页岩黏土矿物CH_4/CO_2吸附规律的分子模拟

CH4和CO2在页岩黏土矿物中的吸附行为对页岩气的开采和CO2的封存具有重要意义。选取黏土矿物的主要成分蒙脱石为研究对象,构建层状裂缝型孔隙的分子模型,采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法和分子动力学(MD)方法,在不同压力、不同温度条件下,研究不同狭缝孔隙宽度CH4和CO2气体的吸附行为,同时分析离子交换结构对吸附的影响。结果表明:CH4吸附符合Langmuir吸附规律,可以采用Langmuir方程进行拟合。随着温度的升高两种气体吸附量减小,随着压力的增大而增大;蒙脱石的离子交换结构对CH4的吸附影响较小,但促进对CO2的吸附;不同的狭缝孔隙宽度对应CH4和CO2的赋存状态不同,蒙脱石的离子交换结构影响CO2的赋存状态;平均作用势说明吸附层中分子间结合能力大于游离层,吸附态是CH4和CO2在蒙脱石狭缝中的主要赋存形式之一。基于CH4和CO2在页岩黏土矿物中的吸附规律,可为页岩气的勘探开发提供依据。     

低压气体吸附实验在页岩孔隙结构表征中的应用

页岩孔隙结构特征直接影响气体在其中的吸附和运移。以长宁示范区下志留统龙马溪组下部富有机质页岩样品为例,利用场发射扫描电镜(FE-SEM)、低压CO2气体吸附及低压Ar气体吸附等实验,对长宁示范区开发主体层段富有机质页岩的孔隙结构进行定性描述和定量表征。结果表明:长宁示范区富有机质页岩主要发育有机质孔隙,页岩孔隙结构非均质性强,平均比表面积为42.19m2/g,平均孔体积为0.059 1cm3/g,孔径小于2nm的微孔提供页岩60%以上的比表面积,是页岩气主要的吸附场所;孔径大于10nm的介孔和宏孔提供页岩70%以上的孔体积,是页岩气主要的储存场所。改进的气体吸附法可实现对页岩纳米级孔径分布的连续定量表征,研究结果对了解富有机质页岩纳米级孔隙结构特征、评价页岩含气性具有指导意义。     

鄂尔多斯盆地陆相页岩孔隙演化特征——以长7油层组为例

以鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段长7油层组陆相页岩为对象,基于X线衍射、场发射扫描电镜、等温吸附、物性测试及岩石热解等实验,研究陆相页岩孔隙演化特征。结果表明:研究区页岩孔隙直径和黏土矿物演化程度呈正相关关系,演化程度越高,黏土矿物平均孔径越大;随着矿物演化程度的增加,蒙脱石逐渐向伊利石转化,转化过程中,蒙脱石层间水分子的逐渐排出引起页岩储层孔隙度增加,且在层间形成微孔隙和微裂隙;伊/蒙混层从无序状态变为有序状态,大量脱出层间水,而层间水变为自由水进入页岩固有的孔隙空间,并在地层压实作用下使页岩孔隙体积增大。页岩有机质生烃对孔隙有保护作用,成岩后期压实作用使页岩孔隙减小,但随着地层温度和压力达到页岩生油窗,有机质生烃作用生成的部分油气进入之前的孔隙,增加孔隙内部压力,减缓压实作用下孔隙体积的降低。     

二氧化碳注入地下咸水层析盐现象研究进展

把CO₂ 注入深部咸水层进行埋存,是减缓温室效应的一个重要途径。CO₂注入地下咸水层后咸水中析出的盐会堵塞
地层孔隙而严重影响注入效率。理解析盐产生的条件、发生的过程以及盐在孔隙结构中的分布对含水层孔渗性的影响十分必要。
在总结国内外CO₂ 注入地下咸水层析盐研究现状的基础上,分析了析盐发生的条件及析盐效应,指出需要通过实验模拟和数值
模拟等手段研究毛细压力、重力、黏滞力协同影响下不同的多相流动体制对析盐过程的控制,把握析盐现象的发生、分布及其对介
质孔渗性的影响规律。      

考虑吸附相体积的页岩气储量计算方法

页岩气赋存于发育大量天然微裂缝的页岩中,主要以吸附态和游离态2种形式存在。准确评价裂缝中自由气量对于页岩气井开采的早期评价具有明显的实用价值。从物质平衡原理出发,运用Langmuir吸附模型、Bangham固体变形理论,同时考虑基质孔隙体积和裂缝孔隙体积随地层压力的变化,以及吸附气所占体积对储量的影响,推导出了修正吸附相所占体积的页岩气藏物质平衡方程,并给出了线性化方法。计算结果表明,考虑了吸附气所占孔隙体积后,基质中自由气量比不考虑吸附相体积时减小,且吸附气量减小,裂缝中自由气量相对增加,总储量减小,使得计算模型更符合实际,计算结果更为准确。      

基于格子理论模型页岩储层气-固吸附分子动力学分析

利用格子理论模型探讨了甲烷在页岩中的吸附特征。该模型基于不同假设可发生一定转变,利用该理论预测甲烷吸附量的精度较高,绝对误差小于0.004 2mmol/g,预测精度随着温度的升高而略升;模型中确定的理论单层饱和吸附密度Г₀及吸附质分子与微孔表面之间的接触势能ε_s等参数可用来指示温压对甲烷吸附特征的影响及页岩中纳米级微孔发育程度。随着温度的升高|ε_s|减小,|ε_s|与温度间的变化近乎线性;Г₀<Г_max,Г₀可以大体表征分子吸附状态,甲烷在页岩中吸附的Г₀和|ε_s|值比富含纳米级微孔的多孔活性炭小得多。同时讨论了所定义参数Y与X之间的线性关系,进而对微孔中吸附质分子间平均作用势ε_a进行了估算,结果表明|ε_a|<|ε_s|;在测试温压范围内,随着温度的升高|ε_a|先升高后降低;温度较低时ε_s/ε_a倍率较大(7.05倍),随着温度升高,该倍率减小并逐渐趋于稳定(平均约3.37倍)。利用该理论对不同地区及不同类型页岩在更宽尺度温压范围内对页岩微观结构表征或真实含气量关系研究具参考价值。      

中高渗倾斜地层与水平地层中CO2地质封存的差异性对比

CO2地质封存是减少CO2向大气排放,缓解温室效应的有效手段之一。由于构造和成岩作用,倾斜地层在自然界中普遍存在,研究倾斜地层对CO2封存量及安全性的影响具有实际意义。依托新疆准噶尔盆地阜康凹陷某CO2地质封存示范工程,采用数值模拟方法,分析了中高渗CO2储层地层倾角变化对CO2地质封存过程的影响。结果表明:CO2注入将导致近井区域地层压力显著升高;中高渗倾斜地层与水平地层相比,在地层压力分布、CO2侧向运移距离、CO2注入速率和总封存量等方面均存在明显差异。相比于水平地层,由于地层倾角的存在,倾斜地层压力呈不对称分布,CO2侧向运移距离显著加大。倾斜地层中压力传递和消散过程与水平地层差异显著,受此影响,倾斜地层与水平地层CO2的总注入量差值随时间呈非单调性变化。在注入初期,倾斜地层CO2的总注入量小于水平地层,随着注入时间延长,倾斜地层CO2的总注入量逐渐接近并超过水平地层;注入20年后,相较于水平地层,倾斜地层倾角越大越有助于增加CO2的总注入量,这一研究结果与前人基于低渗倾斜地层的研究结论正好相反。地层倾角的存在会促进CO2向浅部运移,倾角越大,CO2向浅部含水层和大气泄露的风险越大。因此,在CO2地质封存场地选址中,应充分考虑倾斜地层对封存效率及安全性的影响。     

川东南地区志留系龙马溪组页岩孔隙结构特征

页岩储层的孔隙结构对页岩气资源评价和勘探开发具有重要意义。通过高压压汞法、低压氮气吸附法、氩离子抛光-场发射扫描电镜对川东南龙马溪组页岩微观孔隙结构特征进行了深入的研究,分析了微观孔隙发育影响因素。研究表明,页岩排驱压力比较高,孔隙分选差,退汞率极低,说明孔隙与喉道非常不均一;页岩比表面积为12.330~29.822 m2/g,平均为20.132m2/g;孔体积为0.015 9~0.094 7cm3/g,平均为0.044 5cm3/g;平均孔径为3.484~12.473nm,平均为7.400nm;主体孔隙为中孔,存在一部分的微孔和大孔,氮气吸附-脱附曲线表明孔隙形态以墨水瓶形孔和狭缝状孔为主。孔隙类型可分为有机质孔、原生残余孔、次生溶蚀孔、黄铁矿晶间孔、黏土矿物晶间孔、裂缝6种类型,其中原生残余孔、次生溶蚀孔可达微米级。有机碳含量、石英含量、黏土矿物含量、热演化程度均会影响微观孔隙发育,比表面积和孔体积随有机碳、石英含量的增加而增加;而随黏土矿物含量的增加,比表面积、孔体积呈减小趋势;适宜的热演化程度是纳米级孔隙发育的重要影响因素。      

贵州丹寨南皋下寒武统牛蹄塘组黑色页岩孔隙结构特征

页岩孔隙结构特征研究对页岩含气性评价具有重要意义。以上扬子东南缘南皋剖面下寒武统牛蹄塘组页岩储层为例,
应用场发射环境扫描电子显微镜观察了页岩纳米级孔隙微观形态,通过低温氮气吸附法测定了页岩的氮气吸附等温线,并结合X-
衍射矿物定量分析和有机碳含量测定,探讨了纳米级孔隙发育的控制因素。研究结果表明:矿物成分主要为黏土矿物(伊利石和
少量绿泥石)、石英、长石、重晶石和石膏等。石英含量相对较高且沿剖面向上降低,wB 平均为53%;相反,黏土矿物含量较低且沿
剖面向上增加,wB 平均为34%;碳酸盐矿物较少,仅在顶部可见。页岩主要发育粒内孔、粒间孔、裂缝和有机质孔4种孔隙类型,
其中前两者较为常见。根据氮气吸附-脱附曲线、孔径分布特征、孔体积和比表面积可将样品划分为4类黑色页岩,孔隙以似片
状颗粒组成的非刚性聚合物的槽状孔为主,前3类黑色页岩的孔径分布呈双峰形态,第4类黑色页岩的孔径分布呈单峰形态,最
可几孔径分别为d≈0.9nm和d≈3.5nm。孔体积在0.0028~0.0243cm3/g之间,平均为0.0147cm3/g,比表面积在1.0568
~28.8250m2/g之间,平均为17.5418m2/g,4类黑色页岩微孔频率分布依次减小,而介孔和宏孔频率分布逐渐增加,即微孔性
逐渐变差,至第4类黑色页岩几乎只有宏孔孔隙。有机质丰度和矿物组分控制丹寨南皋牛蹄塘组黑色页岩的孔隙发育,其中有机
质有利于孔隙发育且有机质微孔是孔体积和比表面积的主要贡献者;石英有利于孔隙发育,而黏土矿物则降低黑色页岩的孔隙
性;它们均主要通过控制微孔和介孔的发育来控制黑色页岩的孔隙发育。      

四川盆地长宁构造地区龙马溪组页岩孔隙结构及其分形特征

以四川盆地长宁构造地区古生界下志留统龙马溪组页岩为例,利用低压氮气吸附测试手段和分形法理论,分析了页岩的孔隙结构参数及分形维数,结合有机质含量和矿物组成分析,研究了页岩孔隙结构特征及其分形特征的影响因素。结果表明:龙马溪组页岩孔隙结构复杂,孔隙主要以两端开口的圆筒状孔、墨水瓶状孔等开放性孔为主,孔径主要在1~10nm之间,孔径主峰位于1.86nm附近;页岩平均孔径在1.807~4.343nm之间,与w(TOC)、石英含量呈负相关,与黏土矿物含量呈正相关,其中w(TOC)对其影响显著;页岩总孔容在0.010 76~0.025 04cm3/g之间,比表面积在5.416~25.958m2/g之间,页岩总孔容、比表面积与w(TOC)、石英含量呈正相关,与黏土矿物、碳酸盐含量呈负相关;页岩具有双重分形特征,大孔隙分形维数D₁为2.091 8~2.653 7,小孔隙分形维数D₂为2.724 8~2.857 5,说明大孔隙结构的复杂程度大于小孔隙;页岩孔隙的分形维数与比表面积和总孔容呈正相关,而与平均孔径呈负相关;与w(TOC)、石英含量呈正相关,与黏土矿物、碳酸盐含量呈负相关,其中w(TOC)、石英和黏土矿物含量对页岩孔隙结构复杂性影响较大。      

低渗透储层微流动机理及应用进展综述

低渗透储层具有孔喉细小、孔隙结构复杂、比表面积大,黏土矿物类型丰富等特点,这些特点致使流体在低渗透储层中
流动会产生强烈的微流动效应。微流动效应主要包括稀薄效应和不连续效应、表面优势效应、低雷诺数多流态效应、多尺度多相
态效应等,这些特殊效应将影响描述流体流动的微分方程及边界状态。孔隙结构特征、黏土矿物产状、润湿性、岩石矿物荷电性等
是低渗透储层微流动的影响因素,通过控制这些因素,可以改变流体在低渗透储层中的流动特征,从而控制油、气、水产量。目前
已经形成了界面修饰技术、电化学驱油等采油新技术。以微流动机理为基础,结合孔隙结构特征,找出影响低渗透储层流体流动
的主控因素,采用具有针对性的开采技术将成为高效开发低渗透油气资源的有效途径。      

鄂尔多斯盆地陆相页岩吸附规律研究

为了研究鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩的吸附能力,选取粒度为0.28~0.18 mm(60~80目)的页岩样品,运用吸附等温测试实验研究了温度、压力、有机碳含量、含水饱和度对页岩吸附规律的影响,对比研究了不同气体在页岩上的吸附能力;运用Langmuir吸附模型拟合实验结果,探索了不同影响因素与拟合参数之间的相互关系。研究表明:吸附量随压力、有机碳含量的增加逐渐升高;随温度的升高而降低;在含水的情况下,气体的吸附量减小;不同气体的吸附能力大小依次为:CO2>CH4>N2。Langmuir吸附模型可以很好地描述测试压力范围内气体的吸附规律,根据拟合参数与温度、有机碳含量之间的线性关系,对Langmuir吸附模型进行了修正,预测出了不同深度、不同有机碳含量下的页岩气吸附量,验证了页岩气在高压下的“负吸附”现象。      

鄂尔多斯盆地南部延长组页岩微观储集空间特征

以鄂尔多斯盆地三叠系延长组泥页岩为研究对象,采用岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜分析、比表面积及孔径分布分析和等温吸附实验等方法,研究页岩气储层微观储集空间的类型、成因及微观孔隙结构.结果表明:延长组泥页岩微孔隙与矿物的形成与转化存在一定联系,微孔隙中次生孔隙是不稳定矿物溶解和矿物成岩转化过程体积收缩等作用的综合结果.泥页岩孔径分布主要在10~30nm之间,孔径分布特征与页岩比表面积具有较好的对应关系.根据等温吸附—脱附曲线形态,将研究区微孔隙形态分为四类,研究区以第Ⅱ类微孔隙结构为主,页岩气的解吸效率相对较高.该研究结果为明确研究区延长组页岩微观储集空间特征及页岩气赋存机理提供指导.     

方解石与柠檬酸/酒石酸模拟实验中的反应规律

柠檬酸/酒石酸可使方解石产生矿物溶蚀及生物矿化等现象,研究它们之间的反应规律对富含有机酸环境中方解石矿物的稳定性评估及相应的地球化学效应研究具有重要意义。通过批量平衡法,研究开放系统条件下方解石与柠檬酸/酒石酸之间的反应规律及对应的溶液化学变化。结果表明：(1)初始浓度为20 mg·L^-1条件下,初始pH值由7.7升至9.7,柠檬酸与酒石酸的反应去除量均显著下降,这是由于方解石表面的静电效应及溶液中HCO^-₃与CO■的竞争效应不断增强,对两种酸的表面吸附反应起抑制作用。(2)初始pH值为7.7及8.3条件下,初始浓度为20 mg·L^-1的两种酸与方解石反应7 h后便达到平衡,pH值和Ca浓度较空白值变化不大,辅证了反应的主导机制为表面吸附。(3)在0～900 mg·L^-1浓度范围内,柠檬酸和酒石酸在初始pH值为8.3条件下,其反应去除量均能用Langmuir吸附模型很好地拟合,辅证了以上的反应去除机制均为表面吸附;初始pH值为7.7条件下,柠檬酸的反应去除量可用Langmuir...     

基于熵权TOPSIS法的低渗透砂岩储层流动单元划分

为了使储层流动单元划分结果更具有客观性,应用熵权TOPSIS法,以丘陵油田三间房组储层为例,选取孔隙度、渗透
率、粒度中值、饱和度中值压力、退汞效率和含油饱和度6个参数,将研究区储层划分为E、G、M、P4类流动单元。研究表明,不同
类型的流动单元有着不同的微观孔隙结构特征,其孔隙类型、接触方式、喉道类型、连通性和驱油效率都存在着明显差异。熵权
TOPSIS法具有较好的综合判别能力,划分的各类储层流动单元特征明显,为储层流动单元的划分及评价提供了一条新的思路。      

贵州织金地区稀土磷块岩矿床中稀土元素赋存状态

以稀土磷块岩矿床为研究对象,采用电感耦合等离子体光谱法和质谱法研究了3个代表性样品的基本化学组成,分析了40多个元素的含量,确定了矿物质量分数和赋存状态,研究了稀土元素在其中的分布特征。结果表明,97%以上的稀土元素呈类质同象状态部分置换磷灰石晶格中的Ca2 存在,只有小于3%的稀土元素呈被粘土质等吸附状态或离子交换(吸附)状态存在。     

页岩气藏数值模拟及井底压力动态分析

为研究页岩气藏生产过程中井底压力动态及影响因素,基于质量守恒定律,考虑解吸和压力敏感系数,建立页岩气藏双孔双渗数学模型,对数学模型差分离散得到数值模型并求解;分析解吸、兰氏体积、兰氏压力、吸附时间、压力敏感系数等对井底压力双对数曲线的影响.结果表明:吸附气解吸使压降速率变缓且较晚触到边界;兰氏体积或兰氏压力越大,井底压力双对数曲线的下凹部分越明显;吸附时间常数越短,扩散效果越好,越容易达到整体径向流段;压力敏感系数越大,双对数曲线上翘越明显.该研究结果对页岩气藏开发具有指导意义.     

压力及温度对碳酸盐岩声波速度与频谱特征的影响实验

碳酸盐岩声波传播特征具有重要的应用价值,系统性地分析流体类型、流体压力、温度及围压对碳酸盐岩声波速度与频谱特性影响的研究仍需加强。选取四川盆地合川-潼南地区灯影组缝洞碳酸盐岩,开展了不同条件下的声波透射实验,分析了围压、孔隙压力、压力差、温度及流体类型对碳酸盐岩样品声波速度的影响及不同条件下透射声波的主频特征。研究结果表明:饱和地层水时声波速度对压力变化的敏感度较饱和氮气时低。压力变化过程中,声波速度变化幅度与岩样孔隙度为正相关关系。实验温度范围内,随着温度逐渐升高,饱和地层水、氮气岩心纵波速度、横波速度均小幅降低。当差应力较低时,通过改变孔隙压力来改变差应力的方式对应的声波速度大于通过改变围压来改变差应力方式对应的声波速度,当差应力较高时,结论相反。相同差应力条件下,声波速度对围压变化较孔隙压力变化更为敏感。定围压变孔隙压力与定孔压变围压曲线所对应的2条声波速度-差应力关系曲线的夹角及斜率差可定性反映岩样动态Biot有效应力系数相对大小。随着差应力增大,孔隙压力对有效应力的贡献逐渐降低。随着孔隙压力增大,纵波主频幅值、横波主频幅值均逐渐下降,随着围压增大,纵波主频幅值、横波主频幅值均逐渐增大,随着温度逐渐升高,纵波主频幅值、横波主频幅值均逐渐增大。研究结果有助于基于测井声波信息开展碳酸盐岩地层孔隙压力预测相关理论研究及工程应用。      

上斜坡区筇竹寺组沉积环境及其页岩气勘探潜力:以四川盆地威远地区威207井为例

为深入分析早寒武世(541~509 Ma)海洋化学状态、有机质富集机制，积极评价四川盆地西南部下寒武统筇竹寺组页岩气资源潜力，基于四川盆地威远地区威207井筇竹寺组岩石学、地球化学、主微量元素、孔隙结构与吸附特征，对寒武纪早期上斜坡区古海洋环境、有机质富集控制因素及页岩含气潜力进行了探讨。沉积旋回显示筇竹寺组细粒沉积期发育多个海平面升降控制下深水-浅水陆棚交互转换旋回，但以浅水陆棚相为主，发育典型斜坡浊积体(扇)、重力流沉积。以威远地区为代表的上斜坡区未长期处于深水区，富有机质黑色泥页岩沉积厚度受限。有机地球化学测试结果显示，威207井筇竹寺组有机质以Ⅰ型干酪根为主，热演化程度高，残余烃较少，生烃能力偏低。氧化还原参数指示地处上斜坡的威远地区寒武纪初期海洋环境处于中等限制程度，仅存在一定程度的上升流，海水经历了“缺氧-氧化-缺氧-次氧化-氧化”的转变过程，致使上斜坡区古海洋生产力水平整体较低，由下至上呈明显下降趋势。微观孔隙结构与氮气吸附曲线指示筇竹寺组储层以复杂的、无规则狭缝型孔为主，甲烷吸附量和w(TOC)呈正相关性，但与温度呈负相关性，表明筇竹寺组现今普遍面临的高压高温条件不适于甲烷吸附。上述证据指示上斜坡区筇竹寺组页岩气地质条件较复杂，勘探风险较高，建议资源评价方向应往以深水陆棚相沉积为主的拉张槽区转变。      

焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩孔隙结构特征及其主控因素

孔隙结构是评价页岩储气能力、渗流能力以及是否具有商业开采价值的关键。以重庆焦石坝JY1井五峰组-龙马溪组底部富有机质页岩为研究对象,选取了15块页岩样品开展了有机碳含量、X射线衍射、压汞、氦气孔隙度测定,低温氮吸附、氩离子抛光电镜观察,并结合沥青反射率测定、天然气碳同位素等资料表征页岩孔隙体积、大小和分布特征;从外部和内部两方面探讨了孔隙结构的主要控制因素。研究表明:①JY1井五峰组-龙马溪组页岩孔隙类型主要为无机孔(黏土矿物晶间孔、粒间孔和粒内孔)、有机质孔和微裂缝;②压汞和吸附实验显示页岩孔隙结构相对较复杂,以孔径小于50nm的孔隙为主,微孔提供了大部分的比表面积(约占65%),中孔提供了大部分的比孔容(约占57%),且以四面开放的平行板状孔隙为主,兼有多种其他形态的孔隙;③自白垩纪以来的多次挤压抬升剥蚀过程中,构造应力或温压的变化可能形成了大量微裂缝,沉积环境的差异制约了富有机质页岩发育的厚度、分布以及有机碳的富集程度;④相关性分析表明,微孔、中孔的比表面积和比孔容与有机碳质量分数关系密切,其中中孔体积和微孔的比表面积表现最明显;黏土矿物和石英质量分数对孔隙结构的影响呈现此消彼长的效果;当R_o<3.0%时,微孔和中孔的比表面积、比孔容与R_o值呈弱的负相关,反之呈现增大趋势,这与过高热演化阶段,生气速率变慢反而制约了纳米级孔隙发育,导致微孔数量减少有关。