基于高压压汞法的泥页岩储层分形研究——以松辽盆地青山口组湖相泥岩为例

基于高压压汞数据,以松辽盆地青山口组湖相泥岩为例,首次利用分形理论研究泥页岩孔隙结构分形特征.根据毛管压力曲线和J函数曲线的分形几何公式获得泥页岩过渡孔(10~100 nm)分形维数.过渡孔分形维数与泥页岩组成、结构(有机地球化学参数TOC、S1、S2,孔隙结构)之间关系分析表明:过渡孔分形维数随TOC含量增加而呈现先降低后趋于平缓的趋势;中值孔径相比较平均孔径、最可几孔径,与过渡孔分形维数相关性最强;黏土矿物中不同组分对孔隙的影响不同,从而泥页岩过渡孔分形维数与黏土矿物含量相关关系均较差;石英受自身脆性、溶蚀作用及次生加大等作用的影响,与过渡孔分形维数相关性较差;过渡孔孔隙结构越复杂,非均质性越差,汞越容易滞留其中,退汞效率越低.     

渝东南下志留统龙马溪组不同岩相页岩的孔隙结构与分形特征

下志留统龙马溪组是中国重要的页岩气勘探开发层位.其中页岩气主要产自下部含黏土硅质海相页岩.为探究渝东南地区各井段勘探效果差异性,压裂段产气不均等问题,以YC-6井为例,通过矿物组分将页岩样品划分为含硅黏土质页岩和含黏土硅质页岩,结合有机碳含量(total organic carbon,TOC)测试,镜质体反射率测试,X射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD),低压氮气吸附及高压压汞(mercury intrusion capillary pressure,MICP)实验,分析了YC-6井龙马溪组两种不同岩相页岩的孔隙结构特征.并基于Frenkel-Halsey-Hill(FHH)模型计算了不同岩相页岩的孔隙分形维数.结果表明:YC-6井龙马溪组整体含气量低.下部含黏土硅质页岩平均TOC为4.31％,高于上部含硅黏土质页岩(1.13％),同时总孔体积和比表面积也高于后者.不同岩相页岩的分形维数D2均大于D1,表明孔隙结构复杂程度大于孔隙表面.分形维数与总孔体积和比表面积均呈正相关关系,表明具有大比表面积,大孔容的孔隙结构更复杂.TOC和矿物组分含量是页岩孔隙分形维数的重要影响因素.TOC与分形维数呈正相关关系,有机质含量越高,在热演化过程中将生成更多微小的孔隙,从而使孔隙结构更加复杂;黏土矿物含量越多,分形维数越低,黏土矿物在成岩过程中受到压实作用,使得黏土矿物颗粒排列更为紧密,孔隙更加规则,均质性更强,分形维数更低;海相页岩中的石英多为生物成因,其自身的不规则性将使孔隙结构复杂,分形维数变大.     

页岩气藏岩石孔隙分形特征

针对页岩非均质性强,难以用普通方法描述页岩孔隙结构的问题.以美国Fort Worth盆地石炭系Barnett组页岩和四川盆地志留系龙马溪组页岩为研究对象,基于分形理论和方法,以压汞实验测试结果为基础,对页岩孔隙结构展开定量化研究,计算了不同孔隙的分形维值,通过压汞曲线特征和分形曲线特征探讨了页岩孔隙结构特征.研究结果表明:页岩孔隙在特定范围内具有特定的分形特征,分形维数能够反映页岩内部孔隙结构;两类页岩压汞曲线区别在于大孔和微裂缝的发育情况;由不同形态的压汞曲线算得的分形维数双对数曲线也具有不同形态,计算分形维数时需按照不同形态分段拟合.龙马溪组页岩和Barneett页岩相比,孔隙结构更加复杂.     

塔里木盆地柯坪周缘地区肖尔布拉克组白云岩孔隙结构全孔径表征

白云岩全孔径的孔隙结构特征难以在单一实验手段分析中得到表达，高压压汞实验和微米CT扫描实验在表征低渗透碳酸盐岩储层的微观孔隙结构时存在局限性。为了解决这一问题，更加精细地刻画孔喉分布特征，以塔里木盆地柯坪周缘地区露头肖尔布拉克组白云岩储层为例，提出了多方法协同表征多尺度孔径孔喉结构的方法。1.采用传统拼接方法，联合高压压汞和微米CT实验结果，通过相同孔径条件下流过孔隙结构的流体体积变化相等的拼接原理确定不同岩性样品的拼接点位置，进而确定完整孔隙大小。2.由于分形维数是定量表征孔隙结构的重要参数，根据碳酸盐岩孔隙结构的多重分形特征，提出分形拼接的方法，分析分形维数相近、孔隙结构相似的孔径尺度。结果显示：结合传统拼接的融合点验证分形拼接的有效性，岩心样品的全孔径传统融合点均处于分形拼接段范围内，多尺度孔径表征范围扩大0.015-1417.128um；分形拼接后亦可得到总分形维数表征多尺度孔径整体的孔隙结构特征。     

鄂尔多斯盆地白豹油田致密砂岩储层孔喉结构及NMR分形特征

为了研究白豹油田致密砂岩储层孔喉结构,结合铸体薄片、高压压汞、恒速压汞及核磁共振技术(NMR),并应用分形理论进行分析。研究结果表明:致密砂岩储层以微米级孔喉为主,孔喉配置关系复杂,非均质性强,NMR孔喉分形维数具有两段式分布特征,细小孔喉分布较为均质,较大的可动流体的孔喉结构复杂。可动流体孔喉结构越复杂,渗透率、可动流体饱和度越低。孔喉结构复杂程度是影响储层渗流能力的一个关键因素;石英和填隙物含量是形成不同孔喉结构的物质基础;孔喉尺寸越大,连通性越好,配置关系越好,则分形维数越小,结构更为均质,更有利于流体渗流。     

基于压汞实验及密闭取芯的致密油储层分形特征

微观孔隙结构特征是致密砂岩储层研究中的一个重点,对进一步认识储层和后期开发有着重要的意义。对鄂尔多斯盆地中部长4+5储层22块密闭取芯样品进行了薄片鉴定、扫描电镜分析、X射线衍射和压汞测试,对储层微观孔隙结构的分形特征进行了系统研究。利用毛管压力和湿相饱和度的双对数回归曲线可以计算出分形维数。结果显示,本区长4+5储层存在统一的分形特征。平均孔喉半径与分形维数存在正相关关系,说明随着平均孔喉半径的增大,孔喉半径之间差异变大,储层的非均质性增强。分析认为由于受到成岩作用的影响,孔隙较大的储层受到的溶蚀作用更强,导致孔隙尺寸差别较大,孔隙结构复杂;而孔隙较小的储层的喉道半径变化不大,分布较为均匀。储层的物性和分形维数呈正相关,其主要原因为储层物性主要受到孔喉大小的影响。根据矿物含量与分形维数的关系可得出,石英和绿泥石会使孔隙结构的复杂性降低,而长石和伊利石则会增加储层孔隙结构的复杂性和非均质性。     

基于铸体薄片的致密岩心孔隙结构多重分形特征研究

基于压汞和核磁共振实验进行了致密岩心孔隙结构分类,提取了不同孔隙结构的铸体薄片并应用PSO多阈值分割算法得到孔隙-骨架二值图。结合孔隙结构的多重分形理论计算了不同孔隙结构的多重分形维数及多重分形谱,分析了多重分形维数与饱和中值压力、平均孔喉半径和核磁T2几何平均值的关系。研究表明:基于多重分维表征方法与压汞、核磁共振等实验具有一致性,不同孔隙结构岩石的多重分形特征各异,物性越差、孔隙结构越复杂,多重分形维数越大;多重分形维数与饱和中值压力成正比,与平均孔喉半径和核磁T2几何平均值成反比;D_(min)与孔隙结构类型及其他孔隙结构表征参数的相关性最强,在缺乏压汞、核磁等实验数据时,基于铸体薄片的多重分形维数为致密岩石孔隙结构的定量表征提供了有利依据。     

鄂尔多斯盆地城华地区长4+5段储层孔隙结构及分形特征研究

储层孔隙结构对油气勘探开发至关重要,但孔隙几何形状、尺寸分布以及孔隙空间展布等特征难以利用单一手段进行描述。通过岩心资料、铸体薄片资料、扫描电镜资料分析、高压压汞及分形理论等多种方法对鄂尔多斯盆地城华地区长4+5储层微观孔隙结构进行精细表征。研究结果显示:城华地区长4+5储层孔隙度平均为9.93%,渗透率为0.41 mD,表现出典型的特低孔超低渗特征,储层孔喉结构复杂,储层非均质性强。储层中孔隙类型主要为粒间孔、粒内溶孔以及晶间孔和微裂缝;储层孔喉半径主要分布在0.06 μm-2 um;根据压汞曲线将研究区储层孔隙结构分为3类。汞饱和度法研究砂岩储层分形特征表明相对小孔呈现出较好的分形特征,分形维数平均值为2.31,相对大孔分形维数平均值为4.90,表明相对大孔不具分形特征,孔隙结构复杂,非均质性强;分析认为成岩作用、裂缝发育以及过度简化孔隙形态是导致研究区相对大孔分形维数偏大的主要原因。通过计算出的转折点半径与渗透率、中值半径有良好的相关性,表明转折点半径适用于表征孔隙结构非均质性。研究成果对科学勘探开发研究区油气资源具有借鉴意义。     

基于扫描电镜的页岩微观孔隙结构定量表征

根据二维高分辨率扫描电镜(2D-SEM)图像孔隙灰度阈值提取页岩孔隙分布,采用分形理论计算孔隙形态和孔径分布分形维数,在此基础上分析孔径分布模型、步长及分辨率对页岩2D-SEM孔径分布影响,并与高压压汞(MICP)和低温氮气吸附-解吸(LNA/D)孔径分布对比。结果表明:2D-SEM孔隙提取结果能够定量表征页岩孔隙结构复杂性,孔隙形态分形维数越高,孔隙越复杂,孔径分布分形维数越高,孔径分布越复杂,微孔所占比例越高;连续型孔径分布模型能够准确表征页岩孔径分布,以1/2平均孔喉半径为步长提取的2D-SEM与MICP和LNA/D孔径分布吻合最好;2D-SEM孔径分布受分辨率和页岩非均质性双重影响,应选择代表页岩孔隙结构的高分辨率区域,或采用多张高分辨率SEM拼接图像提取孔径分布;2D-SEM图像能够精确定量表征页岩孔隙结构特征,为取心及制样困难的页岩孔隙结构研究提供了新方法。     

三塘湖盆地马朗凹陷芦草沟组泥页岩储层孔隙结构及含油性

针对三塘湖盆地马朗凹陷芦草沟组泥页岩,通过扫描电镜和全岩矿物X衍射实验、高压压汞、N_2吸附、核磁共振等实验分析,对微观孔隙结构及其含油性进行评价。结果表明:孔隙类型可分为粒内-粒间原生孔隙、晶间孔(石英、白云石、黄铁矿晶间孔)、有机质孔、脱玻化孔、溶蚀孔以及微裂缝;孔隙形态多发育狭缝孔、片状颗粒组成的平板孔及一定的封闭孔、墨水瓶孔;直径小于50 nm的微小孔喉分形维数趋于3.0,其形态各异,比直径大于50 nm的孔喉结构复杂,不利于提供有效渗流通道。研究认为,芦草沟组块状构造的泥页岩含油性较好,储层中存在较高比例的可动流体,但由于孔隙复杂,不易开采。     

蜀南地区五峰-龙马溪组页岩微观孔隙结构及分形特征

南方上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组海相页岩是中国页岩气主力开发层位,页岩微观孔隙结构特征的研究对于页岩含气性和开发储量的评价有重要意义。采用场发射扫描电镜和低温氮气吸附实验方法对蜀南地区长宁区块五峰-龙马溪组页岩微观孔隙结构进行了定性评价和定量表征。实验结果表明,蜀南地区五峰-龙马溪组页岩以有机质孔隙为主,局部可见粒间孔和粒内孔发育。氮气吸附回滞环属于H4型,对应纳米级孔隙类型为狭缝型;五峰-龙马溪组页岩平均比表面积17.35 m~2/g,平均孔体积16.70 mm~3/g,平均孔径9.82 nm;页岩纳米级孔隙表面具有分形特征,分形维数平均值为2.681;有机碳含量的增加使得纳米级孔隙数量增多,页岩分形维数增大,孔隙表面粗糙程度增大,页岩比表面积增大,页岩吸附能力增强。     

渝东南武隆地区龙马溪组页岩孔裂隙特征研究

为明确渝东南武隆地区龙马溪组页岩孔裂隙发育特征,利用岩芯观察、氩离子抛光扫描电镜分析、低温氮气吸附脱附实验等方法,结合图像分析技术和分形几何理论,对LY-1井龙马溪组页岩孔隙结构及分形特征进行了研究。结果表明,武隆地区龙马溪组页岩宏观裂隙以层间页理缝和成岩收缩缝为主,扫描电镜下可见粒内孔、粒间孔及有机质孔,有机质孔最为发育,孔径几纳米到几十纳米;低温N₂吸附实验结果显示龙马溪组页岩存在3类优势孔径,I类优势孔径分布在1.0~1.5 nm,表明微孔是该区主要的孔隙之一,Ⅱ、Ⅲ类优势孔径分别分布在2.5~3.5 nm、5.0~18.0 nm,孔径>4.0 nm时曲线分维值与TOC、脆性矿物含量及含气量呈负相关性,与黏土矿物呈正相关性。研究认为,有机质孔为页岩气富集提供了最主要的空间,黏土矿物发育复杂结构的孔隙对气体赋存具有一定贡献。     

煤与页岩低温氮吸附孔隙结构特征与分形特征对比——以阳泉地区山西组15#煤与页岩为例

以山西组高煤级煤与页岩样品为例,通过低温氮气吸附实验研究了样品的孔隙结构特征,并基于FHH分形模型计算了样品的分维值,对页岩与煤层的孔隙分形特征进行了对比研究。结果表明:页岩样品以微孔为主,同时含有一定量的过渡孔,主要的储集空间由微孔和过渡孔提供。高煤级煤样品以过渡孔为主,主要的储集空间由过渡孔提供。在测试孔径范围内,页岩样品的比表面积远大于高煤级煤。页岩的孔隙形态上以四周开放的平行板孔和裂缝型孔为主,具有部分细颈瓶孔,高煤级煤的孔隙形态以封闭型孔为主,反映页岩储层微观渗流能力更强,可能是页岩中游离气比例高于煤层的原因之一。页岩与高煤级煤均具有显著的分形特征,页岩样品分维值高于高煤级煤,说明页岩孔隙的空间结构比高煤级煤更为复杂,非均质性更强;同时二者均具有双重分形特征,页岩渗流孔分维值低于吸附孔,反映页岩吸附孔孔隙结构更为复杂。与页岩相比,高煤级煤渗流孔和吸附孔的分维值均小于页岩,孔径分布集中于过渡孔,有利于煤层气快速到达产气高峰;而页岩孔径分布则集中于微孔和过渡孔,吸附气含量更高,并且过渡孔的孔隙结构以平行板孔为主,孔隙结构特征较微孔简单。     

页岩纳米孔隙表面分形特征及其影响因素

明确页岩纳米孔隙表面分形特征有助于深化对页岩吸附机理与吸附模型的认识。以五峰组/龙马溪组、延长组页岩为研究对象,基于氮气吸附法孔隙结构参数,计算了页岩纳米孔隙表面分形维数,并与泥岩、致密砂岩分形维数对比,揭示了有机质、黏土矿物等对孔隙表面分形特征的影响。研究表明,五峰组/龙马溪组页岩纳米孔隙表面分维值为2.7~2.9,延长组页岩为2.3~2.7,其分维值取决于10 nm以下孔隙累计表面积大小;页岩分维值与有机质成熟演化阶段正相关,而与有机质含量关系复杂;有机质孔与黏土矿物晶间孔表面均具有明显的分形特征,该孔隙发育是页岩具有表面分形特征的根本性原因,但前者的分维值显著大于后者。有机质与黏土矿物表面呈现高度粗糙性,严重偏离光滑平整特性,因此,甲烷在页岩纳米孔内的吸附属于典型的非均匀固体上的吸附。     

页岩纳米孔隙分形特征及其对甲烷吸附性能的影响

为了更好地了解页岩纳米孔隙特征及其对甲烷吸附性能的影响,对四川盆地上三叠统须五段的6个页岩样品进行了分形分析。通过对氮气吸附/解吸等温线的分析表明,页岩在相对压力为0~0.5和0.5~1时具有不同的吸附特征。利用Frenkel-Halsey-Hill(FHH)方程计算得到两个分形维数D_1和D_2。甲烷的吸附性能随着D_1和D_2的增加而增强,其中D_1对吸附有着更显著的影响。进一步研究表明,D_1代表由于页岩表面不规则性产生的孔隙表面分形特征;而D_2代表的是孔隙结构分形特征,其主要受页岩组分(有机碳含量、石英、黏土矿物等)和孔隙参数(平均孔径、微孔含量等)控制。更高的分形维数D_1对应更不规则的孔隙表面,为甲烷吸附提供更多的空间。而更高的分形维数D_2代表更复杂的孔隙结构以及孔隙表面更强烈的毛细凝聚作用,进而增强甲烷的吸附能力。因此,页岩孔隙表面越不规则,孔隙结构越复杂,甲烷吸附能力越强。     

基于氮气吸附法的渝东南下寒武统页岩孔隙的分形特征

 分形维数是多孔介质不规则程度的度量,以渝东南下寒武统页岩的氮气吸附法测量结果为研究对象,采用FHH 模型的分形维数计算方法,得到渝东南下寒武统页岩的分形维数。研究结果表明,渝东南下寒武统页岩孔隙的分形维数具有明显孔径分界点,即具有双重分形特征,小孔隙分形维数D₁变化范围在2.3559~2.6577,平均值为2.488,大孔隙分形维数D₂变化范围在2.5971~2.8746,平均值为2.7631;大孔隙分形维数的平均值大于小孔隙分形维数的平均值,说明大孔隙结构的复杂程度大于小孔隙结构的复杂程度;页岩孔隙的分形维数与有机碳（TOC）含量、吸附气量、比表面积和孔容呈正相关,其中与孔隙的比表面积和孔容的相关性显著,而与黏土矿物含量呈弱负相关。     

川南地区下古生界海相页岩微观储集空间类型

为探明不同成因的孔隙对页岩气储集的贡献,基于多种分析测试手段,对川南地区下古生界海相页岩微孔类型与分布、孔隙定量表征进行研究,并探讨页岩中微观储集空间的成因及影响因素。结果表明:下古生界页岩微观储集空间分为矿物基质孔、有机孔和微裂缝3大类,并可进一步细分为9种类型;龙马溪组页岩主要发育有机质孔和黏土矿物层间孔,五峰组页岩主要发育有机质孔和溶蚀孔、缝,九老洞组页岩有机质孔极少,多见溶蚀孔、缝;下古生界3套页岩孔隙类型与分布特征的差异与矿物组成、有机质丰度和成岩演化作用有关;龙马溪组底部页岩微孔发育,比表面积大,为页岩气的吸附提供大量储集空间,是有利的页岩储层发育段。     

海相页岩优势储集相划分—以重庆周缘下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组页岩为例

页岩岩相划分在中国南方海相页岩气的勘探开发过程中曾得到广泛研究,但由于在岩相划分过程中未考虑控制页岩有机质孔隙发育的热演化程度这一关键参数,从目前针对演化程度过高的海相页岩气的开发成果来看并不理想,因此页岩岩相划分并不适用于演化程度过高的海相页岩。提出基于页岩有机碳含量、储层热演化程度及有机质孔隙有效赋存空间组合的优势储集相概念及划分。页岩优势储集相是指储层的热演化程度、有机碳含量与有机质孔隙的组合。此次研究以重庆周缘下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组页岩为研究对象,选取岩心样品进行有机碳含量测试、等效镜质体反射率测定及聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)等实验,明确龙马溪组和牛蹄塘组页岩的总有机碳(TOC)含量、镜质体反射率(Ro)及不同岩相页岩内有机质孔隙发育等特征。结果表明:龙马溪组页岩的富泥硅质页岩和硅质页岩均发育大量有机质孔隙,而同样岩相的牛蹄塘组页岩样品均不发育有机质孔隙。页岩中的有机质孔隙发育受控于储层的热演化程度,与页岩的岩相特征并无关系。优势储集相划分结果表明:研究区龙马溪组页岩属于适宜演化富有机质储集相(RC-1),由于热演化程度适宜,TOC含量高,储层内部发育大量有机质孔隙,使烃类气体得到有效赋存;而牛蹄塘组页岩属于过演化富有机质储集相,虽然TOC含量高,但热演化程度过高,导致储层内部有机质孔隙大量消失,烃类气体无法有效赋存。页岩优势储集相概念的提出与划分可进一步为南方高—过成熟度海相页岩气的高效勘探开发提供更准确的参数指标。     

四川盆地海相富有机质页岩孔隙特征及赋存状态特征

本文利用低温液氮吸附实验和扫描电子显微镜,基于分子动力学研究了龙马溪组页岩的孔隙特征和甲烷生成特征。根据低温液氮吸附的BET模型,龙马溪组页岩的比表面积为4.32-29.50 m² / g,平均为13.78 m² / g。计算得出的页岩总孔隙体积为6.12-30.47cm³ / g,平均孔径分布范围为3.83-4.52nm,平均孔径为4.06nm。页岩气的吸附和生成也很容易与人工压裂产生的裂缝形成有效的连通。输送通道相对平滑,气体渗透条件良好,这有助于页岩气的开发。孔类型主要包括微裂纹,粒内孔和粒间孔。龙马溪组页岩储层中甲烷的吸附特性表明,随着孔径的变化,甲烷的吸附势能由正向负变化,并逐渐趋近于零。零点表示没有甲烷分子吸附在孔壁上。爆发从吸附变为自由。