基于氮吸附的致密砂巖儲層納米級孔隙分布表征

孫 彤，張志強，師永民，汪 賀

(北京大學，北京 100871)

0 引 言

華慶油田長63小層是一套半深湖—深湖相為主的厚層砂質碎屑流砂體體系，非均質性強且物性差，為典型的致密砂巖儲層，儲層孔隙度平均為9.86%，滲透率為0.01～0.50 mD，孔隙類型以礦物粒間殘余孔、黏土礦物晶間孔及顆粒內部溶蝕孔為主。目前針對華慶油田油氣儲層的微觀孔隙結構研究較多，常見掃描電鏡、高壓壓汞、核磁共振等方法，但利用氮吸附實驗對致密砂巖納米級孔隙特征研究相對較少[1-4]。低溫氮吸附實驗可有效解決致密儲層比表面積較大和孔徑較小的問題，可對微小孔隙及微裂縫的半徑分布進行準確表征，尤其是對納米級孔隙進行定量描述。前人研究普遍認為[5-9]，微納米級孔隙是致密油儲層的重要賦存空間，有效表征致密儲層納米級孔隙分布特征對明確致密儲集空間具有重要意義。因此，有必要對鄂爾多斯盆地華慶油田延長組長63致密砂巖儲層納米級孔隙結構進行深入研究。

1 實驗準備

選取鄂爾多斯盆地華慶油田延長組長63小層巖樣(F1—F6、G1—G10)，利用掃描電鏡觀察致密砂巖儲層納米級孔隙結構特征，氮吸附實驗定量評價致密砂巖納米級孔隙分布特征。掃描電鏡利用高能電子束與樣品物質的交互信息反映，觀察物體表面結構與成分，具有景深大、立體感強和分辨率高的特點，主要用來觀察孔隙形狀、孔喉大小及進行成分分析[10-13]。氮氣吸附實驗采用美國 Quantachrome 公司生產的 QUADRASORB SI 型比表面積和孔徑分析儀，通過等溫物理吸附的靜態容積法得到等溫吸附曲線，可用于刻畫介質的孔徑及比表面積分布等[14-15]，氮吸附的有效分析范圍為2～100 nm[16-17]。

2 實驗結果與討論

2.1 掃描電鏡觀察

掃描電鏡結果顯示，致密砂巖儲層納米級孔隙特征復雜多樣，主要包括黏土礦物晶間孔、殘余晶間孔、粒內溶蝕孔及微裂縫等(圖1)。黏土礦物充填粒間孔隙，發育大量的黏土礦物晶間孔，以伊利石、綠泥石及伊蒙混層等晶間微孔隙為主，孔徑小，形態隨黏土礦物類型而變化，具有一定的連通性。伊利石晶間孔隙多為不規則圓柱狀、橢球狀、條帶狀等形狀，孔隙直徑為140～1 650 nm，平均為820 nm；綠泥石形態規則，但大多堆積雜亂，其晶間孔隙有圓柱狀、狹縫狀、條帶狀、層狀等，孔隙直徑為150～350 nm，平均為240 nm；伊蒙混層總體呈網狀分布，其晶間孔隙大多呈圓柱狀孔洞形態，孔隙直徑為280～990 nm，平均為630 nm。納米孔物性條件較差，含油性較差，晶間孔以油膜方式賦存原油，致密儲層發育的微裂縫具有明顯改善儲層滲透率的作用。

圖1 致密砂巖儲層納米孔隙發育特征

2.2 低溫氮吸附實驗

2.2.1 氮吸附平衡等溫線

圖2為H1、H2、H3三種類型回滯環曲線。由圖2可知，各樣品的吸附-脫附曲線的形態不同，整體上均呈反“S”形，根據IUPAC的吸附平衡等溫線分類[18-20]，各樣品的吸附等溫線均為典型的Ⅳ型等溫線。在低壓段有較多微孔存在，且與氮有較強的作用力，隨相對壓力的增加，在中壓段后，各樣品的吸附等溫線形態逐漸顯現較大的差異。

根據IUPAC的遲滯回線分類[18-20]，可將樣品分為3種：①樣品F5、F6、G1、G2以及G5的吸附等溫線呈現H1型回滯環(圖2a)，總體較窄，脫附曲線基本平行于吸附曲線，無明顯的拐點，表明樣品孔徑范圍較窄，對應圓柱狀、圓筒狀、橢球狀的納米級孔隙，孔隙連通性較好；②樣品F4、G4、G6、G7以及G10的吸附等溫線呈現H2型回滯環(圖2b)，總體較寬，表明樣品孔徑范圍較窄，脫附曲線比吸附曲線陡，存在明顯下降的拐點，表明樣品孔型復雜多樣、孔徑分布范圍寬，對應墨水瓶狀的納米級孔隙，孔隙連通性較差；③樣品F1、F2、F3、G3、G8以及G9的吸附等溫線呈現H3型回滯環(圖2c)，總體特別窄，脫附曲線與吸附曲線大致趨于重合，且隨相對壓力的增大上升速度快，當平衡壓力接近飽和蒸氣壓時沒有發生飽和吸附現象，對應狹縫狀、彎片狀的納米級孔隙。

圖2 3種類型回滯環

2.2.2 孔徑分布特征

據IUPAC及桑樹勛等[21]的孔隙分類將致密砂巖樣品納米級孔隙分為4個區間，即吸收微孔(孔徑小于2 nm)、吸附介孔(孔徑為2～10 nm)、凝聚吸附介孔(孔徑為10～100 nm)以及滲流大孔(孔徑大于100 nm)，孔隙分布主要呈現3種模式。

(1) 小單峰模式。樣品G1、G3、G4、G6以及G10呈現出小單峰的分布模式(圖3a)，納米級孔徑分布在258 nm以內，主要有一個峰值分布在2～10 nm，其他區間沒有出現峰值，且孔徑分布幅度較小。由圖3a可知：孔徑為40～130 nm時，曲線下降逐漸緩慢，孔徑大于130 nm之后，曲線下降趨勢較為明顯；4種孔隙分布頻率從大到小依次為吸附介孔(42%)、吸收微孔(31%)、凝聚吸附介孔(19%)、滲流大孔(8%)。

(2) 雙峰式分布。樣品F1、F2、F3、F5、F6、G2、G8以及G9呈現出多小峰、單大峰的雙峰模式(圖3b)，納米級孔徑分布在268 nm以內，主要由多個小峰值(2～4個)和一個大峰值組成，小峰值分布在2～10 nm，大峰值分布在10～100 nm，其余區間沒有出現峰值，且孔徑分布幅度較小。由圖3b可知：孔徑大于130 nm后均急劇下降；4種孔隙分布頻率從大到小依次為吸附介孔(43%)、吸收微孔(29%)、凝聚吸附介孔(20%)、滲流大孔(8%)。

(3) 多小峰模式：樣品F4、G5以及G7呈現出多小峰的模式(圖3c)，納米級孔徑分布在288 nm以內，主要由2～3個小峰值組成，小峰值分布在2～10 nm，其余區間沒有出現峰值，且孔徑分布幅度較小。由圖3c可知：孔徑大于130 nm后均明顯下降；4種孔隙分布頻率從大到小依次為吸附介孔(45%)、吸收微孔(29%)、凝聚吸附介孔(19%)、滲流大孔(7%)。

圖3 樣品孔徑分布對比分析3種分布模式

表1為各樣品孔徑數據統計分析結果。由表1可知，不同樣品的孔徑變化范圍不同，且差異較大：①SF微孔主要分布在1.277～1.375 nm，平均孔徑為1.337 nm；②BJH中孔主要分布在8.075～26.509 nm，平均孔徑為13.452 nm；③BET總孔主要分布在8.186～49.733 nm，平均孔徑為17.066 nm。其中，樣品F1、F3和F5的孔徑相對較大，樣品G1、G6和G7的孔徑相對較小，該孔徑分布結果與BJH中孔分布一致。

表1 各樣品孔徑數據統計分析

2.2.3 比表面積和孔體積分布特征

運用T-Plot、SF、BJH、Langmuir以及最高單點吸附等方法進行了比表面積和孔體積的計算(表2)。由表2可知，不同樣品的比表面積和孔體積差異明顯。其中，微孔比表面積為0.579～3.996 m2/g，平均為2.040 m2/g；中孔比表面積為1.145～4.457 m2/g，平均為2.524 m2/g；總孔比表面積為0.825～5.832 m2/g，平均為3.005 m2/g。微孔孔體積總體較小，為0.195×10-3～1.134×10-3mL/g，平均為0.548×10-3mL/g；中孔孔體積為4.845×10-3～11.605×10-3mL/g，平均為7.032×10-3mL/g；總孔孔體積為5.300×10-3～12.152×10-3mL/g，平均為7.480×10-3mL/g。

表2 各樣品比表面積和孔體積參數統計

2.3 對比分析

2.3.1 納米級孔隙特征及掃描電鏡方法、氮吸附方法對比

圖4為掃描電鏡和氮吸附結果對比。掃描電鏡觀察顯示，致密砂巖樣品中的納米級孔隙主要有圓柱狀、橢球狀、條帶狀、狹縫狀以及層狀等，大多為黏土礦物晶間孔，分布在伊利石、綠泥石及伊蒙混層等黏土礦物晶間，少量為粒內溶蝕孔、粒間孔及微裂縫，該方法簡單且直觀；低溫氮吸附實驗得到的等溫吸附曲線的遲滯回線顯示，致密砂巖巖樣納米級孔隙有連通性好的圓柱狀、橢球狀、圓筒狀孔隙，連通性差的墨水瓶狀孔隙以及狹縫狀、彎片狀孔隙。兩者實驗結果具有相對一致性，如巖樣G9的掃描電鏡結果顯示，納米孔為條帶狀，與其氮吸附實驗得到的H3型回滯環反映的狹縫狀孔隙類型相似(圖4a、b)；F6巖樣的掃描電鏡結果顯示，納米孔為圓柱狀及橢球狀，與氮吸附實驗得到的H1型回滯環反映的圓柱狀孔隙類型相同(圖4c、d)。對比兩者的實驗結果可知，掃描電鏡可直觀地看到納米級孔隙的形態及其分布，但分辨率限制了更小級別納米級孔隙的觀測；氮吸附則可測得小于100 nm甚至幾納米的孔隙，可從回滯環推斷出大概的孔隙類型，但無法直觀看到具體的孔隙形態和分布。兩者的實驗結果相對一致，可進行相互驗證。因此，聯合掃描電鏡的定性觀察和氮吸附的定量研究，能很好地對致密砂巖納米級孔隙進行表征，提高了研究的準確度。

圖4 掃描電鏡和氮吸附結果對比

2.3.2 低溫氮吸附實驗的塊樣和粉末樣對比

圖5為塊樣和粉末樣對比結果。由圖5可知，1、3、6號樣品塊樣和粉末樣最終吸附量結果幾乎一致，但壓力變化過程中吸附量具有明顯差異，塊樣吸附量明顯大于粉末樣；2、5號樣品壓力變化過程中吸附量測量結果幾乎一致；4號樣品塊樣和粉末樣最終吸附量結果幾乎一致，但壓力變化過程中吸附量存在少許差異，其中吸附曲線幾乎一致，但脫附曲線塊樣吸附量明顯大于粉末樣。由塊狀樣品和粉末狀樣品實驗結果分析可知，1、2、3、4、6號樣品的塊樣和粉末樣最終吸附量結果幾乎一致，5號樣品的塊樣和粉末樣最終吸附量結果差異較大。塊樣和粉末樣的吸附量實驗結果相對誤差為6.65%～28.68%，變化較大，且差異較明顯。

前人研究認為[7]，為提高測量值的精度，氮吸附實驗前需對樣品進行研磨粉碎，可使氮氣的運移路徑縮短，盡快達到吸附平衡，且顆粒粒徑也會影響實驗結果。在進行氮吸附實驗時，同時采用塊樣和粉末樣進行測試，結果表明，塊樣和粉末樣的最終吸附量不同，部分樣品相差不大，部分樣品相差懸殊，吸附過程中的吸附量也存在差異。實驗數據及結果表明，氮吸附實驗的樣品需要進行適當的研磨破碎，適當的研磨有助于烘干孔隙內的束縛水，一定程度上增大孔隙和顆粒外表面的接觸面積，從而提高測量值的準確性，但過度破碎會導致樣品二次破壞，使較大的介孔遭到粉碎，從而導致測量值的不準確。

2.3.3 比表面積和孔體積分析

由比表面積和孔體積數據統計結果分析可知，致密儲層納米級孔隙的微孔、中孔及大孔的比表面積差異不大，但中孔的孔體積遠大于微孔孔體積。由微孔、中孔及大孔的比表面積和孔體積相關性分析可知：微孔的比表面積和孔體積相關性最好，反映了正常孔隙信息，無微裂縫等的影響；中孔比表面積和孔體積相關性相對較差，部分孔體積大而比表面積小，可能是由于顆粒邊緣及內部微裂縫以及黏土礦物晶間孔發育的影響；致密儲層納米級孔隙多以中孔為主，決定了納米級總孔的發育。

圖5 塊樣和粉末樣對比

3 結 論

(1) 掃描電鏡結果顯示，華慶油田長63致密砂巖儲層納米級孔隙主要為圓柱狀、橢球狀及條帶狀，多為黏土礦物晶間孔且含油性較差，致密儲層發育的微裂縫具有明顯改善儲層滲透率的作用；低溫氮吸附實驗得到的回滯環主要是H1、H2及H3型，表明孔隙形態主是圓柱狀、橢球狀、墨水瓶狀及狹縫狀。掃描電鏡和低溫氮吸附實驗兩者結果具有相對一致性，與單一方法相比，定性、定量相結合的方法能全面反映致密儲層孔徑分布。

(2) 對于氮吸附實驗樣品，進行適當研磨粉末樣有助于提高實驗結果的準確性，不研磨或過度粉碎均會造成實驗結果偏差。

(3) 華慶油田長63致密砂巖樣品低溫氮吸附實驗結果表明，吸附等溫線均屬于IUPAC分類的Ⅳ型等溫線；孔徑分布曲線呈現出小單峰、雙峰式以及多小峰3種模式，孔徑數據統計得出各巖樣變化范圍不同，但與BJH中孔分布具有一致性；比表面積和孔體積分析表明，致密儲層納米級孔隙多以中孔為主，決定了納米級總孔的發育。