页岩油评价中的若干关键问题及研究趋势（三）

上期石油圈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（点击阅读），本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。

关键问题的研究现状及发展趋势

页岩油的可流动性、可流动量及其表征

泥页岩中含有丰富的石油已经是工业界和学术界的共识，但其可流动性及可动量还广受质疑，是该领域目前最为薄弱的研究环节。

关于页岩中石油的可动油量评价，目前首先考虑的是借用评价砂岩和致密砂岩中可动油/可动油饱和度的研究技术，主要包括3个方面：①通过核磁共振技术测定岩石的T2弛豫时间谱来反映可动油的饱和度；②通过驱替实验来评价岩石中的可动油；③通过分析冲洗带和原状地层含水饱和度来评价可动油。但由于页岩储层更小的孔喉结构和更强的烃-岩相互作用，这些技术在页岩储层中应用的可行性和有效性还有待进一步探讨、明确和改进。如驱替实验难以进行；孔喉小到一定程度之后，核磁参数的物理意义可能会有改变等。

至于页岩油的流动性/渗流特征的定量表征，是一个难度更大的课题。常规储层中油气的流动性可以由达西定律较好的表征，但泥页岩储层的微—纳米级孔隙比较发育，具有超低孔/超低渗和富含有机质的特点，且液-固作用复杂，一些在常规宏观—介观尺度流动中可以忽略的因素（如速度滑移、表面力和静电力），逐渐开始在流动中占据主导地位，从而导致许多比较特殊的微—纳尺度流动现象。这些现象用常规的流体力学理论难以解释，因此针对页岩纳米级孔隙结构中流体流动规律进行的研究大多存在局限性，也可以说，迄今仍缺少有效的描述和表征方法。

但是，分子动力学模拟技术目前已经在纳米材料的流-固吸附中展示了巨大的应用潜力。同时，基于分子动力学理论、原格子气元胞自动机发展起来的格子Boltzmann（LBM）数值方法是一种典型的微观方法，其不受连续性假设的限制，可以模拟多孔介质中微细管道中的流动、滑脱效应等。这些正好适合致密页岩储层的特点，应该可以被引入页岩油的研究当中。同时，格子Boltzmann方法与其他数值计算方法相比，具有计算效率高、边界条件容易实现等优点，这也代表了该领域重要的发展方向和趋势。事实上，已经有不少国内外学者正在探讨该方法在页岩气中应用的可行性和有效性，但目前还鲜有其在页岩油中应用的探讨。而该方法若被成功引入到页岩油的研究中，则有望从分子动力学理论和LBM方法的角度，建立可同时描述和表征油-岩吸附、渗流的技术，并可评价页岩中石油的可流动性及其与页岩组成、孔喉大小及分布的关系，从而可以进一步建立页岩油储层的下限及分级评价标准，这也有助于对页岩成储机理的理解和认识。就可动量评价而言，如果确定吸附态是不可动的部分，游离态是理论上具有可动性的部分，则由分子动力学模拟得到的吸附层厚度结合孔径大小，就可能定量评价得到可动部分所占的比例。笔者等目前正在利用分子动力学技术模拟不同的原油组分（气态烃、液态饱和烃、芳烃、非烃、沥青质）在不同矿物（石墨烯—近似代表有机质、黏土、石英、高岭石等）上的吸附行为及速度场分布。此外，一些国内外学者也使用分子动力学直观模拟了烃类分子在狭缝中流动，初步揭示了这一方向的研究潜力。格子Bolzmann模拟，目前在致密砂岩油中已经得到了较多的应用，但由于页岩及页岩油的组成极其复杂，目前的分子动力学模拟和格子Bolzmann模拟还难以在各方面都逼近地质实际。另外，从纳观—微观尺度的模拟到地质尺度的实际应用还有一段距离需要跨越。

图1 页岩成储机理、页岩油赋存机理及可动性研究之间的相互关系

泥页岩成储机理、页岩油的赋存机理、页岩油的可流动性这3个方面科学问题之间的逻辑关系可以用图1给予归纳和总结。从图1中可以看出，这三者之间不是相互孤立的，而是相互关联、有机联系的：描述并定量表征泥页岩的组成和孔隙、喉道、裂缝的分布并非成储机理研究的全部内容，甚至不是核心研究内容，而只是成储机理研究的基础。只有结合烃-岩相互作用和流体可动性研究，明确了孔喉大小和矿物组成与可流动性之间的关系，并由此建立了页岩成储的下限，才算是真正认识了其成储机理；页岩油赋存机理和状态的研究需要在岩石组分及孔喉表征的基础上，通过油-岩相互作用实验和数值模拟（分子动力学和格子Bolt-zmann方法）的结合，才能有效认识并定量表征；虽然从现有的分析来看，分子动力学和格子Boltzmann模拟似乎是仅有的可以定量表征石油在致密页岩中可动性的有效方法，但其也需要以储层表征和油-岩相互作用研究所得到的认识作为模拟的初始条件和边界条件，并接受实验模拟的校正和检验，同时也服务于成储机理和赋存机理的研究。

从图1中可以看出，分子动力学模拟除了要认识致密岩石的矿物组成、孔喉结构之外，还要设定烃-岩之间的力场和势场参数（这又与油的组成、性质，岩石的组成性质以及烃-岩相互作用有关）。如果模拟计算所得到的体系润湿性、吸附性、黏附性、传输特性、力学性质等与烃-岩相互作用实验所得到的结果相近，则说明所设定的烃-岩分子间力场、势场参数正确，即所得结果可以用于进行吸附量、游离量、渗流量、扩散量、润湿性等的模拟计算。否则，需要重新调整烃-岩分子间的力场、势场参数，重新进行模拟计算，直到计算值与实验值相近为止。进一步可由此计算该矿物组成和孔喉结构条件下石油的可流动性和可流动量。改变页岩矿物组成、孔喉组成、石油的组成及温度、压力条件，可以评价不同条件下石油的可流动性和可流动量，而流动性基本丧失的临界点对应的即是成储下限，流动性明显改善的点对应的则是分级界限。

有机非均质性的评价和预测

由于构造、气候、物源、埋深等条件的变化导致的沉积环境、有机质输入、成熟演化及生排烃的差异，页岩中有机质的丰度、类型、成熟度及含油量在纵向和平面上都表现出明显的差异。客观评价/有效预测有机质、尤其是含油性丰富的层段和区域，是准确布井并提高页岩油勘探开发效益的基础。

批量取样并进行系统的实验室分析（TOC、氯仿沥青“A”、热解参数S1、含油饱和度等）无疑是评价有机非均质性最为精确的方法。但受分析费用、分析周期、尤其是可供分析的样品数量制约，实测数据总是少于描述页岩含有机质及含油性非均质性的需要。不过，由于有机质的发育特征对众多测井响应（如声波时差、电阻率、中子、密度、自然伽马等）都有明显的影响，加上测井资料的连续性、较高的分辨率，使利用测井资料来评价烃源岩中有机质的非均质性成为可能。事实上，近年来，测井地球化学的原理和技术（最为重要的是ΔlogR模型）已经在常规油气勘探中评价源岩的TOC非均质性方面得到了较为广泛、成功的探索和应用。不过，虽然由于：①高丰度（通常类型较好）的源岩生烃量大，②高丰度有机质有利于页岩油的吸附（有机质对石油的吸附能力远远高于无机矿物），③高丰度有机质可以为游离油提供储集空间（高丰度有机质在生烃缩聚同时，形成大量微孔，为残留油提供储集空间）等方面的原因，残余有机碳（TOC）的高低，可以在一定程度上反映烃源岩的含油量，但受源岩排烃、演化及无机矿物组成等因素的影响，TOC显然不如氯仿沥青“A”和热解参数S1能够更为直观地反映含油量的变化。而从原理上讲，氯仿沥青“A”和S1等的含量变化同样会在测井响应上得到反映，这为利用测井资料直观评价页岩中的含油性提供了可能。通过初步研究揭示，利用密集取样井的分析资料标定测井评价模型，然后可以将模型推广应用到没有实测样品但有测井资料的邻区。不过，到目前为止，该方面的报导还相对较少。同时，近期的研究也显示，通过将ΔlogR模型中的经验叠合系数从0.02到计算机自动优化求取、基线值的选取从人工到计算机自动优化选取及在模型中引入新的测井曲线（如密度）等的改进措施，目前广泛应用的评价TOC模型的精度还能进一步提高。这也代表了页岩有机质非均质性评价研究的发展趋势。

图2 利用地震资料预测S1及其平面分布（王府断陷）

当然，勘探家更感兴趣的是页岩有机非均质性的预测。从原理上，富含有机质页岩表现出高声波时差、低密度的特征，因此在地震剖面上应该具有不同的响应特征。根据这些特征，利用地震相、属性提取及波阻抗反演方法可定量预测TOC、S1等的非均质性，并刻画其空间分布。通过在松辽盆地南部地区的初步应用成果（图2），可以展示上述原理应用的可能性。但该区较好的应用效果与研究区埋深较浅、信噪比较高有关。在埋深较大或地质条件复杂区的应用效果还有待突破、改进。在页岩含油气性检测、TOC预测等方面，蕴涵丰富信息的叠前地震资料可能有更大的用武之地。利用含有丰富信息的叠前地震数据，在测井资料的约束下，开展叠前地震弹性参数反演，得到高精度的、能够反映储层横向变化的纵、横波速度。并在此基础上，得到流体因子剖面、纵/横波速度比剖面、泊松比剖面和储层厚度剖面等，可以为地质解释人员提供更丰富的信息，提高钻井成功率、降低勘探风险。在这方面国内外目前已经取得了一些初步成果，如陈祖庆就利用地震叠前反演技术成功建立了四川焦石坝地区TOC与地层页岩密度之间的关系，可用于预测页岩中的TOC含量。张广智等基于杨氏模量与密度乘积、泊松比和密度的叠前纵、横波联合反演可以获得更加精确的弹性参数，为页岩储层识别和流体预测提供可靠的依据。这应该代表了页岩有机非均质性预测的发展趋势，预期近期将会得到不断的改进、完善和更多的推广应用。

无机非均质性的评价和预测

基于同样的道理，页岩的矿物组成（反映页岩的脆性/可压裂改造性）同样存在明显的非均质性。认识这种无机非均质性是合理选择可压裂区块，提高页岩油开发效益的前提。与有机非均质性的评价类似，无机非均质性的评价原理上也可以利用实验室分析技术来完成。例如通过X射线衍射、扫描电镜等确定页岩的总体矿物组成后，石英、钙质等脆性矿物含量高的层段/区块可压裂性高。通过岩石力学参数测量，杨氏模量高、泊松比低的页岩具有较高的可压裂性。但实验室分析方法虽然精确但难以推广应用，且缺少预测功能。

老油区丰富的测井资料始终蕴含有大量的待发掘信息。从原理上讲，不同的矿物（包括有机质）总会在声波、电阻率、自然伽马、密度、中子、元素等测井上有不同的响应，其应该可以在一定程度上反映页岩的矿物组成，从而可以反映页岩的脆性/可压裂性。例如，ECS元素俘获能谱测井通过解谱可以得到H、Cl、Si等元素的相对含量，通过元素丰度和矿物含量间的关系可以计算得到方解石、白云石、石英、长石和黄铁矿等矿物的含量，从而有助于认识页岩的可压裂改造性。但由于元素测井价格较高，一般应用较少，因此难以成规模应用。横波测井结合纵波测井不难反演得到页岩的杨氏模量和泊松比，由此也可以确定页岩的可压裂性。但由于横波测井一般实测较少，也难以大规模推广应用。因此，研究者自然只能聚焦于常规的测井资料上。

由于页岩中矿物太多，很难通过常规测井资料确定出全部的矿物组成。目前通常的做法是大类组合，将其分为孔隙、有机质、塑性较高的黏土矿物和脆性较高的其他矿物。在此基础上，建立测井评价矿物组成的模型（如多矿物体积模型或经验公式），利用密集取样的实验室分析资料标定评价模型（多矿物模型的待定参数或经验公式的待定系数）。之后将标定所得模型用于邻井区推广应用。图3为近期在松辽盆地北部建模井和验证井的应用效果。目前很多学者也都进行了相关领域的探索，并取得了一定的效果，但其反演精度还有待进一步提高。

图3 松辽盆地评价黏土矿物含量的效果

利用测井资料也可以直接获取岩石力学参数或评价天然裂缝的发育分布，从而评价页岩储层的可压裂改造性。获取岩石力学参数需要利用一个重要参数—横波速度，而在常规测井中该项指标无法直接获得，这就增大了利用常规测井评价岩石力学参数的难度。计算横波速度最常用的方法就是统计回归其经验公式，但该方法具有一定的经验性和区域性，难以推广。Xu和White基于Biot-Gassmann方程和Kuster-Toksoz模型及差分等效介质理论（DEM），提出的一种利用孔隙度和泥质含量估算泥质砂岩纵波和横波速度的方法，即Xu-White模型。该模型首先利用Kuster-Toksoz模型求取岩石骨架弹性模量，然后基于Gassmann方程，计算包含孔隙流体岩石的等效体变模量和剪切模量，并进一步计算纵波和横波速度。在此基础上，不难计算得到泥页岩的杨氏模量和泊松比，由此可以评价页岩的脆性/可压裂性的非均质性。

同样，无机非均质性的地震预测是勘探家更为期待解决的问题。泥页岩层系（尤其是裂缝发育层段）存在明显的各向异性，因而单井资料难以准确描述泥页岩力学参数的空间分布特征。虽然叠后地震道反演易造成地震波AVO特性消失和振幅解释的假象，但叠前地震资料包含地震波纵、横波速度和其他岩性信息，尤其随着叠前弹性阻抗反演技术的提出，很好地融合了叠后反演和叠前AVO反演的优点，将波阻抗反演技术应用到AVO角度叠加数据并与岩石物理参数联系起来。利用测井约束、属性分析等技术由地震资料预测页岩无机非均质性的一个重要研究方向，与前述技术相比，还是一个相对薄弱的研究环节，因而也是目前国内外众多研究团队正在大力攻关探索、有待突破的方向。

从地质的角度来看，页岩在纵向及平面上的有机、无机非均质性，一方面与构造背景、古气候、物源、生物发育等因素决定的沉积环境有关，另一方面与其成岩作用有关。两者的结合决定了细粒沉积的形成机理及富有机质页岩的发育、分布和演化。因此，上述评价和预测，需要结合层序地层学分析、沉积（微）相分析来进行，并受其约束和验证。因此需要加强页岩层系的精细层序地层学分析和沉积微相研究（常规油气勘探中，沉积微相研究主要针对砂体发育的地层来进行）。这也应该是页岩油评价亟待加强的领域和代表发展趋势的研究方向。由于本文是从页岩油评价的关键科学和技术问题来展开论述的，因此没有再进行讨论。

结论

（1）页岩孔隙、喉道、裂缝及矿物组成的定量表征是成储机理研究的基础，下一步的研究方向是需要建立“全息”、“简约”、有一定普适性的数字岩心。同时，还应结合油-岩相互作用（赋存机理）和流体可动性研究，认识孔喉大小、矿物组成与可流动性之间的关系，并由此明确了页岩成储的下限，才能真正认识其成储机理。

（2）页岩油赋存机理和状态的研究需要在岩石组分及孔喉表征的基础上，通过油-岩相互作用实验和数值模拟（分子动力学和格子Boltzmann方法）的结合，才能有效认识并定量表征；数模需要接受实验的检验和校正，当然两者最终都需要与地质实例解剖相结合，经受实践的检验。

（3）页岩油可动性、可动量的评价是页岩油领域最为薄弱，但事关页岩油能否突破的关键。应用纳米学科的理论和技术结合实验可能是有效的思路和途径。对其认识和表征需要以储层表征和油-岩相互作用研究所得认识作为数值模拟（分子动力学和格子Boltzmann方法）的初始条件和边界条件，并接受实验模拟的校正和检验，同时也服务于成储机理和赋存机
理的研究。

（4）由丰富的测井资料来建立、由实验室分析资料来标定评价页岩有机非均质性和无机非均质性的模型具有可行性和有效性，这可以有效服务于识别页岩油的“甜点”（页岩油的富集性和可采性/可压裂改造性）。而由地震资料尤其是叠前地震资料来预测页岩地层的有机非均质性和无机非均质性，已经展示了良好的前景，但反演精度还有待于进一步提高。

版权声明 | 来源：《石油学报》，作者：卢双舫等，版权归原作者所有。

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