石油住在納米級“臥室”？來看放大百萬倍的頁巖“特寫”

大慶油田巖心庫擺滿了排列整齊的灰黑色、圓柱形石頭。它們是利用特殊工具從井下鉆取出的圓柱形巖石，是了解和研究地下條件和礦產(chǎn)情況的重要實物資料，更是古龍頁巖油在地下居住的“家”。一邊是黑乎乎、表面幾乎看不到孔隙、像鐵板一樣的巖心，另一邊是淡黃色、清亮的油，它們之間有什么聯(lián)系呢？

為了揭開古龍頁巖的神秘面紗，石油科學(xué)家應(yīng)用高精尖的儀器設(shè)備，為我們打開了奇妙的微觀世界大門。原來，在這些看似鐵板的黑色頁巖里，蘊藏著無數(shù)肉眼無法識別的微小孔隙，它們?yōu)槭吞峁┝司幼鏊?/p>

古龍頁巖油住在納米級“臥室”

巖石中大大小小的孔隙和裂縫，為油氣分子提供了安身之地。古龍頁巖也不例外，但相比常規(guī)的油氣儲層，古龍頁巖的儲集空間極為細(xì)小，石油大都“居住”在地下納米級的“臥室”（孔隙）和微米-納米級的“長廊”（裂縫）之中。

你知道這些孔隙有多小嗎？常規(guī)的顯微鏡已經(jīng)無法觀察到它們，只有借助高分辨率電子掃描電鏡，將圖像放大幾十萬倍甚至上百萬倍，分辨率達到1納米，我們才能看到孔隙的真實面貌。如此一來，我們就可以對微觀世界來一個深入的“特寫”，看看這些頁巖中的孔隙是如何分布的。

古龍頁巖孔隙的直徑基本小于100納米。我們?nèi)祟愵^發(fā)絲的直徑通常為70微米，古龍頁巖孔隙大小只相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的七百分之一甚至千分之一。如果把人的頭發(fā)絲比喻成足球場大小的話，古龍頁巖有效孔隙大小就相當(dāng)于足球場中的足球。

頁巖油旅行有“通道”

既然“臥室”這么小，怎么才能將石油從地下開采出來呢？如果把頁巖想象成一棟大房子，內(nèi)部的孔隙是各自獨立的“臥室”，喉道就是連接臥室之間的“過道”，石油在地下流動需要從無數(shù)個“臥室”進入“過道”?！芭P室”對存儲多少石油起到了決定性作用，“過道”對石油能否流動和運輸起到了關(guān)鍵作用。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管古龍頁巖單個孔隙體積很小，但累積總孔隙體積相對較大，也就是“臥室”夠多、總空間大；美中不足的是“過道”較少，較難形成連續(xù)的流動通道。這對于石油開發(fā)是一個非常不利的因素。

那么，古龍頁巖油如何解決這道難題呢？古龍頁巖發(fā)育有層理縫、構(gòu)造裂縫和超壓裂縫，其中層理縫最為發(fā)育。由于層理縫的存在，巖石極易沿層理縫剝開，形成“千層小薄餅”。米級-毫米級尺度的層理縫肉眼就可以看到，而微納米尺度層理縫需要借助掃描電鏡才能識別，這種微納米級層理縫發(fā)育密度極高，可達每米數(shù)十萬條。

微納米級層理縫好比是細(xì)密的鄉(xiāng)間小路，雖然狹窄，但是數(shù)量多、分布廣，可以將石油從鄉(xiāng)間小路輸送到省道；小尺度和大尺度層理縫好比省道或國道，數(shù)量雖然相對較少，但是路面寬闊，延伸距離較長，對來往車輛的輸送能力更強。它們改善了儲層之間的滲流能力，為石油分子的流動提供便利。

說到構(gòu)造裂縫和超壓裂縫，它們則進一步在頁巖不同的通道之間架起橋梁，使得頁巖中的“道路”更加四通八達。這樣一來，“油娃娃”得以在頁巖儲層中“昂首闊步”，自由流動。

納米限域效應(yīng)下，“油娃娃”易變臉

居住在微納米級孔縫中的“油娃娃”非常淘氣，要想讓它們出來可不是件容易的事。這里還要談到一個效應(yīng)——納米限域效應(yīng)。通俗點講，納米限域效應(yīng)指的就是在納米級空間里，由于受狹小空間的限制，會引起物質(zhì)性質(zhì)的變化，甚至是物理反應(yīng)或者化學(xué)反應(yīng)。

在大尺度孔隙內(nèi)，與流體分子間的相互作用力相比，流體分子與孔壁間的相互作用可以忽略不計。但在納米尺度下，孔壁固體分子與流體分子間的作用力較大，當(dāng)流體分子和孔壁發(fā)生碰撞的平均路徑長度與孔隙大小相當(dāng)時，流體分子的自由熱運動受到顯著影響。

這就好比“油娃娃”們課間正在學(xué)校操場里玩兒，由于空間足夠大，他們可以開心追逐游戲，互不碰撞。當(dāng)上課鈴聲響起時，“油娃娃”們爭先恐后地進入狹窄的樓道，由于你推我搡，前進的阻力一下子變大，一時間無法通過樓道。

這種限域效應(yīng)也會影響流體相態(tài)的變化，給石油開發(fā)開采帶來難題。在這種限域效應(yīng)下，古龍頁巖油流體的相態(tài)在“易揮發(fā)油”和“凝析氣”兩種狀態(tài)之間“反復(fù)橫跳”。這就好比“油娃娃”們變成了“孫悟空”，在狹小的孔隙中時，由于“屋子”擁擠悶熱，便“嗖”地變成一縷煙；當(dāng)進入另一個孔隙，由于溫度和壓力的變化，又“嗖”地變回了油珠。調(diào)皮的“油娃娃”們帶來的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)不止如此，而這也正一步步考驗著石油地質(zhì)學(xué)家和工程師的智慧。

作者：吳松濤（中國石油勘探開發(fā)研究院） 姜曉華（中國石油勘探開發(fā)研究院） 高波（大慶油田有限責(zé)任公司）