放大百万倍，古龙页岩“特写”长啥样

□ 吴松涛 姜晓华 高 波

古龙页岩孔隙与人类头发丝对比，

如同足球之于足球场。沈月制图

古龙页岩微裂缝内石油赋存扫描电镜照片。姜晓华 摄

栏目顾问：中国工程院院士 刘 合 孙龙德

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，在这些看似铁板一样的黑色页岩里，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而言，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。如果我们把人类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。

微纳米尺度的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了桥梁，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，一时间便无法通过楼道。

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。

放大百万倍，古龙页岩“特写”长啥样

□ 吴松涛 姜晓华 高 波

上一篇：应急科普下沉一线防灾理念落地生根

下一篇：风雨兼程华语科幻星云奖走过十五年