页岩全孔径孔隙体积的表征方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及非常规油气勘探开发技术，尤其设及一种页岩全孔径孔隙体积的表征 方法。
【背景技术】
[0002] 页岩气是当今热口的非常规油气资源。对页岩进行开发之前，为了正确评价页岩 储层，需要对页岩储层中发育的不同的孔径的孔隙体积进行定量分析表征，从而为页岩气 赋存状态和流动研究提供关键的参数，避免勘探开发的经济损失或可采资源的遗失。
[0003] 页岩孔隙比常规砂岩小几个数量级，国际理论和应用化学联合会（IUPAC)按照孔 隙直径大小将孔隙分为微孔（<2.Onm)、中孔(2.0~50.0皿)和宏孔（>50.0皿）。目前定量 表征页岩孔隙结构的方法主要有:高压压隶实验、氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验。在现 有的实验条件下，通常认为高压压隶实验主要适合于表征页岩宏孔结构，氮气吸附实验主 要适合于表征页岩中孔结构，二氧化碳主要适合于表征页岩微孔结构。因此在现有技术中， 仅通过化m和50nm为界，人为的划分页岩空隙区间而选择相应实验方法的分析结果对页岩 孔径进行表征，难W确定上述Ξ种方法对于页岩孔径最有效的表征区间，无法合理的对页 岩孔隙结构全孔径进行表征，极大地影响了页岩储层的评价的客观性。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种页岩全孔径孔隙体积的表征方法，用来克服现有技术中人为划分 页岩孔隙区间而选择实验方法的缺陷。
[0005] 本发明提供一种页岩全孔径孔隙体积的表征方法，包括如下步骤：
[0006] 1)分别对柱状页岩、第一粉状页岩和第二粉状页岩依次进行脱水处理和脱气处 理；
[0007] 2)采用高压压隶法对处理后的柱状页岩进行分析，结合Washburn方程得到第一孔 径范围内各孔径的孔隙体积；
[000引3)采用氮气吸附法对处理后的第一粉状页岩进行分析，结合BJH模型得到第二孔 径范围内各孔径的孔隙体积；
[0009] 4)采用二氧化碳吸附法对处理后的第二粉状页岩进行分析，结合DFT模型得到第 Ξ孔径范围内各孔径的孔隙体积；
[0010] 5)如所述第一孔径范围、第二孔径范围和第Ξ孔径范围之间具有重叠范围，则采 用加权平均法得到重叠范围内各孔径的孔隙体积。
[0011] 在步骤1)中，Ξ例页岩样品均出自同一页岩。为了保证后续实验的准确度，柱状页 岩为长2~4cm，直径为2~3cm的圆柱体，第一粉状页岩和第二粉状页岩分别为重3~5g、粒 径为0.16~0.2mm的粉体。优选地，柱状页岩为长3cm，直径为2.5cm的圆柱体，第一粉状页岩 和第二粉状页岩分别为重4g、粒径为0.18的粉体。
[0012] 步骤2)中，采用高压压隶仪对处理后的柱状页岩进行高压压隶实验，高压压隶实 验能够反映在压力的增加下，页岩吸附隶量的具体变化w及在压力递减的情况下，页岩脱 吸附隶量的具体变化。同时，结合Washburn方程对高压压隶实验数据进行处理，能够得到采 用高压压隶法获取的页岩的第一孔径范围内各孔径的孔隙体积。
[0013] 具体的，was化urn方程为下述式1，是关于压力-半径的方程，因此，能够将在高压 压隶实验中获取的压力-进隶量(脱隶量)数据中的压力值带入方程中，获取和压力对应的 孔隙半径值，从而获取了孔隙半径-进隶量数值，即高压压隶法对应的页岩的第一孔径范围 内各孔径的孔隙体积曲线图。其中，第一孔径范围即为高压压隶法所能够测量的页岩的有 效的孔径范围。
[0014]
[001引其中，P为压力，MPa;r为孔隙半径，μπι;θ为润湿角；丫为液体表面张力。
[0016] 步骤3)中，采用氮气吸附法对处理后的第一粉状页岩进行氮气吸附实验，氮气吸 附实验能够反映在压力的增加下，页岩吸附氮气量的具体变化。同时，结合BJH模型对氮气 吸附实验数据进行处理，能够得到采用氮气吸附法获取的页岩的第二孔径范围内各孔径的 孔隙体积。
[0017] 具体地，BJH模型是基于毛细凝聚现象和体积等效代换的原理，在不同的相对压力 (Ρ/Ρο)下，存在临界孔半径化，半径小于化的孔发生凝聚现象，氮气充填其中，半径大于化的 孔，凝聚液气化并脱附出来，临界半径Rk由凯尔文方程，即式2给出。因此，能够将在氮气吸 附实验中获取的压力-液压吸附量数据中的压力值带入方程中，获取和压力对应的孔隙半 径值，从而获取了孔隙半径-液压吸附量数值，即液压吸附法对应的页岩的第二孔径范围内 各孔径的孔隙体积曲线图。其中，第二孔径范围即为氮气吸附法所能够测量的页岩的有效 的孔径范围。
[001 引
[0019] 其中，P为瞬时压力，Po为正常大气压。
[0020] 步骤4)中，采用二氧化碳吸附法对处理后的第二粉状页岩进行二氧化碳吸附实 验，二氧化碳吸附实验能够反映在压力的增加下，页岩吸附二氧化碳量的具体变化。同时， 结合DFT模型对二氧化碳吸附实验数据进行处理，能够得到采用二氧化碳吸附法获取的页 岩的第Ξ孔径范围内各孔径的孔隙体积。
[0021] 具体地，DFT模型基于密度泛函理论，用电子密度取代波函数作为研究的基本量， 电子就是电子云的密度分布。通过DFT或MC模拟得到一组N(P/P〇，W)等溫线，再结合二氧化 碳吸附实验中获取的压力-二氧化碳吸附量数据，通过快速非负数最小二乘法解方程就能 推导出页岩的第Ξ孔径范围内各孔径的孔隙体积曲线图。其中，第Ξ孔径范围即为二氧化 碳吸附法所能够测量的页岩的有效的孔径范围。
[0022] 当通过上述Ξ种实验方法依次确定了每种实验所能够确定的该实验方法对于页 岩所能够有效测量的孔径范围后，如果Ξ种孔径范围之间不存在重叠区间，则可W通过将 Ξ种孔径范围内各孔径的孔隙体积进行组合拼接，从而得到页岩的全孔径的孔隙体积。但 是，在多数情况下，Ξ种孔径范围都会出现重叠范围，即重叠范围内的孔径值会对应多个孔 隙体积值。一般的，由于二氧化碳吸附法测出的第Ξ孔径范围较小，氮气吸附法测出的第二 孔径范围中等，高压压隶法测出的第一孔径范围较大，因此多会出现第一孔径范围与第二 孔径范围出现重叠，第二孔径范围与第Ξ孔径范围出现重叠。经过发明人的大量研究，本发 明采用加权平均法确定重叠范围区间的孔径对应的唯一孔隙体积值。
[0023] W第二孔径范围与第Ξ孔径范围出现重叠为例，例如，第二孔径范围为1~200nm， 第Ξ孔径范围为0.3~1.6nm，因此在重叠范围1~1.6nm内，一个孔径会分别对应两个孔隙 体积。本发明采用的加权平均法为:将重叠范围分为100个单位，每个单位为0. 〇6nm，由于二 氧化碳吸附法测出的第Ξ孔径范围较小，氮气吸附法测出的第二孔径范围中等，因此二氧 化碳法测出的数值在孔径由小至大的重叠范围中，其权数从100%依次递减为0,相反地，氮 气吸附法测出的数值在由小至大的孔径重叠范围中，其权数从0依次递增为100%。具体地， 在孔径为Inm时，其对应的孔隙体积应该为第Ξ孔径范围中Inm对应的孔隙体积乘W100% 与第二孔径范围中Inm对应的孔隙体积乘W0之和;在孔径为1.06nm时，其对应的孔隙体积 应该为第Ξ孔径范围中1. 〇6nm对应的孔隙体积乘W99%与第二孔径范围中1.06nm对应的 孔隙体积乘%之和；在孔径为1.12nm时，其对应的孔隙体积应该为第Ξ孔径范围中 1.1化m对应的孔隙体积乘W98%与第二孔径范围中1.12nm对应的孔隙体积乘W2%之和。 W此类推，直至求出该范围内100个孔径对应的孔隙体积。
[0024] 因此，在经过对重叠范围内的孔径进行了孔隙体积计算后，该页岩的全孔径孔隙 体积就是在第一孔径范围选取未在重叠范围内的孔径W及孔径的孔隙体积，在第二孔径范 围选取未在重叠范围内的孔径W及孔径的孔隙体积，在第Ξ孔径范围选取未在重叠范围内 的孔径W及孔径的孔隙体积，再通过上述的加权平均法求出重叠范围内的孔径W及孔径的 孔隙体积，将该四者组合拼接，得到页岩的全孔径的孔隙体积。并可依据全孔径的孔隙体积 绘制出页岩的全孔径-孔隙体积曲线图对页岩进行客观表征。
[0025] 本发明取自同一页岩的第二孔径范围Ξ例页岩样品，经过高压压隶实验、氮气吸 附实验W及二氧化碳吸附实验，并结合Washburn方程、BJH模型W及DFT模型，最终确定各实 验能够对应测量的有效的孔径范围，并且对出现重复的孔径范围采用加权平均方法进行处 理，使页