一种页岩气储层孔隙结构的表征方法以及页岩气储层的评价方法

摘要

一种页岩气储层孔隙结构的表征方法以及页岩气储层的评价方法，涉及天然气勘探技术领域。一种页岩气储层孔隙结构的表征方法，包括以下步骤：确定吸附法和高压压汞法均能够表征的孔喉半径的孔径界线，将用吸附法测量得到的孔径界线以下的孔隙结构和高压压汞法测量得到的孔径界线以上的孔隙结构拼接，得到页岩气微储层的孔隙结构特征。该方法能表征全孔径段的孔隙结构特征，表征结果更为准确。一种页岩气储层的评价方法，包括：利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法得到的结果对页岩气储层进行评价。利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法测试得到的全孔径段的孔隙结构特征，表征结果准确，对评价页岩气储层的气藏储能力有积极作用。

说明书

技术领域

本发明涉及天然气勘探技术领域，且特别涉及一种页岩气储层孔隙结构的表征方法以及页岩气储层的评价方法。

背景技术

目前，通常使用吸附法、高压压汞法测量页岩储层的微-纳米孔隙结构参数，但在测量时存在的主要问题是：不同方法测量的范围不同，吸附法和高压压汞法均不可能全面表征页岩储层微-纳米孔隙的孔隙结构特征。这是因为，页岩储油气孔隙中较小的有机孔隙孔径主要尺度在10-200nm；吸附法(目前常用的BET及BJH理论)测量的为微孔(<2nm)至中孔(2-50nm)范围，不能获得50nm以上的微孔信息，且对于中孔以上孔隙，该方法出现测量偏差；高压压汞法(最高注入压力达400Mpa)测量的页岩微-纳米孔隙孔径范围在中孔(2-50nm)至宏孔(>50nm)及超大孔。对于中孔，因在高压注入条件下存在“扩喉”作用，所测结果不能客观表征中孔以下的孔隙结构特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种页岩气储层孔隙结构的表征方法，该方法能表征全孔径段的孔隙结构特征，表征结果更为准确。

本发明的另一目的在于提供一种页岩气储层的评价方法，利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法测试得到的全孔径段的孔隙结构特征，表征结果准确，对评价页岩气储层的气藏储能力有积极作用。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种页岩气储层孔隙结构的表征方法，包括以下步骤：

确定吸附法和高压压汞法均能够表征的孔喉半径的孔径界线，将用吸附法测量得到的孔径界线以下的孔隙结构和高压压汞法测量得到的孔径界线以上的孔隙结构拼接，得到页岩气储层的孔隙结构特征。

本发明还提出一种页岩气储层的评价方法，包括：利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法得到的结果对页岩气储层进行评价。

本发明实施例的一种页岩气储层孔隙结构的表征方法以及页岩气储层的评价方法的有益效果是：一种页岩气储层孔隙结构的表征方法，通过确定吸附法和高压压汞法均能够表征的孔喉半径的孔径界线，将用吸附法测量得到的孔径界线以下的孔隙结构和高压压汞法测量得到的孔径界线以上的孔隙结构拼接，能表征全孔径段的孔隙结构特征，表征结果更为准确。

一种页岩气储层的评价方法，利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法测试得到的全孔径段的孔隙结构特征，表征结果准确，对评价页岩气储层的气藏储能力有积极作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明具体实施方式中的汞进入毛细管中的表面力分析；

图2为本发明具体实施方式中泥页岩样品三轴条件下的应力-应变曲线；

图3为本发明具体实施方式中吸附法和高压压汞法测量得到的孔径分布图；

图4为本发明具体实施方式中泥页岩样品在高压压汞测试得到的第一毛细管压力与第一孔喉半径之间的关系；

图5为本发明具体实施方式中不同大小毛细管中毛细管凝聚差异；

图6为本发明具体实施方式中典型样品的吸附法和高压压汞法毛细管压力曲线对比；

图7为本发明具体实施方式中泥页岩样品利用吸附法得到的相对压力与第二孔喉半径的关系图；

图8为本发明具体实施方式中泥页岩储层的毛细管压力与孔喉半径的关系分布曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种页岩气储层孔隙结构的表征方法以及页岩气储层的评价方法进行具体说明。

一种页岩气储层孔隙结构的表征方法，包括以下步骤：

确定吸附法和高压压汞法均能够表征的孔喉半径的孔径界线，将用吸附法测量得到的孔径界线以下的孔隙结构和高压压汞法测量得到的孔径界线以上的孔隙结构拼接，得到页岩气储层的孔隙结构特征。

进行高压压汞法测试时，采用四面注汞的方式，如图1，将汞加压注入页岩的柱状样品中，按照汞与孔隙表面做功原理，可以建立孔喉半径与孔隙表面张力、润湿接触角及注入压力之间的数学关系，即瓦什伯恩方程。对于砂岩、碳酸盐岩储层，岩石的屈服强度一般较高，其屈服轻度一般在180Mpa以上，而常规压汞测试的测试压力一般都在200Mpa以下，所以，一般情况下不可能产生施加压力高于岩石孔隙壁的屈服强度的情况，也就不存在汞进入孔喉时的“扩喉”作用。而对于富有机质的泥页岩储层来说，由于其屈服强度低，一般在100Mpa以下，加上泥页岩储层中有机孔的屈服强度更低，在低压状态下，汞被注入大孔径孔隙，由于泥页岩中孔隙壁强度大于注入压力，不可能产生“扩喉”。但当注入压力增高后，注入压力大于泥页岩孔隙壁的屈服强度，就可能产生“扩喉”作用，如图2中的泥页岩屈服强度为60Mpa，换算成对应的孔喉半径约20nm，即对于该样品，注入压力大于60Mpa时，20nm以下的孔喉产生“扩喉”后，汞分子会进入其中。

利用吸附法和高压压汞法对同一个样品进行孔径测试分析，其测试结果如图3所示。在高压压汞法与吸附法测试的孔径重叠段(80nm以下)，明显存在高压压汞法测试的孔径大于吸附法测试的孔径，高压压汞法的“扩喉”作用明显。

对同一个地方采集到的一组泥页岩样品进行高压压汞测试，得到第一毛细管压力与第一孔喉半径之间的关系，其关系如图4所示。从结果中可以看出，当第一孔喉半径<R1时，R1为38nm-42nm之间，进汞压力剧增，说明汞分子进入R1以下的孔径困难，在此孔径以下，增压注入汞，可能会造成“扩喉”作用。而第一孔喉半径>R1时，存在“扩喉”的可能性较小，因而能够表征第一孔喉半径在R1以上的孔径特征。

利用吸附法测量毛细管孔径是建立在凯尔文的毛细管凝聚理论基础上的，吸附法测试得到的凯尔文半径是指毛细管中气液弯曲界面曲率半径。

由于吸附法是等温升压实验，而所加压力有限，毛细管的气体凝聚量也有限。如图5所示，对于小孔径毛细管，凝聚产生的液量可以充满毛细管，形成弯曲气液界面，从而可以计算得到第二孔喉半径＝r_k+t。其中，r_k为Kelvin半径，t为吸附膜厚度。但是对于大孔径的毛细管，由于凝聚液量有限，液体可能并没有充满毛细管形成弯曲气液界面，而是在孔壁形成弯曲液滴。因此，对于大孔径的毛细管，计算得到的Kelvin半径加上吸附膜厚度，并不是实际的第二孔喉半径，其应该比第二孔喉半径小。也就是说，利用毛细管凝聚理论计算得到的第二孔喉半径主要能反应小孔径的毛细管，对于大孔径的毛细管是不能准确表征的。

对同一组样品进行高压压汞法和吸附法测试，高压压汞法测量得到的第一孔喉半径与吸附法测量得到的第二孔喉半径对比，如图6所示，在大于R2(R2为38nm-42nm)的孔喉区，高压压汞法测试得到的第一孔喉半径普遍大于吸附法测量得到的第二孔喉半径，这一结果也支持了上述毛细管凝聚的观点。得到系统相对压力与第二孔喉半径之间的关系，如图7所示。由两者关系可知，在第二孔喉半径>R2时，吸附等温曲线变陡，孔喉半径突增，且变化大。分析认为对于页岩储层中第二孔喉半径大于R2的孔喉，在系统相对压力为室压(等于1)以下时，其产生的毛细管凝聚不足以充满孔喉，按照吸附理论计算得到的第二孔喉半径小于实际值，这样的孔喉段，吸附法是不能表征的。

根据上述的描述，可以确定孔径界线＝R1＝R2，孔径界线为38-42nm。优选地，孔径界线为40nm。

进一步地，在表征泥页岩储层样品的孔隙结构中，以孔径界线作为分界线，对同一个地方采集到的一组泥页岩样品进行低温氮气吸附实验和高压压汞实验。具体步骤如下：

(1)测试低温氮气吸附曲线，按照BET方程计算比表面积及孔喉体积。

比表面积S_a的计算公式为：

式中：S_a为页岩比表面积；V_m为氮气单分子吸附体积；W为页岩重量。

孔喉体积的计算公式为V＝Vp；

式中：V为氮气吸附量；V_p为孔喉体积。

(2)由凯尔文方程，按照BJH方法求取Kelvin半径。

Kelvin半径r_k的计算公式为：

式中：V_m为氮气单分子饱和吸附量；P为氮气注入时系统压力；P₀为测试压；σ为氮气凝聚时气液界面张力；T为测试温度；R为8.314J/(T·mol)。

(3)由吸附滞后环形态判断主要孔喉类型，选择计算吸附膜厚度t值的关系式。

对于孔喉类型为片状时，采用Halsey方程，得到t的计算式为：

当孔喉类型为圆柱型时，得到t的计算式为：

孔喉类型为圆柱型和片状型，得到t的计算式为：

采用Halsey方程：计算得到吸附膜厚度t₁，采用公式：计算得到吸附膜厚度t₂；按照孔喉类型的比例进行加权平均得到吸附膜厚度t。

(4)计算第二孔喉半径，第二孔喉半径r_p2＝r_k+t。

(5)得到系统压力与第二孔喉半径之间的关系。

(6)根据气水两相条件，计算第二孔喉半径对应的第二毛细管压力。

第二毛细管压力与系统压力之间的关系式为：式中：Pc为第二毛细管压力。

(7)进而得到第二毛细管压力与第二孔喉半径r_p2的关系。

(8)进行高压压汞测试，得到第一毛细管压力与第一孔喉半径rp₁之间的关系。

(9)以孔径界线为分界，孔径界线以下用吸附法测量得到的孔隙结构特征，孔径界线以上用高压压汞法测量得到的孔隙结构特征，然后将其拼接，得到完整的页岩气储层的毛细管压力与孔喉半径的关系分布曲线，如图8所示，从而得到比较完整的孔隙结构特征。

一种页岩气储层的评价方法，包括：利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法得到的结果对页岩气储层进行评价。

页岩是一种非均质多孔隙介质，它的孔隙类型与孔隙结构与页岩气的吸附性和流动性密切相关，是影响气储藏集能力和页岩开采的重要原因。因利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法测试得到的全孔径段的孔隙结构特征，表征结果准确，因而对评价页岩气储层的气藏储集能力具有积极的作用。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例

对同一个地方采集到的一组泥页岩样品进行高压压汞测试，得到第一毛细管压力与第一孔喉半径r_p1之间的关系。确定高压压汞法能够表征的孔喉半径。对同一组样品进行吸附法测试，具体步骤如下：

(1)测试低温氮气吸附曲线，按照BET方程计算比表面积及孔喉体积。

比表面积S_a的计算公式为：

式中：S_a为页岩比表面积；V_m为氮气单分子吸附体积；W为页岩重量。

孔喉体积的计算公式为V＝Vp；

式中：V为氮气吸附量；V_p为孔喉体积。

(2)由凯尔文方程，按照BJH方法求取Kelvin半径。

Kelvin半径r_k的计算公式为：

式中：V_m为氮气单分子饱和吸附量；P为氮气注入时系统压力；P₀为测试压；σ为氮气凝聚时气液界面张力；T为测试温度；R为8.314J/(T·mol)。

(3)由吸附滞后环形态判断主要孔喉类型，选择计算吸附膜厚度t值的关系式。

对于孔喉类型为片状时，采用Halsey方程，得到t的计算式为：

当孔喉类型为圆柱型时，得到t的计算式为：

孔喉类型为圆柱型和片状型，得到t的计算式为：

采用Halsey方程：计算得到吸附膜厚度t₁，采用公式：计算得到吸附膜厚度t₂；按照孔喉类型的比例进行加权平均得到吸附膜厚度t。

(4)计算第二孔喉半径，第二孔喉半径r_p2＝r_k+t。

(5)得到系统压力与第二孔喉半径之间的关系。

(6)根据气水两相条件，计算第二孔喉半径对应的第二毛细管压力。

第二毛细管压力与系统压力之间的关系式为：式中：Pc为第二毛细管压力。

(7)通过换算能够得到第二毛细管压力与第二孔喉半径r_p2的关系。确定吸附法能够表征的孔喉半径。

根据上述的高压压汞法和吸附法的测试结果，最终确定吸附法和高压压汞法均能够表征的孔喉半径的孔径界线。以孔径界线为分界，孔径界线以下用吸附法测量得到的孔隙结构特征，孔径界线以上用高压压汞法测量得到的孔隙结构特征，然后将其拼接，得到完整的页岩气储层的毛细管压力与孔喉半径的关系分布曲线，从而得到比较完整的孔隙结构特征。

一种页岩气储层的评价方法，包括：利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法得到的结果对页岩气储层进行评价。

综上所述，本发明实施例的一种页岩气储层孔隙结构的表征方法以及页岩气储层的评价方法，页岩气储层孔隙结构的表征方法通过确定吸附法和高压压汞法均能够表征的孔喉半径的孔径界线，将用吸附法测量得到的孔径界线以下的孔隙结构和高压压汞法测量得到的孔径界线以上的孔隙结构拼接，能表征全孔径段的孔隙结构特征，表征结果更为准确。页岩气储层的评价方法，利用上述页岩气储层孔隙结构的表征方法测试得到的全孔径段的孔隙结构特征，表征结果准确，对评价页岩气储层的气藏储能力有积极作用。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。