王 靜,郗兆棟,陸冬華

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

0 引言

頁巖氣具有自生自儲的特征，頁巖氣儲層被認(rèn)為是一種復(fù)雜的非均質(zhì)多孔介質(zhì)，具有復(fù)雜的孔隙系統(tǒng)，導(dǎo)致其具有復(fù)雜的儲氣機(jī)制和轉(zhuǎn)換機(jī)制，這使得很難預(yù)測一個地區(qū)頁巖氣的空間分布和有效性(Xi et al.，2018a，2019a；郗兆棟等，2018，姜生玲等，2018)。一般從孔隙和喉道的大小、形態(tài)、連通性等幾方面表征頁巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)，而頁巖氣儲層的喉道和孔隙大小分布范圍廣泛且形態(tài)多樣，因此需要聯(lián)合多種實(shí)驗(yàn)手段去刻畫(Yang et al.，2014；Yang et al.，2017；張鵬等，2019)。目前對孔隙結(jié)構(gòu)的測試方法有很多，常用的多為鏡下觀測法(如掃描電鏡等)、氣體吸附法(如氮?dú)馕?以及常規(guī)壓汞等，但是以上方法均不能很好地將孔隙和喉道區(qū)別開，不能獲取關(guān)于喉道的關(guān)鍵參數(shù)(Tian et al.，2015；Wei et al.，2016)。對于低滲儲層而言，尤其是頁巖氣儲層，分析喉道特征及其與孔隙的關(guān)系是表征孔隙結(jié)構(gòu)的重要方面。恒速壓汞技術(shù)可以分別獲得孔隙和喉道的相關(guān)參數(shù)，主要包括孔喉大小及分布特征、孔喉比、毛細(xì)管壓力曲線等(Zhang et al.，2019；龐姍等，2019)。所以恒速壓汞實(shí)驗(yàn)對于研究低滲、特低滲儲層更為適用和精確。

然而目前的研究大多針對孔隙而忽略了喉道特征的研究，使得對于頁巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)的認(rèn)識相對片面(Milliken et al.，2013；Pan et al.，2015)。本次研究選取湘西北地區(qū)海相頁巖五峰組的4塊樣品開展恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，定量分析孔隙，喉道和孔喉比等參數(shù)，為全面分析頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)提供一定的指導(dǎo)意義(郗兆棟等，2018)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

恒速壓汞法是以較低的恒定流速將汞注入到孔隙中，注入速度為0.0001 cm3/min或0.00005 cm3/min，如此低的進(jìn)汞速度可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)的過程。從恒速壓汞的模型可以看出(圖1)：因?yàn)槠溥M(jìn)汞速度低，過程近似為準(zhǔn)靜態(tài)，因此可將孔隙和喉道分開測量(崔連訓(xùn)，2012；杜江民等，2016)?？紫逗秃淼赖葏?shù)主要是基于汞注入過程中壓力升降的變化得到的(圖2b)。簡單來講，汞注入后需要先通過喉道才能進(jìn)入孔隙，在突破喉道的過程中壓力會不斷上升，當(dāng)壓力累計(jì)到一定時汞突破喉道進(jìn)入孔隙，這時壓力會迅速回落，此時汞開始充滿與此喉道連通的孔隙，這時可得到與該孔隙和喉道的相關(guān)壓力數(shù)值。重復(fù)上述過程便可以得到頁巖樣品中所有喉道和孔隙的壓力數(shù)據(jù)(高永利和張志國，2011；解偉等，2011)。根據(jù)突破喉道的壓力和汞進(jìn)入體積可分別得到喉道半徑及孔隙大小(朱晴等，2019)。此過程有兩點(diǎn)需要注意：(1)始終保持較低的汞注入速度；(2)汞優(yōu)先進(jìn)入與大喉道連通的孔隙。

圖1 恒速壓汞模型(據(jù)陳蒲禮等，2013修改)Fig.1 Model of constant-speed mercury injection(modified from Chen et al.,2013)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

恒速壓汞相比于常規(guī)壓汞的實(shí)驗(yàn)過程要長很多且頁巖通常具有納米級的孔喉系統(tǒng)，因此必須在開展恒速壓汞實(shí)驗(yàn)前選擇代表性的樣品。前人在研究低滲透砂巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)時認(rèn)為，樣品選取應(yīng)在以鑄體薄片和掃描電鏡觀察的基礎(chǔ)上，考慮樣品所處沉積微相并參考大量的常規(guī)壓汞測試結(jié)果參數(shù)，充分考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比性和代表性(萬琳等，2018；張鵬等，2018)。本次研究所選樣品采自湘西北地區(qū)桑植區(qū)塊奧陶系五峰組，所選的頁巖樣品是參考本團(tuán)隊(duì)已發(fā)表文章中壓汞和低溫氮?dú)馕降慕Y(jié)果后(Xi et al.，2018b，2019b)選取的滲透率區(qū)間為<0.5 mD，0.5 mD，1 mD～5 mD，5 mD～10 mD的4塊樣品，恒速壓汞實(shí)驗(yàn)于2019年在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成相關(guān)測試，測試結(jié)果見表1。4塊頁巖具有相近的有機(jī)質(zhì)含量(1.0%～1.5%)、礦物組分(石英為主，其次為粘土礦物)及巖相特征，具有一定的對比性和代表性。

圖2 恒速壓汞進(jìn)汞過程示意圖(據(jù)高永利和張志國,2011)Fig.2 Schematic diagrams of constant-speed mercury injection process(modified from Gao and Zhang,2011)a-孔喉模型示意圖;b-壓力升降圖a-sketch of pore and throat；b-diagram of pressure rise and fall

表1 恒速壓汞實(shí)驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 孔喉特征分析

3.1 孔隙特征

本次研究所選4塊樣品的滲透率與平均孔隙半徑?jīng)]有明顯的相關(guān)性(圖3)，且孔隙大小分布呈正態(tài)分布的趨勢(圖4)。不同滲透率樣品孔徑峰值差異很小，都集中在100～200 μm之間，表明頁巖樣品的滲透率與孔隙大小無明顯相關(guān)關(guān)系，孔隙特征不是控制此研究中頁巖樣品滲透率的關(guān)鍵因素。

圖3 滲透率與平均孔隙半徑關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability and average pore radius

圖4 頁巖樣品孔隙分布特征曲線圖Fig.4 Frequency versus pore radius of shale samples

3.2 喉道特征

喉道反映了孔隙之間的連通情況。頁巖樣品的滲透率與喉道半徑存在明顯的正相關(guān)性，滲透率高的頁巖儲層具有較大的平均喉道半徑(圖5)。此外，頁巖樣品也具有不同的喉道分布特征。滲透率較低的樣品喉道分布集中且主要以小喉道為主，而滲透率較高的樣品喉道分散分布且主要以大吼道為主(圖6)。本次所選滲透率最低的1號樣品喉道半徑均小于1 μm且集中于0.5 μm左右。而滲透率最大的4號樣品的喉道半徑分布范圍為0～7 μm，且大喉道所占比例增加很多，主喉道半徑集中于2.5 μm，對于低滲透儲層來說，正是由于這些較大喉道的存在，相對降低了頁巖氣開采難度。

如恒速壓汞實(shí)驗(yàn)的原理一樣，汞會優(yōu)先突破大喉道繼而進(jìn)入與之連通的孔隙。因此，頁巖氣儲層的滲透率也主要受控于大喉道的數(shù)量，喉道半徑越大且數(shù)量越多的低滲儲層一般具有較高的滲透率(陳蒲禮等，2013；趙華偉等，2017)。前人也證實(shí)了滲透率越高的樣品，大喉道的貢獻(xiàn)比小喉道的貢獻(xiàn)率高得多。然而，從本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出(表1)，滲透率越大的樣品，其有效喉道數(shù)量并不是逐漸增多的。從恒速壓汞的模型可以看出，這主要是因?yàn)楫?dāng)喉道半徑增大到一定程度時，喉道與孔隙的區(qū)別可能就會變小，孔隙特征就足以表征儲層的儲集特征(孟子圓等，2019)。因此，前人研究指出以大孔為主的頁巖儲層孔隙體積及孔隙度往往與滲透率存在較好的相關(guān)關(guān)系，但以微孔和介孔為主的頁巖儲層孔隙度和滲透率往往不具有相關(guān)性(Xi et al.，2018a，2019a)。此外，喉道的數(shù)量只是影響滲透率的一個因素，喉道的分布特征及形態(tài)也會對滲透率起到一定的作用。因此大喉道數(shù)越多，滲透率不一定會逐漸增大。從本文的結(jié)果看，對于頁巖氣儲層而言，喉道大小及其分布情況依然是控制低滲儲層孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素及主要因素之一(Loucks et al.，2009；Hu et al.，2016)。

圖5 滲透率與平均喉道半徑關(guān)系Fig.5 Relationship between permeability and average pore throat radius

圖6 喉道半徑分布特征曲線圖Fig.6 Frequency versus throat radius of shale samples

3.3 孔喉比

孔喉比與滲透率存在著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，滲透率越高的樣品孔喉比越小，孔喉比由300逐漸降至小于100(圖7)。有的學(xué)者提出：在低滲儲層中，如果滲透率接近，那么孔喉比與滲透率并沒有明顯的相關(guān)性，甚至于得出與上述相反的結(jié)論(Li et al.，2020；Wang et al.，2020)，至于樣品滲透率之間相差多大還有待進(jìn)一步的研究。本文選取的4塊樣品滲透率差異很大，分布范圍從0.23～5.46 mD，因此可以認(rèn)為孔喉比也是影響低滲儲層孔隙結(jié)構(gòu)的因素。

從圖8的4個樣品孔喉比特征曲線來看，頁巖氣儲層的孔喉比整體分布范圍較大，分布在0～700之間且孔喉比數(shù)值整體偏大，這是低滲儲層難開發(fā)的原因之一。4塊樣品的孔喉比特征曲線差異還是比較大的，峰值差異也較大(90～300)。滲透率較小樣品的孔喉比大，分布范圍很寬，非均質(zhì)性較強(qiáng)，表明樣品中較大孔徑的孔隙與較小的喉道相連(如墨水瓶型)。這類儲層的孔隙結(jié)構(gòu)通常具有連通性較差且發(fā)育較多死孔隙，不利于頁巖氣的儲集(Mastalerz et al.，2013；Jiu et al.，2016)。相反，滲透率較大的頁巖樣品具有較小的孔喉比和分布區(qū)間，說明單個孔隙被大喉道所控制，滲流能力就相對較好。

圖7 頁巖樣品滲透率與平均孔喉比的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between permeability and average pore/throat ratio of shale samples

圖8 基于恒速壓汞的孔喉比分布特征Fig.8 Frequency versus pore/throat ratio revealed by constant-speed mercury injection experiments

3.4 毛細(xì)管曲線

本次研究分別得到了總體毛細(xì)管壓力曲線，孔隙和喉道的毛細(xì)管壓力曲線(圖9)。汞開始注入時，總體毛細(xì)管壓力與孔隙毛細(xì)管壓力相當(dāng)，即汞先進(jìn)入大喉道所控制的孔隙中。而后隨著壓力的繼續(xù)增大，汞開始突破較小的喉道繼而進(jìn)入與之連通的孔隙，但表現(xiàn)為急劇增大的進(jìn)汞壓力但相對較慢的進(jìn)汞量，表明喉道開始作為主要的控制因素。從毛細(xì)管壓力曲線的形態(tài)可以得出，孔隙在低滲儲層開發(fā)前期起著一定的主導(dǎo)作用，隨著壓力的增加，喉道開始起主要作用。對于頁巖氣儲層而言，喉道的作用會越加凸顯(Chen et al.，2018)，因?yàn)樽陨頋B透率很低，細(xì)小喉道數(shù)量多，喉道起作用時間會提前甚至在開發(fā)前期就是大喉道作為主要的滲流通道。

圖9 頁巖樣品的毛細(xì)管壓力曲線特征Fig.9 Capillary pressure versus mercury saturation of shale samples

4 結(jié)論與展望

(1)具有不同滲透率的頁巖氣儲層具有差異較為明顯的孔隙結(jié)構(gòu)特征，但表現(xiàn)為較為相似的孔隙特征而不同的喉道特征。

(2)滲透率較高的頁巖氣儲層具有較大的喉道半徑、寬泛的分布范圍及較小的孔喉比；而滲透率較低的頁巖氣儲層具有較大的孔喉比及較小的喉道半徑。

對于低滲儲層而言，尤其是頁巖氣儲層，喉道特征(主要包括大小、分布特征、形態(tài)等)是研究頁巖氣儲層儲集空間和吸附能力的重要部分，是控制頁巖氣滲流能力的關(guān)鍵因素之一，在以后對頁巖氣的勘探開發(fā)中應(yīng)特別注意及重視。