页岩孔隙结构及页岩气开发特征研究-英文
页岩气的开发现状及特征分析
Science &Technology Vision 科技视界目前,随着勘探和开发等方面的技术进步,人们越来越多的认识到非常规气的勘探价值,全世界已进入常规油气与非常规油气并重发展的时代。
而页岩气作为一种非常规油气资源,具有分布广泛、资源量大、生产寿命长、产量稳定等特点,使得页岩气在世界油气可采资源量中所占的比例越来越大,日益引起各方专家学者的重视和研究。
从全球不可再生能源的现状分析表明,页岩气将成为最具价值的非常规天然气资源之一。
页岩气具有如下特点:(1)自生自储。
页岩气是指发育于暗色泥页岩或炭质泥页岩中,以吸附状态或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。
页岩气具自生自储的特点。
与气藏不同,页岩即可作为产出天然气的源岩,也可作为储层或盖层来储存或保存天然气。
因此,高TOC 的页岩、泥岩等常作为页岩气源岩及储层。
(2)潜力巨大。
2006年美国页岩气产量达205亿立方米,页岩气已成为到致密砂岩气和煤层气之后的重要非常规油气。
21世纪初期,在我们国家很多地方,也发现很多与美国含气页岩特征相似的烃源岩条件,具有分布厚度大,有机质含量丰富且演化程度高、生烃强度高等特点,对页岩气成藏及页岩气的勘探开发具有良好的基础条件,开拓我国页岩气勘探的新领域。
(3)资源丰富。
经估算,我国页岩气可采资源量约为442×1012m 3。
页岩气在我国多个油气盆地均有发现,在我国广泛分布的海相、海陆交互相页岩及陆相地层均有分布。
我国的页岩在各个地质历史时期都有广泛发育,既有古生界的海相页岩,也有中、新生界的陆相页岩,在油气、煤炭勘探中,在油气盆地及盆地外的沉积地层中发现多处页岩气显示。
因此我国页岩气资源勘探开发前景很好,具有加快勘探开发的巨大资源基础。
1国内外相关技术现状及发展趋势最早研究页岩气的国家是美国,目前,美国已发现丰富的页岩气资源,拥有全世界最领先的勘探开发技术,而且取得了丰富的成果,并已全速进入到页岩气商业开发的快速发展阶段。
翻译
从井眼环境中界定页岩气储层的有效地球化学及地质力学方法: Caney 层和Woodford 层页岩摘要从气藏页岩(页岩气藏)中成功的回收碳氢化合物需要了解基本的储层的岩石-骨架结构。
易变(易产生裂隙)的岩性、物性和干酪根含量等信息对于确定油气生产恰当（产量）的层段是至关重要的。
原地应力的知识（原始裂缝）和这些层段的孔隙度对于在适当的地方制定高压水沙压裂法来找到油气是必不可少的。
通常这些特性可以通过对井眼中取得的岩心的分析来获得，这个过程是一个耗时的活动，这个活动在完井和（但是需要）长时间的钻探中导致了昂贵的延迟（影响效益）。
我们证明这些储集岩的特性可以通过地层评价方法（联合使用井下的地球化学的、声学的，以及核磁共振的探测装置）在井眼环境原地（中）测量和预测。
使用这些测量工具（仪器）的组合我们可以测定岩性、物性、干酪根的含量。
物（岩）性，孔隙度，声波时差，体（体积）密度，孔隙压力，盖层压力，接下来被（然后）用来计算无侧限抗压强度，泊松比以及水平应力。
这些结果接下来还可以被用来制定水力压裂的策略。
这种方法的有效性（可以）通过界定（确定这）三个不同的井中的Caney层和Woodford 层页岩的岩性得到了证明。
特别强调的是从这些地层中确定干酪根含量的能力，因为目前没有其他直接的从裸眼井电缆测井中量化碳含量的方法可用。
通过从井眼剖面对显示物性, 化学, 干酪根含量, 以及地质力学的属性的岩芯数据的比较，这个界定（确定）页岩气储层的方法获得了进一步的支持。
简介位于东俄克拉何马州Arkoma 盆地的Woodford和Caney地层包含一系列连续的易断裂的，碳质的，硅质黑页岩，这些硅质页岩是非传统的但经济上可行的油气资源。
(Amsden, 1967; Cardot, 1989, Brinkerhoff, 2007, Schad, 2007). 从这些细粒度岩石中生产商业油气需要使用水力压裂技术压裂大量的岩石。
页岩气储层孔隙结构与渗透性特征研究
页岩气储层孔隙结构与渗透性特征研究页岩气作为一种非常重要的天然气资源，一直以来都备受关注。
然而，由于页岩气储层的特殊性质，包括孔隙结构和渗透性特征等，使得其有效开采面临着很大的挑战。
因此，研究页岩气储层的孔隙结构与渗透性特征具有重要的理论和实际意义。
首先，让我们来了解一下什么是页岩气储层。
页岩气是一种通过水平钻井和压裂技术开采的天然气，其主要存在于致密的页岩层中。
相比于传统的天然气储层，页岩气储层的孔隙结构非常复杂，主要包括微观孔隙、纳米孔隙和裂缝等组成。
同时，由于页岩的致密性，其渗透性也非常低，使得气体难以流动，从而限制了页岩气的有效开采。
对于页岩气储层的孔隙结构而言，主要存在两种类型的孔隙，即自然孔隙和人工孔隙。
自然孔隙主要指的是岩石本身的孔隙，主要是微观孔隙和纳米孔隙，这些孔隙是天然形成的，通常较小且连通性较差。
人工孔隙则是通过压裂技术形成的，主要是裂缝，这些孔隙具有较好的连通性，能够提高气体的渗透性。
研究表明，页岩气储层的孔隙结构对气体的吸附和扩散具有重要影响，对渗透性也具有决定性作用。
而对于页岩气储层的渗透性而言，其主要受孔隙结构、裂缝的连通性和构造应力等因素的影响。
首先，孔隙结构的复杂性使得气体在储层内的流动受到很大限制。
微观孔隙和纳米孔隙通常较小，气体分子难以通过，从而使渗透性降低。
而一旦裂缝形成，气体会通过裂缝进一步扩散，从而提高渗透性。
其次，构造应力的作用也对渗透性产生了影响。
应力会改变岩石的物理性质，如弹性模量、应力刚度等，从而影响气体的渗透性。
为了更好地研究页岩气储层的孔隙结构与渗透性特征，科学家们采用了多种研究方法和技术。
例如，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等显微镜技术，可以观察储层样品的微观结构，并分析孔隙的大小和连通性。
此外，蒙特卡罗模拟和分子动力学模拟等计算方法，可以模拟气体在孔隙内的扩散过程，研究渗透性的变化规律。
这些研究手段的应用，为我们深入理解页岩气储层的特性和开采问题提供了强有力的支撑。
Study on pore structure characteristics(文献翻译)(我国海陆相页岩孔结构)
我国海相和陆相页岩孔结构特征的研究Study on pore structure characteristics of marine and continental shale in China同济大学材料学院Erin摘要页岩气是一种重要的天然气资源，在我国已经有一定的应用。
本文选择威远海相页岩（1#），焦石坝海相页岩（2#），瑶曲凝灰岩（4#）和瑶曲陆相页岩（5#和6#）进行薄层分析，冰场发射扫描电子显微镜（SEM）、压汞法（MICP）和气体吸附实验，研究典型海相和陆相页岩的孔隙结构特征。
通过对其孔隙结构特征和影响因素的研究，提出了一种水力压裂领域内孔命名的新方法，并提出了孔隙分布均匀性系数这一概念，用以描述页岩中不同孔径分布的连续性。
采用密度泛函理论(DFT) 模型联合分析N2吸附和CO2的吸附试验结果可以获得纳米孔的连续分布。
样品中孔径为2～100 nm范围内的孔隙率从高到低依次为2#、5#、1#、6#、4#，孔径为10～100 mm的范围内的孔隙率从高到低依次为2#、1#、4#、6 #、5#。
同时2#和5#样品中微纳米孔隙比其他样品更发达，这两个样品的储气能力更强。
本文的研究结果可用于指导页岩气的开发，优化页岩气的位置选择办法，提高页岩气产量。
关键词：海相页岩陆相页岩微观孔纳米孔孔隙分布气体吸收1. 简介数据表明，石油（常规和非常规）和天然气资源储藏量的比例为2:8，说明石油气和天然气资源的潜力是巨大的。
页岩气是一种非常规油气资源，而对页岩孔隙特征（一种用于衡量和评价水库水质的重要指标）的研究，吸引了世界上研究者的兴趣。
天然气主要是以吸附的形式存在于有机物和粘土矿物中，或者在其他的多孔物质中以自由气体的形式压缩。
而页岩具有大量的微孔。
根据粘土岩的中孔径的大小，小于0.6 nm，0.6～2 nm, 2～50 nm, 50 nm ～2μm, 2～50μm和大于50μm的孔可分别命名为超微孔，微孔、小孔、中孔、大孔，毛细管孔。
页岩气开采-Autumn2006-4[1]
![页岩气开采-Autumn2006-4[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/a24438de6f1aff00bed51e5e.png)
2006 年秋季刊
19
߅ાߵิׯ CO2, H2O ᆳ โഘ ߅ഘ ૌ႙2 ႚׯདྷૌ ڦയీ ׯຄ܈ሺे
1.5
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10
0.1
0.2
0.3
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> 干酪根的演化。修正后的 Van Krevelen 图显示埋藏过程中热 量增加后干酪根发生的变化。 干酪根受热转化成烃类的一般趋 势可以表示为先产生非烃类气体，然后演化成油、湿气和干 气。 在此演化过程中， 干酪根先在释放二氧化碳和水的过程析 出氧，接着开始在演化成烃类时析出更多的氢。
页岩气藏的开采
沉积岩中最为丰富的岩石－页岩，终于得到了其应有的重视。 长期以来，页岩一直被认为是一种盖岩，因此钻井人员在钻井过程 中直接穿越页岩层段开采砂岩或碳酸盐岩储层。然而地质、经济和 技术等方面的有机结合正在促使美国的一些作业公司租赁数千英亩 矿区的钻井权，以便推动下一个页岩气远景区的发现。
Charles Boyer 美国宾夕法尼亚州匹兹堡 John Kieschnick Roberto Suarez-Rivera 美国犹他州盐湖城 Richard E. Lewis George Waters 美国俄克拉何马州俄克拉何马城
在编写本文过程中得到以下人员的帮助， 谨表谢 意：美国康涅狄格州 Ridgefield 的 Barbara Anderson； 巴西里约热内卢的 Walter Arias；犹他州盐湖城的 Keith Greaves；得克萨斯州 College Station 的 Valerie Jochen；得克萨斯州休斯敦的 Barbara Marin 和 Mark Puckett ；俄克拉何马州俄克拉何马城的 Camron M i l l e r ，以 及 宾 夕 法 尼 亚 州 匹 兹 堡 的 J e r o n Williamson。 AIT（阵列感应成像测井仪） ，ClearFRAC，ECLIPSE， ECS （元素俘获谱探头） ， ELANPlus， FiberFRAC， FMI （全井眼微电阻率扫描成像测井仪） ， geoVISION， Platform Express 和 SpectroLith 等是斯伦贝谢公司的 商标。 1. USGS 列出的其它类型连续天然气资源包括盆 地中心气，致密地层气和煤层气等。 2. Schenk CJ: “Geologic Definition of Conventional and Continous Accumulations in Select U.S. Basins－The 2001 Approach” ，提交给 AAPG Hedberg 关于了 解、勘探和开发致密气砂岩研究大会的文章 摘要，美国科罗拉多州 Vail，2005 年 4 月 24-29 日。 3. 基岩渗透率是指流体通过岩石的能力，主要 是指流过组成岩石的矿物颗粒之间间隙的能 力，但不包括流体在岩石裂缝中的流动。
SPE-159919译文
SPE 159919裂缝型页岩气藏中多尺度流动的扩展有限元建模M. Sheng1, SPE, G. Li, SPE,中国石油大学(北京), S.N. Shah, SPE, and X. Jin, SPE, 俄克拉何马大学版权所有2012，石油工程师学会这篇是准备在美国德克萨斯州圣安东尼奥2012年10月8-10日举行的SPE年度技术会议和展览上进行发表的文章。
本文是SPE程序委员会选定审查的，当中未确认作者所提交的摘要信息。
本文的内容没有被石油工程师学会审查的，也未进行作者更正。
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摘要必须明显包含和承认SPE所有的版权。
摘要一个页岩气的经济生产方案需要更好地了解其气体流动方式和建立合适的油气藏模型。
在复杂的裂缝中和多尺度流动通道中气体流动行为的复杂程度加强。
这篇文章结合改进页岩气运输模型和扩展有限元建模(XFEM)来描述页岩气的主要流动机制和其离散裂隙网络。
页岩气的被视为具有离散裂缝的双重渗透介质。
离散裂缝不需要划分网格，它可以将给定的位置、长度和取向放在任何地方。
岩石变形与瓦斯流动的隐式耦合反映页岩气的应力敏感性。
此外，在破碎断裂中的置换和基质孔隙水压力被视为不连续的近似函数集合。
用计算机编码的开发一个模型，此模型以双渗介质固结问题为验证代码。
结果表明与常规压力场的连续裂缝模型的比较，页岩气的压力场明显被离散裂缝干扰。
因此，将页岩气所处裂隙认为是多孔介质离散裂缝是很重要的。
为提高上述模型的应用，页岩气储层提出了一个案例研究。
模拟在裂缝性储层中以双模式网络为基础。
因为前者使孔隙水压力场耗尽对称，显而易见正交裂隙网络是一个与斜裂缝相反的理想模式。
此外，敏感区域是控制压力衰减的主要因素。
结果表明，所提出的模型和代码是能够模拟页岩气藏所处的离散裂隙网络的。
页岩储层微观孔隙结构特征
页岩储层微观孔隙结构特征近年来，随着非常规油气藏勘探开发的深入，页岩由于储集丰富的油气资源而突破了将其作为烃源岩或盖层的认识，页岩储层的孔隙结构也受到了广泛关注。
页岩作为一种超致密油气储层，其孔隙远远小于砂岩和碳酸盐岩储层孔隙，孔径大小达到纳米量级。
Haynesville 盆地页岩孔径为20nm；Beaufort-Mackenzie盆地浅层页岩孔径为251000nm，深层页岩孔径为2.525nm；Mississippian盆地Barnett页岩孔径范围为5750nm，平均为100nm；中国四川盆地成熟页岩孔隙直径一般约为100nm.页岩储层的结构与孔隙特性不仅影响了气体的储集和吸附能力，而且也影响了气体的运移。
油气储层孔隙结构研究的主要技术手段有铸体薄片分析法、高压压汞法、氮气吸附法和扫描电镜法等。
应用铸体薄片分析法研究时，由于普通光学显微镜受到分辨率的限制，难以观察铸体薄片中的纳米级孔隙。
高压压汞法常用于测试连通的中孔和大孔。
低温氮气等温吸附法侧重于表征微孔和中孔的孔隙结构。
扫描电镜技术不能分辨在机械抛光过程中由于页岩表面硬度不同所造成的不规则形貌和纳米孔，也难以识别新基金项目：国家自然科学基金项目（Na51274214）、教育部科学技术研究重大项目（Na311008）和油气资源与探测国家重点实验室自主研究课题第一作者：杨峰，男，1987年7月生，2009年毕业于西南石油大学，现为中国石油大学（北京）博士研究生，主要从事非常规油气开发方面研究。
通讯作者：宁正福，男，1965年10月生，2002年获石油大学（北京）博士学位，现为中国石油大学（北京）教授、博士生导师，主要从事油气藏工程和非鲜断面上由于样品破裂造成的假孔隙。
由于页岩储层的平均孔径只有纳米量级，在制备页岩实验样品时要采用特殊手段防止样品制备过程中造成污染，常规的技术手段不能有效描述页岩的孔隙结构和表面形态，就需要将多种实验方法相结合。
页岩气储层孔隙结构表征技术及实验方法研究进展
有 机 质 孔 隙 发 育 范 围 从 纳 米 级 到 微 米 级，孔 隙尺度分布广、跨度大，其形态在平面上多呈圆形 或椭圆形 等，在 空 间 上 则 主 要 以 片 状 或 洞 穴 状 等 形式存在。 １．１．２ 无机质孔隙
无 机 质 孔 隙 主 要 包 括 溶 蚀 孔 隙、原 生 粒 间 孔 及晶间孔。 在 页 岩 气 储 层 中，粒 间 孔 隙 主 要 发 育 于沉积作 用 或 成 岩 作 用 时 期，是 复 杂 条 件 及 影 响 因素的共 同 作 用 结 果。 无 机 质 孔 隙 形 态 丰 富，多 以三角形、多 角 形 及 线 型 存 在 于 矿 物 颗 粒 间。 粒 内孔隙在 颗 粒 内 部 发 育 量 较 大，不 仅 能 够 为 气 体 提供较大 的 存 储 空 间，还 能 与 粒 间 孔 构 成 孔 隙 网 络，极大地 提 高 页 岩 的 渗 流 能 力。 晶 间 孔 隙 常 存 在于晶间 位 置，是 在 晶 体 生 长 过 程 中 由 于 不 紧 密 堆积而形 成 的，在 黄 铁 矿 中 普 遍 发 育。 溶 蚀 孔 形 成于地质 演 化 过 程，主 要 在 碳 酸 盐 矿 物 及 黏 土 矿 物等不稳 定 矿 物 内 产 生 溶 蚀 并 形 成 孔 隙 空 间，在 形成过程中需要较高的温压条件及较强的地应力 等。化石孔 隙 主 要 发 育 在 化 石 骨 架 或 体 腔 内，其 孔径一般为微米级，孔隙连通性较好，为流体提供 了良好的存储空间及运移通道。 １．２ 裂缝孔隙
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• • •
Slope = 0.5 at high p Slope = 0.26 at p=pc At intermediate p values, at some time or distance to the wetting front,
the slope transitions from 0.26 to 0.50
14
Pore Connectivity and Diffusion • Same mathematics for diffusion and imbibition:
∂c ∂ ∂c = Ds (θ ) ∂t ∂x ∂x
Pore connectivity: Time-dependence: Distance to front Diffusion coefficient Distance-dependence: Diffusion coefficient
Pore Structure and Hydrocarbon Recovery in Fractured Shales
(Max) Qinhong Hu 胡钦红 maxhu@ Department of Earth and Environmental Sciences University of Texas, Arlington
(Spontaneous) Imbibition Test
• Rock sample epoxycoated along length → 1D flow • Imbibition rate monitored continuously over time
Balance
• Sample size (cm range) and shape • Different initial water contents • Tracer solution
Fracture‒Matrix Interaction
Field observation (preferential flow in a fracture network) of dye distribution in unsaturated fractured tuff at Yucca Mt.
1
2006
2004
2000 2008
/pub/oil_gas/natural_gas/analysis_publications/maps/maps.htm
2
http://www /tod ayinenergy/ detail.cfm?i d=2170 Updated June 1, 2011
Pore structure
Barnett Shale (7,219 ft)
pathways
Porosity: 5.5% k: nanodarcys (10-21 m2) Median pore dia.: 5 nm
• Gas deliverability from nanopores to well bore 5
3
Low gas recovery factor 15-30% for Barnett Shale (King, 2012)
4
Pore Structure and Low Hydrocarbon Production
RPSEA project: “Integrated • Amount of gas experimental and in place modeling approaches • Free vs. to studying the adsorbed gas fracture-matrix interaction in gas • Tortuous recovery from Barnett transport shale”
elliptical to completely rounded
Where is the porosity?
angular
rectangular
8
CH4 size: 0.375 nm
9
/customerexpress/docs/presentations_general/2009_ North_American_Shale_Gas_Overview_NECA.pdf
“Ant in a labyrinth”
p = 0.66
Solute in a pore system
↔
16
Multiple Approaches to Studying Pore Structure
• • • • • • • • • • • • Imbibition with samples of different shapes Edge-accessible porosity Liquid and gas diffusion Mercury injection porosimetry N2 adsorption/desorption isotherms Vapor absorption Nuclear Magnetic Resonance Cryoporometry SEM imaging after Wood’s metal impregnation Microtomography (high-resolution, synchrotron) Focused Ion Beam/SEM imaging Small-Angle Neutron Scattering (SANS) Pore-scale network modeling 1in) in log scale
0.5
1.5
2.5
3.5
19
Imbibition Results for Barnett Shale Samples Depth 7,109 ft (2,167 m) 7,136 ft (2,175 m) 7,169 ft (2,185 m) 7,199 ft (2,194 m) 7,219 ft (2,200 m)
18
Low Pore-Connectivity of Shale Samples
30 sec 5 min 2 hr 20 hr
Cumulative imbibition (mm) in log scale
0.0
-1.0
-2.0
Barnett Shale 2,166.8 m (7,109 ft) Rectangular prism (1.33 cm long × 1.76 cm wide × 1.43 cm tall)
Height/width
Imbibition slope
0.93 0.76 1.12 0.70 1.16 0.87 1.12 0.67 1.25 0.80
0.214 ±0.059 (N=3) 0.291 ±0.027 (N=3) 0.269 ±0.0045 (N=3) 0.216 ±0.040 (N=3) 0.273 ±0.050 (N=3) 0.357 ±0.006 (N=3) 0.284 ±0.062 (N=3) 0.282 ±0.047 (N=3) 0.306 ±0.019 (N=3) 0.264 ±0.046 (N=3) 20
Pore-Scale Network: Simulation Results (Ewing of ISU)
• p is pore connectivity probability; pc ≈ 0.2488 is the percolation threshold for cubic lattice
nanopore
0.375 nm
10
11
Fluid Flow and Mass Transport in Stimulated Reservoir Volume
~3×106 m3 for one frac stage (Curtis et al., 2012) 12
/customerexpress/docs/presentations_general/ 2009_North_American_Shale_Gas_Overview_NECA.pdf
21
height
Log mass imbibed
h φa (h ) = φp χ
β ν
1 Slope = = 0.5 2
Percolation Theory
The mathematics of how macroscopic properties result from local (microscopic) connections
p is the local connection probability
percolation threshold 0.5 < pc < 0.66 (for 2D square lattice) p = 0.5
Rock milling in 1998
My work on fracture transport starts with this rock
7
Intraparticle organic nanopores
Ar-ionbeam milling and fieldemissiongun SEM: resolve pores as small as 5 nm Loucks et al. (2009)
Sample dimension
1.33 cm L×1.76 cm W ×1.43 cm H (Vertical) 1.76 cm L×1.72 cm W ×1.32 cm H (Horizontal) 1.38 cm L×1.71 cm W ×1.72 cm H (Vertical) 1.73 cm L×1.73 cm W ×1.21 cm H (Horizontal) 1.35 cm L×1.79 cm W ×1.81 cm H (Vertical) 1.24 cm L×1.78 cm W ×1.32 cm H (Horizontal) 1.24 cm L×1.74 cm W ×1.67 cm H (Vertical) 1.74 cm L×1.72 cm W × 1.26 cm H (Horizontal) 1.37 cm L×1.74 cm W × 1.95 cm H (Vertical) 1.69 cm L×1.71 cm W ×1.36 cm H (Horizontal)