页岩孔隙结构的表征Multitechnique组合和多重分形分析及其意义

文摘

理解孔隙结构将使我们能够获得一个更深层次的了解多孔介质中的流体机制。在这个研究中,各种实验的多重分形分析是用来分析烃源岩的孔隙结构和异构性特征在鄂尔多斯盆地,中国。为此,成像装置,入侵检测,和不闯入方法已经被使用。结果表明,客观页岩储层包含复杂的孔隙网络,和小毛孔主导孔隙系统。入侵和不闯入方法检测到的孔隙大小分布显示多重分形性质,前者一个演示多个异构特性。孔隙大小分布获得低温吸附和核磁共振有相对较好的一致性,表明类似的孔隙网络检测方法可以共享相同的机制,和建设需要通过multitechniques孔隙大小分布。绿泥石具有明显影响孔隙结构的异质性在狭窄的孔径范围,而伊利石和I / S混合层影响广泛。干酪根指数的基本地球化学指标参数。平均的减少中小/孔隙半径大,孔隙结构的非均质性狭窄和宽范围,分别。这项工作采用综合方法基于multitechniques有助于探索页岩储层的孔隙网络如何影响储层质量。

1。介绍

页岩油勘探和开发提高的必要性,确定孔隙结构(1- - - - - -4]。先前的研究已经证明,含油页岩一般有细小的毛孔和狭窄的喉咙5- - - - - -7]。此外,各种技术输出不同孔隙大小分布(psd),这使得很难准确地评价孔隙结构(8- - - - - -11]。更重要的是,页岩的孔隙可进一步分为无机和有机毛孔,毛孔的类型和密切相关的沉积和成岩环境完全不同的表面物理和化学性质(12,13]。此外,不同地区之间的孔隙半径的变化,并确定每个区域的比例具有重要意义[12,14]。因此,结合各种实验和毛孔的百分比不同半径的计算是重要的分析表征页岩孔隙结构(15- - - - - -17]。这些步骤之后,多重分形特征、起源subpore特性(例如,表面粗糙度和异质性)可以从的角度研究了多重分形维数之间的关系、矿物成分和孔隙结构(16]。和这些趋势是重视探测孔隙网络的分布规律和评价储层品质。

无机和有机毛孔被发现以来,在页岩,大量的设备被用来研究孔隙结构特征(5,8,12,18,19]。页岩孔隙的形态可以通过成像设备可视化,如场发射扫描电子显微镜和电脑断层摄影术(20.- - - - - -22]。使用入侵检测(例如,压力控制汞入侵)和不闯入实验(例如,核磁共振),可以定量地得到了孔隙网络分布,孔隙组织参数,如平均孔隙半径、孔隙体积、表面积可以计算(23- - - - - -25]。此外,毛孔与不同半径和表面有独特的物理和化学性质,和先前的研究已经表明唯一方法导致的限制空间识别(20.]。总之,从不同的方面,孔隙结构的非均质性可以通过各种技术研究;然而,不同类型的毛孔改善,是否恶化,或者没有对孔隙网络的影响尚不清楚。

多重分形分析了由于异质性的重要性PSDs的多孔介质测定(26]。分形维数已被视为一个重要的参数来理解复杂的孔隙结构和巨大的应用价值(27]。然而,这个参数是评价不足的不规则孔隙网络;因此,作为分形的一个扩展,也普遍被用于研究多重分形多孔介质的复杂性通过将多重分形网络分解为分形子集(交织在一起28]。通过孔隙半径、形态和表面粗糙度影响储层品质,孔喉异质性的程度是至关重要的,和多重分形维度可被视为一个有效的工具(29日,30.]。先前的研究在多重分形分析通常集中在致密砂岩和煤(31日,32]。与致密砂岩,通常有相对较大的毛孔和沥青,大陆页岩有经验丰富的深水沉积和成岩作用强但很少强烈的构造运动时期(33]。因此,页岩的表象,如矿物学、孔隙结构、和碳氢化合物,是完全不同于砂岩。描述大陆页岩的孔喉的复杂性和不规则性是具有重要意义的理解在鄂尔多斯盆地油藏。

在这项研究中,协会在一个狭窄的范围内,可能受到的唯一方法将扩展到全系列,在最大的程度上匹配的孔隙网络特征,使用混合动力技术。入侵技术可以检测有着良好的社会关系和相对较大的孔隙,但毛孔墨水瓶里丰富的页岩和下面的毛孔30 nm可能被忽视。吸附方法可以用来确定孔隙网络结构的更多信息,同时反演算法需要使用透露的细节半径分布引起的吸附量或放松。为目的的扫描方法也进行了验证和孔喉网络精确地描述。此外,从各种测试和分形维数的多重分形信息不同类型的页岩具有不同孔隙大小范围进行了分析。这些工作可以应用于确定孔隙网络的异质性和探针管理因素的不规则孔隙和subpore结构。

2。方法

2.1。地质环境

陕北斜坡的二级结构单元在鄂尔多斯盆地(图S1a)[34]。三叠系延长组沉积在湖与湖波动水平,它可分为十名成员从下到上(图印地)[35]。Chang 7成员(C7),位于低组的一部分,主要湖页岩沉积,砂体厚度超过80间,泥岩(图1 (b))[36]。C7页岩被认为是作为烃源岩在以前的非传统的石油开发,拥有高总有机碳(TOC)和镜质体反射率( )值较低的热成熟度,分离类型故主要有机物(36]。以前开发的工作显示,在C7页岩井进行了商业油流,表明这个成员有一个光明的前景对页岩油开发(36]。

2.2。标本和实验

总五标本收集五井的深度范围1433.43 - -1521.21米。进行了一系列的测试,包括场发射扫描电子显微镜(FE-SEM), x射线衍射(XRD)、地球化学分析,氮(N₂)吸附、压力控制汞入侵(PCMI)和核磁共振(NMR)。

标本首先磨和机械抛光前测试,以创建一个平面,然后表面氩离子研磨和涂上碳。这些程序后,微形和结构特点被蔡司GeminiSEM 500设备(FE-SEM)。

XRD测试,标本首先碾碎,然后与乙醇混合。随后,每个标本涂片固定在玻片进行x射线衍射分析的帮助下力量D8推进装置在40 kV和40 mA。最后,矿物成分和内容被解密获得光谱。

地球化学分析、显微组分类型、总有机碳(TOC)和镜质体反射率( )进行了测试。在测试前,标本是粉和10%盐酸处理以去除碳酸盐,然后放入liquiTOC II分析仪测量TOC的内容。进行了有机岩石学在抛光标本用冷固化环氧浇注混合物。蔡司Axioimager II显微镜系统配有紫外线(UV)光源和Diskus-Fossil系统分析显微组分类型和采用 ,框架内,测量和限制下的名叫标准参考油浸。

N₂吸附是一个重要的方法分析孔隙结构,并测定PSDs范围从0.30到300纳米的微粒学尽快2020 + HD88分析仪。在测试之前,挥发分和水分被移除的脱气,然后所有标本都暴露在N₂在77 K。计算的表面积和孔隙体积是五点Brunauer,艾美特,出纳(打赌)方法和巴雷特,约翰,Halenda (BJH)方法。

PCMI测试的标本在高温下首次治疗在110°C / 24小时晾干水分。然后,所有标本被疏散到0.001 psi,水星是侵入块从0.03到200 MPa。微粒学Autopore 9400 porosimetry沃什伯恩的帮助下确定等效孔隙半径方程(1921)(37)和珀塞尔的结果(38]。

横向弛豫时间( )从核磁共振装置是由Niumag分析仪器公司(23 MHz)。标本饱和盐水然后被排到设备,和回声的时间间隔,信号叠加,女士和回波数据设置为0.07,64年和1000年,分别。在饱和状态,检测后的核心插头被离心机,然后发现相同的光谱实验参数。

2.3。多重分形参数

为了在页岩中执行多重分形计算,计盒方法应用于确定多重分形参数的数据在我们的研究39,40]。盒子与平等的长度进行数据记录的目的,通过索引和箱子贴上我的地方箱子的总数(代表41]。对于不同的测试和输出数据,盒子的长度有不同的含义,例如,的变化弛豫时间是作为核磁共振测试的长度,而相对压力可以被视为框的大小N₂吸附(42]。在这里,我们的变化作为一个实例弛豫时间;因此,的概率质量函数^th盒子可能被定义为41,43): 在哪里代表的饱和盐水的体积th盒子,对应的总量盐水饱和的毛孔和喉咙。的间隔尺寸非常小,可以写成如下: 在哪里奇点指数。多孔介质的多重分形性质,增加时减少并观察一个幂律: 在哪里代表的数量差之间的盒子在多重分形;站的多重分形奇异谱,这些参数可以由以下公式计算: 在哪里是指数表达多重分形维度,不同的从-10年到10的增量1。这个参数作为扫描工具来检查测量的密集或稀疏的地区 ,它遵循幂律的l函数定义如下: 在哪里代表质量尺度函数,可以编写如下:

然后,广义多重分形维数可以表示如下:

3所示。结果

3.1。矿物成分和岩相学

粘土矿物、石英、长石和碳酸盐的主要矿物成分是C7页岩在鄂尔多斯盆地(图1)。伊利石和I / S混合层是主要的粘土矿物形成总粘土成分(图1)。基于不同的矿物成分的三端图,这是证明了C7页岩主要是分为两组:高页岩脆性矿物(BMHS)和高页岩粘土矿物(不啻)。石英、长石和黄铁矿是主要在C7页岩脆性矿物,而另一些是塑料矿物质。除了样本3,塑料矿物质在C7页岩中发挥主导作用,表明页岩在我们的研究领域是容易变换。表S1显示详细的矿物成分的样品。

根据扫描电镜结果,C7页岩的孔隙大多是在纳米尺度上(图2)。C7页岩中存在的孔隙类型包括初级颗粒间的孔隙、微孔隙内粘土矿物,有机质孔隙是由干酪根石油转换(44]。颗粒间的孔隙,主要孔隙类型为BMHS位于粒子和晶体之间,而对于而言不啻,微孔隙和有机质毛孔更重要。共存的不同类型的毛孔导致物理性能之间的复杂关系,孔隙结构和流体可动性。

3.2。地球化学参数

所有选中的页岩样品的显微组分类型显示不同的变化在不同的组。虽然壳质组煤素质起着重要作用,所有样本属于分离型故根据先前的研究,仍有几个不同样本之间的差异,干酪根指数(KI)可以用于显微组分类型确定的目的(45]: Sap腐泥煤,Exi壳质组,维特是镜质体,是惰性体。

表S2表明,脆性矿物含量高的样品比而言不啻KI值比较小。TOC值,不啻具有最大的TOC含量范围从2.40%到5.91%,平均4.71%,TOC含量大于5%的占60%以上,而TOC BMHS从3.67%到4.12%不等,平均为3.90%。之间没有统计学显著性差异两种页岩(~ 0.90%)。

3.3。氮吸附

N的等温线曲线₂吸附和解吸被获得,所有的样品都属于类型III和IV按照IUPAC(图3)[46]。毛细滞后循环不同,类似于H3的类型,这表明slit-shaped毛孔在C7页岩主要孔隙类型,对应于扫描电镜图像(47- - - - - -49]。

3.4。PCMI

PCMI测试常用的方法描述孔隙大小分布和孔隙体积来衡量非润湿相(汞)是由孔隙体积等于体积规范化;因此,可以确定孔隙网络的信息计算出汞饱和度和入侵压力之间的关系(50- - - - - -52]。阈值压力的观点、平均压力、最大侵入饱和,和其他参数图4表明BMHS相对均匀分布毛细管曲线分布,而不啻很多强大的非均匀孔隙体积分布不同,和不同的样本有不同的边界为后者。

3.5。核磁共振

NMR曲线表示的孔隙大小分布,每个信号幅度是由它的体积53,54]。在这个研究中,光谱离心前后进行了研究,提出了曲线在图5。剩下样品有明显的峰和一个小峰;前一个矩阵毛孔而后者代表一个对应于微裂隙和更大的毛孔。样品的振幅几乎保持不变,露出的可动流体百分数C7页岩是非常低的,不管他们在页岩类型。

4所示。讨论

4.1。孔隙大小分布来源于混合方法

以下4.4.1。核磁共振曲线的拟合方法和入侵的方法

的弛豫时间多孔介质中的水或盐水可以描述如下: 在哪里弛豫时间,是指孔隙形状因子,代表relaxivity,代表孔隙半径。和是常数,然后,我们可以定义55- - - - - -57]

因此,情商。11)可以写成:

因此,核磁共振曲线可以转化成时的孔隙大小分布和确定,下面列出的方法(图6)[55,57]:(1)首先,我们计算累积曲线的振幅百分比来自核磁共振,英国网球协会和PCMI(2)以来唯一的方法只能代表短程的孔隙大小分布,分布来源于这两个混合方法有一些差异。如图6孔喉半径,任何有一个对应的累积孔隙大小比例 。(3)最后,样条插值方法的帮助下,累积的曲线幅值可能对应一个 ,和NMR谱转化为孔隙大小分布

4.1.2。孔隙大小分布来源于两种混合的方法

孔隙大小分布来源于NMR-LTA和NMR-PCMI数据如图7和无花果。S2。比较两种不同的孔隙大小分布曲线混合方法,C7页岩的孔隙网络可能被进一步研究。类似的变化趋势与NMR LTA图中可以看到7(一),揭示了孔隙大小分布的可行性使用NMR-LTA混合方法。然而,至于NMR-PCMI混合方法,这些测试的孔隙山峰有一些差异,这表明孔隙网络入侵检测和不闯入方法不同(图7 (b))。检测方法被认为是这些现象的原因。NMR和LTA属于不闯入方法;的方法是吸附流体孔隙空间的入口;然而,至于PCMI,水星进入毛孔由于较高的注射压力。因此,孔隙大小分布探测到这两个混合方法完全不同。此外,来自混合方法的参数具有不同的特性。图7和无花果。S2表明,BMHS缩小区域brine-nitrogen差距,这些差距而言不啻相对较宽。低盐水的范围在大孔吸附以及高中小范围虽然BMHS的特征。表中列出的相关参数S5。

4.2。多重分形分析

4.2.1。准备多重分形特征与相同页岩类型不同的方法

英国网球协会的多重分形特性、PCMI和核磁共振方法得到,和广义维数谱图中描述8。图中显示,光谱证明单调下降的增长 。的参数与广义相关维度表中列出S3,S4,S5。在这里,只有一些重要的多重分形dimension-related参数提出了孔隙网络分析的目的。

,这表明概率密度的非空的盒子,盒子尺寸,当我们分段LTA光谱,我们每个箱子没有零数据,这意味着什么将等于133,58,59]。 ,视为信息维代表PSDs的本地扩展属性(33,59,60]。和没有一定的定义;然而,他们可以描述PSDs的异质性在整个孔隙大小范围。除了那些唯一的参数,还包括一些混合参数表明孔隙网络特征,和这些参数通常被用于储层特性的建议的决心。H, ,被定义为赫斯特指数,它通常被用来表示积极的自相关程度;与H的增加,孔隙度分布的自相关的增加(33,61年]。 - - - - - - 可以作为一个指标来反映PSDs的集中程度;高 - - - - - - 值对应于集群的PSD风格,也就是说,不均匀。 - - - - - - 是另一个重要的参数来描述PSDs的异质性,增加的吗 - - - - - - ,对象的异质性增加。

当我们比较广义维数的特征曲线来源于不同的方法,我们发现他们都遵循自相似性。然而,NMR-derived曲线是平相比其他两个method-derived曲线(图8)。这一趋势表明,NMR方法一般检测好的孔隙连通性,和小毛孔(如晶间孔隙)很难表示是由于水分子大小和吸附能力的局限性。此外, - - - - - - 和 - - - - - - 从核磁共振数据明显低LTA和PCMI方法相比,也表明窄范围的孔隙空间可以由核磁共振检测,它的提出意味着PSD的决心,混合方法是必要的,由于有限的探测范围为不同的设备(图9(一个))。

4.2.2。多重分形特征从不同的页岩类型相同的方法

从不同的方法计算多重分形参数,显示在图中9 (b)。多重分形维度来源于这些方法显示丰富的页岩粘土矿物具有更为复杂的孔隙网络(高多重分形维数)。这些现象可能导致发生的粘土mineral-related毛孔与广泛的孔隙半径(图2 (e))。除此之外,这两个类型的页岩英国网球协会的差距方法相对较大,表明孔隙网络检测方法基于吸附能力对多重分形维数变化更加敏感。

多重分形参数之间的相关性(赫斯特指数)从LTA PCMI,核磁共振可以反映三种技术的探测范围的不一致(图10)。图显示,没有任何明显的H之间的相关性PCMI LTA (NMR),虽然有相对不同的H之间的相关性从英国网球协会和核磁共振。这些趋势可以解释为入侵和不闯入方法完全不同的机制检测孔隙大小分布,和裂隙的压汞过程中可能引起孔隙大小分布的不均匀。因此,两者的结合技术来探测孔隙大小分布可能不正确地描述其异质性,正如我们可以看到的数字10 ()和10 (c)。

4.3。孔隙结构非均质性的控制因素

已经证明,孔隙结构非均质性的各种影响因素,包括地球化学特征、矿物学和孔隙网络特征。然而,这些因素如何影响多重分形维度和异构BMHS和不啻之间的差异仍然是一个神话。在这部作品中,影响地质参数对多重分形维度研究了不同类型的页岩。

4.3.1。矿物学的影响

C7页岩属于混合存款和各种矿物质,包括石英、粘土、碳酸盐(表S1)。不同矿物内容和多重分形维数之间的关系是研究各种矿物质扮演什么角色在孔隙网络的不均匀性。从矿物成分的结果影响孔隙网络异质性背井离乡在图11。不是所有矿产都影响多重分形维度,和对面的数据通常来源于PCMI显示趋势与其他两种方法相比。这些发现也证明入侵和不闯入方法完全不同的检测机制,和高喷射压力,来源于PCMI,可能导致微裂纹,使孔隙大小分布从PCMI变得不可靠。结果还表明,碳酸盐和白云石的发展将导致高孔隙网络异质性;而随着碎屑颗粒的增加(如buddingtonite)和绿泥石,孔隙结构变得均匀。然而,由伊利石的晶间孔和I / S混合层的孔隙空间异构(图变得更少12 (f))。

4.3.2。地球化学参数的影响

由于丰富的有机物在页岩储层地球化学特性,如有机质类型、总有机碳和有机成熟度,通常扮演主导的角色在孔隙结构演化59]。多重分形维度之间的交会图法和地球化学参数显示在图11。为 - - - - - - 来自PCMI,代表广泛的孔隙结构非均质性,表明和TOC的负面。这些现象表明,随着成熟度的增加,页岩变得更加均匀。这是由于塑料组件的开发,这将改变但不裂缝当水星进入毛孔,并导致更少的微裂纹,这会增加广泛分布的异质性,因为小矩阵毛孔。然而,当涉及到广泛的异构性,核磁共振(数据成为一个重要的工具11 (d)和11 (e))。这是因为,NMR方法可以检测各种毛孔。干酪根指数是最重要的参数,该参数的增加,多孔介质变得更加异质性(数字13 (c)和13 (f))。总之,干酪根的类型更多对页岩孔隙网络异构性的影响。

4.3.3。孔隙结构参数的影响

图13表明之间的相关性 - - - - - - , - - - - - - ,不同类型的孔隙。至于 - - - - - - ,越来越平均孔隙半径小将增强同质性孔隙网络,而越来越平均中等和大孔隙半径将改善孔隙网络的异构性。但是,对于 - - - - - - ,减少平均中等和大孔隙半径将减少孔隙结构的非均质性。这些相反的趋势表明,孔隙网络的异质性在不同孔隙大小范围可能完全不同。除此之外,只有LTA数字(13日)- - - - - -13 (c)和PCMI数据13 (d)- - - - - -13 (f)有明显的关系,反映了小和大孔隙的变化有重要作用的异质性窄,宽范围,分别。

5。结论

通过一系列的测试和理论,描述页岩C7页岩的孔隙结构研究了鄂尔多斯盆地。可以得到以下的结论:(1)LTA和核磁共振可以正确描述几乎全在C7页岩孔隙大小分布,和孔隙半径1到100 nm之间支配孔隙系统(2)多重分形理论提供了一个有效的解决方案来确定孔隙结构非均质性,和孔隙网络检测方法是基于吸附能力是多重分形维数的变化更加敏感。的赫斯特指数只在LTA / NMR组显示了很好的一致性,表明入侵和不闯入方法完全不同的机制检测孔隙大小分布,和裂隙的压汞过程中可能引起孔隙大小分布的不均匀(3)Buddingtonite和碳酸盐的基本管理矿产因素对孔隙结构的异质性,而绿泥石和伊利石有明显影响孔隙网络窄,宽范围,分别。在地球化学参数,干酪根的类型更多对页岩孔隙网络异构性的影响。减少平均孔隙半径小提高孔隙结构的非均质性在狭窄的范围,而减少平均孔隙半径小有相同的宽范围的趋势

数据可用性

实验数据用于支持本研究的结果包括在手稿和补充材料。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的重点实验室开放基金的煤炭资源勘探和综合利用,国土资源部(没有。KF2020-2),中国国家自然科学基金(11872295和11872295号)和中国石油天然气集团公司的基本储备先进技术(2018 - 0908)。

补充材料

包含表S1表S5,无花果,S1和无花果。S2,显示来自不同的测试参数。(补充材料)

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