周尚文 董大忠 張介輝 鄒 辰 田 沖 芮 昀 劉德勛 焦鵬飛

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油非常規(guī)油氣重點實驗室 3.中國石油浙江油田公司 4.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

0 引言

頁巖氣具有自生自儲、大面積連續(xù)聚集的特征，主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于裂縫和孔隙中[1-4]。作為一種典型的非常規(guī)天然氣資源，頁巖氣在我國已經(jīng)初步實現(xiàn)了工業(yè)化開發(fā)[5]。隨著我國油氣對外依存度不斷升高，常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的難度不斷加大，頁巖氣已成為我國天然氣產(chǎn)量增長的重要領域[6]。2020年我國頁巖氣產(chǎn)量達到200×108m3，累計探明儲量超過2×1012m3。

孔隙度是油氣儲層評價的關鍵參數(shù)之一，對于確定巖石儲集空間、流體飽和度以及油氣地質儲量等均具有重要的意義[7-9]。頁巖巖性致密，孔隙度和滲透率與常規(guī)儲層相比均偏小[10-12]。由于其主要發(fā)育微納米孔隙，孔隙結構復雜，對其孔隙度進行精確測試難度較大[9-12]。頁巖孔隙度測試方法較多，主要包括氣測法[13]、液測法[9]和核磁共振法[14-15]。目前主要采用美國天然氣研究所（Gas Research Institute）的方法（簡稱GRI法）來測試頁巖的總孔隙度，采用氣測柱塞樣的方法來測試頁巖的有效孔隙度[16-18]。Sun等[13]討論了孔壓、擴散時間和顆粒大小對總孔隙度測量的影響，并給出了對應的最優(yōu)測試條件；孫建孟等[19]利用核磁共振方法研究了顆粒粒徑對頁巖樣品孔隙度的影響，認為60目范圍內的頁巖碎樣能準確表征頁巖儲層本身的孔隙度；姜柏材等[20]探討了平衡時間對頁巖孔隙度測試結果的影響，建議柱塞樣品分析時間不低于4 000 s；楊巍等[10]認為柱體測定有效孔隙度方法優(yōu)于碎樣方法；蔣裕強等[16]指出不同測量方法或不同實驗室對同一樣品的孔隙度測量結果差異可達3倍，給儲層評價帶來了很大困難。綜上所述，已有學者進行了不同孔隙度測試方法的參數(shù)優(yōu)化研究，但對于不同方法測試結果的對比和方法選取的研究則較少[21-23]。

孔隙度也是頁巖氣地質儲量計算中最關鍵的參數(shù)之一，其測試結果的大小直接影響儲量計算的準確性[24-27]。根據(jù)頁巖氣儲量計算標準《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規(guī)范：DZ/T 0254—2014》[28]，目前主要采用容積法計算游離氣地質儲量，采用體積法計算吸附氣地質儲量。在游離氣量計算過程中，需要使用孔隙度值，孔隙度的測量誤差將直接影響到頁巖氣儲量計算結果的準確性。為此，筆者采用不同測試方法開展了四川盆地南部（以下簡稱川南地區(qū)）下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖孔隙度測試實驗，在優(yōu)化相應的測試參數(shù)的基礎上，對比了頁巖孔隙度測試結果；同時還分析了不同方法測定的孔隙度值對頁巖氣儲量計算結果的影響，提出了儲量計算的最優(yōu)孔隙度測試方法，以期為我國頁巖氣儲量計算方法選擇和相關標準制訂提供參考。

1 實驗材料與方法

選取川南地區(qū)昭通頁巖氣示范區(qū)6口評價井共65個龍馬溪組頁巖樣品進行不同方法的孔隙度測試（表1、圖1）。所選樣品總有機碳含量（TOC）介于0.34%～7.52%，平均值為2.21%。樣品礦物組成以石英和黏土礦物為主，石英含量介于12.6%～55.2%，平均值為34.7%；黏土礦物含量介于13.5%～64.3%，平均值為30.3%（表1）。為了保證測試結果的準確性，先選取部分代表性樣品用于實驗參數(shù)優(yōu)化，其余樣品均采用優(yōu)化后的參數(shù)進行測試；同時為了測試結果的可對比性，先進行氣測法孔隙度測試，然后對同一頁巖柱塞樣品進行液測法和核磁共振法孔隙度測試。此外，將鉆取柱塞后剩余的塊狀樣品粉碎為不同粒徑的樣品后，進行顆粒氣測法孔隙度測試。

表1 五峰組—龍馬溪組頁巖樣品基本參數(shù)表

圖1 實驗樣品選取位置圖

孔隙度的測試是基于巖石樣品的總體積、骨架體積和孔隙體積3部分確定的，確定總體積、骨架體積即可確定孔隙度值[29-30]。由于頁巖巖性致密，各部分體積較難進行精確的測試[31]。目前主要還是通過改進常規(guī)孔隙度測試方法來進行頁巖的孔隙度測試，包括氣測法[13]、液測法[9]和核磁共振法[14-15]3種。

1.1 氣測法

氣測法也稱作氣體膨脹法，主要是通過氣體的膨脹進入樣品的孔隙后，記錄平衡前后的壓力來確定巖石的骨架體積。根據(jù)波義耳定律，頁巖骨架體積計算公式如式（1），其中樣品的骨架體積計算式如式（2），該方程是在假設測試過程恒溫、忽略閥門驅替體積的條件下推導得出：

式中p1表示膨脹前參考室的壓力，MPa；p2表示膨脹后系統(tǒng)的平衡壓力，MPa；Vr表示參考室體積，cm3；Vs表示樣品室體積，cm3；Vg表示樣品骨架體積，cm3；Z1表示p1壓力條件下氣體的壓縮因子；Z2表示p2壓力條件下氣體的壓縮因子。

在確定樣品總體積后，即可采用式（3）計算樣品的孔隙度。

采用氣測法，可以對柱塞樣品、塊狀樣品和顆粒狀樣品進行孔隙度的測試，但是不同規(guī)格樣品所需測試條件明顯不同。柱塞樣品的總體積通過測量樣品的長度和直徑計算得出，顆粒樣品的總體積通過測試樣品的重量和視密度計算，樣品的視密度采用飽和液體法確定。目前國內外常用的頁巖孔隙度測試方法（GRI方法）[9]就是基于顆粒樣品的測試提出的，與傳統(tǒng)的柱塞樣測試相比，GRI方法可最大程度的溝通頁巖中的不連通孔隙，對于評價頁巖的總孔隙度具有重要意義。

1.2 液測法

液測法也稱作飽和液體法，主要是通過稱量飽和已知密度流體前后頁巖樣品的重量，認為樣品重量的增加來源于流體進入巖石孔隙中，從而可較簡單地確定巖石的孔隙體積。前人主要選用去離子水、煤油、酒精等流體作為介質進行巖石飽和，其中，去離子水性質穩(wěn)定，密度易獲取，常用于頁巖孔隙度測試中，計算表達式為：

1.3 核磁共振法

核磁共振法主要是通過低場核磁共振技術檢測頁巖孔隙中流體信號量，與已知孔隙度標樣進行對比后，即可回歸確定樣品的孔隙度[32-33]。該方法對砂巖、碳酸鹽巖等儲層的孔隙度可進行較準確的測試，但應用到頁巖孔隙度測試中時，產(chǎn)生了較多新的問題，如黏土礦物遇水膨脹、有機質產(chǎn)生核磁共振信號等[14,17]。因此亟需對該方法進行進一步優(yōu)化研究。由于新鮮頁巖樣品孔隙中的流體并未占滿整個孔隙空間，所以實驗前需將樣品完全飽和地層水，才能對其孔隙度進行準確測試，計算表達式為：

基于參數(shù)優(yōu)化，筆者使用的核磁共振測試主要參數(shù)為：主頻為21 MHz，回波間隔時間（TE）為0.06 ms，等待時間（TW）為3 000 ms，回波個數(shù)為16 000個，掃描次數(shù)為32次，增益為20 dB。

2 方法優(yōu)化與測試結果

2.1 氣測法測試孔隙度

氣測法既可以進行柱狀巖心樣品的測試，也可以進行顆粒樣品的測試。為了進行有效的對比，柱狀巖心孔隙度測試完成后，將其粉碎進行顆?？紫抖葴y試。如本文參考文獻[13, 20]所述，頁巖巖性致密，氣測時應盡量延長氣體飽和平衡時間。為此，筆者首先進行了部分樣品不同飽和時間下孔隙度測試結果的對比，結果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著飽和平衡時間的增加，孔隙度均呈先增大后穩(wěn)定的趨勢。這說明，當飽和平衡時間過短時，氦氣不能完全進入頁巖孔隙中，通過延長時間可以讓氦氣充分進入。當孔隙度測試值達到穩(wěn)定時，說明樣品已完全被氦氣飽和，該飽和平衡時間為測試最優(yōu)條件。對于龍馬溪組頁巖樣品，飽和平衡時間至少應達到1 800 s，較短的平衡時間將低估頁巖的孔隙度值。

圖2 頁巖柱塞樣品氣測孔隙度隨飽和時間的變化圖

對于顆粒樣品，不僅需考慮飽和平衡時間的影響，還需考慮顆粒目數(shù)的影響。Sondergel等[34]指出，不同實驗室間頁巖顆?？紫抖葴y量結果存在差異的原因在于碎樣粉碎程度，即碎樣目數(shù)的不同。然而，目前并沒有碎樣的粉碎標準可供參考。GRI方法建議采用的樣品粒徑介于20～35目（0.85～0.50 mm）[24]。Karathasis等[35]研究指出將巖心粉碎至325目可獲取穩(wěn)定的孔隙度值。付永紅等[36]建議氣測孔隙度時，粉碎的粒徑介于4～60目。Han等[37]基于低溫氮氣和二氧化碳吸附實驗，進行了不同粒徑頁巖樣品孔隙結構的研究，發(fā)現(xiàn)隨著顆粒粒徑減小，頁巖孔體積和比表面積均會先增大后維持穩(wěn)定，建議130目為不破壞頁巖孔隙結構的最佳粒徑?？梢钥闯?，關于采用多大粒徑的顆粒樣品進行孔隙度測試仍存在較大爭議。筆者將同一頁巖樣品粉碎粒徑為20～40目、40～60目、60～100目和100～200目的顆粒狀樣品進行氣測孔隙度測試，其結果如圖3所示。

圖3 頁巖顆粒樣品氣測孔隙度隨顆粒粒徑的變化圖

從圖3可以看出，隨著顆粒粒徑的減小，氣測孔隙度值先增大，后趨于穩(wěn)定。不同樣品的趨勢有所區(qū)別，這可能與樣品的孔隙結構差異有關。但該現(xiàn)象證明了頁巖中有大量孔隙是不連通的，當樣品粒徑較大時，氦氣分子無法進入不連通孔隙。而當樣品粉碎至一定程度時，部分閉孔打開，氦氣分子得以進入，使得測試結果增大。但當樣品粉碎過細時，有可能破壞巖石的礦物結構，導致與礦物相關的孔隙被破壞，使得人為增加或減小一定量的孔隙。因此，粉碎的最小粒徑應大于頁巖中礦物的最大粒徑，不改變原始粒度組成。從圖3分析結果來看，當顆粒目數(shù)大于60目時，部分樣品孔隙度出現(xiàn)減小。因此筆者建議采用20～60目（粒徑介于0.85～0.25 mm）的顆粒樣品進行龍馬溪組頁巖孔隙度測試。

2.2 液測法孔隙度測試

應用液測法進行頁巖孔隙度測試時，由式（4）可以看出，其準確性主要依賴于樣品飽和前后重量的測試結果。由于樣品重量均采用萬分之一的天平進行測試，為了準確確定其孔隙度，需滿足兩個條件：一是樣品能完全烘干，二是樣品能完全飽和。對于頁巖的干燥，已有學者進行研究建議采用110 ℃進行巖心的烘干，在該溫度下既可盡量達到烘干效果，也可避免對黏土礦物的破壞[18,36]。但目前對頁巖的烘干時間還沒有標準明確指出。筆者選取了部分巖心進行了不同烘干時間的重量分析，如圖4-a所示，可以看出隨著烘干時間的增長，樣品重量最終達到平衡。當烘干24 h時，其重量平均減小0.42%，可進一步延長烘干時間。當烘干時間延長至48 h后，其重量變化減小，平均減小率僅為0.08%。從相應的核磁共振T2譜（圖5-b）變化也可以看出烘干時間介于24～48 h時，樣品信號還有比較明顯的減小，烘干時間超過48 h后樣品信號變化不明顯。因此，建議龍馬溪組海相頁巖的烘干時間需至少達到48 h。

圖4 頁巖樣品隨烘干時間的變化重量和核磁共振T2譜變化圖

圖5 頁巖不同回波間隔時間條件下的核磁共振T2譜及累積信號幅度圖

樣品烘干條件確定后，還需進一步確定加壓飽和條件，才能準確確定頁巖孔隙度。因為頁巖的黏土礦物發(fā)育且易碎，當其在水中飽和時間過長時，樣品易被破壞，無法進行后續(xù)測試。已有學者[32]建議在15 MPa條件下加壓24 h進行頁巖的飽和水實驗，認為飽和壓力太低時，水無法完全進入；飽和壓力過大時，巖心會遭受一定程度地破壞。筆者測試的液測孔隙度也是基于此條件下的飽和水實驗進行的。

2.3 核磁共振法孔隙度測試

核磁共振孔隙度測試結果的確定主要依賴于其核磁共振信號的準確確定，測得的核磁共振信號量要能準確反映頁巖中全部流體的信號。因為頁巖巖性致密，納米孔隙內流體的信號較難檢測，需提高核磁共振設備的性能才能滿足要求[38]。對其影響較大的核磁共振參數(shù)為回波間隔時間（TE）和等待時間（TW）[19]。頁巖不同回波間隔時間條件下的核磁共振T2譜如圖5-a所示，其累積信號如圖5-b所示。從圖5可以看出，回波間隔時間差異對核磁共振信號的采集影響較大，當回波間隔時間較大時，部分小孔隙內的信號是無法檢測到的，左峰明顯偏低。累積信號量隨回波間隔時間增大也明顯變小，導致低估頁巖的孔隙度值。因此，對于頁巖核磁共振孔隙度測試，需盡量減小回波間隔時間，其測試結果會更加準確。受制于場強的限制，筆者采用核磁共振設備回波間隔時間最低為0.06 ms，頁巖孔隙度測試中也采用該參數(shù)值。

頁巖不同等待時間條件下的核磁共振T2譜如圖6-a所示，其累積信號如圖6-b所示。從圖6可以看出，等待時間差異對核磁共振信號的采集影響不大，累積信號量幾乎無變化。為了讓重復采樣等待期間樣品系統(tǒng)盡量恢復平衡狀態(tài)，筆者頁巖孔隙度測試采用的等待時間為3 000 ms。

圖6 頁巖不同等待時間條件下的核磁共振T2譜及累積信號幅度圖

對于頁巖核磁共振孔隙度測試，還需厘清的一個關鍵問題是干燥樣品的核磁共振信號問題[14]。實驗測試過程中發(fā)現(xiàn)，采用2.2中所述方法進行頁巖樣品烘干后，其依然有較大的核磁共振信號，如圖7-a所示。Martinez等[39]研究認為，頁巖中并不含有大量影響核磁共振信號的強磁性成分。在提高采集信噪比與分辨率的基礎上，相對于孔隙中流體的氫原子核信息，骨架中的氫核信息基本上可以忽略不計。蔣裕強等[17]認為該部分信號可能來源于閉孔中水和黏土礦物束縛水，再增高溫度也無法去除。圖4-b也表明頁巖中存在不來源孔隙中水的核磁共振信號，在計算核磁共振孔隙度時，應扣除該部分信號，計算公式應優(yōu)化為：

式中As表示飽和水后頁巖樣品的核磁共振T2譜信號大??；Ad表示干燥頁巖樣品的核磁共振T2譜信號大小。

將扣除該部分信號前和未扣除該部分信號的核磁共振孔隙度計算結果與液測孔隙度結果進行對比（圖7-b），發(fā)現(xiàn)扣除干燥樣核磁共振信號后的測試結果與液測孔隙度值吻合較好，平均相對誤差由37.8%減小至8.8%，證明了該方法的可靠性。

圖7 頁巖初始、干燥和飽和條件下的核磁共振T2譜及其核磁共振孔隙度與液測孔隙度對比圖

3 討論

3.1 不同方法測試結果對比

在基于上述頁巖孔隙度測試方法優(yōu)化的基礎上，對3種方法的測試結果進行對比分析。對于氣測法，還需對比采用柱塞樣和顆粒樣的孔隙度測試結果。在優(yōu)化氣體飽和時間和顆粒粉碎粒度的基礎上，所選取的昭通頁巖氣示范區(qū)65個龍馬溪組頁巖樣品的對比結果如圖8所示。從圖8可以看出，對于所有的樣品，頁巖顆粒樣孔隙度均大于柱塞樣孔隙度。這是由于頁巖中存在大量不連通的孔隙，這些不連通的孔隙在樣品粉碎過程中被打開變成了可測量孔隙?？梢哉J為，柱塞樣孔隙度反映了頁巖連通孔隙度，而顆?？紫抖确从沉隧搸r總孔隙度，顆?？紫抖扰c柱塞樣孔隙度之間的差值可反映柱塞樣的不連通孔隙的多少[17]。筆者測試的昭通頁巖氣示范區(qū)龍馬溪組頁巖樣品中不連通孔隙的占比介于13.1%～27.7%，平均值為20.1%。

圖8 頁巖顆粒樣品與柱塞樣品氣測孔隙度測試結果對比圖

對于測試核磁共振孔隙度和液測孔隙度，在上述方法優(yōu)化的基礎上，所選取的昭通頁巖氣示范區(qū)65個龍馬溪組頁巖樣品的測試結果對比如圖9所示。從圖9可以看出，幾乎所有樣品的液測孔隙度值均大于核磁共振孔隙度值，相對誤差約為10%。液測孔隙度的測試結果依賴于樣品重量的測試結果，飽和水后的頁巖樣品表面會吸附部分水分，在稱量過程中并不能完全將該部分表面水擦拭干凈，導致飽和水后的樣品重量偏大。因此，表面水的存在可能是液測孔隙度偏大的原因之一。

圖9 部分頁巖樣品液測孔隙度、顆粒氣測孔隙度與核磁共振孔隙度結果對比圖

對比核磁共振孔隙度與顆粒氣測孔隙度，即可確定兩種方法測試結果的大小關系。核磁共振孔隙度與顆粒氣測孔隙度測試結果對比如圖9所示。從圖9可以看出，兩者之間的大小關系沒有規(guī)律性，總體來看核磁共振孔隙度稍大，但部分樣品的顆粒氣測孔隙度亦大于核磁共振孔隙度。這種現(xiàn)象是由于這兩種方法采用的實驗原理、介質和過程完全不同造成的。

將上述測試結果采用箱線圖（圖10）進行表示后，可以更清晰地看出測試結果的差別，從平均值和中位數(shù)上看，其大小關系為：液測孔隙度＞核磁共振孔隙度＞顆粒氣測孔隙度＞柱塞氣測孔隙度。采用核磁共振法和液測法測試過程中，需先進行飽和流體的操作，不論是采用何種流體（水或油），其飽和程度與潤濕性有關。付永紅等[36]的研究表明，飽和油測試的孔隙度明顯低于飽和水測試的孔隙度。此外，我國南方海相頁巖中黏土礦物含量較高且成分以伊利石為主[32]，吸水后由于水化作用可能產(chǎn)生微裂縫，導致更多的水滯留于微裂縫中。筆者在實驗中也觀察到飽和水后的頁巖樣品會產(chǎn)生破碎、掉渣等現(xiàn)象，這些都會導致核磁共振法和液測法的孔隙度值偏離頁巖樣品本身的真實值。而相對來說，氣測孔隙度測試過程中，采用的氣體介質（氦氣）不會與頁巖樣品發(fā)生反應，測試結果精度僅依賴于壓力計量精度。在保證儀器精度和氣密性的情況下，建議采用氣測法進行頁巖孔隙度測試。

圖10 頁巖不同孔隙度測試方法測試結果對比圖

3.2 測試結果對儲量計算結果影響

對于頁巖氣田探明地質儲量的計算，目前主要是通過體積法來計算吸附氣地質儲量和容積法來計算游離氣地質儲量[28]。吸附氣地質儲量的計算主要決定于吸附氣含量的確定，儲層孔隙度不參與計算。而游離氣地質儲量的計算主要依賴于儲層孔隙度和含氣飽和度值，其計算公式為：

式中Gy表示頁巖氣游離氣總地質儲量，108m3；Ag表示頁巖氣含氣面積，km2；h表示頁巖儲層的有效厚度，m；φ表示頁巖孔隙度；Sgi表示原始含氣飽和度；Bgi表示原始頁巖氣體積系數(shù)。

從式（7）可以看出，孔隙度的準確確定對于頁巖氣地質儲量的計算至關重要。但目前可供參考的標準《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規(guī)范：DZ/T 0254—2014》中并未明確規(guī)定該孔隙度值應采用何種方法確定[28]。目前國內在進行探明地質儲量申報時，不同油田公司采取的孔隙度確定方法也不盡相同，需要統(tǒng)一測試方法和流程已成為研究人員的共識。為了分析孔隙度測試方法對儲量計算結果的影響，基于上述實驗方法確定的孔隙度中位數(shù)值，以2019年進行儲量申報的川南太陽—大寨地區(qū)陽102井區(qū)為例進行對比分析，其計算結果如表2所示。需說明的是，筆者僅為評估孔隙度測試方法對儲量計算結果的影響程度，并未考實際頁巖氣田地質儲量計算中需考慮的孔隙度覆壓校正和井點平均計算等步驟。

表2 基于不同孔隙度測試方法的陽102井區(qū)地質儲量計算表

對于陽102井區(qū)，采用柱塞樣氣測、顆粒樣氣測、核磁共振法和液測法測試的孔隙度分別為3.72%、4.46%、4.85%、5.48%，其對應計算的頁巖氣總地質儲 量分別為 891.70×108m3、977.12×108m3、1 022.14×108m3、1 095.04×108m3，可以看出孔隙度的測試結果對地質儲量的計算結果影響較大，采用柱塞樣氣測孔隙度值和采用液測孔隙度值計算的游離氣地質儲量相差203.34×108m3，相對誤差高達23%。如果采用柱塞樣氣測孔隙度值進行計算，可能會嚴重低估頁巖氣田的儲量；而采用液測孔隙度值進行計算，可能會高估其儲量。因此，正確選取能代表儲層實際性質的孔隙度參數(shù)值，對于儲量計算來說是至關重要的。

基于上述分析，由于柱塞樣氣測孔隙度僅能代表頁巖中的連通孔隙度，不能代表頁巖的全部儲集空間。此外，核磁共振法和液測法測試過程中需引入流體進行飽和，可能會對頁巖孔隙產(chǎn)生破壞，不能代表頁巖的真實孔隙空間大小。而顆粒法氣測孔隙度能較全面地反映頁巖的全部空間，且不受外加流體性質的影響。因此，在有效控制顆粒粒徑的基礎上，建議采用顆粒氣測孔隙度進行頁巖氣地質儲量的計算。

4 結論

1）優(yōu)化了3種頁巖孔隙度測試方法的相關參數(shù)和流程。氣測法優(yōu)化后飽和平衡時間至少應達到1 800 s，宜采用20～60目（粒徑0.85～0.25 mm）的顆粒樣品進行頁巖總孔隙度測試；液測法應烘干溫度為110 ℃，烘干時間至少48 h，采用15 MPa圍壓進行24 h的加壓飽和；核磁共振法應在優(yōu)化回波時間和等待時間的基礎上應扣除干燥樣核磁共振信號后進行核磁共振孔隙度計算。

2）不同測試方法的頁巖孔隙度測試結果存在的關系為：液測孔隙度＞核磁共振孔隙度＞顆粒氣測孔隙度＞柱塞氣測孔隙度。液測孔隙度結果偏大，柱塞樣氣測孔隙度僅能測試連通孔隙度，測試結果偏小。

3）不同測試方法對頁巖氣地質儲量計算結果有較大影響。核磁共振法和液測法測試過程中需引入流體進行飽和，可能會對頁巖孔隙產(chǎn)生破壞，顆粒法氣測孔隙度能較全面地反映頁巖的全部空間，且不受外加流體性質的影響。建議采用顆粒氣測孔隙度進行頁巖氣地質儲量的計算。