陆相纹层页岩三组分并联饱和度模型：基于岩石物理实验与多尺度成像技术

《Petroleum Science》：Three-component parallel saturation model for laminated continental shale reservoirs based on petrophysical experiments and multiscale imaging techniques

　　

陆相纹层页岩储层表现出显著的异质性、多矿物耦合导电路径以及复杂的孔隙结构，这限制了饱和度估算的精度。在本研究中，研究人员针对济阳坳陷的陆相纹层页岩建立了一个三组分并联导电模型。通过岩石物理实验测量了所研究样品的基本性质。利用X射线计算机断层扫描（X-CT）确定了矿物纹层的空间分布；采用扫描电子显微镜定量矿物评价（QEMSCAN）明确了纹层的矿物学类型及其耦合关系；运用模块化自动处理系统（MAPS）揭示了不同矿物纹层的微观结构；并使用场发射环境扫描电子显微镜（ESEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）识别了不同纹层孔隙空间中的烃类充注特征。结果表明，陆相纹层页岩中的导电路径由粘土矿物主导纹层、碳酸盐矿物主导纹层以及水平层理平行裂缝组成，这些路径以并联方式耦合。研究人员提出了一个三组分并联饱和度模型，其参数通过岩石物理实验和多尺度成像技术确定。该模型被用于计算济阳坳陷两口典型陆相页岩油井的含油饱和度。预测结果与密闭取心分析结果一致。与传统饱和度模型相比，新模型提高了含油饱和度估算的准确性。本研究为陆相纹层页岩储层甜点评价提供了一种有效的含油饱和度计算方法。

陆相纹层页岩三组分并联饱和度模型研究解读

研究背景与问题

随着全球常规油气资源逐渐枯竭，页岩油作为重要的非常规化石能源，已成为勘探开发的战略目标。与美国海相页岩油不同，中国发现的页岩油资源主要赋存于陆相富有机质泥页岩地层中。陆相页岩表现出强烈的非均质性，可大致分为纹层状、层状和块状页岩，其中纹层状页岩因其有利的有机质富集、有效储集空间和高效烃类运移通道，被认为是最具含油潜力的页岩类型。准确识别陆相页岩储层甜点区间依赖于对总有机碳（TOC）、孔隙度、脆性和含油饱和度等关键参数的可靠估算。含油饱和度是反映储层流体分布的主要指标，是预测单井产能和区域油气潜力的关键参数。虽然核磁共振（NMR）测井和密闭取心可提供可靠的含油饱和度测量，但这些数据并非在所有层段均可获得，因此常需利用饱和度计算模型从常规测井数据推断含油饱和度。然而，传统阿尔奇公式假设均匀导电，不适用于富含粘土矿物且孔隙系统复杂的页岩。现有泥质砂岩模型虽考虑了粘土导电性，但在矿物成分异质性分布、不同矿物纹层内发育多尺度多类型孔隙结构的陆相纹层页岩中，导电路径极为复杂，传统模型难以满足储量评估的精度要求。因此，建立可靠的含油饱和度计算模型成为纹层页岩油储层评价的挑战。

研究内容与意义

研究人员聚焦济阳坳陷东营地区代表性陆相纹层页岩，整合多尺度成像技术与岩石物理实验，提出了一种新的含油饱和度模型。研究利用岩石物理实验分析了样品的电导率变化并确定了参数；通过X-CT、QEMSCAN和MAPS观测识别了纹层尺度的导电单元并描述了其孔隙结构特征；借助ESEM并结合CLSM进一步考察了不同孔隙系统内的烃类分布特征。通过综合实验与成像结果，建立了三组分并联饱和度模型，并利用密闭取心测量数据进行了验证。预测结果与密闭取心分析结果高度一致，相较于传统饱和度模型，新模型显著提高了含油饱和度估算的准确性。这项研究为陆相纹层页岩储层甜点评价提供了一种有效的含油饱和度计算方法，对于推动中国陆相页岩油的勘探开发具有重要意义。

关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）岩石物理实验，包括氦气法孔隙度测量、岩电阻率实验（模拟地层水矿化度约48000ppm，对应水电阻率R_w=0.157Ω·m）以及X射线衍射全岩矿物分析（XRD）；（2）多尺度成像技术，包括X射线计算机断层扫描（X-CT，体素分辨率14μm）以获取三维空间结构、扫描电子显微镜定量矿物评价（QEMSCAN，分辨率约1μm）以绘制矿物相图、模块化自动处理系统（MAPS，像素分辨率约10nm）以表征纳米至微米级孔隙结构、场发射环境扫描电子显微镜（ESEM）结合能谱仪（EDS）以观察烃类充填特征，以及共聚焦激光扫描显微镜（CLSM，横向分辨率34nm，纵向分辨率30nm）以提供油荧光信号的光学证据。所有页岩样品均采集自济阳坳陷东营凹陷两口代表性页岩油井（F井和X井）的沙河街组四段上亚段（Es⁴_U）。

研究结果

1. 三维空间分布的X-CT分析

X-CT扫描结果显示，F井样品普遍发育连续且良好的纹层结构，可见清晰的顺层条带，常伴有微尺度顺层裂缝，形成沿层理延伸的孔-缝连通系统。X井样品则更为致密，纹层结构弱化，裂缝数量少且规模有限，宏观连通性明显较差。

2. 纹层矿物类型的QEMSCAN分析

QEMSCAN矿物相图表明，页岩基质主要由两类矿物纹层构成：粘土矿物主导纹层（以伊利石和绿泥石为主）和碳酸盐矿物主导纹层（以方解石和铁白云石为主）。两类纹层在空间上韵律交替，单层厚度通常数十至数百微米。长英质矿物（石英和长石）呈分散颗粒分布于两种纹层内，未独立成层。

3. 纹层孔隙结构的MAPS分析

MAPS图像揭示了不同导电单元的显著孔隙结构差异：

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  粘土矿物主导纹层：含有丰富的粒间孔、片间孔和微裂缝，颗粒排列相对松散，孔隙连通性好。
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  碳酸盐矿物主导纹层：整体致密，孔隙主要沿晶体边界或局部溶蚀特征分布，孔隙度和连通性远低于粘土矿物主导纹层。
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  水平顺层裂缝：在F井样品中密度高、侧向连续性强；在X井样品中数量少、规模受限。MAPS衍生的面微孔隙度定量结果显示，粘土矿物主导纹层面微孔隙度平均为15.78%，而碳酸盐矿物主导纹层仅为3.19%。

4. 孔隙中流体分布的ESEM和CLSM分析

ESEM观测显示，碳酸盐孔隙中存在沥青质或烃类充填，可能减少导电水体积；粘土孔隙中也观察到薄膜状或滴状烃类充填，表明并非仅被束缚水占据；顺层裂缝中烃类充填沿裂缝壁连续聚集，甚至几乎完全占据裂缝空间。CLSM观测进一步提供了油在不同纹层孔隙系统中非均质分布的荧光光学证据。

模型建立与讨论

基于多尺度成像结果，研究人员将陆相纹层页岩的微观结构定义为由粘土矿物主导纹层、碳酸盐矿物主导纹层和顺层裂缝组成的层状系统。当电流主要沿层理方向流动时，这三种结构单元可概念化为三个相对连续、几何并联、电性不同的导电路径单元。据此建立了三组分并联饱和度模型，其中各单元的胶结指数（m）和饱和度指数（n）根据其孔隙结构和导电机理进行约束，并通过整合岩石物理实验结果、XRD矿物组成、MAPS孔隙结构参数以及补充的FE-SEM微孔隙度数据进行校准。模型参数设定遵循物理规律：胶结指数满足m₃（裂缝）< m₁（粘土纹层）< m₂（碳酸盐纹层）；饱和度指数满足n₁（粘土纹层）< n₂（碳酸盐纹层）< n₃（裂缝）。

研究结论

研究人员利用所建立的三组分并联饱和度模型计算了F井和X井的含油饱和度，预测结果与密闭取心分析结果一致。与传统饱和度模型相比，新模型提高了含油饱和度估算的准确性。研究表明，陆相纹层页岩的导电路径由粘土矿物主导纹层、碳酸盐矿物主导纹层和水平顺层裂缝这三个并联耦合的单元组成。本研究为陆相纹层页岩储层甜点评价提供了一种有效的含油饱和度计算方法。