《Powder Technology》：Experimental study on dynamic sensitivity of chemical agents to micro-scale pore structure of shale reservoir with nuclear magnetic resonance
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页岩油储层中不同孔渗空间流体相互作用特性对提高采收率至关重要，但微尺度孔隙结构动态敏感性及其矿物改变与孔渗演化规律尚未系统研究。本文基于二维核磁共振（2-D NMR）物理模拟方法，量化分析了酸、碱、 slick water、凝胶破乳剂及 CO2 五种流体对页岩微孔隙结构的动态敏感性。结果表明：页岩孔隙结构分为四类（占比 42.6%石英、34.4%长石、12.2%黏土），黏土矿物显著影响动态敏感性；酸处理提升总孔隙率 1.75%-2.86%，主因矿物溶解与力学强度减弱； slick water 产生显著孔隙膨胀（26.5%-1600%）；CO2 注入导致微孔堵塞但扩大中/大孔；水基介质显著降低基质渗透率，不同流体对复合型储层（基质-裂缝）的渗透率提升排序为酸 > slick water > CO2 > 碱。
魏建国|尚德淼|傅平|周晓峰|蔡超|杜萌
中国黑龙江省大庆市东北石油大学大陆页岩油国家重点实验室，邮编163318
摘要
页岩油储层中不同储存和渗透空间的流体相互作用特性对于提高石油采收率（EOR）至关重要。然而，页岩微观孔隙结构对各种化学流体的动态敏感性仍不够明确，相关的矿物变化和渗透率演变过程也尚未得到系统研究。在这项研究中，我们开发了一种基于二维核磁共振（2-D NMR）的物理模拟方法来评估页岩微观孔隙结构的动态敏感性。通过一系列实验，我们评估了页岩对不同注入介质（酸、碱、滑润水、瓜胶凝胶破胶液和CO2）的动态敏感性响应。实时监测T1-T2二维谱图使我们能够定量分析流体迁移、孔隙尺度结构演变以及关键影响因素。研究结果表明，页岩储层具有跨尺度孔隙结构，可分为四类，其中石英（42.6%）和长石（34.4%）占主导地位，粘土矿物（12.2%）对动态敏感性有显著影响。强酸（15% HCl）使四种孔隙类型的孔隙度分别增加了1.75%、2.86%、2.20%和0.57%，主要是由于矿物溶解和机械强度降低。滑润水导致孔隙显著扩大，孔隙度增加了26.50%、69.51%、1600%和341.67%；而瓜胶凝胶破胶液增强了页岩的亲水性并改善了孔隙度。CO2浸泡导致小孔堵塞，但通过溶解作用和碳酸盐水反应扩大了中孔和大孔。基于水的介质显著降低了基质渗透率，而在基质-裂缝储层中，整体增强效果依次为：酸 > 滑润水 > CO2 > 碱。裂缝有利于流体扩散，从而促进储层连通性。这些发现阐明了页岩微观孔隙结构对不同流体类型的动态敏感性响应模式，并为页岩油开发效率提供了理论支持。
引言
页岩油是指储存在富含有机质的微纳级页岩储层中的石油资源，其有效开发需要专门的储层改造技术[1]、[2]、[3]。得益于水平井分段压裂技术的不断创新，2022年北美页岩油产量达到3.78×108吨，占全球原油总产量的半以上，从根本上重塑了全球能源供应格局[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。中国拥有丰富的陆源页岩油资源，主要集中在准噶尔、鄂尔多斯、渤海湾、柴达木和松辽盆地，可采储量位居世界第三[9]、[10]、[11]。然而，中国页岩储层的特点是孔隙-喉道系统极其细小且具有明显的异质性。其经济发展需要大规模的压裂作业，并依赖于基质弹性能量的消耗，在这种条件下，注入的流体可能会引发快速的生产下降、阻碍能量补充，并在孔隙-喉道网络中产生强烈的动态敏感性[12]、[13]。因此，了解不同注入流体如何改变页岩在微观尺度上的孔隙结构和动态敏感性对于设计优化压裂策略和提高开发效率至关重要。
目前对储层微观孔隙结构的表征主要涉及评估孔隙和喉道的大小、分布和连通性，这些因素显著影响孔隙喉道的动态敏感性[14]。现有的表征方法分为三类：（1）实验数据分析，包括恒定速率汞注入（CSMI）、高压汞注入（HPMI）、核磁共振（NMR）和N?/CO2吸附[15]、[16]、[17]；（2）基于图像的技术，如铸件薄片、微纳CT、ESEM和FE-SEM；（3）数字岩心重建，将物理实验与数值模拟相结合。每种方法都有其优势和局限性[18]、[19]、[20]、[21]。为了全面表征页岩油储层的孔隙结构，一些学者结合了多种表征方法。最近的研究利用微CT、SEM和拓扑建模重建了致密和页岩储层的多尺度孔隙网络，并建立了全尺度孔径分布[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。这些努力进一步扩展到了纳米尺度应力敏感性、孔隙演变和流体流动性的定量评估，基于MAPS和微CT数据开发了综合表征框架[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。尽管取得了这些进展，但在整合孔隙表征方法方面仍存在重大挑战。将NMR数据从时域转换为孔径尺寸需要准确的表面松弛参数，而这通常受到汞注入实验的限制。此外，CT扫描在视场和空间分辨率之间仍存在权衡，限制了真正的全尺度成像。页岩微观孔隙结构的可视化和定量表征也还不够充分，外部流体与孔隙结构之间的相互作用，尤其是在微观尺度上，尚未得到充分理解。这些局限性突显了改进页岩储层孔隙尺度定量表征技术的必要性。
鉴于储层微观孔隙结构动态敏感性的演变最终受流体-孔隙相互作用控制，仅了解孔隙结构表征不足以完全解释微观孔隙的动态敏感性。近年来，许多研究探讨了页岩储层对外部流体的敏感性。研究表明，注入流体的化学性质显著改变了储层孔隙度和渗透率，而且不同外部流体对页岩渗透率的影响往往是非线性的[33]、[34]。由于传统物理模拟设备的局限性，核磁共振（NMR）作为一种高效且无损的技术，已成为表征微观尺度动态应力敏感性的关键方法。Chhatre等人[35]利用NMR建立了一种稳态物理模拟实验方法，发现长时间暴露于外部流体会导致岩心中的亚微米孔隙进一步减少。类似地，Ren等人[36]观察到页岩孔隙度和渗透率随有效应力的增加而降低，有效应力越大，渗透率的敏感性越高。Wei等人[37]研究了页岩储层的自发吸水机制，并分析了自发吸水流体对页岩孔隙结构的影响。Xu等人[38]利用NMR技术研究了页岩的润湿性和流体性质，探讨了储层异质性和提取效应对流体-固体耦合的影响。此外，Dai等人[39]研究了外部流体与页岩储层的相互作用机制，发现酸处理在一定程度上提高了页岩的总孔隙度。Zhou等人[40]研究了页岩孔隙喉道在压裂液回流过程中的保留机制，并讨论了残余压裂液的分布模式。He等人[41]模拟了超临界CO2压裂在不同渗透率储层中的适用性和生产能力，得出结论：压裂扩展引起的超临界CO2过滤增加阻碍了水压的建立，影响了渗透率，从而影响了压裂网络的形成和超临界CO2压裂的整体效果。同时，Liang等人[42]在鹰福特页岩上进行了水-岩反应实验，发现最初充满矿物的天然裂缝在用2% KCl和滑润水处理后重新打开。在微米尺度上，滑润水处理显示出较差的裂缝扩展效果，而CO2注入地层后形成的碳酸水与储层发生了多种化学反应。这些局限性突显了定量研究页岩储层微观孔隙结构演变动态敏感性的必要性。需要进一步努力来阐明不同外部流体条件下页岩孔隙系统的动态敏感性。
总之，目前大多数研究主要集中在页岩储层孔隙结构对宏观外部流体的动态敏感性上。然而，很少有学者从微观孔隙结构量化的角度研究动态敏感性。不同流体介质对页岩微观孔隙结构和渗透率动态敏感性的演变尚未得到系统研究。特别是，关于不同类型页岩储层渗透率对各种注入介质的动态响应模式以及原油在不同基质-裂缝耦合条件下的动态敏感性响应机制，仍缺乏基于可视化的定量系统研究。
为了解决这些问题，我们开发了一种基于高频2-D NMR的创新物理模拟方法，用于评估页岩储层中微观孔隙结构的动态敏感性。通过一系列动态敏感性实验，研究了不同外部流体介质（酸、碱、滑润水、瓜胶凝胶破胶液和CO2）对页岩储层孔隙结构和渗透率的影响。通过监测多个层次上孔隙结构的动态变化，定量表征了微观应力敏感性的演变。通过研究不同层次上微观孔隙结构的动态变化，定量研究了页岩储层的微观动态应力敏感性演变特征。我们揭示了不同注入介质对孔隙喉道结构的动态敏感性演变模式和渗透率响应机制，并分析了每种流体介质的作用机制差异。本研究的主要创新在于首次提供了在不同流体介质作用下页岩油储层孔隙结构和渗透率动态敏感性的定量和可视化解释。这些发现为优化页岩压裂过程、理解复杂的流体迁移机制以及提高页岩油开发效率提供了科学基础。
实验方法片段
用于页岩微观孔隙结构动态敏感性的NMR实验方法
不同化学介质作用下微观孔隙结构的动态敏感性对于页岩油的有效开发至关重要。然而，传统方法难以定量评估岩心中孔隙喉道的多尺度敏感性。为了解决这一挑战，开发了一种用于评估页岩微观孔隙结构动态敏感性的核磁共振（NMR）实验方法。
页岩储层岩石矿物组成的定量表征
页岩样品的粘土矿物和全岩X射线衍射分析结果见表2和图4。根据沉积岩中粘土矿物和常见非粘土矿物的X射线衍射分析标准（SY/T5163–2010），研究区域的页岩粘土矿物主要由伊利石、绿泥石、绿泥石/蒙脱石层状结构以及少量高岭石组成。
结论
本研究通过核磁共振技术进行了一系列动态敏感性评估实验，研究了不同注入介质对页岩储层微观孔隙的影响。从定量角度探讨了页岩储层微观孔隙对不同注入介质的动态敏感性演变特征。此外，系统阐明了各种类型页岩储层对这些介质的动态渗透率响应。
作者贡献声明
魏建国：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、概念构思。尚德淼：撰写 – 初稿撰写、调查、正式分析、概念构思。傅平：可视化处理、调查、正式分析、数据管理。周晓峰：撰写 – 审稿与编辑、软件应用、资金获取、正式分析。蔡超：软件应用、资源提供、调查。杜萌：撰写 – 审稿与编辑、资源提供、方法论设计、调查。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的人或组织没有财务和个人关系，也没有任何产品、服务或公司的专业或其他个人利益可能影响我们在本文中表达的观点。
致谢
本工作得到了黑龙江省重点研发计划（项目编号：2023ZXJ06A02）和CNPC创新基金（项目编号：2024DQ02-0123）的支持。
