頁巖油評價中的若干關鍵問題及研究趨勢（二）

頁巖儲層的致密性限制了石油在其中的可動性、可動量，這是制約其勘探開發成效的瓶頸因素。而頁巖油的可動性、可動量首先與頁巖孔隙、喉道、裂縫及礦物組成密切相關，同時還與油－巖相互作用密切相關。前者事關頁巖成儲的可能性和機理，后者則事關石油在頁巖中的賦存機理。

因此，頁巖的成儲機理、石油在頁巖中的賦存機理和石油在頁巖中的可動性是頁巖油研究中的3個關鍵科學問題；頁巖油的富集性與其有機非均質性有關，頁巖油的可采性／可壓裂改造性與其無機非均質性有關，這是篩選頁巖油“甜點”面臨的2個關鍵技術問題。認識這3個關鍵的科學問題和２個關鍵的技術問題并建立定量的表征／評價技術是提高頁巖油勘探開發成效的關鍵基礎。

上期石油圈介紹了頁巖油評價中存在的關鍵問題（點擊閱讀），本期石油圈將介紹這些關鍵問題的研究現狀及發展趨勢的部分內容。

關鍵問題的研究現狀及發展趨勢

對于3個方面的科學問題和2個方面的技術問題，部分問題國內外已經展開了大量研究并取得了較為深入、系統和客觀的認識（如成儲機理中頁巖儲層表征、有機非均質性評價方面），但有的則還處于探索的前期（如頁巖油可流動性及賦存機理表征）。

頁巖的成儲機理

認識頁巖的成儲機理：①認識頁巖的孔隙、喉道、裂縫的大小、分布及連通性；②明確頁巖的礦物組成及各類礦物與頁巖油的相互作用；③明確孔隙、喉道、裂縫的大小以及油-巖相互作用與頁巖油流動性的關系。

就第1方面而言，由于泥頁巖相對于常規儲層具有超低孔/超低滲特征，且富含有機質，因此一直是被作為烴源巖進行研究，學者并不太關心其孔隙、喉道的組成和結構。直到北美地區開始大規模開采頁巖氣，泥頁巖才逐漸被作為儲層得到關注和重視。盡管泥頁巖非常致密，但一系列高分辨率分析測試技術（包括微區高分辨率鏡下觀測/成像技術，如聚焦離子束拋光-電鏡掃描技術FIB-SEM、場發射掃描FE-SEM結合能譜分析EDS、二次電子SE/背散射電子BSE、微米CT、納米CT成像技術等；流體法技術，如高壓壓汞法MICP、N₂和CO₂低壓吸附法LPA等；射線法技術，如小角X射線散射法SAXS、小角中子散射SANS和超小角中子散射USANS等以及核磁共振等）的開發和應用，使得泥頁巖中有機、無機納米級孔隙得到了更為直觀的認識。

綜合利用這些技術可以發現，頁巖中有著豐富的孔隙，從小于2nm的微孔到微米級及更大的宏孔都有發育，只不過是其中微小的納米級孔隙、喉道更為發育，尤其是有機質顆粒內的納米級孔隙非常發育。納米級的有機孔隙是泥頁巖的重要儲集空間。不過，由于不同觀測方法的原理、分辨率不同，所觀測的孔徑范圍有交叉并且所得觀測結果往往并不完全一致，如何將不同方法得到的孔隙、喉道和裂縫分布無縫銜接起來是有待深入研究和探討的課題。

利用鏡下觀察技術可以將頁巖孔隙分為有機孔隙、無機孔隙和裂縫3類。其中有機孔隙主要是有機質生烴（主要是生氣）后殘留的孔隙，頁巖儲層中有機孔隙的發育程度受有機質豐度和成熟度控制。當泥頁巖TOC值為7%時，有機質占泥頁巖體積的14%，若熱演化中有35%的有機碳發生轉化，則能凈增4.9%的有效孔隙度。無機孔隙包括粒間孔、粒內孔、黏土礦物層間孔；裂縫包括壓裂縫（生烴或埋深）和礦物收縮縫。但是不同演化階段、不同頁巖的各種孔隙相對貢獻不同、控制因素也可能不同，如Barnett頁巖、HornRiver頁巖主要是有機孔隙的貢獻，Haynesville和Kimmeridge頁巖主要是粒間孔的貢獻。研究表明孔隙類型、發育分布受成熟度、黏土礦物、有機質含量、有機質類型等眾多因素影響。

不過，近年來國內外關于泥頁巖儲層微觀孔隙結構的研究絕大多數是針對成熟度較高的頁巖氣儲層進行的，而針對位于油窗階段的頁巖油儲層微觀孔隙結構的研究相對較少，其間可能存在的差別有待探討和揭示。如對有機孔隙在生油階段是否發育就存在爭議：Curits等認為生油階段不發育有機孔，即使由于干酪根生油產生了有機孔隙，由于顆粒支撐作用較差，溶蝕和壓實作用會使得有機孔隙塌陷。Reed等則在處于生油階段的Barnett頁巖中觀測到了有機納米孔，并且認為其是干酪根有機孔而非熱解瀝青的有機孔。實際上有機孔隙與有機質顯微組分（殼質組、鏡質組、惰質組和瀝青質）有一定關系，如絲質體本身就發育原生孔隙?？梢灶A期通過今后的研究積累，對于頁巖油儲層內部的有機、無機孔隙發育程度、形態、演化模式、對總孔隙的貢獻、影響因素等以及其在頁巖油富集中的作用都會有逐步明晰的認識。

就第2方面而言，對頁巖礦物組成的確定已經進行過大量的研究，綜合利用X射線衍射、能譜、掃描電鏡及有機地球化學等分析技術，不難確定泥頁巖樣品中石英、長石、碳酸鹽礦物、黃鐵礦、黏土礦物及有機質的含量和性質。

可以看出，這些技術的綜合應用可以有效地描述和表征頁巖儲層孔隙、喉道、裂縫的大小、分布、連通性以及頁巖的礦物組成。目前的重要發展趨勢和方向是在上述表征的基礎上，建立包括礦物和孔隙、喉道、裂縫空間分布的3D數字巖心，為模擬流體在孔隙空間中的流動、分布等一系列問題奠定基礎，并作為評價烴-巖相互作用和可流動性定量評價的基礎，這也是成儲機理研究的重要內容和發展方向。

通常，數字巖心構建方法分為2大類：①物理實驗法，即采用物理方法對巖心進行掃描，利用圖像處理算法直接建立三維數字巖心；②數值重構法，即基于納米CT、SEM技術，應用MCMC等方法重構3D數字巖心。

物理法重構3D數字巖心的優點在于逼近實際樣品，但突出問題在于，成像精度和樣品分析尺寸（視域）之間的矛盾，即分析視域較大時，分辨率低，成像精度不夠，無法刻畫細小的孔隙、喉道、裂縫；而高分辨率成像時，分析視域極小，由于頁巖普遍存在的非均質性，使結果難以具有代表性。這一矛盾極大的限制了頁巖數字巖心的實用性。因此，需要結合頁巖全孔徑分布、頁巖組成與主要孔喉關系以及頁巖孔、滲參數等，構建既逼近真實巖心組分及孔隙、喉道、裂縫分布，同時又滿足各種宏觀參數約束的“全息”（指盡可能的滿足從微觀到宏觀各類參數的約束）數字巖心。不過，對于物質組成及儲集空間非均質性較強的頁巖，由此構建的數字巖心，并不一定能代表一類巖性或巖相的總體特性。因此，在全息數字巖心構建的基礎上，結合數值重構方法，需要利用同類多個樣品的分析結果進一步構建既滿足多參數約束，又能夠代表一類巖性或巖相總體特性的“簡約”（“簡”是指在滿足宏觀參數的前提下，所得到的3D數字巖心中的礦物組成和孔喉縫分布盡可能簡單，以便于后續的數值模擬；“約”是指將同一類巖性/巖相樣品的共性信息提取出來。因此，“簡約”數字巖心不是代表一個具體的樣品，而是代表同一類巖性/巖相頁巖的整體特性，具有一定的普適性，便于地質推廣應用。）數字巖心，使其具有一定的普適性和地質上的可推廣應用性。這應代表了目前頁巖數字巖心技術領域的發展趨勢。

成儲機理研究的第3方面的內容（烴-巖相互作用及孔隙、喉道、裂縫大小與頁巖油流動性的關系）將并入下文討論。

頁巖油的賦存機理、賦存狀態及油-巖相互作用在泥頁巖中油氣賦存機理及其表征方面，國內外針對頁巖氣作了大量卓有成效的研究。業已認識到，頁巖氣可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在，在干酪根和黏土礦物表面上以吸附狀態存在，在水、干酪根和瀝青中以溶解狀態存在，并據此可分別建立吸附氣、游離氣、溶解氣的定量表征理論和技術。

不過，針對頁巖油的相關研究則還異常薄弱，尤其是定量表征方面的研究近于空白。一般認為，石油在頁巖儲層主要是以吸附態和游離態2種形式存在，吸附態石油存在于有機質內部、表面以及礦物基質表面；游離態石油則存在于孔隙和裂縫中，少量石油還能以溶解態存在于親油的有機質生烴殘留孔中。不過，與氣體從游離態變成吸附態時從氣態變成固態不同，吸附態與游離態的頁巖油可能并沒有明顯的區別或界線。也有學者利用場發射環境掃描電鏡結合能譜數據驗證來觀測致密砂巖（非泥頁巖）中巖石孔喉表面液態烴賦存狀態，或通過表面物理化學理論推斷，存在孔隙介質孔道/喉道中間的流體受到的固-液界面作用小，在一定條件下可近似于游離態流體，而孔隙介質表面的流體在介質表面會發生物理化學反應，形成一層邊界流體或者束縛流體。但是，這些研究并沒有指明給定頁巖體系頁巖油的優先賦存位置和孔隙尺寸、以及不同賦存狀態的相對比例。

根據前人對固-液表面的實驗結果，可以推論，吸附態與游離態石油應存在2個方面差異：①隨著與孔喉表面距離的不同，吸附態石油密度存在規律性變化，而游離態石油密度不變（此現象在水銀填充碳納米管的分子動力學模擬中已被觀察到）；②吸附態石油分子在孔喉表面定向排列，形成“類固層”（此現象在藍寶石表面液態鋁的X射線衍射實驗中已被觀察到）。儲層親油性越強，石油在其表面的黏附力越大，吸附厚度越大，游離態比例越小，可動量越小。不過，由于頁巖及頁巖油組成復雜，頁巖油分子之間還存在著相互作用，如何來定量表征頁巖油的吸附狀態、吸附量、不同賦存狀態頁巖油的含量/比例、不同賦存狀態相互轉換的條件等，目前還缺少針對性和有效的研究及表征。

除了其他因素之外，頁巖油的賦存與石油-水-巖石之間的相互作用密切相關，這種相互作用表現為與界面現象有關的石油、水、巖石之間的界面張力，界面張力則直接影響到潤濕、吸附/解吸過程。因此，體現油-巖相互作用結果的潤濕性是影響頁巖油賦存狀態的重要因素之一，而吸附/解吸則與賦存狀態的相互轉化規律相關。雖然在油藏工程方面較早、較多開展過有關的分析和研究，但過去的主要評價對象是砂巖而非泥頁巖儲層，加上潤濕性又受多方面因素的影響，包括：①礦物組成；②油、水性質；③液滴尺度及孔喉尺度和曲率；④孔喉表面物理化學性質；⑤溫度、壓力條件。這使得目前對泥頁巖潤濕性及其對頁巖油賦存狀態影響的認識還非常零散和初步，有待于大力加強。

事實上，由于頁巖物質、孔喉、頁巖油的組成及其排列組合的復雜性，實驗室內的潤濕性分析可能難以覆蓋和揭示復雜的油-巖相互作用。因此利用數值模擬技術是解決難題的思路之一。

在納米材料領域，分子力學和分子動力學模擬技術已經被成功應用于計算納米材料的物理特性、潤濕特性、吸附特性、傳輸特性等。近年來，國內外已有部分學者開始探討將這一技術引入描述和表征甲烷在頁巖內的吸附現象或甲烷水合物的穩定性。利用分子動力學進行的初步研究也表明，液態烴在孔隙、裂縫內的密度分布并不均勻，由于吸附作用的結果，靠近固體壁面的密度較大（可以認為吸附層內的烷烴分子以固體或“類固體”形式存在），并出現3個相對高峰，可能對應3個吸附層。因此，這一技術具有在頁巖油的潤濕、吸附及賦存狀態和吸附機理表征中的應用前景！

不過與可動性評價相似，數值模擬（分子力學和分子動力學）的結果還需要接受相關實驗的檢驗和校正：分子模擬中固-油之間力場、勢場參數是左右模擬結果的關鍵參數，其選取是否合適，需要由數值模擬的結果與同樣條件下的實驗結果是否接近來界定。因此，相關的實驗分析是研究深入的基礎。

本期介紹了頁巖油關鍵問題的研究現狀及趨勢中的頁巖成儲機理部分，下期石油圈將繼續介紹頁巖油關鍵問題的研究現狀及趨勢中的剩余部分，并對全文進行總結（點擊閱讀），敬請期待。

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