1. 引言
沈352井位于大民屯凹陷安福屯构造带。该井所揭示的地层序列由下至上为太古界、元古界、新生界古近系房身泡组、沙河街组沙四段、沙三段、沙一段、东营组及新近系 [1] 。大民屯凹陷沙四段下亚段油页岩分布稳定，在西部安福屯地区沉积厚度大，为100~200 m，母质类型好，有机质丰度和成熟度均较高，是极好生油岩和储集岩 [2] [3] 。油页岩发育段致密储层分布广，储集岩类型多样，由泥晶云岩，碳酸盐质油页岩等，石英、长石、方解石等脆性矿物含量高，岩石脆性越强，构造缝、层理缝合收缩缝发育，有利于油气聚集。安福屯油页岩储层具有低孔、低渗的物性特征，孔隙度为1.2%~7.8%，平均孔隙度为5.4%，渗透率一般小于0.1 mD，属于致密储层。
致密储层其孔隙远远小于砂岩储层孔隙，孔径大小达到纳米级。Beaufort Mackenzie盆地浅层页岩孔径为25~1000 nm，深层页岩孔径为2.5~25 nm [4] ；Mississippian盆地Barnett页岩孔径范围为5~750 nm，平均为100 nm [5] ；中国四川盆地成熟页岩孔隙直径一般约为100 nm [6] 。油气储层孔隙结构研究的主要技术手段有铸体薄片分析法、压汞法、氮气吸附法和扫描电镜法等 [4] [7] [8] 。应用铸体薄片分析法研究时，由于普通光学显微镜受到分辨率的限制，难以观察铸体薄片中的纳米级孔隙 [9] 。压汞法常用于测试连通的中孔和大孔 [10] 。低温氮气等温吸附法侧重于表征微孔和中孔的孔隙结构 [10] 。扫描电镜技术不能分辨在机械抛光过程中由于页岩表面硬度不同所造成的不规则形貌和纳米孔，也难以识别新鲜断面上由于样品破裂造成的假孔隙 [11] 。因此，单一的方法均无法完成岩样全孔隙结构分析。本文所述的方法将压汞法和气体吸附法相结合，全面阐述致密岩石全孔隙结构特征。
2. 测试原理
2.1. 压汞法原理
汞是液态金属，具有液体的表面张力，在压汞过程中，一定压力下，汞只能渗入相应既定大小的孔中，压入汞的量就代表内部孔的体积，逐渐增加压力，同时计算汞的压入量，可测出多孔材料孔隙容积的分布状态 [12] 。根据Wasburn公式，可以计算出孔隙半径 [10] ：
(1)
其中孔隙半径为r，接触角为θ，压力为pc，汞的表面张力为σ。
将汞的表面张力
，润湿角
，代人公式(1)，则：
(2)
压汞法使用的Wasburn公式对大孔的分析很准确，但是对微孔和中孔的分析就存在较大误差。因为Wasburn公式假设孔隙为圆柱体，而致密储层岩石存在大量形态极不规则的微孔隙。另外压汞法假设测试样品孔隙表面是光滑的，但是致密储层岩石孔隙表面形态凹凸不平，增大了毛细管压力，测试时就将表面粗糙的大孔体积计算入微孔体积内 [11] 。为此，对于致密储层岩石的微孔及中孔部分，就需要考虑用气体吸附法来计算其分布。
2.2. 气体吸附法原理
气体吸附法测定固体物质的孔径分布，是基于多孔物质孔壁对气体的多层吸附和毛细管凝聚原理 [10] 。将吸附于一定表面上的气体量记录为吸附物质相对压力的函数，可以采用等温吸附分支上一系列逐步升高的相对压力或等温脱附分支上一系列逐步降低的相对压力，也可二者并用。在恒定温度下，气体吸附量与气体平衡相对压力之间的关系即为吸附等温线。在不同分压下所吸附的吸附质体积对应于相应尺寸孔隙的体积，故可由孔隙体积的分布来测定孔径分布 [13] 。
对于大多数的中孔使用Kelvin原理进行计算孔径分布 [10] ，在液氮温度(77K)下，以氮气为吸附气体，Kelvin计算公式如下：
(3)
式中：σ1为液态凝聚物的表面张力；Vml为液态凝聚物的摩尔体积；R为理想气体常数；Tb为分析温度；rk为凝聚在孔隙中的吸附气体的曲率半径；p0为液氮温度下氮气的饱和蒸气压；p为氮气的吸附平衡压力。对于77K下的氮气吸附，式中数值常数的计算值为0.953 nm。
对于只有在孔壁上形成了吸附层之后，才可能发生凝聚，因而必须考虑该吸附层的厚度。吸附层厚度的计算公式 [10] ：
(4)
(5)
式中：r为孔半径，单位nm；t为吸附层厚度，单位nm。
若岩样处在气、水两相介质条件下，气水界面张力
，润湿角
，根据Wasburn公式，则孔隙半径为 [14] ：
(6)
把(3)、(4)、(5)代人(6)中，
(7)
通过以上公式可以把气体吸附法相对压力转换为毛管压力，与压汞法毛管压力结合成一条直线，可以进行全孔隙结构分析。
3. 全孔隙结构分析
3.1. 样品的选取
大民屯凹陷沙四段沉积早期以发育缺氧湖亚相为特征，沉积了一套连续分布的油页岩，厚50~150 m不等，主要分布于沈233井–沈177井–沈1井一线以北，最大厚度位于安福屯洼陷，沙四段沉积中晚期广泛发育半深湖–深湖亚相，沉积了生烃潜力很好的厚层暗色泥质岩，厚度一般为300~650 m。本次研究中选取的样品为安福屯洼陷沈352井沙四段沉积早期油页岩发育处，既为烃源岩又为储层，为典型的致密储层岩石。
选择了沙四段六个深度不同的致密储层岩石样品进行压汞法和气体吸附法实验。
3.2. 孔隙直径分布特征
通过公式(7)把气体吸附法的相对压力转换为毛管压力，可以对样品进行全孔隙直径分析。例如，样品2气体吸附法测定的结果见表1，采用公式(7)把气体吸附法的相对压力(P/P0)转化为毛管压力，见表1最后一列，绘制转化后的毛管压力与累计饱和度曲线，见图1 (粉色曲线)；样品2压汞法测定的结果见表2，绘制的毛管压力与累计饱和度曲线，见图1 (蓝色曲线)；二者有重合可结合，见图1 (红色曲线)。绘制其对应的孔隙直径与饱和度曲线，见图2。用同样的方式对其余5个样品进行全孔隙结构分析，通过对这6块样品的结合中发现，两种方法的孔隙直径结合点一般在50 nm到100 nm之间。样号1、样号3、样号4为含云或云质泥岩，毛管压力曲线与孔隙直径分布特征类似，因此放在一起分析。同样样号5、样号6放在一起分析，见图3、图4。
由图1、图2、图3、图4可以看出，泥质泥晶云岩孔隙分布较均匀，以孔隙直径小于500 nm的孔为主、占98%以上，其中孔隙直径小于100 nm的占75%左右；孔隙直径略现“二个峰”，第一个主峰为2~30 nm、占50.3%，次峰50~100 nm、占13.3%。油页岩中孔隙直径在小于2 nm到大于5000 nm均有分
Table 1. The test result of gas absorption method of sample 2
表1. 样品2气体吸附法测试结果
Table 2. The test result of mercury injection method of sample 2
表2. 样品2压汞法测试结果
Figure 1. Combination of mercury injection and gas absorption analytical methods—capillary pressure and saturation of the cumulative curve (pelitic micrite dolomite 3246.73 m)
图1. 压汞法与气体吸附法结合之毛管压力与累计饱和度曲线(泥质泥晶云岩3246.73 m)
Figure 2. The complete pore diameter distribution characters (pelitic micrite dolomite 3246.73 m)
图2. 全孔隙直径分布特性(泥质泥晶云岩3246.73 m)
布，孔隙直径小于500 nm的占86.7%，小于100 nm的占70%左右；孔隙直径呈现“三个峰”，第一个主峰为5~30 nm、占46.7%，次峰30~200 nm、占30.7%，第三个峰1000~3000 nm、占5.5%。含云泥岩或云质泥岩孔隙分布不均匀，孔隙直径小于100 nm的占90%以上；孔隙直径以小于15 nm为主。
Figure 3. The complete pore diameter distribution characters (oil shale)
图3. 全孔隙直径分布特性(油页岩)
Figure 4. The complete pore diameter distribution characters (dolomitic mudstone)
图4. 全孔隙直径分布特性(云质泥岩)
4. 结论
(1) 通过Wasburn计算公式和Kelvin计算公式把气体吸附法的相对压力转换为毛管压力，实现压汞法和气体吸附法的联用。
(2) 通过压汞法与气体吸附法的联用，实现了对沈352井致密储层岩石的全孔隙结构分析。油页岩中孔隙直径小于100 nm的占70%左右；孔隙直径呈现“三个峰”，第一个主峰为5~30 nm，次峰30~200 nm，第三个峰1000~3000 nm。泥质泥晶云岩中孔隙直径小于100 nm的占75%左右；孔隙直径呈现“二个峰”，第一个主峰为2~30 nm，次峰50~100 nm。含云泥岩或云质泥岩中孔隙直径小于100 nm的占90%以上；孔隙直径以小于15 nm为主。