非常規巖石物理實驗技術

■ 方朝強 李 新 王 偉

隨著非常規油氣資源在能源需求中所占的比例越來越高，以及非常規油氣開開發難度加大、技術指標要求更高的現狀，及時建立完整成熟的巖石物理實驗技術體系以準確認識非常規儲層巖石物理性質是很有必要的。

針對非常規油氣自生自儲、儲層礦物組分復雜、滲透率極低、微孔隙發育程度較高或者微觀孔隙發育廣泛、巖樣加工難以及自然產能差等特點，中國石油天然氣集團公司測井有限公司組建了非常規巖石物理實驗室，建立了非常規巖石物理實驗技術體系。通過對儲層物性、彈性等參數的實驗研究，為精確認識非常規儲層巖石物理性質，測井評價TOC含量、含氣量以及進行“甜點”預測識別油氣富集區提供技術支持，為非常規儲層“可改造性、可壓裂性”評價以及增產改造提供方法和手段。

實驗室擁有從巖樣加工處理到孔隙度、超低滲透率、微觀孔隙結構等各項參數測試分析共30余套專業儀器設備，建立了一套完整的非常規巖石物理實驗技術體系，并形成了獨特的線切割法巖樣加工技術、多尺寸規格孔滲測量工藝、超低滲透率測量工藝、地球化學參數測試工藝、多尺度微觀孔隙結構分析技術以及巖石力學參數測量工藝等巖石物理實驗技術。

線切割法加工非常規儲層巖心，克服了非常規儲層特別是頁巖、煤巖儲層層理發育明顯、顆粒膠結較弱、受振動易斷裂破碎而且遇水易水化解體的特性，利用金剛石線的上下高速往復運動及高速自轉與巖樣表面高速磨削，同時保持巖樣的慢速縱橫推進以及金剛石線與巖樣的小面積接觸，使巖樣受到的振動較小，不易斷裂破碎也不易產生加工誘導縫，最終取得符合實驗要求的1in、1.5in標準柱塞巖心，成功解決了非常規儲層巖心加工難的問題。

實驗室還開展多尺寸、多規格巖心的實驗研究，既有1in、1.5in的小巖心實驗，也有2.5in、4in、5in的全直徑大巖心實驗，同時針對各項異性研究進行3cm×3cm×3cm的方巖心實驗，以獲得更能代表儲層真實特性的各項參數。

脈沖衰減法超低滲透率測試系統是以應對非常規儲層滲透率極低特性而開發的系統，裝置共包括上、下兩個容器：首先對上游容器施加壓力脈沖，在壓力脈沖逐漸傳到下游容器的過程中，實時記錄兩容器的壓力差和下游容器的絕對壓力；實驗結束后，作出無因次壓差-時間的半對數曲線圖，通過擬合直線的斜率，得出滲透率。該方法的滲透率測試范圍為0.00001～0.5mD，可改變孔壓、圍壓條件進行巖心滲透率測量。

壓力脈沖衰減法超低滲透率測量系統

非常規儲層巖石礦物組分復雜，特別是頁巖儲層不僅巖石礦物組分復雜而且含有豐富的有機質。實驗室依托X射線衍射儀（XRD方法），利用X射線激發樣品后不同晶體產生不同的衍射效應，得出樣品的衍射圖譜，并輔助分析軟件，直接測定出巖石中的各種礦物組成及相對含量(黏土、石英、鉀長石、方解石、白云石、黃鐵礦等），同時給出巖性定名。

研究頁巖儲層性質，總有機碳含量是一個關鍵參數。實驗室總有機碳的測量使用的是碳硫分析儀：用稀鹽酸清洗去除樣品中的無機碳，然后在高溫氧氣流中燃燒，使總有機碳轉化成二氧化碳，再經紅外檢測器檢測出其含量。在巖心樣品燃燒前已經用鹽酸將無機碳完全消除掉的前提下，碳硫分析儀法是測量總有機碳含量最簡單有效的方法。

非常規儲層以微觀孔吼系統發育為主，因此建立了巖心外表面圖像采集-鑄體薄片圖像分析-CT掃描成像以及比表面與微孔徑分析等多尺度非常規儲層微觀孔吼特征實驗技術：依托全自動巖心巖屑圖像采集分析系統對巖心外表面特征進行高分辨率自動化采集、編輯、處理與測量；通過偏光顯微鏡利用礦物折射光學特性對巖心內部結構（如面孔率、孔喉類型、連通性以及孔喉配位數等）特征進行研究；依托高精度CT掃描成像技術在不破壞巖石狀態下進行巖石靜態物理參數的完整描述，重建三維數字巖心，得到樣品連續的橫向切片、縱向不同方向切片、三維重建圖及孔隙提取后的透視圖等，直觀地描述巖石特性，如孔隙度分布、密度變化、裂縫、空洞、層理、巖石傷害等，計算巖心的基本物理參數（如體積密度、孔隙度、飽和度等），為巖石物理數值模擬提供建模關鍵數據，對特殊油藏巖心進行綜合描述分析，將精細油藏描述推向更高層次。

巖心圖像采集分析系統—偏光顯微分析系統—CT掃描系統

非常規儲層納米級孔喉直徑大小及分布，也可以通過氣體吸附法間接獲得。該實驗技術采用比表面與孔徑分析儀，根據靜態氮吸附容量法原理測得不同相對壓力下的吸附量，通過公式參數計算獲得孔喉直徑的大小及分布。

非常規油氣儲層具有巖性致密、低孔低滲的特征，需要大規模壓裂才能形成工業產能，因此儲層的力學參數研究是進行壓裂設計的基礎。實驗室巖石力學參數測試研究利用AutoLab1500測試系統，進行模擬地層條件下的聲波實驗、靜態力學實驗與動靜態彈性常數對比實驗以及破裂壓力實驗研究：通過聲波實驗獲得巖樣縱橫波速度參數；通過動靜態彈性常數對比實驗獲得儲層巖石的彈性模量、泊松比、楊氏模量等參數，研究巖樣儲層條件下彈性力學性質，研究動、靜態彈性參數的關系，為聲波的力學應用提供實驗支持；通過破裂壓力實驗研究巖樣儲層條件下的靜態力學參數及強度，為頁巖脆性指數評價提供基礎數據，為儲層改造提供實驗依據。

巖石力學參數測試系統（AutoLab1500）

中國石油天然氣集團公司測井有限公司非常規油氣巖石物理實驗室的組建，有力地推動了我國非常規儲層巖石物理實驗研究，不僅為中國石油天然氣集團公司重大專項“測井前沿技術與應用基礎研究”提供了有力支持，同時為塔里木油田、吐哈油田、華北油田、中石油勘探院、中石化石油工程技術研究院等各油田單位以及中國石油大學、中國科學院地質所等各高校科研院所提供了優質服務，得到了用戶的一致認可與好評。