石油住在納米級“臥室”?來看放大百萬倍的頁巖“特寫”
來源:科普中國
發(fā)布時間:2024-10-15
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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(shí)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(yùn)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(dá)到1納米,我們才能看到孔隙的真實(shí)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(dú)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(jìn)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(yùn)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(dá)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(qiáng)。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(jìn)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(dá)。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(diǎn)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(yùn)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(jìn)入狹窄的樓道,由于你推我搡,前進(jìn)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(jìn)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(yàn)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)

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