版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

大慶油田岩心庫擺滿了排列整齊的灰黑色、圓柱形石頭。它們(men) 是利用特殊工具從(cong) 井下鑽取出的圓柱形岩石，是了解和研究地下條件和礦產(chan) 情況的重要實物資料，更是古龍頁岩油在地下居住的“家”。一邊是黑乎乎、表麵幾乎看不到孔隙、像鐵板一樣的岩心，另一邊是淡黃色、清亮的油，它們(men) 之間有什麽(me) 聯係呢？

為(wei) 了揭開古龍頁岩的神秘麵紗，石油科學家應用高精尖的儀(yi) 器設備，為(wei) 我們(men) 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岩裏，蘊藏著無數肉眼無法識別的微小孔隙，它們(men) 為(wei) 石油提供了居住場所。

古龍頁岩油住在納米級“臥室”

岩石中大大小小的孔隙和裂縫，為(wei) 油氣分子提供了安身之地。古龍頁岩也不例外，但相比常規的油氣儲(chu) 層，古龍頁岩的儲(chu) 集空間極為(wei) 細小，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？常規的顯微鏡已經無法觀察到它們(men) ，隻有借助高分辨率電子掃描電鏡，將圖像放大幾十萬(wan) 倍甚至上百萬(wan) 倍，分辨率達到1納米，我們(men) 才能看到孔隙的真實麵貌。如此一來，我們(men) 就可以對微觀世界來一個(ge) 深入的“特寫(xie) ”，看看這些頁岩中的孔隙是如何分布的。

古龍頁岩孔隙的直徑基本小於(yu) 100納米。我們(men) 人類頭發絲(si) 的直徑通常為(wei) 70微米，古龍頁岩孔隙大小隻相當於(yu) 人類頭發絲(si) 的七百分之一甚至千分之一。如果把人的頭發絲(si) 比喻成足球場大小的話，古龍頁岩有效孔隙大小就相當於(yu) 足球場中的足球。

頁岩油旅行有“通道”

既然“臥室”這麽(me) 小，怎麽(me) 才能將石油從(cong) 地下開采出來呢？如果把頁岩想象成一棟大房子，內(nei) 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(cong) 無數個(ge) “臥室”進入“過道”。“臥室”對存儲(chu) 多少石油起到了決(jue) 定性作用，“過道”對石油能否流動和運輸起到了關(guan) 鍵作用。

研究發現，盡管古龍頁岩單個(ge) 孔隙體(ti) 積很小，但累積總孔隙體(ti) 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，較難形成連續的流動通道。這對於(yu) 石油開發是一個(ge) 非常不利的因素。

那麽(me) ，古龍頁岩油如何解決(jue) 這道難題呢？古龍頁岩發育有層理縫、構造裂縫和超壓裂縫，其中層理縫最為(wei) 發育。由於(yu) 層理縫的存在，岩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育密度極高，可達每米數十萬(wan) 條。

微納米級層理縫好比是細密的鄉(xiang) 間小路，雖然狹窄，但是數量多、分布廣，可以將石油從(cong) 鄉(xiang) 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，數量雖然相對較少，但是路麵寬闊，延伸距離較長，對來往車輛的輸送能力更強。它們(men) 改善了儲(chu) 層之間的滲流能力，為(wei) 石油分子的流動提供便利。

說到構造裂縫和超壓裂縫，它們(men) 則進一步在頁岩不同的通道之間架起橋梁，使得頁岩中的“道路”更加四通八達。這樣一來，“油娃娃”得以在頁岩儲(chu) 層中“昂首闊步”，自由流動。

納米限域效應下，“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(men) 出來可不是件容易的事。這裏還要談到一個(ge) 效應——納米限域效應。通俗點講，納米限域效應指的就是在納米級空間裏，由於(yu) 受狹小空間的限製，會(hui) 引起物質性質的變化，甚至是物理反應或者化學反應。

在大尺度孔隙內(nei) ，與(yu) 流體(ti) 分子間的相互作用力相比，流體(ti) 分子與(yu) 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(ti) 分子與(yu) 流體(ti) 分子間的作用力較大，當流體(ti) 分子和孔壁發生碰撞的平均路徑長度與(yu) 孔隙大小相當時，流體(ti) 分子的自由熱運動受到顯著影響。

這就好比“油娃娃”們(men) 課間正在學校操場裏玩兒(er) ，由於(yu) 空間足夠大，他們(men) 可以開心追逐遊戲，互不碰撞。當上課鈴聲響起時，“油娃娃”們(men) 爭(zheng) 先恐後地進入狹窄的樓道，由於(yu) 你推我搡，前進的阻力一下子變大，一時間無法通過樓道。

這種限域效應也會(hui) 影響流體(ti) 相態的變化，給石油開發開采帶來難題。在這種限域效應下，古龍頁岩油流體(ti) 的相態在“易揮發油”和“凝析氣”兩(liang) 種狀態之間“反複橫跳”。這就好比“油娃娃”們(men) 變成了“孫悟空”，在狹小的孔隙中時，由於(yu) “屋子”擁擠悶熱，便“嗖”地變成一縷煙；當進入另一個(ge) 孔隙，由於(yu) 溫度和壓力的變化，又“嗖”地變回了油珠。調皮的“油娃娃”們(men) 帶來的挑戰遠不止如此，而這也正一步步考驗著石油地質學家和工程師的智慧。

作者：吳鬆濤（中國石油勘探開發研究院） 薑曉華（中國石油勘探開發研究院） 高波（大慶油田有限責任公司）

歡迎掃碼關(guan) 注深i科普！

我們(men) 將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物！