基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法

1.本发明涉及页岩气开发技术领域，尤其是基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法。


背景技术：

2.在页岩储层中存在大量微孔隙，而这些微纳米孔隙结构导致流体在页岩孔隙中流动使会发生气体吸附；与此同时，由于气体分子流动较快，在孔隙与气体分子接触的壁面会发生滑脱。另外，真实页岩的孔隙系统十分复杂，气体分子的流动路径远大于样品的尺寸，导致气体分子传输能力降低。目前，测试页岩渗透率的方法有稳态法和非稳态法。其中，非稳态法包括孔隙压力振荡法、脱气测试法、岩石复电阻率法、格子boltzmann法、压汞法、核磁共振法、压力脉冲衰减法。但这些方法都是直接利用岩心样品进行测试，未考虑样品内部不可见的微裂缝、孔隙迂曲度和测试过程中的气体吸附和滑脱对渗透率的影响。同时，现有测试方法多属于流体注入法，但由于页岩非常致密，页岩中的孔隙均处于微纳米级，实验流体难以注入样品内部，强行注入也会导致样品孔隙结构遭到破坏，得出错误的测试结果。
3.例如，在“专利公开号为：cn109100278a、名称为一种考虑页岩孔径分布特征的表观渗透率计算方法”的中国发明专利中，其通过对压汞曲线进行处理，对孔径大小进行离散化处理，分别获得各个孔隙区间的渗透率贡献率，再叠加获得样品渗透率，同时考虑了单根毛细管中自由气、游离气存在连续流、滑脱流等多种流态问题。但该方法在计算过程中并未直接使用孔径分布，而是利用各个孔隙区间对渗透率的贡献率。
4.再如，在“专利公开号为：cn114136862a、名称为：一种双润湿性页岩的液体表观渗透率计算方法”的中国发明专利中，其通过氮气和二氧化碳吸附获取有机质孔径分布和无机质孔径分布，然后取孔径分布峰值对应的孔径作为有机质孔隙和无机质孔隙的半径。
5.再如，在“专利公开号为：cn114609010a、名称为：一种页岩储层油水相对渗透率的测井方法及装置”的中国发明专利中，其通过低温氮气吸附确定页岩的孔径分布，然后用于页岩孔隙网络结构校正和获取页岩平均孔隙半径。
6.由此可见，现有技术的表观渗透率计算模型也未将真实样品的孔隙大小变化(孔径分布)直接用于样品渗透率的计算，只是在计算过程中加入描述孔隙结构的系数或直接使用平均孔隙半径，并不能真实反应样品的孔隙结构特征，导致结算结果误差较大。
7.因此，急需要提出一种逻辑简单、准确可靠的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是克服现有油气藏储层渗透率测试方法在页岩渗透率测试与计算是，存在由于未考虑样品中微裂缝对页岩基质渗透率的影响，导致页岩基质渗透率测试结果偏高，同时未将样品的真实孔径分布应用到样品渗透率计算中的问题，提出一种能够有效提高页岩基质渗透率测试计算精度，且能够
将孔径分布直接应用到页岩渗透率计算过程中的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，本发明采用的技术方案如下：
9.基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其包括以下步骤：
10.获取待检测的目标区的高演化的页岩样品，并烘干；利用孔隙度和氮气吸附测试求得页岩氮气吸附系数fa；
11.截取页岩样品，在场发射扫描电子显微镜下进行拍摄获得扫描电镜照片，并进行拼接；
12.对拼接后的扫描电镜照片进行识别，并获得有机孔和无机孔，并进行标注，求得页岩样品的孔隙面积ai；
13.根据孔隙面积ai求得页岩孔隙等效圆半径ri，建立拟连续的页岩孔径分布曲线；
14.根据连续的页岩孔径分布曲线，求得页岩的孔径分布密度函数f(ri)；
15.根据毛细管理论、页岩的孔径分布密度函数f(ri)建立基质渗透率模型，求得页岩基质渗透率k，其表达式为：
[0016][0017]
其中，表示页岩的孔隙度；τ表示页岩孔隙的迂曲度；r
min
表示页岩的最小孔隙半径；r
max
表示页岩的最大孔隙半径；c表示常数，取值为0.9；λ表示气体分子平均自由程。
[0018]
进一步地，利用孔隙度和氮气吸附测试测得页岩样品的基质孔隙度langmuir压力p
l
和langmuir体积v
l
。
[0019]
进一步地，所述页岩氮气吸附系数fa的表达式为：
[0020][0021]
其中，ρr表示页岩密度；v
std
表示气体摩尔体积；cg表示气体压缩系数；ρg表示气体密度；m表示气体相对分子质量；p表示模拟测试压力。
[0022]
进一步地，所述孔径分布密度函数f(ri)的表达式为：
[0023][0024]
其中，a、b、c表示常数。
[0025]
进一步地，所述常数a、常数b和常数c的推导过程如下：
[0026]
对孔径分布密度函数f(ri)的两边取自然对数，得到：
[0027][0028]
令：
[0029]
f(ri)＝ln(f(ri))，
[0030]
则：
[0031]
[0032]
其中，a0、a1、a2表示中间参数，m表示数据组的数量；
[0033]
建立数据组(ri,f(ri))，并求得数据组(ri,f(ri))；
[0034]
求得系数和
[0035]
建立参数矩阵，得出中间参数a0、a1和a2；
[0036][0037]
将中间参数a0、a1和a2代入常数a、常数b和常数c的表达式，得到拟合后的常数a、常数b和常数c；
[0038][0039]
进一步地，所述页岩孔隙的迂曲度τ的表达式为：
[0040][0041]
其中，表示页岩的孔隙度。
[0042]
进一步地，所述气体分子平均自由程λ的表达式为：
[0043][0044]
其中，μ表示气体粘度；z表示气体压缩因子；p表示模拟测试压力；r表示通用气体常数；t表示温度。
[0045]
进一步地，所述气体粘度μ的表达式为：
[0046]
μ＝6
×
10-6
p2+0.0002p+0.0176(t＝293.15k)。
[0047]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0048]
本发明通过对页岩岩心进行孔隙度和氮气吸附测试，获得样品孔隙度和吸附系数；基于毛细管理论，建立基于不同孔径分布的页岩基质渗透率计算模型，将离散化的孔径分布转化为拟连续的孔径分布，并直接应用到页岩渗透率的计算中，同时考虑了孔隙迂曲度、气体吸附和滑脱效应，且能够消除微裂缝对样品渗透率的影响，获得真实、准确的样品基质渗透率。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附
图获得其他相关的附图。
[0050]
图1为本发明提供的页岩孔径分布曲线拟合流程图。
具体实施方式
[0051]
为使本技术的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0052]
本实施例中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
[0053]
本实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一目标对象和第二目标对象等是用于区别不同的目标对象，而不是用于描述目标对象的特定顺序。
[0054]
在本技术实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
[0055]
在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个处理单元是指两个或两个以上的处理单元；多个系统是指两个或两个以上的系统。
[0056]
如图1所示，本实施例提供了一种基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法。首先，需要说明的是，图1中的a图为岩心样品照片，图1中的b图为抛光后观察和拍摄的扫描电镜照片经10
×
10拼接后形成的照片，图1中的c图为拼接的经标注有机孔和无机孔后的照片，图1中的d图为图像分析得出孔隙面积计算的孔隙半径，以10nm为步长建立的离散孔径分布曲线，图1中的e图为以0.01nm为步长建立的拟连续孔径分布曲线，图1中的f图为拟合获得的孔径分布密度函数f(ri)曲线。
[0057]
具体步骤如下：
[0058]
步骤s10、获取目标区的高演化页岩样品并烘干，通过孔隙度和氮气吸附测试，测得页岩样品的基质孔隙度langmuir压力p
l
和langmuir体积v
l
，计算页岩氮气吸附系数fa；
[0059]
其中，页岩氮气吸附系数fa的表达式为：
[0060][0061]
其中，ρr表示页岩密度，g/cm3；v
std
表示气体摩尔体积，在0.1mpa、20℃时为22.4l/mol；cg表示气体压缩系数，mpa-1
；ρg表示气体密度，g/cm3；m表示气体相对分子质量，g/mol；p表示模拟测试压力。
[0062]
步骤s20、截取页岩样品进行抛光、镀金，在场发射扫描电子显微镜下进行观察，拍摄扫描电镜照片并拼接。
[0063]
步骤s30、对上述拼接照片中的有机孔和无机孔进行人工识别，标注不同颜色后进
行图像分析，得出页岩的孔隙面积ai。随着人工智能的不断发展，有机孔和无机孔也可以采用现在的神经网络模型进行识别，其通过前期的标注训练样本、训练等过程。在此，人工智能识别属于常规成熟的技术手段，在此就不予赘述。
[0064]
步骤s40、计算页岩孔隙等效圆半径ri，以0.01nm为步长建立拟连续的页岩孔径分布曲线。其中，页岩孔隙等效圆半径ri的表达式为：
[0065][0066]
其中，ai表示页岩的孔隙面积，，nm2；π为圆周率，取3.1415926。
[0067]
步骤s50、将拟连续的页岩孔径分布数据进行拟合，得出页岩的孔径分布密度函数f(ri)，其表达式为：
[0068][0069]
其中，a、b、c表示常数。
[0070]
在本实施例中，常数a、常数b和常数c的推导过程如下：
[0071]
(1)对孔径分布密度函数f(ri)的两边取自然对数，得到：
[0072][0073]
令：
[0074][0075]
则：
[0076][0077]
其中，a0、a1、a2表示中间参数，m表示数据组的数量；
[0078]
(2)建立数据组(ri,f(ri))，并求得数据组(ri,f(ri))；
[0079]
(3)求得系数和
[0080]
(4)建立参数矩阵，得出中间参数a0、a1和a2；
[0081][0082]
(5)将中间参数a0、a1和a2代入常数a、常数b和常数c的表达式，得到拟合后的常数a、常数b和常数c；
[0083][0084]
步骤s60、建立基于利用扫描电镜和图像分析获取的孔径分布的基质渗透率模型，计算页岩基质渗透率，其表达为：
[0085][0086]
其中，表示页岩的孔隙度；τ表示页岩孔隙的迂曲度；r
min
表示页岩的最小孔隙半径，nm；r
max
表示页岩的最大孔隙半径，nm；c表示常数，取值为0.9；λ表示气体分子平均自由程，nm。
[0087]
其中，页岩孔隙的迂曲度τ的表达式为：
[0088][0089]
其中，表示页岩的孔隙度。
[0090]
另外，气体分子平均自由程λ的表达式为：
[0091][0092]
其中，μ表示气体粘度，mpa.s；z表示气体压缩因子；p表示模拟测试压力，mpa；r表示通用气体常数，取8.314j/mol/k；t表示温度，k。
[0093]
另外，所述气体粘度μ的表达式为：
[0094]
μ＝6
×
10-6
p2+0.0002p+0.0176(t＝293.15k)。
[0095]
在本实施例中，页岩基质渗透率计算模型直接将样品的孔径分布应用到页岩渗透率计算过程中，同时考虑了页岩孔隙迂曲度、气体吸附和滑脱效应对页岩基质基质渗透率的影响。
[0096]
在步骤s60中获取的孔径分布来源于放大30000倍后拍摄的扫描电镜照片，观察到的视域是样品中非常小的部分，由此照片经图像分析后获得的样品孔径分布曲线，不受样品中裂缝的影响，能够消除裂缝对样品基质渗透率的影响。
[0097]
因此，在计算页岩基质渗透率时，将孔隙度、迂曲度、气体吸附系数、气体粘度和气体分子平均自由程等参数的测试或计算结果，带入基于孔径分布的基质渗透率计算模型，在结合孔径分布密度函数拟合结果，即可计算得出页岩样品的基质渗透率。
[0098]
为了体现本发明的特点和优势，下面结合计算实例和附图对本发明进行进一步阐述。
[0099]
下面为页岩气储层相关数据：
[0100]
表1页岩气储层相关数据表
[0101]
参数符号数值单位测试气体n2//测试压力p6.4mpa测试温度t293.15k
岩石密度ρr2.5g/cm3龙马溪组页岩langmuir体积v
l1
4cm3/g龙马溪组页岩langmuir压力p
l1
2mpa筇竹寺组页岩langmuir体积v
l2
2cm3/g筇竹寺组页岩langmuir压力p
l2
1mpa气体相对分子质量m28g/mol气体压缩系数cg0.125mpa-1
气体密度ρg0.071g/cm3气体压缩因子z1.035/
[0102]
将取自野外露头的2块龙马溪组样品和取自钻井岩心的3块筇竹寺组样品制成标准岩样，并进行孔隙度和渗透率测试及扫描电镜观察，将扫描电镜照片拼接成10
×
10的照片，然后利用图像分析进行有机孔和无机孔人工识别，得出孔隙参数，经数据处理后得出孔径分布数据，利用数据拟合得出孔径分布密度函数表达式，结合表1给出的相关参数，最后利用基于孔径分布的页岩基质渗透率计算模型计算页岩基质渗透率，测试及计算结果如表2所示。
[0103]
表2页岩孔隙度测试及渗透率计算结果
[0104][0105][0106]
从龙马溪组的两个样品计算结果来看，页岩基质渗透率与压力脉冲衰减渗透率非常接近，说明本发明提出了一种基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法具有较高的准确性。
[0107]
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其特征在于，包括以下步骤：获取待检测的目标区的高演化的页岩样品，并烘干；利用孔隙度和氮气吸附测试求得页岩氮气吸附系数f
a
；截取页岩样品，在场发射扫描电子显微镜下进行拍摄获得扫描电镜照片，并进行拼接；对拼接后的扫描电镜照片进行识别，并获得有机孔和无机孔，并进行标注，求得页岩样品的孔隙面积a
i
；根据孔隙面积a
i
求得页岩孔隙等效圆半径r
i
，建立拟连续的页岩孔径分布曲线；根据连续的页岩孔径分布曲线，求得页岩的孔径分布密度函数f(r
i
)；根据毛细管理论、页岩的孔径分布密度函数f(r
i
)建立基质渗透率模型，求得页岩基质渗透率k，其表达式为：其中，表示页岩的孔隙度；τ表示页岩孔隙的迂曲度；r
min
表示页岩的最小孔隙半径；r
max
表示页岩的最大孔隙半径；c表示常数，取值为0.9；λ表示气体分子平均自由程。2.根据权利要求1所述的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其特征在于，利用孔隙度和氮气吸附测试测得页岩样品的基质孔隙度langmuir压力p
l
和langmuir体积v
l
。3.根据权利要求2所述的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其特征在于，所述页岩氮气吸附系数f
a
的表达式为：其中，ρ
r
表示页岩密度；v
std
表示气体摩尔体积；c
g
表示气体压缩系数；ρ
g
表示气体密度；m表示气体相对分子质量；p表示模拟测试压力。4.根据权利要求1所述的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其特征在于，所述孔径分布密度函数f(r
i
)的表达式为：其中，a、b、c表示常数。5.根据权利要求4所述的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其特征在于，所述常数a、常数b和常数c的推导过程如下：对孔径分布密度函数f(r
i
)的两边取自然对数，得到：令：f(r
i
)＝ln(f(r
i
))，则：
其中，a0、a1、a2表示中间参数，m表示数据组的数量；建立数据组(r
i
,f(r
i
))，并求得数据组(r
i
,f(r
i
))；求得系数和建立参数矩阵，得出中间参数a0、a1和a2；将中间参数a0、a1和a2代入常数a、常数b和常数c的表达式，得到拟合后的常数a、常数b和常数c；6.根据权利要求1所述的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其特征在于，所述页岩孔隙的迂曲度τ的表达式为：其中，表示页岩的孔隙度。7.根据权利要求1所述的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其特征在于，所述气体分子平均自由程λ的表达式为：其中，μ表示气体粘度；z表示气体压缩因子；p表示模拟测试压力；r表示通用气体常数；t表示温度。8.根据权利要求7所述的基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，其特征在于，所述气体粘度μ的表达式为：μ＝6
×
10-6
p2+0.0002p+0.0176(t＝293.15k)。

技术总结
本发明公开了基于孔径分布的页岩基质渗透率确定方法，包括：利用孔隙度和氮气吸附测试求得页岩氮气吸附系数；拍摄获得扫描电镜照片并拼接；对拼接后的扫描电镜照片进行识别，并获得有机孔和无机孔，求得页岩样品的孔隙面积；求得页岩孔隙等效圆半径，建立拟连续的页岩孔径分布曲线；根据连续的页岩孔径分布曲线，求得页岩的孔径分布密度函数；求得页岩基质渗透率。本发明将实验数据与理论模型相结合，解决了页岩渗透率测试过程中裂缝对渗透率的影响，同时将实测的样品真实孔径分布直接应用到页岩基质渗透率的计算中，考虑了孔隙迂曲度、气体吸附和滑脱效应，使计算结果更能反应页岩的基质渗透率，提高了页岩基质渗透率测试和计算精度。和计算精度。和计算精度。


技术研发人员：蒋柯 周文 唐潮
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/13