石油住在納米級(jí)“臥室”？來(lái)看放大百萬(wàn)倍的頁(yè)巖“特寫(xiě)”

大慶油田巖心庫(kù)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(yè)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(kāi)古龍頁(yè)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(kāi)了奇妙的微觀世界大門(mén)。原來(lái)，在這些看似鐵板的黑色頁(yè)巖里，蘊(yùn)藏著無(wú)數(shù)肉眼無(wú)法識(shí)別的微小孔隙，它們?yōu)槭吞峁┝司幼?chǎng)所。

古龍頁(yè)巖油住在納米級(jí)“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(yè)巖也不例外，但相比常規(guī)的油氣儲(chǔ)層，古龍頁(yè)巖的儲(chǔ)集空間極為細(xì)小，石油大都“居住”在地下納米級(jí)的“臥室”（孔隙）和微米-納米級(jí)的“長(zhǎng)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(wú)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(wàn)倍甚至上百萬(wàn)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(lái)，我們就可以對(duì)微觀世界來(lái)一個(gè)深入的“特寫(xiě)”，看看這些頁(yè)巖中的孔隙是如何分布的。

古龍頁(yè)巖孔隙的直徑基本小于100納米。我們?nèi)祟?lèi)頭發(fā)絲的直徑通常為70微米，古龍頁(yè)巖孔隙大小只相當(dāng)于人類(lèi)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(chǎng)大小的話，古龍頁(yè)巖有效孔隙大小就相當(dāng)于足球場(chǎng)中的足球。

頁(yè)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(kāi)采出來(lái)呢？如果把頁(yè)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(guò)道”，石油在地下流動(dòng)需要從無(wú)數(shù)個(gè)“臥室”進(jìn)入“過(guò)道”?！芭P室”對(duì)存儲(chǔ)多少石油起到了決定性作用，“過(guò)道”對(duì)石油能否流動(dòng)和運(yùn)輸起到了關(guān)鍵作用。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管古龍頁(yè)巖單個(gè)孔隙體積很小，但累積總孔隙體積相對(duì)較大，也就是“臥室”夠多、總空間大；美中不足的是“過(guò)道”較少，較難形成連續(xù)的流動(dòng)通道。這對(duì)于石油開(kāi)發(fā)是一個(gè)非常不利的因素。

那么，古龍頁(yè)巖油如何解決這道難題呢？古龍頁(yè)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(kāi)，形成“千層小薄餅”。米級(jí)-毫米級(jí)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(shí)別，這種微納米級(jí)層理縫發(fā)育密度極高，可達(dá)每米數(shù)十萬(wàn)條。

微納米級(jí)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(guó)道，數(shù)量雖然相對(duì)較少，但是路面寬闊，延伸距離較長(zhǎng)，對(duì)來(lái)往車(chē)輛的輸送能力更強(qiáng)。它們改善了儲(chǔ)層之間的滲流能力，為石油分子的流動(dòng)提供便利。

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

納米限域效應(yīng)下，“油娃娃”易變臉

居住在微納米級(jí)孔縫中的“油娃娃”非常淘氣，要想讓它們出來(lái)可不是件容易的事。這里還要談到一個(gè)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(jí)空間里，由于受狹小空間的限制，會(huì)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(jì)。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(zhǎng)度與孔隙大小相當(dāng)時(shí)，流體分子的自由熱運(yùn)動(dòng)受到顯著影響。

這就好比“油娃娃”們課間正在學(xué)校操場(chǎng)里玩兒，由于空間足夠大，他們可以開(kāi)心追逐游戲，互不碰撞。當(dāng)上課鈴聲響起時(shí)，“油娃娃”們爭(zhēng)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(shí)間無(wú)法通過(guò)樓道。

這種限域效應(yīng)也會(huì)影響流體相態(tài)的變化，給石油開(kāi)發(fā)開(kāi)采帶來(lái)難題。在這種限域效應(yīng)下，古龍頁(yè)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(shí)，由于“屋子”擁擠悶熱，便“嗖”地變成一縷煙；當(dāng)進(jìn)入另一個(gè)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(lái)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(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院） 姜曉華（中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院） 高波（大慶油田有限責(zé)任公司）