纳米级分辨率成像法研究页岩气储层的二维与三维微观结构.pdfVIP

纳米级分辨率成像法研究页岩气储层 的二维和三维微观结构 MarkE．Curtis等 摘要 综合运用聚焦粒子束 (FIB)铣磨技术和 电子扫描显微成像 (SEM )技术研究了9 套不同页岩气储层样品的微观结构。聚焦粒子束 (FIB)横切的页岩样品表面的反散射 电 子 (BSE)图像显示，页岩样品的微观结构很复杂，而且这9套页岩气储层样品的观测结果 各不相同。页岩样品横切面的能量色散频谱分析 (EDS)表明，粘土、碳酸盐、石英、黄 铁矿和干酪根是其最主要的矿物组成。在反散射 电子 图像上，干酪根散布在无机矿物颗粒 之间。在千酪根和无机矿物基质中都可以观察到孔隙，但不同页岩样品中孔隙的大小、形 状和数量各不相 同。顺次且反复地采用FIB铣磨技术和SEM成像技术对页岩样本进行成像 ， 建立各页岩样品的三维SEM图像数据集。根据这些图像建立页岩样品的三维数据体。通 过设置灰度 门限值，在重建的页岩数据体 中对干酪根和孔隙网络进行分离和可视化。估 算重建的页岩数据体中干酪根和孔隙体积百分比，结果表明干酪根体积所 占百分比介于 0～90．0％之间，而孔隙体积所 占百分比介于0．2～2．3％之间。孔隙大小分布分析发现，虽然 孔隙半径大约为3nm的孔隙在数量上 占优势，但其对总孔隙体积的贡献并不一定大。电子 扫描显微图像和三维重建结果再次证实，这些页岩相差很大，其微观结构各不相同而且很 复杂。 1． 引言 源岩 (富含有机质的暗色页岩)和盖层而 加以研究的。然而对于页岩气藏而言 ，页 随着对安全而稳定的天然气供应的要 岩 自身就是储层。由于以往人们对页岩气 求不断提高，人们对非常规天然气藏的重 储层没有给予足够的重视，这些页岩的微 视程度也在提高，例如致密砂岩气、煤层 观结构大都没有得到深入的研究。钻完井 气和页岩气。由于诸如巴尼特、马瑟勒斯、 技术尤其是水平井钻井和水力压裂技术的 海因斯韦尔和伍德福德等页岩气藏的开发 进步使页岩气的开发具有了经济性。了解 非常成功，人们对页岩气的兴趣尤其高。 页岩微观结构对孔隙度和渗透率的控制作 在常规油气勘探中，页岩通常只是作为烃 用具有深远的意义。孔隙度控制着页岩储 70 石油地质科技动态 层的含气量。此外，在孔隙尺寸小到纳米 以在FIB横切面上开展原地元素分析，从 级的情况下，孔隙表面积成为一个重要的 而可以研究横切面上的矿物组成。 因素，强烈影响着孔隙中游离气和吸附气 文 中我们综合运用FIB铣磨技术和 的含量 (Ambrose等，2010)。孔隙的形 SEM成像技术研究了9套页岩地层岩样的 状会直接影响着孔隙的结构完整性以及孔 微观结构。二维横剖面图像显示，页岩的 隙空间对应力变化的响应。孔隙空间的连 微观结构非常复杂而且变化比较大，干酪 通性对于压裂前页岩固有的导流能力至关 根和无机矿物基质中孔隙的直径小的只有 重要 。基质渗透率控制着水力裂缝的间距 几纳米，而大的可以达到数百纳米 。通过 及其导流能力。 对页岩样品进行系列切片和成像 ，获取了 研究孔隙大小一般采用直接 的岩石 页岩的序列SEM图像集，利用这些图像集 物理方法，例如压汞毛细管压力 (MICP) 可以对页岩样品的干酪根和孔隙连通性进 测量和核磁共振频谱 (NMR)测量。这 行三维可视化研究。此外，通过对这9套页 些方法都属于宏观平均法 ，它们并不对 岩地层样 品的微观结构进行三维重建，估 单个孔隙进行直接观