李霞，周燦燦，李潮流，程相志，胡松

（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

0 引 言

隨著常規(guī)油氣勘探的不斷深入和勘探難度的加大，非常規(guī)油氣資源日益受到關(guān)注，非常規(guī)油氣逐漸成為我國(guó)油氣勘探的重要領(lǐng)域，在新增探明油氣儲(chǔ)量中所占比例逐年增加［1－3］。近年來，北美地區(qū)頁(yè)巖氣勘探的成功使地質(zhì)學(xué)家認(rèn)識(shí)到頁(yè)巖不僅可以作為烴源巖和蓋層，還可成為儲(chǔ)層，并將這種思想認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)化稱為頁(yè)巖氣革命。

頁(yè)巖氣地質(zhì)條件和形成機(jī)理完全不同于傳統(tǒng)石油地質(zhì)理論，國(guó)內(nèi)外針對(duì)頁(yè)巖氣形成機(jī)理、富集規(guī)律和主控因素等尚未完全搞清。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層低孔隙度、超低滲透率、以納米級(jí)孔隙為主的特性，使得頁(yè)巖巖石物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)理論模型研究在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中發(fā)揮舉足輕重的作用。國(guó)外，特別是美國(guó)在頁(yè)巖氣巖石物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)及相關(guān)研究方面已有了較好的經(jīng)驗(yàn)，而中國(guó)目前在這方面的研究尚處于起步階段［4－7］。因此，急需了解和借鑒國(guó)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和研究方法，提高我國(guó)頁(yè)巖氣巖石物理實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)和研究水平，為我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

1.1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征

頁(yè)巖氣是指生成、儲(chǔ)集和封蓋均發(fā)生于頁(yè)巖體系中，以吸附和／或游離狀態(tài)賦存于頁(yè)巖基質(zhì)孔隙或裂隙中具有商業(yè)價(jià)值的生物成因和／或熱解成因的天然氣［8－9］。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖性主要包括富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖與粉砂巖、細(xì)砂巖夾層，粉砂巖、細(xì)砂巖夾富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間主要為微米至納米級(jí)基質(zhì)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙和微裂縫。研究表明，有機(jī)質(zhì)孔隙中存在大量?jī)?nèi)表面，內(nèi)表面擁有大量潛在吸附空間，是頁(yè)巖吸附氣儲(chǔ)存的主要場(chǎng)所。與常規(guī)儲(chǔ)層相比，頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度較低，一般小于10%，滲透率一般在10－4～10－6mD＊非法定計(jì)量單位，1mD＝9.87×10－4μm2，1psi＝6.895kPa，下同。頁(yè)巖氣一般大面積、連續(xù)分布，無(wú)明顯邊界，甜點(diǎn)區(qū)是勘探開發(fā)有利區(qū)。頁(yè)巖氣有效開采通常需要水平井、大型水力壓裂等技術(shù)形成大量人造縫網(wǎng)。

1.2 頁(yè)巖氣賦存方式

頁(yè)巖氣賦存形式具有多樣性，包括游離態(tài)（大量存在于巖石基質(zhì)孔隙與裂隙、干酪根孔隙中）、吸附態(tài)（大量吸附于有機(jī)質(zhì)、黏土礦物以及孔隙表面之上）及溶解態(tài)（少量溶解于干酪根、瀝青質(zhì)、殘留水以及液態(tài)原油中），但以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，溶解態(tài)僅少量存在［10－11］。目前頁(yè)巖氣在有機(jī)質(zhì)尤其是干酪根表面的大量吸附現(xiàn)象已得到業(yè)界研究者的共識(shí)，由于干酪根的潤(rùn)濕性為油濕，因此，其表面可吸附大量的甲烷氣體，大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，頁(yè)巖氣的吸附量隨著干酪根的增多，即有機(jī)碳含量的增大而增大（見圖1）［12］，當(dāng)頁(yè)巖有機(jī)碳含量較低接近0時(shí)，頁(yè)巖仍能吸附一定的甲烷氣體，此時(shí)，頁(yè)巖吸附氣主要儲(chǔ)存在黏土礦物尤其是伊利石表面［11，13］。

研究表明，黏土礦物主要是伊利石能夠吸附一定含量的頁(yè)巖氣，但其吸附能力受到實(shí)際頁(yè)巖地層溫度、濕度和壓力等因素的綜合影響［11－13］（見圖2）。實(shí)驗(yàn)選用頁(yè)巖樣品（各礦物組分質(zhì)量百分含量依次為伊利石46%，伊／蒙混層16%，高嶺石1%，綠泥石4%，石英27%，碳酸鹽巖及其他礦物6%，有機(jī)碳含量?jī)H為0.1%）將其粉碎至16～20目，分別測(cè)量其在25℃和75℃時(shí)，改變樣品的濕度（使用3%的KCl溶液改變樣品濕度即樣品含水的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），考察其吸附甲烷氣體的含量隨壓力的變化規(guī)律。圖2中原始樣品代表從原始地層中密閉取出的樣品，未改變樣品的濕度（測(cè)量其含水量為1.81 wt%）；干燥樣品即將原始樣品全部加熱烘干，使其基本不含水分（測(cè)量其含水量為0.77wt%）；濕平衡校正為將巖心樣品用KCl溶液改變其濕度（測(cè)量其含水量為2.33wt%）。從圖2可見，對(duì)于相同實(shí)驗(yàn)條件的頁(yè)巖樣品，其吸附甲烷氣體的含量隨著壓力的增加而增加，隨著溫度的增高而減?。辉谙嗤臏囟群蛪毫l件下，干燥頁(yè)巖樣品的甲烷吸附量最大，隨著頁(yè)巖濕度即其含水量的增加，頁(yè)巖的吸附能力逐漸降低。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)條件下頁(yè)巖中黏土礦物對(duì)甲烷氣體的吸附能力

圖1 頁(yè)巖有機(jī)碳含量與甲烷氣體吸附量實(shí)驗(yàn)關(guān)系圖

由此可得到以下認(rèn)識(shí)，頁(yè)巖的吸附氣主要儲(chǔ)存在干酪根表面和黏土礦物尤其是伊利石表面，但是頁(yè)巖地層的含水量對(duì)黏土礦物的吸附能力有顯著影響。當(dāng)實(shí)際頁(yè)巖地層中具有較高的黏土束縛水含量時(shí)，黏土礦物表面的吸附能力很弱。實(shí)際地層條件下，與干酪根相比，黏土礦物對(duì)吸附氣含量的貢獻(xiàn)占多大比例等問題還有待進(jìn)一步深入研究。這些問題的深入探討將有助于吸附態(tài)頁(yè)巖氣含量的準(zhǔn)確計(jì)算，從而得到更全面的頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量數(shù)據(jù)。

1.3 頁(yè)巖氣流動(dòng)機(jī)制

目前國(guó)內(nèi)在頁(yè)巖氣成藏機(jī)制、資源潛力等方面研究取得了一定進(jìn)展，但在頁(yè)巖儲(chǔ)層流動(dòng)機(jī)制等方面的研究相對(duì)較少。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層流動(dòng)機(jī)制是頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)分析和氣藏?cái)?shù)值模擬的物理基礎(chǔ)。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層物性差，孔隙喉道半徑分布一般為微米至納米級(jí)，導(dǎo)致氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中涉及到不同尺度上的流動(dòng)機(jī)制，明顯區(qū)別于常規(guī)氣藏［14－15］。通常用克努森因子（Knudsen number，簡(jiǎn)稱Kn）區(qū)分氣體不同尺度上流動(dòng)機(jī)制的邊界，其定義為氣體分子平均自由程與氣體所在孔隙的平均直徑大小的比值。氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)主要經(jīng)歷3個(gè)過程［16－18］：① 吸附在頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)表面的吸附氣解吸附后形成自由氣存儲(chǔ)在基質(zhì)孔隙中，該過程一般Kn＞10，流動(dòng)機(jī)制以自由分子流為主，顆粒運(yùn)動(dòng)以布朗運(yùn)動(dòng)、吸附、表面擴(kuò)散為主；② 基質(zhì)孔隙中的自由氣（包括游離態(tài)、溶解態(tài)氣體和解吸附后形成的氣體）向低壓區(qū)（裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）擴(kuò)散，該過程一般0.001＜Kn＜10，流動(dòng)機(jī)制以過渡流和平滑流為主，顆粒運(yùn)動(dòng)以氣體擴(kuò)散和滑動(dòng)為主；③ 天然裂縫和壓裂誘導(dǎo)裂縫中的自由氣以滲流的方式流向井底，該過程一般Kn＜0.001，流動(dòng)機(jī)制以黏性流或連續(xù)流為主，屬于達(dá)西流動(dòng)。頁(yè)巖氣最終的供給主要是由小尺度上氣體的流動(dòng)所控制。

2 頁(yè)巖氣巖石物理分析技術(shù)

對(duì)于常規(guī)油氣藏和致密氣藏巖心分析實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外普遍以1998年美國(guó)石油協(xié)會(huì)（American Petroleum Institute）頒布的巖心分析方法為實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（API－RP40），而針對(duì)頁(yè)巖的巖心實(shí)驗(yàn)，迄今為止，石油工業(yè)界尚未公布相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)目前針對(duì)頁(yè)巖開展的各項(xiàng)巖心分析實(shí)驗(yàn)仍采用傳統(tǒng)的常規(guī)測(cè)試方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理和測(cè)量精度都不能滿足實(shí)際需求。國(guó)外各大石油服務(wù)公司在頁(yè)巖孔隙度、滲透率、含水飽和度等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法上存在一定差異［19－20］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可對(duì)比性差，給后續(xù)測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究帶來挑戰(zhàn)。針對(duì)頁(yè)巖巖心分析的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要以天然氣研究協(xié)會(huì)（Gas Research Insitute）提出的實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用最為廣泛，簡(jiǎn)稱GRI方法，以下介紹的各類實(shí)驗(yàn)方法主要以GRI方法為例。

2.1 頁(yè)巖樣品制備

由于頁(yè)巖中存在大量納米級(jí)孔隙，滲透率低至納達(dá)西級(jí)，對(duì)孔隙度和滲透率的測(cè)量若采用傳統(tǒng)的柱塞巖樣方法將存在很大誤差。國(guó)外Luffel和Guidry等［21－22］1992年提出的 GRI方法中最具特色的就是創(chuàng)新性地提出采用巖樣粉碎法增加頁(yè)巖孔隙網(wǎng)絡(luò)的接觸面積，被公認(rèn)為是目前測(cè)量孔隙度和滲透率比較好的方法。巖樣粉碎的一個(gè)重要目的是消除取心過程中所造成的微裂縫，保持巖樣原始孔隙結(jié)構(gòu)的代表性；另外還可以增加樣品的比表面積，減少流體提取、壓力傳導(dǎo)、過渡流狀態(tài)滲透率的測(cè)量等待實(shí)驗(yàn)時(shí)間。但在使用巖樣粉碎法制備巖樣時(shí)，巖樣的清洗和質(zhì)量的保存非常重要。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對(duì)粉碎巖樣進(jìn)行顆粒大小的篩析也非常關(guān)鍵，而對(duì)成熟度較低，膠結(jié)程度差，骨架易變形的淺層頁(yè)巖則不采用粉碎法。

2.2 孔隙度、滲透率測(cè)量技術(shù)

GRI方法測(cè)量頁(yè)巖孔隙度和滲透率主要采用脈沖衰減法，先將頁(yè)巖巖心粉碎（大概100g左右），使其能夠獲得更多的非連通孔隙空間，然后將粉碎巖樣篩析至一定粒級(jí)（一般為20／35目，美國(guó)單位），篩析后的粉碎巖樣一般為15～30g?？紫抖鹊臏y(cè)定采用基于波義耳定律的雙室法［23］，測(cè)量裝置見圖3。采用氦氣測(cè)量，氦氣壓力一般控制在100～200psi，在參考室輸入一定的壓力，測(cè)定平衡后樣品室的壓力，根據(jù)壓力變化可測(cè)得進(jìn)入樣品孔隙的氣體體積，進(jìn)而計(jì)算得到孔隙度。在測(cè)量巖樣孔隙度的同時(shí)需記錄每一時(shí)刻的瞬時(shí)壓力（見圖4），最終選取合適的流動(dòng)機(jī)制模型，結(jié)合數(shù)值模擬和分析可以將測(cè)量得到的一系列瞬時(shí)壓力轉(zhuǎn)換成巖心樣品的滲透率［21，24］。

若要測(cè)量干巖樣的孔隙度和滲透率，則應(yīng)該在巖樣粉碎至一定粒級(jí)之后采用Dean－Stark抽提裝置進(jìn)行蒸餾抽提，溶劑可使用甲苯，直到產(chǎn)水量保持穩(wěn)定為止。對(duì)經(jīng)過抽提的樣品進(jìn)行恒溫干燥，直到樣品質(zhì)量穩(wěn)定為止再進(jìn)行上述孔隙度和滲透率測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

頁(yè)巖孔隙度測(cè)量受多種因素影響，如從孔隙體系中去除水（毛細(xì)管水和黏土水）和液態(tài)烴的方法；由于頁(yè)巖極低的滲透率，孔隙中充入氣體（氦氣、氮?dú)?、甲烷）的程度；巖樣粉碎方法及選用粒級(jí)大小；粉碎巖樣的稱重等都會(huì)影響孔隙度的測(cè)量精度。圖5（a）［19］為同一深度處3組平行巖樣（巖心取出后密封保存）送到3個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室均采用氦氣雙室法測(cè)量巖心孔隙度，但3個(gè)實(shí)驗(yàn)室制備巖樣的方法不同。Lab1對(duì)巖樣進(jìn)行了粉碎并進(jìn)行了篩析，Lab2對(duì)巖樣進(jìn)行了粉碎但未篩析，Lab3直接采用柱塞巖樣進(jìn)行測(cè)量。從3組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果可以看到，對(duì)不同方法制備的巖樣，即使采用相同的測(cè)量方法其巖心孔隙度測(cè)量的結(jié)果也差別較大，粉碎并篩析的巖樣測(cè)得的孔隙度值最大，而柱塞巖樣測(cè)得的孔隙度最小，主要原因是巖心粉碎法可以獲得更多的頁(yè)巖非連通孔隙空間。

脈沖衰減法測(cè)量頁(yè)巖滲透率的結(jié)果主要與將測(cè)量得到的瞬時(shí)壓力轉(zhuǎn)換成巖心滲透率時(shí)所選用的流動(dòng)機(jī)制模型有關(guān)，例如相同的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果若選用達(dá)西流流動(dòng)模型得到的滲透率為0.1nD，而采用平滑流流動(dòng)模型則滲透率為0.03nD?？梢?，對(duì)頁(yè)巖流動(dòng)機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)將會(huì)對(duì)滲透率測(cè)量結(jié)果有較大影響，滲透率的測(cè)量結(jié)果一般需要做克努森因子校正才能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。滲透率的測(cè)量對(duì)粉碎顆粒的粒級(jí)大小有很強(qiáng)的依賴關(guān)系，顆粒大小減小，則逐漸消除了微裂隙對(duì)巖石骨架滲透率的貢獻(xiàn)。圖5（b）［19，24］為2個(gè)不同地區(qū)頁(yè)巖均采用粉碎巖樣脈沖衰減技術(shù)測(cè)量滲透率的結(jié)果，可以看出，隨著粉碎巖樣粒級(jí)變小，測(cè)量得到的滲透率也逐漸變小。

2.3 含水飽和度測(cè)量技術(shù)

頁(yè)巖含水飽和度測(cè)量的關(guān)鍵是對(duì)原始頁(yè)巖樣品中流體含量進(jìn)行準(zhǔn)備的提取，GRI方法中采用目前比較成熟的Dean－Stark溶劑提取法。針對(duì)頁(yè)巖流體的提取國(guó)外學(xué)者近期提出了一種最新的Retort干餾法［23］。上述2種液體提取方法在頁(yè)巖孔隙度、滲透率、含水飽和度實(shí)驗(yàn)測(cè)量中都可使用到。Dean－Stark方法的缺點(diǎn)在于無(wú)法區(qū)分巖樣中的自由水和束縛水，因此測(cè)量得到的孔隙度為總孔隙度。對(duì)頁(yè)巖，通常認(rèn)為提取的液體體積包括自由水和毛細(xì)管束縛水，但黏土束縛水和結(jié)晶水是否被提取并不確定，干酪根和瀝青在實(shí)驗(yàn)過程中也沒有去除掉。Retort方法利用預(yù)先設(shè)計(jì)好的一系列溫度在不同實(shí)驗(yàn)階段可得到不同組分的液體，該方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠區(qū)分自由流體和束縛流體，能夠直接測(cè)量提取油和水的體積，并且能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，但是關(guān)于實(shí)驗(yàn)中使用的溫度序列目前國(guó)際上還沒有頒布相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 頁(yè)巖巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量孔隙度、滲透率結(jié)果

圖6［13］為采用Retort方法對(duì)硅質(zhì)頁(yè)巖提取不同組分孔隙流體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖6中紅色垂直線是Retort方法中區(qū)分自由水、黏土束縛水、黏土結(jié)構(gòu)水的界限溫度。圖7［19］為對(duì)同一口井不同深度處的平行巖樣，分別采用Retort方法（Lab1）和Dean－Stark方法（Lab2）提取頁(yè)巖中的液體最終得到的實(shí)驗(yàn)含水飽和度剖面，由于2個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的巖心孔隙度存在差異，而含水飽和度受巖心分析孔隙度的影響很大，因此為了比較Retort方法和Dean－Stark方法提取液體含量存在的差異，使用Lab2測(cè)量的孔隙度來和Lab1測(cè)量的頁(yè)巖含水量來計(jì)算Lab1的含水飽和度（圖7中藍(lán)色點(diǎn)劃線）。由圖7可見，在相同的實(shí)驗(yàn)孔隙度條件下，2種方法提取的頁(yè)巖流體體積含量是有一定差別的，但是差別比較小。頁(yè)巖中流體含量的測(cè)量主要受粉碎巖樣暴露的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的濕度等因素的影響，可見，由于沒有建立相應(yīng)的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量程序和實(shí)驗(yàn)條件標(biāo)準(zhǔn)，不同實(shí)驗(yàn)室得到的含水飽和度測(cè)量結(jié)果不同，這將會(huì)直接影響頁(yè)巖含水飽和度模型的建立。

2.4 頁(yè)巖含氣量測(cè)量技術(shù)

頁(yè)巖含氣量是指每噸巖石中所含天然氣折算到標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下（101.325kPa，25℃）的天然氣總量，包括游離氣、吸附氣、溶解氣等，目前主要關(guān)注吸附氣和游離氣。由于現(xiàn)場(chǎng)密閉取心的過程中，會(huì)有部分游離氣散失，并且隨著壓力的降低，吸附氣也會(huì)部分解吸轉(zhuǎn)化成游離氣，因此實(shí)驗(yàn)室一般采用不同的方法分類測(cè)量頁(yè)巖中游離氣和吸附氣的含量。游離氣的測(cè)定主要利用Dean－Stark方法或者Retort方法確定巖心中的含水飽和度［13，19］，進(jìn)而確定游離氣含氣飽和度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的孔隙度，即可得到頁(yè)巖游離氣的含量。

由于頁(yè)巖氣與煤層氣具有相似的吸附機(jī)理，因此目前對(duì)頁(yè)巖吸附氣量的測(cè)定主要是借鑒煤層氣中吸附氣的評(píng)價(jià)方法，采用等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)，建立吸附氣含量在不同壓力、溫度條件下的關(guān)系模型。國(guó)外的勘探實(shí)踐表明北美頁(yè)巖吸附氣大多服從蘭格繆爾等溫吸附模型［25－27］，該模型可以描述某一恒定溫度下吸附在頁(yè)巖干酪根和黏土表面上的甲烷與頁(yè)巖中游離甲烷的一種平衡狀態(tài)。對(duì)于等溫吸附實(shí)驗(yàn)，首先將達(dá)到平衡水分的一定粒度的粉碎樣品置于密閉容器中，在恒溫下測(cè)定其不同壓力條件下達(dá)到吸附平衡時(shí)所吸附的甲烷等實(shí)驗(yàn)氣體的體積，得到等溫吸附線，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合后，可以得到蘭格繆爾體積VL、蘭格繆爾壓力pL，其中蘭格繆爾體積為固體吸附氣體的最大含量，而蘭格繆爾壓力代表0.5VL下的壓力。然后，利用蘭格繆爾公式V＝VLp／（p＋pL）計(jì)算吸附氣含量。

由于頁(yè)巖吸附氣含量受有機(jī)質(zhì)性質(zhì)（干酪根類型、總有機(jī)碳含量、熱成熟度）、地層溫度和壓力、礦物組分、氣體成分、黏土含量和濕度等因素的綜合影響［18－20］，在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，要充分考慮上述因素對(duì)頁(yè)巖吸附氣含量的影響，正確選取有代表性的樣品、選擇最接近地層真實(shí)情況的實(shí)驗(yàn)條件（如溫度和濕度）、應(yīng)用最佳的實(shí)驗(yàn)方法來提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用蘭格繆爾等溫吸附曲線進(jìn)行吸附氣含量測(cè)井評(píng)價(jià)時(shí)，一般都需要結(jié)合地層實(shí)際情況，作總有機(jī)碳含量、溫度和壓力的校正。

由于頁(yè)巖吸附氣含量受上述眾多因素的影響，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)頁(yè)巖氣吸附機(jī)理的研究還不夠深入，存在諸多問題［27－29］。例如干酪根表面吸附的甲烷氣體主要以范德華分子作用力為主，但是這個(gè)作用力在干酪根納米級(jí)的孔隙中作用范圍能有多大，究竟能吸附幾層甲烷分子。實(shí)驗(yàn)室研究表明頁(yè)巖中的黏土（以伊利石為主）對(duì)甲烷氣體吸附有一定的貢獻(xiàn)，在干燥條件下伊利石吸附的氣體含量較多，但隨著黏土濕度的增大，伊利石能夠吸附的甲烷氣體量逐漸變小，那么在地層條件下，頁(yè)巖中的黏土究竟對(duì)吸附氣含量有多大貢獻(xiàn)也需要進(jìn)一步的研究。上述問題涉及到分子物理學(xué)和表面化學(xué)的很多知識(shí)，因此，對(duì)于地球物理測(cè)井工作者是比較難解決的問題。

2.5 礦物成分測(cè)量技術(shù)

實(shí)驗(yàn)室定量分析頁(yè)巖礦物成分的方法主要有X射線衍射法（XRD）、傅里葉變換紅外透射光譜分析法（FTIR）和X射線熒光分析法（XRF），各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。XRD方法對(duì)礦物的分析比較全面，但是對(duì)富含黏土礦物的頁(yè)巖，如果實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有進(jìn)行黏土分離，估算的石英含量會(huì)比真實(shí)值偏高。FTIR法克服了上述方法的缺點(diǎn)，測(cè)量的黏土體積與測(cè)井資料吻合度較高，其缺點(diǎn)是進(jìn)行礦物分析之前必須去除有機(jī)質(zhì)。XRF能定量分析元素豐度，將豐度按照化學(xué)計(jì)算分配給各礦物，因?yàn)槎嘤嗟奶荚乇环峙浣o了干酪根，所以XRF方法通常不會(huì)高估石英含量。

3 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石物理模型

由于含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的復(fù)雜性，為了滿足不同的評(píng)價(jià)需求，很多學(xué)者提出了不同的頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石物理模型［30－31］。以評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的總孔隙度和含水飽和度為目的，Alfred等［30］2012年提出了一種新的有機(jī)頁(yè)巖巖石物理模型［見圖8（a）］。該模型的基本思想是將巖石體積劃分為有機(jī)質(zhì)體積（Vk）和非有機(jī)質(zhì)體積（Vnk）兩大體積系統(tǒng)。有機(jī)質(zhì)體積系統(tǒng)主要包括干酪根骨架（vk）和干酪根孔隙（φk）2部分；非有機(jī)質(zhì)體積系統(tǒng)主要包括固體非有機(jī)質(zhì)骨架（vnk）和非有機(jī)質(zhì)孔隙（φnk）2部分。該模型的基本假設(shè)前提是認(rèn)為干酪根孔隙中全部充滿油氣，即Swk＝0；而非干酪根骨架基質(zhì)孔隙中全部充滿水，即Swk＝1，這種假設(shè)的好處是避免了利用常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算頁(yè)巖中的含水飽和度，缺點(diǎn)是這種假設(shè)不符合實(shí)際頁(yè)巖氣地層的真實(shí)情況。實(shí)際頁(yè)巖氣儲(chǔ)層非干酪根骨架基質(zhì)孔隙中應(yīng)該是充滿了游離氣和水的。該模型計(jì)算頁(yè)巖地層總孔隙度的精度強(qiáng)烈地依賴于測(cè)井測(cè)量的體積密度曲線和測(cè)井評(píng)價(jià)的總有機(jī)碳含量值（TOC），若井眼條件較好，能夠獲得比較好的密度測(cè)井曲線，同時(shí)測(cè)井評(píng)價(jià)能夠提供比較精確的有機(jī)碳含量值，則該模型不失為一種好的頁(yè)巖孔隙度評(píng)價(jià)方法，但由于該模型的假設(shè)條件并不是很符合地層的真實(shí)情況，因此還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

以頁(yè)巖儲(chǔ)層原地含氣量評(píng)價(jià)為目的，Glorioso等［27］2012年提出的頁(yè)巖巖石物理模型比較合理適用［見圖8（b）］。他們把頁(yè)巖分成骨架和流體2部分，骨架部分中考慮了干酪根的體積；在流體部分中，既考慮了干酪根孔隙中存儲(chǔ)的游離氣和其表面的吸附氣，又考慮了非有機(jī)質(zhì)骨架基質(zhì)孔隙中的游離氣。頁(yè)巖中的水主要是其骨架基質(zhì)孔隙中的毛細(xì)管束縛水和黏土表面吸附的黏土水2部分?；谠搸r石物理模型，比較容易建立頁(yè)巖儲(chǔ)層相應(yīng)的測(cè)井評(píng)價(jià)模型。但頁(yè)巖的含水飽和度如何通過常規(guī)測(cè)井資料來確定，目前還是急需解決的難題；對(duì)于頁(yè)巖吸附氣含量的準(zhǔn)確確定，在深入認(rèn)識(shí)頁(yè)巖吸附氣機(jī)理上探索合適的吸附氣計(jì)算模型也是亟待解決的難題。

基于頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石物理研究，建立頁(yè)巖原地含氣量的評(píng)價(jià)方法是測(cè)井評(píng)價(jià)的最終目的。以往對(duì)頁(yè)巖原地含氣量（GIP）的計(jì)算主要是由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到頁(yè)巖孔隙度和含水飽和度進(jìn)而得到其游離氣含量，由吸附氣實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到其吸附氣含量，兩者的和即認(rèn)為是GIP。但研究認(rèn)為，吸附氣也占據(jù)了一定的體積空間，因此在計(jì)算總含氣量時(shí)，應(yīng)該減掉吸附氣所占據(jù)的游離氣的體積空間［18］，但是這部分體積究竟如何計(jì)算，目前還沒有很好的解決辦法。

圖8 有機(jī)頁(yè)巖巖石物理模型簡(jiǎn)化圖

4 存在問題及發(fā)展方向

巖石物理基礎(chǔ)研究是實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣準(zhǔn)確合理評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，而其實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。國(guó)外針對(duì)含氣頁(yè)巖的巖石物理實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，而中國(guó)針對(duì)頁(yè)巖氣藏巖石物理基礎(chǔ)研究和各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)尚屬空白，對(duì)國(guó)外先進(jìn)的巖石物理實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)尚不能掌握，也缺乏與頁(yè)巖氣儲(chǔ)層相適應(yīng)的極低孔滲巖石的實(shí)驗(yàn)手段。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，在頁(yè)巖巖石物理實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)及評(píng)價(jià)方面還存在如下主要問題。

（1）針對(duì)常規(guī)巖心測(cè)試美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（API 1998），但是目前針對(duì)非常規(guī)頁(yè)巖巖心實(shí)驗(yàn)尚未頒布相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。GRI方法雖然在頁(yè)巖孔隙度、滲透率和含水飽和度測(cè)量方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但是不同實(shí)驗(yàn)室之間即使對(duì)相同的巖心都采用GRI方法，由于巖樣處理的具體方法和實(shí)驗(yàn)程序步驟不同，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果也有一定的差異，可對(duì)比性差，因此，急需建立針對(duì)頁(yè)巖巖心的可靠的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）使用脈沖衰減法測(cè)量頁(yè)巖滲透率的結(jié)果受所選用的流動(dòng)機(jī)制的影響，對(duì)相同的頁(yè)巖，采用達(dá)西流動(dòng)機(jī)制和滑脫流動(dòng)機(jī)制對(duì)頁(yè)巖滲透率的測(cè)量結(jié)果影響很大，滲透率的測(cè)量結(jié)果一般需要做克努森因子校正才能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，因此對(duì)頁(yè)巖流動(dòng)機(jī)制的深入研究將會(huì)有助于提高頁(yè)巖滲透率測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。粉碎巖樣脈沖衰減法雖然實(shí)現(xiàn)了納達(dá)西級(jí)頁(yè)巖基質(zhì)滲透率的測(cè)量，但是其只考慮了頁(yè)巖基質(zhì)孔隙對(duì)滲流能力的貢獻(xiàn)，由于巖樣粉碎破壞了頁(yè)巖巖心樣品中原有的微裂縫，因此忽略了巖樣骨架微裂縫對(duì)滲流的貢獻(xiàn)作用。

（3）頁(yè)巖吸附氣含量測(cè)量實(shí)驗(yàn)，目前國(guó)際上一般都采用等溫吸附實(shí)驗(yàn)，然后選用蘭格繆爾模型求解頁(yè)巖的最大吸附量，該模型的適用條件是基于固體表面單分子層氣體吸附提出的。由于頁(yè)巖吸附機(jī)理的復(fù)雜性，干酪根表面的甲烷吸附氣究竟以幾分子層的形式存在還有待深入研究；此外，頁(yè)巖黏土表面一般會(huì)吸附黏土束縛水，由于頁(yè)巖地層的含水量對(duì)黏土礦物的吸附能力有顯著影響，在實(shí)際地層條件下，與干酪根相比黏土礦物對(duì)吸附氣含量的貢獻(xiàn)占多大比例，吸附的甲烷是以氣態(tài)形式存在還是以液態(tài)形式存在等問題都有待于進(jìn)一步探索。只有在正確認(rèn)識(shí)頁(yè)巖吸附氣機(jī)理的基礎(chǔ)上，才能建立合理的吸附氣含量評(píng)價(jià)模型。

（4）國(guó)內(nèi)外對(duì)頁(yè)巖的巖石電學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究很少涉及。由于頁(yè)巖具有納米級(jí)孔隙和納達(dá)西級(jí)滲透率的特點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)在不同含水飽和度下測(cè)量其電阻率；再者，頁(yè)巖一般都含有脆性礦物，易碎，對(duì)頁(yè)巖開展巖石電學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)難度非常大。

（5）富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中含有大量的干酪根，其各種物理性質(zhì)與常規(guī)巖石礦物相比差異較大，對(duì)各種測(cè)井曲線的響應(yīng)特征影響比較大，需要提取出頁(yè)巖中的干酪根，對(duì)其開展各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究（如測(cè)量干酪根的密度、放射性參數(shù)、縱波聲波時(shí)差等），以滿足測(cè)井評(píng)價(jià)的需求。國(guó)外的測(cè)井服務(wù)公司在這方面已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作，中國(guó)的研究尚未起步，由于不同地區(qū)頁(yè)巖干酪根的性質(zhì)（類型、成熟度）各異，因此針對(duì)國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣勘探區(qū)開展此項(xiàng)研究工作意義重大。

（6）目前提出的各種有機(jī)頁(yè)巖巖石物理模型一般只能滿足不同的評(píng)價(jià)需求而解決某些參數(shù)的測(cè)井評(píng)價(jià)問題，尚不能準(zhǔn)確全面的獲得所有頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。雖然Glorioso等提出的頁(yè)巖巖石物理模型比較全面合理，但并未給出其中各種參數(shù)的具體測(cè)井評(píng)價(jià)方法，因此，基于合理的有機(jī)頁(yè)巖巖石物理模型建立相應(yīng)配套的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法還有待進(jìn)一步深入研究和完善。

頁(yè)巖巖石物理實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)及評(píng)價(jià)方面存在的主要問題是國(guó)內(nèi)外巖石物理測(cè)井界面臨的共性問題，需要在這些方面引起關(guān)注并加大研究的力度。對(duì)于國(guó)內(nèi)的巖石物理測(cè)井研究人員，目前工作重點(diǎn)主要放在跟蹤國(guó)外發(fā)展動(dòng)態(tài)和與國(guó)外測(cè)井服務(wù)公司合作對(duì)非常規(guī)頁(yè)巖氣進(jìn)行評(píng)價(jià)方面。下一步要加快中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)步伐，應(yīng)當(dāng)重視與國(guó)外石油公司合作，用最短的時(shí)間學(xué)習(xí)他們的先進(jìn)技術(shù)，降低資金投入，加強(qiáng)頁(yè)巖氣巖石物理實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)研究工作，加強(qiáng)多學(xué)科緊密結(jié)合聯(lián)合攻關(guān)研究，緊跟國(guó)際測(cè)井發(fā)展趨勢(shì)并有所創(chuàng)新，探索一條適合中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)巖石物理基礎(chǔ)研究與測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)的道路。

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