頁巖氣儲層孔隙連通性及其對頁巖氣開發的啟示
——以四川盆地南部下志留統龍馬溪組為例

張海杰 蔣裕強 周克明 付永紅 鐘 錚 張雪梅 漆 麟 王占磊 蔣增政

1.重慶頁巖氣勘探開發有限責任公司 2.西南石油大學地球科學與技術學院 3.中國石油非常規重點實驗室儲層評價分室

4.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 5.四川科宏石油天然氣工程有限公司

6.中國石油川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發研究院 7.四川杰瑞泰克科技有限公司

0 引言

我國海相頁巖氣開發已取得了工業化突破，截至2018年頁巖年產量已超過100×108m3[1]。四川盆地大足區塊下志留統龍馬溪組多口頁巖氣井獲得高產工業氣流，揭示了四川盆地南部（本文主要是指重慶市西部地區，以下簡稱渝西地區）良好的頁巖氣資源勘探開發前景。在實際生產過程中，常常采用柱塞樣（直徑2.5 cm×5.0 cm）進行孔隙度評價，柱塞樣孔隙度僅僅反映連通孔隙特征而忽視了頁巖中的不連通孔隙。相關研究表明，頁巖氣儲層孔隙形狀多樣，發育大量的“墨水瓶狀或漏斗形狀”的孔隙[2-3]，甚至還發育大量閉孔[4-5]。如果“墨水瓶狀或漏斗形狀”孔隙在瓶頸處的喉道非常細小，甚至接近甲烷的分子直徑，那么這些孔隙和閉孔中的甲烷將失去流動能力，故將閉孔和這部分“墨水瓶狀或漏斗形狀”孔隙稱之為不連通孔隙。由于頁巖復雜的礦物組成，強烈的非均質性[6]，特低孔隙度、特低滲透率的特征[7-8]，頁巖氣有效開發必須借助大型水力壓裂技術，壓裂后不連通孔隙將有可能被打開。同時，壓裂后頁巖自吸水會產生大量的微裂縫[9-12]，也大大增加了不連通孔隙被微裂縫連通的機會，使不連通孔隙可采。因此，認識頁巖氣儲層中連通孔隙和不連通孔隙比例與性質，有利于制訂合理的開發措施，對評價頁巖氣儲層有效孔隙度、認識頁巖氣可采儲量具有重要意義。

1972年，國際理論和應用化學協會（IUPAC）根據孔隙的孔徑絕對大小，將孔隙分為微孔（小于2 nm）、中孔（2～50 nm）和大孔或宏孔（大于50 nm），該分類方案在非常規油氣資源孔隙評價中得到了廣泛應用。Loucks等[13]提出了泥頁巖氣儲層基質孔隙三端元分類方案，把基質孔隙劃分為3種類型，即粒間孔隙、粒內孔隙和有機質孔隙；于炳松[14]結合Chalmers、Slatt和Loucks的觀點，提出了頁巖氣儲層孔隙產狀—結構綜合分類方案，目前在國內廣泛應用[15]。這3類主流分類方法是以孔徑大小或孔隙成因為依據進行劃分，無法反映頁巖氣儲層中流體的運移特征，只從靜態角度評價頁巖孔隙特征，難以滿足頁巖氣有效開發的需求。Liu等[16]采用離心和漸變干燥核磁共振技術對頁巖氣儲層進行分級，認識到流體在孔隙空間中流動性質的重要性。但以上孔隙分類方案均沒有考慮到頁巖氣儲層中的不連通孔隙，不能充分地認識頁巖氣在儲層中的賦存及流動特征，限制了儲層孔隙有效性的評價[17]。頁巖氣儲層需采用大型水力壓裂進行開采，使不連通含氣孔隙可能轉變成“潛在可采孔隙”，在評價頁巖氣儲層孔隙有效性時，必須充分認識不連通孔隙的性質。因此，需要充分認識頁巖氣儲層中的不連通孔隙，建立孔徑大小和孔隙流體賦存機制的孔隙分類方案，實現頁巖氣儲層總孔隙有效性評價。

針對頁巖氣儲層孔隙連通性及有效性評價，筆者以渝西地區龍馬溪組頁巖氣儲層為研究對象，開展柱塞樣和碎樣巖心孔隙度、飽和鹽水后離心＋漸變干燥核磁共振和核磁凍融實驗，首先認識不連通孔隙體積、主要發育位置、主要孔徑分布范圍，再確定頁巖含氣連通孔隙有效孔徑下限，最終實現頁巖氣儲層全孔隙有效性評價，并探討了頁巖中不連通孔隙對開發的影響。

1 實驗樣品與實驗流程

1.1 實驗樣品

選取渝西地區4口井龍馬溪組富有機質黑色頁巖為研究對象，實驗前測量樣品中的有機質含量（TOC）和巖石組分（表1）。TOC介于2.33%～5.80%，石英含量介于45.22%～64.88%，黏土礦物含量介于11.34%～27.68%。表明該區頁巖氣儲層具有高生氣能力和高脆性特征，有利于頁巖氣開發。

表1 渝西地區龍馬溪組頁巖樣品部分組分統計表

1.2 實驗流程

選取6組平行柱塞樣開展實驗：一組柱塞樣先進行氦孔隙度測量，隨后在柱塞樣上用迷你鉆床鉆取小巖樣（10 mm×15 mm）進行核磁凍融實驗，再將巖心粉碎至60目以下，開展碎樣氦孔隙度和核磁凍融實驗；另一組柱塞樣進行抽真空加壓飽和KCl鹽水（20 g/L）后測量核磁共振T2譜，然后測量離心和干燥后的核磁共振T2譜。

氦孔隙度測量的注入壓力為2 MPa，以保證氦氣完全飽和實驗樣品，實驗方法參照GB/T29172—2012巖心分析方法標準；碎樣孔隙度測量參照GRI方法[18]；核磁凍融實驗采用蒸餾水為探針液，溫度從－33 ℃逐漸升高至－10 ℃過程中，測試溫度點間隔為1 ℃，從－10 ℃升高至0 ℃過程中，測試溫度點間隔為0.5 ℃，每個溫度點穩定時間為5 min。核磁共振實驗樣品需將抽真空加壓（15 MPa）飽和鹽水48 h后測量核磁共振T2譜，以反映巖心的總孔隙特征，隨后離心（12 000 r/min）測量核磁共振T2譜。將樣品在40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、200 ℃溫度下干燥24 h再測量核磁共振T2譜，具體實驗步驟和測試參數參考本文參考文獻[19]。

2 頁巖不連通孔隙特征

2.1 頁巖不連通孔隙體積

圖1 渝西地區龍馬溪組頁巖柱塞樣與碎樣孔隙度對比圖

實驗分析表明，頁巖柱塞樣孔隙度明顯低于碎樣孔隙度（圖1）。由于頁巖中存在大量的不連通孔隙[4]，這些不連通孔隙在粉碎過程中被打開變成了連通孔隙，增大了頁巖孔隙度，提高了可采孔隙體積[20-23]。筆者采用柱塞樣氦孔隙度測定的飽和壓力為2 MPa，基本能夠保證頁巖中的連通孔隙被氦氣飽和[23]。GRI方法是將頁巖樣品粉碎至60目以下，打開了大量不連通孔隙[22]，氦氣分子進入了更多的孔隙空間。因此，柱塞樣氦孔隙度反映了頁巖連通孔隙度特征，而碎樣孔隙度反映了頁巖總孔隙度特征，即包含了柱塞樣的連通孔隙和不連通孔隙，碎樣孔隙度與柱塞樣孔隙度之差可反映柱塞樣的不連通孔隙。渝西地區龍馬溪組頁巖氣儲層不連通孔隙占比介于22.39%～38.06%（表1），平均值為30.23%。

2.2 不連通孔隙發育位置

不連通孔隙中是否能儲集天然氣，將直接影響頁巖氣儲層孔隙有效性評價，研究不連通孔隙發育位置對確定不連通孔隙是否儲集天然氣具有重要意義。如圖2所示，頁巖氣儲層樣品不連通孔隙率與TOC存在較好的正相關，與黏土礦物含量相關性不明顯，表明不連通孔隙主要與有機質及其含量相關，在黏土礦物中相對不發育，該認識與Bahadur等[4]和Sun Mengdi等[5]取得的認識相似。在熱演化程度高的條件下，TOC越高有機孔越發育，而有機孔是頁巖中非常重要的儲集天然氣的有效孔隙空間[4,24]。由此可見，不連通孔隙在頁巖中主要以有機孔為主，在適中的成熟度下，這些不連通的有機孔能夠儲集天然氣。

圖2 不連通孔隙率與TOC和黏土礦物含量關系圖

2.3 不連通孔隙孔徑分布

已有研究報道，頁巖的孔隙體積隨粒徑減小而增大[22,25]。為了確定打開不連通孔隙的最佳粉碎粒徑，首先選取R3樣品開展不同粒徑的核磁凍融測試，以分析不連通孔隙的孔徑分布范圍。如圖3所示，隨著測試樣品粉碎粒徑減小，累積孔隙體積逐漸增加。當樣品為柱塞樣時，孔隙體積增加不明顯；當樣品粒徑從柱塞樣粉碎后，孔隙體積增加較明顯，隨后樣品孔隙體積增加緩慢，且孔隙體積增加的比率為41.5%，與采用氦孔法表征的不連通孔隙率相當，表明頁巖樣品粉碎至粒徑0.150～0.075 mm時打開了大部分不連通孔隙。雖然粒徑越細小，增加的孔隙體積越多，但當粒徑小于60目后頁巖的顆粒被損，導致孔隙孔徑被破壞[23]，使測試的孔隙體積偏大。因此，通過對比小柱塞樣（10 mm×20 mm）與粒徑介于0.150～0.075 mm碎樣的孔隙體積差異所對應的孔徑分布可確定不連通孔隙孔徑分布范圍。為了落實渝西地區頁巖氣儲層不連通孔隙的孔徑分布，繼續測試剩余柱塞樣（10 mm×20 mm）與粒徑介于0.150～0.075 mm碎樣的孔隙體積。結果顯示，孔徑介于2～5 nm的孔隙體積與測試樣品的粒徑基本無關；孔徑介于5～30 nm的孔隙體積隨粒徑減小出現顯著增加；孔徑介于30～50 nm的孔隙體積隨粒徑減小增加不明顯（圖4）。由于樣品粉碎至毫米級時大部分不連通孔隙被打開使其孔隙體積出現顯著增加，且孔徑介于5～30 nm增加明顯。因此，確定頁巖中不連通孔隙的孔徑分布主要集中于5～30 nm。

圖3 R3樣品不同粉碎粒徑累積孔隙體積分布圖

3 頁巖氣儲層孔隙系統及孔徑分布

3.1 孔隙流體類型劃分

常規儲層常采用離心＋核磁共振技術確定儲層巖石中的可動流體與毛細管束縛流體，離心轉速介于4 000～8 000 r/min[26-27]。頁巖孔徑細小，需要更高的離心轉速（12 000 r/min）才能區分孔隙中的可動流體與毛細管束縛流體[16]。水力壓裂開采頁巖氣，毛細管束縛水占據的孔隙空間常常會壓裂破壞或被吸水置換，以傳統意義上的毛細管束縛水確定頁巖氣儲層有效孔隙下限明顯不足。研究頁巖氣儲層孔隙流體分布特征對評價孔隙有效性下限尤為重要。研究區頁巖氣儲層含有較高的黏土礦物（表1），儲層孔隙中黏土礦物束縛水含量較高，這部分水屬于黏土礦物的一種屬性，占據了相關孔隙而不能儲集天然氣[28]。筆者在離心轉速12 000 r/min條件下結合漸變溫度干燥進行頁巖氣儲層孔隙流體類型劃分，以確定相應的核磁共振T2截止值。

經過12 000 r/min離心后，實驗樣品核磁共振T2譜的長弛豫峰（大孔隙部分）出現明顯減小，短弛豫峰（小孔隙部分）隨離心轉速的增加出現逐漸減小的趨勢，總減小程度即可動流體含量約為25%，同時伴隨核磁共振T2譜峰左移（圖5），表明大孔隙或微裂縫中的水在離心力作用下被排出孔隙，而小孔隙中的流體排出較少，孔隙空間仍被大量的毛細管束縛水占據。因此，經12 000 r/min離心后的T2譜曲線可有效區分頁巖氣儲層毛細管束縛流體和可動流體，該認識與Liu等[16]取得的認識相一致。經離心核磁共振T2譜可獲得頁巖氣儲層中的不可動流體，但不可動流體仍需進一步區分毛細管束縛水和黏土礦物束縛水。圖5進一步表明：隨干燥溫度增加，核磁共振T2譜峰呈現逐漸減小的趨勢，且譜峰出現明顯的左移，最終所有頁巖樣品譜峰頂點多集中在0.2 ms左右。當溫度從40 ℃增加到80 ℃時，核磁共振T2譜峰下降較明顯；當干燥溫度從80 ℃增加到120 ℃時，核磁共振T2譜峰基本保持不變；溫度再升高到200 ℃時，核磁共振T2譜又出現較輕微的下降，整個變化過程可分為3個階段：第一階段孔隙度下降較快，表明樣品損失的孔隙水主要以毛細管束縛流體為主；第二階段孔隙度基本保持不變，主要是黏土礦物束縛水具有較強束縛力，故需要更高的干燥溫度；第三階段是溫度高于120 ℃時黏土礦物束縛水開始大量損失[29]。研究結果表明，第一階段80 ℃干燥主要損失毛細管束縛流體，第二階段巖心基本不損失水，第三階段120 ℃干燥可劃分黏土礦物束縛水。考慮到地層埋深約4 000 m，選取120 ℃作為區分毛細管束縛水和黏土礦物束縛水的干燥溫度界限。

綜上分析表明，可動水和毛細管束縛水可通過高速離心＋核磁共振方法確定，漸變干燥＋核磁共振方法可確定毛細管束縛水和黏土礦物束縛水。

圖4 柱塞樣與碎樣孔隙體積對比圖

3.2 頁巖氣儲層孔徑定量計算

通過核磁共振T2譜和核磁凍融實驗可定量計算頁巖氣儲層孔徑分布，核磁共振橫向弛豫時間（T2）可表示為[30]：

式中T2表示頁巖樣品的核磁共振橫向弛豫時間，ms；ρ2表示頁巖樣品的橫向弛豫率，nm/ms；S表示頁巖樣品的孔隙表面積，nm2；V表示頁巖樣品的孔隙體積，nm3；Fs表示頁巖的孔隙幾何形狀因子（球形孔隙Fs=3；管柱狀孔隙Fs=2）；rc表示頁巖樣品的孔隙半徑，nm。

孔隙半徑rc可由式（1）轉換獲取。

即

式中C2表示孔隙半徑rc與橫向弛豫時間T2之間的轉換系數（C2=ρ2Fs）。

實現核磁共振孔徑分布定量計算的關鍵在于確定轉換系數C2。根據Chen等[31]提出的核磁共振橫向弛豫時間與孔徑之間的轉換方法計算的轉換系數C2（表2），孔徑分布定量計算與擬合見圖6。

圖5 不同溫度干燥后的頁巖核磁共振T2譜圖

4 頁巖氣儲層孔隙有效性評價

4.1 有效孔隙度下限

研究結果表明，采用離心和漸變溫度干燥可將孔隙流體劃分為可動水、毛細管束縛水和黏土礦物束縛水等3部分。由此定義Tc1和Tc2分別為可動水與毛細管束縛水間的截止值和毛細管束縛水與黏土礦物束縛水間的截止值，其中120 ℃干燥后核磁共振T2譜峰代表黏土礦物束縛水、有機質和干黏土礦物信號的總和。這些核磁信號均來自頁巖基質，對頁巖氣儲集和運移并沒有貢獻。不論壓裂與否，120 ℃干燥后核磁共振反映的孔隙度均是不可開發的孔隙空間。前已述及，12 000 r/min轉速離心后樣品的核磁共振T2譜可獲取可動水含量，120 ℃干燥后樣品的核磁共振T2譜可獲得毛細管束縛水含量，200 ℃干燥后的樣品核磁共振T2譜可獲得黏土礦物束縛水含量，進而獲得不同的截止值和頁巖氣有效孔隙度下限（表2）。

表2 頁巖樣品T2截止值及其對應孔徑和有效孔隙度計算表

圖6 核磁共振T2譜與核磁凍融測試結果擬合關系圖

以Z2-1樣品為例，在孔徑分布對應的T2時間上可將頁巖核磁共振響應劃分為固體和流體兩類。流體可進一步劃分為自由可動水、毛細管束縛水和黏土礦物束縛水（圖7）?？蓜铀侵苯臃从抽_采難易的重要參數，可通過飽和樣品離心12 000 r/min獲取，對應的平均核磁共振T2時間和孔徑下限分別為1.05 ms和21.98 nm，在低于該下限的地層條件下，黏土礦物束縛水占據的孔隙空間不可能被氣體充填[28]，因此黏土礦物束縛水的T2截止值可作為頁巖氣儲層有效孔隙的最小孔徑下限值。6個頁巖樣品的有效孔隙對應的平均核磁共振T2時間和孔徑下限分別為0.26 ms和5.35 nm。前已述及，不連通孔隙的孔徑主要集中于5～30 nm，該孔徑分布范圍大于頁巖氣儲層有效孔隙的平均孔隙半徑。同時，頁巖氣儲層中不連通孔隙主要發育于有機質中，即不連通孔隙以有機孔為主，為不連通孔隙儲集天然氣提供了有利機會。

圖7 頁巖氣儲層孔隙系統劃分示意圖

4.2 基質吸水造縫與自動緩解水鎖

大型水力壓裂體積改造是頁巖氣工業化開采的關鍵技術，2×104～3×104m3壓裂液泵入地下頁巖氣儲層，但壓裂液返排率通常只有5%～40%[32]。成千上萬噸壓裂液滯留于儲層孔隙內形成水鎖，勢必嚴重影響頁巖氣在儲層孔隙中的流動。研究結果表明，頁巖氣儲層在滯留大量壓裂液的同時，黏土礦物吸水膨脹產生大量的微裂縫[9-11,33-34]，將提高頁巖氣儲層的滲流能力。美國Horn River盆地的頁巖氣井在壓裂后延長關井時間（悶井）有效地提高了產氣量。壓裂液滲吸對氣體具有交換作用已得到了實驗和現場驗證[11]，表明頁巖氣儲層壓裂后具有“自動緩解水鎖”能力。頁巖氣儲層與常規儲層的開發方式不同，適合中國頁巖氣的排采機制主要為“壓后悶井”和“控壓限產”兩種方式[35]，目的是促進頁巖氣儲層吸水產生微裂縫，自發緩解頁巖氣儲層的水鎖現象。

頁巖氣水平井段總是存在上下起伏的情況，處于低洼部分的井段儲集的壓裂液較多，其靜液柱壓力相對較高（圖8-a）。頁巖氣儲層壓裂后產生的大量裂縫和悶井過程中黏土礦物吸水膨脹產生的大量微裂縫，不僅是天然氣的滲流通道，更是釋放天然氣后為壓裂液的吸收提供了更多的空間。壓裂和黏土礦物吸水膨脹產生大量的微裂縫可連通頁巖基質中的不連通孔隙，從而達到增加天然氣釋放和壓裂液吸收的作用，使井筒內靜液面高度降低，起到自動緩解水鎖的作用（圖8-b）。因此，壓裂改造不僅需要關注壓裂波及范圍及改造強度，也需要關注壓裂液性質與儲層基質的相互作用，打開不連通孔隙，增加孔隙可采性，提高頁巖氣單井產氣量。

圖8 頁巖氣儲層自動吸水緩解水鎖示意圖

5 結論

1）渝西地區頁巖氣儲層碎樣孔隙度明顯大于柱塞樣孔隙度。頁巖基質中不連通孔隙占比為32.30%。不連通孔隙與TOC明顯正相關，與黏土礦物含量關系不明顯，不連通孔隙主要發育于有機質中；樣品粒徑減小，核磁凍融測試孔隙體積逐漸增加，增加的孔隙體積對應的孔徑分布主要介于5～30 nm，表明不連通孔隙孔徑分布主要集中于5～30 nm。

2）采用離心＋漸變干燥法，結合核磁共振實驗可實現頁巖孔隙中流體賦存狀態的劃分。可動水和毛細管束縛水可通過高速離心＋核磁共振實驗進行確定；漸變干燥＋核磁共振實驗可確定毛細管束縛水和黏土礦物束縛水。實驗結果為頁巖孔隙系統定量劃分奠定了基礎。

3）利用核磁凍融實驗結果與核磁T2譜擬合，可定量計算頁巖孔徑分布。渝西地區頁巖氣儲層中大于21.98 nm的孔隙為可動水賦存空間，5.35～21.98 nm的孔隙為毛細管束縛水賦存空間，小于5.35 nm的孔隙為黏土礦物束縛水賦存空間，該區頁巖氣儲層可開采孔隙下限為5.35 nm。

4）研究區不連通孔隙孔徑分布主要介于5～30 nm，遠大于該區頁巖氣儲層有效孔隙下限5.35 nm，可見不連通孔隙被打開后仍可有效開采。有效孔隙度為可動流體與毛細管束縛流體占據的孔隙體積與巖石總體積之比。渝西地區頁巖有效孔隙度介于3.69%～5.58%，平均值為4.34%。

5）壓裂和黏土礦物吸水膨脹產生大量的微裂縫可連通頁巖基質中的不連通孔隙，可增加天然氣釋放和壓裂液吸收以及自動緩解水鎖作用。壓裂改造需重點關注打開不連通孔隙，增加孔隙可采性，有效提高頁巖氣單井產氣量。