页岩气是指产于页岩地层中的天然气.2014年美国页岩气年产量达到3.637×10¹¹ m³,约占总产量的50%. 中国页岩气起步较晚, 目前以南方海相页岩为重点,2014年页岩气年产量达到1.3×10⁹ m³.

表1 中国典型盆地页岩油气、致密油气储层纳米级孔隙基本特征
Table 1 Characteristics of nano-sized pore reservoir for shale oil & gas and tight oil & gas in Chinese basins

本次分析样品取自威201井、长芯1井的寒武系和志留系海相页岩气储层,利用场发扫描电子显微镜发现了丰富的纳米级孔隙.页岩气储层纳米级孔隙分为有机质内孔、颗粒内孔、自生矿物晶间孔及微裂缝等(图1).有机质内孔分布于有机质内部或与黄铁矿颗粒吸附的有机质中,孔隙直径介于5～900 nm,主体在150 nm左右,呈规则凹坑近球状密集分布,是页岩中由于有机质演化形成的纳米级孔隙类型; 颗粒内孔主要包括长石溶蚀和绿泥石等黏土矿物溶蚀形成的纳米级孔隙,呈三角形、长条状或片状,孔径范围60～500 nm; 在有机质内部还发现了微裂缝,呈明显的锯齿弯曲状,缝宽约300 nm,延伸长度十几微米.统计结果发现,页岩的有机质内孔可占有机质颗粒面积的20%以上,可增加面孔率4%～7%,对页岩储层孔隙度的贡献达12%～30%^[3],是页岩气储层最重要的储集空间.

图1 四川盆地下古生界页岩气储层典型微观照片[14]
Fig.1 Microphotographs of Lower Paleozoic shale gas reservoir in Sichuan basin[14]

页岩油是指成熟烃源岩已生成并滞留在页岩地层中的石油聚集,页岩既是生油岩,又是储集岩,石油基本未运移,属原地滞留石油资源.

本次分析样品取自四川盆地川中地区侏罗系样品主要选自大安寨段页岩,利用场发扫描电子显微镜观察到丰富的纳米级孔隙.页岩油储层纳米级孔隙分为有机质孔、黏土矿物基质孔和颗粒粒内孔等(图2),页岩油储层主体孔径范围为30～400 nm.

四川盆地川中侏罗系大安寨段页岩,有机质孔沿有机质与基质边缘发育,白云石粒内孔则呈多种形态,还包括黄铁矿晶间有机质孔、石膏晶间孔和伊蒙混层基质孔等(图2).

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段页岩样品中,有机质孔呈长条形,主要分布于有机质颗粒边缘,孔径30～200 nm,黏土矿物基质孔主要为片状绿泥石基质孔,呈长条形、弯片状展布(图3).

图2 四川盆地侏罗系页岩油储层典型微观照片
Fig.2 Microphotographs of Jurassic shale oil reservoir in Sichuan basin

图3 鄂尔多斯盆地中生界页岩油储层典型微观照片
Fig.3 Microphotographs of Mesozoic shale oil reservoir in Ordos basin

致密油是指储集在覆压基质渗透率小于或等于0.1×10^-3 μm²(空气渗透率小于1×10^-3 μm²)的致密砂岩、致密碳酸盐岩和混积岩等储集层中的石油.北美典型的致密油有威利斯顿盆地Bakken、德克萨斯南部的Eagle Ford 等,产层是与生油岩互层的致密灰岩、云质粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩,孔隙度2%～12%,渗透率0.01×10^-3～0.1 ×10^-3 μm².中国也具有形成致密油的地质条件,目前已在鄂尔多斯盆地华庆地区延长组、四川盆地公山16井、龙岗9井的侏罗系获得工业性发现,松辽盆地青山口组致密油也有良好资源前景.本文重点研究鄂尔多斯盆地三叠系延长组和四川盆地川中侏罗系致密油储层.

图4 四川盆地侏罗系致密灰岩油储层典型微观照片
Fig.4 Microphotographs of Jurassic tight limestone oil reservoir in Sichuan basin

四川盆地川中侏罗系样品主要选自大安寨段介壳灰岩和凉高山组砂岩,鄂尔多斯延长组样品主要选自上三叠统延长组6段和长8段致密砂岩,进行高精度场发射扫描电子显微镜分析(图4和图5).实验中观察到多种类型的纳米级孔隙,主要包括杂基及颗粒内微孔、自生矿物晶间孔及微裂缝等,致密灰岩油储层主体孔径在40～500 nm,致密砂岩油储层主体孔径在50～900 nm.颗粒内孔主要为长石溶蚀和黏土矿物溶蚀、石英溶蚀形成的纳米级孔隙,长石颗粒边缘溶蚀微孔呈三角形或近圆形,凹凸不平,孔径25～200 nm; 黏土矿物纳米孔喉为片状矿物之间的孔隙,以绿泥石和伊利石为主,孔径100～500 nm,连通性较好; 石英颗粒纳米孔喉为表面刻蚀坑,形态不规则,以长条形为主,孔径200～500 nm.自生矿物晶间孔包括片状高岭石晶间孔及柱状钠长石晶间孔,片状高岭石叠加生长形成的晶间孔径最大可达250 nm,柱状钠长石晶簇叠加生长,单晶之间的晶间孔径约20 nm.

图5 鄂尔多斯盆地中生界致密砂岩油储层典型微观照片
Fig.5 Microphotographs of Mesozoic tight sandstone oil reservoir in Ordos basin

致密气主要指致密砂岩中储存的天然气,一般地下渗透率<0.1 ×10^-3 μm².中国致密气勘探已获得重要发现,形成了鄂尔多斯盆地苏里格和四川盆地川中须家河组两个大型致密气区,此外,塔里木库车克深2井白垩系、吐哈山前带侏罗系、松辽南部登娄库组及渤海湾深层沙三段等致密气勘探均获得新发现,是最现实的非常规天然气资源.

本次致密砂岩气储层样品分别取自四川盆地上三叠统须家河组致密砂岩气储层、鄂尔多斯盆地苏里格气田下二叠统下石盒子组8段和山西组1段致密砂岩气储层.应用场发射扫描和纳米CT技术进行实验分析,同样观察到丰富的纳米级孔隙(图6).通过实验观察,发现纳米级孔隙也主要包括颗粒内微孔、自生矿物晶间孔及微裂缝等3种类型,致密砂岩气储层主体孔径在40～700 nm.石英粒间孔径50～250 nm,伊利石层间缝孔喉直径50～400 nm.应用纳米CT进行三维扫描重构数据计算表明,常规孔隙仅占总孔隙的15%左右,这部分资源利用常规技术即可有效开发,而剩余总孔隙的50%～60%主要是纳米级孔隙,这部分资源需要通过非常规勘探开发技术开发利用.

图6 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气储层典型微观照片
Fig.6 Microphotographs of Upper Paleozoic tight sandstone gas reservoir in Ordos basin

一般地,常规油气局部富集,非常规油气连续聚集.常规圈闭油气与非常规储层油气在储层特征、源储配置、成藏特征、渗流机理、分布和聚集等特征方面存在明显差别,见图7和表2.

图7 世界大油气田及中国主要油气田物性分布
Fig.7 (Color online)Porosity & permeability distribution of giant oil & gas fields in China and other areas in the world

常规油气主要表现为:油气从烃源岩生成和排出后,经浮力驱动发生二次运移,并在构造、岩性地层圈闭中聚集形成油气藏.非常规油气.重点包括连续型油气聚集,主要是滞留在烃源岩内,或经一次运移或近源岩经短距离二次运移,在盆地中心、斜坡等大面积非常规储层中连续或准连续分布的油气聚集,无明确圈闭与盖层界限,流体分异差,无统一油气水界面和压力系统,含油气饱和度差异大,油气水常多相共存.

纳米孔喉油气是指聚集在纳米级储集空间中的油气,一般储层孔隙小于1 μm,局部发育微米-毫米级孔隙,主要包括页岩油气和致密油气等,常规技术难开采.

纳米孔喉油气的主要特征是:① 源储共生,致密储集层与油气连续分布; ② 源内滞留或短距离运移; ③ 以扩散作用、分子作用等为主,非浮力聚集; ④ 一般单井无自然工业产能,需开发纳米油气新技术.

储集空间大小的序列分布决定了烃类资源的形成机制和聚集类型(图8).天然气中主要成分甲烷分子直径为0.38 nm,轻质原油分子为0.6～0.9 nm,原油组分中最大沥青质分子直径为4 nm,它们的分子直径远比我们想象的要小.在毫米级(孔喉直径大于1 mm)及以上孔隙中,流体可自由流动,形成“管流”,服从静水力学规律; 在微米级(孔喉直径1 mm～1 μm)孔隙中,毛细管阻力限制流体自由流动,形成“渗流”,服从达西渗流规律.毫-微米孔喉直径的常规储层中,油气运移遵循阿基米德定律,浮力为主要运移动力,油气水可分异,呈游离态,渗流能力强,可形成统一的流体压力系统,油气局部富集,呈单体型聚集于构造高点,或集群型聚集于岩性、地层圈闭中.在纳米级

表2 常规油气与非常规油气特征比较
Table 2 Comparison of characteristics of conventional and unconventional oil & gas

项 别 常规油气(圈闭聚集)非常规油气(连续聚集)聚集单元 构造、岩性地层等常规圈闭,圈闭作用明显 无明显界限的非闭合圈闭,圈闭作用不明显储层特征 常规毫微米孔喉储层 非常规纳米孔喉储层,滞留作用明显源储配置 一般源外成藏,需排聚时刻匹配 大面积源储共生,或源储对接水动力作用 明显,重力分异、浮力聚集 不明显,流体分异差、浮力作用受限运移方式 远距离二次运移为主 一次运移或短距离二次运移渗流机理 达西渗流 非达西渗流为主油气水关系 上油(气)下水,界面明显 无统一油气水界面与压力系统,饱和度差异大,油气水易共存分布和聚集 单体型、集群型非连续分布 盆地中心、斜坡等大面积(准)连续型分布,局部富集技术应用 直井、酸化压裂等常规勘探开发技术 水平分支井、分段分层压裂等特殊技术

(孔喉直径小于1 μm)孔喉中,流体与周围介质之间存在巨大的黏滞力和分子作用力,一般条件下,流体不能自由流动,形成“滞留”,生烃型超压和扩散作用为主要动力,油气在盆地中心、斜坡等大面积非常规储集层中准连续或连续分布,无明显圈闭与盖层界限,流体分异差,无统一油气水界面和压力系统,含油气饱和度差异大.油气在非常规致密储层“纳米级”狭窄孔喉中聚集,储集空间有限,存在一个油气自由移动的门槛空间.经大量实验和计算发现:对于近源致密砂岩储层,剔除束缚水膜占据的空间约40 nm,再考虑到分子力吸附、压力吸附等可能固定赋存约10 nm厚的烃气分子,致密砂岩储气空间直径下限约为50 nm; 对于源岩层系泥页岩储层,主要考虑分子力吸附等作用,在孔壁非常接近情况下,泥页岩储气空间直径下限约为2～5 nm.从小于5 nm到单烃气分子大小的储集空间尺度范围,仍是烃类资源大量储集的空间,包括致密油气、页岩油气、煤层气、浅层生物气和天然气水合物等都有大量储集,考虑到经济动用,很可能只有天然气水合物具有经济价值.这种由氢键水笼体叠置形成的晶体化合物,随着认识程度和技术水平的深入,将很快成为现实能源.

图8 烃类储集空间序列及形成机制[15]
Fig.8 (Color online)Hydrocarbon reservoir space sequence and hydrocarbon formation mechanism[15]

在致密砂岩气和页岩气储层中,纳米级孔喉占据总体孔喉主体,它决定了其低孔-超低渗的物性及特殊的成藏机理.对应小于1 μm的纳米级孔喉储集空间,油气在其中的赋存状态及最终可动用程度,是油气勘探生产最为关注的问题,临界孔喉半径的研究非常重要. 在中国已探明致密油气储量中, 还有1/3～1/5的纳米孔喉滞留的理论储量没有计算在内,以鄂尔多斯盆地致密砂岩气为例说明.

鄂尔多斯盆地苏里格上古生界致密砂岩大气区储层孔喉半径普遍较小,半径<100 nm的孔喉约占总体孔喉的52.1%,半径介于100～1 000 nm之间的孔喉约占总体孔喉的34.5%,两者相加,纳米级孔喉占总体孔喉的85.0%以上,可见纳米级孔喉是苏里格大气区致密砂岩的主要储集空间(图9).根据甲烷分子直径和束缚水膜厚度两个关键参数,计算苏里格致密气储层临界孔隙直径在60 nm左右,对应的渗透率约为0.03 ×10^-3 μm²(图9和图 10).苏里格气田目前提交探明储量物性下限为孔隙度5%、渗透率0.10 ×10^-3 μm².按照理论物性下限孔隙度3.0%、渗透率0.03 ×10^-3 μm²计算,由于纳米级孔隙的贡献,苏里格气田理论上可以新增探明地质储量1.1×10¹² m³,储量规模将由目前2.8×10¹² m³扩大到3.9×10¹² m³.因此,纳米级孔隙的发现将大大提升我国致密油的资源潜力和利用价值.

图9 苏里格大气区致密储层储集空间、束缚水膜厚度及分子大小比较
Fig.9 (Color online)Comparison of reservoir space, irreducible water film thickness and molecular size for tight reservoir of Sulige gas field in Ordos basin

图 10 卾尔多斯盆地苏里格上古生界致密砂岩气储层物性下限推导模式图(据文献[16],有修改)
Fig.10 (Color online)Reservoir space cutoff model for tight reservoir in Sulige gas field in Ordos basin(by Ref.[16], revised)