一种页岩介孔孔径分布的检测方法与流程

本发明涉及非常规油气勘探开发技术领域，更具体地说，是涉及一种页岩介孔孔径分布的检测方法。

背景技术：

随着非常规油气的大规模勘探开发，页岩油气成为当今最令人关注的非常规油气能源之一。在对页岩油气进行开发之前，为了正确评价页岩储层的结构与性质，需对页岩储层中的孔隙形态以及孔隙体积进行定量分析评价，尤其是作为页岩油气藏研究重点的介孔孔隙。准确的介孔孔隙信息可为页岩气赋存状态以及流动状态的研究提供关键的帮助，从而为提高采收率、降低开发成本及有效避免勘探开发过程中的各种损失提供基础数据。

页岩内存在大量微纳量级的孔隙及裂缝，为页岩气藏的开发提供了可能性，根据国际理论和应用化学联合会(IUPAC)的分类，将孔隙按照直径大小分为微孔(<2nm)、介孔(2nm～50nm)和宏孔(>50nm)。其中，介孔由于其介于微观尺度与宏观尺度之间的特点，成为页岩储层中研究赋存状态和流动状态的重点内容。

目前，现有的检测页岩介孔孔径分布的方法，通常将页岩中的孔隙单一地视为圆柱形孔隙进行分析；而对于实际中的页岩而言，其孔隙的形状是多变的，不仅包括圆柱形孔隙，还包括平板形孔隙、椭圆柱形孔隙等，甚至还可以是更为复杂的孔隙形状。因此，在现有的检测方法中，仅将孔隙视为圆柱形孔隙进行页岩介孔孔径分布的检测，会造成孔隙体积的较大偏差，无法合理准确地认识页岩内部的孔隙结构及形态，极大地影响了页岩储层的客观正确评价。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种页岩介孔孔径分布的检测方法，本发明提供的检测方法能够得到更准确的页岩介孔孔径分布，从而实现科学合理地对页岩内部孔隙结构和形态进行正确评价。

本发明提供了一种页岩介孔孔径分布的检测方法，包括以下步骤：

a)将页岩待测样品进行低温低压氮气等温吸附实验，得到氮气等温吸附/脱附曲线；

b)以微孔隙和微裂缝为孔隙形态，对得到的氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到页岩介孔孔径分布。

优选的，步骤a)中所述页岩待测样品的质量为0.5g～5g，粒径小于等于150μm。

优选的，步骤a)中所述低温低压氮气等温吸附实验的温度为-200℃～-190℃，压力为0.005MPa～0.1MPa。

优选的，所述步骤b)具体包括以下步骤：

b1)采用修正Kelvin方程对氮气等温吸附/脱附曲线中的数据进行处理，得到处理后的数据；

b2)基于BJH模型分别对氮气等温吸附曲线和脱附曲线进行分析，得到孔隙形态为微孔隙和微裂缝的基本方程；

b3)采用步骤b2)得到的基本方程并运用中值定理和积分区间分割，对步骤b1)得到的处理后的数据进行分析，得到页岩介孔孔径分布。

优选的，步骤b1)中所述修正Kelvin方程为：

r＝r_k+t

式中，r_k为Kelvin半径，c为孔隙类型常数，γ为表面张力，ν_m为吸附质的摩尔体积，φ为弯曲界面与孔壁之间的接触角，R为普适摩尔气体常数，T为液氮温度，x为氮气饱和压力下的相对压力，r为孔隙半径，t为吸附层厚度；

所述孔隙形态为微孔隙的模型中，氮气等温吸附曲线的c＝2，氮气等温脱附曲线的c＝1；

所述孔隙形态为微裂缝的模型中，氮气等温吸附曲线的c＝1，氮气等温脱附曲线的c＝0。

优选的，所述修正Kelvin方程中，吸附层厚度t采用Halsey方程得到；

所述Halsey方程为：

式中，

优选的，步骤b1)中所述进行处理的过程采用线性插值的方法得到吸附曲线和脱附曲线之间相对压力数据及其吸附量数据。

优选的，步骤b2)中所述孔隙形态为微孔隙和微裂缝的基本方程为：

式中，x_i为相对压力值，x_i-1为x_i相邻压力点的相对压力值，r_k1为微孔隙在吸附时相对压力对应的Kelvin半径，r_k2为微孔隙在脱附时以及微裂缝在吸附时相对压力对应的Kelvin半径/裂缝宽度，V_c为微孔隙的孔径分布，V_s为微裂缝的孔径分布，Δν_ad为吸附曲线上相邻压力点之间对应的吸附量差值，Δν_de为脱附曲线上相邻压力点之间对应的吸附量差值。

优选的，步骤a)中所述进行低温低压氮气等温吸附实验前，还包括：

对页岩待测样品进行前处理；

所述前处理具体为：

将页岩待测样品进行脱水和脱气。

优选的，步骤a)中所述脱水的温度为105℃～120℃，时间为12h～24h；所述脱气的真空度为小于等于1.01325×10^-4MPa，时间为8h～12h。

本发明提供了一种页岩介孔孔径分布的检测方法，包括以下步骤：a)将页岩待测样品进行低温低压氮气等温吸附实验，得到氮气等温吸附/脱附曲线；b)以微孔隙和微裂缝为孔隙形态，对得到的氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到页岩介孔孔径分布。与现有技术相比，本发明提供的检测方法以微孔隙和微裂缝作为页岩孔隙形态，进一步通过对其氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到相应孔隙形态下的页岩介孔孔径分布，克服了现有技术中仅将页岩中介孔视为单一孔形造成孔隙体积计算误差大的缺陷，检测结果对于实际中的页岩而言更加准确，从而实现科学合理地对页岩内部孔隙结构和形态进行正确评价。

附图说明

图1为本发明得到页岩介孔孔径分布的分析过程；

图2为本发明实施例1得到的页岩待测样品的氮气等温吸附/脱附曲线；

图3为本发明实施例1和对比例得到的页岩介孔孔径分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明提供了一种页岩介孔孔径分布的检测方法，包括以下步骤：

a)将页岩待测样品进行低温低压氮气等温吸附实验，得到氮气等温吸附/脱附曲线；

b)以微孔隙和微裂缝为孔隙形态，对得到的氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到页岩介孔孔径分布。

本发明首先将页岩待测样品进行低温低压氮气等温吸附实验，得到氮气等温吸附/脱附曲线。在本发明中，所述页岩待测样品的质量优选为0.5g～5g，更优选为1g～3g；所述页岩待测样品的粒径优选小于等于150μm，更优选为50μm～150μm。在本发明中，所述页岩待测样品均出自同一页岩，并且质量和粒径范围一致，能够消除非均质性所造成的离散误差，保证后续实验的准确性。

在本发明中，所述进行低温低压氮气等温吸附实验前，优选还包括：

对页岩待测样品进行前处理。在本发明中，所述前处理具体优选为：

将页岩待测样品进行脱水和脱气。本发明对所述脱水和脱气的方式没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的脱水和脱气的技术方案即可。在本发明中，所述脱水的温度优选为105℃～120℃，更优选为110℃～115℃；所述脱水的时间优选为12h～24h，更优选为16h～20h。在本发明中，所述脱气的真空度优选为小于等于1.01325×10^-4MPa；所述脱气的时间优选为8h～12h，更优选为10h～11h。

完成所述前处理过程后，本发明将前处理后得到的页岩待测样品进行低温低压氮气等温吸附实验，得到氮气等温吸附/脱附曲线。在本发明中，所述低温低压氮气等温吸附实验能够得到压力增加或是减少的过程中页岩中孔隙氮气吸附量的具体变化，吸附/脱附过程中不同压力下对应的不同氮气吸附量构成氮气等温吸附/脱附曲线，即横坐标为相对压力x＝p/pm，纵坐标为氮气吸附量ν(单位：cm³/g)。本发明对所述低温低压氮气等温吸附实验的设备没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的全自动比表面积和孔隙分析仪即可。

在本发明中，所述低温低压氮气等温吸附实验的温度优选为-200℃～-190℃，更优选为-196℃～-194℃。在本发明中，所述低温低压氮气等温吸附实验的压力优选为0.005MPa～0.1MPa。在本发明一个优选的实施例中，所述低温低压氮气等温吸附实验具体实验步骤为：将页岩待测样品放入全自动比表面积和孔隙分析仪中，在-196℃下，使压力从0.005MPa开始每增加一定压力记录其压力以及待体系平衡后该压力下的氮气吸附量，直至压力达到0.1MPa，得到氮气等温吸附曲线；再使压力从0.1MPa开始每降低一定压力记录其压力及待体系平衡后该压力下的氮气吸附量，直至压力达到0.005MPa，得到氮气等温脱附曲线。

得到页岩待测样品的氮气等温吸附/脱附曲线后，本发明以微孔隙和微裂缝为孔隙形态，对得到的氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到页岩介孔孔径分布。在本发明中，上述分析过程优选具体包括以下步骤：

b1)采用修正Kelvin方程对氮气等温吸附/脱附曲线中的数据进行处理，得到处理后的数据；

b2)基于BJH模型分别对氮气等温吸附曲线和脱附曲线进行分析，得到孔隙形态为微孔隙和微裂缝的基本方程；

b3)采用步骤b2)得到的基本方程并运用中值定理和积分区间分割，对步骤b1)得到的处理后的数据进行分析，得到页岩介孔孔径分布。

本发明首先采用修正Kelvin方程对氮气等温吸附/脱附曲线中的数据进行处理，得到处理后的数据。在本发明中，所述修正Kelvin方程为：

r＝r_k+t

式中，r_k为Kelvin半径，c为孔隙类型常数，γ为表面张力，ν_m为吸附质的摩尔体积，φ为弯曲界面与孔壁之间的接触角，R为普适摩尔气体常数，T为液氮温度，x为氮气饱和压力下的相对压力，r为孔隙半径，t为吸附层厚度。在本发明中，所述孔隙形态为微孔隙的模型中，氮气等温吸附曲线的c＝2，氮气等温脱附曲线的c＝1；所述孔隙形态为微裂缝的模型中，氮气等温吸附曲线的c＝1，氮气等温脱附曲线的c＝0。在本发明中，所述γ与吸附质性质相关。在本发明一个优选的实施例中，T＝77.3K，所述液氮温度下γ＝8.85×10^-3N/m，所述ν_m在液氮平衡状态下为34.677cm³/mol，所述φ在计算临界半径时为0。

在本发明中，所述修正Kelvin方程中，吸附层厚度t采用Halsey方程得到；所述Halsey方程为：

式中，

在本发明中，所述修正Kelvin方程是关于压力-半径的方程，能够将氮气等温吸附/脱附曲线数据中的相对压力读数转化为对应的孔隙半径值。在本发明中，所述r_k为Kelvin半径，并分为r_k1(微孔隙在吸附时相对压力对应的Kelvin半径)和r_k2(微孔隙在脱附时以及微裂缝在吸附时相对压力对应的Kelvin半径/裂缝宽度)；所述r为孔隙半径，同理分为r₁(微孔隙在吸附时相对压力对应的孔隙半径)和r₂(微孔隙在脱附时以及微裂缝在吸附时相对压力对应的孔隙半径/裂缝宽度)。

在本发明中，氮气在毛细孔中发生吸附以及凝聚现象后，由气态转变为液态，可以将氮气吸附量通过状态方程及质量守恒计算，转化为填充进孔隙中的液氮体积，即孔隙中被液氮填充占用的体积，进而将氮气吸附量转化为孔隙体积分布，具体孔径范围为所述相对压力测量值对应的孔径范围。

在本发明中，所述采用修正Kelvin方程对氮气等温吸附/脱附曲线中的数据进行处理的过程，优选采用线性插值的方法得到吸附曲线和脱附曲线之间相对压力数据及其吸附量数据。在本发明中，由于同一孔径的孔隙根据修正Kelvin方程在吸附/脱附过程中对应不同的相对压力读数，故需利用线性插值的方法得到吸附曲线和脱附曲线两者之间对应的相对压力读数及其氮气吸附量读数，以方便后续分析。

本发明基于BJH模型分别对氮气等温吸附曲线和脱附曲线进行分析，得到孔隙形态为微孔隙和微裂缝的基本方程。在本发明中，基于BJH模型的毛细凝聚现象以及体积等效代换的原理，分别对吸附曲线和脱附曲线进行分析。吸附过程中，随着压力增大一定量时，氮气填充进页岩储集空间中所占体积分为三部分，其一为较大的微孔隙壁面上吸附层厚度增加所占的体积，其二为较小的微孔隙发生凝聚后凝聚液填满孔隙所占的体积，其三为微裂缝壁面上吸附层厚度增加所占的体积，值得说明的是，微裂缝在吸附过程中不会出现毛细凝聚现象；同理，脱附过程中，随着压力减小一定量时，氮气释放页岩储集空间所空出的体积分为四部分，其一为较大的微孔隙的壁面上吸附层厚度减小所占的体积，其二为较小的微孔隙发生解凝后释放出的体积，其三为较大的微裂缝壁面上吸附层厚度减小所占的体积，其四为较小的微裂缝发生解凝后释放出的体积。由上可见，利用吸附过程以及脱附过程中氮气吸附量的不同即可计算出不同孔隙形态的孔径分布。

在本发明中，所述孔隙形态为微孔隙和微裂缝的基本方程为：

式中，x_i为相对压力值，x_i-1为x_i相邻压力点的相对压力值，r_k1为微孔隙在吸附时相对压力对应的Kelvin半径，r_k2为微孔隙在脱附时以及微裂缝在吸附时相对压力对应的Kelvin半径/宽度，V_c为微孔隙的孔径分布，V_s为微裂缝的孔径分布，Δν_ad为吸附曲线上相邻压力点之间对应的吸附量差值，Δν_de为脱附曲线上相邻压力点之间对应的吸附量差值。

在本发明中，所述Δν_ad、Δν_de、x_i和x_i-1由氮气等温吸附/脱附曲线数据直接得到；V_c和V_s为需要得到的页岩介孔孔径分布。同时，r_k1、r_k2和t均在步骤b1)中得到。在此基础上，本发明采用步骤b2)得到的基本方程并运用中值定理和积分区间分割，对步骤b1)得到的处理后的数据进行分析，得到页岩介孔孔径分布。

在本发明中，所述分析过程如图1所示，图1为本发明得到页岩介孔孔径分布的分析过程。

本发明提供了一种页岩介孔孔径分布的检测方法，包括以下步骤：a)将页岩待测样品进行低温低压氮气等温吸附实验，得到氮气等温吸附/脱附曲线；b)以微孔隙和微裂缝为孔隙形态，对得到的氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到页岩介孔孔径分布。与现有技术相比，本发明提供的检测方法以微孔隙和微裂缝作为页岩孔隙形态，进一步通过对其氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到相应孔隙形态下的页岩介孔孔径分布，克服了现有技术中仅将页岩中介孔视为单一孔形造成孔隙体积计算误差大的缺陷，检测结果对于实际中的页岩而言更加准确，从而实现科学合理地对页岩内部孔隙结构和形态进行正确评价。

为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。以下实施例和对比例中所用的页岩均为清江盆地曲江向斜地区曲页1井625.42米处泥页岩。

实施例1

(1)将页岩进行加工制成粒径为50μm～150μm的粉末样，然后将上述粉末样在110℃下脱水18h，再在真空度为1.01325×10^-4MPa下脱气10h，得到页岩待测样品。

(2)将页岩待测样品进行低温低压氮气等温吸附实验，得到氮气等温吸附/脱附曲线：将页岩待测样品放入Tristar II 3020M型全自动比表面积和孔隙分析仪中，在-196℃下，使压力从0.005MPa开始每增加一定压力记录其压力以及待体系平衡后该压力下的氮气吸附量，直至压力达到0.1MPa，得到氮气等温吸附曲线；再使压力从0.1MPa开始每降低一定压力记录其压力及待体系平衡后该压力下的氮气吸附量，直至压力达到0.005MPa，得到氮气等温脱附曲线。参见图2所示，图2为本发明实施例1得到的页岩待测样品的氮气等温吸附/脱附曲线。

(3)采用修正Kelvin方程对氮气等温吸附/脱附曲线中的数据进行处理，得到处理后的数据，方便后续分析：

所述修正Kelvin方程为：

r＝r_k+t

式中，r_k为Kelvin半径，c为孔隙类型常数，γ为表面张力，ν_m为吸附质的摩尔体积，φ为弯曲界面与孔壁之间的接触角，R为普适摩尔气体常数，T为液氮温度，x为氮气饱和压力下的相对压力，r为孔隙半径，t为吸附层厚度。所述孔隙形态为微孔隙的模型中，氮气等温吸附曲线的c＝2，氮气等温脱附曲线的c＝1；所述孔隙形态为微裂缝的模型中，氮气等温吸附曲线的c＝1，氮气等温脱附曲线的c＝0；T＝77.3K，所述液氮温度下γ＝8.85×10^-3N/m，所述ν_m在液氮平衡状态下为34.677cm³/mol，所述φ在计算临界半径时为0；吸附层厚度t采用Halsey方程得到；所述Halsey方程为：

式中，

而氮气在毛细孔中发生吸附以及凝聚现象后，由气态转变为液态，故可将氮气吸附量通过状态方程转化为填充进孔隙中的液氮体积，即孔隙中被液氮填充占用的体积：将氮气等温吸附/脱附曲线中的氮气吸附量代入质量守恒方程及理想气体和液体状态方程可得ρ_gV_g＝ρ_lV_l，其中ρ_g＝1.25g/L，为氮气在77.3K下的密度，ρ_l＝808.3kg/m³，为液氮体积。

具体为：脱附曲线上相对压力为0.97563，通过修正Kelvin方程得到相对应的微孔隙的孔隙半径值为29.42nm，在吸附曲线上对应的相对压力为0.96605，位于测量压力点区间(0.94490，0.97297)之间，利用线性插值的方法，从相对应的测量氮气吸附量区间(14.333cm³/g，17.603cm³/g)得到相对压力0.96605下对应的氮气吸附量为16.797cm³/g。

(4)基于BJH模型分别对氮气等温吸附曲线和脱附曲线进行分析，得到孔隙形态为微孔隙和微裂缝的基本方程。所述孔隙形态为微孔隙和微裂缝的基本方程为：

式中，x_i为相对压力值，x_i-1为x_i相邻压力点的相对压力值，r_k1为微孔隙在吸附时相对压力对应的Kelvin半径，r_k2为微孔隙在脱附时以及微裂缝在吸附时相对压力对应的Kelvin半径/宽度，V_c为微孔隙的孔径分布，V_s为微裂缝的孔径分布，Δν_ad为吸附曲线上相邻压力点之间对应的吸附量差值，Δν_de为脱附曲线上相邻压力点之间对应的吸附量差值。

(5)采用上述基本方程并运用中值定理和积分区间分割，对步骤(3)得到的处理后的数据进行分析，得到页岩介孔孔径分布。运用中值定理和积分区间分割，可得：

将式(IV)和式(V)代入到式(II)，通过递推，所需要的所有ΔV_i可由递推法逐级分析出来，具体分析过程如图1所示，得到页岩介孔孔径分布，即两种介孔孔形——微孔隙和微裂缝的孔径分布。

本发明实施例1得到页岩介孔孔径分布的数据结果参见表1。

表1本发明实施例1和对比例得到的页岩介孔孔径分布数据

本发明实施例1得到的页岩介孔孔径分布图参见图3。

值得说明的是，由于拉伸强度效应(Tensile strength effect/TSE)，计算出的微裂缝在约2nm处会出现假峰，假峰的出现是不符合实际情况的，且假峰会使该孔径及以下的孔隙体积计算出现误差。因此，最终得到的孔径分布图中截取了孔径大于2nm结果可靠的部分。

对比例

以圆柱形孔隙为孔隙形态，对将实施例1得到的氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到页岩介孔孔径分布：

(1)将氮气等温吸附/脱附曲线数据中的相对压力读数代入修正Kelvin方程及Halsey方程中，获得其对应的孔隙半径的值，如等温吸附曲线中对应相对压力为0.95893，将其代入Kelvin方程及Halsey方程中，得到对应的Kelvin半径r_k(x)＝22.73nm，对应的吸附层厚度t(x)＝1.74nm，而对应的孔隙半径为两者之和，即r＝r_k+t＝24.47nm。

(2)将等温吸附实验数据中的氮气吸附量代入质量守恒方程及理想气体和液体的状态方程可得ρ_gV_g＝ρ_lV_l，其中ρ_g＝1.25g/L，为氮气在77.3K下的密度，ρ_l＝808.3kg/m³为液氮密度，则可将氮气吸附量转化为相对应的液氮体积，如等温吸附曲线中对应氮气吸附量为V_g＝15.968cm³/g，转化后的液氮体积即为V_l＝0.0246cm³/g。

(3)采用孔隙形态为圆柱形孔隙的基本方程：

将式(IV)和式(V)代入到式(VI)，通过递推，所需要的所有ΔV_i可由递推法逐级分析出来，具体为：最高压力区间(x₁，x₀，)为(0.97297，0.98137)，更高的压力区间由于吸附层的厚度变化极小，可忽略。而对应的氮气吸附量区间为(17.603cm³/g，19.434cm³/g)，已知转化为液氮体积的氮气吸附变化量ΔV₁＝2.832×10^-3cm³/g，得到对应孔隙半径区间为(36.77nm，50.30nm)，则进一步得到该半径区间内的孔隙体积为0.00372cm³/g；而次高压力区间(x₂，x₁)为(0.94490，0.97297)，对应的氮气吸附量区间为(14.333cm³/g，17.603cm³/g)，转化为液氮体积的氮气吸附变化量ΔV₂＝5.058×10^-3cm³/g，对应的孔隙半径区间为(18.39nm，36.77nm)，则分析得到该半径区间内的孔隙体积为0.00653cm³/g；以此类推可以得到孔径分布的所有ΔV_i。

对比例得到页岩介孔孔径分布的数据结果参见表1，页岩介孔孔径分布图参见图3。

通过比较可知，本发明提供的检测方法以微孔隙和微裂缝作为页岩孔隙形态，进一步通过对其氮气等温吸附/脱附曲线进行分析，得到相应孔隙形态下的页岩介孔孔径分布，克服了现有技术中仅将页岩中介孔视为单一孔形造成孔隙体积计算误差大的缺陷，检测结果对于实际中的页岩而言更加准确，从而实现科学合理地对页岩内部孔隙结构和形态进行正确评价。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。