【文獻解讀】重慶大學蔣長寶團隊《J. Pet. Sci. Eng.》：頁巖孔隙-裂縫系統的多尺度表征：孔隙大小與氣體傳輸特征

發布時間：2023-05-24 12:48

研究背景

隨著頁巖儲層的開發在世界各地全面展開，氣體傳輸機制的探索已經成為石油和天然氣行業研究人員的焦點。
頁巖儲層具有儲存和運輸碳氫化合物的能力，其孔隙-裂縫系統的特征，如孔隙大小分布（PSD）、形態、幾何和連接性等物性，直接影響著商業頁巖氣的生產。
因此，如何準確高效的表征頁巖儲層的全尺度孔隙大小分布，以及探究頁巖氣在儲層中的傳輸機制是一件十分有意義的事情。
到目前為止，已有眾多學者發表了相當數量的文獻，且使用各種方法來探討了頁巖樣品的PSD表征，例如：低溫氣體吸附法（LTGA）、汞入侵孔隙法（MIP）和核磁共振法（NMR）。

LTGA：具有檢測孔喉和孔體的能力，已被證明能捕捉到詳細的信息，并廣泛應用于頁巖納米孔隙分析，但對于大孔隙的表征較為乏力。
MIP：通過施加壓力將汞擠壓進巖心，根據壓力與汞體積表征巖心的孔隙大小，不過這是一種侵入性的、破壞性的手段，而且對小孔的表征力有不逮。
NMR：與LTGA和MIP不同，NMR是一種既非侵入性又非破壞性的技術，近年來，這種先進的技術已被廣泛采用，為描述PSD提供新的選擇，在已知巖心表面弛豫率的條件下可以全尺度地表征巖心孔隙大小分布。

圖1 常用技術及目標尺寸范圍

目前大多數學者根據以下標準對頁巖孔徑進行分類：微孔（<2納米）、中孔（2-50納米）和大孔（>50納米）。這種基于物理吸附理論的孔隙分類更注重納米范圍（尤其是<100納米），可能不適合頁巖獨特的孔隙-裂縫系統。
另外，以前的一些其他分類研究是基于孔隙形態、幾何和地質（礦物組成和分布）的圖像分析，而不是關注孔隙大小分布，這種分類方案往往沒有考慮到頁巖錯綜復雜的氣體傳輸機制，忽略了特定孔隙尺寸和不同氣體傳輸機制之間的聯系。

實驗設計

在本工作中系統地研究了頁巖孔隙-裂縫系統及其相關的氣體傳輸機制。

首先，使用LTGA、MIP和NMR測量六個頁巖樣品的PSD，然后使用FE-SEM和CT圖像分析技術，觀察這些頁巖樣品的內部結構。
隨后比較了不同方法的PSD結果，闡述了頁巖孔隙-裂縫系統的全面特征。
最后提出了一個新的基于氣體傳輸機制的頁巖孔隙大小分類標準。
利用多種技術對頁巖孔隙-裂縫系統的結構進行多尺度表征，以及考慮氣體傳輸機制的孔隙分類方法，對指導頁巖氣商業化開發具有重要的參考意義。

實驗樣品以及物性參數：

從目標地層收集六個頁巖樣品。提前采用紅外（NDIR）檢測法， TOC-L分析法、X射線衍射法（XRD）、自動數字巖石巖相分析儀等各類方法和儀器以調查其巖石物理特征和礦物學組成。結果如下：

表1 頁巖樣品的基本儲層特征和礦物學成分

為了更深入地研究頁巖孔隙-裂縫系統及其相關的氣體傳輸機制，本文在不同的尺度上對頁巖樣品進行了幾種實驗方法：氮氣低溫氣體吸附（LTGA）、汞入侵孔隙儀（MIP）、核磁共振（NMR）用于描述頁巖的孔隙大小分布，場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和X射線計算機斷層掃描（CT）用于描述頁巖構造。以下為三種測定孔隙大小分布的詳細描述。

實驗結果

LTGA分析

頁巖樣品被壓碎成粉末（顆粒大小<150μm），用于LTGA分析。
在分析之前，樣品必須被加熱并置于真空環境下（也被稱為樣品脫氣），以去除水分和其他污染物，因為大多數固體材料暴露在大氣中時會吸收水分和其他污染物。
因此，所有測試的頁巖樣品都在110℃下自動脫氣12小時。選擇氮氣作為分析吸附劑，吸附溫度設定為-196 ℃（77.15 K）。
最后，通過BJH模型和DFT模型分別計算出測試樣本的PSD數據。

圖2 來自LTGA的孔隙大小分布：（a）JY系列樣本；（b）CX系列樣本。

根據LTGA 結果，頁巖的孔隙大多在5-200 納米，且CX系列樣品比JY系列樣品含有更多的細孔。盡管BJH模型和DFT模型顯示出基本一致的PSD結果，但兩者之間存在著微妙的區別。由DFT模型生成的PSD曲線，顯示出多個峰值，比BJH模型有更詳細的信息。

MIP分析

與LTGA分析類似，頁巖樣品被壓碎（顆粒大小：<5毫米），然后在110℃下烘烤，直到其重量保持不變，以去除水分或殘留的碳氫化合物。由Washburn方程計算得到PSD數據。

圖3 來自MIP的孔隙大小分布

從圖中可以看出。頁巖孔隙尺寸從5納米到100納米不等，其中較小的部分（<300納米）代表納米孔隙系統，而較大的部分（>1000納米）代表孔隙-微裂縫系統。所有的PSD數據都不能顯示出低于5納米的分辨率，原因是MIP可能無法穿透更小的孔隙，也就是說，由于入侵壓力不足，汞不能進入一部分微孔。
與LTGA分析相比，只有一半的測試樣品（JY-1、JY-3和CX-3）顯示出可接受的結果，而其他三個樣品（JY-2、CX-1和CX-2）的孔隙體積在孔隙尺寸<300納米時明顯大于LTGA的結果。這種現象可能是由于極高的汞入侵壓力造成了小孔隙的扭曲和破壞。

NMR分析

最近核磁共振的發展趨勢導致PSD相關研究激增，因為核磁共振技術的優勢在于它既具有非侵入性又具有非破壞性。
使用的低場核磁共振設備型號為：MacroMR12-150H（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司），測試條件：溫度：32℃；磁場強度：0.3±0.05T；回波時間（TE）：0.2毫秒；等待時間（TW）：2秒；回波數：10,000；掃描次數：64。圓柱形巖心樣品（高度100毫米，直徑50毫米）測量前抽真空飽水24小時。使用CPMG脈沖序列來測量獲得T 2譜，表征測試樣品的PSD特征。：

圖4 核磁測試結果：(a) 頁巖樣品的原始核磁共振T2光譜；(b) 核磁共振測量的累積孔隙率與孔徑的關系。

可以看出，每個系列樣本的T2光譜是相似的。也就是說，在本研究中可以忽略樣本異質性的影響。通過比較LTGA和MIP的結果，將T2光譜轉換為孔隙大小分布，在圖中繪制了累積孔隙率和孔隙直徑之間的關系。當孔隙尺寸<300納米時，累積孔隙率急劇增加，當孔隙尺寸>1000納米時，累積孔隙率略有增加，體現了納米孔為孔隙主要構成。同時還發現，CX系列樣品比JY系列樣品含有更多的小孔。

本文將這三種可以測得PSD的方法進行了詳細比較，如下圖所示：

圖5 三種孔隙大小分布測定結果的比較

全面的PSD對于頁巖儲層中的氣體運輸和儲存具有極其重要的意義，也可以作為新的孔隙大小分類的基本依據。
將NMR T2譜信息換算到PSD，需要準確可靠的表面弛豫率數值（ρ2）以防核磁法得到的孔隙大小分布出現較大誤差，本文建議將NMR與至少一種輔助方法（如LTGA或MIP）相結合，以準確確定表面弛豫率數值。
本文通過比較核磁共振T2譜與LTGA和MIP的分析結果，確定了JY系列樣品的表面弛豫率為16.25 nm/ms，CX系列樣品表面弛豫率為4 nm/ms。

經過三種方法的比較，核磁共振在知道樣品表面弛豫率的條件下能夠準確揭示頁巖的全尺度PSD特征。

氣體在頁巖中的傳輸作為一種非達西現象廣泛發生在頁巖儲層中，稱為氣體滑移效應。氣體分子與巖壁的碰撞在納米孔中占主導地位，可以增強氣體傳輸和滲透性。
頁巖的孔隙大小分類及其相關的氣體傳輸機制如圖6所示（繪制了基于NMR的PSD結果，因為它能夠揭示頁巖的全尺度PSD），這種基于氣體傳輸機制的分類方法可以更有效地捕捉頁巖孔隙-裂縫系統的多尺度特征，其結果與基于數值模擬的工作一致（圖6b 玻爾茲曼方法（LBM））。

圖6 頁巖的孔隙大小分類及其相關的氣體傳輸機制（樣本JY-1為例）；(b) 頁巖中不同傳輸機制的通量貢獻

根據本文工作中討論的全尺度PSD特征和地質控制，就氣體傳輸機制而言，頁巖中的孔隙大小可以分為：吸附孔隙（孔隙大小<10納米）、滑移孔隙（10納米<孔隙大小<1000納米）和滲流孔隙或裂縫孔隙（孔隙大小>1000納米）。

可以看出，在明顯存在吸附孔隙的頁巖的總體積貢獻中，滑移孔隙占主導地位。然而，頁巖中的氣體傳輸主要由滲流孔隙（裂縫-孔隙）控制，盡管它們只占總體積的一小部分。有趣的是，隨著壓力的持續，主要在滑移孔隙中的氣體滑移效應將變得越來越顯著。本文的分類工作為頁巖的內部孔隙結構的劃分提供了新的見解，并深入研究了頁巖儲層中復雜的氣體傳輸機制。

實驗結論

對于PSD的確定，LTGA分析能夠檢測到2-300納米的孔隙，同時推薦DFT模型用于LTGA分析。而MIP分析適用于大孔隙或裂縫（>300納米）測試，但可能人為地破壞孔隙。
NMR能夠揭示頁巖的全尺度PSD特征。建議將核磁共振與LTGA或MIP相結合，因為僅核磁共振會高估或低估孔隙大小。樣品的全尺度PSD表現出明顯的雙峰特征，對應于它的雙重系統：納米孔隙和孔隙-微裂縫。且頁巖納米孔系統對總體積的貢獻比孔隙-微裂縫系統大得多。
氣體滑移效應在相對較低的壓力下是顯著的，但微裂縫是頁巖中氣體傳輸的主要途徑。
本文基于氣體傳輸機制提出了一個新的頁巖孔隙大小分類：吸附孔隙（孔隙大小<10納米），“滑移孔隙”（10納米<孔隙大小<1000納米），以及滲流孔隙或裂縫孔隙（孔隙大小>1000納米）。滑移孔隙在頁巖的總體積貢獻方面占主導地位。雖然滲流孔隙只占總體積的很小一部分，但頁巖的整體氣體傳輸主要由滲流孔隙控制。

參考文獻

[1] Chen Y, Jiang C, Leung J Y, et al. Multiscale characterization of shale pore-fracture system: Geological controls on gas transport and pore size classification in shale reservoirs[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2021, 202:108442.