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。     

松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩孔径多重分形特征与岩相的关系

为了分析不同页岩岩相孔径分布的非均质特征及其影响因素,采用CO₂与N₂吸附实验分别对长岭断陷沙河子组页岩的8种岩相进行了孔隙结构表征,并运用多重分形理论研究孔径分布非均质性。结果表明：对于微孔,富有机质黏土质页岩具有最大的孔体积和比表面积,富有机质混合质页岩具有最小的孔体积和比表面积;对于中—宏孔,富有机质混合质页岩具有最大的孔体积,含有机质黏土质页岩具有最小的孔体积和比表面积。随着q的增大,气体吸附曲线的广义分形维数Dq减小,多重分形奇异谱函数α-f（α）呈现连续分布,表明页岩孔径分布具有多重分形特征;在微孔中,富有机质硅质页岩孔径离散程度最弱,富有机质混合质页岩孔隙非均质性最强;在中—宏孔中,富有机质硅质页岩具有孔隙非均质性最强、孔径分布离散程度最弱的特点;微孔与中—宏孔相比,整体非均质性较低;根据偏最小二乘回归法分析结果,不同岩石组分对于岩相的影响存在显著差异,其中TOC含量是影响孔隙非均质性的主要因素。该研究成果可从多重分形理论角度揭示不同岩相的孔径分布特征差异,为松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩储层开发提供依据。     

修武盆地下寒武统荷塘组海相页岩孔隙特征

通过孔隙度实验、低温N₂吸附法和CO₂吸附法,对修武盆地RDZ01井下寒武统荷塘组页岩孔隙发育特征进行定量表征,结合总有机碳含量、矿物组成及有机质的热演化程度,讨论孔隙发育特征主控因素。结果表明：孔隙形态以楔形孔为主,并发育墨水瓶形孔及狭缝形孔。页岩孔隙度为1.24%~2.91%,具低孔隙度特征;微孔、中孔和大孔3类孔隙分别占总孔体积的35.45%、44.54%和20.01%。页岩总孔体积为5.33×10^-3 ~20.10×10^-3 cm³/g,其中低温N₂吸附法和CO₂吸附法平均孔体积分别为7.40×10^-3 cm³/g和2.24×10^-3 cm³/g;总比表面积为7.62~17.84 m²/g,其中低温N₂吸附法和CO₂吸附法平均比表面积分别为5.23 m²/g和7.41 m²/g。孔径分布的主峰值小于10.00 nm,微孔的结构复杂,0.30~0.70 nm的孔隙较为发育,大的比表面积为页岩气提供更多的吸附位。总有机碳含量是微孔发育的主控因素,同时促进中孔发育,对大孔的影响较弱;黏土矿物增多会降低页岩的孔隙度;高石英含量为总孔体积和总比表面积增大的有利因素。修武盆地下寒武统荷塘组海相页岩和鄂西地区下侏罗统自流井组页岩储集层特征相似,呈现良好的储集能力。     

基于氮气吸附实验与分形FHH模型分析页岩孔隙结构特征——以鄂尔多斯盆地华池地区长7段为例

孔隙结构是页岩储层研究的重点，对页岩油的赋存具有重要影响。选取鄂尔多斯盆地华池地区延长组7段的10块泥页岩岩心样品，通过扫描电镜观察及低温氮气吸附实验，结合分形FHH模型，计算分形维数，对研究区泥页岩的孔隙结构进行定量化表征，并在此基础上探讨分形维数与孔隙结构参数、含油性参数的关系，确定长7段泥页岩孔隙发育的主要影响因素。华池地区长7段泥页岩有机质丰度高，属于好—极好烃源岩，含油性与可动性较好，多达到中含油级别，主要由石英与黏土矿物组成；储集空间以粒间孔、粒内孔及少量有机质孔为主，孔隙形态有两类，分别为平行板状狭缝形+单边狭缝形及墨水瓶形+平行板状狭缝形，孔径以微孔和中孔为主，宏孔发育较少。多数样品具有分形特征，表征小孔隙的分形维数D₁介于2.264 7～2.714 9之间，表征大孔隙的分形维数D₂介于2.373 3～2.777之间。其中，D₂同比表面积、孔体积、平均孔径及S₁的相关性较好，可以表征孔隙结构发育特征和页岩的含油性；而D₁仅可表征页岩油的可动性。泥页岩的孔隙发育主...     

黔西上二叠统龙潭组高煤级煤微观孔隙结构特征及其对含气性的影响

为探讨高煤级煤的微观孔隙结构特征及其对含气性的影响,选取黔西地区黔普地1井龙潭组5件高煤级煤样品,分别采用高压压汞、低温N₂吸附和CO₂吸附对各煤样的纳米级孔隙进行定量表征,基于BJH和DFT方程分别计算孔隙的孔径、孔体积和比表面积,分析煤的微孔（孔径<2 nm）、介孔（孔径2~50 nm）和宏孔（孔径>50 nm）的孔径分布特征,并统计各级孔径对孔体积和比表面积的贡献率。在低温N₂吸附实验的基础上,运用FHH模型分析了高煤级煤孔隙结构分形性质及其控制因素。采用线性拟合的方法,讨论了高煤级煤的持续演化对微孔和介孔的影响,以及各级孔径的比表面积对含气性的控制作用。结果表明：微孔、介孔和宏孔对孔体积的贡献率分别为49.47%、33.22%及17.31%,对比表面积的贡献率依次为85.44%、14.35%及0.21%;高煤级煤的孔隙形态可分为2类：小于3.7 nm的孔主要以一端开口的孔为主,大于3.7 nm的孔则主要为两端开口的孔和细颈瓶孔;孔隙分形维数随着地层压力的增加而增大,且以3.7 nm为界,大孔隙比小孔隙具有更加复杂的空间结构;微孔和介孔随镜质体反射率呈现规律性的变化,微孔的大量形成与煤大分子空间结构演化导致的介孔体积缩小有关;微孔对CH₄吸附量的控制作用远超过介孔和宏孔,小于2 nm的微孔为煤层气的吸附提供了主要的空间。     

渤海湾盆地沾化凹陷页岩微观孔隙特征实验研究

页岩的微观孔隙结构是影响页岩油气富集与渗流机理的关键。利用氩离子抛光扫描电镜、低温CO₂吸附、低温N₂吸附、高压压汞及核磁共振等实验方法，对沾化凹陷沙河街组陆相页岩的微观孔隙特征进行了研究。页岩主要发育有机孔、粒间孔、粒内孔、晶间孔、溶蚀孔和微裂缝等6类孔隙。其中微孔、中孔和宏孔均有发育，微孔比表面积约占总比表面积的61.52%，提供了页岩油气吸附的主要空间，而中孔和宏孔则提供了大部分孔体积，分别占比49.99%和41.19%，对页岩油气的储集和运移起主要作用；页岩孔隙度为4.08%~7.04%，有效孔隙度为0.11%~0.64%，孔隙连通性差。      

低压气体吸附法在页岩孔径表征中的应用——以渝东南地区页岩样品为例

泥页岩中的孔隙以纳米级孔隙为主,其孔径分布特征对页岩气的保存与开发具有重要影响。以渝东南地区渝参7井下志留统及上奥陶统页岩为例,开展了77.4K下N₂和273.15K下CO₂吸附实验,利用修正的BET方程、 DFT方法、 Stoeckli方法等分析手段,探讨了泥页岩孔结构的组成特征及孔径分布的表征方法,初步评价了页岩中微孔、介孔和宏孔的分布特征。结果表明:①渝参7井下志留统和上奥陶统页岩中的微孔、介孔、宏孔均较发育,其相对比例大致相同;②页岩中微孔孔径的均值主要集中在1.26nm处;③基于CO₂吸附的Stoeckli方法得到的微孔分布曲线与基于N₂吸附的DFT介孔及部分微孔孔径分布曲线在2nm处可较好地衔接,说明联合利用N₂和CO₂吸附数据可获取页岩中微孔、介孔和部分大孔的连续孔径分布模式。     

页岩油储集层二氧化碳吞吐纳米孔隙原油微观动用特征

采用低温氮气吸附实验分析页岩岩样孔径分布、比表面积和孔体积等参数,进而对弛豫时间(T₂)与孔径间的转换系数进行标定,在此基础上开展了页岩 CO₂吞吐核磁共振实验,从微观尺度研究了注气压力、焖井时间和裂缝对页岩孔隙中原油动用特征的影响,定量评价了孔径小于等于 50 nm 的小孔和孔径大于 50 nm 的大孔的动用程度。结果表明：非混相条件下大孔中原油的采出程度随注入压力的增加快速升高,混相条件下注入压力的增加对大孔采出程度的影响减弱;无论是否混相,小孔中原油的采出程度随注入压力的增加基本保持线性增长,且随着注气压力的增大,CO₂可动用孔径下限不断降低;随着焖井时间的增加,大孔中原油的采出程度增速逐渐降低,小孔中原油的采出程度增速呈先升后降趋势,实验条件下最佳焖井时间约为 10 h;裂缝的存在能够大幅提高小孔和大孔中原油的采出程度。     

基于分形理论的页岩储层微观孔隙结构评价

页岩储层微观孔隙结构评价对页岩气勘探开发具有重要的意义,为了更有效地研究页岩储层微观孔隙结构特征,利用高压压汞实验结合分形理论对孔隙结构进行分析。高压压汞结果显示岩样孔径主要分布在3~18nm范围内,岩样孔隙以微孔和过渡孔为主,微孔和过渡孔提供了大部分孔体积。岩样比表面积主要由微孔贡献,微孔和过渡孔提供了页岩气主要的吸附空间。分形维数分析结果表明:页岩岩样的分形分布可明显的分为2段,过渡孔、中孔和大孔的分形维数接近3,说明该部分孔隙非均质性强,体现出较强的分形特征;微孔的分形维数小于1,分析原因可能是压汞实验仅可以描述微孔的一部分,对孔径3nm的微孔描述不到,因此对微孔的孔隙结构评价不够全面,使分形维数的计算结果超出理论范围。     

样品粒径对高过成熟度页岩低压气体吸附实验结果的影响

为了评价样品粒径对页岩孔径参数测定结果的影响，并探索适用于页岩孔径参数测定的粒径范围，以渝东南地区下寒武统牛蹄塘组3块不同TOC含量的页岩为研究对象，结合低压N₂/CO₂等温吸附实验及有机岩石学、激光拉曼光谱学、XRD测试等方法，讨论了样品破碎、筛分等前处理对高过成熟度页岩的矿物组成、比表面积及孔径分布等测定结果的影响。结果表明：研究区下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙类型主要为有机质孔和黏土矿物粒间孔，有机质孔隙的发育具有非均一性；破碎筛分会对页岩的矿物组成产生无规律的分异作用；样品粒径小于0.425 mm（>40目）时，粒径降低会增大页岩的比表面积并显著影响介孔和宏孔的孔体积，但是当样品粒径大于2 mm（<10目）时，会显著增加低压N₂等温吸附实验的时间；粒径大小对微孔孔体积的影响不明显。综合实验结果的稳定性、时效性及页岩的非均质性等因素，建议采用10~40目的样品来开展页岩的孔径参数分析测试实验。     

鄂西下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙结构特征及影响因素

利用低温CO₂和N₂吸附测试以及场发射-扫描电镜观察、有机碳（TOC）含量测定、X衍射矿物成分分析，对鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩储层的孔隙结构特征及不同岩相页岩的孔隙发育影响因素进行了研究和探讨。鄂西地区牛蹄塘组页岩的有机碳含量较高，孔隙类型以有机孔和粒内孔为主，且孔隙形态较为复杂；页岩的矿物组分主要以石英和黏土矿物为主。CO₂和N₂吸附实验显示，页岩孔径分布呈多峰型，介孔多数分布在2~25 nm；页岩的孔隙体积和比表面积主要由微孔和介孔提供。页岩按岩相可分为硅质页岩、混合质页岩和泥质页岩。不同岩相页岩的孔隙发育受TOC和矿物组分的控制机制不同，硅质页岩的孔隙结构主要受TOC和生物硅质含量的影响；混合质页岩的孔隙结构主要受TOC和黏土矿物含量的影响。      

页岩注入超临界CO2渗流及增透实验

以四川省长宁县双河镇燕子村龙马溪组页岩为研究对象,采用自行研制的三轴渗流装置,开展了考虑注入压力和体积应力影响的页岩中超临界CO₂渗流及增透规律实验研究。结果表明：页岩中超临界CO₂渗透率随着孔隙压力增大呈现先减小后增大趋势,当孔隙压力较小时存在Klinkenberg效应;随体积应力的增大渗透率逐渐减小,曲线基本呈现负指数变化规律。开展不同增透条件下页岩中CH₄渗流实验,宏观量化分析超临界CO₂注入压力对于页岩增透效果的影响,可以得出随着超临界CO₂注入压力的增加,CH₄渗透率呈现上升趋势,但增长幅度先上升后下降,即超临界CO₂注入压力为9.5MPa时增透效果最为明显。通过微观分析页岩元素含量得出超临界CO₂可以萃取和溶解页岩中的O、Ca、Mg等矿物元素,有效促进页岩内部微孔隙的发育,致使页岩渗透能力增强。     

松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩岩相特征及其对孔隙结构的控制

依据松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩特征、有机质丰度和矿物含量建立岩相划分方案,把研究区页岩划分为7种岩相,在此基础上开展扫描电镜、CO₂和N₂吸附以及高压压汞实验以分析孔隙结构。研究区沙河子组页岩孔隙发育,不同岩相发育的主要孔隙类型也不相同,有机质孔隙主要发育在黏土质页岩中。页岩孔径呈现多峰分布特征,中孔是孔体积的主要贡献者,平均占50.9%;微孔是比表面积的主要贡献者,平均占67.8%。微孔发育主要受黏土矿物控制,中孔发育受碳酸盐矿物控制,宏孔发育受脆性矿物和黏土矿物联合控制。富有机质黏土质页岩对比表面积和孔体积的影响明显,对沙河子组页岩孔隙发育起主要控制作用。      

川南龙马溪组页岩孔隙结构综合表征及其分形特征

为了科学评价川南地区龙马溪组页岩孔隙发育特征对页岩气赋存与流动过程的影响,综合采用压汞、液氮吸附及二氧化碳吸附等测试方法,对页岩孔隙结构进行全尺度表征,并对不同尺寸的孔隙进行分形拟合,计算综合分形维数,最后结合地球化学和矿物组成对综合分形维数的影响因素进行探讨。结果表明：页岩样品孔径分布呈多峰态,各阶段孔隙均对总体积有一定贡献,而孔隙比表面积主要由微孔和介孔贡献。龙马溪组页岩孔隙符合分形规律,具有自相似性,宏孔孔隙结构较介孔、微孔更为复杂。以2个孔径段的孔体积比为加权值,计算获得综合分形维数为2.491～2.623,平均为2.560,孔隙结构较为复杂。有机碳含量和矿物组成对综合分形维数具有明显控制作用,有机碳含量越高,综合分形维数越大。孔隙结构复杂程度与综合分形维数呈正相关关系,脆性矿物含量与综合分形维数呈负相关关系,有机质成熟度和黏土矿物对孔隙综合分形维数有积极影响。     

四川盆地东南部龙马溪组页岩微-纳米孔隙结构特征及控制因素

以四川盆地东南部重庆地区下志留统龙马溪组页岩为研究对象,通过场发射扫描电镜、CO₂及N₂低温低压吸附实验,探讨海相页岩储层微-纳米孔孔隙结构特征及其控制因素。结果表明:龙马溪组页岩发育有机孔、粒间孔、粒内孔、晶间孔、溶蚀孔和微裂缝6种孔隙类型,其中有机孔、黏土矿物层间粒内孔最为发育,由于热演化程度高也发育大量的溶蚀孔隙;龙马溪组页岩BET比表面积介于3.5~18.1 m²/g,BJH总孔容介于0.00234~0.01338 cm³/g,DA微孔比表面积介于1.3~7.3 m²/g,DA微孔孔容介于0.00052~0.00273 cm³/g。页岩微孔比表面积占总比表面积的23.1%~80.2%,平均占比50.3%,微孔孔容占总孔容的12.1%~48.5%,平均占比32.3%,微孔提供比表面积的能力远大于中孔和宏孔,是页岩储层中甲烷吸附的主要场所;泥页岩孔径分布复杂,孔径分布曲线存在多个不同的峰值,在0~100 nm范围内主要呈现双峰或三峰特征,偶见四峰特征;有机碳含量与泥页岩微孔、中孔+宏孔及总孔的孔隙结构参数均呈现非常好的线性关系,表明TOC是泥页岩中微-纳米孔隙结构最重要的控制因素,将孔隙结构参数对TOC进行归一化处理后,总孔和中孔+宏孔孔隙结构参数与黏土矿物含量呈正线性关系,与脆性矿物含量呈负线性关系,表明黏土矿物和脆性矿物主要控制页岩的中孔和宏孔的发育。     

鄂尔多斯盆地延长探区长7油层组泥页岩孔隙结构定量表征与动态演化过程

全孔径孔隙结构的定量表征与动态演化研究是认识泥页岩储层成储机理和明确孔隙与烃-岩相互作用关系的重要基础。通过场发射扫描电镜、高压压汞、N₂和CO₂吸附实验等技术,对鄂尔多斯盆地延长探区长7油层组不同成熟度的典型岩心,以及开展过生、排烃模拟实验的泥页岩样品进行了孔隙结构的定量表征。在此基础上,结合生、排烃模拟和X射线衍射全岩/黏土矿物含量的测试结果,研究有机质生排烃、矿物成岩与孔隙结构演化的相互作用,定量分析储层孔隙结构和分形特征的动态演化特征。结果表明：长7油层组泥页岩储层的微孔、小孔和中孔对孔体积贡献较大,而孔比表面积主要由微孔和小孔提供。随着有机质生排烃、无机矿物溶蚀和矿物间转化的发生,总孔体积具有先减小后增大的趋势,其中中-大孔占比先降低后增加,且微-小孔的非均质性总体增强,而中-大孔的非均质性具有先增加后降低的趋势。相关性分析表明：孔隙大小、矿物组成耦合于储层的非均质性,其中微-小孔的分形维数D1与微孔占微-小孔的孔体积比例和黏土矿物含量均呈正相关,而中-大孔的分形维数D2与大孔占中-大孔的孔体积比例呈负相关,与脆性矿物含量呈正相关。...     

鄂尔多斯盆地延安地区山西组泥页岩孔隙表征

以鄂尔多斯盆地延安地区上古生界二叠系山西组泥页岩储层为研究对象,通过核磁共振、扫描电镜、高压压汞、氮气吸附以及二氧化碳吸附等实验,对泥页岩储层进行了详细的全孔隙表征。研究区山西组主要发育粒间孔、粒内孔、裂缝及有机质孔四类孔隙类型,以粒内孔和有机质孔居多。核磁共振T₂谱曲线多以单峰分布,离心后曲线几乎无变化,说明样品中含有较多的纳米级孔隙,并且连通性较差。高压压汞、氮气吸附、二氧化碳吸附实验表明,孔隙体积以中孔和宏孔为主,二者占孔总体积的85%左右,微孔仅占总孔体积的15%;而比表面积主要由微孔和中孔提供,微孔占总比表面积的51.94%,中孔占47.98%,二者占总比表面积的99%以上,宏孔可以忽略不计;样品孔隙形态以两端开孔或狭缝型的平行板孔为主。      

志丹油区长7页岩油储层CO2吞吐室内实验

为了评价页岩油储层CO₂吞吐驱油效果及不同尺度孔喉下原油可动性,选取延长油田志丹油区长7储层天然岩心,基于高温高压长岩心CO₂吞吐实验和短岩心剩余油在线核磁共振实验,在评价驱油效果的基础上,分析不同测压点CO₂混相状态及驱替规律,对比纳米、微米级孔喉尺度下混相吞吐与非混相吞吐效果,评价页岩油储层不同尺度空间原油可动性。研究表明：CO₂非混相吞吐波及效果较差,岩心内部压力增加不明显,压力波及范围小;CO₂混相吞吐波及范围广,压力梯度大,单位时间产油量高,驱油效果明显好于CO₂非混相吞吐,在注入相同孔隙体积倍数条件下,采收率较CO₂非混相吞吐提高8.24个百分点;CO₂混相吞吐前2周期生产压差大,混相吞吐区间距离长,混相驱特征明显;在整个岩样孔喉中,微米级孔隙占比低,纳米级、亚微米级孔隙是原油主要贡献者。该研究成果可为页岩储层补充地层能量、提高采收率提供重要参考。     

氮气吸附法—压汞法分析页岩孔隙、分形特征及其影响因素

利用氮气吸附法和压汞法联合表征下扬子皖南地区二叠系页岩的孔隙分布、孔隙度及分形特征。结果表明,研究区二叠系页岩中发育的孔隙以微孔和大孔为主,其中微孔的体积占页岩总孔隙体积的33.63%~81.08%,平均为56.45%;联孔孔隙度明显高于压汞孔隙度,平均增加96.06%;页岩在微孔和过渡孔—大孔区间均具有明显的分形特征,且微孔的分形维数比过渡孔—大孔更加分散,说明页岩中微孔的非均质性和复杂程度要高于过渡孔—大孔;微孔的孔隙度和分形维数与总有机碳含量、比表面积和生烃潜量呈正相关关系,与石英含量呈负相关关系;过渡孔—大孔的孔隙度和分形维数与总有机碳含量、石英含量呈负相关性,与比表面积和粘土矿物含量之间没有明显的相关性。随着埋深的增加,微孔的孔隙度和分形维数变化较小,过渡孔—大孔的孔隙度和分形维数明显降低,且分形维数对埋深的敏感性高于孔隙度。     

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。