过成熟页岩孔隙结构变化的石英管热模拟研究

对上扬子区寒武系牛蹄塘组和志留系龙马溪组两套过成熟页岩开展了系列温度点石英管热模拟实验,在应用氦孔隙度测试法、高压压汞实验和氮气吸附法等测试技术分析模拟样品孔隙结构参数的基础上,研究了页岩孔隙结构随温度的变化特征。结果表明:(1)两组页岩孔隙度、成熟度随热模拟温度的升高有增加的趋势,热模拟后牛蹄塘组页岩孔隙度变化范围介于4.2%?12.2%之间,成熟度介于3.04%?3.46%之间,龙马溪组页岩孔隙度介于5.8%?11.1%之间,成熟度介于2.87%?3.38%之间。页岩孔容的增加主要源于介孔、矿物微裂缝以及基质微裂缝的显著增多;(2)牛蹄塘组页岩热模拟后孔体积和比表面积变化范围分别为0.0031?0.031 cm^3/g和0.47?2.93 m^2/g,而龙马溪组页岩的变化范围分别为0.015?0.054 cm^3/g和3.62?13.93 m^2/g;两组页岩原样的比表面积均来自孔径小于10 nm的纳米孔的贡献,而热模拟后的页岩比表面积则主要来自大于10 nm的孔隙贡献。(3)热模拟后的牛蹄塘组页岩和龙马溪组页岩比表面积与有机碳(TOC)含量减少量成一定的正相关性,与脆性矿物变化量和黏土矿物含量之间的相关性较小,显示比表面积的变化主要与有机质热演化导致的有机纳米孔的增加有关,而黏土矿物在过成熟阶段趋于稳定,对比表面积变化影响较小。

高—过成熟页岩CH_(4)/N_(2)/CO_(2)混合气体竞争吸附特征与地质意义

为研究高—过成熟页岩对N_(2)、CH_(4)及CO_(2)混合气体的竞争吸附特征及其地质意义,通过混合气体吸附—解吸装置,结合穿透曲线法,对四川盆地周缘NY-1井龙马溪组1 420.90 m、1 422.75 m、1 423.75 m和牛蹄塘组2 261.53 m、2 265.80 m、2 268.37 m 6个深度的岩样,开展了20℃、注气压力0.25 MPa条件下N_(2)、CH_(4)和CO_(2)等比例混合气体的竞争吸附实验,得到了各岩样对混合气体的竞争吸附规律;并通过低温N_(2)和CO_(2)吸附法,分析了6个岩样的孔隙结构,探究了其对竞争吸附的影响。结果表明:龙马溪组页岩中N_(2)出口端浓度有超过初始浓度的现象,而牛蹄塘组页岩中N_(2)、CH_(4)和CO_(2)出口端浓度均未超过初始浓度;实验结果与Yoon-Nelson模型拟合结果较好,R^(2)值可达0.9以上,各岩样吸附速率常数均有N_(2)>CH_(4)>CO_(2)的规律,故N_(2)相较CH_(4)和CO_(2)可先被样品吸附,随后吸附速率慢的CH_(4)和CO_(2)被吸附,岩样对2种气体吸附选择性更强,所以将N_(2)置换出,导致龙马溪组岩样N_(2)出口端浓度超过初始浓度;龙马溪组岩样中微孔发育程度较高,孔径小、比表面积大、吸附能力强,能更好地吸附CH_(4)和CO_(2)这2种吸附选择性强的气体,使得已吸附的N_(2)被置换出,从而造成游离气中N_(2)浓度增加。实验结论为我国页岩气勘探开发提供了理论依据,同时对部分地区页岩气组分中N_(2)的成因具有一定指导意义。

四川盆地龙马溪组页岩有机质组构非均质性及对孔隙发育的控制

中国四川盆地页岩气开采集中在过成熟海相龙马溪组页岩层段,有机孔作为主要储气空间,其发育具有强烈微观非均质性,控制了页岩气的储集与运移机制。目前对有机孔的非均质性成因尚不明朗,究其原因是对有机质组分及其化学结构复杂性认识不足。本文结合光学显微镜、场发射扫描电镜与激光拉曼光谱技术,对四川盆地典型过成熟龙马溪组页岩的有机岩石学特征、有机质化学结构及其与孔隙发育程度的相关性进行了系统表征和定量分析。结果表明,龙马溪组硅质页岩的显微组分以焦沥青为主,其次为笔石表皮体,在油浸入射白光下颜色呈浅灰色至灰白色,无荧光。基于不同显微组分在电镜下的赋存状态差异,龙马溪组页岩孔隙发育类型可分为生物碎屑孔隙、结构型焦沥青孔隙和无定形焦沥青孔隙。生物碎屑的表观转化率介于0~2%,表面仅见少量孤立状分布的孔隙,其孔径分布范围主要为10~50 nm。结构型焦沥青的表观转化率在8%~11%区间,内部发育相对均匀的海绵状或不规则孔隙,孔径峰值约为60 nm。无定形焦沥青的表观转化率最高,平均约为16%,且孔径峰值向大孔方向偏移。从笔石表皮体到结构型、无定形焦沥青,有机碳的芳构化程度依次降低,对应的孔隙发育程度则依次增高。研究认为有机质的原始组分及生排烃过程中的地层色层效应是导致孔隙发育非均质性的关键。

页岩和煤岩的孔隙结构差异及其天然气运移机理

页岩和煤岩作为非常规天然气储层,其孔隙结构控制着天然气的赋存状态与运移机理。为了定量表征两种储层孔隙结构特征及其差异,借助小角中子散射技术、高压压汞法、气体吸附法和场发射扫描电镜观察对下志留统龙马溪组和上二叠统龙潭组过成熟页岩以及上石炭统本溪组煤岩的储集性和孔隙结构进行对比分析,明确了页岩与煤岩的孔隙结构差异及其成因,并研究了甲烷在其储层中的赋存和运移机理。研究结果表明:①煤岩主要储集空间集中在小于5 nm的孔径范围内,其中甲烷赋存状态以吸附气为主,页岩中大于5 nm的孔径范围是主要的游离气储集空间;②基于小角中子散射与高压压汞实验结果的差异特征可以用于评价孔隙连通性,且本研究中煤岩的孔隙连通性要优于页岩;③重复压汞法显示高压对于过成熟的页岩和煤岩不会导致样品产生新的裂缝。结论认为,煤岩储层微孔中的吸附气解吸成为游离气是煤层气开发的关键,页岩储层中页岩气从基质储集空间运移到天然裂缝或人工裂缝中受孔隙连通性的控制;增加页岩中诱导裂缝,有效连通诱导缝和天然裂缝并且提高有机孔隙网络与外部的连通性是提高页岩气采收率的关键,该认识为后续两类非常规油气储层的科学评价提供了重要理论支撑。