頁巖柱塞樣氦氣孔隙度測(cè)定方法

1.目的

準(zhǔn)確測(cè)定頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度對(duì)于頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)和儲(chǔ)量計(jì)算都非常重要。柱塞樣氦氣孔隙度測(cè)定方法是目前比較常用的頁巖孔隙度測(cè)定方法之一，鑒于頁巖具有鉆樣易碎、低孔隙度和低滲透率等特點(diǎn)，常規(guī)鉆樣設(shè)備制取頁巖柱塞樣易產(chǎn)生人工裂縫，常規(guī)氦氣孔隙度測(cè)定條件亦較難讓頁巖孔隙中充分飽和氦氣，致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果容易產(chǎn)生誤差。為了克服上述不足并獲得準(zhǔn)確可靠的頁巖孔隙度測(cè)定結(jié)果，筆者研發(fā)了一種新的測(cè)定方法：①采用金剛石線切割制備柱塞樣，以減少人工裂縫產(chǎn)生的概率、提高柱塞樣制備成功率；②在樣品飽和氦氣前，運(yùn)用真空泵抽空頁巖孔隙中的殘留氣體，給其后的氦氣飽和提供前提條件；③在氦氣飽和過程中，采用嚴(yán)格的壓力平衡判定條件，讓樣品孔隙中充分飽和氦氣。

2.方法

首先，利用金剛石線切割方法制備頁巖柱塞樣，將頁巖樣品放入60 ℃恒溫烘箱，烘干至恒重。將干燥頁巖樣品放入頁巖氦氣孔隙度測(cè)定儀器的樣品室中（圖1），打開真空泵，根據(jù)真空泵功率大小合理設(shè)定抽真空時(shí)間，直至頁巖樣品孔隙中殘留氣體被抽空，關(guān)閉樣品室閥門。

圖1 頁巖氦氣孔隙度測(cè)定儀器示意圖

然后，往參考室中注入氦氣到一定壓力，待參考室中氣體壓力平衡，關(guān)閉參考室閥門。打開參考室與樣品室之間的閥門，讓氦氣充分飽和頁巖樣品孔隙空間，觀察壓力變化曲線發(fā)現(xiàn)：孔隙度越小，所需平衡時(shí)間越長(zhǎng)，平衡時(shí)間通常在半小時(shí)到幾個(gè)小時(shí)。因此設(shè)置壓力平衡判定條件為30 min內(nèi)壓力變化小于0.03 psi（psi表示磅力/平方英寸，為非法定計(jì)量單位，換算關(guān)系1 psi=6 894.757 Pa），樣品室壓力平衡后，根據(jù)波義爾定律，計(jì)算得到頁巖樣品骨架體積。

最后，通過卡尺測(cè)量法或阿基米德浸沒法獲取頁巖樣品總體積，利用樣品總體積減去骨架體積得到孔隙體積，再除以總體積，即得到頁巖孔隙度。

3.作用和效果

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法采用“抽真空+嚴(yán)格平衡條件”使得頁巖樣品在實(shí)驗(yàn)過程中能充分飽和氦氣，使得所測(cè)頁巖孔隙度結(jié)果更加準(zhǔn)確，同時(shí)該方法測(cè)定結(jié)果的再現(xiàn)性和重復(fù)性均好，顯著優(yōu)于不抽真空或一般平衡判定條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

另外，該方法與酒精飽和法測(cè)定孔隙度得到的結(jié)果總體相當(dāng)，70%以上樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差在±0.5%以內(nèi)。由于氦氣較酒精分子更接近于甲烷氣體的性質(zhì)，在孔隙度較小時(shí)，氦氣法測(cè)定結(jié)果更準(zhǔn)確。由于顆粒樣氦氣孔隙度測(cè)定結(jié)果為總孔隙度，柱塞樣氦氣孔隙度測(cè)定結(jié)果為有效孔隙度，因而前者測(cè)定結(jié)果比后者略大。鑒于目前頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)和儲(chǔ)量計(jì)算中，大多數(shù)都采用的是有效孔隙度。因此，推薦采用“抽真空+嚴(yán)格平衡條件”柱塞樣氦氣孔隙度測(cè)定方法。該方法能夠準(zhǔn)確測(cè)定頁巖孔隙度，可以給頁巖氣勘探開發(fā)研究提供有效的技術(shù)支撐。