F 油田沙三段頁(yè)巖油儲(chǔ)層物性分析與評(píng)價(jià)

洪 鑫，康 楠，李瑩華，段 凡，唐 磊，何 偉，王 栩

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

隨著鉆探技術(shù)研究的逐漸開展，對(duì)非常規(guī)石油的合理開發(fā)已成為大趨勢(shì)[1]，為了更好地指導(dǎo)頁(yè)巖油開采，頁(yè)巖儲(chǔ)層物性的準(zhǔn)確測(cè)量和孔隙結(jié)構(gòu)的有效評(píng)價(jià)就顯得尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖中的孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，孔隙規(guī)模較小，主要為納米級(jí)孔隙，且具有脆性高的特點(diǎn)，為此，常規(guī)儲(chǔ)層的物性參數(shù)測(cè)量及孔隙結(jié)構(gòu)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于頁(yè)巖儲(chǔ)層，具有一定的局限性。國(guó)內(nèi)一般使用氦孔法或液體飽和法[2]，測(cè)定頁(yè)巖柱塞樣孔隙度，國(guó)外以碎樣孔隙度測(cè)定為主[3]，對(duì)于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，孔隙度和滲透率的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)十分成熟，測(cè)量精度滿足要求。而就頁(yè)巖油儲(chǔ)層而言，物性數(shù)據(jù)的測(cè)量效果卻不然，因?yàn)椴煌瑢?shí)驗(yàn)室或不同測(cè)試方法對(duì)相同試樣的孔隙率和滲透性測(cè)定結(jié)果差別很大，其誤差往往達(dá)到1～3 倍[4]。這種孔隙度測(cè)定結(jié)果差異給頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)估和資源評(píng)價(jià)造成很大不確定性，因此，要求人們探尋研究如何正確測(cè)定、使用和評(píng)估實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)獲得的頁(yè)巖油儲(chǔ)層天然物性數(shù)據(jù)，它們之間有何聯(lián)系？以F 油田沙三段頁(yè)巖油儲(chǔ)層巖心為例，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和研究。

F 油田沙三段頁(yè)巖油油藏目前已進(jìn)入勘探與開發(fā)階段，具有豐富的巖心測(cè)試資料，不同的測(cè)試方法測(cè)量的巖心物性數(shù)據(jù)存在一定差異，給此油田區(qū)域評(píng)價(jià)和對(duì)比帶來(lái)了一定困難。本文通過(guò)對(duì)該區(qū)域頁(yè)巖儲(chǔ)層不同實(shí)驗(yàn)方法孔隙度、滲透率測(cè)量，結(jié)合總有機(jī)碳（TOC）、鑄體薄片等測(cè)試結(jié)果分析其存在的差異及導(dǎo)致差異的原因，以此為基礎(chǔ)，獲得了物性差異對(duì)頁(yè)巖油開發(fā)的啟示，為該區(qū)域范圍內(nèi)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頁(yè)巖油儲(chǔ)層奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)中頁(yè)巖孔隙度測(cè)量

F 油田沙三段儲(chǔ)層巖心樣品熱演化程度已達(dá)到成熟高成熟階段，峰值溫度介于441～466 ℃，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1、Ⅱ2 型為主（圖1）。有機(jī)質(zhì)含量豐富，TOC 含量介于0.40%～1.96%（圖2）。在F 油田沙三段儲(chǔ)層鉆取巖心柱塞與平行樣，分別用于柱塞樣品有效孔隙度測(cè)定與樣品粉碎后進(jìn)行總孔隙度的測(cè)量。對(duì)測(cè)定的方法進(jìn)行詳細(xì)描述，對(duì)2 組的測(cè)量結(jié)果開展數(shù)理分析，評(píng)價(jià)2 種方法。

圖1 有機(jī)質(zhì)類型劃分

圖2 總有機(jī)碳縱向分布

1.1 總孔隙度和有效孔隙度的測(cè)試方法

有效孔隙度一般指在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件下，互相連通的孔隙體積占總體積的比，不包括孤立孔隙。有效孔隙度通過(guò)ULTRA-Poro300 孔隙度測(cè)量?jī)x測(cè)量，孔隙體積測(cè)量范圍為0.02～25 cm3，并采用了純度達(dá)99.99%的高純度氦氣作為主要測(cè)量媒介，其測(cè)量的基本原理是依據(jù)Boyle 定律，測(cè)量計(jì)算干燥巖石顆粒的體積，通過(guò)計(jì)算求得巖心的孔隙度。

制成直徑為2.5 cm，高2～3 cm 的圓柱體，并分別采用正己烷、丙酮和二氯甲烷等溶劑對(duì)巖樣進(jìn)行清洗，巖樣洗干凈后，放入溫度56 ℃的干燥箱內(nèi)烘烤至恒重，并利用游標(biāo)卡尺測(cè)量柱塞樣品的長(zhǎng)度直徑計(jì)算總體積Vt，采用氦氣介質(zhì)測(cè)量干燥巖心的顆粒體積Vs，最后計(jì)算孔隙度。巖心孔隙度可按照下式求得。

式中：Φ 為孔隙度，%；Vt 為巖心樣品的總體積，cm3；Vs為樣品的顆粒體積，cm3。

總孔隙度是指在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，連通孔隙體積和孤立孔隙體積占總體積的比。利用波義耳方法測(cè)量總孔隙度。選取1 塊30 g 左右的樣品，分別選用正己烷、丙酮和二氯甲烷作為清洗溶劑對(duì)巖樣進(jìn)行清洗，巖樣清洗干凈后，放入56 ℃的干燥箱中烘干至恒重，稱取樣品質(zhì)量，計(jì)算樣品的總體積。然后將樣品研磨至60～80 目，采用波義耳定律雙室法測(cè)量巖石顆粒體積Vs，然后根據(jù)公式（1）計(jì)算巖心總孔隙度。

1.2 孔隙度測(cè)量結(jié)果分析

柱塞樣品及其平行碎樣經(jīng)過(guò)2 種不同方法測(cè)試樣品的孔隙度，結(jié)果顯示：柱塞樣品測(cè)得的有效孔隙度介于1.7%～4.2%，平均為3.0%，平行碎樣測(cè)定的總孔隙度介于2.5%～6.3%，平均為4.3%（表1），2 種方法測(cè)定結(jié)果有一定差異（圖3）。

圖3 2 種方法測(cè)定的孔隙度數(shù)值

表1 2 種方法測(cè)定的孔隙度對(duì)比 （%）

本文選取的頁(yè)巖樣本含有機(jī)質(zhì)，且熱轉(zhuǎn)變過(guò)程已達(dá)成熟期—高成熟期，頁(yè)巖中有機(jī)孔隙極大形成，且多有微孔和中孔隙[5]，而極小的有機(jī)孔通常多呈近圓形或橢圓形，單一地散布于有機(jī)質(zhì)中，相互間連接性不好。利用氣體膨脹法測(cè)定孔隙度的準(zhǔn)確性確定所測(cè)試的巖樣表面容積和粒子容積中間的偏差，由于2 種孔隙度測(cè)量方法中記錄粒子容積的方法相似，由計(jì)算結(jié)果方法導(dǎo)致的平均值和相對(duì)誤差亦相似[6]，可作同一類實(shí)驗(yàn)相應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)柱塞試樣計(jì)算結(jié)果的孔隙度為巖心中能夠貫通的孔洞，該值為巖心的有效孔隙度，碎樣后計(jì)算的孔隙度包括試樣中所有孔洞，該值為巖心的總孔隙度。

用柱塞試樣計(jì)算孔隙度時(shí)，用氦氣擴(kuò)張法測(cè)定巖心間的連通孔隙，因?yàn)榧?xì)小的氦氣分子為介質(zhì)能夠流入巖體中很小的縫隙，而巖層表面對(duì)氦氣的吸附性較差，使得氦氣適用于孔隙不大的巖樣，而氦氣沒(méi)有充入孤立的封閉孔隙及其他死孔隙，所以計(jì)算的試樣骨架體積包含柱身中死孔隙的容積，骨架體積數(shù)值超過(guò)實(shí)際容積數(shù)值，使得巖心孔隙度數(shù)值較實(shí)際孔隙度數(shù)值偏小。

在試樣擊碎時(shí)，試樣中小部分甚至大部分死孔隙空間被擊碎、打開，可增大有效孔隙體積[7]，測(cè)出的孔隙度值較柱塞試樣測(cè)出的有效孔隙度值偏高，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符率較高（表1）。

利用以上2 組的計(jì)算即可證明，在對(duì)頁(yè)巖試樣粉碎的過(guò)程中，當(dāng)部分死體積被打開后，測(cè)定的試樣顆粒尺寸變小，使得所測(cè)定的總孔隙度數(shù)值和有效孔隙程度較大，被測(cè)試樣的有效孔隙度和總孔隙度之間的比值為0.1%～2.8%，占總孔隙度的3.8%～47.1%。碎樣氦孔隙度和柱塞試樣氦孔隙度差異越大，就反映了頁(yè)巖樣品的孔隙發(fā)育程度更復(fù)雜。

柱塞樣有效孔隙度和有機(jī)碳濃度成明顯正相關(guān)（圖4），實(shí)驗(yàn)樣品的有機(jī)質(zhì)孔隙是氦孔隙度的主要貢獻(xiàn)者。將巖心粉碎至60～80 目后，大部分不連通的孔隙被打開，碎樣氦孔隙度和有機(jī)碳濃度的相關(guān)性較柱塞樣更大，說(shuō)明頁(yè)巖中大量不連通孔隙主要存在于有機(jī)質(zhì)含量?jī)?nèi)。有關(guān)文獻(xiàn)已證明頁(yè)巖中發(fā)育大量的不連通孔隙[8-9]，在破碎過(guò)程中被打開[10-12]。故通過(guò)分析可以認(rèn)為，柱塞樣孔隙度通常代表連通孔隙的情況，而碎樣孔隙度則表示頁(yè)巖的總孔隙度的情況。

圖4 柱塞試樣及碎樣氦孔隙度與有機(jī)碳濃度的關(guān)系

2 頁(yè)巖脈沖滲透率測(cè)量

2.1 脈沖滲透率測(cè)試方法

頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率范圍通常在（10-3～10-6）mD，滲透率也是衡量頁(yè)巖油生產(chǎn)能力的關(guān)鍵參考指標(biāo)，目前實(shí)驗(yàn)室使用了基于非穩(wěn)態(tài)滲流技術(shù)的脈沖衰減法滲透性測(cè)量技術(shù)[13]。NDP-605 型脈沖超低滲透率儀是在模擬油藏壓力、恒溫條件下采用脈沖衰減法自動(dòng)測(cè)量頁(yè)巖巖心的滲透率。滲透率測(cè)量范圍為（1×10-5～0.5）mD，孔隙壓力采用了精確的氣體調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，壓力最大可達(dá)17 MPa，覆壓最大可達(dá)70 MPa，選用高純氮?dú)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)。儀器的測(cè)控系統(tǒng)首先對(duì)巖心提供了一個(gè)孔隙壓力，隨后再經(jīng)過(guò)巖心傳輸一個(gè)壓差脈沖，并伴隨壓力瞬間傳導(dǎo)通過(guò)整個(gè)巖心，計(jì)算機(jī)信盧測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)記錄了巖心兩端的壓差值、下游的壓力與持續(xù)時(shí)間，并分別繪出壓差值和下游的壓力與持續(xù)時(shí)間的對(duì)數(shù)曲線，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓差值與持續(xù)時(shí)間等數(shù)值的線性回歸計(jì)算滲透率。

2.2 頁(yè)巖的滲透率測(cè)試結(jié)果分析

本文對(duì)F 油田沙三段儲(chǔ)層21 塊柱塞巖心進(jìn)行了脈沖滲透率測(cè)試，滲透率介于（0.000 005 33～0.069 692 11）mD之間（圖5），樣品滲透率普遍小于0.001 mD，對(duì)于個(gè)別大于0.01 mD 的樣品，通過(guò)對(duì)比鑄體薄片可見(jiàn)3 號(hào)樣品存在未填充裂縫，縫寬0.01～0.02 mm（圖6），通過(guò)MAPS 背散射圖像也可以發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)育，主要為發(fā)育顆粒邊緣縫與伊利石縫（圖7）。

圖5 脈沖滲透率值

圖6 3 號(hào)樣品鑄體薄片圖像

圖7 MAPS 二維背散射電子圖像

3 物性的差異對(duì)頁(yè)巖油開發(fā)的啟示

頁(yè)巖的儲(chǔ)層礦物構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，氣孔形狀多變，孔喉較細(xì)小、比表面更大，礦物與有機(jī)質(zhì)之間的潤(rùn)濕能力差異較大，對(duì)氣體物質(zhì)的吸收能力也很高，使其資源的開發(fā)與利用極富挑戰(zhàn)性。研究還證實(shí)，歧口凹陷的沙三段頁(yè)巖除形成連通孔隙之外，還形成了大量的不連通孔隙，最大可達(dá)頁(yè)巖樣品中總孔隙容量的47.1%以上。要實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖油的有效利用，還需要通過(guò)研究使這些不連通孔隙變?yōu)槿B通縫隙，才可以有效增加頁(yè)巖油產(chǎn)出。

大型水力壓裂技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油商業(yè)高效利用的主要手段[14-15]。水力壓裂技術(shù)主要是利用高壓使巖層破裂，從而產(chǎn)生巨大網(wǎng)狀裂縫，從而增加了頁(yè)巖油的流通性能。所以，有效的體積改變和裂縫網(wǎng)改造程度也將決定著單井頁(yè)巖油生產(chǎn)能力大小。在壓裂過(guò)程中，巨大的壓裂液體進(jìn)入巖層并與頁(yè)巖基質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大網(wǎng)狀裂縫。而巨大的網(wǎng)狀裂縫在與頁(yè)巖基體直接接觸后便可顯著提高頁(yè)巖的泄油體積，卻又無(wú)法充分排出被連通縫隙內(nèi)的油。因?yàn)椴贿B通孔隙中大部分存在于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物中，為了要合解釋放這些孔隙中的油氣，就需要增加頁(yè)巖儲(chǔ)層的可改造空間，以提供更大的縫隙空間或裂隙空間，增加縫網(wǎng)與有機(jī)質(zhì)和黏土礦物的接觸范圍，為壓裂液與有機(jī)質(zhì)和黏土礦物作用創(chuàng)造更多的空間和條件。同時(shí)為了有效開采頁(yè)巖油，也可以考慮在壓裂液中加入相應(yīng)的化學(xué)藥劑，以改變有機(jī)質(zhì)和黏土礦物構(gòu)造，充分解放不連通孔隙中的頁(yè)巖油，以增加頁(yè)巖油單井產(chǎn)出和頁(yè)巖油采收量。

4 結(jié)論

1）頁(yè)巖油儲(chǔ)層柱塞樣品孔隙度測(cè)定，不同實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量結(jié)果存在一定差別，碎樣氦孔隙度與柱塞樣氦孔隙度差異愈大，則反映出頁(yè)巖樣品的氣孔發(fā)育情況就愈復(fù)雜。

2）柱塞試樣有效孔隙度與有機(jī)碳濃度之間具有明顯正相關(guān)性，實(shí)驗(yàn)樣品的有機(jī)質(zhì)孔隙度是氦孔隙度的重要貢獻(xiàn)者，柱塞試樣孔隙度往往表示連通孔隙的情況，而碎樣孔隙度則表示頁(yè)巖的總孔隙度的情況。

3）對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層，除發(fā)育連通孔隙之外，還發(fā)育大量不連通孔隙，最高可占頁(yè)巖樣品總孔隙容積的47.1%，為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油的高效開發(fā)，就需要考慮將這些不連通孔隙變?yōu)檫B通縫隙，從而可以有效增加頁(yè)巖油產(chǎn)出。