logo
专注油气领域
与独立思考者同行

页岩油评价中的若干关键问题及研究趋势(二)

页岩油评价中的若干关键问题及研究趋势(二)

页岩储层的致密性限制了石油在其中的可动性、可动量,这是制约其勘探开发成效的瓶颈因素。而页岩油的可动性、可动量首先与页岩孔隙、喉道、裂缝及矿物组成密切相关,同时还与油-岩相互作用密切相关。前者事关页岩成储的可能性和机理,后者则事关石油在页岩中的赋存机理。

因此,页岩的成储机理、石油在页岩中的赋存机理和石油在页岩中的可动性是页岩油研究中的3个关键科学问题;页岩油的富集性与其有机非均质性有关,页岩油的可采性/可压裂改造性与其无机非均质性有关,这是筛选页岩油“甜点”面临的2个关键技术问题。认识这3个关键的科学问题和2个关键的技术问题并建立定量的表征/评价技术是提高页岩油勘探开发成效的关键基础。

上期石油圈介绍了页岩油评价中存在的关键问题(点击阅读),本期石油圈将介绍这些关键问题的研究现状及发展趋势的部分内容。

关键问题的研究现状及发展趋势

对于3个方面的科学问题和2个方面的技术问题,部分问题国内外已经展开了大量研究并取得了较为深入、系统和客观的认识(如成储机理中页岩储层表征、有机非均质性评价方面),但有的则还处于探索的前期(如页岩油可流动性及赋存机理表征)。

页岩的成储机理

认识页岩的成储机理:①认识页岩的孔隙、喉道、裂缝的大小、分布及连通性;②明确页岩的矿物组成及各类矿物与页岩油的相互作用;③明确孔隙、喉道、裂缝的大小以及油-岩相互作用与页岩油流动性的关系。

就第1方面而言,由于泥页岩相对于常规储层具有超低孔/超低渗特征,且富含有机质,因此一直是被作为烃源岩进行研究,学者并不太关心其孔隙、喉道的组成和结构。直到北美地区开始大规模开采页岩气,泥页岩才逐渐被作为储层得到关注和重视。尽管泥页岩非常致密,但一系列高分辨率分析测试技术(包括微区高分辨率镜下观测/成像技术,如聚焦离子束抛光-电镜扫描技术FIB-SEM、场发射扫描FE-SEM结合能谱分析EDS、二次电子SE/背散射电子BSE、微米CT、纳米CT成像技术等;流体法技术,如高压压汞法MICP、N2和CO2低压吸附法LPA等;射线法技术,如小角X射线散射法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)的开发和应用,使得泥页岩中有机、无机纳米级孔隙得到了更为直观的认识。

综合利用这些技术可以发现,页岩中有着丰富的孔隙,从小于2nm的微孔到微米级及更大的宏孔都有发育,只不过是其中微小的纳米级孔隙、喉道更为发育,尤其是有机质颗粒内的纳米级孔隙非常发育。纳米级的有机孔隙是泥页岩的重要储集空间。不过,由于不同观测方法的原理、分辨率不同,所观测的孔径范围有交叉并且所得观测结果往往并不完全一致,如何将不同方法得到的孔隙、喉道和裂缝分布无缝衔接起来是有待深入研究和探讨的课题。

利用镜下观察技术可以将页岩孔隙分为有机孔隙、无机孔隙和裂缝3类。其中有机孔隙主要是有机质生烃(主要是生气)后残留的孔隙,页岩储层中有机孔隙的发育程度受有机质丰度和成熟度控制。当泥页岩TOC值为7%时,有机质占泥页岩体积的14%,若热演化中有35%的有机碳发生转化,则能净增4.9%的有效孔隙度。无机孔隙包括粒间孔、粒内孔、黏土矿物层间孔;裂缝包括压裂缝(生烃或埋深)和矿物收缩缝。但是不同演化阶段、不同页岩的各种孔隙相对贡献不同、控制因素也可能不同,如Barnett页岩、HornRiver页岩主要是有机孔隙的贡献,Haynesville和Kimmeridge页岩主要是粒间孔的贡献。研究表明孔隙类型、发育分布受成熟度、黏土矿物、有机质含量、有机质类型等众多因素影响。

不过,近年来国内外关于泥页岩储层微观孔隙结构的研究绝大多数是针对成熟度较高的页岩气储层进行的,而针对位于油窗阶段的页岩油储层微观孔隙结构的研究相对较少,其间可能存在的差别有待探讨和揭示。如对有机孔隙在生油阶段是否发育就存在争议:Curits等认为生油阶段不发育有机孔,即使由于干酪根生油产生了有机孔隙,由于颗粒支撑作用较差,溶蚀和压实作用会使得有机孔隙塌陷。Reed等则在处于生油阶段的Barnett页岩中观测到了有机纳米孔,并且认为其是干酪根有机孔而非热解沥青的有机孔。实际上有机孔隙与有机质显微组分(壳质组、镜质组、惰质组和沥青质)有一定关系,如丝质体本身就发育原生孔隙。可以预期通过今后的研究积累,对于页岩油储层内部的有机、无机孔隙发育程度、形态、演化模式、对总孔隙的贡献、影响因素等以及其在页岩油富集中的作用都会有逐步明晰的认识。

就第2方面而言,对页岩矿物组成的确定已经进行过大量的研究,综合利用X射线衍射、能谱、扫描电镜及有机地球化学等分析技术,不难确定泥页岩样品中石英、长石、碳酸盐矿物、黄铁矿、黏土矿物及有机质的含量和性质。

可以看出,这些技术的综合应用可以有效地描述和表征页岩储层孔隙、喉道、裂缝的大小、分布、连通性以及页岩的矿物组成。目前的重要发展趋势和方向是在上述表征的基础上,建立包括矿物和孔隙、喉道、裂缝空间分布的3D数字岩心,为模拟流体在孔隙空间中的流动、分布等一系列问题奠定基础,并作为评价烃-岩相互作用和可流动性定量评价的基础,这也是成储机理研究的重要内容和发展方向。

通常,数字岩心构建方法分为2大类:①物理实验法,即采用物理方法对岩心进行扫描,利用图像处理算法直接建立三维数字岩心;②数值重构法,即基于纳米CT、SEM技术,应用MCMC等方法重构3D数字岩心。

物理法重构3D数字岩心的优点在于逼近实际样品,但突出问题在于,成像精度和样品分析尺寸(视域)之间的矛盾,即分析视域较大时,分辨率低,成像精度不够,无法刻画细小的孔隙、喉道、裂缝;而高分辨率成像时,分析视域极小,由于页岩普遍存在的非均质性,使结果难以具有代表性。这一矛盾极大的限制了页岩数字岩心的实用性。因此,需要结合页岩全孔径分布、页岩组成与主要孔喉关系以及页岩孔、渗参数等,构建既逼近真实岩心组分及孔隙、喉道、裂缝分布,同时又满足各种宏观参数约束的“全息”(指尽可能的满足从微观到宏观各类参数的约束)数字岩心。不过,对于物质组成及储集空间非均质性较强的页岩,由此构建的数字岩心,并不一定能代表一类岩性或岩相的总体特性。因此,在全息数字岩心构建的基础上,结合数值重构方法,需要利用同类多个样品的分析结果进一步构建既满足多参数约束,又能够代表一类岩性或岩相总体特性的“简约”(“简”是指在满足宏观参数的前提下,所得到的3D数字岩心中的矿物组成和孔喉缝分布尽可能简单,以便于后续的数值模拟;“约”是指将同一类岩性/岩相样品的共性信息提取出来。因此,“简约”数字岩心不是代表一个具体的样品,而是代表同一类岩性/岩相页岩的整体特性,具有一定的普适性,便于地质推广应用。)数字岩心,使其具有一定的普适性和地质上的可推广应用性。这应代表了目前页岩数字岩心技术领域的发展趋势。

成储机理研究的第3方面的内容(烃-岩相互作用及孔隙、喉道、裂缝大小与页岩油流动性的关系)将并入下文讨论。

页岩油的赋存机理、赋存状态及油-岩相互作用在泥页岩中油气赋存机理及其表征方面,国内外针对页岩气作了大量卓有成效的研究。业已认识到,页岩气可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在,在干酪根和黏土矿物表面上以吸附状态存在,在水、干酪根和沥青中以溶解状态存在,并据此可分别建立吸附气、游离气、溶解气的定量表征理论和技术。

不过,针对页岩油的相关研究则还异常薄弱,尤其是定量表征方面的研究近于空白。一般认为,石油在页岩储层主要是以吸附态和游离态2种形式存在,吸附态石油存在于有机质内部、表面以及矿物基质表面;游离态石油则存在于孔隙和裂缝中,少量石油还能以溶解态存在于亲油的有机质生烃残留孔中。不过,与气体从游离态变成吸附态时从气态变成固态不同,吸附态与游离态的页岩油可能并没有明显的区别或界线。也有学者利用场发射环境扫描电镜结合能谱数据验证来观测致密砂岩(非泥页岩)中岩石孔喉表面液态烃赋存状态,或通过表面物理化学理论推断,存在孔隙介质孔道/喉道中间的流体受到的固-液界面作用小,在一定条件下可近似于游离态流体,而孔隙介质表面的流体在介质表面会发生物理化学反应,形成一层边界流体或者束缚流体。但是,这些研究并没有指明给定页岩体系页岩油的优先赋存位置和孔隙尺寸、以及不同赋存状态的相对比例。

根据前人对固-液表面的实验结果,可以推论,吸附态与游离态石油应存在2个方面差异:①随着与孔喉表面距离的不同,吸附态石油密度存在规律性变化,而游离态石油密度不变(此现象在水银填充碳纳米管的分子动力学模拟中已被观察到);②吸附态石油分子在孔喉表面定向排列,形成“类固层”(此现象在蓝宝石表面液态铝的X射线衍射实验中已被观察到)。储层亲油性越强,石油在其表面的黏附力越大,吸附厚度越大,游离态比例越小,可动量越小。不过,由于页岩及页岩油组成复杂,页岩油分子之间还存在着相互作用,如何来定量表征页岩油的吸附状态、吸附量、不同赋存状态页岩油的含量/比例、不同赋存状态相互转换的条件等,目前还缺少针对性和有效的研究及表征。

除了其他因素之外,页岩油的赋存与石油-水-岩石之间的相互作用密切相关,这种相互作用表现为与界面现象有关的石油、水、岩石之间的界面张力,界面张力则直接影响到润湿、吸附/解吸过程。因此,体现油-岩相互作用结果的润湿性是影响页岩油赋存状态的重要因素之一,而吸附/解吸则与赋存状态的相互转化规律相关。虽然在油藏工程方面较早、较多开展过有关的分析和研究,但过去的主要评价对象是砂岩而非泥页岩储层,加上润湿性又受多方面因素的影响,包括:①矿物组成;②油、水性质;③液滴尺度及孔喉尺度和曲率;④孔喉表面物理化学性质;⑤温度、压力条件。这使得目前对泥页岩润湿性及其对页岩油赋存状态影响的认识还非常零散和初步,有待于大力加强。

事实上,由于页岩物质、孔喉、页岩油的组成及其排列组合的复杂性,实验室内的润湿性分析可能难以覆盖和揭示复杂的油-岩相互作用。因此利用数值模拟技术是解决难题的思路之一。

在纳米材料领域,分子力学和分子动力学模拟技术已经被成功应用于计算纳米材料的物理特性、润湿特性、吸附特性、传输特性等。近年来,国内外已有部分学者开始探讨将这一技术引入描述和表征甲烷在页岩内的吸附现象或甲烷水合物的稳定性。利用分子动力学进行的初步研究也表明,液态烃在孔隙、裂缝内的密度分布并不均匀,由于吸附作用的结果,靠近固体壁面的密度较大(可以认为吸附层内的烷烃分子以固体或“类固体”形式存在),并出现3个相对高峰,可能对应3个吸附层。因此,这一技术具有在页岩油的润湿、吸附及赋存状态和吸附机理表征中的应用前景!

不过与可动性评价相似,数值模拟(分子力学和分子动力学)的结果还需要接受相关实验的检验和校正:分子模拟中固-油之间力场、势场参数是左右模拟结果的关键参数,其选取是否合适,需要由数值模拟的结果与同样条件下的实验结果是否接近来界定。因此,相关的实验分析是研究深入的基础。

本期介绍了页岩油关键问题的研究现状及趋势中的页岩成储机理部分,下期石油圈将继续介绍页岩油关键问题的研究现状及趋势中的剩余部分,并对全文进行总结(点击阅读),敬请期待。

版权声明 | 来源:《石油学报》,作者:卢双舫等,版权归原作者所有。

(本文系本网编辑转载,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系,我们将在第一时间删除内容。)

未经允许,不得转载本站任何文章:

白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

评论 抢沙发