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。     

构造煤孔隙结构对煤层气产气特征的影响

采用压汞实验和低温液氮吸附实验分析了构造煤的孔隙结构特征,结合地面煤层气抽采试验,探讨了孔隙对煤层气产气特征的影响。论文将煤中孔隙划分为4种类型:吸附孔隙(孔径小于10nm)、游离孔隙(孔径10~100nm)、扩散孔隙(孔径100~1 000nm)和渗流孔隙(孔径大于1 000nm)。研究发现构造煤孔隙系统呈"两极化"分布,即吸附孔隙、游离孔隙、渗流孔隙居多,扩散孔隙少;孔隙类型主要以圆筒形孔、墨水瓶形孔和狭缝平板形为主。构造煤的孔隙系统决定了煤中气体储集量大、但产出运移通道不畅,由此导致地面煤层气井排采过程中的波动产气特征。     

中国南方海相页岩孔隙结构特征

我国南方古生界页岩成熟度高,页岩储层孔隙、裂隙类型多样,微米—纳米级孔隙发育。正确认识页岩孔隙特征是研究上述地区页岩气赋存状态,储层性质与流体间相互作用,页岩吸附性、渗透性、孔隙性和气体运移等的基础。为此,采用观察描述和物理测试两类方法对南方海相页岩孔隙特征进行了研究:前者通过手标本、光学显微镜、扫描电镜、核磁共振光谱学法、小角度X射线散射法等手段直观描述页岩孔隙的几何形态、连通性和充填情况,统计孔隙优势方向和密度,拍摄照片等,以确定页岩成因类型;后者通过He孔隙率测定、压汞实验、低温液氮吸附、低温CO2吸附等方法定量测试页岩孔容、孔径大小及其分布、孔隙结构、比表面积等,以评价页岩含气性。结果表明:该区古生界页岩储层中纳米级孔隙以干酪根纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主,喉道呈席状、弯曲片状,孔隙直径介于10～1 000nm,主体范围为30～100nm,纳米级孔隙是致密储层连通性储集空间的主体;按孔径大小,将页岩储集空间分为5种类型:裂隙(孔径大于10 000nm)、大孔(孔径介于1 000～10 000nm)、中孔(孔径介于100～1 000nm)、过渡孔(孔径介于10～100nm)、微孔(孔径小于10nm)。     

腐泥煤孔隙结构特征研究

采用压汞测试、低温氮吸附实验方法开展了腐泥煤孔隙特征研究。根据压汞数据分析了不同成熟度腐泥煤的孔隙结构发育情况,揭示了随成熟度增高腐泥煤孔隙结构的变化规律。发现在无烟煤阶段之前,腐泥煤的孔隙结构以微孔、小孔居多;至无烟煤阶段,微孔、小孔比例降低,大孔、中孔含量增加。与同煤阶腐殖煤相比,腐泥煤整体孔隙度较低,且孔径偏小,大孔不太发育。低温氮吸附实验显示,腐泥煤中孔径3.6nm和1.5nm的2种孔隙特别发育,呈现明显峰值,其他孔径孔隙分布较少;液氮吸附滞后回环分析表明,腐泥煤的微孔、小孔形态多样,主要为一端封闭的不透气孔、墨水瓶型孔、平行板状狭缝孔、倾斜板状狭缝孔。上述腐泥煤孔隙结构特征研究成果,对于同样以腐泥型有机质为主的页岩气储层孔隙结构研究具有重要参考价值。     

高压压汞法结合分形理论分析页岩孔隙结构

在页岩气勘探开发中,储层微观孔隙结构评价具有重要的意义。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隙半径主要分布在3~50 nm的中孔范围内,其中3~15 nm的孔隙占80%以上,该部分孔隙提供了大部分孔体积。研究岩样中孔的分形维数分析结果表明:页岩岩样中孔的分形分布可明显地分为2段,孔隙半径大于15 nm的孔隙分形维数接近3,说明该部分孔隙非均质性强,孔隙结构分布不均匀;孔隙半径小于15 nm的孔隙分形维数相对较小,该部分孔隙分布较为均匀。高压压汞曲线仅可对中孔和大孔进行分析描述,由于进汞压力大可能导致岩样遭到破坏,不宜利用高压压汞曲线对孔隙半径小于2 nm的微孔进行分析。     

川南地区二叠系龙潭组页岩微观孔隙特征及其影响因素

为了评价海陆过渡相煤系页岩气储层性质,采用扫描电镜、高压压汞、低温液氮和CO2吸附等实验方法,对川南地区二叠系龙潭组页岩微观孔隙的发育情况、结构特征进行研究,并分析龙潭组页岩孔隙发育的主要影响因素。结果表明:川南地区龙潭组页岩储集空间多样,常见粒间孔、溶蚀孔和有机质孔,孔隙形态以圆形、椭圆形、三角形、不规则状为主,这些微观孔隙为页岩气赋存提供储集空间。龙潭组页岩纳米级孔隙以微孔和介孔为主,占孔隙总体积的56.2%,占总比表面积的80%以上,是页岩气赋存的主要载体;孔容与比表面积呈正相关性,其中介孔(BJH)孔容、微孔(DFT)孔容与比表面积线性关系拟合较好;页岩孔隙结构类型主要以平板狭缝型、柱形和混合型为主,孔径主要分布于0.2~1nm、3~30nm之间,平均为4.66nm。龙潭组页岩气储层孔隙发育受页岩的有机碳含量和成熟度影响较大,孔隙度和孔容随有机碳含量增大而增大,并与成熟度有密切关系;黏土矿物一定程度上利于储层孔隙发育,与页岩总孔容呈正相关性,脆性矿物则相反。     

澳大利亚E盆地Toolebuc组页岩微观孔隙结构特征

为了研究Toolebuc组页岩微观孔隙结构特征,应用有机地球化学、X-射线衍射对页岩矿物组分进行了测定,并通过氩离子抛光扫描电镜、液氮吸附及高压压汞等实验手段对页岩孔隙类型及孔隙结构进行了深入的分析。结果表明:Toolebuc组页岩为高丰度海相页岩,脆性矿物含量约为55%,具有一定的可压裂性;页岩平均孔隙度为15%,渗透率主要分布在(0.002~0.116)×10-3μm2之间;孔隙类型包括黏土矿物粒间孔、岩石骨架颗粒粒间孔、有机质孔隙、生物化石孔、有机酸溶孔及微裂缝6种类型,其中黏土矿物粒间孔、岩石骨架颗粒粒间孔最为发育;页岩孔径分布复杂,以中孔为主,其次为大孔和微孔;大孔及中孔提供了大部分孔体积,有利于游离气的聚集,中孔及微孔比表面积所占的比例最高,有利于吸附气的保存;页岩孔隙类型及分布受成岩演化及热演化的控制作用明显。     

鄂西黄陵背斜南翼下寒武统水井沱组页岩孔隙结构与吸附能力

以鄂西黄陵背斜南翼秭地2井下寒武统水井沱组海相富有机质页岩为研究对象，在水井沱组一段和二段选取代表性页岩样品，利用CO₂和N₂物理吸附、高压压汞、氩离子抛光-场发射扫描电镜（FE-SEM）等多尺度孔隙结构测试技术和观察手段以及有机质孔统计分析方法，结合甲烷等温吸附实验以及其他测试手段，描述了页岩地球化学、矿物组成和岩相特征，研究了页岩孔隙类型、孔隙形态、孔径分布和比表面积等孔隙结构参数，分析了页岩甲烷吸附能力，讨论了页岩孔隙发育和孔隙结构的影响因素。研究表明：秭地2井水井沱组一段和二段富有机质黑色页岩成熟度R_o约为2.5%，页岩岩相主要有硅质页岩、混合质页岩和黏土质页岩；页岩有机质孔隙形状多样、边界不规则，孔径偏小，大多孔径<50 nm；无机质孔/缝丰富，成因类型多，孔隙形状多变；页岩微孔（孔径为0.3~2.0 nm）中的有机质微孔十分发育，孔径在2~5 nm介孔中的有机质介孔占有较大比例；孔径>5 nm的介孔+宏孔中的无机质孔隙占优势；页岩比表面积大、对甲烷的吸附能力强；硅质页岩的孔隙结构和吸附能力相对较好；页岩有机碳含量、碳酸盐矿物和黏土矿物含量以及页岩岩相等因素对页岩孔隙发育和孔隙结构有重要影响。     

鄂西黄陵背斜南翼下寒武统水井沱组页岩孔隙结构与吸附能力

以鄂西黄陵背斜南翼秭地2井下寒武统水井沱组海相富有机质页岩为研究对象，在水井沱组一段和二段选取代表性页岩样品，利用CO₂和N₂物理吸附、高压压汞、氩离子抛光-场发射扫描电镜（FE-SEM）等多尺度孔隙结构测试技术和观察手段以及有机质孔统计分析方法，结合甲烷等温吸附实验以及其他测试手段，描述了页岩地球化学、矿物组成和岩相特征，研究了页岩孔隙类型、孔隙形态、孔径分布和比表面积等孔隙结构参数，分析了页岩甲烷吸附能力，讨论了页岩孔隙发育和孔隙结构的影响因素。研究表明：秭地2井水井沱组一段和二段富有机质黑色页岩成熟度R_o约为2.5%，页岩岩相主要有硅质页岩、混合质页岩和黏土质页岩；页岩有机质孔隙形状多样、边界不规则，孔径偏小，大多孔径<50 nm；无机质孔/缝丰富，成因类型多，孔隙形状多变；页岩微孔（孔径为0.3~2.0 nm）中的有机质微孔十分发育，孔径在2~5 nm介孔中的有机质介孔占有较大比例；孔径>5 nm的介孔+宏孔中的无机质孔隙占优势；页岩比表面积大、对甲烷的吸附能力强；硅质页岩的孔隙结构和吸附能力相对较好；页岩有机碳含量、碳酸盐矿物和黏土矿物含量以及页岩岩相等因素对页岩孔隙发育和孔隙结构有重要影响。     

川东南彭水地区龙马溪组页岩孔隙结构特征

以单井分析评价为基础,运用氩离子抛光—扫描电镜对川东南彭水地区龙马溪组页岩的孔隙类型进行研究,将研究区层段页岩孔隙分为六大类(包括微裂缝、粒间孔、晶间孔、粒内孔、有机质孔隙和生物化石内孔隙);孔径大小及分布用液氮吸附法及高压压汞法测定,并对两种方法测得的孔径分布结果进行归一化,得到了目的层段页岩孔径的连续分布情况:2~10nm范围内的介孔最为发育。对脆性矿物含量、黏土矿物含量、有机质丰度和类型、成岩作用以及保存条件等5类影响研究区龙马溪组页岩孔隙结构的因素进行了探讨,分析结果显示有机质丰度为彭水地区龙马溪组页岩孔隙结构的主导内在因素。     

Enhancing Oil Production by Helical Hydraulic Sand-Blasting

The helical hydraulic sand-blasting slotting technology is a new development of the traditional hydraulic sand-blasting slotting technology. The original nozzle gun movement control system was replaced with a helical slid rail, and thus the application was extended to directional and horizontal wells. Experiments were conducted to study the feasibility abrasive water jet slotting sand prevention tubes. The effects of slotting were compared before and after the slotting implementation for 10 wells, five production wells, and injection wells, respectively. The results show that: (1) To succeed at sand prevention tubes slotting, nozzle movement must be smooth and very slow to avoid discontinuous, isolated holes; (2) At 30 MPa or higher, the slotting technology could generate slots of 700-1,000 mm deep; and (3) Besides the benefits of enlarging the oil and gas seepage area, the slotting technology could increase the reservoir formation permeability reasonably.     

Enhancing Oil Production by Helical Hydraulic Sand-Blasting

Abstract

The helical hydraulic sand-blasting slotting technology is a new development of the traditional hydraulic sand-blasting slotting technology. The original nozzle gun movement control system was replaced with a helical slid rail, and thus the application was extended to directional and horizontal wells. Experiments were conducted to study the feasibility abrasive water jet slotting sand prevention tubes. The effects of slotting were compared before and after the slotting implementation for 10 wells, five production wells, and injection wells, respectively. The results show that: (1) To succeed at sand prevention tubes slotting, nozzle movement must be smooth and very slow to avoid discontinuous, isolated holes; (2) At 30 MPa or higher, the slotting technology could generate slots of 700–1,000 mm deep; and (3) Besides the benefits of enlarging the oil and gas seepage area, the slotting technology could increase the reservoir formation permeability reasonably.     

利用核磁共振技术评价煤层吸附能力

为研究煤层吸附能力,选取鄂尔多斯盆地神府区块煤岩样品,开展等温吸附、核磁共振和低温液氮吸附联合实验。核磁共振T2谱和低温液氮吸附实验都可以有效地反映煤岩的孔隙分布,利用两者之间的相关性,将核磁共振T2谱转化为孔隙分布图谱;在此基础上,利用核磁共振T2谱计算小于10nm的微孔隙体积,研究与等温吸附参数的相关关系;进一步将微孔隙体积转换为标准状况下体积,与煤岩样解析出的气体量对比分析。研究结果显示,该方法对煤层吸附能力具有良好的评价效果。     

碎软煤层条件下大孔径钻孔围岩损伤规律研究

利用Comsol Multiphysics软件构建了中兴煤矿井下3205工作面运输顺槽施工300 mm大直径钻孔的三维数值模型,根据中兴煤矿的实际条件对模型设置了相应的垂直地应力15 MPa,对钻孔周围煤体的损伤变化过程进行了数值模拟。结果表明:在垂直地应力达到15 MPa的条件下,钻孔周围煤体的弹性模量降低的影响范围在水平方向约为200~300 mm,垂直方向约为50~100 mm;钻孔周围煤体的损伤破坏区域增大为钻孔面积的5.434倍;钻孔周围煤体的损伤破坏区域内累计声发射数量达到了2753个;钻孔周围煤体的损伤破坏区域内的瓦斯渗透率明显增大,对比初始渗透率升高了7644倍。可见大直径钻孔对煤体的损伤效果明显,瓦斯渗透性增强,将能够有效提高瓦斯抽采效果。     

致密砂岩气藏开发传质过程的时间尺度研究

致密砂岩储层在空间上具有强烈的尺度性,包括致密基块孔喉尺度、天然裂缝尺度、水力缝尺度以及宏观气井尺度,这种多尺度结构对气藏流体在储层空间分布和流动中起控制作用。致密砂岩气藏开发传质过程包括基块孔喉尺度的解吸、扩散和渗流,还有天然裂缝和水力裂缝尺度的渗流。气体在不同空间尺度中的流动具有时间效应,在裂缝中流动较快,在孔隙和喉道中流动较慢,而微孔中的扩散更慢,且易受外界环境变化的影响。基于4种尺度下气体的传质过程,推导了各个尺度下不同传质过程的特征时间计算公式,得到了对应空间尺度下的时间尺度范围,结果表明,基块中的扩散和渗流过程在时间尺度上分别为101~1010s和100~106s,而天然裂缝和人工裂缝中在时间尺度上为10-2~101s。指出致密砂岩气藏开发要注意储层保护与改造并举,采用特殊结构井、多层合采井和钻加密井等技术。     

构造煤的孔隙结构及对瓦斯吸附性实验研究

The pore structure and gas adsorption property of deformed coal with different degrees of metamorphism weretested by low-temperature nitrogen adsorption and isothermal adsorption experiments. The fractal theory and the Langmuiradsorption theory were used to analyze the experimental data. The test results showed that the deformed coal had more heterogeneouspore structures and open pores, and its specific surface area （SSA） and fractal dimension （D） were higher. Thereis a polynomial relationship between D and specific surface area as well as gas adsorption capacity （VL）. The gas adsorptioncapacity of deformed coal is influenced by pore structure, coal rank, deformation and stress together, among which the porestructure is the main influencing factor for the adsorption capacity of deformed coal. The test pressure could affect the accuracyof the adsorption constants a and b, so the highest experiment pressure should be greater than the actual pressure ofcoal seam in order to reduce the deviation of adsorption constants.     

压裂液对煤岩气藏渗流性能的影响

水力压裂是实现煤岩气藏工业开采的主要增产措施,但煤岩气藏压裂过程中压裂液滤失严重、返排率低,将直接影响排水采气过程中地层水以及煤层气的渗流性能。为此,选用沁水盆地上石炭统—下二叠统太原组15号煤为研究对象,开展了低伤害活性水压裂液对煤岩气藏渗流性能的损害评价实验,并结合红外光谱和扫描电镜等微观分析手段对比了压裂液作用前后的煤岩表面特征和孔隙结构特征,进而深入分析了压裂液影响煤岩气藏渗流性能的微观机理。结果表明:无论宏观裂隙煤样还是显微裂隙煤样,气体渗透率损害率均明显大于液体渗透率损害率且宏观裂隙煤样渗流性能损害程度略大于显微裂隙煤样;压裂液作用后煤岩表面游离态羟基和羧基官能团增多,亲水性增加,压裂液吸附滞留现象严重,煤岩孔径及裂缝宽度变小,从微观角度揭示了煤岩气藏渗流性能下降的原因。该研究成果可为煤岩气藏压裂液配方优化和产能预测提供基础参数。     

生物产气对煤层气可采性指标的影响

煤层气开发受多种因素的影响,为了研究生物甲烷代谢对煤层气开采指标的影响,选择不同煤阶的煤样进行了生物代谢模拟实验。通过生物产气数据、代谢前后煤样等温吸附和孔隙结构等参数测试,计算煤层气的采收率、含气饱和度、临储比等开采性指标并分析其变化规律。结果表明:1煤层生物产气能提高煤层气资源量,但随着煤变质程度的增加,生物产气量逐渐下降,同时煤的亲甲烷能力也降低;2生物产气对煤储层孔隙结构有明显的改善,其大孔数量和总孔容两个指标显著增加,从而提高了煤储层的孔渗性;3生物产气后煤储层的临界解吸压力、含气饱和度与采收率等开采指标也都有不同程度的提高,河南义马千秋矿和山西柳林沙曲矿煤样的含气饱和度提高的幅度较大,山西西山官地矿煤样的变化幅度次之,但总体的变化趋势具有一致性。结论认为,煤层生物产气不但能增加煤层气资源量,而且还有助于提高煤层的可采性。该研究成果可以为我国煤层气生物工程现场实施提供参考。     

考虑微孔超压环境的煤储层含气量计算方法

目前在煤储层含气量的计算过程中,普遍采用测井、试井等得到的储层压力代替气相压力进行反演计算,但由于超压环境下二者不能等同,故导致这一计算结果并不准确。为此,采集山西、河南不同煤级的煤样进行了煤孔隙毛细管压力测试,结合煤层气成藏过程和煤层生排烃史分析了煤储层微孔超压环境的形成机制,据此建立了考虑微孔超压环境的煤储层含气量计算方法,并对河南焦作中马村矿下二叠统山西组二段1号煤层的含气量进行了计算及分析。结果表明:1煤形成演化过程中不断有部分固体有机质转化为气体和水,在其孔隙内必然会出现气水两相界面,由此产生毛细管压力,致使其微孔内气相压力远高于静水柱压力,形成微孔超压赋存环境;2由于微孔超压环境的存在,致使气相压力高于储层压力,基于常规储层压力评价煤储层含气量的计算方法将导致煤储层含气量被低估;3微孔超压环境主要影响3~100 nm孔隙内煤层气含气量的计算,尤其是3~10 nm孔隙,而对于超过100 nm的孔隙则影响不大。结论认为:所建立的煤储层含气量计算方法厘清了煤层气赋存的压力环境,保证了煤储层含气量计算结果的准确性。