一种页岩孔隙水吸附量、游离量及其分布的评价方法与流程

本发明涉及页岩孔隙水赋存及其定量评价技术领域，具体涉及一种页岩孔隙水吸附量、游离量及其分布的评价方法。

背景技术：

页岩气主要以赋存于天然裂缝和基质孔-裂隙中的游离气和吸附于有机质/粘土颗粒表面的吸附气为主，其中吸附气可占30-60％；含少量溶解气，可忽略。吸附气与游离气作为页岩气开采的物质基础，它们的原位含量及其运移(流动)过程均受到页岩储层含水性的显著影响，进而影响了页岩气产量、制约了页岩气的高效开采。生产实践也显示初始含水饱和度高的页岩含气量低、单井产量低(如我国昭通区块)；初始含水饱和度低的页岩含气量高，存在明显超压，单井产量高(如我国长宁-威远、富顺-永川区块)。因此，页岩含水情况是影响页岩气高效开采的一个重要因素。

在页岩气开采之前，需要对储层进行改造才能实现有经济效益的开采。目前北美和国内普遍使用的改造方法是水平井钻完井结合大型水力压裂。国内一般采用油基钻井液，但在压裂改造时使用水基压裂液，整个储层改造过程中需要“万方水千方砂”的规模，且返排率很低。大量的压裂液(含水量>90％)被滞留于地层。由于页岩超低含水饱和度的特性大大增加了页岩孔隙毛细管自吸力，在压裂液接触到岩石表面后，水立即在毛管力下自吸进入页岩基质，导致近井带或裂缝面附近页岩中含水饱和度增加，在孔道中形成水相堵塞，严重降低气相渗透率。因此，除了页岩储层原生水的影响，外来流体的注入加剧了页岩储层含水复杂性及其对页岩气开采的影响程度。

尽管水力压裂改造显著的扩展、沟通了页岩储层裂缝系统，但基质孔隙被波及程度仍很有限，因此，页岩基质孔隙内大量的残余气体能否被有效动用，将极大的受控于基质孔隙内水的分布规律。但当前国内外主要通过初始含水饱和度、束缚水饱和度、可动水饱和度等宏观参数来评价页岩含水性。考虑到页岩微观结构的复杂性、多尺度性和强非均质性，评价基质孔隙水吸附量、游离量及其微观分布，对于页岩气高效开采更具有现实意义。国内外学者针对蒸汽条件(相对压力)下水的吸附/解吸开展了很多试验性研究，进而评价水在页岩/矿物孔隙内的分布规律；而针对页岩地层中液态水在孔隙中的分布规律，由于缺少理论评价模型，对应的试验研究还很匮乏。

页岩孔隙水可分为吸附水和游离水，吸附水理论上几乎不可流动，游离水理论上可流动。但游离水受页岩孔喉微观结构的影响，在外界条件(如离心力、驱替压力、岩石骨架应力)下可流动的部分为可动水；不可流动的部分为毛管束缚水。毛管束缚水随外界条件的改变，可转化为可动水。因此理论最大可动水量等于游离水含量。本发明考虑页岩基质孔隙内液态水的赋存状态及不同状态孔隙水的可流动性，基于核磁共振t2谱，提出了一种页岩基质孔隙内液态水吸附量、游离量及其分布的评价方法。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明提供一种页岩孔隙水吸附量、游离量及其分布的评价方法，建立了基于核磁共振t2谱的页岩基质孔隙内液态水吸附量、游离量及其分布的评价方法，操作简便易行，准确性高，可操作性、实用性较强，便于地质推广应用。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种页岩孔隙水吸附量、游离量及其分布的评价方法，包括如下步骤：

步骤一：将页岩柱状岩心进行干燥处理，测量页岩岩心在干燥状态下的质量和页岩岩心的核磁共振信号；

步骤二：在一定温度条件下，将干燥状态下的页岩岩心饱和水，测试页岩岩心饱和水量qt和饱和水状态下页岩岩心的核磁共振信号；

步骤三：根据步骤一中干燥状态下页岩岩心的核磁共振信号和步骤二中饱和水状态下页岩岩心的核磁共振信号，通过去基底反演获得页岩岩心孔隙水的核磁共振t2谱；页岩岩心孔隙中核磁共振横向驰豫时间t2的计算公式为：

其中，t2为横向驰豫时间，ms；ρ为表面弛豫率，nm/ms；sw为含水孔隙的比表面积，vw为含水孔隙的体积；

步骤四：将步骤二中饱和水的页岩岩心进行离心分离试验，获得不同离心压力差△p条件下的可动水含量qm，建立可动水量与离心压力差之间的函数关系：

其中，qm为可动水量，mg/g；qf为游离水量，即最大可动水量，mg/g；△p为离心压力差，mpa；△pl为可动水量达到最大可动水量的一半时对应的离心压力差，mpa；

将离心分离试验获得的数据代入可动水量与离心压力差之间的函数关系并进行拟合，得到游离水含量qf；根据吸附水含量、游离水含量，计算离心分离试验的吸附比例ra：

其中，吸附水含量qa则通过公式qa＝qt-qf计算；

步骤五：采用低温氮气吸附/解吸法测试页岩岩心的含水孔隙的比表面积sw，采用湿重法和低温氮气吸附/解吸法综合测试页岩岩心的含水孔隙的体积vw；对于饱和水的页岩岩心，其内的吸附水占总水量的质量比可表示为：

其中，h是平均吸附厚度，nm；ρ1和ρ2分别是吸附水和游离水平均密度，g/cm³；

联立公式(3)和(4)，可得描述液体赋存状态的液体状态方程：

其中，τ是校正系数，对于平行板状孔，其值为1，vw/sw与qf/qa之间呈线性关系时，τ接近于1；

步骤六：基于核磁共振t2谱，联立液体状态方程，计算每个t2值时对应的吸附水含量和游离水含量，以及吸附水饱和度、游离水饱和度分别随t2值的分布；计算流程为：

联立公式(1)和(4)可得：

基于核磁共振t2谱，结合公式(6)，可计算出核磁共振t2谱上每个t2值对应的吸附比例，表示为：

其中，t2i为核磁共振t2谱上第i个t2值；rai为t2i值对应的吸附比例，分数；0<rai≤1，当计算值rai>1时，取rai＝1；

核磁共振t2谱上每个t2值对应的吸附水信号幅度(mai)为：

mai＝mirai(8)

其中，mi为第i个t2值对应的总信号幅度(质量归一化，下同)；mai为第i个t2值对应的吸附水信号幅度(质量归一化，下同)；

基于公式(8)，可计算页岩岩心的吸附水占总水量的质量比：

其中，ra(t2)是基于核磁共振t2谱计算的页岩岩心中吸附水占总水量的质量比，分数；mti为核磁共振t2谱上第i个t2值对应的吸附水信号幅度；n为核磁共振t2谱反演点数；

确定最佳表面驰豫率，其约束方程为：

δ＝|ra(t2)-ra|(10)

分析不同表面驰豫率值时的δ值，当核磁共振计算的吸附比例与离心法测试的吸附比例差值的绝对值δ等于0或无限逼近0时，可得最佳表面驰豫率值。

将最佳驰豫率值代入公式(8)，可得每个t2值对应的吸附水信号幅度(mai)。同时，可得游离水信号幅度(mfi)，为：

mfi＝mti-mai(11)

其中，mfi为第i个t2值对应的吸附水信号幅度；

根据信号幅度与含水量之间的线性关系，可计算每个t2值时对应的吸附水含量和游离水含量，以及随t2值的分布。信号幅度与含水量之间的关系可表示为：

y＝kx(12)

其中，y代表单位质量页岩岩心的含水量，mg/g；x代表单位质量页岩岩心的信号幅度；k为拟合系数；

则吸附水含量及分布计算公式为：

qai＝kmai(13)

其中，qai为第i个t2值对应的吸附水含量，mg/g；

游离水含量及分布计算公式为：

qfi＝kmfi(14)

其中，qfi为第i个t2值对应的游离水含量，mg/g；

吸附水饱和度随t2值的分布计算公式为：

其中，φai为第i个t2值对应的吸附水饱和度，％；

游离水饱和度随t2值的分布计算公式为：

φfi＝1-φai(16)

其中，φfi为第i个t2值对应的吸附水饱和度，％。

进一步地，步骤一中页岩岩心在20℃条件下饱和蒸馏水24～48h。

进一步地，步骤一中页岩岩心干燥条件为110℃条件下进行干燥24h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于页岩岩心孔隙水赋存状态及可流动性特征，结合核磁共振t2谱分布，建立了实验室条件下的页岩基质孔隙水吸附量、游离量及其分布的评价方法，操作简便易行，准确性高，可操作性、实用性较强，便于地质推广应用。

附图说明

图1为实施例2中可动水量和离心压力差的关系图；

图2为实施例2中vw/sw与qf/qa之间的关系图；

图3为实施例2中核磁共振计算与离心分离试验获得的吸附比例差值的绝对值δ随表面驰豫率的变化图；

图4为实施例2中岩心s1的吸附水和游离水含量随t2值的分布图；

图5为实施例2中岩心s2的吸附水和游离水含量随t2值的分布图；

图6为实施例2中岩心s3的吸附水和游离水含量随t2值的分布图；

图7为实施例2中岩心s4的吸附水和游离水含量随t2值的分布图；

图8为实施例2中岩心s5的吸附水和游离水含量随t2值的分布图；

图9为实施例2中岩心s6的吸附水和游离水含量随t2值的分布图；

图10为实施例2中页岩含水量和信号幅度关系图；

图11为实施例2中岩心s1的吸附水和游离水饱和度随t2值的分布图；

图12为实施例2中岩心s2的吸附水和游离水饱和度随t2值的分布图；

图13为实施例2中岩心s3的吸附水和游离水饱和度随t2值的分布图；

图14为实施例2中岩心s4的吸附水和游离水饱和度随t2值的分布图；

图15为实施例2中岩心s5的吸附水和游离水饱和度随t2值的分布图；

图16为实施例2中岩心s6的吸附水和游离水饱和度随t2值的分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种页岩孔隙水吸附量、游离量及其分布的评价方法，包括如下步骤：

步骤一：将页岩柱状岩心进行干燥处理，测量页岩岩心在干燥状态下的质量和页岩岩心的核磁共振信号；

步骤二：在一定温度条件下，将干燥状态下的页岩岩心饱和水，测试页岩岩心饱和水量qt和饱和水状态下页岩岩心的核磁共振信号；

步骤三：根据步骤一中干燥状态下页岩岩心的核磁共振信号和步骤二中饱和水状态下页岩岩心的核磁共振信号，通过去基底反演获得页岩岩心孔隙水的核磁共振t2谱；页岩岩心孔隙中核磁共振横向驰豫时间t2的计算公式为：

其中，t2为横向驰豫时间，ms；ρ为表面弛豫率，nm/ms；sw为含水孔隙的比表面积，vw为含水孔隙的体积；

步骤四：将步骤二中饱和水的页岩岩心进行离心分离试验，获得不同离心压力差△p条件下的可动水含量qm，建立可动水量与离心压力差之间的函数关系：

其中，qm为可动水量，mg/g；qf为游离水量，即最大可动水量，mg/g；△p为离心压力差，mpa；△pl为可动水量达到最大可动水量的一半时对应的离心压力差，mpa；

将离心分离试验获得的数据代入可动水量与离心压力差之间的函数关系并进行拟合，得到游离水含量qf；根据吸附水含量、游离水含量，计算离心分离试验的吸附比例ra：

其中，吸附水含量qa则通过公式qa＝qt-qf计算；

步骤五：采用低温氮气吸附/解吸法测试页岩岩心的含水孔隙的比表面积sw，采用湿重法和低温氮气吸附/解吸法综合测试页岩岩心的含水孔隙的体积vw；对于饱和水的页岩岩心，其内的吸附水占总水量的质量比可表示为：

其中，h是平均吸附厚度，nm；ρ1和ρ2分别是吸附水和游离水平均密度，g/cm³；

联立公式(3)和(4)，可得描述液体赋存状态的液体状态方程：

其中，τ是校正系数，对于平行板状孔，其值为1，vw/sw与qf/qa之间呈线性关系时，τ接近于1；

步骤六：基于核磁共振t2谱，联立液体状态方程，计算每个t2值时对应的吸附水含量和游离水含量，以及吸附水饱和度、游离水饱和度分别随t2值的分布；计算流程为：

联立公式(1)和(4)可得：

基于核磁共振t2谱，结合公式(6)，可计算出核磁共振t2谱上每个t2值对应的吸附比例，表示为：

其中，t2i为核磁共振t2谱上第i个t2值；rai为t2i值对应的吸附比例，分数；0<rai≤1，当计算值rai>1时，取rai＝1；

核磁共振t2谱上每个t2值对应的吸附水信号幅度(mai)为：

mai＝mirai(8)

其中，mi为第i个t2值对应的总信号幅度(质量归一化，下同)；mai为第i个t2值对应的吸附水信号幅度(质量归一化，下同)；

基于公式(8)，可计算页岩岩心的吸附水占总水量的质量比：

其中，ra(t2)是基于核磁共振t2谱计算的页岩岩心中吸附水占总水量的质量比，分数；mti为核磁共振t2谱上第i个t2值对应的吸附水信号幅度；n为核磁共振t2谱反演点数；

确定最佳表面驰豫率，其约束方程为：

δ＝|ra(t2)-ra|(10)

分析不同表面驰豫率值时的δ值，当核磁共振计算的吸附比例与离心法测试的吸附比例差值的绝对值δ等于0或无限逼近0时，可得最佳表面驰豫率值。

将最佳驰豫率值代入公式(8)，可得每个t2值对应的吸附水信号幅度(mai)。同时，可得游离水信号幅度(mfi)，为：

mfi＝mti-mai(11)

其中，mfi为第i个t2值对应的吸附水信号幅度；

根据信号幅度与含水量之间的线性关系，可计算每个t2值时对应的吸附水含量和游离水含量，以及随t2值的分布。信号幅度与含水量之间的关系可表示为：

y＝kx(12)

其中，y代表单位质量页岩岩心的含水量，mg/g；x代表单位质量页岩岩心的信号幅度；k为拟合系数；

则吸附水含量及分布计算公式为：

qai＝kmai(13)

其中，qai为第i个t2值对应的吸附水含量，mg/g；

游离水含量及分布计算公式为：

qfi＝kmfi(14)

其中，qfi为第i个t2值对应的游离水含量，mg/g；

吸附水饱和度随t2值的分布计算公式为：

其中，φai为第i个t2值对应的吸附水饱和度，％；

游离水饱和度随t2值的分布计算公式为：

φfi＝1-φai(16)

其中，φfi为第i个t2值对应的吸附水饱和度，％。

实施例2：

在实施例1的基础上，以我国南方海相五峰组-龙马溪组的6个页岩柱状岩心为例：

步骤一：首先在110℃条件下进行页岩岩心干燥24h，测试干燥页岩岩心的质量和页岩岩心的核磁共振信号；

步骤二：在20℃条件下饱和蒸馏水24h，测试饱和页岩岩心的质量，计算饱和水量为qt(见表1)；同时，测试饱和页岩岩心的核磁共振信号；

步骤三：根据步骤一中干燥状态下页岩岩心的核磁共振信号和步骤二中饱和水状态下页岩岩心的核磁共振信号，通过去基底反演获得页岩岩心孔隙水的核磁共振t2谱；

步骤四：针对6个页岩岩心，分别开展在不同离心压力差下的离心分离测试，采用公式(2)拟合离心数据如图1所示，获得游离水含量qf见表1；根据公式qa＝qt-qf计算吸附水含量qa见表1；

步骤五：采用低温氮气吸附/解吸和湿重法，测试页岩岩心的含水孔隙的体积vw和含水孔隙的比表面积sw；

步骤六：基于核磁共振t2谱，联立液体状态方程，计算每个t2值时对应的吸附水含量和游离水含量，以及吸附水饱和度、游离水饱和度分别随t2值的分布，具体计算流程如下：

根据公式(5)，建立vw/sw与qf/qa之间的线性函数关系如图2所示，可表示为：y＝0.9972x+0.6475；

根据获得的vw/sw与qf/qa之间的线性函数关系，结合20℃条件下游离水密度ρ2为0.9982g/cm³，可计算出吸附水平均密度ρ1为1.5402g/cm³，平均吸附厚度h为0.6475nm；

结合核磁共振t2谱，采用不同的表面驰豫率值，代入公式(7)～(9)；当计算结果满足公式(10)中的δ值等于0时，为最佳表面驰豫率ρ(见表1)。

表1页岩岩心含水量离心分离试验及核磁共振分析数据表

核磁共振计算的吸附比例与离心分离试验得到的吸附比例差值的绝对值(即δ值)随不同表面驰豫率的变化趋势如图3所示；

将得到的最佳驰豫率值代入式(7)和式(11)，可分别计算出吸附水信号幅度、游离水信号幅度及随t2值的分布如图4～9所示；

建立信号幅度与含水量之间的关系如图10所示，可表示为：y＝0.0293x；

根据信号幅度与含水量之间的关系，采用公式(13)和(14)，分别计算出吸附水和游离水含量及随t2值的分布如图4～9所示；

根据公式(15)，计算吸附水饱和度随t2值的分布见图11～16；

根据公式(16)，计算游离水饱和度随t2值的分布见图11～16。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。