研究自吸深Longmaxi特点形成页岩的四川盆地南部中国

文摘

深层页岩气储层是一个重要的替代中国页岩气储层的类型。深层页岩气井的生产率低于浅页岩,和深层页岩的吸入特性有显著影响压裂液的保留和回流和页岩气井的生产力。在这项研究中,富含有机物深层页岩的孔隙结构特征在志留纪Longmaxi Weiyuan-Luzhou玩的形成分析低温氮吸附实验,然后自吸特点和影响因素广泛调查事件发生的深层页岩自发的自吸和核磁共振实验。结果表明,主要作用和中孔深富含有机物页岩的Longmaxi形成。深层页岩的自吸曲线可分为初始自吸阶段,一个中间过渡阶段,和随后的扩散阶段,深层页岩的自吸能力系数低于浅页岩。横向弛豫时间(T2)光谱分布表明,粘土水化和肿胀产生新的孔隙和微裂隙,但一些孔隙和裂隙。深层页岩储层有一个最佳的水合作用时他们的物理性能是最优的。增加孔隙体积和减少TOC含量可以提高页岩的自吸能力。无机盐溶液,尤其是氯化钾溶液,对页岩的自吸有抑制作用。高盐度会导致更强的抑制作用。 It is crucial to determine the optimal amount of fracturing fluid and soaking time, and fracturing fluid with a high K⁺内容可以注入Longmaxi形成深层页岩抑制水化。这些结果提供了理论指导意义理解自吸和深层页岩的孔隙结构演化特征,提高甲烷产量深层页岩气储层。

1。介绍

中国页岩气资源丰富,已探明积累的页岩气储量 在中国到2019年底,页岩气产量预计将达到 2030年(1]。毫无疑问,页岩气已成为最重要的组成部分,近几十年来中国天然气生产。目前,浅海洋页岩气储层的开发(小于3500)在中国取得了杰出的成果。然而,页岩气的生产井三年来经历了急剧下降,和需要找到新的块和层用于生产。深层页岩气储层(深度超过3500米)占总资源的65%以上,中国页岩气研究热点和替代的(2]。然而,类似于深在北美页岩气储层,深层页岩气井天然气生产的倾心,涪陵,Fushun-Yongchuan区块压裂后在中国相对较低(3,4]。页岩气井的压裂效果和生产密切相关的记忆力、自吸,压裂液的回流。

页岩气储层是自发和self-stored,致密储层由纳米级孔隙和特点是低孔隙度(2% ~ 8%)和超低渗透率(10 ~ 100)[5]。水平井多级压裂和大型水力压裂技术有效地提高页岩气的发展,和孔隙毛细管压力压裂后可以达到几百MPa (6]。毛细力驱动压裂液进入页岩水库和导致保留,和干气藏回流率低于水(油)气储层(7,8]。大量留存的压裂液在页岩地层吸收了周围的页岩矩阵,裂隙,和其他断裂网络通过毛细管力,重力,氢键力,范德瓦尔斯力,和水化部队(9- - - - - -11]。粘土的水化和肿胀导致地层渗透率降低和页岩储层水堵塞,导致气体明显降低生产力。一些研究表明,粘土膨胀引起的水岩反应在某些页岩储层产生裂隙(12- - - - - -14),从而导致水堵塞在页岩储层的去除和气井产能的增加15]。页岩粘土矿物组成、水化特性密切相关,曾庆红et al。(16)报道,页岩与伊利石含量高不容易水化,从而限制了孔隙结构改进的余地。页岩与蒙脱石含量高易水化和肿胀,从而有更高的孔隙结构的改进潜力的刺激。

近年来,许多研究已经进行页岩的自吸能力17- - - - - -19]。页岩的自吸能力主要是矿产相关内容和孔隙结构,尤其是蒙脱石和伊利石/蒙脱石混层的内容(I / S)矿物质(17]。高et al。18)发现页岩粘土含量高的亲水性无机毛孔也长大了,虽然富含有机物的亲油有机毛孔页岩发育良好。生物硅具有较强的抗压力,丰富的石英样品有利于保护连接毛孔,促进水的吸入(20.]。此外,随着样品孔隙度和孔隙体积增加,孔隙的连通性网络改善(19]。表面活性剂的加入可以改变水页岩表面的润湿性,降低压裂液的损失(21]。盐溶液的渗透压将减少粘土透膜,这将减少页岩的自吸能力。离子的盐溶液(Ca^{2 +},英航^{2 +}、有限公司₃^{2 -},所以₄^{2 -})化学与粘土块毛孔在某些孔隙大小范围,从而减少页岩的自发的自吸能力22]。周et al。23)发现,压裂液成分的影响很大程度上取决于页岩的粘土含量。曾庆红et al。(16)还宣布,无机阳离子可以抑制粘土矿物的水化和肿胀,有较强的抑制作用伊利石扩张,尤其是K⁺。然而,有不同的矿物成分和孔隙结构深层页岩和浅层页岩之间。因此,有必要了解自吸和深页岩孔隙结构演化特征和影响因素来优化提取页岩气储层的条件。

在这项研究中,深层页岩的岩石物性性能的降低志留纪Longmaxi形成页岩的四川盆地南部中国,测量,和深层页岩的自吸是评估使用低场核磁共振和高精度电子天平。深层页岩的自吸特点进行了分析,页岩吸水时和T2谱特征进行评估。此外,矿物成分的影响,TOC含量、孔隙结构和无机盐溶液吸入特性进行了讨论。

2。材料和方法

四川盆地位于南部的西南边缘上长江平台在中国南部。较低的志留纪Longmaxi Weiyuan-Luzhou地区形成页岩被埋在3500 ~ 4500米的深度。主要是沉积早期志留纪Rhuddanian-Aeronian时代(439 - 444 Ma BP),这是在书架平原浅水环境中(24]。在这项研究中,八个样本选自Longmaxi形成页岩在W、L采样深度为3873 ~ 4041米。样本大小和表中列出的其他信息1。页岩样品的孔隙度是衡量流体饱和度的方法,和渗透压力脉冲衰减法,获得的和上面的测试进行了分析实验中石油勘探开发研究院中心西南石油和天然气田公司。

一些页岩样品粉碎成粉末,然后矿物成分和总有机碳含量由x射线衍射分析仪和carbon-sulfur分析仪进行测试。力量D8推进衍射仪的扫描速度10°/分钟,宽度为0.02°。低温氮气吸附实验进行了通过使用一个自动表面分析仪由微粒学。孔隙大小分布的参数和比表面积计算使用低温氮吸附分支曲线数据。孔隙连通性是由页岩储层的孔隙结构特征和影响页岩气储层中流体的迁移。页岩的孔隙大小分布和比表面积可以通过低温氮吸附数据,DFT模型和选择模型(24- - - - - -27]。

页岩样品的实验过程自发的自吸和核磁共振(NMR)如图1。在实验之前,页岩在65°C柱塞样本干24小时除去水分。首先,样本在盐溶液中浸泡。第二,它采取了定期去除表面的水分,然后是测定样品的湿重。最后,流体分布特征的毛孔核心样本通过使用纽马克的低场核磁共振设备。步骤3,步骤1和步骤2处理循环,直到样品质量保持不变。实验页岩样品的大小列在表中1。为了防止样本分割严重,氯化钠溶液的盐度Cl^{- - - - - -}15000 mg / L列在表中2地层水的矿化度等选择研究样本矿物成分和孔隙结构的影响自吸特点。同时,探讨无机盐溶液对自吸的影响特点,L10样品受到自发的自吸实验包含不同的盐和不同矿化度盐解决方案,如表中列出3。仪器模型MiniMR-VTP, CPMG脉冲序列被用来获取信号好几次了。CPMG序列的参数包括回波时间间隔(TE),等待时间(TW)回波数量(NE),和重复抽样数量(NS)。反映的特点,尽可能页岩微/纳米孔结构,参数设置如下: , , ,和 。为了便于比较分析,上述参数设置在后续测试。

3所示。理论

大量的调查已经进行自吸的特点和评价方法。卢卡斯(28沃什伯恩]和[29日)派生的入侵高度之间的线性关系流体与平等的截面和毛细血管的平方根重力和惯性的时候被忽略了。模型通常被称为LW方程。紧页岩储层是由纳米级孔隙,自发的自吸过程的非润湿相取代湿阶段。吸入主要是毛细力,引力是通常可以忽略不计。函数方程的自吸均匀多孔介质的体积和时间获得的方便(30.]。多孔介质的孔隙连通性好,累积的平方根曲线的斜率自发自吸高度( )和时间在logarithmic-logarithmic图通常是0.5。然而,由于页岩孔隙结构的复杂性,页岩的累积自吸高度显著偏离了方便的模型(31日]。页岩孔隙连通性差的样本曲线的斜率大约0.26,而中等孔隙连通性有曲线的斜率为0.26 -0.5 [31日,32]。页岩的异常特征是由密集造成的孔隙网络的异构性,穷的连通性,粘土的存在。杨et al。33]提出了一种新的方法来评估页岩储层的自吸能力,它定义的比例自吸卷和卷的岩石样本岩石的自吸能力,有效地消除了大小和形状的影响自吸的页岩特征。曲线的斜率是自发的自吸速率、峰值是自发的自吸能力。模型可以表示如下: 在哪里是核心长度,cm;吸水性的横截面积,厘米吗²;前沿的含水饱和度,%;是吸入液体的体积,厘米³;毛细力,Pa;孔隙度,分数,是初始水饱和度,%;和分别是天然气和水的粘度,Pa·s;和和分别是天然气和水的渗透。

页岩自吸过程中,低场核磁共振技术可以用于监控实时流体的分布特征。横向弛豫时间(T2)核磁共振光谱被广泛使用在实验室和日志记录字段(34- - - - - -36]。横向弛豫时间T2的公式在孔隙流体可以表示如下: 在哪里是散装弛豫时间,是表面弛豫时间,是扩散弛豫时间。

岩石的T2弛豫时间,体积松弛和扩散弛豫时间通常忽略和简化

表面弛豫时间与孔隙体积和孔隙的表面积,和它的公式可以写成 在哪里样品的表面横向弛豫速率,m / s;是孔隙的表面积,m²;和孔隙体积,m³。

假设孔隙是管状,T2和孔隙半径之间的关系可以表示为

因此,横向弛豫时间(T2)谱核磁共振孔隙大小分布的特点,反映了与T2值呈正相关的孔隙半径r . T2弛豫时间大孔隙中的流体更长,T2弛豫时间的小孔隙中的流体是短。此外,流体在毛孔越多,信号幅度越大。

4所示。结果

4.1。表征页岩性质

这些深Longmaxi形成页岩的埋深的四川盆地南部中国,超过3500,页岩天然气的成熟度达到成熟阶段。深的测量特点和矿物组分Longmaxi形成页岩在这项研究中如表所示1和4。从这些结果,TOC含量值从1.08%到5.28%不等,平均为3.13%。矿物成分主要为石英、粘土矿物和石英含量变化在33.4%和56.0%之间,平均为48.89%。粘土的含量从29.0%到52.8%不等,平均为37.9%,以伊利石为主,用更少的矿物质如伊利石/蒙脱石混层。孔隙结构参数如表所示5。吸收氮的DFT孔隙体积9.98×10之间的不同³厘米³/ g和2.95×10²厘米³/ g, bet比表面积值的范围从14.72 m²在18到27.29样本/ g²/ g L9示例。

如图2低温氮吸附过程中,页岩样品进行毛细凝聚。低温氮吸附和解吸曲线形成磁滞回线和磁滞回线的形状可以反映孔隙形状(37]。在这项研究中,低温氮吸附和解吸曲线的滞后环的页岩样品类似于H2 (a)和H2 (b)型滞回线推荐的国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)和H3-type滞后回路的特点。Longmaxi的结果表明,深层页岩地层inkbottle毛孔有缩小毛孔的喉咙和大孔隙的身体,平行板裂隙孔隙和楔 - - - - - -的毛孔。也有一些圆柱孔和微裂隙开放两端。Inkbottle毛孔大多是晶间,发达等脆性矿物石英和方解石和并行推出餐盘状骨折或楔形 - - - - - -形状的孔主要是与层间孔隙和裂隙的粘土矿物(37]。

如图3(一个)样品W2, 16种,18,L9, L10有两个明显的峰值在2和10 nm。然而,W1、W3和W5样品,有三个高峰在2 nm, 10 nm,和150海里,表明这些孔隙结构特征是更复杂的比其他的样品。同样,页岩孔隙大小的累积孔隙体积曲线在图3 (b)表明样品的孔隙体积W1, W3和W5大于0.02厘米³/ g,大孔隙相对扩大。中孔和微孔隙主要是占主导地位的其他样本,和大孔隙的体积较低。图4显示,页岩样品的孔隙度与TOC含量有一定的正相关,这意味着TOC含量对孔隙度是一个关键的作用。

4.2。自吸页岩的特征

在这项研究中,页岩样品放入生理盐水溶液的盐度Cl^{- - - - - -}15000 mg / L,实验结果如图所示5。不同页岩样品的自发吸水曲线有相似的总体特征;即自吸(汲取了质量/样品质量)比例随时间增加,直到达到平衡。页岩的自吸比例随着时间的变化,即初期迅速增加的自吸比例随着时间的推移,慢慢上升速度降低为零。不同的页岩样品有不同的自吸的比例,这主要是由页岩的矿物成分和孔隙结构特征。

当水溶液注入富含有机物页岩、粘土吸收水分子的带电区域通过粘土的层间空间。吸入大量的一些样品可能比最初测量孔隙体积由于粘土(半透膜的特点38,39]。杨et al。39)发现,自吸一些页岩样品的体积可能达到测量孔隙体积的400%。页岩的最大自吸能力矩阵可用于估计的体积压裂液和水堵塞的严重程度进行评估39]。自吸能力系数被定义为自吸总量之间的比例和孔隙体积14),公式如下: 在哪里自吸能力系数,是最后的自吸质量,g,自吸液体密度,g / cm吗³,岩石体积,厘米吗³,岩石孔隙率,%。

图6显示,自吸能力系数的深层页岩倾心和泸州大约是低于浅层页岩(39]。原因在于Longmaxi形成深层页岩中粘土矿物主要为伊利石等含有更少的粘土矿物伊利石/蒙脱石混层(40,41]。类似于浅层页岩,深层页岩与伊利石含量高的扩散能力不足;因此,水分子很可能诱发水块(16,42]。因此,应注意减少注入页岩压裂过程中压裂液深。

4.3。自吸页岩曲线的特征

根据实验数据的自吸页岩样品、杨等人提出的模型。33)可以用来获得之间的关系 ,如图7。曲线的峰值代表了页岩的自吸能力,和斜率代表了自吸速率。页岩的自吸曲线明显分为三个部分:我最初的自发的自吸阶段,中间过渡阶段II, III和晚期扩散阶段。在最初的自发的自吸阶段,自吸卷增加迅速增加时间。液体吸入和充满主要连接无机孔隙和裂隙毛细力的作用下和化学渗透压力,和自吸率相对较高。第二部分是中间过渡阶段。随着含水饱和度的增加,毛细力大大降低,汲取了微裂隙和无机微孔体积减少。因此,自吸速率逐渐减慢。自吸率超低晚期扩散阶段。液体吸入大孔隙扩散到细nanomatrix毛孔毛细力的作用下,然后进入粘土粒子化学渗透压的作用下。

杨等人提出的模型。33)是用来适应自吸曲线在图7,自吸参数表中列出2。不同页岩样品的自发的自吸速度和容量有很大的不同,是由页岩储层的矿物成分和孔隙结构,将在下一节中进行讨论与分析。

4.4。页岩吸水时T2谱特征

核磁共振T2谱显示液体的分布特征在页岩和反映了孔隙结构特征。图8展示了不同的页岩样品的T2谱的变化在自吸。样品W2的T2谱,W3, W5, 16种,经历了18个,作为示例W1和L9有相似的总体特征。有两个峰(左峰面积远远大于右峰面积)在图8(一个)女士,左侧山峰范围从0.1到1毫秒,和正确的山峰不同10 ms和20 ms,这表明这些主要包含微孔隙。在图8 (b),左边的示例L10范围从0.1到1毫秒,女士和峰值变化女士从3到6 ms。然而,样本L10的T2谱是不同于样本W1,和正确的峰值是主导,表明样本L10的多数是中孔。与自吸时间,增加更多的液体进入毛孔在毛细管力和粘土半透膜的渗透压,左边和右边示例T2谱的峰值逐渐移到右上角,和正确的和较低的左派和右派的山峰也向右移动,表明新毛孔和骨折的发生13,35]。同时,微裂隙页岩表面样本也发现在实验图逐渐增加9。然而,T2谱表明,权利的右端峰向右,然后搬到左边,表明粘土继续膨胀随着吸入量和时间的增加,导致一些微裂隙的闭合。

深层页岩与伊利石含量高的扩散能力和不容易水化不足,从而限制了孔隙结构改进的余地。深层页岩储层有一个最佳的水化时间当他们的物理性能是最好的,伊利石含量高和页岩具有最佳的水合作用时间短(16]。因此,应注意控制的数量在压裂过程中压裂液和浸泡时间的Longmaxi形成深层页岩储层。

5。讨论

5.1。矿物成分的影响和TOC含量对自吸特征

的石英和粘土矿物成分Longmaxi形成深层页岩占总数的83.1% ~ 92.5%的矿物成分。因此,石英和黏土的影响自吸实验主要是在这项研究中调查。数据10 ()和10 (b)证明自吸的阶段我在W、L几乎是无关紧要的粘土和石英的内容。这意味着自吸速率的相关性阶段我和粘土矿物和石英需要进一步的研究。然而,图10 (c)表明,随着TOC含量的增加,自吸速率降低。原因在于润湿性的基本控制因素是矿物组成和功能组,和海洋页岩Longmaxi形成的高TOC含量有一个更强的方面属性(43,44];所以,吸水性高TOC含量会削弱。

5.2。孔隙结构对自吸的影响特征

低温氮吸附结果表明,页岩样品的孔隙结构是不同的,这可能会导致不同的液体吸入特性。因此,页岩孔隙结构和自吸速率之间的关系和自吸能力研究在这项研究中,结果如图所示11。数据(11日)和11 (b)证明页岩自发的自吸率和自吸能力在W、L和孔隙体积有一定的正相关关系,表明孔隙的连通性网络改善孔隙体积增加。然而,在图11 (c)之间没有明显的相关性,自吸率和比表面积(SSA)。自吸能力与比表面积有一定的正相关关系在图11 (d),即自吸能力也比表面积的增加而增加。

5.3。无机盐溶液在自吸的影响

无机阳离子可以在一定程度上抑制页岩的自吸能力。从图可以得出结论12和表3的类型和盐度无机盐溶液有显著影响页岩的自吸速度和自吸能力。氯化钠溶液的盐度越高,自发的自吸速率越低,页岩的自吸能力。此外,在相同盐度、页岩的自吸速率和自吸能力在氯化钾溶液都是低于生理盐水溶液中,表明K的自吸抑制效果⁺在页岩大于Na⁺。K的水化能量的机制⁺较低,和粘土之间的静电吸引细胞晶体层和K⁺更大;所以,色散抑制粘土更强。另一方面,Na⁺水化能量高,晶体和粘土之间的静电吸引细胞层和Na吗⁺更小,因此其抑制粘土的水化和扩张是影响低(45]。因此,抑制页岩水化,液体高K⁺内容可以注入Longmaxi深层页岩形成。

6。结论

在这项研究中,深层页岩的岩石物性特性测量Longmaxi形成的四川盆地南部中国,深层页岩的自发的自吸和T2谱特征进行评估与高精度电子天平和低场核磁共振。此外,矿物成分的影响,TOC含量、孔隙结构和无机盐溶液吸入进行了讨论。根据上述结果,本研究的主要结论总结如下:(1)Longmaxi形成深层页岩在四川南部通常富含有机质,TOC含量平均为3.13%。石英的主要矿物是深层页岩,平均含量为48.89%,其次是粘土,平均含量为37.9%,主要为伊利石,用更少的矿物质如伊利石/蒙脱石混层。微孔隙(< 2 nm)和中孔(2 ~ 50 nm)是主要的毛孔,和TOC含量是一个关键的影响深Longmaxi形成页岩的孔隙度。(2)T2谱自吸时间的变化表明,粘土水化和肿胀产生新的孔隙和微裂隙,但随着吸入体积和时间,一些孔隙和微裂隙再次关闭。深Longmaxi形成页岩,伊利石含量高,是不容易水化,从而限制了孔隙结构改进的余地。页岩与伊利石含量很高有一个最佳的水合作用时间短。因此,应注意确定的数量在压裂过程中压裂液和浸泡时间的Longmaxi深层页岩形成。(3)深层页岩的自吸能力是由矿物组成、孔隙结构和无机盐的解决方案。Longmaxi形成深层页岩包含更少的粘土矿物伊利石/蒙脱石混层、和自吸能力系数低于浅页岩。高TOC含量会削弱的吸水性率深Longmaxi页岩形成。无机盐溶液对页岩的自吸有抑制作用。K的抑制作用⁺自吸的页岩大于Na⁺在同一盐度,盐度越高将会有一个更强的抑制作用。因此,抑制页岩水化,液体高K⁺内容可以注入Longmaxi深层页岩形成。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从第一作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是财务支持的中国国家自然科学基金项目(1217021033号,11802312,和U1762216)。

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