红强

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075)



延长陆相页岩微观孔隙结构分析

吴春燕,程玉群,沈英,王宁,贾朋涛,张红强

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075)

摘要：页岩储层孔隙结构非常复杂，对研究手段和分析技术要求较高。为了有效地开展页岩气储层评价，精细描述页岩孔隙结构，采用场发射扫描电镜、高压压汞实验和低温氮气吸附实验等多种手段对陆相页岩孔隙结构进行了研究，对孔隙类型及形态进行了直观描述、计算孔隙结构参数、分析页岩孔径分布及孔隙结构对页岩气吸附能力和渗流能力的影响。研究结果表明，延长陆相页岩孔隙类型复杂，以粒间孔和层理(层间缝)最为发育；孔喉连通性较差，进汞饱和度低，但退汞效率相对较高；页岩孔隙的孔径分布广泛，以微孔和过渡孔为主，其中，孔径小于30nm的微孔和过渡孔是页岩孔容和比表面积的主要贡献者，为页岩气吸附和存储提供了主要场所，但较少的中孔和大孔不利于页岩气的渗流和开采。

关键词:延长陆相页岩；微观孔隙结构；扫描电镜；高压压汞；氮气吸附

页岩孔隙结构特征在页岩气储层评价中非常重要，它不仅影响气体的储集和吸附能力，还决定了页岩的渗流特性。采用先进设备和技术方法研究页岩储层微观孔隙结构特征及页岩气存储机制非常必要。

国内外对页岩储层微观孔隙结构特征做了大量的研究[1-5]，采用的技术手段也较多，主要有铸体薄片分析法、扫描电镜分析法、高压压汞法、氮气吸附法和纳米CT扫描法等，但对高压压汞实验与氮气吸附实验结果进行拟合的方法尚未见报道。本文主要采用场发射扫描电镜、高压压汞分析和氮气吸附实验对延长油田陆相页岩储层微观孔隙结构进行研究,并将高压压汞和氮气吸附的实验数据进行拟合，全面展现页岩储层孔隙特征，实现从微孔到大孔的全面描述。

1 样品选取

页岩样品选自延长油田下寺湾地区，层位为延长组长7段、山西组和本溪组。根据目的层位页岩储层沉积特征，考虑剖面及平面上的可对比性，参考物性、孔隙结构和岩石学特征等微观因素，并参照DB 61/576—2013《页岩气井取心及取样方法》标准，分别在各层位选取深灰色—黑色泥页岩、粉砂质泥岩样品共计348块次，其中高压压汞和氮气吸附实验样品各114块，场发射扫描电镜样品120块。

2 实验方法及结果分析

2.1 场发射扫描电镜分析

本研究采用肖特基场发射扫描电镜MIRA 3 LMH，该场发射扫描电镜二次电子图像分辨率达到1nm，放大倍数为2～1000000，辅助设备为LEICA EM SCD500 型镀膜仪及氩离子抛光仪( 离子减薄仪)。参照SY/T 5162—1997《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》对岩样进行实验前处理。制样时采用氩离子抛光技术对新鲜岩样表面进行处理，获得高品质表面层，然后将岩样放入真空度小于0.1Pa的离子溅射仪进行镀膜，厚度约为15～20nm，镀膜后的样品按顺序放入场发射扫描电镜进行观察分析。

场发射扫描电镜实验证实[6]，陆相页岩储层中主要发育粒间孔、粒内孔、晶间孔、微裂缝(层理、层间缝)，以及极少量有机质孔(图1)。其中，粒间孔主要以三角形和不规则多边形出现在黏土矿物及黄铁矿等矿物颗粒及晶体间，孔径大小由纳米级到微米级杂乱分布；粒内孔由石英、长石、碳酸盐矿物颗粒等溶蚀产生，形状多样，孔径大小较粒间孔分布更广；微裂缝主要发育在脆性颗粒内部及边缘，颗粒内部的微裂缝较为平直，基本没有被胶结物充填，而颗粒边缘的微裂缝多呈弯曲状，微裂缝的长度多在4～15μm之间，在铸体薄片中可见少量微裂缝延伸至整个切片面。由于研究区页岩热演化程度较低，有机质孔发育极少，呈圆形或椭圆形,发育在干酪根边缘，孔径在1μm以下。

2.2 高压压汞实验分析

2.2.1 高压压汞曲线

高压压汞曲线形态反映各孔喉段孔隙发育及孔隙之间的连通情况[7-8]。图2为3个层位页岩的高压压汞毛细管压力曲线，由图可见，3条毛细管压力曲线整体偏向右上方，中间进汞段几乎没有平台，倾斜度较大，表现出孔喉分选差、非均质性强、细歪度的页岩孔隙特征。页岩排驱压力极高，长7段为24.416MPa,山西组为18.076MPa，本溪组为23.531MPa。山西组页岩排驱压力较长7段、本溪组低，说明其物性稍好于长7段和本溪组。

由图2可知，当压力达到30MPa以上时，进汞量才增加较快，压力为30～101MPa时，长7段页岩的进汞量占总进汞量的64.4%，山西组占70%，本溪组占59.4%，说明半径为7～25nm的孔隙非常发育。114个样品中，进汞饱和度达到50%以上的样品仅占26.1%，其中，长7段页岩平均进汞饱和度为48.022%，山西组与本溪组页岩平均进汞饱和度分别为57.925%、42.798%。3个层位页岩的退汞效率都相对较高，平均为76%，其原因之一可能是样品致密，最高进汞压力较低，汞未完全进入样品，当压力降低时汞会从样品表层迅速退出；其二与样品孔隙类型和形态有关，页岩发育黏土矿物粒间孔和层理、层间缝，有利于汞的退出。

2.2.2 孔径分析

页岩孔隙划分标准尚未统一，本文借鉴煤层孔隙结构的分类，采用Xoaotb十进制孔隙分类标准[9-11]，将孔径d分为4类：微孔(d<10nm),过渡孔(10nm1000nm)。表1为陆相页岩高压压汞法的孔体积数据，从实验结果来看，页岩样品的孔体积为0.005864～0.007832cm3/g。3个层位页岩总孔体积均以微孔和过渡孔为主，占85.79%～89.5%，中孔所占比例较小，平均为12.32%，说明孔径小于100nm的微孔和过渡孔是陆相页岩孔体积的主要贡献者。由图3可以看出，陆相页岩孔隙的孔径分布范围宽，从微孔到大孔均有分布，以7～30nm的孔隙最多。

表1　陆相页岩高压压汞法孔体积数据表

2.3氮气吸附实验及分析

为进一步研究页岩的孔隙特征，弥补高压压汞实验的不足，开展了低温氮气吸附实验。低温氮气吸附实验采用美国康塔(Quantachrome)公司生产的NOVA2000e 比表面积及孔径分析仪，该仪器孔径测量范围为2～200nm，比表面积为0.01～3500m2/g。样品制成直径在3mm左右的小颗粒，质量约为1g，将颗粒表面吸附的粉尘除去，保持表面清洁，烘干脱气处理2小时，以纯度大于99.999%的高纯氮气作为吸附质，在-195.65℃下测定不同相对压力下的氮气吸附量。以相对压力为横坐标，每克样品的吸附量为纵坐标，绘制出氮气吸附—解吸等温线图。

根据GB/T 19587—2004《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》的规定，参照BET二常数公式，在0.05～0.35范围内作出BET直线图，计算出样品的比表面积，再采用BJH法对氮气吸附等温线的脱附分支进行计算，得到样品的孔径分布。

2.3.1 氮气吸附—解吸等温线分析

图4是陆相页岩的低温氮气吸附—解吸等温线，从图中可以看出，3个层位页岩样品的吸附等温线形态稍有差别，但根据IUPAC的分类，3条吸附等温线都属于Ⅱ型，表明页岩主要发育纳米级孔隙及微孔隙[4-5,12]。在相对压力较高处(p/po>0.4)，吸附等温线和解吸等温线不重合，解吸曲线位于吸附曲线的上方。当相对压力接近1时，吸附量陡增，吸附等温线与解吸等温线重合，形成滞回环。根据De Boer(1958)对滞回环的分类，研究层位页岩样品的滞回环属于B型，滞回环狭小，说明页岩孔隙形态以片状黏土矿物狭缝型孔隙为主[13-14]。

2.3.2 氮气吸附法孔径分析

采用BJH法对本次陆相页岩样品的孔径进行计算，得出孔径分布曲线(图5)。由图5可知，页岩孔径分布复杂，存在多个不同的峰值，但峰值孔径主要集中在2～7nm之间，说明这个范围内的孔隙最发育。孔径在30nm以上的孔隙几乎不发育。

由表2中陆相页岩氮气吸附法孔体积分布数据可以看出，3个层位的页岩总孔体积为0.00315～0.00807cm3/g，平均为0.00618cm3/g，其中山西组页岩孔体积最大，这与高压压汞法测试结果相同，说明山西组页岩孔隙相对于其他两个层位较发育。由孔体积比例分析，陆相页岩孔体积均以微孔和过渡孔为主，占86.50%～98.34%；中孔所占比例较小，长7段和本溪组不足10%。氮气吸附法与高压压汞法测试结果显示，微孔和过渡孔为陆相页岩提供了大部分孔容，这种孔隙结构不利于气体的渗流，需采用压裂等措施提高气体在页岩储层中的渗流能力方能达到有效开采的目的。

表2　陆相页岩氮气吸附法孔体积数据表

2.3.3 陆相页岩BET比表面积分析

表3为陆相页岩氮气吸附法比表面积分布数据，由表可知，陆相页岩样品BET比表面积为2.4518～7.1536m3/g，平均为4.37m3/g，其中长7段页岩的总比表面积最大，说明长7段页岩黏土矿物含量高，颗粒粒度细。根据Donaldson等对致密砂岩比表面积(约为1m3/g)的统计结果[14]，陆相页岩比表面积较大，这为气体吸附提供了非常有利的条件，使吸附存储成为可能。陆相页岩BET比表面积分布比例显示，陆相页岩中微孔所占比例非常大。长7段和本溪组均在95%以上，山西组微孔比例为84.90%，表明微孔是陆相页岩比表面积的主要贡献者，是大量气体吸附的主要场所。

表3　陆相页岩氮气吸附法比表面积数据表

3 讨论

高压压汞实验得出陆相页岩孔隙孔径分布范围较广(图3)，从微孔到大孔均有分布，孔径分布在7～53607nm之间，孔隙呈三峰态分布，存在两大峰和一小峰。大主峰孔径为7～10nm、11～30nm,主要为陆相页岩中的微孔和过渡孔，是陆相页岩孔容的主要贡献者；小主峰孔径为21375～53607nm，为陆相页岩中的大孔，比例较少，占总孔容的9.66%。电镜观察显示，这部分孔隙主要是黏土矿物粒间孔和微裂缝(层理、层间缝)，连通性较好。

氮气吸附法主要测量的是孔径小于100nm的孔隙。结果显示(图5)，研究区陆相页岩孔径呈单峰分布，分布范围为2～7nm，主要为微孔，是大量气体吸附的主要场所，过渡孔和中孔所占比例较少。电镜观察这部分孔隙主要是相对孤立的粒内孔和晶间孔，连通性很差。

两种方法测得的陆相页岩孔径分布曲线基本吻合，为了更精细地描述页岩孔径分布趋势，将氮气吸附法与高压压汞法测得的孔径分布曲线进行拼接拟合，拟合曲线很好地展示了页岩孔隙由微孔到大孔的分布[15-16]。图6显示了陆相页岩各类孔隙的孔径分布范围：微孔为2.25～4.12nm，过渡孔为12.10～27.33nm，中孔为106.72～213.52nm， 大孔为42746.04～107096.5nm。

4 结论

(1)陆相页岩孔隙类型复杂，存在粒间孔、粒内孔、晶间孔，微裂缝、有机质孔等多种孔隙，以黏土矿物粒间孔、层理(层间缝)为主。这部分孔隙对气体的吸附及渗流起重要作用，也是高压压汞实验中退汞效率高的主要原因之一。

(2)陆相页岩孔径分布复杂，高压压汞和氮气吸附实验测得陆相页岩孔隙以微孔和过渡孔为主，其中孔径小于30nm的微孔和过渡孔为陆相页岩提供了大部分的孔容，孔径小于10nm的微孔是页岩比表面积的主要贡献者，较多的微孔保证了页岩储层具有很高的吸附能力，是大量气体吸附的主要场所。但中孔和大孔发育较差，给气体渗流和气藏开采带来一定的困难。

(3)高压压汞法适合中孔及大孔的分析，而氮气吸附法能有效克服大比表面积和小孔径的困难，有利于微孔及过渡孔的分析。两种方法相结合实现了陆相页岩孔隙由微孔到大孔的全面、定量描述。

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Analysis of Microscopic Pore Structures in Yanchang Continental Shale

Wu Chunyan, Cheng Yuqun, Shen Ying, Wang Ning, Jia Pengtao, Zhang Hongqiang

(Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710075, China)

Abstract:Shale reservoir has a complex pore structure, so the requirement for research and analyzing techniques is higher. To carry out effective shale gas reservoir assessment and detailed description of pore structure, we adopted a lot of means as field emission scanning electron microscopy, high-pressure mercury experiment and nitrogen adsorption experiment to get insights into the pore structure of continental shale, described the e types and morphology of pores intuitively, and analyzed the influence of pore diameter and pore structure of shale on the adsorption ability and seepage ability of shale gas. Results showed that pore types of continental shale in Yanchang area were complex, of which the most common ones were intergranular pore and bedding (interlayer fracture); the pore connectivity was poor, low mercury saturation but high efficiency of withdrawal; the pore-size distribution of shale was wide, and the most holes were microporous and transitional, of which the main contributors to the pore volume and specific surface area of shale were microporous and transitional hole with a diameter less than 30nm. This provided the main places for gas adsorption and storage, which guaranteed a high adsorption capacity of shale reservoir. However, it was unfavorable for the percolation and exploitation of shale gas due to the less medium and large holes.

Key words:continental shale of Yanchang; microscopic pore structure; SEM; high-pressure mercury injection; nitrogen adsorption

第一作者简介：吴春燕(1982年生)，女，硕士，工程师，主要从事油气勘探开发实验工作。邮箱:55514798@qq.com。

中图分类号：TE122

文献标识码:A