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石油住在纳米级“卧室”?来看放大百万倍的页岩“特写”

中国石油学会
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大庆油田岩心库摆满了排列整齐的灰黑色、圆柱形石头。它们是利用特殊工具从井下钻取出的圆柱形岩石,是了解和研究地下条件和矿产情况的重要实物资料,更是古龙页岩油在地下居住的“家”。一边是黑乎乎、表面几乎看不到孔隙、像铁板一样的岩心,另一边是淡黄色、清亮的油,它们之间有什么联系呢?

为了揭开古龙页岩的神秘面纱,石油科学家应用高精尖的仪器设备,为我们打开了奇妙的微观世界大门。原来,在这些看似铁板的黑色页岩里,蕴藏着无数肉眼无法识别的微小孔隙,它们为石油提供了居住场所。

古龙页岩油住在纳米级“卧室”

岩石中大大小小的孔隙和裂缝,为油气分子提供了安身之地。古龙页岩也不例外,但相比常规的油气储层,古龙页岩的储集空间极为细小,石油大都“居住”在地下纳米级的“卧室”(孔隙)和微米-纳米级的“长廊”(裂缝)之中。

你知道这些孔隙有多小吗?常规的显微镜已经无法观察到它们,只有借助高分辨率电子扫描电镜,将图像放大几十万倍甚至上百万倍,分辨率达到1纳米,我们才能看到孔隙的真实面貌。如此一来,我们就可以对微观世界来一个深入的“特写”,看看这些页岩中的孔隙是如何分布的。

古龙页岩孔隙的直径基本小于100纳米。我们人类头发丝的直径通常为70微米,古龙页岩孔隙大小只相当于人类头发丝的七百分之一甚至千分之一。如果把人的头发丝比喻成足球场大小的话,古龙页岩有效孔隙大小就相当于足球场中的足球。

页岩油旅行有“通道”

既然“卧室”这么小,怎么才能将石油从地下开采出来呢?如果把页岩想象成一栋大房子,内部的孔隙是各自独立的“卧室”,喉道就是连接卧室之间的“过道”,石油在地下流动需要从无数个“卧室”进入“过道”。“卧室”对存储多少石油起到了决定性作用,“过道”对石油能否流动和运输起到了关键作用。

研究发现,尽管古龙页岩单个孔隙体积很小,但累积总孔隙体积相对较大,也就是“卧室”够多、总空间大;美中不足的是“过道”较少,较难形成连续的流动通道。这对于石油开发是一个非常不利的因素。

那么,古龙页岩油如何解决这道难题呢?古龙页岩发育有层理缝、构造裂缝和超压裂缝,其中层理缝最为发育。由于层理缝的存在,岩石极易沿层理缝剥开,形成“千层小薄饼”。米级-毫米级尺度的层理缝肉眼就可以看到,而微纳米尺度层理缝需要借助扫描电镜才能识别,这种微纳米级层理缝发育密度极高,可达每米数十万条。

微纳米级层理缝好比是细密的乡间小路,虽然狭窄,但是数量多、分布广,可以将石油从乡间小路输送到省道;小尺度和大尺度层理缝好比省道或国道,数量虽然相对较少,但是路面宽阔,延伸距离较长,对来往车辆的输送能力更强。它们改善了储层之间的渗流能力,为石油分子的流动提供便利。

说到构造裂缝和超压裂缝,它们则进一步在页岩不同的通道之间架起桥梁,使得页岩中的“道路”更加四通八达。这样一来,“油娃娃”得以在页岩储层中“昂首阔步”,自由流动。

纳米限域效应下,“油娃娃”易变脸

居住在微纳米级孔缝中的“油娃娃”非常淘气,要想让它们出来可不是件容易的事。这里还要谈到一个效应——纳米限域效应。通俗点讲,纳米限域效应指的就是在纳米级空间里,由于受狭小空间的限制,会引起物质性质的变化,甚至是物理反应或者化学反应。

在大尺度孔隙内,与流体分子间的相互作用力相比,流体分子与孔壁间的相互作用可以忽略不计。但在纳米尺度下,孔壁固体分子与流体分子间的作用力较大,当流体分子和孔壁发生碰撞的平均路径长度与孔隙大小相当时,流体分子的自由热运动受到显著影响。

这就好比“油娃娃”们课间正在学校操场里玩儿,由于空间足够大,他们可以开心追逐游戏,互不碰撞。当上课铃声响起时,“油娃娃”们争先恐后地进入狭窄的楼道,由于你推我搡,前进的阻力一下子变大,一时间无法通过楼道。

这种限域效应也会影响流体相态的变化,给石油开发开采带来难题。在这种限域效应下,古龙页岩油流体的相态在“易挥发油”和“凝析气”两种状态之间“反复横跳”。这就好比“油娃娃”们变成了“孙悟空”,在狭小的孔隙中时,由于“屋子”拥挤闷热,便“嗖”地变成一缕烟;当进入另一个孔隙,由于温度和压力的变化,又“嗖”地变回了油珠。调皮的“油娃娃”们带来的挑战远不止如此,而这也正一步步考验着石油地质学家和工程师的智慧。

作者:吴松涛(中国石油勘探开发研究院) 姜晓华(中国石油勘探开发研究院) 高波(大庆油田有限责任公司)

评论
内蒙古赵华
庶吉士级
如何能把古龙页岩单个孔隙里面的石油开采出来,需要较高的科技水平,作为一个贫油大国,尽可能的把古龙页岩里面的石油全部压榨干净,可以为中国提供大量的石油能源,对保障国家的能源安全意义十分重大。
2024-10-15
臭皮匠心
学士级
通过对古龙页岩油的研究,科学家们不仅揭示了页岩中油气的存储机制,还为未来的石油开发提供了新的思路和技术支持。这些研究成果对于推动非常规石油工业的发展具有重要意义。
2024-10-15
新风科普🌱🌾
学士级
石油,这个远古的沉睡者,竟藏在纳米级的隐秘居室里,仿佛在玩一场极限版的捉迷藏。我们用科技的放大镜一探,才发现它们在微观世界里悠然自得,等着我们的智慧去唤醒。
2024-10-15