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。     

页岩纳米孔隙气体流动的滑脱效应

页岩具有超低基质渗透率及纳米尺度的孔喉结构,天然气在页岩纳米孔隙中的流动不再遵循达西定律,受到较常规储层更加显著的滑脱效应影响,研究页岩纳米孔隙气体流动的滑脱效应,对于指导页岩气的压裂设计、产能预测、气藏数值模拟等都具有重要的意义。为此,在文献调研的基础上,分析对比了目前页岩中气体流动的多尺度流动规律,并着重分析了评价滑脱效应对气体在页岩中流动的影响规律,以及气体解吸对于页岩纳米孔隙滑脱效应的影响。结果表明:Klinkenberg方程无法准确地描述页岩的滑脱效应,孔隙尺寸越小,滑脱效应对于气体流动影响越大,且页岩受到滑脱效应影响的压力范围更大,这不仅仅局限于低压范围内,如果在页岩气产能预测与气藏数值模拟过程中,不考虑滑脱效应将会带来更大的计算偏差;有机质孔隙表面的气体吸附、解吸会改变气体的流动通道,对纳米孔隙中气体滑脱效应存在重要的影响;最后指出,多尺度流动效应和基于孔喉分布的应力—温度—流动耦合模型是页岩气储层渗流机理的下一步研究方向。     

页岩纳米级孔隙气体流动特征

页岩气在孔隙中的流动规律是评价页岩气产能的基础,而气体流动规律与页岩的孔隙大小密切相关。通过液氮等温吸附对昭通地区龙马溪组以及五峰组页岩的孔隙进行研究发现,该地区页岩孔隙大小主要分布在4~6 nm。利用Kn数和Beskok-Karniandakis方程计算了页岩的表观渗透率,分析了压力、温度以及吸附作用对气体流动规律的影响:在直径小于10 nm的孔隙中,气体表观渗透率与达西渗透率的比值高达30,气体的吸附会缩小页岩的孔径,吸附层的存在会使得孔径小于10 nm的孔隙表观渗透率与达西渗透率的比值增大。温度与压力都会影响Kn数,从而影响气体的表观渗透率和页岩吸附层厚度。在不考虑吸附层的影响下,压力升高,页岩表观渗透率下降,温度升高,表观渗透率稍有变化,变化不明显;考虑吸附层影响下,页岩表观渗透率与达西渗透率之比与不考虑吸附时表观渗透率与达西渗透率之比随压力降低或温度上升呈下降趋势。     

泥页岩储层有机孔隙定量评价研究

泥页岩储层因其超低孔、超低渗和富含有机质以及其中页岩气赋存方式特殊等特点,使得泥页岩储层的评价与常规砂岩储层的评价存在显著差别。为了对泥页岩中有机孔隙进行定量评价,以渝东南地区下志留统龙马溪组泥页岩为例,借助扫描电镜、化学动力学模型计算等技术和方法,分析泥页岩中的有机孔隙度。研究表明：渝东南地区下志留统龙马溪组泥页岩主要发育有机质孔隙和生物化石内孔隙2类有机孔隙;龙马溪组泥页岩有机孔隙的直径为0.01～5.00μm;以微孔、中孔为主;龙马溪组泥页岩有机孔隙度范围为0.05%～1.59%,平均值为0.71%,该层段泥页岩有机孔隙度偏低。     

页岩无机质孔隙含水饱和度分布量化模型

目前对于页岩储层含水饱和度的评价多侧重于宏观尺度,而对页岩纳米孔隙内含水饱和度分布特征缺乏深入研究。在考虑页岩储层"超低含水饱和度"特征基础上,分析了储层液态水与气态水热力学平衡关系,结合水膜理论,建立了页岩无机质孔隙水膜厚度量化模型。研究表明：孔隙尺度、孔隙形状及天然气相对湿度是影响水膜厚度的主要因素;在原始含水条件下,部分微小孔隙可以被毛细管水充填,以研究样品为例,当储层含水饱和度为50 % ,天然气相对湿度为0.98时,孔隙直径为5.35 nm以内的孔隙将被毛细管水阻塞,此类孔隙对页岩气的吸附及流动不起作用。在微观尺度下,研究孔隙类型、孔隙半径、孔隙形状等对含水饱和度的影响规律对进一步认识页岩储层流体赋存方式、吸附特征及产气机理具有重要意义。     

页岩纳米级孔隙甲烷渗透特性模拟

通过四参数随机增长法构造二维多孔介质模型,采用格子Boltzmann方法模拟甲烷在多孔介质中的流动,研究了多孔介质孔隙率(ε)、进出口压差和吸附解吸对于甲烷气体渗透率(K)的影响。实验结果表明,ε对K影响最明显,ε越大,K越大;K随进出口压差的增大而增大;而甲烷在固体表面吸附解吸对K的影响较小。     

页岩纳米孔隙的结构量化表征——以川东南地区五峰组为例

为探究页岩纳米孔隙结构量化的新方法,以川东南地区五峰组页岩储层样品为例,通过氩离子抛光-场发射扫描电镜技术获取高分辨率纳米尺度孔隙图像,运用Adobe Photoshop,Adobe Illustrator,Image J等软件进行纳米尺度孔隙图像的数值化处理,并提取纳米孔隙的发育特征与结构参数。结果表明：五峰组页岩储层样品主要发育4种类型的纳米孔隙,分别为有机质孔隙、矿物粒内结构孔隙、矿物粒内溶蚀孔隙以及微裂隙等,其中有机质孔隙最为发育;通过图像信息提取,获取每个孔隙的形状因子、圆度、伸长率、偏心率、熵值等量化参数,并基于对孔隙不同参数的交会图综合表征,提出一种对页岩不同类型孔隙进行量化表征的方法。对纳米孔隙精细量化的研究,可以为相关研究提供参考,为孔隙结构表征及优质页岩储层发育机理研究提供新思路、新方法。     

页岩纳米孔隙气体流动的分子扩散效应研究

页岩气多赋存于纳米级的致密页岩孔隙中,孔隙结构大小复杂,具有多尺度的特点。其中,尺度大小由Kn值的大小来评判。当Kn≥10时,孔隙内进行着分子自由扩散运动。分子扩散流主要基于Langmuir等温吸附理论方程,其渗透能力主要由地层压力和孔道共同影响,且随温度、压力、孔隙直径的变化发生动态变化。虽然国内对页岩气成藏机理和资源潜力等方面研究的比较深入,但关于页岩气流动机制和产能递减分析等还有待了解。本文通过研究页岩气的分子扩散效应,可选择更有利的开采方式和增产手段,为页岩气开发和产能评估奠定一定的理论基础。     

页岩孔隙结构表征方法新探索

孔隙结构对页岩储层的储集性能、渗流能力和页岩气产能具有十分重要的影响,是页岩储层评价的核心内容。为全面、直观地展现页岩储层孔隙结构的空间特征,选取川南龙马溪组页岩为研究对象,先运用MATLAB自编程序识别扫描电镜(SEM)二值图像的方法,测得不同孔隙面积与相应的面孔率数值,拟合得到了岩样的面孔率函数;再利用积分几何理论建立了面孔率函数与孔隙度函数之间的换算模型,计算得到了岩样的孔隙度与孔径之间的函数关系,并据此对龙马溪组页岩孔隙结构进行了定量分析。结果表明:川南龙马溪组页岩岩样的孔径主要为1~50 nm,孔隙度峰值出现在孔径为13 nm处,中孔是孔隙的主体,占总孔隙空间的93.7%。与高压压汞实验和低温氮气吸附实验结果比较,SEM图像观测法所得结果可靠,验证了该方法的可行性。该方法不仅适用于页岩储层,也适用于其他致密储层。     

页岩油储层微纳米孔隙小角中子散射实验研究

随着页岩孔隙结构测量技术的发展,页岩孔喉结构测量也更加准确以及定量化。为明确中国不同类型页岩油储层纳米级孔隙分布特征,确定了不同层理方向取样对小角散射结果的影响,并提出结合小角中子散射技术及高压压汞法进行全尺度孔径表征方法,进一步研究不同地区闭孔率及孔径分布特征。结果表明,垂直于样品层理取样切片所测的页岩孔隙度一般大于平行于页岩样品层理取样所测的页岩孔隙度;小角中子散射能测量孔径在1～100 nm左右的孔径分布特征,且结合压汞法能很好地进行全尺度孔径表征。所研究三个地区按样品闭孔率大小排序依次为：鄂尔多斯盆地长7段(L组及C67)、大港岐口凹陷沙三段(F39-0)、松辽盆地青山口组(Q1);三个地区孔径分布特征差异明显,以下降型和波浪形为主。小角中子散射技术结合高压压汞法进行全尺度孔径表征方法对研究孔隙结构具有借鉴意义。     

页岩微纳米孔隙多尺度渗流理论研究进展

基于近年来页岩孔隙中流动规律研究的大量文献调研成果,对较为经典的Beskok-Karniadakis理论、Javadpour模型、Civan模型和Swaim模型及各种改进模型进行了研究,重点分析了微纳米孔隙中滑脱流态和过渡流态的计算模型、修正公式及分配系数的设计方法。对于跨流态的流量计算,需要厘清各微观作用机理导致的壁面效应,避免流量的重复计算。采用表观渗透率来等效页岩的渗流能力能够综合体现页岩气藏中特有的流动机理,有效修正微纳米孔隙中不同流态的非达西渗流。如何建立既考虑宏观尺度的流动形态,又考虑孔隙微观作用机理的表观渗透率模型,成为页岩微纳米尺度流动理论的研究方向。     

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。     

页岩孔隙定性与定量方法的对比研究

孔隙度是表征含气页岩储层储集性能的重要参数。但是利用不同方法测量页岩孔隙度时,受测量机理、误差源及尺寸效应等的影响有可能使得测试结果不一致。为此,运用电镜扫描法、图像数字统计法、液体饱和法、压汞法(MIP)和核磁共振(NMR)等方法,通过对页岩样品孔隙度和孔隙结构的研究,对表征页岩孔隙的定性与定量方法进行了对比分析。结果表明:(1)光学显微镜得到的数值统计孔隙度与物理测定值接近,对页岩孔隙定性的同时具有定量的实际意义;(2)液体饱和法测量时页岩基质内产生水化损伤,孔隙度存在先升后降行为,得到的孔隙度比实际值偏大;(3)MIP无法检测2.98 nm以下或更小孔径的孔隙度信息,且使用破碎样品容易丢失页岩层理间隙孔,使孔隙度整体偏小,MIP的孔隙分布曲线可方便地半定性样品中的孔隙分布特征;(4)NMR能够实现页岩孔隙度的快速无损测量,但受到样品饱和度和仪器回波间隔设定的影响,所测孔隙度小于页岩实际孔隙值,NMR二维弛豫图谱是定性分析页岩孔隙流体的有效方法 ;(5)FIB-氩离子SEM为现有最高分辨精度的定性成像设备,氮气吸附法配合MIP可实现大范围内页岩孔隙的定量与半定性分析。结论认为:对室内页岩孔隙度的定量分析,较之于其他方法MIP最为方便快捷,可重复性好;利用高分辨率小孔喉识别设备建立纳米三维数字岩心技术,是进一步定性研究页岩微观储集及运移机理的有效手段。     

页岩多重孔隙水相自吸能力评价

体积压裂是有效动用页岩气的关键技术,而大规模的水基压裂液进入地层后的流动机理是研究热点之一。页岩具有多重孔隙特征,可划分为有机孔、脆性矿物孔、黏土矿物孔（简称黏土孔）。文中首先利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）对比分析了3类孔隙的尺寸大小和形态特征,利用接触角测试和混合润湿性模型分析了页岩的混合润湿性,进而利用岩石物理模型对页岩的多重孔隙进行了劈分计算;考虑页岩不同的自吸作用力（毛细管力、渗透压）、毛细管形态、多重孔隙劈分,建立了页岩多重孔隙水相自吸模型。分析结果表明：3类孔隙在尺寸、形态、润湿性、自吸作用力方面差异显著。自吸能力方面,黏土孔最强,其次为脆性矿物孔,最弱为有机孔;黏土孔又因黏土矿物类型不同差异明显。     

页岩油气资源分级评价标准探讨

研究页岩油气资源分级评价标准,以准确评价页岩油气资源潜力。对松辽、海拉尔、济阳等5个地区烃源岩层地球化学指标进行统计分析,利用烃源岩含油量与TOC关系的"三分性",按富集程度将页岩油气分为分散(无效)资源、低效资源和富集资源3级;有机质大量生油/气的成熟阶段对应富集页岩油/气窗,页岩油气资源级别按TOC值划分。结合页岩中脆性矿物的含量、页岩(层系)的厚度、埋深等,定义评价页岩油气可采性的可采性指数并建立其计算公式,以定量评价页岩油气的可采性。实际应用中,根据用TOC-测井响应相关性确定的井剖面上的TOC值变化,可以得到不同级别页岩的等厚图及分级页岩油气资源量;再结合分级标准,利用TOC等值线和Ro等值线的叠合,可识别有利的页岩油气区。     

页岩微观孔隙成因类型研究

运用场发射扫描电镜对黔北及黔西北地区黑色页岩微观孔隙的大小、形态、分布以及渗流特征进行 了观察与描述,并以孔隙成因与孔隙发育位置为主次分类依据,将页岩孔隙分为原生沉积型、成岩后生改 造型及混合成因型 3 个大类和粒间孔、晶内孔、古生物化石孔及有机质孔等 10 个亚类。 探讨了影响页岩 孔隙发育的主要因素及孔隙演化特征,对页岩储层的含气性研究具有一定的理论意义和实践价值。     

页岩孔隙结构扫描电镜分析方法研究

在页岩储层的研究之中,扫描电镜是主要的方法之一,利用该方法可以观测到页岩的不同结构。本文主要研究了页岩孔隙结构扫描电镜分析方法。     

利用分形研究页岩孔隙结构特征

对微观孔隙结构及储层非均质性的研究,国内外已有大量报道,提出了多种参数,如孔隙度、孔喉比、孔喉配位数等,用统计学方法给出孔隙结构分布的平均特性或分布趋势。为研究孔隙度与渗透率、含油气饱和度及采收率之间的关系,提出了描述孔渗分布非均匀性的参数,如孔渗参数的变异系数,但这些参数仍有一定的局限性。如相同孔隙度但不同孔隙结构的地层,渗透率表现出巨大差异,从而影响油气充注,造成不同的含油气性。对储层孔隙结构的非均质性研究,大多采用薄片及压汞等经典微观结构研究方法,而对复杂孔隙结构及尖灭等突变特征用经典的欧氏几何学微观方法已难以适用。     

基于流体吸入实验的页岩纳米孔隙连通性分析方法

提出了基于含示踪剂流体吸入实验的页岩连通性分析方法。通过真空吸入的方式使氯金酸钠溶液进入页岩孔隙中,并使之转化为固态金,将完成实验后的样品表面进行氩离子抛光处理,并在场发射扫描电镜下观察金的分布,可以获得页岩中连通孔隙在纳米尺度上的特征。根据四川盆地上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组2个岩心样品的实验结果,认为其连通网络可分为三级系统。有机质内部孔隙连通性与孔隙发育程度有关,喉道半径小,流动效率不高。粒缘缝主要分布在颗粒矿物边缘、有机质与矿物之间以及片状黏土矿物边缘,是流体流动的有利通道,有机质孔通过粒缘缝相互连通。微裂缝的发育能够很好地改善页岩孔隙的连通性,是流体流动的优势通道。页岩连通性具有各向异性,页岩孔隙在平行层理方向的连通性大大优于垂直层理方向。     

基于分形理论的页岩纳米孔隙粒度效应探究

为了研究低温液氮吸附实验中样品粒径对页岩孔隙结构特征的影响,文中以贵州南部三都水族自治县北部的牛蹄塘组页岩为例,通过物理破碎获得不同粒径的页岩样品,分别对破碎后6组不同粒径的页岩样品开展了常规物性实验,并将破碎筛分后的样品进行了扫描电镜观测实验,同时基于分形维数理论,探索破碎筛分后纳米孔隙的粒度效应及分维特征,并从微观孔隙变化特征揭示了孔隙影响机理。结果表明：破碎筛分后的样品中,粒径小于74μm的样品孔隙体积与其余粒径的样品相差很大,并且孔径达到14.359 nm,表明过度的破碎筛分会使实验结果产生误差;粒径96～120μm的样品孔隙体积比120～150μm的大,表明页岩在研磨破碎过程中,部分封闭的有机质孔可能会变为开放孔,同时也可能会在有机质中形成一些新的人工微裂缝,进而增加页岩的孔隙体积。综合实验数据的可靠性及时效性等因素,建议采用120～180μm的样品来开展研究区页岩的孔径参数分析测试实验。