松遼盆地青山口組巖石孔隙結構定量表征及其計算機應用

李 芳，趙文揚，郭愛軍，常天印

(1.山西能源學院，山西 晉中 030600；2.中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039)

我國擁有豐富的煤層氣、頁巖氣等非常規油氣資源，隨著開采規模和深度的不斷增加，儲層儲集空間粒級逐漸向更小級別發展，對孔隙結構的研究是目前非常規油氣開發研究的重點。目前對于巖石孔隙結構的研究分為定性和定量兩個方面，研究內容主要有結構測試、形態與分布、連通性能、分型特征、圖像分析等。俞雨溪等建立了適用于頁巖樣品的二維灰度圖像標準化方法，并利用頁巖顆粒樣開展流體注入孔隙結構定量表征測試[1，2]。孫澤采用三維立體可視化圖像處理軟件對致密砂巖孔隙數據進行了處理，研究了致密砂巖的孔隙結構特征[3]。李江濤等應用X射線衍射方法，結合布拉格方程式，計算出屯蘭礦區含瓦斯煤微晶結構參數[4]。戚明輝等基于掃描電鏡和專業圖像分析軟件分析了的泥頁巖孔隙結構特征[5]。楊永飛等提出了應用掃描電鏡、圖像分析建立數字巖心并進行結構分析的新的頁巖微觀孔隙分析方法[6]。李忠新將壓汞數據和核磁實驗相結合，對渤南油田沙三中亞段儲層進行了分析[7]。李菊花等運用分形幾何原理，研究頁巖納米孔隙微觀結構，建立了頁巖三維納米微觀孔隙網絡模型[8]。

目前，對非常規儲層孔隙結構特征的獲取多依賴于試驗分析，周期長且連續性差，制約了孔隙結構的進一步分析及應用。本文結合松遼盆地青山口組泥頁巖樣品鏡下孔隙特征，通過壓汞法和低溫氮氣吸附法等方法對巖石孔隙結構特征進行定量表征，以VB.net語言為基礎，開發基于壓汞和低溫氮氣吸附法實驗測試數據的“巖石微觀孔隙定量表征軟件”實現了對煤巖、頁巖等非常規儲層孔隙結構的定量計算研究。

1 地質背景

松遼盆地位于中國東北部，地理位置位于東經 119°40′～128°24′，北緯 42°25′～49°23′，呈北北東向展布，長750km，寬350km，總面積超過287000km2，為我國大型的中、新生代沉積盆地。盆地周圍被山脈和丘陵環繞，東部是張廣才嶺，西部為大興安嶺，南接康平—法庫丘陵帶，北鄰小興安嶺。盆地主體位于黑龍江、吉林兩省，西部、西南部和南部邊緣跨內蒙古和遼寧省。

根據區域構造演化分析，松遼盆地的形成主要受地幔物質的熱動力和太平洋板塊向亞洲大陸俯沖兩種不同性質的動力作用下形成，形成過程大體經歷了熱隆張裂階段(T-J3)、裂陷階段(J3-K1d)、凹陷階段(K1d-K2n)和萎縮褶皺階段(K2s-Q)等 4 個演化階段[9-13]。

2 孔隙結構特征

松遼盆地是中國東部疊置于古生代基底上的大型中、新生代沉積盆地，具有明顯的下斷上凹的雙重結構[14]。松遼盆地青山口組一段沉積時期，盆地發生大規模海侵，形成了大面積厚層的深湖相黑色泥頁巖層，為盆地最重要的烴源巖[11，13]。

通過對松遼盆地青山口組一段湖相泥巖的顯微結構分析(圖1)，粒間孔和礦物層間縫是主要孔縫類型。其中粒間孔直徑約在0～30μm，形狀較規則，主要由碎屑顆粒間的填隙物不完全充填、部分填隙物及礦物溶蝕所形成。礦物層間縫寬小于1μm，粘土礦物間縫和黏土-其他礦物間縫為主要類型。從發射掃描電鏡(FE-SEM)顯示的泥頁巖孔隙特征分析可知(圖2)，主要發育粒間孔、有機質顆粒邊緣孔、黏土礦物間孔等多種孔隙類型。碎屑顆粒邊緣孔直徑50～500nm，分布于碎屑顆粒邊緣。黏土礦物間孔形狀受黏土礦物形態約束，略小于粒間孔和碎屑顆粒邊緣孔。該區內黏土礦物間孔和有機質孔隙相對分布少且直徑大多小于50nm，無法形成有效儲集空間。

圖1 青一段湖相泥頁巖掃描電鏡孔隙特征

圖2 發射掃描電鏡下青一段泥頁巖孔隙發育特征

2.1 壓汞法微觀孔隙結構表征

壓汞法是目前測定巖石微觀孔隙直徑最常用的方法，這種方法以毛管壓力理論為基礎，在注入汞時通過測量克服巖石孔喉對汞的毛細管壓力描述巖石孔喉情況。通過壓汞曲線判斷巖石的儲層物性特征，并可以做出毛管壓力曲線圖和孔喉半徑平均值。

通過選取松遼盆地青山口組一段不同深度泥頁巖樣品進行壓汞實驗，并通過筆者研發的軟件進行分析并繪制壓汞曲線(圖3)樣品基本具有相似的進汞曲線，在不斷加壓使汞進入巖石孔隙過程中，當壓力大約在20.68～27.58MPa之間，汞大量進入巖石孔隙。通過軟件繪制青山口組一段泥頁巖樣品孔徑分布圖(圖4)，大部分泥頁巖樣品在0～50nm之間，通過對比鏡下照片認為，主要孔隙類型為粒間孔。

圖3 青山口組一段泥頁巖樣品進汞曲線

圖4 青山口組一段泥頁巖樣品孔徑分布

2.2 低溫氮氣吸附法微觀孔隙結構表征

N2低壓吸附近年來開始用于納米級孔喉結構研究，特別是應用在泥頁巖微觀孔隙研究當中。在液氮溫度(77K)下，氮氣在固體表面的吸附量取決用P/P0進行描述(氮氣分壓P和液氮溫度下氮氣的飽和蒸氣壓P0)。低溫氮氣吸附法微觀孔隙結構表征主要通過BET模型計算比表面計算，利用BJH方程計算孔徑分布。

2.2.1 利用BET模型泥頁巖比表面積

根據該計算原理利用VB.Net語言編寫了“巖石微觀孔隙結構定量表征分析軟件”軟件，該軟件可以實現使用低溫氮氣吸附曲線或脫附曲線快速求出巖石BET比表面積及巖石孔徑分布情況。

松遼盆地青山口組泥頁巖樣品基于低溫氮氣吸附法所獲得的泥頁巖孔隙結構參數見表1，松遼盆地泥頁巖樣品孔徑分布范圍6.67～21.36nm，平均值14.02nm；比表面積范圍0.25～6.27m2/g，平均值2.47m2/g；孔隙總體積范圍0.0013～0.0216cm3/g，平均值0.0092cm3/g。通過與其他盆地泥頁巖對比認為，松遼盆地湖相泥頁巖孔隙條件更利于頁巖氣體的吸附。

表1 低溫氮氣吸附法的泥頁巖孔隙結構參數

2.2.2 利用BJH方程求泥頁巖孔徑分布

泥頁巖的孔徑分布情況可以通過BJH方程求出，并可以求出平均孔徑及樣品總孔隙體積。孔徑分布計算的基本原理可以由開爾文方程和郝爾賽方程表達，由開爾文方程可以求出開爾文半徑rk，開爾文方程如下：

而臨界孔實際半徑r=rk+t。

t可以由郝賽爾方程求出：

上述兩公式是計算孔徑分布的基本原理。

選取部分樣品做出孔徑分布，如圖5所示，可以發現在5～50nm之間出現多個泥頁巖孔徑分布峰值，且泥頁巖孔徑主要分布在5～20nm之間，與壓汞法測得孔隙分布范圍一致。

圖5 青山口組泥頁巖樣品孔徑分布(據低溫氮氣吸附)

3 孔隙結構定量分析及軟件模擬

3.1 軟件功能

以VB.net語言為基礎，開發基于壓汞和低溫氮氣吸附法實驗測試數據分析計算的“巖石微觀孔隙結構定量表征分析軟件”。軟件主要包括兩大模塊：壓汞法表征孔隙結構模塊和氮氣吸附法表征孔隙結構模塊。

3.2 壓汞法表征孔隙結構模塊

軟件所需原始數據包括高壓壓汞時施加壓力，對應壓力下的進汞體積。將所需要處理的所有樣品數據整理好，放入統一的文件夾下，選擇主界面中“利用壓汞法表征孔隙結構”模塊，軟件運行結束依次可以得到孔徑、進汞百分比、Delta Volume、Dv(d)等參數，利用孔徑與Dv(d)作散點圖，可以得到計算結果和巖石孔徑分布圖(圖6)。

圖6 利用軟件生成壓汞法表征巖石孔隙結構孔徑分布

3.3 氮氣吸附法表征孔隙結構模塊

首先選取使用的曲線類型是吸附曲線或者脫附曲線，選擇完成后開始運行程序，運行方式與壓汞法相同，可以得到氮氣吸附法表征巖石孔隙結構孔徑分布，如圖7所示。

圖7 氮氣吸附法表征巖石孔隙結構孔徑分布

4 結 論

1)采用壓汞法、低溫氮氣吸附法對松遼盆地青山口組泥頁巖孔徑特征進行研究，并對孔隙結構定量表征結果進行對比分析，研究認為大部分泥頁巖樣品孔隙直徑在0～50nm之間，通過對比鏡下照片認為主要孔隙類型為粒間孔。

2)通過BET法得出松遼盆地泥頁巖樣品比表面積平均值2.47m2/g，孔隙總體積平均值0.0092cm3/g，可以作為氣體儲層，不能儲集液態烴。

3)以VB.net為編程語言，開發了“巖石微觀孔隙結構定量分析”軟件，實現了利用壓汞法、氮氣吸附法表征孔隙結構計算中圖形化統計分析功能，并通過在松遼盆地青山口組一段泥頁巖樣品分析中進行應用，提高了工作效率，得到了較好的效果。