页岩纳米孔隙分级量化评价方法研究

为了更好地评价页岩孔隙大小分布特征,通过高压压汞、液氮吸附以及低温二氧化碳吸附实验分别对页岩宏孔、介孔、微孔进行定量评价,并将实验测试结果有机结合起来,建立了页岩全尺度孔径分布评价方法,同时利用电镜扫描法描述页岩孔喉结构影响因素。研究结果表明,高压压汞法能准确获取大于20 nm的孔隙,液氮吸附法能准确获得2~50 nm大小的孔隙,低温二氧化碳吸附法能获取0.3~2 nm大小的孔隙,可最终获得页岩全尺度的孔径分布特征,页岩微孔和介孔比较发育,所占比例高达90%以上,大孔极少且比较分散,页岩微裂缝不发育,比较分散,连通性较差。此研究为评价页岩纳米孔隙中气体储集能力及可流动性提供了先进技术手段,从而指导页岩气水平井高效开发。     

泸州地区龙马溪组深层页岩孔隙结构特征

为研究四川盆地泸州地区龙马溪组深层页岩储层微观孔隙发育特征,利用扫描电镜、低温N2吸附、低温CO2吸附、核磁共振测试以及X射线衍射、总有机碳质量分数（TOC）和岩石物性测试等手段,对孔隙结构进行全孔径表征。研究结果表明：1）研究区页岩孔隙分为有机质孔、粒间孔、粒内孔和微裂缝,龙马溪组上段和下段的页岩孔隙特征明显不同,孔隙结构更加复杂;2)TOC控制孔隙形态,随着TOC增加,龙马溪组上段的平行板状孔逐渐过渡为下段的狭缝状孔和墨水瓶状孔;3）核磁共振测试的孔径偏大,在表征较大孔隙上效果较好;4）总孔体积主要受介孔控制,孔体积的主要贡献孔径分布在0.5～0.6,2.0～4.0,10.0～30.0 nm,比表面积主要由微孔和介孔贡献,孔径主要分布在0.5～0.7,2.0～4.0 nm,且龙马溪组下段页岩中广泛发育的有机质孔是导致其孔隙总体积和比表面积明显大于上段的主要原因。     

页岩储层微观孔隙结构特征

为了研究页岩储层的微观孔隙结构特征,应用场发射环境扫描电子显微镜观察了页岩表面纳米级孔隙微观形态,并通过低温氮吸附法测定了页岩的氮气吸附等温线,同时结合高压压汞实验对页岩储层孔隙结构进行了深入研究。研究结果表明：页岩储层孔隙处于纳米量级,孔隙类型可分为有机质纳米孔、黏土矿物粒间孔、岩石骨架矿物孔、古生物化石孔和微裂缝5种类型,其中有机质纳米孔和黏土矿物粒间孔发育最为广泛;页岩孔径分布复杂,既含有大量的中孔（2～50nm）,又含有一定量的微孔（<2nm）和大孔（>50nm）;孔径小于50nm的微孔和中孔提供了大部分比表面积和孔体积,是气体吸附和存储的主要场所;页岩阈压非常高,孔喉分选性好,连通性差,退汞效率低,中孔对气体渗流起明显贡献作用,微孔则主要起储集作用。     

四川盆地龙马溪组页岩储层孔隙结构的定量表征

页岩孔隙结构的定量表征可为页岩储层质量评价提供基础参数,但是利用常规方法很难准确表征页岩的微米-纳米级孔隙结构。 以四川盆地龙马溪组含气页岩为研究对象,综合对比常用的氮气（ N ₂）吸附法、高压压汞法、核磁共振法等页岩测试手段的原理及优缺点,提出利用低压氮气吸附法测得的累计孔径分布来拟合页岩核磁 T 2 谱相对应的累计孔径分布,优化页岩核磁 T 2 谱与孔径的转换系数 C ,进而应磁共振测试结果来表征页岩中不同尺度的孔隙分布。 该方法可以弥补传统的低压氮气吸附与高压压汞联合表征方法的不足,因为高压压汞法测试可能会导致页岩破裂,产生大量微米级裂缝,这些微裂缝很难与天然微裂缝区分开。 此外,核磁共振具有对岩样加工简单、人工破坏性小、测试不需外来压力等优点,因此推荐低压氮气吸附法与核磁共振法联合表征页岩的孔隙结构方法,它能科学、准确地表征页岩的孔喉分布。 研究表明,龙马溪组页岩孔径分布曲线具有双峰或三峰特征,主要孔径为 0.2～100.0 nm ,介孔和微孔占优势,孔隙体积百分比分别为 67.75% 和 25.33% 。 最终明确了该区页岩储层孔隙结构的定量表征方法。     

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。     

川东北地区二叠系大隆组深层页岩气储层孔隙结构及其分形特征

页岩储层特性是影响页岩气富集和开采的关键因素之一。四川盆地北部发育的上二叠统大隆组是重要的海相优质烃源岩,而针对川东北地区大隆组页岩储层的研究还有待深入。以川东北地区大隆组深层页岩为研究对象,利用高分辨率场发射扫描电镜、二氧化碳吸附、氮吸附及高压压汞等技术,开展大隆组深层页岩储层不同孔径孔隙结构的定性—定量研究,并运用基于二氧化碳吸附的V-S模型、氮吸附的FHH模型和高压压汞的分形几何模型对不同孔径的孔隙进行分形拟合,表征页岩孔隙结构的复杂程度和非均质性特征。结果表明,川东北地区大隆组深层页岩储层发育丰富的纳米级有机孔和少量的无机孔,有机孔发育特征随有机质显微组分不同和分布形式差异而显示强的非均质性。大隆组深层页岩孔隙结构与龙马溪组深层页岩相似,以介孔和微孔为主,占总孔体积的90%以上;页岩孔隙结构主要受有机质丰度的影响。分形特征研究结果显示,深层页岩宏孔非均质性强于介孔和微孔。其原因可能为深层页岩微孔孔径较小,分布集中,成因单一,受成岩作用影响较小,孔隙结构较为简单,具有较小分形维数;而宏孔孔径较大,分布范围较广,成因多样,易受成岩作用影响,表现出强非均质性。深层页岩微孔—介孔因其丰...     

湘鄂西地区五峰组——龙马溪组页岩孔隙结构特征

页岩储层的孔隙结构对页岩的含气性评价和勘探开发具有重要意义。采用氩离子抛光结合扫描电子显微镜(FIB-SEM)、低温氮气吸附实验和高压压汞实验对湘鄂西地区五峰组—龙马溪组页岩储层的微观孔隙结构进行了定性及定量分析。研究结果表明,湘鄂西地区页岩储层孔隙为纳米量级,孔隙类型主要为有机孔隙、粒内孔隙和次生溶蚀孔隙,局部可见少量矿物层间收缩缝。页岩孔径分布复杂,既含有大量的中孔,又含有一定量的微孔和大孔。微孔和中孔提供了大部分比表面积和孔体积,是气体吸附和存储的主要场所。     

四川盆地深层页岩储层孔喉特征——以自贡地区自201井龙马溪组为例

四川盆地蜀南地区深层页岩气分布广泛,具有良好的勘探前景,已成为页岩气勘探开发重要的接替领域,但目前缺乏系统成果,特别是对深层页岩储层的认识亟待深化。研究选取蜀南自贡地区第一口深层页岩气评价井——自201井龙马溪组为研究对象,系统开展CO_2吸附、N_2吸附及高压压汞实验,实现孔隙的全孔径表征,阐明深层页岩储层的孔喉特征及其主控因素。研究结果表明,研究区龙马溪组页岩孔体积呈多峰分布的特点,主要峰值位于0.5～0.6nm之间、2.0～3.0nm之间和10～30nm之间;微孔、中孔和宏孔对体积贡献比例分别为39.1%、45.1%和15.8%;比表面积贡献比例分别为74%、25.9%和0.04%。有机质丰度与石英含量是影响深层龙马溪组页岩孔隙发育的关键因素,直接决定了微孔和中孔的孔隙体积与比表面积。相关认识对丰富研究区深层页岩气富集规律具有重要的指导意义。     

滇黔北地区龙马溪组富有机质页岩储层纳米级孔隙结构特征

针对页岩储层复杂的孔隙结构,运用低温氮气吸附实验,优选非定域密度泛函(NLDFT)计算方法,对吸附数据进行处理,实现对富有机质页岩样品纳米级孔隙微孔和介孔的连续测量。实验结果表明:滇黔北地区龙马溪组下部富有机质页岩既发育微孔,也发育介孔,页岩纳米级孔隙呈狭缝型和墨水瓶状,平均比表面积为14.24 m~2/g,平均孔体积为12.99 mm~3/g,微孔提供了绝大多数的比表面积;有机碳含量是影响滇黔北地区龙马溪组富有机质页岩纳米级孔隙发育的主控因素,黏土矿物含量的增大降低了页岩的比表面积。     

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。      

四川盆地深层页岩储层孔喉特征

四川盆地蜀南地区深层页岩气分布广泛,具有良好的勘探前景,已成为页岩气勘探开发重要的接替领域,但目前缺乏系统成果,特别是对深层页岩储层的认识亟待深化。研究选取蜀南自贡地区第一口深层页岩气评价井——自201井龙马溪组为研究对象,系统开展CO₂吸附、N₂吸附及高压压汞实验,实现孔隙的全孔径表征,阐明深层页岩储层的孔喉特征及其主控因素。研究结果表明,研究区龙马溪组页岩孔体积呈多峰分布的特点,主要峰值位于0.5~0.6nm之间、2.0~3.0nm之间和10~30nm之间;微孔、中孔和宏孔对体积贡献比例分别为39.1%、45.1%和15.8%;比表面积贡献比例分别为74%、25.9%和0.04%。有机质丰度与石英含量是影响深层龙马溪组页岩孔隙发育的关键因素,直接决定了微孔和中孔的孔隙体积与比表面积。相关认识对丰富研究区深层页岩气富集规律具有重要的指导意义。     

海相页岩气储层孔隙表征、分类及贡献

以渝东南彭水地区五峰组-龙马溪组页岩气为例,开展低温二氧化碳吸附（LTCA）、氮气吸附（LTNA）、核磁共振（NMR）、压汞、扫描电镜以及氦测孔隙度等孔隙表征实验,全面刻画页岩孔隙结构,建立全孔径表征及分类方法,研究它们在页岩气赋存和渗流等方面的差异贡献。结果表明,氦测孔体积最大;其次为LTNA和NMR,两者分别在刻画较小孔（<10nm）和较大孔方面优势明显,联合二者可表征页岩全孔径分布。全孔径分布揭示页岩气孔隙分布范围宽,但70%孔体积集中在孔径小于25 nm。结合分形特征,以5,25和100 nm为界,将其划分为微孔、小孔、中孔和大孔。微孔、小孔和中孔主要受有机质含量和粘土矿物含量的影响;此外,中孔还受粒内溶蚀孔的影响,而大孔主要由粒间孔和粘土层间缝构成。微孔和小孔分别为页岩吸附气、游离气提供主要场所;小孔和中孔相互连接,为页岩气在基质中渗流提供通道。研究成果对页岩气储层分类、渗流机理认识等具有指导意义。     

生物蛋白石早期成岩相变特征及对硅质页岩孔隙发育与孔径分布的影响

为研究生物成因硅质页岩成岩演化以及在该过程中页岩物性和孔隙结构变化特征,选取松辽盆地嫩江组蛋白石硅质页岩和四川盆地东部上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组硅质页岩,利用X射线衍射、氦气孔隙度、氮气吸附和高压压汞等手段,开展了页岩矿物相变化、孔隙发育和孔隙结构特征等综合分析。结果显示,生物蛋白石发生脱水和重结晶作用较早,在早成岩阶段即完成了向准晶态蛋白石-CT和晶态石英的转变过程。在蛋白石-A向蛋白石-CT转化过程中,页岩总孔隙度从75%以上快速降低至30%附近,在继续向石英转化过程中孔隙损失速率迅速降低,降幅减小,仅降低了约5%,呈快速和缓慢两段式变化特征。同时,不同类型孔隙的孔体积分布也发生较明显变化,大孔损失较多,微孔损失较小,孔隙组成从初始以大孔和介孔为主逐渐向以介孔和微孔为主转变。生物成因硅质页岩早期成岩阶段机械压实和化学压实(压溶)作用近乎同步进行,对页岩改造作用强,造成页岩孔隙减小的同时,又使页岩的硬度增大,支撑和抗压实能力增强,从而使早期成岩中后期及后续成岩作用的改造和破坏减弱。生物成因硅质页岩早期快速成岩定型是其在成岩中后期与晚期仍然能够保持高孔隙特征的重要原因。     

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。     

川东地区龙马溪组页岩不同岩相孔隙结构特征及其主控因素

四川盆地川东地区是中国页岩气主要产区,目前发现的页岩气主要产自五峰-龙马溪组的富泥硅质页岩,而对富硅泥质和混合质页岩研究较少。为了确定川东地区龙马溪组富硅泥质和混合质页岩的孔隙发育特征,在对龙马溪组页岩岩相划分的基础之上,通过二氧化碳吸附,氮气吸附,高压压汞以及孔隙度测定,X-衍射,场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）等实验手段,对比不同岩相页岩孔隙结构特征,研究不同岩相页岩孔隙结构的主控因素。研究结果表明：①川东地区富有机质页岩可划分为富硅泥质页岩相、硅/泥混合页岩相和富泥硅质页岩相,不同岩相页岩孔隙度范围在2.62%~5.65%;②页岩储层中孔隙体积以介孔为主,大约占总孔隙的50%~60%,其次是微孔和宏孔,大约占总孔隙的15%~20%,比表面积主要贡献来自微孔和介孔,分别占总比表面积的70%和30%;③龙马溪组页岩孔隙发育主要受有机质丰度的控制,粘土矿物含量不是控制页岩孔隙发育主要因素,高有机质丰度页岩可能由于骨架颗粒支撑较弱遭受更剧烈的压实作用使大部分孔隙消失;④高有机质丰度富泥质页岩和硅/泥混合页岩也具有较高的孔隙度,与大部分富泥硅质页岩具有相似的孔隙结构,表明富硅泥质页岩相和硅/泥混合页岩相页岩也能发育一定量的纳米级孔隙,可为页岩气赋存提供空间。     

渤海湾盆地沾化凹陷沙河街组富有机质页岩孔隙分类及孔径定量表征

页岩微观孔隙特征分析和孔径定量表征是页岩油气储层评价和开发的关键。通过岩心观察、薄片鉴定、X-衍射、扫描电镜、氮气吸附等实验手段,分析了渤海湾盆地沾化凹陷富有机质页岩的矿物组成和微观孔隙类型,并对微观孔径进行了定量表征。结果表明：沙河街组页岩具有碳酸盐矿物含量高、粘土矿物含量较低的特征。根据发育位置、成因及产状,将储集空间分为孔隙与裂缝两大类,并制定了孔隙和裂缝的尺度评价标准。孔隙包括矿物基质孔隙和有机质孔隙;裂缝包括构造、层间、超压破裂、成岩和有机质收缩裂缝。氮气吸附等温曲线主要存在3种类型,分别反映了样品中微孔、中孔及宏孔的分布差异。通常氮气吸附实验能更好地表征中孔的发育特征,而扫描电镜所测孔隙更好地表征了宏孔的发育。需要进一步采用二氧化碳吸附、纳米CT及压汞实验定量表征页岩的微孔和宏孔的大小及分布。     

蜀南地区富有机质页岩孔隙结构及超临界甲烷吸附能力

以蜀南地区龙马溪组下部富有机质页岩为研究对象,通过场发射扫描电镜（FE-SEM）、低压氩气吸附实验和重力法高压甲烷吸附实验,研究页岩孔隙结构特征及超临界状态下页岩储层的甲烷吸附能力,并讨论了页岩孔隙结构对甲烷吸附能力的影响。研究表明,蜀南地区龙马溪组富有机质页岩主要发育有机质孔隙,页岩孔隙结构非均质性强,比表面积为16.846~63.738 m²/g,孔体积为0.050~0.092 cm³/g,微孔和介孔贡献页岩90%以上的比表面积,介孔和宏孔贡献页岩90%以上的孔体积。甲烷在地层条件下处于超临界状态,过剩吸附曲线在约12 MPa时出现极大值,随后开始下降。使用修正过的四元Langmuir-Freundlich （L-F）方程拟合高温甲烷过剩吸附曲线,拟合效果较好,相关系数大于0.997。页岩饱和吸附量为0.067 0~0.220 2 mmol/g,不同页岩样品吸附能力差异明显。海相富有机质页岩中,随着有机质含量的增大,有机质孔隙数量增多,且页岩中微孔比例增大,微孔的吸附能力远大于介孔和宏孔,故页岩吸附能力增强。有机质含量是影响蜀南地区海相富有机质页岩孔隙结构和甲烷吸附能力的主要因素。