頁巖油評價中的若干關鍵問題及研究趨勢（三）

上期石油圈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（點擊閱讀），本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。

關鍵問題的研究現狀及發展趨勢

頁巖油的可流動性、可流動量及其表征

泥頁巖中含有豐富的石油已經是工業界和學術界的共識，但其可流動性及可動量還廣受質疑，是該領域目前最為薄弱的研究環節。

關于頁巖中石油的可動油量評價，目前首先考慮的是借用評價砂巖和致密砂巖中可動油/可動油飽和度的研究技術，主要包括3個方面：①通過核磁共振技術測定巖石的T2弛豫時間譜來反映可動油的飽和度；②通過驅替實驗來評價巖石中的可動油；③通過分析沖洗帶和原狀地層含水飽和度來評價可動油。但由于頁巖儲層更小的孔喉結構和更強的烴-巖相互作用，這些技術在頁巖儲層中應用的可行性和有效性還有待進一步探討、明確和改進。如驅替實驗難以進行；孔喉小到一定程度之后，核磁參數的物理意義可能會有改變等。

至于頁巖油的流動性/滲流特征的定量表征，是一個難度更大的課題。常規儲層中油氣的流動性可以由達西定律較好的表征，但泥頁巖儲層的微—納米級孔隙比較發育，具有超低孔/超低滲和富含有機質的特點，且液-固作用復雜，一些在常規宏觀—介觀尺度流動中可以忽略的因素（如速度滑移、表面力和靜電力），逐漸開始在流動中占據主導地位，從而導致許多比較特殊的微—納尺度流動現象。這些現象用常規的流體力學理論難以解釋，因此針對頁巖納米級孔隙結構中流體流動規律進行的研究大多存在局限性，也可以說，迄今仍缺少有效的描述和表征方法。

但是，分子動力學模擬技術目前已經在納米材料的流-固吸附中展示了巨大的應用潛力。同時，基于分子動力學理論、原格子氣元胞自動機發展起來的格子Boltzmann（LBM）數值方法是一種典型的微觀方法，其不受連續性假設的限制，可以模擬多孔介質中微細管道中的流動、滑脫效應等。這些正好適合致密頁巖儲層的特點，應該可以被引入頁巖油的研究當中。同時，格子Boltzmann方法與其他數值計算方法相比，具有計算效率高、邊界條件容易實現等優點，這也代表了該領域重要的發展方向和趨勢。事實上，已經有不少國內外學者正在探討該方法在頁巖氣中應用的可行性和有效性，但目前還鮮有其在頁巖油中應用的探討。而該方法若被成功引入到頁巖油的研究中，則有望從分子動力學理論和LBM方法的角度，建立可同時描述和表征油-巖吸附、滲流的技術，并可評價頁巖中石油的可流動性及其與頁巖組成、孔喉大小及分布的關系，從而可以進一步建立頁巖油儲層的下限及分級評價標準，這也有助于對頁巖成儲機理的理解和認識。就可動量評價而言，如果確定吸附態是不可動的部分，游離態是理論上具有可動性的部分，則由分子動力學模擬得到的吸附層厚度結合孔徑大小，就可能定量評價得到可動部分所占的比例。筆者等目前正在利用分子動力學技術模擬不同的原油組分（氣態烴、液態飽和烴、芳烴、非烴、瀝青質）在不同礦物（石墨烯—近似代表有機質、黏土、石英、高嶺石等）上的吸附行為及速度場分布。此外，一些國內外學者也使用分子動力學直觀模擬了烴類分子在狹縫中流動，初步揭示了這一方向的研究潛力。格子Bolzmann模擬，目前在致密砂巖油中已經得到了較多的應用，但由于頁巖及頁巖油的組成極其復雜，目前的分子動力學模擬和格子Bolzmann模擬還難以在各方面都逼近地質實際。另外，從納觀—微觀尺度的模擬到地質尺度的實際應用還有一段距離需要跨越。

圖1 頁巖成儲機理、頁巖油賦存機理及可動性研究之間的相互關系

泥頁巖成儲機理、頁巖油的賦存機理、頁巖油的可流動性這3個方面科學問題之間的邏輯關系可以用圖1給予歸納和總結。從圖1中可以看出，這三者之間不是相互孤立的，而是相互關聯、有機聯系的：描述并定量表征泥頁巖的組成和孔隙、喉道、裂縫的分布并非成儲機理研究的全部內容，甚至不是核心研究內容，而只是成儲機理研究的基礎。只有結合烴-巖相互作用和流體可動性研究，明確了孔喉大小和礦物組成與可流動性之間的關系，并由此建立了頁巖成儲的下限，才算是真正認識了其成儲機理；頁巖油賦存機理和狀態的研究需要在巖石組分及孔喉表征的基礎上，通過油-巖相互作用實驗和數值模擬（分子動力學和格子Bolt-zmann方法）的結合，才能有效認識并定量表征；雖然從現有的分析來看，分子動力學和格子Boltzmann模擬似乎是僅有的可以定量表征石油在致密頁巖中可動性的有效方法，但其也需要以儲層表征和油-巖相互作用研究所得到的認識作為模擬的初始條件和邊界條件，并接受實驗模擬的校正和檢驗，同時也服務于成儲機理和賦存機理的研究。

從圖1中可以看出，分子動力學模擬除了要認識致密巖石的礦物組成、孔喉結構之外，還要設定烴-巖之間的力場和勢場參數（這又與油的組成、性質，巖石的組成性質以及烴-巖相互作用有關）。如果模擬計算所得到的體系潤濕性、吸附性、黏附性、傳輸特性、力學性質等與烴-巖相互作用實驗所得到的結果相近，則說明所設定的烴-巖分子間力場、勢場參數正確，即所得結果可以用于進行吸附量、游離量、滲流量、擴散量、潤濕性等的模擬計算。否則，需要重新調整烴-巖分子間的力場、勢場參數，重新進行模擬計算，直到計算值與實驗值相近為止。進一步可由此計算該礦物組成和孔喉結構條件下石油的可流動性和可流動量。改變頁巖礦物組成、孔喉組成、石油的組成及溫度、壓力條件，可以評價不同條件下石油的可流動性和可流動量，而流動性基本喪失的臨界點對應的即是成儲下限，流動性明顯改善的點對應的則是分級界限。

有機非均質性的評價和預測

由于構造、氣候、物源、埋深等條件的變化導致的沉積環境、有機質輸入、成熟演化及生排烴的差異，頁巖中有機質的豐度、類型、成熟度及含油量在縱向和平面上都表現出明顯的差異?？陀^評價/有效預測有機質、尤其是含油性豐富的層段和區域，是準確布井并提高頁巖油勘探開發效益的基礎。

批量取樣并進行系統的實驗室分析（TOC、氯仿瀝青“A”、熱解參數S1、含油飽和度等）無疑是評價有機非均質性最為精確的方法。但受分析費用、分析周期、尤其是可供分析的樣品數量制約，實測數據總是少于描述頁巖含有機質及含油性非均質性的需要。不過，由于有機質的發育特征對眾多測井響應（如聲波時差、電阻率、中子、密度、自然伽馬等）都有明顯的影響，加上測井資料的連續性、較高的分辨率，使利用測井資料來評價烴源巖中有機質的非均質性成為可能。事實上，近年來，測井地球化學的原理和技術（最為重要的是ΔlogR模型）已經在常規油氣勘探中評價源巖的TOC非均質性方面得到了較為廣泛、成功的探索和應用。不過，雖然由于：①高豐度（通常類型較好）的源巖生烴量大，②高豐度有機質有利于頁巖油的吸附（有機質對石油的吸附能力遠遠高于無機礦物），③高豐度有機質可以為游離油提供儲集空間（高豐度有機質在生烴縮聚同時，形成大量微孔，為殘留油提供儲集空間）等方面的原因，殘余有機碳（TOC）的高低，可以在一定程度上反映烴源巖的含油量，但受源巖排烴、演化及無機礦物組成等因素的影響，TOC顯然不如氯仿瀝青“A”和熱解參數S1能夠更為直觀地反映含油量的變化。而從原理上講，氯仿瀝青“A”和S1等的含量變化同樣會在測井響應上得到反映，這為利用測井資料直觀評價頁巖中的含油性提供了可能。通過初步研究揭示，利用密集取樣井的分析資料標定測井評價模型，然后可以將模型推廣應用到沒有實測樣品但有測井資料的鄰區。不過，到目前為止，該方面的報導還相對較少。同時，近期的研究也顯示，通過將ΔlogR模型中的經驗疊合系數從0.02到計算機自動優化求取、基線值的選取從人工到計算機自動優化選取及在模型中引入新的測井曲線（如密度）等的改進措施，目前廣泛應用的評價TOC模型的精度還能進一步提高。這也代表了頁巖有機質非均質性評價研究的發展趨勢。

圖2 利用地震資料預測S1及其平面分布（王府斷陷）

當然，勘探家更感興趣的是頁巖有機非均質性的預測。從原理上，富含有機質頁巖表現出高聲波時差、低密度的特征，因此在地震剖面上應該具有不同的響應特征。根據這些特征，利用地震相、屬性提取及波阻抗反演方法可定量預測TOC、S1等的非均質性，并刻畫其空間分布。通過在松遼盆地南部地區的初步應用成果（圖2），可以展示上述原理應用的可能性。但該區較好的應用效果與研究區埋深較淺、信噪比較高有關。在埋深較大或地質條件復雜區的應用效果還有待突破、改進。在頁巖含油氣性檢測、TOC預測等方面，蘊涵豐富信息的疊前地震資料可能有更大的用武之地。利用含有豐富信息的疊前地震數據，在測井資料的約束下，開展疊前地震彈性參數反演，得到高精度的、能夠反映儲層橫向變化的縱、橫波速度。并在此基礎上，得到流體因子剖面、縱/橫波速度比剖面、泊松比剖面和儲層厚度剖面等，可以為地質解釋人員提供更豐富的信息，提高鉆井成功率、降低勘探風險。在這方面國內外目前已經取得了一些初步成果，如陳祖慶就利用地震疊前反演技術成功建立了四川焦石壩地區TOC與地層頁巖密度之間的關系，可用于預測頁巖中的TOC含量。張廣智等基于楊氏模量與密度乘積、泊松比和密度的疊前縱、橫波聯合反演可以獲得更加精確的彈性參數，為頁巖儲層識別和流體預測提供可靠的依據。這應該代表了頁巖有機非均質性預測的發展趨勢，預期近期將會得到不斷的改進、完善和更多的推廣應用。

無機非均質性的評價和預測

基于同樣的道理，頁巖的礦物組成（反映頁巖的脆性/可壓裂改造性）同樣存在明顯的非均質性。認識這種無機非均質性是合理選擇可壓裂區塊，提高頁巖油開發效益的前提。與有機非均質性的評價類似，無機非均質性的評價原理上也可以利用實驗室分析技術來完成。例如通過X射線衍射、掃描電鏡等確定頁巖的總體礦物組成后，石英、鈣質等脆性礦物含量高的層段/區塊可壓裂性高。通過巖石力學參數測量，楊氏模量高、泊松比低的頁巖具有較高的可壓裂性。但實驗室分析方法雖然精確但難以推廣應用，且缺少預測功能。

老油區豐富的測井資料始終蘊含有大量的待發掘信息。從原理上講，不同的礦物（包括有機質）總會在聲波、電阻率、自然伽馬、密度、中子、元素等測井上有不同的響應，其應該可以在一定程度上反映頁巖的礦物組成，從而可以反映頁巖的脆性/可壓裂性。例如，ECS元素俘獲能譜測井通過解譜可以得到H、Cl、Si等元素的相對含量，通過元素豐度和礦物含量間的關系可以計算得到方解石、白云石、石英、長石和黃鐵礦等礦物的含量，從而有助于認識頁巖的可壓裂改造性。但由于元素測井價格較高，一般應用較少，因此難以成規模應用。橫波測井結合縱波測井不難反演得到頁巖的楊氏模量和泊松比，由此也可以確定頁巖的可壓裂性。但由于橫波測井一般實測較少，也難以大規模推廣應用。因此，研究者自然只能聚焦于常規的測井資料上。

由于頁巖中礦物太多，很難通過常規測井資料確定出全部的礦物組成。目前通常的做法是大類組合，將其分為孔隙、有機質、塑性較高的黏土礦物和脆性較高的其他礦物。在此基礎上，建立測井評價礦物組成的模型（如多礦物體積模型或經驗公式），利用密集取樣的實驗室分析資料標定評價模型（多礦物模型的待定參數或經驗公式的待定系數）。之后將標定所得模型用于鄰井區推廣應用。圖3為近期在松遼盆地北部建模井和驗證井的應用效果。目前很多學者也都進行了相關領域的探索，并取得了一定的效果，但其反演精度還有待進一步提高。

圖3 松遼盆地評價黏土礦物含量的效果

利用測井資料也可以直接獲取巖石力學參數或評價天然裂縫的發育分布，從而評價頁巖儲層的可壓裂改造性。獲取巖石力學參數需要利用一個重要參數—橫波速度，而在常規測井中該項指標無法直接獲得，這就增大了利用常規測井評價巖石力學參數的難度。計算橫波速度最常用的方法就是統計回歸其經驗公式，但該方法具有一定的經驗性和區域性，難以推廣。Xu和White基于Biot-Gassmann方程和Kuster-Toksoz模型及差分等效介質理論（DEM），提出的一種利用孔隙度和泥質含量估算泥質砂巖縱波和橫波速度的方法，即Xu-White模型。該模型首先利用Kuster-Toksoz模型求取巖石骨架彈性模量，然后基于Gassmann方程，計算包含孔隙流體巖石的等效體變模量和剪切模量，并進一步計算縱波和橫波速度。在此基礎上，不難計算得到泥頁巖的楊氏模量和泊松比，由此可以評價頁巖的脆性/可壓裂性的非均質性。

同樣，無機非均質性的地震預測是勘探家更為期待解決的問題。泥頁巖層系（尤其是裂縫發育層段）存在明顯的各向異性，因而單井資料難以準確描述泥頁巖力學參數的空間分布特征。雖然疊后地震道反演易造成地震波AVO特性消失和振幅解釋的假象，但疊前地震資料包含地震波縱、橫波速度和其他巖性信息，尤其隨著疊前彈性阻抗反演技術的提出，很好地融合了疊后反演和疊前AVO反演的優點，將波阻抗反演技術應用到AVO角度疊加數據并與巖石物理參數聯系起來。利用測井約束、屬性分析等技術由地震資料預測頁巖無機非均質性的一個重要研究方向，與前述技術相比，還是一個相對薄弱的研究環節，因而也是目前國內外眾多研究團隊正在大力攻關探索、有待突破的方向。

從地質的角度來看，頁巖在縱向及平面上的有機、無機非均質性，一方面與構造背景、古氣候、物源、生物發育等因素決定的沉積環境有關，另一方面與其成巖作用有關。兩者的結合決定了細粒沉積的形成機理及富有機質頁巖的發育、分布和演化。因此，上述評價和預測，需要結合層序地層學分析、沉積（微）相分析來進行，并受其約束和驗證。因此需要加強頁巖層系的精細層序地層學分析和沉積微相研究（常規油氣勘探中，沉積微相研究主要針對砂體發育的地層來進行）。這也應該是頁巖油評價亟待加強的領域和代表發展趨勢的研究方向。由于本文是從頁巖油評價的關鍵科學和技術問題來展開論述的，因此沒有再進行討論。

結論

（1）頁巖孔隙、喉道、裂縫及礦物組成的定量表征是成儲機理研究的基礎，下一步的研究方向是需要建立“全息”、“簡約”、有一定普適性的數字巖心。同時，還應結合油-巖相互作用（賦存機理）和流體可動性研究，認識孔喉大小、礦物組成與可流動性之間的關系，并由此明確了頁巖成儲的下限，才能真正認識其成儲機理。

（2）頁巖油賦存機理和狀態的研究需要在巖石組分及孔喉表征的基礎上，通過油-巖相互作用實驗和數值模擬（分子動力學和格子Boltzmann方法）的結合，才能有效認識并定量表征；數模需要接受實驗的檢驗和校正，當然兩者最終都需要與地質實例解剖相結合，經受實踐的檢驗。

（3）頁巖油可動性、可動量的評價是頁巖油領域最為薄弱，但事關頁巖油能否突破的關鍵。應用納米學科的理論和技術結合實驗可能是有效的思路和途徑。對其認識和表征需要以儲層表征和油-巖相互作用研究所得認識作為數值模擬（分子動力學和格子Boltzmann方法）的初始條件和邊界條件，并接受實驗模擬的校正和檢驗，同時也服務于成儲機理和賦存機
理的研究。

（4）由豐富的測井資料來建立、由實驗室分析資料來標定評價頁巖有機非均質性和無機非均質性的模型具有可行性和有效性，這可以有效服務于識別頁巖油的“甜點”（頁巖油的富集性和可采性/可壓裂改造性）。而由地震資料尤其是疊前地震資料來預測頁巖地層的有機非均質性和無機非均質性，已經展示了良好的前景，但反演精度還有待于進一步提高。

版權聲明 | 來源：《石油學報》，作者：盧雙舫等，版權歸原作者所有。

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