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页岩基质孔隙水微观分布定量评价理论与技术

国内外学者针对多孔介质-气体/蒸气吸附的实验/理论研究不胜枚举，但针对液态流体微观赋存的研究相对较少。然而，在地质条件下致密储层孔隙内的油、水常呈液体状态，这使得该领域的研究相对滞后。与气体（如甲烷）赋存最大的区别在于液体赋存几乎不受压力的影响，分子动力学模拟已验证这一认识。笔者基于页岩微纳米孔隙中液态油、水均以吸附和游离两相共存的特征，提出了描述页岩微纳米尺度孔隙内液态流体赋存的“吸附比例方程”和“液体状态方程”两个理论模型（图1）。吸附比例方程是用来描述一定温度、压力条件下，液体在多孔介质的孔隙内以吸附相与游离相两种状态共存时，孔隙内吸附相流体所占总量的质量比（见百度百科吸附比例方程词条）；液体状态方程是描述微纳米孔隙中液体两相共存状态的一般表达式。这两个方程将流体赋存特征参数（吸附量、游离量、吸附相密度、游离相密度、吸附厚度）和介质孔喉结构参数（孔隙大小及形状、孔体积、比表面积）有机地耦合在一起，从机理上建立了页岩微观孔喉-流体赋存之间的内在联系。



图1 描述多孔介质内液态流体赋存的“吸附比例方程”和“液体状态方程”（图中r_a－吸附相占质量比；ρ₂－游离相密度；ρ₁－吸附相密度；H－吸附厚度；F－孔隙形状因子；d_m－孔隙直径；Q_f－游离量；Q_a－吸附量；V_w－孔体积；S_w－比表面积；τ－校正系数）

厘定了页岩孔隙水分类方案（图2A）。有效的孔隙水分类是对孔隙水定量表征的基础，本研究提出一种新的孔隙水分类方案：将孔隙水分为吸附水和游离水两部分；游离水进一步分为毛细管束缚水和可动水。在外界作用力下，吸附水几乎不可流动，游离水可流动；可流动的游离水称为可动水，其可流动能力受页岩孔喉微观结构的影响；不可流动的那部分游离水称为毛细管束缚水。随外界条件的改变，毛细管束缚水可转化为可动水，且理论最大可动水量等于游离水量。在液态流体有效分类的基础上，基于饱和-离心测试，建立了可动量-游离量-离心力三者之间的关系式（图2B），提出了饱和页岩中吸附水/游离水含量实验评价方法。

将吸附比例方程、液体状态方程与经典的核磁共振理论相结合，建立了不同含水页岩中吸附水/游离水微观分布的定量评价技术（图2C），可获得不同含水页岩孔隙内吸附水、游离水的微观分布特征。液体状态方程从理论上揭示了多孔介质的孔体积/表面积之比和流体游离量/吸附量之比呈线性正相关性，根据该线性关系的截距和斜率可确定孔隙内液体的吸附相密度、吸附厚度；进一步与吸附比例方程、核磁共振理论相结合，可确定表面驰豫率。过去常通过核磁共振T₂谱与孔径分布对比来确定表面驰豫率，但该方法未考虑孔隙形状的影响。由于缺少描述液体赋存的数学方程，使得这三个关键参数很难通过实验来测定。“吸附比例方程”、“液体状态方程”的提出，为吸附参数及表面驰豫率的确定提供了新的理论基础。



图2 A.页岩基质孔隙水分类方案；B.吸附量-游离量实验评价方法；C.页岩基质孔隙水微观分布评价技术

该技术在四川盆地五峰组-龙马溪组海相页岩气储层中进行了应用，揭示了页岩基质孔隙中水微观赋存（含量、分布）规律和控制机理，实现了页岩孔隙内不同赋存状态水的含量和微观分布定量评价，为页岩油气“甜点”评价和高效开发提供理论支撑。