四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩气不同传输类型的临界孔径与传输能力

页岩气的扩散和渗流是页岩气富集过程中非常重要的地质作用,在地层条件下页岩气以扩散和渗流形式在微—纳米孔隙网络中进行传输。本文以四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩气藏为研究对象,基于克努森数与气体吸附机理,明确了页岩气扩散和渗流的主要类型;进一步结合气体微观分子动力学模拟,明确了剖面上不同页岩气扩散和渗流类型的临界条件;基于达西公式与菲克公式基本物理定义,建立了扩散系数与渗透率的关系,结合焦石坝地区龙马溪组页岩不同孔径下孔隙体积权重,查明了页岩全孔径视测渗透率的分布特征。研究表明,页岩气在地下主要存在三种扩散与两种渗流形式,包括吸附气表面扩散、克努森扩散、菲克扩散、滑脱渗流和达西渗流,现今焦石坝地区5种扩散和渗流类型临界孔径依次为1.2 nm、1.6 nm、25.0 nm、225.0 nm,不同扩散和渗流形式对应的孔隙体积占比依次为15.3%、5.6%、60.7%、6.4%、12.0%;宏孔主要提供了气体渗流空间、微孔与中孔主要提供了气体扩散空间,渗流传输能力约为扩散传输能力的10⁶倍。     

柴达木盆地东部石炭系致密灰岩孔渗特征

碳酸盐岩储层孔隙系统复杂。对空隙结构特征、渗流机理的研究直接影响到油气资源的勘探和开采。本研究选取了柴达木盆地东部地区ZK5-2钻井中石炭系的5块致密灰岩样品,通过XRD、XRF技术对灰岩的矿物成分、化学成分进行定量测试;利用氦气双室法与孔径分布实验（包括压汞法、氮气吸附法、二氧化碳吸附法）确定灰岩的孔隙度与空隙的孔径分布;用CH4、N2、CO2、He四种气体进行渗流实验确定灰岩的表观渗透率。研究结果表明:致密灰岩的表观渗透率与其孔隙度没有明显的关系。表观渗透率由达西流、滑脱流与扩散流三部分组成,表观渗透率大小按CH4、N2、CO2、He的顺序依次增加,其中He所测得的表观渗透率明显高于其他三种气体。滑脱流对表观渗透率的贡献受到分子平均自由程与孔径的双重控制,当气体分子平均自由程与岩石内集中出现的孔径接近时,在这些相近孔径的孔隙中会出现明显滑脱现象,此时滑脱流将对表观渗透率产生较大的贡献。分子平均自由程较大的气体在致密灰岩中主要以扩散的形式运移。岩石孔径小于分子平均自由程的孔隙所占比例越大,扩散流对表观渗透率的贡献度越高。      

低渗孔隙介质的渗透率应力敏感性及气体滑脱效应实验研究:以鄂尔多斯盆地延长组第7段泥/页岩为例

气体渗透率作为重要的孔隙介质属性,是页岩气开发的重要参数。在纳米孔隙介质中,气体渗透率很大程度上受分子滑脱效应的影响。当孔隙大小和分子自由程达到了可比较的程度,单个气体分子与孔壁之间的相互作用更加明显,气体传输不再遵循达西定律。本次研究采用压力脉冲衰减技术测量了鄂尔多斯盆地延长组第7段泥岩(YK-108)和页岩(YK-81)的气体渗透率,通过Klinkenberg校正求得了样品的固有渗透率,建立了样品的渗透率应力敏感性,定量表征了分子滑脱效应的相对贡献并探讨了其影响因素,最后讨论了地质条件下的分子滑脱效应及其地质意义。研究发现,矿物组成影响渗透率应力敏感性,分子滑脱效应对表观渗透率有显著贡献,测试样品中气体主要通过滑脱流和转换流传输,不属于达西流范畴。     

川南地区龙马溪页岩气体滑脱效应实验研究

针对页岩储层气体滑脱效应特征及其影响机制不清问题,选取四川盆地长宁地区志留系龙马溪组页岩样品,开展了低温氮气吸附孔隙结构表征实验,并利用非稳态脉冲衰竭方法测量了不同围压下氦气、氮气在页岩岩心上的气体渗透率,分析了平均孔隙压力、气体类型、围压对滑脱效应的影响,建立了滑脱因子的预测关系式。结果表明:压力低于2.5 MPa时,页岩气体滑脱效应不能忽略。由于"分子筛效应"的影响,页岩克氏渗透率与测试流体介质类型有关,以氦气为流动介质测试得到的克氏渗透率大于以氮气为流动介质的测试结果。滑脱效应与气体类型有关,龙马溪组页岩的氦气滑脱因子约为氮气滑脱因子的1.7倍。利用滑脱因子计算得到围压为10～40 MPa时,氦气在页岩上的有效渗流孔径为113～166 nm,氮气的有效渗流孔径为66～99 nm,均远大于液氮吸附法测试的平均孔径。建立了龙马溪组页岩气体滑脱因子与克氏渗透率的幂函数关系,为页岩气流动模型的建立提供了基础。     

川东南地区龙马溪组页岩孔隙结构全孔径表征及其对含气性的控制

页岩气主要赋存于页岩孔隙中,研究页岩孔隙结构特征是深入认识页岩气富集机理的关键。通过CO2吸附、N2吸附、CH4等温吸附和高压压汞实验,对川东南地区龙马溪组页岩的孔隙结构进行了全孔径表征,并阐明了孔隙结构对页岩含气性的控制作用。页岩的微孔(＜2.0 nm)、中孔(2.0~50.0 nm)和宏孔(＞50.0 nm)都十分发育,且分布特征变化较大。在孔体积方面,中孔提供的孔体积最多,约40.8%,其次是微孔,约34.7%,宏孔的孔体积最少,只提供24.5%。在孔隙比表面积方面,微孔占有绝对优势,约提供76.87%,其次是中孔,约23.05%,宏孔只有0.07%。中孔和微孔提供了页岩中主要的孔体积,控制了游离气的含量。微孔的比表面积与CH4最大吸附量具有很好的正相关关系,且提供了页岩中主要的比表面积,控制了吸附气的含量。宏孔提供的孔体积和比表面积在页岩中不占优势,对吸附气和游离气含量的影响较弱,但可作为页岩气渗流的主要运移通道。因此,明确页岩的微孔、中孔和宏孔的分布特征,尤其是微孔对页岩中吸附气和游离气富集的贡献,对页岩气勘探与开发具有重要指导意义。     

下扬子地区牛蹄塘组和五峰组—龙马溪组页岩孔隙结构特征的差异性分析

页岩气体主要以游离态和吸附态存在于页岩储层中,页岩的孔隙结构决定着页岩的吸附和渗流特性,页岩孔隙结构特征包括孔隙的大小、体积、比表面积、形状、连通性和空间分布等,这些特征对页岩气的富集具有重要的影响。因此,研究页岩储层的孔隙结构对于页岩的含气性评价和勘探开发具有十分重要的意义。利用场发射扫描电镜对样品进行观察,定性分析孔隙结构特征。利用压汞实验、低温气体(N2、CO2)吸附实验,结合定性与定量表征手段,分析下扬子地区下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组2套富有机质页岩孔隙结构特征的差异。从扫描电镜观察结果来看五峰组—龙马溪组页岩内的孔隙主要发育在有机质网络内,有机质孔隙相互连通。根据页岩的N2吸附脱附曲线形态也可以发现五峰组—龙马溪组页岩等温线的滞后环较大,在相对压力为0.4~0.5可以看到拐点,说明对应的孔隙以两端开放的管状孔和平行壁的狭缝状孔为主,孔隙连通性好,有利于气体的渗流。从扫描电镜中观察到牛蹄塘组页岩中的孔隙主要由粒间孔隙和有机质孔隙组成。粒间孔隙相对较大,但数量较少,彼此之间互不连通;有机质孔隙相对较小,呈圆球状,孔隙直径集中在几到几十纳米之间。根据其等温线上滞后环狭小,拐点不明显,说明也页岩中发育有单边封闭的盲孔,孔隙孔道堵塞,形成盲孔。根据压汞实验、低温气体吸附实验的数据可得出牛蹄塘组页岩的总孔体积与总比表面积均大于五峰—龙马溪组页岩。可是分别从微孔、介孔和宏孔来看,牛蹄塘组页岩只有微孔的孔体积与比表面积大于五峰—龙马溪组页岩,而介孔与宏孔范围内的孔体积与比表面积均小于五峰—龙马溪组页岩,说明牛蹄塘组页岩微孔更加发育,空隙间的连通性较差,气体容易保存却难渗流;龙马溪组的孔隙连通性更好,有利于页岩气的开发。     

页岩气开采的相关实验、模型和环境效应

页岩气是一种重要的非常规天然气资源,正在改变世界能源、经济和政治格局。渗透率是评价页岩气藏商业开采可行性的重要参数之一,由于页岩的致密性,页岩气的流动机理不同于常规气藏,因此,页岩储层渗透率测试和页岩气流动模型已成为当前国际研究的热点课题之一。在对页岩气开采技术简单介绍的基础上,综述了页岩储层渗透率测试的试验和理论研究现状,分析了气体吸附对页岩渗透率的影响。阐述了页岩气流动模型的最新进展,分析了双重孔隙模型描述气体迁移的准确性,提出了描述均匀储层中页岩气解吸-扩散-渗流多级运移模型。评述了页岩气开采的温室效应和对地下水的影响,并简单介绍了适合页岩气开采的新技术即无水压裂开采技术,即采用CO2对页岩气藏分段压裂,同时将CO2埋存于废弃井中。最后,对页岩储层渗透率测试和页岩气流动模型研究的新发展以及无水压裂技术进行了展望。     

低压N_2吸附测试条件对页岩样品测试结果的影响

<正>低压N2吸附能够获得较为准确的比表面积、孔尺寸、孔体积、孔径分布等参数,是目前页岩气储层纳米孔隙系统表征的常用方法之一。低压N2吸附实验测试条件如样品粒径及脱气温度的选择可能对测试结果造成较大影响,从而影响对页岩储层孔隙的准确评价。前人相关研究中页岩气储层低压N2吸附实验测试条件的选择尚未形成统一标准。笔者通过黑色页岩样品不同粒径和不同脱气温度条件下的低压N2吸     

页岩气藏多尺度微观传质机理研究

页岩气藏微-纳米孔隙发育,天然气以游离和吸附态富集,与常规气藏比较、天然气富集特征、气体传质过程等都更为复杂。页岩气藏经压裂改造后形成人工裂缝-天然裂缝-基质多尺度传质路径,其微观传质过程涉及多种方式,对页岩气藏多尺度微观传质机理的研究将有助于提高页岩气藏开采效率。调研认为,气体传质过程包括有机孔隙和无机孔隙中气体的流动,扩散-渗流模型应考虑吸附-解吸附、滑脱效应、Knudsen扩散以及无机孔隙含水等因素的影响;根据其成藏特点,建立不同孔隙类型、不同尺度孔隙通道条件下气体传质数学模型,可为页岩气藏的开发设计提供依据。     

渝东南—黔北地区牛蹄塘组页岩微-纳米级孔隙发育特征及主控因素分析

以渝东南-黔北地区牛蹄塘组页岩岩心及野外新鲜露头样品为研究对象,运用低温液氮吸附实验和氩离子抛光扫描电镜观察,划分页岩微纳米级孔隙类型,并对其发育程度和形态结构进行定量表征,结合页岩样品地球化学测试数据,明确页岩微观孔隙发育主控因素,试图建立微纳米级孔隙发育程度与主控因素定性或半定量关系。结果表明：研究区牛蹄塘组页岩微纳米级孔隙分为有机孔、无机孔和微裂缝3大类,包括7个亚类。有机质粒内孔结构特征为球状、细瓶颈状和墨水瓶状,无机孔主要为串珠状、球状和楔状,微裂缝呈四方开口的平行板状、夹板状。有机质粒内孔、矿物粒间孔和微裂缝为主要孔隙类型,且具有较好连通性,可作为页岩气赋存空间和渗流通道。页岩孔隙以中孔为主,其次为宏孔,孔隙直径分布范围主要在1~50 nm。比表面积主要由孔径≤5 nm孔隙所提供,页岩孔隙孔径越小,对比表面积贡献越大,越有利于页岩气吸附聚集,随着孔隙体积的增加,比表面积不断增加。有机碳含量是控制页岩微纳米级孔隙发育和比表面积的最重要内因,特别体现在对微孔和中孔发育的控制上;黏土矿物含量增加能增强页岩吸附能力,但对孔隙体积和比表面积主控作用不明显;脆性矿物含量主要控制宏孔发育,对页岩吸附的贡献可以忽略;热演化程度过低或过高均不利于有机质孔隙的发育,微纳米孔隙体积随着成熟度增加呈现出先增后减的趋势,对于高过成熟页岩,不同干酪根类型的有机质孔隙发育程度和比表面积大小次序为Ⅰ型＞Ⅱ型＞Ⅲ型。     

页岩气藏微裂缝表观渗透率动态模型研究

为研究页岩气藏开发过程中介质变形和滑脱效应对微裂缝表观渗透率动态变化的影响规律,分析有效应力和多孔介质结构参数等对气体渗流影响机制,采用光滑平板模型,结合分形及气体微观渗流理论,建立了介质变形和滑脱效应耦合作用下的微裂缝表观渗透率动态模型,并对模型进行可靠性验证和参数敏感性分析。研究表明,页岩气藏降压开采过程中受介质变形和滑脱效应“一负一正”耦合影响,微裂缝表观渗透率呈先减小后增大趋势,且临界压力值约为5 MPa;不同有效应力状态下,由于介质变形和滑脱效应耦合机制的差异性,导致表观渗透率变化规律不同,从微观作用机制角度对实验中不同加载条件下页岩应力敏感性的差异做出了理论解释;微裂缝最大开度越小,表观渗透率曲线“凹槽”越深,同时微裂缝孔隙度及开度分形维数越高、迂曲度分形维数越低,表观渗透率值越大。     

不同温度条件下气体压力升降过程中瓦斯运移规律的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,对不同温度条件下型煤试件在气体压力升降过程的渗流特性进行了试验研究,以模拟随采深增加引起的地温升高条件下煤的渗透特性。同时,为探讨低渗储层的滑脱效应进行了相同条件下氦气的平行试验。研究结果表明：（1）升压阶段,轴向应变增大,径向应变减小,近似呈线性变化;降压阶段,随气体压力降低,应变呈现出与升压阶段相同的变化趋势。随温度升高,应变随气体压力变化的斜率增大。（2）升压阶段,随气体压力升高,渗透率呈二次抛物线型变化,约在气体压力为3.0 MPa左右到达最小;降压阶段,随气体压力减小,渗透率先略有减小后增大,升压阶段渗透率大于降压阶段渗透率。（3）升压阶段滑脱效应引起的渗透率变化量大于降压阶段的变化量,且滑脱效应所引起的渗透率变化量随气体压力增加呈幂指数函数降低。     

皖南地区古生界页岩孔隙特征及影响因素

为了评估下扬子皖南地区古生界页岩气储层性质,应用扫描电子显微镜、高压压汞法、N₂和CO₂气体吸附法,对皖南地区古生界页岩孔隙特征和孔隙结构进行研究,并探讨页岩孔隙发育的主要影响因素。结果表明,皖南地区古生界页岩孔隙度和渗透率低,页岩样品中常见粒间孔、凝絮孔、溶蚀孔、基质晶间孔和有机质孔,并且发育微米-纳米级孔隙。古生界页岩孔隙中50%以上为微孔和介孔;孔隙结构主要为圆柱孔、狭缝型孔和混合型孔,平均孔径范围为4.17~12.06 nm。页岩孔容和比表面积随着有机碳(TOC)含量的增大而增大;页岩孔隙度随着有机质成熟度(R_o)的增大而减小;页岩孔容随着黏土矿物含量的增加而增大,随着脆性矿物含量的增加而减小。     

致密岩石介质中气体滑脱效应的研究进展

致密岩石介质中的气体渗流有别于液体渗流,其中滑脱效应是影响致密岩石介质中气体渗流规律的一个重要因素。通过分析国内外学者在气体滑脱效应方面的研究进展,总结了滑脱效应的产生机理和产生条件,认为气体分子在孔壁附近的运动状态是产生滑脱效应的根本原因。同时围绕孔隙气体压力、围压、含水饱和度、气体性质等因素对气体滑脱效应的影响及实质进行综合分析。分析结果对研究低渗透多孔介质中气体渗流规律和测定低渗气田开发中气体渗透率参数等方面具有较大的参考意义。      

Geological and geochemical characteristics of the Middle–Lower Jurassic shales in the Kuqa Depression,Tarim Basin: an evaluation of shale gas resources

Middle–Lower Jurassic terrigenous shales constitute a set of significant hydrocarbon source rocks in the Kuqa Depression of the Tarim Basin. Until recently, however, most investigations regarding this set of hydrocarbon source rocks have mainly focused on conventional oil and gas reservoirs, and little research has been conducted on the formation conditions of shale gases. This research, which is based on core samples from nine wells in the Kuqa Depression, investigated the geological, geochemical, mineralogical and porosity characteristics of the shales, analysed the geological and geochemical conditions for the formation of shale gases, and evaluated the shale gas resource potential. The results show that the distribution of the Middle–Lower Jurassic shales is broad, with thicknesses reaching up to 300–500 km. The total organic carbon (TOC) content is relatively high, ranging from 0.2 to 13.5 wt% with a mean of 2.7 wt%. The remaining hydrocarbon generative potential is between 0.1 and 22.34 mg/g, with a large range of variation and a mean value of 3.98 mg/g. It is dominated by type III kerogen with the presence of minor type II₁ kerogen. The vitrinite reflectance values range from 0.517 to 1.572%, indicating the shales are in a mature or highly mature stage. The shales are mainly composed of quartz (19–76%), clay (18–68%) and plagioclase (1–10%) with mean contents of 50.36 wt%, 41.42 wt%, and 3.37 wt%, respectively. The pore spaces are completely dominated by primary porosity, secondary porosity and microfractures. The porosity is less than 10% and is mainly between 0.5 and 4%, and the permeability is generally less than 0.1 mD. These results classify the shale as a low-porosity and ultra-low-permeability reservoir. The porosity has no obvious correlation with the brittle or clay mineral contents, but it is significantly positively correlated with the TOC content. The maximum adsorbed gas content is between 0.82 and 8.52 m³/t with a mean of 3.37 m³/t. In general, the shale gas adsorption content increases with increasing the TOC content, especially when the TOC content is greater than 1.0%. The volumetric method, used to calculate the geological resources of the Middle–Lower Jurassic shales in the Kuqa Depression, shows that the geological resources of the Middle and Lower Jurassic shales reach 667.681 and 988.115 × 10⁹ m³, respectively with good conditions for the formation of shale gas and good prospects for shale gas exploration.     

湘西北地区寒武系牛蹄塘组页岩气资源前景

湘西北地区牛蹄塘组黑色页岩展布广泛,为寒武纪纽芬兰世—第二世滞留还原条件的沉积产物,适中的埋深和较大的厚度为其提供了良好的气藏条件。对其有机地化参数进行试验分析:TOC值为0.59%～13.05%,均值3.75%,有机质丰富;R_o值为1.87%～4.00%,均值3.05%,成熟度高;干酪根类型以Ⅰ型为主,少量为Ⅱ型,具有良好的生气潜力;矿物组成中脆性矿物含量为33%～87%,平均含量为68%,而黏土总量为13%～43%,平均为26%,脆性矿物/黏土矿物值高,有利于储层改造;页岩孔隙度为0.3%~8.0%,平均为3.3%,渗透率均小于0.04×10^-3μm²,为低孔低渗类型。综合研究表明,牛蹄塘组具有良好的页岩气生储潜力,同时运用条件概率体积法对其资源量进行评估计算,资源量十分可观。在此基础上对湘西北地区牛蹄塘组划分出6个页岩气有利区,为进一步实施页岩气勘查提供依据。     

湘中与湘东南岩关阶组和龙潭组页岩气潜力

为了揭示湘中与湘东南坳陷海陆过渡相页岩含气潜力及勘探方向,对该区下石炭统岩关阶组和上二叠统龙潭组泥页岩进行总有机碳含量TOC、镜质体反射率R_ran、干酪根碳同位素、有机质显微组成、X衍射、扫描电镜、孔渗特征和等温吸附等测试。结果表明岩关阶组和龙潭组处于成熟-高成熟期、类型以Ⅲ型为主;龙潭组泥页岩TOC含量普遍较高、而岩关阶组泥页岩TOC含量较低。龙潭组和岩关阶关组泥页岩矿物主要为黏土矿物和石英,部分含有较高的方解石。这两套页岩的孔隙发育较差,主要孔隙类型为有机孔、溶蚀孔和层间裂缝。孔隙度为0.41%~2.76%、渗透率为（0.08~0.98）×10-3 μm2。孔隙度主要受TOC控制,不稳定矿物如长石和碳酸盐岩虽然能提供一定孔隙,但对页岩物性的影响有限。泥页岩的甲烷吸附量普遍在1.67~2.5 cm3/g,2015H-D3井龙潭组泥页岩现场解吸气量普遍大于0.5 cm3/g,最高为2.35 cm3/g,表明湘中和湘东南地区龙潭组具有一定的页岩气潜力,但岩关阶组勘探前景相对较差。      

裂缝参数对考虑滑脱效应页岩气水平井产能的影响

低渗透页岩气藏中,气体渗流时会受滑脱效应的影响。建立了考虑滑脱效应的气、水两相页岩气藏渗流数学模型,并建立了理想地质模型,采用数值模拟方法,研究了水力压裂的不同裂缝参数对水平井产能的影响。模拟结果表明:裂缝条数、长度和间距是影响页岩气井产能的重要参数,而裂缝宽度和渗透率对产能的影响相对较弱;页岩气井的产能随着裂缝条数和裂缝长度的增加而增大;水平井的水平段长度及裂缝条数一定时,可通过增大裂缝间距来减少裂缝间的相互干扰。