鹽間頁巖油儲層基質孔隙內鹽賦存狀態

楊 柳， 魯環宇， 范 鑫， 黃志文， 周 彤

(1.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083； 2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院，北京 100083)

頁巖氣作為重要的非常規油氣資源，已經在北美實現了商業開采，受到全世界的廣泛關注[1]。在非常規勘探開發領域，頁巖油是繼頁巖氣之后的又一新能源，已經在世界范圍內獲得了迅猛發展[2]。2017年，北美頁巖油的產量占到石油總產量的23%，極大地緩解了能源的供需矛盾。研究發現，我國的頁巖油分布廣泛，且儲量豐富，極具開發潛力，然而目前尚處于勘探開發初級階段[3]。頁巖油的高效開發對改善中國的能源結構、降低石油對外依存度具有重要意義。

頁巖油通常以吸附態及少量游離態賦存于頁巖地層中，屬于源儲共生的非常規石油資源，往往需要依靠大規模的水平井多級壓力技術才能實現頁巖油的高效開發[4-5]。然而，頁巖油儲層具有低孔、低滲的特點，儲層孔隙度一般低于10%，滲透率低于0.01 mD[6]。此外，頁巖油儲層孔喉處于微納米級別，孔隙結構復雜，且礦物組成多樣，使得大量的頁巖油滯留在基質孔隙中，難以運移進入人工裂縫中。目前，依靠衰竭式開采的采出程度往往低于10%。現場經驗表明，向儲層中注氣可以提高頁巖油的采出程度[7]。

中國江漢盆地的潛江凹陷頁巖油儲量豐富，屬于優質的烴源巖儲層，具有較好的勘探開發潛力。潛江凹陷是在強蒸發、高鹽度環境下沉積而成，具有“滿盆泥、半盆鹽”的特征[8-9]。鹽韻律層系廣泛發育為頁巖油的開發帶來挑戰。鹽間頁巖儲層中的鹽遇到水基工作液后會發生溶解、擴散，甚至在溫壓發生變化時出現重結晶的現象，使得孔隙結構發生劇烈變化[10-12]。然而，目前尚沒有關于鹽間頁巖鹽賦存形態等方面的研究。基于此問題，開展巖間頁巖顯微鏡及掃描電鏡分析，離子溶解及擴散實驗等工作，以便得到頁巖儲層鹽賦存狀態及特征以及頁巖儲層鹽離子溶解及擴散特征，深入研究潛江凹陷鹽間頁巖鹽賦存狀態，對實現頁巖油有效開發具有重要作用。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗樣品

江漢盆地潛江組是中國頁巖油開發潛力最大的地層，從鹽間地層中采集了3種不同巖樣，作為實驗的樣品，分別為白云質頁巖、泥頁巖和鈣芒硝頁巖。白云質頁巖整體呈現出褐色，肉眼可見到較大的鹽顆粒分布在白云質頁巖中；鈣芒硝質頁巖呈灰白色，大量的小鹽粒分散在頁巖中，較為均勻；泥質頁巖外觀為暗黑色，層理弱面較為發育，鹽主要充填于弱面中。潛江組總體上具有較強的非均質性，物理特征可能存在較大差異，3種巖樣的礦物含量特征如表1所示。其中，鈣芒硝質頁巖石鹽含量較高，泥質頁巖含量較低，石鹽易溶于水，晶形呈立方體,在立方體晶面上常有階梯狀凹陷，晶體聚集在一起成塊狀、粒狀。

表1 巖樣礦物分布

注：TOC為總有機碳。

1.2 實驗裝置及方法

1.2.1 顯微鏡及掃描電鏡分析

針對3種不同的鹽間頁巖樣品，通過肉眼、顯微鏡和掃描電鏡從3個不同的尺度來觀測鹽晶體的形態及分布特征。圖1所示為中國科學院力學研究所顯微鏡，可以從毫米尺度對鹽顆粒、裂縫和顆粒進行分析。圖2所示為中國科學院地質地球物理所場發射掃描電鏡(MERLIN S-4800)，可以從微米尺度對鹽晶體形態、大小及分布特征進行分析。

圖1 顯微鏡Fig.1 Microscope

圖2 場發射掃描電鏡Fig.2 Field emission scanning electron microscope

1.2.2 鹽離子溶解及擴散實驗

Liu[13]基于粉末樣品開展離子擴散實驗，提出了表征離子擴散速率和能力的表征參數。壓裂過程中，鹽間頁巖接觸到壓裂液，內部的鹽晶體發生溶解，并在濃度差作用下擴散進入壓裂液中。粉末樣品離子擴散實驗可以很好地模擬這一過程。粉碎的樣品粉末浸沒于蒸餾水中，迅速攪拌后，表面的鹽離子迅速溶解進入水中，測得的電導率能夠很好地反映樣品表面附著的鹽離子質量。保持溶液靜止，顆粒樣品內部的鹽離子開始擴散進入水中，逐漸提高水溶液的電導率，通過測量溶液電導率隨著時間的變化可以間接獲得鹽間頁巖樣品的離子擴散規律。

圖3 離子擴散實驗儀Fig.3 Ion diffusion apparatus

開展顆粒樣品的離子擴散實驗，采用儀器如圖3所示，型號為Mettler Toledo FiveEasy Plus。具體的實驗步驟如下：

(1)將3個鹽間頁巖樣品(圖4)粉碎成100目的顆粒，分別取3 g顆粒樣品置于1 000 mL的蒸餾水中，攪拌均勻后測得初始電導率G0(表面離子密度)。

圖4 鹽間頁巖粉末樣品Fig.4 Sample of intersalt shale powder

(2)在溶液靜止的條件下，測量相同深度溶液電導率G隨著時間t的變化數據。

2 實驗結果分析與討論

2.1 頁巖儲層鹽賦存狀態及特征

2.1.1 肉眼觀察

圖5 頁巖樣品圖片Fig.5 Shale sample picture

通過肉眼觀察來分析鹽間頁巖樣品內鹽晶體的分布特征，結果如圖5和圖6所示。3種頁巖樣品均為直徑為25 mm的標準巖樣，3種頁巖油樣品的外觀存在較大不同，主要與鹽晶體顆粒的含量及分布形態有關。白云質頁巖中鹽晶體主要以團狀聚集的形式存在，呈零散狀分布，大小、形狀差異較大，使得白云質頁巖具有較強的微觀非均質性。鈣芒硝質頁巖儲層微觀均質性較好，肉眼難以觀察到明顯的鹽晶體顆粒。泥質頁巖的層理發育較好，鹽晶體主要充填于層理弱面中，巖心鉆取過程中容易發生開裂，充填的弱面膠結強度較低。

圖6 泥質頁巖中填充鹽的破碎面Fig.6 Broken surface of filled salt in argillaceous shale

2.1.2 顯微鏡觀察

圖7 顯微鏡分析的頁巖樣品圖片Fig.7 Image of shale samples analyzed by microscope

通過顯微鏡觀察來分析鹽間頁巖樣品內鹽晶體的分布特征，觀察結果如圖7所示。白云質頁巖晶體以簇狀形式聚集，聚集體直徑為1～5 mm，形成一定的網格狀結構；鈣芒硝質頁巖上鹽晶體顆粒小，晶體分布均勻且密集，沒有大塊的無晶體區域；泥質頁巖有明顯的層理面，弱面的寬度為0.5～1 mm，考慮到泥質頁巖的高滲透率(0.15 mD)特點，可知鹽晶體充填的弱面是部分開啟的，可作為流體滲流的高速通道，對改善頁巖油儲層的物性具有重要意義。

2.1.3 SEM觀察

圖8 干燥時頁巖樣品SEM圖Fig.8 SEM diagram of shale samples during drying

通過掃描電鏡分析鹽間頁巖樣品內鹽晶體的分布特征，結果如圖8、圖9所示。不同的頁巖油樣品的鹽晶體在形態和分布上存在較大差別。白云質頁巖在干燥時以簇狀形式存在，每簇晶粒上鹽晶體均較密集，各晶體大小不一，形態各異。泡水后，鹽晶體很大程度上溶解，晶體形態逐漸消失，較難找到大體積的晶體。原來鹽顆粒存在的位置形成了較為明顯的凹坑，巖樣表面呈現坑坑洼洼的現象。

鈣芒硝頁巖鹽晶體分布較均勻，干燥時，鹽晶體以相似距離分布在巖體上，晶體顆粒直徑較小。泡水后，幾乎無法辨別鹽晶體顆粒，巖體表面呈現出大面積分布的小坑洞。

泥頁巖在干燥狀態下，鹽晶體主要分布在巖體軟弱面形成的裂縫中，泡水后，鹽晶體溶于軟弱面之中，較難找出呈現顆粒形態的鹽晶體，裂縫處原本鹽晶體的位置變為凹坑。

2.2 頁巖儲層鹽離子溶解及擴散特征

鹽間頁巖接觸水后，鹽晶體發生溶解，并電離出大量的鹽離子。鹽離子由于濃度差作用開始逐漸擴散進入水中。顆粒樣品內部的鹽離子開始擴散進入水中，逐漸提高水溶液的電導率，通過測量溶液電導率隨著時間的變化可以間接獲得鹽間頁巖樣品的離子擴散規律。

圖10 電導率與時間、時間的平方根的關系Fig.10 Relationship between conductivity and square root of time and time

圖10所示為溶液電導率與時間、時間平方根的關系曲線。D、G和A分別代表白云質頁巖、鈣芒硝質頁巖和泥質頁巖。虛線代表陸相頁巖樣品GCG，海相頁巖樣品LMX、NTT、LJP及淡水相頁巖樣品LYC、UYC的離子擴散實驗結果[13]，主要為了對比、驗證鹽間頁巖的實驗結果。鹽間頁巖的實驗曲線總體趨勢與文獻[13]中的結果基本一致。電導率從初始電導率G0開始隨著滲吸時間緩慢增加，初期增加較快，后期曲線逐漸趨于平緩。然而，鹽間頁巖儲層D和C的電導率與的線性關系較差，曲線存在較大的波動性。這可能由于鹽間頁巖巖晶體溶解影響了孔隙結構，進而影響到了鹽離子的擴散速率。

圖11所示為鹽間頁巖儲層離子擴散特征參數對比。需要指出的是，鹽間頁巖油儲層的表面離子密度和離子擴散速率大大高于海相、陸相頁巖氣儲層，為15～45倍。Liu[13]發現海相頁巖氣儲層的鹽度大幅度高于常規砂巖儲層，呈現出高鹽度的特征，使得頁巖氣井壓后返出的壓裂液鹽度上升幾十倍。然而，海相頁巖氣儲層內的鹽離子主要賦存于孔隙壁面和黏土礦物層間。而鹽間頁巖油儲層中鹽離子主要以晶體的形式分散于巖石內部，是巖石骨架結構的一部分。相比，海相頁巖氣儲層而言，壓裂液吸入鹽間頁巖油儲層后發生的水-巖作用更強，鹽晶體溶解對孔隙結構的影響也更加劇烈。

圖11 鹽間頁巖油與頁巖氣儲層的離子擴散特征Fig.11 Ion diffusion characteristics of intersalt shale oil and shale gas reservoir

3 討論

鹽間頁巖中鹽離子主要以晶體的形式分散于巖石內部，是巖石骨架結構的一部分。遇水后，鹽離子易發生溶解，電離出的鹽離子在濃度差作用下發生擴散作用，水溶液的導電率逐漸提高, 示意圖如圖12所示。巖石骨架中鹽離子的溶解，將導致巖石孔隙變大，結構變得更加松散，將對油儲層的運移產生一定程度的影響。開展鹽離子溶解及擴散實驗，對鹽間頁巖表面附著的鹽離子質量有了定量統計，也對鹽間頁巖樣品的離子擴散規律進行了總結。但鹽離子溶解后，巖石孔隙結構將如何變化，還需要進一步研究，這對頁巖油的有效開發具有重要意義。

圖12 鹽晶體溶解及擴散示意圖Fig.12 Schematic diagram of dissolution and diffusion of salt crystals

4 結論

對3種鹽間頁巖樣品開展顯微鏡及掃描電鏡分析、離子溶解及擴散實驗，得出結論如下：

(1)白云質頁巖中鹽晶體主要以團狀聚集的形式存在，具有較強的微觀非均質性；鈣芒硝頁巖微觀均質性較好，顆粒直徑低于0.1 mm，顯微鏡下能夠看到大量的鹽晶體顆粒分布在泥頁巖樣品內；泥頁巖鹽晶體主要充填于層理弱面中，鹽晶體充填的弱面是部分開啟的，可作為流體滲流的高速通道。

(3)與海陸相對比，鹽間頁巖油儲層的表面離子密度和離子擴散速率大大高于海相、陸相頁巖氣儲層，為15～45倍。3種樣品中，鈣芒硝頁巖表面離子密度最大，初始電導率值最高，擴散速率約為白云質頁巖的1.5倍，為泥質頁巖的3倍。