頁(yè)巖儲(chǔ)層分形特征及孔隙結(jié)構(gòu)研究

頁(yè)巖儲(chǔ)層分形特征及孔隙結(jié)構(gòu)研究

對(duì)于獨(dú)立儲(chǔ)層，天然氣主要以?xún)煞N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(yè)巖氣的巖石物理特性,發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層的產(chǎn)能受其孔隙形態(tài)的影響。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有多種孔隙類(lèi)別,孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,用霍多特(1966)的分類(lèi)方法,可以把頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(guò)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(shí),自由氣能夠在孔隙中滲流,其滲流會(huì)影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(yè)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?xún)H在一定的尺度范圍、一定的層次中才表現(xiàn)出來(lái)。分形維數(shù)可以用來(lái)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(cè)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(cè)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(chǔ)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(shuō)明孔隙表面越光滑,儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能越好;反之,分形維數(shù)值越接近3,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,儲(chǔ)集性能越差。Katz和Krohn等通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)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(shí)驗(yàn)、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(chǔ)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(yè)巖氣儲(chǔ)層特征的文獻(xiàn)還不多。1非潤(rùn)濕相汞壓入巖心的體積頁(yè)巖氣、煤層氣等非常規(guī)儲(chǔ)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(yè)巖氣儲(chǔ)層。非潤(rùn)濕相(汞)壓入巖心的體積為式中:Vmp為非潤(rùn)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(rùn)濕相(汞)壓入體積與毛管壓力的關(guān)系也可以按下式計(jì)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(yè)巖氣儲(chǔ)層。通過(guò)巖石樣品的X射線衍射實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡測(cè)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(shí)驗(yàn)研究采用的儀器是9500自動(dòng)壓汞儀,實(shí)驗(yàn)所得壓汞曲線可以總結(jié)為2類(lèi),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。以2號(hào)巖心樣品的壓汞曲線為例,具體分析第一類(lèi)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(shí),汞開(kāi)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(lèi)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(hào)巖心為例,分析第二類(lèi)壓汞曲線的特征(圖1-B)。這類(lèi)壓汞曲線與第一類(lèi)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(gè)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(lèi)壓汞曲線類(lèi)似,當(dāng)進(jìn)汞壓力約>10MPa時(shí),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(shí)四川盆地上三疊統(tǒng)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的壓汞曲線特征是否具有代表性,我們與國(guó)外頁(yè)巖儲(chǔ)層的壓汞曲線特征進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)Barnett儲(chǔ)層的Utica頁(yè)巖的壓汞曲線與本文提到的第二類(lèi)曲線相似(圖3),Elgmati研究的注入曲線與第一類(lèi)曲線類(lèi)似(圖4)。3儲(chǔ)層參數(shù)特征根據(jù)公式(2)分別計(jì)算出2號(hào)樣品和4號(hào)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(duì)應(yīng)于第一類(lèi)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(duì)應(yīng)于第Ⅱ類(lèi)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(guò)斜率可以計(jì)算出分形維數(shù)。采用壓汞曲線計(jì)算的分形維應(yīng)該在2~3之間。越接近2,說(shuō)明孔隙表面越光滑,儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能越好;反之,分形維數(shù)值越接近3,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,儲(chǔ)集性能越差。將圖5-A和圖2進(jìn)行對(duì)照。圖5-A中,只有當(dāng)lgpc為-0.8~1(即pc約為0.15~10MPa)時(shí),曲線的斜率為-1.5004,對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)約為2.5。這段曲線對(duì)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(shí),對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)>3,這2段對(duì)應(yīng)于圖2中的a部分和第Ⅱ階段。圖5-A證實(shí)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(guò)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(shí),分形維數(shù)>3的壓汞曲線不能反映頁(yè)巖孔隙的特征。圖5-B中,當(dāng)lgpc<1(即pc<10MPa)時(shí),曲線的斜率為-1.062,對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)約為2.938。與第一類(lèi)壓汞曲線相比較,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,儲(chǔ)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(rùn)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(diǎn),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(duì)應(yīng)的孔隙半徑為0.1407μm,說(shuō)明壓汞曲線能反映的孔隙半徑的下限為0.1407μm。這也從一個(gè)方面證實(shí)了田華等人的觀點(diǎn),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(lèi)似的結(jié)論。4壓汞曲線的發(fā)育時(shí)期a.采用壓汞曲線可以判斷頁(yè)巖的微觀孔縫結(jié)構(gòu)類(lèi)別。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓汞曲線有2種類(lèi)型:一種是有微裂縫存在的壓汞曲線;另一種無(wú)微縫發(fā)育,只發(fā)育微孔和中孔。具有第一類(lèi)壓汞曲線的頁(yè)巖,其孔隙和裂縫發(fā)育好,具有較好的開(kāi)采潛力