2020-05-19 14:38:46, 海燕 苏州纽迈分析仪器股份有限公司
写作初衷
众所周知,表征页岩储层孔隙的定性及定量的方法至少10种以上,每种方法正如我们每个人一样,都有自己的特点和擅长之处,页岩孔隙结构的表征不是每种方法的“单打独斗”,而应该是优势互补,联合作战。
因此本文的目的并非强调这其中的哪几种方法是多么的全能,而是借助科学的实验,客观分析每种方法的优点及可提供的储层表征信息,为大家在测试方法选择上提供科学的参考。
今天,小编为大家分享一篇来自中国石油大学(华东)肖佃师老师于2019发表在石油与天然气地质上的文章,作者系统的比较了低温氮吸附、低温二氧化碳吸附、核磁共振、压汞法的结果对比,分析各自方法的特点,并提出一种结合低温氮吸附和核磁共振的新的孔径测试方法,联合二者可表征页岩全孔径分布。
此外还对不同尺寸孔隙对页岩气吸附、渗流的各自贡献做了细致的研究。
本文核心观点
低温氮吸附(LTNA)和核磁共振(NMR)技术,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。
页岩全尺寸全孔径分析表明70%孔体积集中在孔径小于25nm。以5,25和100nm为界,将其划分为微孔、小孔、中孔和大孔。
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。
01
页岩储层孔隙分析研究现状
页岩气一直是岩心储层中一块难啃的骨头,页岩储层孔隙度低、孔喉结构复杂、气体赋存形式多样以及渗流能力差,然而页岩气油气储藏丰富,因此准确研究页岩微观孔隙结构(大小分布、连通性等)是“啃骨头”前的必经之路。
目前,孔隙结构表征手段由定性观察向定量表征过渡,由单一手段到多方法联合发展。对于页岩气储层,常用实验方法包括低温氮气吸附(LTNA)、低温二氧化碳吸附(LT- CA)、核磁共振(NMR)以及高压压汞(MIP)等,各种实验测量原理不同,在刻画页岩孔隙结构上均有自己的不足。
表1. 常用的孔隙方法的对比
因此,本文主要研究如下几个内容:
开展多种孔隙结构表征实验对比,分析不同实验方法在刻画页岩孔隙结构上的优势,建立全孔径分布表征方法。
借助分形理论进行孔隙分区,揭示不同类型孔隙的发育特征。
不同尺寸的孔隙对页岩气赋存与渗流能力的贡献。
02
实验仪器及方法
▲图1.中尺寸核磁共振成像分析仪
样品信息:选择的页岩样品,经分析得知样品有机碳含量(TOC)的变化范围为 1. 20%~ 6. 46%,气测孔隙度范围为1. 8%~6. 3%,与TOC呈明显正相关,指示有机孔是页岩孔隙的重要组成部分。样品成分以石英和粘土矿物为主,两者总含量多大于80%。
样品检测信息:对样品开展微观孔隙表征实验,包括场发射扫描电镜、氦离子扫描电镜、低温氮气吸附、低温二氧化碳吸附、高压压汞和低场核磁共振。其中低场核磁共振为苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的MicroMR23-060H-I中尺寸核磁共振成像分析仪。
03
孔隙表征分析
页岩的孔隙类型研究
首先利用扫描电镜(SEM)图像,对页岩的孔隙类型进行研究。
▲图2.页岩孔隙扫描电镜特征
将页岩孔隙划分为有机孔和无机孔两类,无机孔又识别出粘土孔、粒间孔、晶间孔和粒内溶蚀孔等。
有机孔是页岩气储层最重要的孔隙类型,其伴随着干酪根的生烃过程而产生,形态多为近圆形或椭圆形(图2a),局部可见狭长型孔(图2b),较大的有机孔表面粗糙,表面可形成大量类似微孔的储气空间,为页岩提供了一定的比表面积。
粘土孔是页岩储层另一类主要的储集类型,由大到小可分为粘土层间缝、晶间孔和粘土晶内孔三个尺度孔隙。
页岩孔径分布不同方法之间的对比
▲图3.低温氮吸附及二氧化碳等温吸附孔径分布结果
▲图4.压汞法及核磁共振分析页岩孔径分布结果
▲图5.典型页岩气样品不同实验方法测量孔径分布对比
灰色曲线为核磁共振,橘色是氮吸附,蓝色是压汞法,米状的是二氧化碳吸附。
核磁共振采用线性方式转换,依据T2谱与LTNA孔径分布间相关性,来确定转换系数C,从而计算出孔隙分布,关于核磁共振法测孔隙分布的原理,具体
这可能是最全面的核磁共振在岩石物理的应用介绍
如图5所示,将孔径划分为三个区间:区间Ⅰ对应孔径基本小于10nm,LTNA在表征该区间孔隙分布上优势明显;区间Ⅱ基本小于100nm,核磁共振的优势明显,区间Ⅲ对应孔径大于100nm,这类孔隙通常需要喉道沟通。
随TOC增大、粘土含量降低(由PY1-22 至 LY1-5样品),压汞法孔喉分布逐渐偏离核磁共振,这因为压汞法测量的是连通孔喉分布,孔喉分布和孔隙分布的差异受孔喉比影响,TOC增加,两者的差异越明显,因此差异越大。
而随TOC降低,氮气吸附表征的孔隙分布会逐渐偏离核磁共振,表明氮气吸附结果受孔隙非均质性的影响,综上,低温氮气吸附在刻画区间Ⅰ这类较小孔隙优势明显,而核磁共振在刻画区间Ⅱ和Ⅲ这类较大孔隙上效果较好。
以上结果与表1中对各个方法的优劣势分析一致,为了更准确的对页岩进行全尺寸孔径表征,需要联合以上中的2种技术进行搭配互补。
当然,本文也对四种方法测得的孔体积与氦气测孔隙度做了对比,具体的结果本文在这里不做详细展示,感兴趣的可以下载原文阅读。
全孔径的表征方法探究
▲图6.页岩气样品全孔径表征结果分析
联合低温氮气吸附和核磁共振可实现页岩气孔隙全面表征。通过全孔径表征(图6)可得到页岩气样品的孔隙分布具有以下特征:分布范围宽,横跨4~ 5个数量级, 70%的孔体积分布在孔径小于25nm的孔隙中,表明页岩气样品仍以较小孔为主。
这与页岩样品粒度细、成熟度高,普遍经历强烈压实减孔等成岩作用密切相关;另外,在孔径小于100nm范围内,孔隙分布呈明显继承性,随TOC增大,主峰的幅度明显增加,指示有机孔在页岩气储集空间中的重要地位。
为了验证该方法的适用性,取一块页岩油样品进行对比实验。经分析得该页岩属于富有机质纹层状灰质泥岩。低成熟度页岩样品的孔隙以粒间孔(石英、碳酸盐岩)、粘土层间缝、溶蚀孔和有机质孔隙为主。SEM图像显示,孔隙多分布在几十个nm至几百个nm范围。
▲图7.低成熟度页岩样品孔径对比
如图所示,发现低温氮气吸附和T2谱形态一致,在区间Ⅰ内,低温氮气吸附表征孔径稍大于核磁共振,而在区间Ⅱ内,核磁共振表征孔径分布优势明显,压汞法得到孔喉分布明显偏低,这点在上面研究中也得到验证。
04
孔隙与页岩组成及对渗流贡献的研究
孔隙发育特征及不同尺寸孔隙与页岩物质组成关系
目前普遍采用IUPAC建立的孔隙分类标准并不适合页岩的孔隙划分,因此根据具体的分形结果对孔隙进行划分:5,25 和100nm可作为分界点,将页岩气孔隙划分为微孔(< 5nm)、小孔(5~ 25nm)、中孔(25~ 00nm)和大孔。
▲图8.不同区间孔隙含量与页岩物质组成关系
a.TOC 与微孔和小孔含量间关系
b.TOC 与中孔和大孔含量间关系
c.粘土含量与微孔和小孔含量/TOC 间关系
d.粘土含量与中孔和大孔含量/ TOC 间关系
e.碳酸盐岩含量与中孔含量间关系
f.石英含量与大孔含量的关系
微孔(<5nm)和小孔(5~25nm)含量均与TOC呈明显正相关,此外,微孔和小孔还受其他类型孔隙影响。孔隙含量与 TOC 之比在一定程度上可消除TOC的影响,当粘土含量> 30%时,该比值随粘土含量增多而快速增大,表明粘土有关孔也是微孔和小孔的重要组成部分。
中孔(25~ 100nm)含量与TOC 间正相关性变弱,同时发现,碳酸盐岩含量与中孔呈较明显正相关,说明粒内溶蚀孔也对中孔起贡献。
大孔与TOC间相关性最弱,而粘土、石英含量与大孔呈一定正相关,表明粘土有关孔和粒间孔是大孔的主要组成部分。
不同孔隙对页岩气赋存特征的影响
页岩气的赋存形式包括吸附态和游离态,其中吸附气主要分布在吸附质的表面,其含量与介质的比表面积和吸附能力有关。
▲图9.比表面积和不同区间孔隙含量的关系
研究发现,微孔(< 5nm) 与BET比表面积的关系最好(相关系数达0. 98),表明大部分比表面积由微孔贡献,微孔中的有机质和粘土矿物对甲烷吸附能力较强,因此为吸附气提供了主要的赋存空间。
另外,小孔(5~25nm)与比表面积关系中等,但明显好于中、大孔,说明小孔也为吸附气提供部分场所。但对于游离气而言,微孔的贡献有限。
不同孔隙对页岩气渗流的贡献
地下页岩气必须通过基质孔隙网络,运移至人工裂缝中才能被有效产出,汞为非润湿相流体,退汞相当于润湿相驱替非润湿相,汞从小孔进入较大孔,能反映流体退出时所经历的孔隙网络和路径。
▲图10.页岩累加进汞增量何退汞增量的对比
小孔孔隙:进汞量远大于退汞量,表明这里孔隙没有与外界相通。
中孔孔隙:累计退汞变化幅度大于累计进汞幅度,指示中孔和小孔相互沟通形成了相对连续的渗流路径。
大孔孔隙:进汞变化幅度与退汞变化幅度差异较小,对连续渗流路径影响不大。
此外,通过对以上样品进行解析气实验,发现中孔和小孔对页岩气渗流起控制作用,这与汞的进入分析结果一致。
05结论结论
低温氮吸附(LTNA)和核磁共振(NMR)技术,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。
页岩全尺寸全孔径分析表明70%孔体积集中在孔径小于25nm。以5,25和100nm为界,将其划分为微孔、小孔、中孔和大孔。
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。
参考文献
肖佃师,赵仁文,杨潇,等.海相页岩气储层孔隙表征、分类及贡献[J].石油与天然气地质,2019,40(6).
Dio:10. 11743/ogg20190606
关于核磁共振孔径分析技术的咨询,请与我们的技术工程师联系。
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