页岩气储层孔隙结构分形描述理论及应用

The research of reservoir pore structure has a very important significance in reservoir exploration and development. Shale gas reservoirs have small pore size and strong heterogeneity. Micro-pores are the main storage space for adsorption gas, the larger pores and the micro-fractures are the main channel for gas flow. Because of small pore size (the average throat radius less than 0.005μm) and growth of micro-pores, it is very difficult to describe the pore size distribution exactly in all the present testing methods. Thus the research of reservoir evaluation, productivity prediction and flowing law on shale gas become very difficult. According to previous research results under the microscope, tight sandstone and the pore distribution of shale have good fractal characteristics. Fractal is a useful tool for us to deduce the whole from the local and describe complex problems. It is a new way to describe the pore structure of shale gas reservoirs. There are more studies on fractal characteristics of pore structure in tight sandstone at present, but there is no report about the establishment and application of fractal model on pore structure of shale gas reservoirs. The project tests the local pore structure characteristics of shale rock samples by many methods. Its fractal law will be analyzed and quantitative fractal model of pore distribution will be established in the research project. Shale reservoir micro heterogeneity will be evaluated and e the quantitative relation between fractal model and macrostructure parameters(porosity, permeability，capillary pressure curve, relative permeability curves) will derive on the basis of the above theory. And it provides evidence for the decision on exploration and development of shale gas.

储层孔隙结构研究在油气藏勘探开发中有着重要的意义。页岩气储层具有孔径小、非均质强的特点，微孔是吸附气存储的主要空间，较大的孔隙及微裂隙是气体流动的主要通道。由于孔径小（平均喉道半径不到0.005μm）、微孔发育，目前测试手段很难对其孔隙结构进行精确全面的描述，因此给页岩气储层评价、产能预测、流动规律等研究带来困难。根据前人镜下研究的成果，致密砂岩和页岩孔隙分布具有良好分形特征，而分形手段正是从局部推导整体，描述复杂问题的有力工具，这就为描述页岩气孔隙结构提供了一种新的途径，但目前有关页岩气储层孔隙结构分形模型的建立及应用的研究还未见报道。项目拟用多种手段测试页岩岩样局部孔隙结构特征，分析其分形范围及规律，建立孔径分布的定量分形模型，并以此为基础评价储层微观非均质性、推导分形模型与宏观结构参数（孔隙度、渗透率、毛管压力曲线、相对渗透率曲线）之间的定量关系，为页岩气勘探开发决策提供理论依据。

孔隙结构是一切渗流现象的基础，具有重要的研究意义。由于页岩孔隙度小，非均质强，纳米级微孔发育等特点，使得页岩孔隙结构的定量描述成为页岩气勘探开发的重点和难点。近期发展起来的分形理论是定量描述复杂多孔介质孔隙结构的有力手段。但是此理论还未成熟，有许多问题亟待解决，在页岩储层中的应用也刚刚起步。本项目主要解决分形理论在页岩孔隙结构描述中的适用性问题。.本次研究从理论上对目前常用分形模型进行了系统推导和比较，弄清了各个分形模型的适用条件及相互之间的关系，纠正了国外多篇SCI文献分形模型推导过程中的错误，为页岩分形模型的选用和不同模型结果间比较奠定了理论基础。本项目还利用核磁共振、氮气吸附、高压压汞、扫描电镜等多种先进的实验手段，对页岩孔隙形态及分布特征进行了测试，并根据实验结果，评价了分形理论在页岩孔隙结构描述中的适用性，结果证明分形理论能成功描述页岩孔隙结构。页岩孔隙分布服从两段分形分布，其中相对大孔隙段（或根据排驱型毛管压力曲线）分形维数大于3，而小孔隙段（或根据渗吸型毛管压力曲线）分形维数在2到3之间。在根据孔隙结构预测宏观物性参数方面，项目提出了两个新的预测模型：(1)基于网络模型基础上，提出了分形逾渗毛管压力模型，解决了常规基于平行管毛管压力分形模型没有考虑孔隙连通性的弊端，对常规分形模型从理论上进行了拓展；(2)通过研究单毛细行为，综合运用网络模型、有效介质近似方法、逾渗理论，提出了一般性的毛管压力模型以及相对渗透率模型，该方法从常规圆柱形毛管拓展为任意形状毛细管，从特定孔隙分布规律（比如分形分布）拓展为任意分布，为深入研究多相流在复杂多孔介质中的渗流机理提供了理论依据。本项目研究方法和成果不仅仅适用于页岩，而是具有一般性，是分形在孔隙结构描述的理论和实践上的有力拓展。