页岩油储层可动孔喉下限的核磁共振定量表征——以渤海湾盆地济阳坳陷为例

《Magnetochemistry》：NMR Quantification of Movable Pore Throat Thresholds in Shale Oil Reservoirs

　　

摘要专业翻译 页岩储层具有高致密性和强非均质性，确定可动孔喉下限是储层评价与开发优化的核心科学问题。以渤海湾盆地济阳坳陷页岩为研究对象，本研究采用高压压汞（mercury injection capillary pressure，MICP）、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）结合离心实验以及模拟弹性衰竭开发生产测试，研究了三种优势岩相的孔喉结构和流体流动性。研究区优势岩相为纹层状隐晶质泥灰岩、层状隐晶质泥灰岩和纹层状隐晶质钙质泥岩，三种岩相在矿物组成上存在显著差异。纹层状隐晶质钙质泥岩具有最小的平均孔喉半径，却拥有最优的孔喉连通性和流体动用能力，孔喉分布均匀且集中于小孔径范围。两种泥灰岩岩相发育多峰孔隙系统。弹性衰竭开发模拟表明，在测试的衰竭条件下，层状隐晶质泥灰岩岩相的可动孔喉下限为34.6 nm，证明应力敏感性可使实际可动孔喉下限提升约一个数量级；该阈值具有岩相和条件依赖性，推广前需进行验证。不同岩相的可动孔喉下限顺序为：层状隐晶质泥灰岩＞纹层状隐晶质泥灰岩＞纹层状隐晶质钙质泥岩。

论文解读

一、研究背景与科学问题

页岩油作为非常规油气资源的重要类别，正在深刻重塑全球能源格局。随着常规油气资源逐渐枯竭，页岩油的勘探开发已成为石油工业的战略重点。然而，页岩储层较常规储层具有显著更高的致密性，尽管纳米级孔隙系统发育良好，但其连通性较差，加之强非均质性和应力敏感性，导致渗流阻力大、生产效率普遍偏低。在此背景下，确定可动孔喉下限已成为页岩储层评价与开发优化的核心科学问题。

可动孔喉下限的物理意义在于：半径低于该阈值的孔隙对渗透率无贡献，其中的流体无法有效流动，直接决定了储层的产油边界。该参数并非固定值，而是受多重因素控制。页岩储层普遍具有混合润湿性，有机质贡献油润湿特征；不同润湿性的孔隙对可动流体的贡献不同。不同岩性单元的孔隙结构在孔径分布、连通性和几何形态上存在显著差异，导致流体可及性系统性变化。岩性控制的孔隙结构差异直接决定了各储层的流体流动性边界和开发潜力。此外，纳米孔中的尺寸排阻效应限制烃类流动性，不同驱替方法也会导致可动油饱和度的显著差异。据此，本研究将可动孔喉下限定义为在特定开发制度下对有效流体流动和产出有贡献的最小孔喉半径。必须区分这一动态流动性阈值与纯几何孔喉半径：前者受压力衰竭、润湿性、毛管力、孔隙连通性和应力敏感性的耦合控制，后者仅描述孔喉网络的物理尺寸。在生产条件下，动态阈值通常大于几何上最小的连通喉道，因为最小喉道对流动没有贡献。

济阳坳陷位于渤海湾盆地，蕴含丰富的页岩油资源，勘探前景良好。以往对该区域的研究已广泛开展了储层特征、成岩演化、岩相类型和含油气性等方面的调查，初步建立了成藏机制和宏观评价框架。然而，已有工作大多停留在宏观至半定量水平，尚未开展微纳米尺度孔隙结构的系统精细表征和流体流动性的定量评价，特别是可动孔喉下限的确定仍属空白。作为典型陆相断陷盆地页岩油富集区，济阳坳陷具有独特的沉积—成岩背景，决定了其孔隙结构的特殊性，其他地区的结论无法直接套用。因此，亟需对该区域页岩储层开展微纳米尺度孔隙结构与流体流动性下限的系统研究，精确定义可动孔喉下限，为页岩油高效开发提供科学依据。

二、研究内容与主要结论

本研究以中国渤海湾盆地济阳坳陷页岩岩心样品为例，通过岩心观察、铸体薄片分析、扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析储层微观岩石学特征，包括沉积构造、矿物组成和岩相类型；采用常规孔隙度和渗透率测量表征储集物性；开展高压压汞（MICP）和核磁共振（NMR）测量实现微孔隙结构的定量表征；进一步结合弹性衰竭开发模拟测试，在考虑储层应力敏感性的条件下获取弹性衰竭开发条件下的储层流体可动孔喉下限，旨在阐明该区域页岩储层的微观特征。

研究得出以下主要结论：研究区页岩主要发育纹层状、层状—纹层状、层状和弱纹层状四种沉积构造类型，其中层状构造最为普遍。三种优势岩相为纹层状隐晶质泥灰岩、层状隐晶质泥灰岩和纹层状隐晶质钙质泥岩。矿物组成方面，纹层状和层状隐晶质泥灰岩均以碳酸盐矿物为主，黏土矿物次之，黄铁矿含量最低；而纹层状隐晶质钙质泥岩中碳酸盐矿物、黏土矿物和长英质矿物含量相当，黄铁矿含量同样最低。三种优势岩相中，纹层状隐晶质钙质泥岩具有最小的平均孔喉半径，却拥有更优的孔喉连通性和流体动用能力，其孔喉半径分布均匀且集中于小孔径范围，仅发育小孔径孔隙系统。两种泥灰岩岩相发育由大孔和中孔或微孔和中孔组成的两个及以上孔隙系统。不同优势岩相的可动孔喉半径下限顺序为：层状隐晶质泥灰岩＞纹层状隐晶质泥灰岩＞纹层状隐晶质钙质泥岩。通过弹性衰竭开发模拟测试，确定层状隐晶质泥灰岩岩相的可动孔喉半径下限为34.6 nm，表明页岩储层的强应力敏感性可使可动孔喉半径下限提升约一个数量级。由于衰竭实验仅限于该单一优势岩相，该值应视为岩相和条件特定的估计值，而非研究区的普适阈值，推广至其他岩相或开发制度需补充实验或现场标定。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了四项关键技术方法：一是岩石学表征，包括岩心观察、铸体薄片、扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD），用于确定沉积构造、矿物组成和优势岩相；二是物性测量，采用CMS-300自动围压孔隙度渗透率分析仪，通过氦气孔隙度（玻意耳定律双室法）和脉冲衰减法渗透率测量表征储层物性；三是孔隙结构表征，采用Pore Master 60GT压汞仪进行高压压汞（MICP）测量，结合MacroMR12-150H-1核磁共振（NMR）成像系统进行T₂谱测量，并通过J函数归一化处理建立各岩相平均毛管压力曲线，量化孔喉尺寸分布及其岩相依赖性；四是弹性衰竭开发模拟，利用高温高压驱替高频NMR成像系统，以原始地层压力40.00 MPa为初始饱和状态，通过回压泵控制稳定降压模拟弹性衰竭开发，出口压力降至1.00 MPa（模拟生产压差39.00 MPa）时获取采收率，进而结合油—水毛管压力曲线换算确定原位可动孔喉下限。样品来源于渤海湾盆地济阳坳陷页岩岩心。

四、研究结果

孔隙类型。 基于薄片观察和SEM分析，研究区页岩中识别出四种基质孔隙类型：粒间孔、粒内孔、晶间孔和晶内孔，其中粒间孔和晶间孔为主要类型。粒间孔、粒内孔和晶间孔为有效孔隙，而晶内孔连通性差，为无效孔隙。粒间孔是陆源碎屑颗粒之间的原生孔隙，直径从纳米级到微米级，形态不规则，分布非均质，局部连通，主要发育于泥岩和钙质泥岩等富泥岩性中。粒内孔为次生孔隙，主要由溶蚀、淋滤和交代作用形成，其中溶蚀孔为优势类型，部分孔隙与相邻孔隙连通形成网络。晶间孔主要为次生微孔，由自生矿物晶体在稳定条件下结晶或原位聚集形成，包括黄铁矿和方解石晶间孔，直径以纳米级为主，分布非均质，局部连通，偶见有机质充填。晶内孔发育于矿物颗粒内部和表面，主要见于方解石——特别是泥晶方解石——中，直径以纳米级为主，SEM观察未见油迹，连通性差，为无效孔隙。

孔隙结构特征。 对342块岩心样品进行了孔隙度和渗透率物性测量，结果表明样品孔隙度范围为0.40%—6.77%，平均3.59%；渗透率范围为0.0001—6.8254 mD。对49块优势岩相页岩样品进行了MICP测量，结果表明不同优势岩相的平均排驱压力为16.4 MPa，平均饱和度中值压力为110.0 MPa，平均孔喉半径为8.7 nm，分选系数约为1.2，平均最大进汞饱和度为71.7%，平均退汞效率为37.6%。这些参数共同反映页岩储层具有高排驱压力、高饱和度中值压力、细孔喉半径、分选差、孔隙连通性差和流体流动性低的特点。纹层状隐晶质钙质泥岩的平均孔喉半径小于两种泥灰岩岩相，但最大进汞饱和度和退汞效率更高，表明其孔喉连通性和流体动用能力更优。NMR测量结果显示，三种优势岩相的峰弛豫时间均落在0.1—1.0 ms范围内，层状和纹层状隐晶质泥灰岩呈现显著的双峰特征，而纹层状隐晶质钙质泥岩呈单峰形态，证实页岩储层以微孔和小孔为主。

可动孔喉下限。 通过J函数对三种优势岩相的所有岩心进行无量纲化处理，建立各岩相的平均毛管压力曲线。基于MICP和NMR对比分析确定转换系数ρ/c，将T₂谱转换为孔喉半径分布。在弹性衰竭开发模拟中，三块层状隐晶质泥灰岩岩心在出口压力1.00 MPa、模拟生产压差39.00 MPa条件下，含油饱和度分别为84.5%、83.8%和86.2%，对应采收率分别为15.50%、16.20%和13.80%，平均为15.20%。以15.2%作为弹性衰竭开发条件下的可动流体饱和度，在转换的油—水毛管压力曲线上对应毛管压力1.1 MPa，换算得到孔喉半径34.6 nm，即为可动孔喉下限。该值比理想实验室条件下确定的下限高约一个数量级，反映了页岩储层的强应力敏感性。

实验假设有效性与局限性。 在考虑的油—水界面张力（30—50 mN/m）和润湿接触角（50°—70°）范围内，阈值约为24—45 nm，即基准值34.6 nm的约±30%范围内。NMR—MICP转换系数贡献约±20%的不确定性，采收率样品间变异性贡献约±10%。按均方根传播合并后，综合相对不确定性约为±37%，对应34.6±13 nm（约22—48 nm）。该传播范围与单项敏感性分析一致，证实核心结论——应力敏感性使可动孔喉下限相对静态值提升约一个数量级——对所考虑的不确定性综合影响具有稳健性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，岩性上钙质泥岩的可动孔喉下限值低于泥灰岩，沉积构造上纹层状结构的下限值低于层状结构。结合不同优势岩相的矿物组成和孔隙结构特征，推断钙质泥岩与泥灰岩之间可动孔喉下限值的差异可能与方解石含量密切相关。研究区页岩富含微米级隐晶质方解石，泥灰岩中显著多于钙质泥岩。成岩过程中，隐晶质方解石易受地层有机酸溶蚀，导致大孔喉系统发育，有效改善储集条件并增大平均孔喉半径，但同时也造成孔喉半径的显著非均质性。由于大孔喉具有更优的渗透性，在相同压差条件下流体优先流经大孔喉，对小孔喉的流体流动产生屏蔽效应。此外，隐晶质方解石可能通过胶结作用产生方解石胶结物，充填粒间孔或裂缝，封堵原生孔隙并损害渗透性，对小孔喉的影响尤为严重。NMR弛豫时间谱表明层状和纹层状隐晶质泥灰岩均发育两个及以上孔隙系统，但层状隐晶质泥灰岩中不同孔隙系统间的孔径差异更为显著，大孔对小孔流动的屏蔽效应更强，因此纹层状隐晶质泥灰岩的可动孔喉下限低于层状隐晶质泥灰岩。需要强调的是，上述解释性机制仍需进一步直接微观结构证据进行严格验证。

研究结论翻译如下：研究区页岩主要发育纹层状、层状—纹层状、层状和弱纹层状四种沉积构造类型，其中层状构造最为普遍。三种优势岩相为纹层状隐晶质泥灰岩、层状隐晶质泥灰岩和纹层状隐晶质钙质泥岩。矿物组成方面，纹层状和层状隐晶质泥灰岩均以碳酸盐矿物为主，黏土矿物次之，黄铁矿含量最低；纹层状隐晶质钙质泥岩中碳酸盐矿物、黏土矿物和长英质矿物含量相当，黄铁矿含量同样最低。三种优势岩相中，纹层状隐晶质钙质泥岩具有最小的平均孔喉半径，却拥有更优的孔喉连通性和流体动用能力，其孔喉半径分布均匀且集中于小孔径范围，仅发育小孔径孔隙系统。两种泥灰岩岩相发育由大孔和中孔或微孔和中孔组成的两个及以上孔隙系统。不同优势岩相的可动孔喉半径下限顺序为：层状隐晶质泥灰岩＞纹层状隐晶质泥灰岩＞纹层状隐晶质钙质泥岩。通过弹性衰竭开发模拟测试，确定层状隐晶质泥灰岩岩相的可动孔喉半径下限为34.6 nm，表明页岩储层的强应力敏感性可使可动孔喉半径下限提升约一个数量级。由于衰竭实验仅限于该单一优势岩相，该值应视为岩相和条件特定的估计值，而非研究区的普适阈值，其推广至其他岩相或开发制度需补充实验或现场标定。特别是，另外两种优势岩相（纹层状隐晶质泥灰岩和纹层状隐晶质钙质泥岩）的验证尚未开展，在研究区内推广该阈值或方法之前必须完成此项工作。