Velkerri页岩纳米孔隙结构表征：基于SANS的孔隙可及性与各向异性研究及其在能源开发中的应用

为解决页岩气开发中纳米孔隙结构表征难题，澳大利亚研究人员采用(超)小角中子散射((U)SANS)结合氘代甲烷(CD4)对比匹配技术，系统研究了Velkerri页岩的孔隙分布、可及性与各向异性。研究发现高热成熟度样品具有更简单的孔隙-基质界面（低质量分形维数），15-50 nm孔隙可及性最高（0.1-0.7），且孔隙沿层理面方向延长25%-50%。该研究为优化页岩气开采和CO2封存提供了关键孔隙结构参数，成果发表于《Fuel》。

　　

在地球深处沉睡的Velkerri页岩藏着惊人的秘密——这些形成于13亿年前的古老岩石，不仅是目前已知最古老的烃源岩，更是页岩气开发的潜在宝库。然而，纳米级孔隙的复杂结构如同迷宫般难以捉摸，传统表征技术难以解析其孔隙可及性和各向异性特征。这直接制约着页岩气开采效率、CO₂封存和氢气地下储存等关键技术的发展。更棘手的是，页岩孔隙结构具有典型的"鱼与熊掌"特性：高储集能力往往伴随低可及性，二者呈现负相关关系。如何破解这个困局？澳大利亚核科学技术组织等机构的研究团队给出了创新解决方案。

研究人员选取澳大利亚Beetaloo盆地Velkerri组5个不同热成熟度（从未成熟到过成熟）的页岩样品，创造性地运用(超)小角中子散射技术结合氘代甲烷(CD₄)对比匹配方法。关键技术包括：(1)采用SANS/USANS多尺度表征（1 nm-20 μm）；(2)通过CD₄压力调控实现SLD（中子散射长度密度）精确匹配；(3)利用PRINSAS软件进行孔隙定量分析；(4)结合XRD、MICP和有机地球化学分析验证结果。样品来自Northern Territory地质调查岩心库，涵盖Walton 2、Shenandoah 1A等关键钻井。

孔隙分形特征
通过功率定律拟合发现：高热成熟度有机质孔隙（TOC 10.15 wt%）呈现双分形特征——大孔隙（>20 nm）为质量分形（D_m=2.27），小孔隙（8-20 nm）为表面分形（D_s=2.46），揭示有机质与无机质孔隙的差异分布。而低成熟样品（TOC 18.27 wt%）整体呈现表面分形特征（D_s=2.68），反映未成熟有机质的致密特性。

甲烷可及性
对比匹配实验显示：孔隙可及性呈明显的"中间凸起"特征，15-50 nm孔隙可及性最高（0.1-0.7），而<10 nm孔隙因CD₄凝聚效应导致测量偏差。特别值得注意的是，过成熟样品06V在2 nm孔隙中CD₄密度达1.08-1.17 g/cm³，远超常规值，暗示纳米限域空间的特殊物理效应。

孔隙各向异性
通过2D SANS椭圆度分析发现：页岩孔隙普遍沿层理面延伸，偏心度ε显示平行层理方向比垂直方向长25%-50%。Hermans取向参数（H=0.083-0.152）介于Arthur Creek和Marcellus页岩之间，揭示Velkerri页岩具有中等取向特征。各向异性分析为流体定向运移提供了关键依据。

微观结构定量
PRINSAS分析表明：<10 nm孔隙贡献主要孔体积（占比超70%），且层理外切样（Anisotropic A）比层理内切样（Isotropic）比表面积高约30%，证实层理面是流体运移优势通道。有机质含量与总孔隙度呈正相关（R²>0.9），支持"有机质主导孔隙发育"的理论假设。

这项开创性研究首次系统揭示了Velkerri页岩的纳米孔隙结构特征，建立了热成熟度-孔隙可及性-各向异性的定量关系模型。其方法论创新体现在：(1)发展CD₄对比匹配SANS技术，突破传统表征技术的分辨率限制；(2)建立孔隙分形几何与有机质演化的关联规律；(3)量化纳米孔隙各向异性对流体输运的影响。这些发现不仅为Beetaloo盆地页岩气开发提供理论指导，更对全球古老页岩油气藏评价具有借鉴意义。特别是关于2 nm超微孔隙中甲烷异常凝聚现象的发现，为纳米限域流体研究开辟了新视角。未来研究可进一步结合原位高压SANS和分子模拟，深入揭示极端条件下流体-岩石相互作用机制。