頁巖氣地質評價實驗測試技術研究進展

丁安徐 李小越 蔡 瀟 陳 磊 吳艷艷

中國石油化工股份有限公司華東分公司石油勘探開發研究院，江蘇 揚州 225007

0 前言

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣。天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、甚至砂巖地層中，表現為典型的“原地”成藏模式[1-2]。頁巖氣在成藏機理上既具有吸附、游離、水溶等多重特征，又具有自生、自儲、自保、儲層致密等特點[3-4]。

頁巖氣地質評價主要控制因素包括總有機碳、熱成熟度及有機質類型、含氣量、孔隙度、礦物組成及裂縫發育程度等。無論是頁巖氣的選區評價、儲量計算或開發階段，頁巖氣實驗測試技術都有無可替代的作用。作為一種非常規天然氣，常規油氣的實驗測試方法并不完全適用于頁巖氣。前人對頁巖氣實驗測試技術進行了梳理[5-7]，但在頁巖孔隙結構分析技術等方面不夠完善，本文結合文獻調研和測試經驗對頁巖氣地質評價實驗技術系列進行了總結，以期為我國頁巖氣勘探開發提供參考。

1 頁巖氣地質評價實驗分類

李玉喜等人[8]、胡昌蓬等人[9]歸納了頁巖氣地質評價的主要內容，其中含氣量、總有機碳、成熟度、孔隙度、滲透率、礦物組成等參數都是采用實驗技術手段獲取。北美的頁巖實驗測試技術發展相對完善，如Weatherford、Corelab、Schlumberger等公司，但各公司的實驗體系分類不同，主要有氣體評價、地球化學、常規巖芯分析、特殊巖芯分析、巖石學等幾大類。國內學者將頁巖氣評價總結為生氣能力、儲氣能力和易開采性三大方面[10]，包括氣體組分、含氣量、等溫吸附、巖石學、地球化學、致密巖石專項分析等六類。由于頁巖氣的特殊性，其研究內容不同于其他油氣資源，頁巖微觀孔隙結構應是巖石物性研究的重點。本文將頁巖氣地質評價實驗劃分為含氣性、地球化學、巖石物性、巖石學、巖石力學等五大類，分析項目見表1。

表1 頁巖氣地質評價實驗分析項目

2 頁巖氣地質評價實驗測試技術

2.1 含氣性分析

2.1.1 含氣量

含氣量是頁巖含氣性評價、儲量預測的關鍵參數。按賦存狀態分，頁巖氣包括游離氣、吸附氣和溶解氣[11-12]。按測定過程分，頁巖氣包括損失氣、解吸氣和殘余氣[13-15]。在頁巖納米級孔喉中，即使改變溫壓條件，氣體也僅能以分子或分子團的狀態進行擴散[16]。利用解吸法得到的實測頁巖含氣量既有吸附氣也有游離

氣[17-18]。

目前，國內外主要采用解吸法測定頁巖含氣量，包括損失氣量、解吸氣量和殘余氣量。在行業標準SY/T 6940-2013《頁巖含氣量測定方法》發布前，含氣量測定一直參考煤層氣標準GB/T 19559-2008和ASTM D 7569-2010，不同的是實驗溫度采用兩階解吸法，前3 h為鉆井液循環溫度，3 h后為地層溫度。含氣量測定關鍵在于損失氣量計算，通常采用美國礦務局USBM法直線回歸來估算，盡量避免或少用不穩定數據點來計算。唐穎等人及Shtepani E等人提出利用直線回歸與多項式回歸的加權平均或者采用非線性回歸來計算損失氣量。李玉喜等人則建議二次取心確定解吸氣含量。由于損失氣計算方法并不適用于游離氣，王飛宇等人[19]提出了根據流體飽和度計算游離氣與溶解氣的算法。

2.1.2 等溫吸附

等溫吸附實驗是在相同溫度、不同壓力條件下進行吸附實驗，獲得等溫吸附曲線，并根據 Langmuir 單分子層吸附理論，計算出表征頁巖對氣體吸附特性的Langmuir 體積和Langmuir 壓力。目前尚無頁巖的實驗標準，將頁巖粉碎后參考煤的等溫吸附實驗方法進行測試[20-21]，但其適用性值得商榷，同時尚不能確定Langmuir理論是否適用于頁巖的含氣性評價[22-23]。等溫吸附實驗方法主要有重量法[24-25]和容量法（體積法）[26]，采用平衡水飽和的濕樣容量法參考GB/T 19560-2008，采用抽真空干燥的干樣容量法參考SY/T 6132-1995。

2.1.3 氣體組分及同位素

氣體組分對頁巖氣開發的經濟評價十分重要，甲烷同位素數據可用于頁巖氣成因、來源、儲層連續性及區域分布等研究。氣樣在含氣量測定過程中采用排飽和鹽水直接法采集。氣體組分分析參考GB/T 13610-2003，甲烷同位素分析參考GB/T 18340.2-2010。

2.2 地球化學分析

2.2.1 總有機碳

總有機碳測試有碳硫測定法、燃燒法、熱解氣相色譜分析法以及氯仿瀝青“A”測定法等，目前最常用的是碳硫測定法。GB/T 19145-2003中用稀鹽酸將樣品的無機碳去除后，將樣品置于1 200℃的O2流中燃燒，以紅外檢測器檢測其總有機碳含量。巖石熱解報告中的有機碳含量為600℃下燃燒后計算得到[27]，與總有機碳含量并非同一概念，使用時應注意區分。

2.2.2 熱成熟度

巖石熱解參數、鏡質組反射率、可溶物抽提物的化學組成特征、干酪根自由基含量及時間溫度指數等都可用來表征烴源巖的熱成熟度。巖石熱解分析參考GB/T 18602-2001，鏡質組反射率測定參考SY/T 5124-2012。鏡質體主要存在于泥盆紀之后的沉積層中，泥盆紀之前的海相地層中很難找到，通常將海相鏡質組反射率換算成等效“陸相”鏡質組反射率[28]。

2.2.3 有機質類型

有機質類型評價的指標及技術很多，包括干酪根顯微組分鑒定、干酪根元素比、巖石熱解分析以及干酪根碳同位素等，應用最多的是干酪根顯微組分鑒定[29]，鑒定參考SY/T 5125-1996。干酪根鏡鑒時，應將干酪根薄片和全巖光片結合使用，最好使用光薄片相互驗證。

2.3 巖石物性分析

2.3.1 孔隙度與滲透率

孔隙度大小直接控制著游離氣的含量，滲透率則是判斷頁巖氣是否具有開發經濟價值的重要參數?？紫抖葴y試有波義爾定律雙室法、壓汞、氣體吸附、核磁共振、掃描電鏡等方法。頁巖的孔隙度和滲透率測試，國外最常用的是美國天然氣研究協會(Gas Research Institute)研發的 GRI法[30-32]，利用 Dean-Stark法抽提得到飽和度，根據顆粒密度與塊體密度計算孔隙度，采用壓力脈沖衰減法測試巖心滲透率和基質滲透率。此外，Cui X等人[33]提出了一種以波義耳定律為基礎，根據氣體比重關系來測試孔隙度和滲透率的方法，鄒才能等人[16]提出用孔隙“連通率”，即納米級孔喉的連通程度來表示滲透能力。

2.3.2 孔隙結構

孔隙系統是頁巖氣儲層的重要評價參數，可以運用X射線成像、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡（TEM）或者掃描聲學顯微鏡（SAM）研究頁巖微觀結構[34]。頁巖遇水易膨脹和改變物性，目前常用氬離子拋光技術進行樣品前處理。氬離子拋光-掃描電鏡技術可以直觀描述頁巖孔隙的幾何形態、連通性和充填情況，統計孔隙密度和優勢方向等，其觀察孔徑下限為2 nm[35-36]。聚焦離子束-掃描電鏡(FIB-SEM)分辨率一般優于2 nm[37]。Curtis M E等人[38]利用FIB-SEM得到了500張厚度10 nm的頁巖切片圖像，組合了三維多孔介質模型。原子力顯微鏡(AFM)不受觀察環境的限制，分辨率為1 nm，掃描范圍為 0～50μm[39]。Javadpour F 等人[40]首次運用 AFM 對納米孔吼的氣體流動開展了研究。近年來，計算機斷層掃描(CT)技術在油氣藏評價的應用與研究也日益增多[41]。鄒才能等人[42]采用X光成像Nano-CT系統，揭示了頁巖納米級三維巖石孔隙結構特征，最高分辨率達50 nm，該技術能有效表征頁巖內部納米孔的孔徑大小、形狀、變化規律及孔隙率等。

2.3.3 比表面積與孔徑分布

SEM雖可直接觀察納米級孔隙，但在測定孔徑分布時統計代表性較差。壓汞法與氣體吸附法可測得頁巖的孔徑大小分布，有效表征頁巖的非均質性。壓汞法參考SY/T 5346-2005，其探測上限為1 mm；氣體吸附法參考GB/T 19587-2004和SY/T 6154-1995，其探測下限為0.35 nm，二者聯合應用可以表征微孔到大孔范圍的孔徑分布[43]。由于方法的假設與理論模型不同，重疊部分的符合度不是很高，預熱也可能造成部分原生孔裂隙結構被破壞[36]。

2.3.4 核磁共振參數

孔隙內流體的弛豫時間和平均孔徑相互對應，利用T2弛豫時間分布可以評價孔隙大小及孔徑分布。與滲透率相比，可動流體百分數能更好地評價頁巖氣儲層滲流能力及開發潛力[44]。核磁共振巖心分析參考SY/T 6490-2007，該技術在頁巖氣領域的應用還處于探索階段，孫軍昌等人[45]結合氣水離心等技術標定了頁巖可動流體T2截止值的平均值為8.29 ms。

2.4 巖石學分析

2.4.1 薄片鑒定

頁巖紋層發育，富含有機質、黏土礦物、硅質及碳酸鹽礦物等，與普通泥巖具有顯著差異，但目前尚無頁巖專屬的鑒定標準，頁巖薄片鑒定仍參考SY/T 5368-2000。針對傳統巖石薄片鑒定中肉眼觀察定量困難和主觀性強等問題，葉潤青等人[46]提出了基于多尺度分割的巖石圖像礦物特征信息提取方法。

2.4.2 X射線衍射全巖和黏土礦物分析

X射線衍射技術(XRD)是鑒定、分析和測量固態物質物相的一種基本方法，測試參考SY/T 5163-2010。XRD能對巖石礦物進行半定量分析，可以測定頁巖中石英、斜長石、鉀長石、碳酸鹽礦物、黏土礦物等礦物的含量[47]，給出巖石的礦物組成，這對頁巖氣的地質評價和壓裂選層極為重要。

2.5 巖石力學分析

頁巖氣開發需要對儲層進行壓裂改造，巖石力學性質也是儲層評價的重要內容之一。巖石力學性質一般通過三軸或單軸力學實驗獲取動態或靜態下的彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度、軟化系數等巖石力學參數，測試參考GB/T 23561。為避免巖石結構及力學性質發生較大變化，多采用冷凍法保存巖心和液氮鉆取制樣技術。此外，李慶輝人等[47]提出用巖石彈性參數和礦物組成綜合評價頁巖的脆性。

3 結論

國內頁巖氣實驗還處于探索研究階段，頁巖氣專項實驗尚未建立統一的實驗標準，多項關鍵實驗技術與設備還依賴于國外。因此，當前亟需建立適合中國地質條件的頁巖氣實驗技術體系、規范流程和質量標準。

隨著非常規油氣事業的快速發展，其實驗技術將向微觀發展，從納米級甚至原子級來研究頁巖中的孔隙結構、流體賦存狀態及流動和擴散規律等，納米油氣透視觀測鏡、納米油氣驅替等前沿技術將被應用于頁巖氣研究。納米孔中存儲的氣體可能具有復雜的熱力學狀態，深入研究頁巖微觀孔隙結構對頁巖氣資源評價和成藏機理研究，乃至頁巖氣勘探開發均有重要意義。為滿足頁巖氣勘探開發一體化的需要，在地質評價過程中還應考慮頁巖敏感性評價，結合國內外頁巖儲層傷害機理研究及常規油氣儲層保護實驗方法，研發頁巖敏感性評價及儲層保護實驗新技術。

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