页岩储层微观孔隙特征及连通性表征综述

孙东盟 孙灵辉 萧汉敏 冯 春 李博文 王 磊 陈灿灿

1. 中国科学院大学工程科学学院, 北京 100190;2. 中国科学院渗流流体力学研究所, 河北 廊坊 065007;3. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院, 河北 廊坊 065007;4. 中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司勘探开发研究院, 河北 沧州 062552

0 前言

美国海相页岩气与致密油已进行大规模商业化研究开发,同时,勘探工作表明,美国的页岩油资源同样也具备巨大的潜力[1]。近年来,借鉴了美国的丰富成功经验,中国在勘探油气储层方面已经取得了一些重大突破,但是中国当前的地质环境具有特殊性,油气储层勘探，特别是页岩储层的勘探,还需要进一步的探索[2]。

关于页岩油的定义,目前尚未统一。页岩油这个新名词的广泛使用至少可以溯源百年,但早期的页岩油主要指人工合成石油。姜在兴等人[3]、邹才能等人[4]对页岩油的定义存在争议,其讨论的核心就在于页岩油是否包括其他岩性致密夹层或相邻层中的石油,邹才能提出,页岩油是成熟有机质页岩石油的简称。

中国页岩油资源储量丰富,截至2019年底,长庆、新疆、大港等3个油田公司共提交页岩油探明储量接近5×108t,控制储量接近1×108t,预测储量超过10×108t,目前开发即使采用美国的开发研究成果也很难满足国内对能源的需求。目前,页岩储层的勘探开发机理研究远远跟不上工程实际的脚步[5]。页岩油的勘探开发要解决的问题首先是可流动性及定量表征,其与储层孔隙空间分布、大小、内部连通性关系密切。

1 储层微观孔隙结构的研究方法

致密/页岩储层的孔隙发育程度及连通性能直接决定了油气的运移、储集、采集。目前尚未形成具有共识的页岩储层全尺度测定技术,对孔隙大小和分布反映不全面,各项技术的测试对比[6]见图1。目前储层微观结构精细表征方法按照特点可以划分为数据分析技术和图像观测技术[7]。

图1 常用孔隙结构测试方法示意图Fig.1 Common pore structure testing methods

1.1 数据分析技术

数据分析技术是指以实验数据分析为基础,对微观孔隙结构定量表征的技术,主要侧重于通过实验数据反映微观孔喉参数,包括压汞技术、低温N2吸附技术、核磁共振技术、低场核磁共振冻融技术等。不同的技术手段测量范围不同,各技术之间优势互补。

1.1.1 压汞技术

压汞技术是研究孔隙结构的有效岩石物理学方法,其主要基本原理是汞作为非润湿流体,进入储层孔隙时需克服毛细管压力,其满足的关系如下[8]:

Pc

(1)

根据进汞量及对应的压力值绘制出毛细管压力曲线,从而提供有关多孔介质的大量信息,包括孔径分布、孔隙的分选和歪度等[9-12]。

压汞技术目前主要分为高压压汞技术和恒速压汞技术,其遵循的技术原理大致相同。前者以毛细管压力为模型;后者将多孔介质设定成不同尺寸的孔隙和喉道,可以测试结果直接区分出孔隙和喉道的类型,恒速压汞技术的实验数据更加接近真实的孔隙结构。两种方法都具有一定的优势和不足,恒速压汞技术在测量孔喉半径时有其优势,但其测试范围要求大于0.1 μm,相比而言,高压压汞技术测试范围大(1.8 nm～500 μm),但由于测试过程压力大,易造成裂缝，导致误差大。

1.1.2 低温N2吸附技术

低温N2吸附技术目前已被广泛应用于页岩储层微观孔隙结构的研究。其测试范围在介孔之间,测试结果比其他技术手段的测试结果相对精准,其原理是利用N2的等温吸附特性,岩样在液氮的低温环境下,部分N2在微孔中凝聚,以此来测定孔容和孔径分布。

纳米孔隙广泛存在于非常规油气储层中,研究各种纳米孔隙具有十分重要的意义。利用低温N2吸附技术能够根据实测曲线的形状对样品的比表面积和孔径的分布情况进行分布和判断[13-14]。

低温N2吸附技术的缺陷主要在于低温吸附对实验条件具有一定的限制,且测试范围小,不能单独使用其对孔隙结构特点进行研究。

1.1.3 核磁共振技术

核磁共振技术是一种无损测试技术,在储层上的应用主要包括有效孔隙度、孔径分布、可动流体饱和度等数据的测试[15-18]。通过计算孔隙中含氢流通的弛豫性质特点可以获得弛豫谱,其中T1、T2的谱参数计算和谱线形态、趋势变化精确反映非常规储层孔隙的大小、分布以及流体的赋存特征等。核磁共振技术的优势在于可以对岩石中流体的赋存状态、内部的渗流规律进行直接评价,缺点在于其结果的分辨率很低,只能对弛豫谱的分析起到辅助作用[19],除此之外,核磁共振技术对孔隙大小、分布反映不够全面,如对页岩广泛发育的纳米级孔隙的测定就存在一定缺陷。

1.1.4 低场核磁共振冻融技术

常规的核磁共振技术不能直接反映孔径的绝对大小,由于需要经过系数计算,存在一定的误差,对于以页岩为代表的孔径较小的样品,误差更大。近年来,一些学者在非常规储层微观特征研究中引入了低场核磁共振冻融技术(NMRC),并进行了一些探索性工作[20-25]。相比而言,这种方法表现出孔径测试范围宽、精度高的优势,并且样品可重复测试,在国内已引起了广大学者的关注[26-27]。迄今为止,该技术在应用中的有效性、影响因素、实验条件仍在探索过程中,实验设备见图2。

图2 NMRC实验设备图Fig.2 Laboratory equipment of NMRC

NMRC方法国内还没有广泛应用,冻融探针液的选择还有一些争议,南京大学对探针液的选择作出了明确的解释。刘标等人[28]对其表征非常规储层岩石孔径分布的方法进行了完善,主要分为四步:1)预处理，对多孔介质进行机械粉碎,用筛子选取合适大小的颗粒,进行干燥处理,记录干重；2)饱和探针液，样品抽真空,饱和探针液(必要时可通过加压、离心等手段),待样品与环境平衡。探针液的选择直接决定Gibbs Thomson常数(KGT)的大小,常用的探针液是水和环己烷,刘标等人还引入了八甲基环四硅氧烷(OMCTS),三种探针液体在融化焓、熔点、密度、分子大小上都有一定的差异[23,29]。其中,水主要用于亲水性样品测试,环己烷主要用于亲油性样品测试,但环己烷的液体和固体核磁信号强度不易区分,八甲基环四硅氧烷在一定程度上弥补了水和环己烷的劣势；3)对待测样品进行NMRC测试分析,首先进行参数矫正,然后设定CPMG序列参数,设定温度计划,实验分析；4)根据系列温度点及对应的核磁信号强度计算样品孔径与孔体积之间的关系，其基本原理是基于相变理论,相变行为可以看作是温度和孔径的函数,NMRC的理论基础是Gibbs-Thomson方程[23]:

ΔTm-Tm

(2)

低场核磁共振冻融技术极大地丰富了数据定量分析孔隙结构的方法,在非常规储层,尤其是页岩领域具有很大的应用价值,与其他先进技术相结合,对于综合评价孔隙结构特征具有重要意义。

1.2 图像观测技术

图像观测技术主要是对非常规油气储层岩石进行定性可视化研究,是指在二维/三维图像基础上,进行微观孔隙结构特征的定性、定量表征技术。图像观测技术相比数据分析技术,虽测试成本高,但具有全面、准确、有效表征的特点。

1.2.1 二维图像观测技术

二维图像观测技术可以直接对微观储层的孔喉特征(形貌、大小、分布、矿物特征)进行直观评估,主要包括扫描电镜技术和基于聚焦粒子束扫描电镜的Maps成像分析技术。

1.2.1.1 扫描电镜(SEM)技术

扫描电镜(SEM)可以直接对岩样的微观孔隙结构进行评估成像。它具有制样简单、放大倍数和精度可调节范围宽、图像的分辨率高且景深大等诸多特点;环境扫描电镜(ESEM)与普通扫描电子显微镜的光学原理相同,两者的差别主要在于前者的样品室有低真空、高真空、环境三种模式,而后者样品室仅为高真空。环境扫描电镜(ESEM)在储层评价研究中起着重要作用,运用环境扫描电镜(ESEM)技术可以直接对样品表面形貌进行评估,包括样品表面的形貌表征、能谱分析等,后续的图像也可以结合PCAS软件实现电镜照片的定量化数据提取。

1.2.1.2 基于二维扫描电镜的Maps成像分析技术

微图像拼接(Maps)技术是将几千张图像拼接成一张图片的技术,其合成的图像分辨率最高可达到10 nm,相比于其他的图像观测技术,这种方法可以实现图像的任意缩放,其观测范围较大,可以满足非均质性较强的样品的图像观测需求,测量尺度介于微米级到纳米级之间。

基于二维扫描电镜的Maps成像分析技术主要包括图像的观测和后期图像处理两个部分。图像的收集观测主要指扫描电镜(SEM)对样品表面的图像收集,将处理好的样品(样品厚度要求:2～5 mm)放置到样品室中,调节扫描电镜(SEM)基本参数(镜头焦距、电压、电流、扫描模式),设置图像观测范围及图像大小等。后期图像处理主要指将小图像拼接成可随意缩放的大图像,采用ImageJ进行图像的拼接,随后采用Avizo软件进行图像分割处理、图像平滑处理。后续可以采用icore对图像作进一步分析,包括定量化分析孔隙结构。最终可以实现利用Maps图像分析对二维尺度下的页岩孔喉结构进行定性分析和定量评估。这种考虑了样品非均质性的图像观测手段是认识页岩储层的微观孔隙结构的新技术手段,可以实现页岩孔隙结构跨尺度定量化表征。

1.2.2 三维数字岩心技术

三维数字岩心技术近年来在非常规储层微观孔隙结构方面的应用十分广泛。三维数字岩心技术的基本原理就是通过数学函数结合计算机再现岩石的三维孔隙结构,在此基础上,进行孔隙空间分布、孔径大小、配位数等的进一步分析,对于微观孔隙结构中的连通性研究意义重大。

目前的三维数字岩心技术存在很大优势,比如,随着计算机技术的发展可以实现岩心孔隙结构的定量表征。近年来,纳米CT已经可以实现微米、纳米级的分辨率,最终获得的三维孔隙结构也具有很高的分辨率,能够直观地研究非常规储层的孔喉形貌,但是目前的后续处理算法无法解决纳米的三维重建问题。此外,三维数字岩心技术由于成本问题，推广使用受到限制,但其本身的技术优越性对于非常规储层尤其是页岩储层的微观认识具有卓越的贡献。

微纳米CT在石油勘探领域的发展迅速,随着这些年计算机技术的进一步提升,三维数字岩心技术会有更广阔的未来。目前三维数字岩心建模的主流方法共有以下两种。

一种是微纳米CT法。Talab O等人[30]通过微纳米CT建立了三维网络模型,并在此基础上进行了多相流模拟;白斌等人[31]采用微纳米CT实验对鄂尔多斯盆地延长组样品的孔喉大小、分布及内部连通性做出了定量评估,其尺度分布从几十微米到几百纳米,在很大程度上促进了定量表征的研究发展;刘向君等人[32]通过Avizo软件与comsol的对接分析实验,极大地改善了三维数字岩心技术的计算速度,对样品孔喉形态表征及内部连通性定量表征,在此基础上进行多相流模拟,为国内三维数字岩心技术规模化发展提供了创造性的研究路线。

另一种是聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)三维建模法,该方法对于页岩领域具有十分重要的意义[33]。一些学者[34-35]通过这种三维建模技术重建了页岩的三维孔喉空间结构,并在此基础上对孔喉的大小、分布及内部空间的连通性进行了精准表征。

两种方法各有优缺点,微纳米CT法具有快速、直接、易于操作的特点,但由于算法问题导致纳米CT的成像后续处理受到尺度的限制,对于65 nm以下的孔隙无法识别;FIB-SEM三维建模法可以针对前者存在的问题进行补充,并有效识别前者无法识别到的孔隙,实现三维的尺度对接。两种方法的成本都很高,仪器昂贵,实际实验中只能选取部分样品进行实验,导致实验结果不具备十足的代表性。

2 连通性新方法

直观表征连通性的方法主要包括数字岩心技术、示踪剂结合扫描电镜(SEM)技术。随着对非常规储层微观孔隙精确表征的需求,国内外也出现了新方法,伍德合金是由50%铋(Bi)、25%铅(Pb)、12.5%锡(Sn)、12.5%镉(Cd)熔融金属构成的熔融金属,在70 ℃熔化,在高温高压下将熔融金属注进岩石样品,在压力下固化,并结合先进的抛光技术及电镜扫描技术,这种方法是观测填充合金的孔隙连接的直接证据。

高压注入伍德合金技术经过近几十年的发展,被广泛应用于各种材料如砂岩[36]、水泥[37]、长石[38]、页岩[39-40]等,Hu Qinghong等人[41]对巴尼特页岩进行高压伍德合金注入后对其进行了金属成像,并没有发现明显的连通通道。

通过高压伍德合金注入技术进行孔隙结构特征的评估,表面处理与扫描电镜至关重要,Klaver J等人[40]对填充金属的样品进行了机械抛光,影响了纳米孔的精确扫描成像;除此之外,不同样品的充注压力也影响着最终的成像效果。在非常规储层连通性的研究中,机械抛光和双束氩离子抛光是比较常用的表面处理方法,前者的精度对于电镜观测来说远远不够,后者的抛光面积为毫米级别,因此不可能完全表征以长石和石英颗粒为主的岩石样品的孔喉形貌特征。针对抛光存在的问题,秦洋等人[42]将三离子束抛光技术引入到岩样微观孔喉形貌表征上,将表面抛光范围提升了一个数量级,保证了岩心样品的微纳米级孔喉的观测需求。这种方法广泛应用于材料、物理、电子学领域,在岩石表面抛光方面具有一定的开创性。

伍德合金高压注入技术,将伍德合金在高压下注入岩样,其注入量无法确定,且凝固金属在扫描电镜下与岩样中的金属成分相似，难以区分。伍德合金高压注入装置[40]见图3,压力容器加热到75 ℃时伍德合金熔化,将干燥样品浸入到伍德合金熔融金属中,装置逐渐增压,装置内达到316 MPa时对应的孔喉直径是4.1 nm,达到该压力后,停止加热,固化金属后减压取出样品,后续结合表面抛光技术及扫描电镜进行定性观测,也可通过后续PCAS软件进行电镜照片的定量分析/通过三维数字岩心的方法建立三维定量分析模型[43]。

图3 伍德合金高压注入装置图Fig.3 The equipment of Wood’s metal high pressure injection

3 结论

非常规储层中的微观孔隙结构特征表现技术很多,主要包括图像观测、数据分析,对储层进行了定性描述和定量分析。各种技术都有各自特点,综合多种技术可以相对全面地进行非常规的储层式孔隙结构全尺度研究,其中,对页岩研究来说,下一步的工作重点在数字岩心的普适性与代表性上,以及其他先进技术在页岩研究中的适用性,为实现页岩储层孔—喉—缝的连通性定量表征奠定基础。

基于页岩微观孔隙结构的研究手段,两者分别用来进行孔径分布测试、连通性表征,可以在进行伍德合金连通性表征之后将注入合金的岩心样品再次进行低场核磁共振冻融技术测试,两次实验的差值即为伍德合金填充部分,也就是流体的流通部分。这种方法可以一定程度上丰富可动流体的评价方法,但其影响因素及适用性有待进一步实验探究。

目前，针对非常规储层已经形成了针对不同尺度的定性定量表征体系,虽然存在局部问题,但基本满足了非常规储层评价的需求。因此,今后非常规储层的研究趋势将向对实际油气田勘探开发的技术指导及页岩的储层评价方向发展。