页岩全尺度孔径分布测试方法及特征研究
作者：吴魏
来源：《中国化工贸易·上旬刊》2017年第05期
摘要：本文分别用高压压汞、液氮吸附及低温二氧化碳吸附方法获取了页岩的不同孔径分布，分析了三种方法的适用范围，获取了页岩全尺度孔径分布。
关键词：页岩；孔径分布；压汞；液氮
目前研究页岩孔隙分布特征的方法主要有电镜扫描、高压压汞、液氮吸附及低温二氧化碳吸附等方法。
因此本文旨在用这三种方法测试同一岩样的孔径分布并分析三种孔径分布的特征，研究页岩全尺度孔径分布的特征，为评价及优选有利储层提供技术支持。
1 实验方法
1.1 实验材料
页岩样品取自川南龙马溪组页岩。
为排出水分对孔径分布测试的影响及获取样品较为真实的孔径分布，样品取回后在100℃下烘48小时，然后再根据不同实验的要求处理样品。
1.2 实验设备
高压压汞孔径分布实验采用国外引进的Poremaster高压压汞仪器，液氮孔径分布实验采用Autosorb-6B吸附仪，低温二氧化碳孔径分布实验采用Autosorb-IQ吸附仪。
2 高压压汞孔径分布特征
实验发现进汞退汞曲线不重合现象明显，而且进汞饱和度普遍偏低，分布在25%～58%之间，说明巨大的毛管力阻碍了退汞，同时意味着样品存在大量的微孔，而且还存在相当一部分微孔未被汞侵入，因此高压压汞不能得到整个样品的孔径分布。
4块样品的峰值均出现在60nm及800-1000nm左右，说明样品高压压汞孔径分布均呈双峰形态。
又因为取样储层的破裂压力约在85MPa左右，同样压力下的汞能进入直径约为20nm的孔隙，因此进汞压力大于85MPa时页岩样品（或孔隙）很有可能被破坏，所以认为孔径小于20nm的孔径分布可信度不高。
排除20nm及以下的孔径分布后，发现孔隙体积分布仍然呈双峰形态，孔隙度越大对应分布曲线的峰值也越大，说明孔径分布特征与孔隙度间存在良好的对应关系，即在孔径大于20nm的范围内高压压汞能有效表征样品的孔径分布特征，而且我们认为具体的适用范围与储层破裂压力密切相关。
此外高压压汞的孔容与氦气孔隙度间关系并不明显，说明高压压汞确实不能获取页岩样品的全部孔径分布特征，否则两者应该呈现出良好的线性关系；孔容与进汞饱和度之间的关系明显，进汞饱和度越大孔容也就越大，说明高压压汞能准确获取一定孔径范围的孔径分布特征，也就是说在这段孔径分布范围内高压压汞是适用的。
3 液氮孔径分布特征
从所获得的液氮吸附解吸曲线可以明显看出各曲线均有明显的迟滞环，而这类迟滞环基本上是由介孔（孔径在2—50nm）引起，因此说明各岩样均含有大量介孔。
各等温吸附解吸曲线形态差异性较大，也说明样品孔径分布非均一性较强。
当相对压力小于0.4时脱附曲线几乎与吸附曲线重合，而当相对压力在0.4—0.5之间时脱附曲线出现明显的拐点，说明样品的孔隙以两端开放平行壁的狭缝状孔和墨水瓶形状孔为主。
当相对压力很低时没测出样品的吸附量，我们认为可能由以下两种情况引起：1、页岩微孔不发育；2、液氮吸附无法测出这部分孔隙，而由相关文献资料可知页岩普遍发育微孔，推测液氮吸附基本无法测出这部分孔隙的孔径分布。
许多文献指出液氮吸附测试孔径分布的范围通常为2-50nm，而且可以确定为提高孔径分布测试的准确性2nm以下的孔径分布需要用其他方法来获取，50nm以上的孔径分布可信度并不高。
排出2nm以下、50nm以上的孔径分布后作出各孔径区间的孔容百分数分布图发现4块样品的分布图形态都比较接近，说明这些样品的介孔分布基本一致。
4 低温二氧化碳孔径分布特征
各样品曲线的峰值对应的孔径都集中在0.5nm左右。
统计发现孔径在0.5-1.5nm之间的孔隙其体积占到总孔隙体积（低温二氧化碳吸附所获取的孔径小于2nm的孔隙的体积）的90.3-94.6%，说明样品的微孔仍然以能容乃1至2个甲烷分子（分子直径为0.38nm）的孔隙为主。
5 全尺度孔径分布特征
微孔主要集中分布在0.35-1nm之间且孔微分峰值也最高，说明这些微孔数量所占的比例最大；介孔孔微分峰值低于微孔孔微分峰值，只有微孔孔微分峰值的11.5%-35.0%，说明页岩样品中仍然存在不少介孔。
孔径大于50nm的大孔隙的孔微分峰值仅为微孔孔微分的0.1%-0.35%，说明与微孔及介孔相比大孔隙的数量极少。
微孔孔隙体积与大孔孔隙体积对整个孔隙体积的贡献较大，大孔孔隙体积对总孔隙体积的贡献最小。
统计发现微孔总体积约占总孔隙体积的12.97%-28.11%，介孔总体积约占总体积的63.79%-79.39%，而大孔总体积仅占总体积的4.44%-13.25%。
虽然微孔体积对总孔隙体积的贡献较小，但微孔数量众多且可以吸附大量气体，因此在含气量计算中仍然不可忽略。
6 结论与建议
①通过高压压汞、液氮吸附、低温二氧化碳吸附孔径测试方法及相应的拼接方法可以获取页岩的全尺度孔径分布；②页岩中微孔的数量最多，介孔其次，大孔隙的数量最少；介孔以两端开放平行壁的狭缝状孔和墨水瓶形状孔为主，微孔与介孔孔隙体积约占总孔隙体积的
86.75%-95.56%，大孔体积约占4.44%-13.25%；虽然微孔总体积较小，但其数量众多且可以吸附大量气体，因此在含气量计算中仍不可忽略。
参考文献：
[1]焦淑静，韩辉，翁庆萍等.页岩孔隙结构扫描电镜分析方法研究[J].电子显微学报.2012，31（5）：432-436.
基金项目：国家科技重大专项“涪陵页岩气开发示范工程”（编号：2016ZX05060）资助。