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。     

海拉尔盆地褐煤液氮吸附孔的孔隙结构及分形特征

采用分形维数计算方法可以对煤的孔隙结构进行精确的定量描述。为了表征海拉尔盆地褐煤吸附孔的孔隙结构,基于液氮吸附实验、扫描电镜等手段,对研究区煤储层的吸附孔孔隙结构进行了分析,并利用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型计算了煤样吸附孔分形维数,讨论了最大镜质体反射率(R_(o,max))及分形维数与煤质、孔隙比表面积、总孔体积等之间的关系。研究结果表明:①研究区煤样吸附、脱附曲线可以分为A、B、C共3种类型;②A型孔隙形态为开放型的平板孔及圆筒孔,煤样具有较大的比表面积、总孔体积和较小的平均孔径;③B型孔隙形态为开放型的平板孔及楔形孔,煤样具有较小的比表面积、总孔体积和较大的平均孔径;④C型孔隙形态为一端封闭的平行板状孔及楔形孔,煤样具有较小的比表面积和较大的总孔体积、平均孔径;⑤煤孔隙表面分形维数(D1)与水分含量无关,与灰分产率呈正相关,与固定碳含量呈"U"字形关系,与R_(o,max)呈倒"U"字形关系;⑥孔隙结构分形维数(D2)与水分含量呈负相关,与灰分产率呈正相关,与固定碳含量呈"U"字形关系,与R_(o,max)无关。     

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。     

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。     

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。     

呼和湖凹陷煤储层孔隙特征及其对吸附能力的影响

综合应用扫描电镜、低温氮吸附及等温吸附实验方法,对呼和湖凹陷南部煤储层的孔隙类型及孔隙结构进行识别和分析,基于分形理论探讨分形维数与孔隙结构和吸附能力之间的关系.研究结果表明：随着煤岩变形程度的增加,煤中植物组织孔大部分被破坏,裂缝的类型和数量逐渐增多,改善了煤储层的渗流能力.呼和湖凹陷煤储层的低温氮吸附曲线表现为3种类型,分别代表不同的表面性质和孔隙分布特征,墨水瓶孔是影响吸附能力的主控因素.斜坡带的煤岩分形维数高于洼槽区,这是由于煤岩变形程度高,孔隙结构发生重组,微孔含量占主导地位,使得比表面积增大,孔隙表面粗糙度增加,为甲烷提供更多的吸附空间,增强了煤岩吸附能力.因此,斜坡带无论孔隙类型、裂缝发育程度还是煤层吸附能力都更具优势,应作为大庆探区今后煤层气勘探的重点突破区.     

大庆探区煤岩孔隙结构特征及其地质意义

采用扫描电镜、低温氮吸附实验相结合的方法,对大庆探区重点含煤盆地煤岩孔隙类型进行识别,探讨不同变形程度下煤岩分形维数与孔隙结构、气体吸附能力和构造位置之间的关系。研究表明:原生结构煤中孔隙以植物组织孔为主,孔隙相对独立;构造煤中孔隙以气孔和溶蚀孔为主。随着变形程度的增加,开启裂缝大量出现,增加了孔隙之间的连通性,提高了煤岩孔隙的渗流能力。将大庆探区煤岩低温氮吸附曲线划分为3种类型,其中大量"墨水瓶"状孔的出现是造成煤岩吸附能力差异的主要原因。构造煤的分形维数较原生结构煤高,褶皱发育区的煤分形维数最大,煤岩变形程度较强,微孔含量增加,孔径变小,比表面积以数量级增大,孔表面粗糙度增加,为甲烷分子提供了更多的赋存空间,增强了煤岩的吸附能力。褶皱发育区在今后煤层气勘探中应给予足够的重视。     

低阶煤储层微观孔隙结构的分形模型评价

以准噶尔盆地南缘低阶煤储层为研究对象,在压汞实验基础上,应用3种分形理论模型,对低阶煤储层孔隙结构的非均质性进行了定量表征和对比研究。3种理论模型的分形维数D与D_m、D_s之间没有明显的相关性,且与煤岩储层的孔隙连通性之间相关性也较小。但随着经典几何学模型的分形维数D_m增大,热力学模型的分形维数D_s有增加的趋势,且随着D_m与D_s的增加,其煤岩储层微小孔的连通性也明显优于中大孔。不同分形模型的分形维数对低阶煤储层的地质意义不同,多孔介质分形模型的分形维数(D)主要表征低阶煤储层大尺度孔隙对于孔隙体积变化的影响,但没有揭示分形维数与煤储层物性的变化规律;经典几何学分形模型的分形维数(D_m)主要表征低阶煤储层孔隙空间变化的特征,煤储层的孔容随着分形维数(D_m)的增加而减小;热力学分形模型的分形维数(D_s)则主要表征低阶煤储层孔隙表面的粗糙程度,随着分形维数(D_s)增加,孔隙表面张力增大,孔隙表面的粗糙程度也就越大。低阶煤储层的孔隙度与渗透率都较低,连通性相对较好的微小孔增加连通孔隙的体积,根据不同分形模型的分形维数所反映的地质意义,可以按照不同渗透率范围,用不同的分形模型来表征低阶煤储层渗透率的变化规律,为低阶煤的煤层气开采与有效渗透率的预测提供地质依据。     

低中煤阶构造煤的纳米级孔隙分形特征及瓦斯地质意义

利用低温液氮吸附实验,研究不同类型构造煤的孔隙结构和分形特征。研究表明:低中煤级构造煤的低温液氮吸附回线分为Ⅰ—Ⅲ类,Ⅰ类为碎裂煤孔隙,主要由一端开口及两端开口的圆筒形孔构成;Ⅱ类为片状煤和鳞片煤孔隙,主要由两端开口的圆筒形孔构成,含少量墨水瓶形孔和狭缝平板形孔;Ⅲ类为揉皱煤孔隙,主要由墨水瓶形孔和狭缝平板形孔构成。从原生结构煤到揉皱煤,大孔(50nm)比表面积逐渐降低,介孔(2~50nm)比表面积变化不大,微孔(2nm)比表面积逐渐增加,中值孔径逐渐减小;纳米孔孔隙结构分形维数逐渐增大,孔隙系统渐趋复杂,吸附能力增强。分形维数可以有效表征构造煤变形强度及其孔隙非均质性,分形维数较高(D2.9)的揉皱煤,构造变形强,孔隙形态复杂,比表面积大;分形维数较低(2.6D2.9)的构造煤,如碎裂煤、片状煤等,构造变形相对较弱,孔隙形态单一。综合孔隙特征研究结果,对揉皱煤等构造煤发育区煤与瓦斯突出机制进行了探讨。     

基于同步辐射装置定量表征煤孔隙结构非均质性和各向异性

为了定量表征煤孔隙结构非均质性和各向异性,利用同步辐射SAXS(小角X射线散射)获得两种不同变质程度煤样的SAXS图像,通过图像数据处理,得到表面分形(D1)和孔分形(D2),由孔分形(D2)定量表征两种煤样孔隙结构的非均质性,忻州窑煤的孔分形维数为2.74,唐山煤的孔分形维数为1.69,表明忻州窑煤的孔隙结构非均质性要比唐山煤强。利用同步辐射nano-CT(纳米CT)获得煤的三维孔隙结构成像,选取煤样兴趣区域(ROI)并分成一定数量的子块,通过计算子块孔隙度的相对标准偏差的极值来定量表征孔隙结构的非均质性,忻州窑煤的孔隙结构非均质性值为3.21,唐山煤的孔隙结构非均质性值为2.71,表明忻州窑煤的孔隙结构非均质性同样强于唐山煤,即同步辐射SAXS和同步辐射nano-CT获得的孔隙结构非均质性一致。考虑到孔隙结构各向异性和渗流能力各向异性之间的对应关系,孔隙结构各向异性的定量表征通过运用LBM(格子Boltzmann方法)方法计算孔隙结构的渗透率张量来实现,应用渗透率张量特征值和特征向量来表征孔隙结构的各向异性,该方法得到的孔隙结构各向异性得到三维孔隙结构几何形貌的验证。图11表1参48     

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。     

湖相、海相泥页岩孔隙分形特征对比

在松辽盆地湖相泥页岩低温氮气吸附实验的基础上,利用 FHH 模型探讨了湖相泥页岩纳米级孔 隙结构分形维数与比表面积、平均孔径及 TOC 含量的关系,进一步对比了湖相与海相泥页岩孔隙分形 维数特征。 结果表明：①湖相、海相泥页岩纳米级孔隙均具有明显的分形特征,且大孔隙（孔径为 5～ 100 nm）结构复杂,其分形维数高于小孔隙（孔径小于 5 nm）。 ②湖相泥页岩纳米级孔隙结构相对简单, 分形维数小于海相泥页岩。 ③分形维数与 TOC 含量呈正相关关系,湖相泥页岩有机质丰度对分形维数 影响较小。 ④湖相泥页岩分形维数 D1 与平均孔径具有明显的线性关系,表明 D1 可以反映湖相泥页岩 孔隙结构特征;海相泥页岩分形维数 D2 与孔隙比表面积具有明显的指数关系,表明 D2 可以反映海相 泥页岩孔隙比表面积特征。     

煤层气储层孔隙结构分形特征定量研究

与常规天然气储层相比,煤层气储层具有更复杂的孔隙结构。根据分形理论,推导了一种利用毛管压力曲线,采用导数法计算煤层孔隙分形维数的方法,并且对计算过程中的分段性进行了讨论。根据沁水盆地煤样的实测毛管压力曲线计算储层的分形维数,并对分形维数的影响因素进行了分析,发现不同煤阶的煤层样品具有不同的孔隙类型,分形维数有明显区别。     

三维粗糙裂缝网络钻井液漏失流固耦合模型研究

针对现有三维裂缝性地层钻井液漏失模型未考虑粗糙裂缝网络对钻井液漏速影响的情况,建立了三维椭圆裂缝粗糙表面形貌方程,采用分形维数、高度幅值和粗糙峰叠加数量3个参数表征粗糙裂缝;建立了三维裂缝性地层钻井液漏失流固耦合力学模型,修正了粗糙裂缝中流体流动的立方定律,研究了漏失过程中储层压力和裂缝开度的变化规律。实例计算表明,分形维数和高度幅值与钻井液漏失量呈正相关关系;粗糙峰叠加数量与裂缝的平均开度、钻井液漏失量呈负相关关系,裂缝的最大开度与钻井液漏失量有显著的正相关关系。选择堵漏材料粒径时需要充分考虑裂缝表面粗糙度的影响,堵漏材料应重点在开度较大处架桥。研究成果为进一步认识钻井液在裂缝性地层的漏失规律和裂缝开度反演提供了理论基础。     

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。     

CO2-水作用下页岩微观孔隙结构变化特征

为明确注CO₂提高页岩气开采过程中CO₂与水作用后对页岩微观孔隙结构的影响，采用X射线衍射、低温N₂吸附和低场核磁共振等实验方法，研究了原始页岩及纯盐水、注入压力为6和12 MPa的CO₂水溶液浸泡后页岩的矿物组成、孔径分布和微观孔隙结构变化特征，并结合分形理论，获取了孔表面和孔体积的分形特征，明确了页岩中吸附孔隙和渗流孔隙的变化特征。结果表明：CO₂水溶液浸泡后，页岩中石英含量增大，黏土矿物和碳酸盐含量降低；随着CO₂注入压力的增加，微孔比表面积和总比表面积减小，平均孔径、核磁孔隙度和大孔孔体积比例增大，表明在CO₂水溶液的溶解作用下微孔和介孔逐渐向大孔转化；低温N2吸附和核磁共振(NMR)获得的分形维数均随CO₂注入压力的增加逐渐降低，表明页岩在CO₂水溶液浸泡后孔隙结构的非均质性和复杂性降低；孔表面分形维数DL1、DN1和孔体积分形维数DL2、DN2与总比表面积和总孔质量体积呈正相关性...     

分形几何在储层微观非均质性研究中的应用

储层岩石的孔隙结构是一种分形结构,采用MIFA法对陈2区块的储层孔隙结构的分形维数进行研究,结果表明分维数越大,孔隙表面越粗糙,大小分布不均匀,阻碍流体流动的阻力就越大,储集性能越差。     

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。     

页岩微观孔隙演化及分形特征研究

以美国印第安纳州伊利诺伊盆地的New Albany页岩(热成熟度R_O值范围为0.35%~1.41%)为研究对象,分别采用氮气吸附法和二氧化碳吸附法表征页岩纳米孔隙结构特点,研究了页岩微观孔隙随热成熟度、总有机碳含量(TOC)及无机矿物组分的演化特征,并探索了页岩孔隙分形特征的热演化规律及其与孔隙结构参数的相关关系。结果表明,随着热成熟度的升高,页岩孔容呈现非单调演化趋势,推测其与有机质的初次和二次裂解密切相关。Frenkel-Halsey-Hill(FHH)方法和热力学模型计算获得的页岩样品的孔隙分形维数在2.47~2.61之间,表明了页岩孔隙具有明显的分形特征。研究还发现,生油窗内成熟页岩样品的孔隙分形维数与其孔容显著正相关,而与孔径显著负相关,暗示孔隙分形维数与页岩气体吸附能力密切相关。更高的分形维数使得孔隙结构趋于复杂,并有利于气体吸附存储。因此,页岩孔隙分形维数可作为定量表征孔隙结构非均质性、评价页岩气体吸附存储能力的重要参数之一。     

三塘湖盆地哈尔加乌组火山岩储集层孔隙特征及成因

低温氮气吸附实验是研究致密储集层微观结构特征的重要手段之一,目前在碎屑岩致密储集层研究中取得了较好的效果。应用低温氮气吸附实验,研究三塘湖盆地石炭系火山岩致密储集层纳米级孔隙的成因。实验分析表明：三塘湖盆地上石炭统哈尔加乌组火山岩低温氮气吸附等曲线以墨水瓶形为主,随着深度增加,样品的平均孔径逐渐减小,总孔体积逐渐增大,样品比表面积逐渐增大,表征孔隙表面粗糙程度的分形维数也增大。结合场发射扫描电镜分析表明,三塘湖盆地哈尔加乌组火山岩致密储集层的微观孔隙结构形态与溶蚀作用有关,储集层埋藏越深,介于火山岩内部的烃源岩生成的有机酸越多,溶蚀作用就越强烈,长石等不稳定矿物溶蚀以后,形成新的矿物在喉道沉淀,一方面增加储集层的微观孔隙体积,另一方面降低了储集层渗透率。