基于氩气吸附的页岩纳米级孔隙结构特征

为了研究页岩储层微观孔隙结构特征,以川南地区龙马溪组页岩为研究对象,应用场发射扫描电镜（FE-SEM）定性描述页岩镜下孔隙形态及确定其类型,创新使用低温氩气（Ar）吸附实验测量页岩样品的比表面积、孔体积以及孔径分布,实现了页岩小于100 nm（纳米级）孔隙的连续测量,并根据FrenkelHalsey-Hill（FHH）模型研究了页岩孔隙结构的分形特征,探讨了有机质对页岩孔隙结构及分形特征的影响。结果表明：川南地区龙马溪组页岩储层主要发育有机质孔、粒间孔及粒内孔,并以有机质孔为主。Ar吸附等温线表明,纳米级孔隙以狭缝型为主,孔径主体分布在10 nm以下的微孔和介孔中,呈“三峰”特征,微孔主要集中在0.6～0.9 nm以及1.8～2.0 nm,介孔主要集中在4.0～5.0 nm。纳米级孔隙分形维数为2.55～2.64,表现出较强的非均质性。有机碳（TOC）含量控制了页岩纳米级孔隙的发育,TOC含量的增加使得页岩中微孔及其所占比例增高,分形维数增大,孔隙结构趋于复杂,有利于页岩储层吸附能力的增强。该研究成果对川南地区龙马溪组页岩储层纳米级孔隙结构特征研究具有重要意义。     

页岩纳米孔隙分形特征

以氮气分子为探测介质,采用氮气吸附分形分析方法研究了页岩孔隙结构及其不规则性,计算了页岩纳米孔隙分形维数,给出了分形维数与有机碳含量、页岩组成、孔隙结构参数之间的关系曲线,讨论了分形维数对气体吸附和渗流的影响。结果表明,页岩纳米孔隙具有明显的分形特征。分形维数与有机碳含量、微孔发育程度有关。有机碳含量越高,分形维数越大。分形维数反映了页岩微孔的发育程度,微孔越发育,平均孔径越小,比表面积越大,分形维数越大。分形维数对气体的赋存和运移有着不同的影响,分形维数越大,孔隙结构趋于复杂,这有利于气体吸附存储,但不利于气体渗流。     

准噶尔盆地中部下乌尔禾组深层陆相页岩孔隙结构分形特征及其地质意义

为明确准噶尔盆地中部下乌尔禾组深层陆相页岩孔隙结构以及分形特征，以东道海子凹陷下乌尔禾组页岩为研究对象，在深入剖析页岩矿物及地球化学特征的基础上，采用场发射扫描电镜、低温N2吸附等研究方法，定量表征下乌尔禾组页岩孔隙结构特征，并基于FHH模型计算页岩孔隙的分形维数，揭示总有机碳含量（TOC）、矿物组分、孔隙结构参数和分形维数的关系及其地质意义。研究结果表明，研究区下乌尔禾组页岩主要发育无机孔和微裂缝，孔径分布呈多峰型，以平行板状或窄缝状孔隙为主；页岩孔隙发育受TOC和石英、长石、黏土矿物含量的控制，导致孔隙结构之间差异性较大，非均质性强。研究区下乌尔禾组页岩孔隙具有双重分形特征，其中表面分形维数（D1）为2.452 2～2.594 8，平均为2.540 9；结构分形维数（D2）为2.604 5～2.774 8，平均为2.705 6。TOC与分形维数呈负相关，孔隙结构参数（比表面积和孔体积）和矿物组分（石英、长石以及黏土矿物）含量与分形维数呈正相关。脆性矿物（石英、长石）和黏土矿物含量的增加有助于微纳米尺度孔隙以及微裂缝的发育，比表面积和孔体积增大，分形维数也增加，孔隙非均质性越强，孔隙结构越复杂。     

陆相页岩储层孔隙分形特征——以四川盆地三叠系须家河组为例

基于氮气等温吸附、高压压汞测试结果,研究四川盆地三叠系须家河组陆相页岩孔隙结构的分形特征。分析结果表明:须家河组页岩孔隙结构复杂,基质孔隙以纳米级孔隙为主,孔径分布在2~100nm之间;须家河组页岩孔隙具有显著分形特征,分形维数在2.6~2.75之间,平均值为2.66;须家河组页岩分形维数与有机碳含量、微孔孔隙体积、比表面积正相关,与矿物含量相关性不强;页岩分形维数随热演化程度增加具有“先降后增再降”阶段性变化特征。探索性提出页岩优质储层孔隙分形维数分布范围在2.6~2.8之间,为我国陆相页岩储层定量表征及页岩气有利区评价提供新思路和手段。     

陆相与过渡相煤系页岩孔隙结构及分形特征对比——以鄂尔多斯盆地东北缘延安组与太原组为例

基于低温氮气吸附分形几何学研究方法,对鄂尔多斯盆地东北缘陆相延安组及海陆过渡相太原组富有机质煤系页岩进行孔隙结构和分形特征研究,运用分形FHH模型计算了大孔隙(4.34~100nm)和小孔隙(4.34nm)对应的分形维数D_1与D_2,对比讨论了孔隙结构参数与分形维数的关系,以及TOC、矿物含量对两者的影响。研究结果表明:(1)延安组孔径分布在1.8~59nm,呈"双峰型",以墨水瓶状、狭缝状和平行板状孔为主;太原组孔径主要分布在3~4.5nm,呈"单峰型",以墨水瓶状孔为主。(2)煤系页岩具有双重分形特征,D_1与D_2正相关,且D_1D_2,表明大孔隙空间结构更加复杂。延安组两类孔隙空间结构均比较复杂,太原组大孔隙空间结构非常复杂,而小孔隙均质性强。(3)煤系页岩平均孔径越小,微小孔隙越多,比表面积越大,总孔体积越大,分形维数越大,即孔隙结构越复杂,孔表面越不规则;延安组D_1、D_2和太原组D_1均可反映各自孔隙结构特征。(4)太原组孔隙结构参数和分形维数受TOC及矿物成分含量影响较延安组明显。(5)延安组页岩储层优于太原组,更利于煤系页岩气的吸附、赋存、扩散和渗流。     

沁水盆地中东部海陆过渡相页岩孔隙结构及分形特征

为研究海陆过渡相页岩的孔隙结构及分形特征,对采自沁水盆地的12块样品进行了低温氮气吸附、扫描电镜、X-射线衍射和有机质含量等系列分析测试。结果表明,研究区页岩黏土矿物最为富集,石英含量次之,有机质含量平均为2.98%,干酪根类型以Ⅲ型为主。中孔是研究区页岩的主体孔隙,对孔隙体积和比表面积贡献最大。研究区页岩孔隙具有明显的分形特征,利用FHH模型计算得到2种分形维数(D1、D2)。黏土矿物含量与D1、D2具有较好的正相关性,有机质含量与分形维数无明显相关关系。D1和D2具有一定的正相关性,可以共同定量表征页岩孔隙结构的复杂程度和孔隙表面的粗糙程度。分形维数D1、D2越大,页岩孔隙体积和比表面积越大,越有利于气体的富集,但是D2越大孔隙结构越趋于复杂,不利于气体的渗流。分形维数D1越大而D2适中的页岩储集能力较强,且有利于页岩气的开发。     

富有机质页岩生烃阶段孔隙演化及分形特征

为明确富有机质页岩孔隙演化规律,以鄂尔多斯盆地三叠系延长组不同成熟度(RO值介于0.53%~1.09%之间)黑色页岩为研究对象,通过扫描电镜、氮气吸附和X-射线衍射等技术手段对页岩储层的纳米孔隙及热演化特征进行研究,并依据FHH分形模型探讨了页岩孔隙分形特征及热演化规律。结果表明：页岩孔隙总体积和比表面积主要受控于中孔(2~50nm)和大孔(＞50nm),并与TOC含量有较好的相关性;随着RO值的增加,页岩孔隙总体积先下降,再略微上升,比表面积先下降,再明显回升,这是压实作用和生排烃作用共同作用的结果。RO值与有机质孔发育程度密切相关,是中孔的最大贡献者。页岩孔隙的分形维数普遍较高,随着热演化程度的加深整体呈增大趋势,且与孔体积及平均孔径显著负相关,与比表面积正相关,表明页岩孔隙结构趋于复杂,吸附能力提升。     

下扬子地区二叠系海相页岩孔隙特征新认识及页岩气勘探启示

下扬子地区中上二叠统大隆组和孤峰组页岩具有厚度大、有机碳含量高、分布范围广、有机质热演化程度适中等特点,有可能成为页岩气勘探下一步的重要领域。为了给该区页岩气勘探开发提供目标与方向,选取下扬子宣泾地区大隆组、孤峰组两套页岩为研究对象,运用扫描电镜、高压压汞、CO_2及N_2吸附等手段,定量表征了不同尺度的页岩孔隙的发育特征;利用FHH(FrenkelHalsey-Hill)模型计算了样品孔隙分形维数,进而结合TOC、矿物组分讨论了孔隙结构与分形维数的关系。研究结果表明:(1)大隆组页岩以富泥硅质、富泥/硅混合质为优势岩相,具有较低的比表面积、孔容以及较高的平均孔径,孔隙发育主要受黏土矿物含量的控制,孤峰组以硅质页岩为优势岩相,具有较高的比表面积、孔容以及较低的平均孔径,孔隙发育受有机质及脆性矿物含量的控制;(2)分形维数影响因素可以归根于微孔发育的控制因素,大隆组页岩分形维数D_1介于2.451 5～2.551 3/2.522 7、D_2介于2.581 7～2.6578/2.6246,孤峰组页岩分形维数D_1介于2.581 7～2.657 8/2.624 6、D_2介于2.722 7～2.871/2.813,孤峰组页岩表现出更为复杂的孔隙结构特征;(3)分形维数D_1对比表面积、孔隙发育及矿物组分更具敏感性,D_2对表征平均孔径效果更好。结论认为,具有高分形维数D_1、D_2的大隆组以及低D_1、高D_2的孤峰组页岩段可以作为下扬子地区二叠系海相页岩气勘探的有利对象,富烃凹陷内构造变形较弱的局部超压区(带)将是该区页岩气勘探的有利方向。     

东营凹陷沙河街组页岩微观孔隙多重分形特征

孔体积、孔径分布和比表面积的非均质性刻画是页岩油勘探评价中的一项重要工作。采用多重分形理论,对东营凹陷沙河街组页岩低温氮气吸附实验数据进行研究,探讨页岩孔隙多重分形特征、分形参数与孔隙参数和页岩矿物组成之间的关系。结果表明:东营凹陷沙河街组页岩孔径分布存在明显的多重分形特征,孔径分布的非均质性主要与孔隙比表面积有关;Hurst指数越大,渗透率越大。除多重分形谱的右半偏参数和左右半偏参数之差与其他分形参数相关性较差外,多重分形参数之间表现出很强的相关性,信息维数、关联维数均与Hurst指数呈正相关关系,而与Hausdorff维数、左半偏参数和多重分形谱峰宽等其他参数均呈负相关关系;信息维数、关联维数和Hurst指数等多重分形参数均与比表面积、孔体积呈正相关关系,除右半偏参数外,其他多重分形参数与比表面积、孔体积呈负相关关系;多重分形参数与页岩矿物组成无明显相关性。     

川东南龙马溪组页岩孔隙分形特征

基于低温氮气吸附分形几何学研究方法,对川东南龙马溪组页岩储层进行了孔隙分形特征研究,并运用分形FHH模型计算了孔隙分形维数,讨论了分形维数与孔隙结构、有机碳含量、页岩矿物成分之间的关系。研究表明:川东南龙马溪组页岩以中孔为主,孔隙内部特征以墨水瓶状孔和狭缝状孔为主;页岩样品分形维数为2.629 2~2.898 0,反映了页岩孔隙结构复杂和非均质性强的特征;页岩平均孔径越小、微小孔隙越多,孔隙结构越复杂,孔表面越不规则,比表面积和分形维数则越大;有机碳含量和微孔发育程度对分形维数影响较大。通过分形维数可定量描述孔隙结构的复杂程度和不均一性,为研究页岩孔隙结构的分布特征提供了思路。     

四川盆地富有机质页岩孔隙分形特征

文中以下寒武统(牛蹄塘组)、上奥陶统(五峰组)、下志留统(龙马溪组),以及上三叠统(须家河组)页岩为研究对象,在低压氮气吸附测试实验结果的基础上,探讨了四川盆地富有机质页岩的分形特征。研究表明:四川盆地富有机质页岩具有双重分形特征,存在明显的孔径分界点,其中小孔隙分形维数的平均值要小于大孔隙,说明大孔隙结构的复杂程度大于小孔隙;分形维数D_1可描述页岩孔隙表面的分形特征,分形维数D_2可描述页岩孔隙结构的分形特征;D_1越大,页岩孔隙表面越不规则,页岩孔隙表面将有更多的吸附位,使页岩吸附气体能力增大;D_2越大,页岩孔隙结构越复杂,使页岩的解吸、扩散和渗流变得困难。因此,页岩孔隙中高表面分形维数D_1值和低孔隙结构分形维数D_2值对页岩气藏的开发有重要的意义。     

低温氩气吸附实验在页岩储层微观孔隙结构表征中的应用

针对页岩储层微观非均质性强、孔径分布广泛的特点,使用氩气作为吸附质,通过87 K下的低温氩气吸附实验,研究蜀南地区五峰-龙马溪组富有机质页岩样品的微观孔隙结构特征,并探讨了有机碳含量对页岩微观孔隙结构的影响。结果表明:页岩孔隙呈狭缝型,富有机质页岩样品平均比表面积31.65 m2/g,平均孔体积0.062 2 cm3/g,小于50 nm的微孔和介孔贡献了页岩孔隙中90%以上的比表面积,2~100 nm的介孔和宏孔贡献了页岩孔隙中90%以上的孔体积。有机质含量是影响富有机质页岩微观孔隙发育的主要因素,随着页岩中有机碳含量的增高,页岩比表面积、孔体积增大,微孔占比增多,孔隙表面分形维数增大,孔隙结构非均质性增强,页岩的吸附能力增强。      

氮气吸附滞后回环定量分析及其在孔隙结构表征中的指示意义——以鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段为例

低温氮气吸附滞后回环的形态和面积可以有效反映多孔介质的孔隙结构及其对吸附气体的滞留效应,但其在页岩孔隙结构定量表征中的作用常被忽视。优选鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段（长7段）页岩为研究对象,综合场发射扫描电镜孔隙结构定性观察、低温氮气吸附孔隙结构定量分析、“滞后回环”定量分析、总有机碳含量（TOC）分析、热解实验、X射线衍射实验等手段,对页岩在低温氮气吸附-脱附实验中能否形成“滞后回环”以及形成的“滞后回环”面积大小的决定因素进行了探索。研究结果表明：(1)页岩样品在低温氮气吸附-脱附实验中是否能形成滞后回环,与其比表面积、比孔容、黏土矿物含量及孔隙结构分形维数之间存在明显的正相关关系,与总有机碳含量呈明显负相关关系,而与平均孔径大小、孔隙表面分形维数、最高热解峰温和脆性矿物含量等无明显相关关系;(2)滞后回环的面积大小取决于两端开放的圆柱形孔、墨水瓶孔或平行板孔的发育程度,可借助滞后回环的面积大小来定量评价圆柱形孔、墨水瓶孔或平行板孔占孔隙空间的相对比例;(3)长7段泥页岩样品中开放的圆柱形孔、墨水瓶孔或平行板孔主要由黏土矿物晶间孔提供,滞后回环面积与泥页岩样品中黏土矿物含量之间存...     

海相页岩成岩-成烃过程中孔隙结构的演变——来自热模拟实验的启示

页岩在沉积埋藏过程中,孔隙的形成、演变与成岩-成烃过程是同步的。为了揭示成岩-成烃作用对页岩孔隙结构的影响,以西加拿大盆地上白垩统海相未成熟页岩为研究对象,开展了地质条件约束下页岩从未成熟到过成熟阶段的成岩-成烃热模拟实验,并利用高分辨扫描电镜对热模拟后样品的微观结构进行分析,运用低温液氮吸附-脱附实验和Frenkel-Halsey-Hill （FHH）模型对实验样品的孔隙发育特征和分形维数进行定量分析。结果表明：①成岩-成烃过程中页岩的孔隙结构复杂多变,主要发育介孔和大孔,以楔状或平行板状狭缝型孔隙为主;②页岩中的孔隙比表面积主要为小于15 nm的微孔和介孔所贡献;③有机质丰度并非影响孔隙分形特征的主要因素,孔隙的结构分形维数与平均孔径存在明显的负相关关系,孔径越小孔隙间的连通性越差,孔隙结构越复杂;④不同演化阶段孔隙的分形特征差异明显,成熟阶段的生烃作用导致黏土矿物转化及矿物溶蚀可大大降低孔隙结构及表面的复杂程度,高过成熟阶段有机质孔的大量形成可增大孔隙表面的粗糙程度并使得页岩具有高的孔隙比表面积。     

渝西地区龙马溪组下部页岩储层发育特征及其影响因素——以重庆綦江观音桥剖面为例

渝西地区是重要的深层页岩气潜力区.该文以龙马溪组页岩储层为研究对象,利用氩离子抛光-场发射扫描电镜、总有机碳(TOC)测试、X射线衍射、低温氮吸附实验、地球化学元素测试等技术手段,通过对储层特征、沉积环境的系统研究,建立FHH分形模型,综合讨论龙马溪组页岩储层发育特征及其影响因素.结果表明,龙马溪组下部页岩储层矿物组分...     

黔东南岑巩地区下寒武统黑色页岩孔隙结构特征

利用矿物组分、有机地球化学、氮气吸附、物性及扫描电镜等资料，对黔东南岑巩地区下寒武统牛蹄塘组和变马冲组页岩孔隙结构特征进行了系统研究。牛蹄塘组与变马冲组贫有机质页岩以平板和狭缝形黏土粒间孔为主，平均孔径普遍大于5 nm；牛蹄塘组富有机质页岩以狭缝形和少量墨水瓶状孔为主，平均孔径普遍小于3~4 nm，比表面积为贫有机质页岩的2~3倍。页岩总孔容与比表面积、黏土含量与平均孔径均为正相关关系，而前二者与后二者均为负相关关系。有利保存条件下页岩具有相对"高孔低渗"特征，峰值孔径较大，有机质孔发育程度较高，孔渗相关性强。不利保存条件下页岩储层致密，孔隙度与峰值孔径较低，裂缝过度发育造成相对"低孔高渗"特征。有机碳含量对孔隙结构具有重要控制作用，与孔容、比表面及孔隙度总体正相关，与平均孔径负相关；过高有机碳含量层段页岩塑性增强，孔径较低，压实作用和不利保存条件等因素使部分狭窄孔喉发生萎缩、坍塌与闭合，导致孔隙度、孔容、比表面和脆性与有机碳含量出现负相关关系。      

基于低温CO2吸附的煤和页岩微孔结构分形分析

分形维数是分析煤和页岩微观孔隙结构的重要参数之一。目前主要是基于低温N₂吸附数据进而利用Frenkel?Halsey?Hill(FHH)模型,获得煤和页岩中孔（2~50 nm）与宏孔（>50 nm）的表面粗糙分形维数,对其微孔（<2 nm）分形维数的研究还较少。为深入研究煤和页岩的微孔特征,基于微孔填充与孔径分布理论,对比分析了煤和页岩微孔结构的分形特征。选取煤和页岩样品进行低温CO₂吸附实验,计算并分析两者的微孔分形维数。结果表明：煤的微孔分形维数分布在2.6~2.8之间,平均为2.75;页岩的微孔分形维数分布在2.8~2.9之间,平均为2.88。煤的微孔比表面积分布在100~300 m²/g之间;页岩的微孔比表面积集中在15~30 m²/g之间,页岩的孔隙分布零散且数量少,说明分形维数越大,微孔结构更加复杂。此外,分别对煤与页岩的微孔分形维数、表面粗糙分形维数进行了对比,发现虽然煤的微孔比表面积均远大于页岩,但其孔径分布、孔隙结构比页岩简单,微孔分形维数小于页岩。同时,由于中孔、宏孔数量少,比表面积小,孔隙表面较为光滑,煤的表面粗糙分形维数小于页岩。微孔分形维数和表面粗糙分形维数分别受微孔结构复杂程度与中孔、宏孔表面粗糙程度的影响,微孔结构越复杂,中孔、宏孔表面越粗糙,分形维数越大。