頁巖儲層分形特征及孔隙結(jié)構(gòu)研究

頁巖儲層分形特征及孔隙結(jié)構(gòu)研究

對于獨立儲層，天然氣主要以兩種方式收集：（1）以自由態(tài)收集在微裂縫或微裂縫中；（2）它以吸附形式吸附在干酪根和粘土的表面。眾多學(xué)者在研究中總結(jié)了頁巖氣的巖石物理特性,發(fā)現(xiàn)頁巖儲層的產(chǎn)能受其孔隙形態(tài)的影響。頁巖氣儲層有多種孔隙類別,孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,用霍多特(1966)的分類方法,可以把頁巖氣儲層的孔隙分成:大孔(孔徑>1000nm,主要的滲流空間)、中孔(100nm<孔徑≤1000nm,層流滲流空間)、過渡孔(10nm<孔徑≤100nm,氣體擴(kuò)散空間)、微孔(孔徑≤10nm,是主要的吸咐空間)。當(dāng)孔隙半徑>100nm時,自由氣能夠在孔隙中滲流,其滲流會影響頁巖氣儲層的滲流效應(yīng)。而吸附氣主要存在于半徑<100nm的孔隙中,影響著頁巖氣的聚集和擴(kuò)散。分形是指局部與整體在形態(tài)、功能和信息方面具有相似性的集合,這種自相似性僅在一定的尺度范圍、一定的層次中才表現(xiàn)出來。分形維數(shù)可以用來定量地描述孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與非均質(zhì)性,其測定的方法有很多,包括壓汞法、圖像分析法和氣體吸附法等。前人結(jié)合測井和電鏡掃描,已經(jīng)將分形理論廣泛應(yīng)用于微孔隙結(jié)構(gòu)分析的研究中,特別是將分形理論應(yīng)用于常規(guī)儲層的孔隙分布描述中。巖石孔隙的分形維數(shù)通常在2~3之間,分形維數(shù)越接近2,說明孔隙表面越光滑,儲層的儲集性能越好;反之,分形維數(shù)值越接近3,儲層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,儲集性能越差。Katz和Krohn等通過掃描電鏡觀測孔隙結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)油藏中孔徑在0.2~50μm范圍內(nèi)具有分形特征,分形維數(shù)為2.27~2.89。Mahamud等結(jié)合壓汞實驗、核磁共振、CT掃描和X射線衍射,利用分形理論研究了煤層氣儲層的孔隙特征。但是,結(jié)合壓汞曲線、利用分形方法系統(tǒng)研究頁巖氣儲層特征的文獻(xiàn)還不多。1非潤濕相汞壓入巖心的體積頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)儲層都具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu),用于煤層氣的毛管壓力曲線的分形幾何表達(dá)式同樣適用于頁巖氣儲層。非潤濕相(汞)壓入巖心的體積為式中:Vmp為非潤濕相(汞)壓入巖心的體積;Vt為連通孔隙總體積;pc為毛管壓力值;pcmin為最小毛管壓力值;D為分形維數(shù)。根據(jù)推導(dǎo),非潤濕相(汞)壓入體積與毛管壓力的關(guān)系也可以按下式計算根據(jù)巖心的毛細(xì)管曲線,可以采用(2)式求出分形維數(shù)D和pcmin。2壓汞曲線特征研究樣品取自四川盆地上三疊統(tǒng)頁巖氣儲層。通過巖石樣品的X射線衍射實驗和掃描電鏡測試,得到了樣品的物性參數(shù):孔隙度為2.34%~3.56%,平均孔隙度為2.88%;滲透率范圍為(0.13~0.06)×10-3μm2,平均滲透率為0.036×10-3μm2。樣品中石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>50%,方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%。壓汞實驗研究采用的儀器是9500自動壓汞儀,實驗所得壓汞曲線可以總結(jié)為2類,實驗結(jié)果見圖1。以2號巖心樣品的壓汞曲線為例,具體分析第一類壓汞曲線的特征(圖2)。壓汞曲線可分成2段(Ⅰ段和Ⅱ段)。其中,第Ⅰ階段又可進(jìn)一步劃分為a和b兩部分。當(dāng)壓力>0.04MPa時,汞開始進(jìn)入巖石,壓汞曲線較平坦,這一階段為a部分;當(dāng)壓力>0.15MPa,壓力迅速增加,但汞的注入量卻很少,這一階段為b部分。第Ⅰ階段的曲線形態(tài)與常規(guī)巖心的壓汞曲線形態(tài)類似,表明汞注入巖石后,初期階段壓入微裂縫中,隨著壓力的升高,汞進(jìn)入較小的孔隙中。當(dāng)汞的驅(qū)替壓力約>10MPa,壓汞曲線進(jìn)入第Ⅱ階段后,壓汞曲線呈現(xiàn)反常特征:壓汞曲線為凸形,汞的注入量迅速增加,但壓力增加不大。以4號巖心為例,分析第二類壓汞曲線的特征(圖1-B)。這類壓汞曲線與第一類壓汞曲線相比較,缺少第Ⅰ階段的a部分。壓汞曲線同樣可以分為2個階段,具體表現(xiàn)為:初期的進(jìn)汞壓力迅速增加,但汞的注入量卻很少,表明巖心中缺少大孔和微裂縫;與第一類壓汞曲線類似,當(dāng)進(jìn)汞壓力約>10MPa時,壓汞曲線進(jìn)入第Ⅱ階段后同樣呈現(xiàn)反常特征:汞的注入量迅速增加,但壓力增加不大。為了核實四川盆地上三疊統(tǒng)頁巖氣儲層的壓汞曲線特征是否具有代表性,我們與國外頁巖儲層的壓汞曲線特征進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)Barnett儲層的Utica頁巖的壓汞曲線與本文提到的第二類曲線相似(圖3),Elgmati研究的注入曲線與第一類曲線類似(圖4)。3儲層參數(shù)特征根據(jù)公式(2)分別計算出2號樣品和4號樣品的,研究它與lgpc之間的關(guān)系。圖5是和lgpc的關(guān)系曲線。圖5-A中顯示了3段不同斜率的直線段,分別對應(yīng)于第一類壓汞曲線中第Ⅰ階段的a部分、b部分以及第Ⅱ階段。圖5-B中的2段不同斜率的直線段對應(yīng)于第Ⅱ類型壓汞曲線的第Ⅰ階段和第Ⅱ階段。由公式(2)可知,直線段的斜率為D-4,通過斜率可以計算出分形維數(shù)。采用壓汞曲線計算的分形維應(yīng)該在2~3之間。越接近2,說明孔隙表面越光滑,儲層的儲集性能越好;反之,分形維數(shù)值越接近3,儲層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,儲集性能越差。將圖5-A和圖2進(jìn)行對照。圖5-A中,只有當(dāng)lgpc為-0.8~1(即pc約為0.15~10MPa)時,曲線的斜率為-1.5004,對應(yīng)的分形維數(shù)約為2.5。這段曲線對應(yīng)于圖2中第Ⅰ段的b部分;圖5-A中,曲線的斜率為-0.4909和-0.0236時,對應(yīng)的分形維數(shù)>3,這2段對應(yīng)于圖2中的a部分和第Ⅱ階段。圖5-A證實了圖2中a部分的壓汞曲線不反映孔隙的結(jié)構(gòu)特征,而是反映了微裂縫的存在:即使壓力很小,汞也能夠進(jìn)入巖心中的微裂縫。第Ⅱ階段出現(xiàn)的原因是由于壓汞過程中,由于壓力升高,巖石被壓壞,則方程不再適用。所以在研究孔隙分布時,分形維數(shù)>3的壓汞曲線不能反映頁巖孔隙的特征。圖5-B中,當(dāng)lgpc<1(即pc<10MPa)時,曲線的斜率為-1.062,對應(yīng)的分形維數(shù)約為2.938。與第一類壓汞曲線相比較,儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,儲集性能較差。由油層物理學(xué)可知,毛管孔徑與毛管壓力之間存在以下關(guān)系式中:σ為液體界面張力;θ為潤濕接觸角;r為孔隙半徑。其中,汞的σ=4.8×10.3N/cm2,θ=140°,則由公式(3)可將壓汞曲線中毛管壓力值換算成孔徑。根據(jù)圖1中第Ⅰ階段和第Ⅱ階段的分界點,發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)汞壓力約>10MPa后,各樣品的壓汞曲線出現(xiàn)異常特征。10MPa對應(yīng)的孔隙半徑為0.1407μm,說明壓汞曲線能反映的孔隙半徑的下限為0.1407μm。這也從一個方面證實了田華等人的觀點,即:壓汞方法能反映宏孔(孔徑>50nm)的分布特征。根據(jù)前人文獻(xiàn)中的壓汞曲線(如圖3、圖4中的壓汞曲線),也可得出類似的結(jié)論。4壓汞曲線的發(fā)育時期a.采用壓汞曲線可以判斷頁巖的微觀孔縫結(jié)構(gòu)類別。頁巖氣儲層壓汞曲線有2種類型:一種是有微裂縫存在的壓汞曲線;另一種無微縫發(fā)育,只發(fā)育微孔和中孔。具有第一類壓汞曲線的頁巖,其孔隙和裂縫發(fā)育好,具有較好的開采潛力