巖石中的孔隙及其意義

張濤

摘 要：孔隙是巖石中未被固體充填的部分，自然界的中巖石都含有一定量的孔隙。孔隙可以影響巖石的多種物理性質(zhì)，特別是孔隙提供了碳?xì)浠衔锏膬?chǔ)存空間，是形成油氣藏的必要條件。不同性質(zhì)的巖石其孔隙度各不相同，一般而言沉積巖的孔隙度最高。深入研究巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征可以更好地發(fā)揮油氣層的產(chǎn)能和提高油氣采收率。

關(guān)鍵詞：巖石 孔隙 儲(chǔ)層

中圖分類號：TU45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（b）-0053-02

1 什么是孔隙

盡管巖石看起來堅(jiān)硬又致密，但在顯微鏡下觀察巖石時(shí)，可以看到絕大多數(shù)巖石都發(fā)育大量的孔隙。從材料力學(xué)來看，巖石是一種天然的多孔材料。巖石內(nèi)部有大量形態(tài)各異、不同大小和成因的空隙，這些空隙就稱為巖石的孔隙。巖石中的孔隙對巖石各個(gè)方面的物理性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。例如：隨著孔隙的增多，巖石的強(qiáng)度可能會(huì)下降，流體更容易通過巖石；更重要的是巖石孔隙的多少，決定了巖石儲(chǔ)存流體的能力。廣義的孔隙是指巖石中未被固體物質(zhì)充填的空間部分，即儲(chǔ)集空間，有人亦稱其為空隙，包括各種類型的孔隙（狹義的）、裂縫和溶洞。其中狹義的孔隙是指巖石中顆粒（晶粒）間、顆粒（晶粒）內(nèi)和填隙物內(nèi)的空隙。自然界中所有的巖石或多或少都具有孔隙。

2 巖石中孔隙的類型

巖石中存在各種各樣的孔隙，根據(jù)不同的方案可以將孔隙劃分為不同的類型。按照成因來講主要可以分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫。原生孔隙指沉積物沉積后，成巖作用之前或同時(shí)所形成的孔隙，形狀規(guī)則，大小相近，分布均勻。次生孔隙指成巖作用后，各種流體可能會(huì)增強(qiáng)巖石的總孔隙度，作用可能包含溶蝕、重結(jié)晶等。裂縫指成巖作用或構(gòu)造作用下形成的孔隙。

按照孔隙的大小又可以分為大孔、介孔和微孔。大孔是指直徑大于50nm的孔；介孔是指直徑大于2nm且小于50nm的孔；微孔是指直徑小于2nm的孔，圖1，圖2所示[1]。

在石油天然氣勘探中分為有效孔隙和無效孔隙。有效孔隙的孔隙間互相連通，流體在自然條件下可在其中流動(dòng)的孔隙空間。無效孔隙指巖石中那些孤立而互不連通的孔隙及微毛細(xì)管孔隙。在石油天然氣開采中，只有相互連通的孔隙才具有實(shí)際生產(chǎn)意義[2]。而那些孤立的互不連通的孔隙，油氣無法運(yùn)移到其中的空間，即使其中儲(chǔ)存有一定量的油氣，一般也不能被開采出來，所以這類孔隙是沒有實(shí)際意義的，稱為無效孔隙。

3 絕對孔隙度和有效孔隙度

巖石中未被碎屑物質(zhì)或填隙物充填的空間與巖石總體積之比，稱為巖石的絕對孔隙度。孔隙度是表征巖石的孔隙部分的物理量，定義為孔隙的體積與巖石總體積的比率，用百分?jǐn)?shù)表示為0%～100%之間，可用下式表示：

（1）

式中，φt為總孔隙度（%），無量綱量；為巖石總孔隙體積，cm3；Vr為巖石總體積，cm3。有效孔隙度指的是能夠容納流體的孔隙的體積與巖石總體積的比率，這個(gè)數(shù)值在應(yīng)用上更有意義。將開放孔所占體積與巖石總體積的比值定義為有效孔隙度，可用下式表示：

（2）

式中，φe為有效孔隙度（%），無量綱量；為有效孔隙體積，cm3；Vr為巖石總體積，cm3。

顯然，同一巖石樣品的有效孔隙度小于其總孔隙度。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般是使用巖石的有效孔隙度。作為油氣儲(chǔ)集巖的有效孔隙度一般在5-30%之間，最常見者為10-25%[3]。

不同類型巖石的孔隙度具有較大的差異性。我們見到的巖石按照成因分類可以分為三大類：火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖。簡單來說，火成巖是由熔巖或巖漿冷卻后凝固而成的巖石。沉積巖是在地表不太深的地方，將其他巖石的風(fēng)化產(chǎn)物和一些火山噴發(fā)物，經(jīng)過水流或冰川的搬運(yùn)、沉積、成巖作用形成的巖石。變質(zhì)巖是原巖受到熱和壓力的作用，改變其內(nèi)部的物理和化學(xué)性質(zhì)形成的巖石。相對來說火成巖往往具有低孔隙度，而變質(zhì)巖和沉積巖則具有較高的孔隙度。由于大部分火成巖在高溫高壓下形成，花崗巖和玄武巖等火成巖的孔隙空間非常有限。然而，在冷卻過程中，某些火成巖顆粒會(huì)收縮而導(dǎo)致開裂。如花崗巖的孔隙度在0.4%～1.5%之間。但像砂巖這樣的沉積巖具有較高孔隙度，因?yàn)樯沉２荒芎芫o密的挨在一起，所以砂巖可以有高達(dá)20%的孔隙度。這意味著只有80%是堅(jiān)硬的巖石，20%是含有石油、天然氣或水的開放空間。因此，即使我們?nèi)粘Ｉ钪懈惺艿缴皫r非常堅(jiān)硬，看起來非常致密，它實(shí)際上非常像海綿（是非常堅(jiān)硬，不可壓縮的海綿）。在沙粒之間，存在足夠的空間儲(chǔ)存像石油或天然氣這樣的流體。

4 結(jié)語

看似堅(jiān)硬致密的巖石中的孔隙在現(xiàn)代石油天然氣勘探中具有重要的意義。特別是21世紀(jì)以來，頁巖氣的迅猛發(fā)展促進(jìn)了一大批研究孔隙與孔隙結(jié)構(gòu)的新方法和技術(shù)，使得對泥頁巖中的孔隙結(jié)構(gòu)和類型有了新的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)

[1] Guo H， He R， Jia W， et al. Pore characteristics of lacustrine shale within the oil window in the Upper Triassic Yanchang Formation， southeastern Ordos Basin， China[J]. Marine and Petroleum Geology，2018（91）：279-296.

[2] 陳杰，周改英，趙喜亮，等.儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征研究方法綜述[J]. 特種油氣藏，2005（4）： 11-14.

[3] 紀(jì)友亮. 油氣儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)[M]. 東營： 中國石油大學(xué)出版社， 2016： 1-313.