页岩多孔介质孔隙结构

前言 

**章 国内外典型页岩油气藏开发简况1 

**节 页岩气藏开发进程1 

第二节 页岩油藏开发进程3 

第三节 全球页岩油资源概况4 

一、纯页岩型页岩油5 

二、夹层型页岩油6 

三、混积型页岩油6 

参考文献6 

第二章 页岩孔隙度7 

**节 孔隙度测试方法7 

第二节 热力学平衡方程8 

第三节 毛细管热力学平衡方程应用9 

一、影响因素分析9 

二、实验验证11 

三、改进页岩孔隙度测试方法12 

参考文献13 

第三章 页岩微观结构表征方法简介14 

**节 聚焦离子束扫描电镜15 

一、测试原理16 

二、实验仪器及测量方法18 

三、页岩孔隙类型22 

四、页岩孔喉微观分布特征25 

第二节 基于计算机断层扫描的孔隙连通性分析方法31 

一、计算机断层扫描原理31 

二、计算机断层扫描岩心分析方法31 

三、页岩孔喉连通性36 

第四章 页岩孔径分布测试方法50 

**节 基于气体吸附法的孔径分布测试方法50 

一、气体吸附法实验原理50 

二、孔径分布数据处理方法55 

三、N2吸附孔径分布测试方法63 

四、二氧化碳吸附孔径分布测试方法67 

第二节 高压压汞孔径分布测试方法68 

一、高压压汞法实验原理68 

二、高压压汞仪及测量方法69 

三、毛细管压力*线70 

第三节 页岩全尺度孔径测试与分析方法71 

一、全尺度孔径分布测试方法72 

二、原子力显微镜三维样貌与聚焦离子束扫描电镜测试79 

三、计算机断层扫描及三维重构83 

四、分形特征84 

第四节 页岩孔隙中天然气赋存规律92 

一、纳米级孔隙中甲烷密度92 

二、页岩孔隙特征各类研究方法的特点93 

参考文献95 

第五章 小角中子散射测试法96 

**节 实验仪器96 

第二节 实验原理97 

一、中子97 

二、小角中子散射技术的原理99 

三、通量、散射截面、强度99 

第三节 样品制备102 

第四节 数据处理方法105 

一、散射长度密度计算105 

二、总孔隙度与比表面积的求取107 

三、孔径分布的求取108 

第五节 实验数据处理与分析110 

一、二维SANS光谱图分析110 

二、小角中子散射孔径分布图112 

第六节 基于SANS-MIP的全尺度孔径分布测试114 

一、高压压汞孔径分布测试114 

二、小角中子散射孔径分布测试116 

三、SANS与MICP联合测量全尺度孔径分布117 

四、不同尺度范围孔隙定量分析118 

第六章 基于原子力显微镜的孔喉结构分析技术121 

**节 原子力显微镜原理121 

第二节 原子力显微镜模式122 

一、接触模式122 

二、轻敲模式124 

三、单频压电显微镜124 

四、开尔文扫描探针显微镜126 

五、静电力显微镜126 

六、磁力显微镜127 

第三节 原子力显微镜微观孔隙结构特征129 

第四节 微观孔隙特征参数计算130 

第五节 力*线131 

一、弹性模量131 

二、黏附力133 

第六节 表面电势133 

第七节 原子力显微镜的应用136 

一、表面粗糙度137 

二、孔隙定量评价138 

三、快速傅里叶变换138 

四、面孔分布特征139 

五、非均质性141 

六、孔径分布143 

七、弹性模量144 

八、原油与储层之间作用力表征146

**章 国内外典型页岩油气藏开发简况 

 **节 页岩气藏开发进程 

 页岩气(shale gas)是指在富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用，储集和保存的生物成因、热解成因及二者混合成因的天然气。其可以以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，或以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有极少量以溶解态储存于干酪根和沥青质中。游离气比例一般在20%～85%，需要人工改造才能释放出工业性天然气，故页岩气藏又称“人工气藏”，具有初期产量较高、衰减快，后期产量低，开采时间较长的特点。 

 以页岩气为代表的非常规油气资源的成功商业化开采，是全球油气工业理论技术的又一次创新与跨越。美国页岩气的高速发展引起美国能源、制造业、运输业的系列变革，已经被定义为一场“页岩气革命”。通过“页岩气革命”，美国油气对外依存度不断下降，全球能源格局正发生着深刻变化。美国页岩气产量(图1-1)在2010～2022年增长了7倍左右。2022年北美页岩气平均月产量为771.5亿m3，同比增长3.76%，发展势头强劲[1]。页岩气超过煤层气、致密砂岩气、致密油(tight oil)、油砂，成为**大非常规油气资源。 

 图1-1 美国页岩气历年产气量[来源于美国能源信息署(EIA)[1]] 

 1ft=3.048×10–1m 

 此外，加拿大从2000年开始重点针对11个盆地(地区)开展页岩气研究，根据国际能源署(IEA)的数据，截至2023年，加拿大已探明天然气储量达2.2万亿m3。欧洲有多个国家正在开展页岩气勘查，主要集中在英国、波兰、德国、法国、挪威、乌克兰、罗马尼亚、奥地利和瑞典。德国、法国和瑞典的部分企业已经着手页岩气商业性勘探开发。 

 阿根廷是拉丁美洲*大的页岩气生产国之一。阿根廷的内乌肯盆地瓦卡穆埃尔塔页岩区带石油产量占阿根廷产量的一半左右，天然气产量约占阿根廷产量的60%。 

 近年来，中国在页岩气勘探开发方面取得重大突破，成为除北美之外**个实现规模化商业开发的国家。 

 20世纪90年代我国逐步开展与页岩气相关的研究工作。自2004年以来国土资源部(现称为自然资源部)油气资源战略研究中心开始开展对页岩气资源的调查评价工作，2009?年启动“全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选(2009—2011)”项目，以川渝黔鄂地区为主，兼顾中下扬子地区和北方地区，开展页岩气资源调查，在重庆市彭水苗族土家族自治县实施了我国**口页岩气资源战略调查井—YY1井，优选页岩气远景区；2010～2012年，组织开展了全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选，公布中国页岩气地质资源量为134.43万亿m3，可采资源量为25.08万亿m3，同时开展了川渝黔鄂页岩气资源调查先导试验区建设工作。 

 2012年4月长宁地区N201-H1井五峰组—龙马溪组测试获日产页岩气15万m3，同年11月中国石油化工集团有限公司(简称中国石化)在川东南涪陵焦石坝地区JY1HF井五峰组—龙马溪组测试获日产页岩气20.3万m3，拉开了我国页岩气商业化开发的序幕。截至2016年底，中国页岩气勘探开发已完成二维地震24760km，三维地震4013km2，钻井1161口。在四川盆地形成了涪陵、威远、长宁、昭通4个页岩气商业化开发区，页岩气储量、产量快速增长。页岩气产量从2012年的2500万m3增长到2020年底的200.4亿m3，使中国成为世界第二大页岩气生产国[2]。 

 与北美页岩气成功进行商业化开采的盆地相比，我国页岩气田地层老、热演化程度高、构造改造强、地表条件复杂，页岩气开发缺乏成熟的、可借鉴的技术与经验。通过勘探开发实践，我国页岩气开发在立足自主创新和引进消化再创新的基础上，先后提出复杂构造区海相页岩气“二元富集”规律、“构造型甜点”和“连续型甜点”页岩气富集模式等认识，从无到有，创新形成了本土化的“沉积成岩控储、保存条件控藏、Ⅰ类储层连续厚度控产”的“三控”页岩气富集高产理论，创新建立了适合我国南方多期构造演化的海相页岩气勘探开发的六大主体技术-综合地质评价技术、开发优化技术、水平井优快钻井技术、水平井体积压裂技术、丛式井工厂化作业技术及高效清洁开采技术，掌握了川南3500m以浅页岩气规模有效开发的理论和关键技术，有效支撑了***页岩气示范区产能建设，为加快中国页岩气开发奠定了坚实的基础(图1-2)。 

 图1-2 2015～2022年我国页岩气产量及增速[3] 

 第二节 页岩油藏开发进程 

 页岩油(shale oil)是近年来逐渐兴起的非常规油气资源，是继页岩气后又一对美国油气工业乃至世界能源产生重要影响的能源矿产。人们通常将美国页岩气和页岩油的产业发展称为“页岩革命”。 

 国际上很早就有页岩油的概念，但随着理论和技术的不断发展，关于页岩油本身的认识也逐渐提高，其概念也赋予了更多的内涵和外延。因此，当前国内外针对“页岩油”的概念仍然没有统一公认的说法，国内学者针对英文单词中shale oil的理解也还存在一定的争议。综合国内外行业实践和科学研究，页岩油在概念上可以概括为以下三种情况。 

 在广义上，页岩油是泛指蕴藏在泥页岩层系中具有低孔隙度和渗透率的石油资源，在储层上包括了页岩、砂岩和碳酸盐岩等不同类型的致密岩层，与致密油的概念较为相近。广义概念*大的特点在于页岩油的储集和产出层位也不单单为页岩层位，而是含有页岩、砂岩、碳酸盐岩等泥页岩层系，也称为复合型页岩。这个概念主要起源于美国油气行业，可以视为非常规石油资源的统称，在美国能源信息署、美国地质调查局(USGS)及各类油气公司等的报告中，一般将页岩油和致密油作为相同的概念使用。