页岩油储层多尺度孔隙结构三维表征及应用_邵国勇.pdf

油气勘探与开发第41卷第1期OIL&GAS EXPLORATION AND DEVELOPMENT收稿日期:2022-08-01基金项目:中国石油天然气股份有限公司“十四五”后前瞻性基础性重大科技项目“多尺度渗流机理表征与缝控压裂提高采收率机理研究”(2021DJ4506)作者简介:邵国勇(1998-)，男，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事页岩油储层孔隙结构及渗流机理研究。E-mail:shaogy0412 163com页岩油储层多尺度孔隙结构三维表征及应用邵国勇1，2，3沈瑞2，3熊伟2，3杨懿1，2，3李映艳4费繁旭4何吉祥41 中国科学院大学工程科学学院，北京100049;2 中国科学院渗流流体力学研究所，河北廊坊065007;3 中国石油勘探开发研究院，北京100083;4 中国石油新疆油田公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000摘要:中国陆相页岩油发育的地质时代跨度较大，沉积相变化快，热演化程度整体偏低，岩性复杂多样。为明确复杂岩性的渗流规律，以鄂尔多斯盆地延长组长 73、渤海湾盆地沙河街组页岩样品为研究对象，利用微米 CT 和聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)成像技术，结合 Avizo 软件建立页岩油储层多尺度三维重构模型，定性定量分析了页岩油储层多尺度孔隙结构特征，并通过数值模拟计算了岩心渗透率。研究结果表明:微米尺度下，样品 C(纹层状页岩)孔隙最为发育，样品 G(层状页岩)次之，样品 F(块状页岩)最差;纳米尺度下，3 块样品孔隙发育相当，其中样品 G 连通性更好，得出微纳尺度下具有不同的孔隙发育特征。渗透率数值模拟计算得到样品 C、F、G 的渗透率分别为0.437 mD、0.031 mD、0.224 mD，和气测渗透率结果具有一致性，表明渗透率数值模拟方法可快速准确计算岩心渗透率。结合微纳尺度孔隙发育情况和渗透率数值模拟结果，可知样品 C 品质最好，油气勘探开发应重点关注纹层状页岩储层。因此，结合微米 CT 和 FIB-SEM 可准确表征页岩储层多尺度孔隙结构特征，识别优质储层，对页岩油气高效开发具有指导意义。关键词:页岩油;计算机断层扫描;聚焦离子束扫描电镜;孔隙结构DOI:10.3969/jissn1006-5539.2023.01.012Three-dimensional characterization and application of multi-scalepore structure in shale oil reservoirSHAO Guoyong1，2，3，SHEN Rui2，3，XIONG Wei2，3，YANG Yi1，2，3，LI Yingyan4，FEI Fanxu4，HE Jixiang41 College of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China;2 Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Langfang，Hebei，065007，China;3 Research Institute of Petroleum Exploration Development，PetroChina Company Limited，Beijing，100083，China;4 Research Institute of Exploration and Development，Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang，834000，ChinaAbstract:Continental shale oil in China has a long geological period，and its sedimentary phaseschange rapidly，with low thermal evolution degree and complex and diverse lithology To figure out thepermeability rule of complex lithology，shale samples selected from Chang 73member of Yanchang98天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月Formation in Ordos Basin and Shahejie Formation of Bohai Bay Basin were scanned by means of Nano-CTand FIB-SEM，constructing three-dimension model of multi-scale pore structure of shale sample combinedwith Avizo software On this basis，the pore structure characteristics of shale are analyzed qualitatively andquantitatively，and the core permeability is calculated by numerical simulation The results show that thepore structure characteristics of the samples are significantly different at micro and nano scales At themicrometer scale，the pore-throat distribution of sample C(laminated)was stratified，the pore-throatdistribution of sample G(layered)was slit-like，and the pore-throat distribution of sample F(massive)was not developed At the nano scale，there is no significant difference in the pore structure characteristicsof samples with different shale structures，and the pore-throat morphology is mostly sheet and strip Bynumerical calculation，the permeability of samples C，F and G are 0.437 mD，0.031 mD and 0.224 mD，respectively，which are consistent with the gas permeability measurement results，indicating that themethod can be used to calculate core permeability quickly and accurately Combined with the micro-nanopore throat development and numerical simulation results of permeability，it can be concluded that sampleC has the best quality，and the oil and gas exploration focus on the laminated shale reservoir Combinedwith micron-CT and FIB-SEM permeability numerical simulation，multi-scale pore structure characteristicsof shale samples can be characterized qualitatively and quantitatively，which has guiding significance forefficient oilfield developmentKeywords:Shale oil;Computed tomography;FIB-SEM;Pore structure0前言非常规油气资源储量大、分布范围广，受关注程度越来越高。北美页岩油的成功开采及产量的不断增长，鼓励了中国关于页岩油资源的勘探和开发。中国页岩油资源主要分布在鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、松辽盆地、渤海湾盆地和柴达木盆地，但页岩油资源的高效开发还存在诸多问题14。储层的微观孔隙结构特征主要控制了储层的储集特性和流体的渗流性质，从而反映了具体的石油产出规律。孔隙结构特征主要包括了孔隙和喉道的不同形态、尺寸、位置及其相互连通的关系5，控制着储层内油气的储集和运移，对于储层质量的评价及开发方案的编制至关重要67。研究岩石孔隙结构特征的实验技术大致可以分为间接测量和图像观测两类技术。间接测量中较常用的有压汞法、气体吸附法、小角中子散射、核磁共振812 等实验技术，利用这些实验技术能直接求取孔喉的分布、体积及比表面积等孔隙结构特征参数，但只能间接推导得到孔喉形状、非均质性等信息。图像观测主要包含扫描电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)、微米 CT 扫描、原子力显微镜1316 等，都能够对孔隙构造进行成像，观测孔隙和喉道的发育情况和分布状态。和常规储层不同，页岩储层孔隙结构具有孔径分布范围广、纳米级孔隙发育和孔隙连通性差等特征1718。压汞法仅能测量连通的孔隙，无法测量纳米级孔隙。气体吸附法虽能测量纳米级孔隙，但无法测量封闭的孔隙。扫描电子显微镜虽可直接观察不同尺寸下的二维孔隙外观形态，但无法得到孔隙的三维分布特点和连通性等特征。微米 CT 扫描和 FIB-SEM 则有助于建立岩石的三维模型，并定性定量分析孔隙分布特征及结构特征参数1920。微米 CT 无法识别页岩中介孔及微孔(50 nm)，FIB-SEM 可在数纳米级分辨率下对页岩孔隙进行成像，因此需要建立一种结合微米CT 和 FIB-SEM 成像技术的孔隙多尺度表征技术手段。本文以鄂尔多斯盆地延长组长 73、渤海湾盆地沙河街组页岩样品为研究对象，利用微米 CT 和 FIB-SEM 成像技术，结合 Avizo 软件建立页岩油储层多尺度三维重构模型，定性定量分析了不同结构页岩样品的多尺度孔隙结构特征，并通过渗透率数值模拟计算了岩石样品渗透率。以期通过此方法快速识别出优质储层，为页岩油气高效开发提供实验支撑。1样品及实验方法1.1样品制备本文以鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地页岩油储层为研究对象，选取了 3 块不同结构的代表性页岩样品，基本信息见表 1。用于微米 CT 扫描的样品制作为直径 3 mm、长度 4 mm 的圆柱体，用热熔胶粘结在专用的玻璃棒上后放置在待测样品台。用于 FIB-SEM 成像的样品制作为体积 1 000 m3的立方体，对样品表面进行机械抛光和氩离子抛光。09油气勘探与开发第41卷第1期OIL&GAS EXPLORATION AND DEVELOPMENT表 1样品基本信息表Tab1Basic information of the samples样品盆地地层井号取样深度/m页岩结构C鄂尔多斯盆地延长组长 73蔡 30 井1 982.67纹层状页岩F渤海湾盆地沙河街组房 39 X1 井3 894.42块状页岩G渤海湾盆地沙河街组房 39 X1 井4 379.80层状页岩1.2微米 CT 装置与实验原理用于页岩油储层岩心样品 CT 扫描的仪器为德