煤、页岩和致密砂岩的多尺度孔隙结构及分形非均质性：HMIP–N2/CO2吸附–NMR一体化表征框架

《ACS Omega》：Multiscale Pore Architecture and Fractal Heterogeneity of Coal, Shale, and Tight Sandstone: An Integrated HMIP–N2/CO2 Adsorption–NMR Characterization Framework

　　

非常规储层多尺度孔隙结构的综合表征对于评估气体储存、运移通道和产能潜力至关重要。这项研究对中国准噶尔盆地阜康地区下侏罗统低阶煤、低熟页岩和致密砂岩开展了多种方法相结合的综合研究。研究采用高压压汞法（HMIP）、低温N₂/CO₂吸附和低场核磁共振（LF-NMR）定量表征纳米—微米—宏观尺度的孔隙几何形态、连通性和非均质性，并应用FHH和Brooks–Corey模型评价孔隙非均质性与连通性。结果显示明显依赖于岩性的差异：页岩以微孔为主（约50%），连通性有限，主要起吸附储层作用；煤含有较高比例的中—大孔（宏孔约42.7%），兼具连通性良好的贯通孔/连接孔和墨水瓶形孔，有利于气体储存和运移；致密砂岩呈多模态孔喉分布，涵盖连通性好、低排驱压力的孔隙体与细喉道、连通性差的孔隙体。LF-NMR和HMIP一致表明煤和连通性好的砂岩主导流体运移，而页岩微孔对可动性贡献很小。分形分析量化了多尺度非均质性：由低相对压力区间获得的分形参数（D₁）在煤中最高（约2.76），致密砂岩居中（约2.66），页岩最低（约2.57）；由高相对压力区间获得的分形参数（D₂）以致密砂岩最高（约2.72），反映复杂的内部孔喉网络。Brooks–Corey分析揭示宽喉道复杂性主要控制渗透率。这一基于多技术和分形理论的框架建立了评价孔喉连通性、储—流分配和产能潜力的跨岩性方法，其结果为具有非均质孔隙系统的大陆非常规储层提供了可借鉴的认识。

煤、页岩和致密砂岩的孔隙系统分别受有机质演化、矿物转化、压实、胶结和成岩改造等不同地质过程控制，没有单一技术能完整刻画其从亚纳米到微米的全孔径谱。以往研究多针对单一岩性或有限孔径范围，缺乏统一地质与分析条件下的跨岩性对比，也很少将分形理论与流体运移联系起来。针对这些问题，研究人员以准噶尔盆地阜康地区下侏罗统八道湾组（J₁b）低阶煤（FKC-1~FKC-6）、低熟页岩（FKM-1~FKM-6）和致密砂岩（FKS-1~FKS-5）为研究对象，样品均来自钻井岩心。主要方法包括高压压汞法（HMIP）、低温N₂/CO₂吸附和低场核磁共振（LF-NMR）。CO₂吸附仅用于页岩样品，以刻画其有机质超微孔系统；煤和致密砂岩的最小孔贡献可能因缺少CO₂吸附数据而被低估。在Hodot孔径分类框架下，研究人员整合各技术优势区间，并结合FHH和Brooks–Corey分形模型量化孔隙非均质性。该研究发表于《ACS Omega》。

4.1 HMIP结果
压汞侵入—退出曲线显示，煤和页岩普遍存在明显滞后环，反映墨水瓶孔发育和较大无效孔体积；致密砂岩则按排驱压力和孔喉分布分为连通型与非连通型。煤中FKC-1~FKC-4滞后环明显，退出饱和度为21%~61%，墨水瓶孔比例高；FKC-5和FKC-6滞后较小，以V形和圆柱形孔为主，连通性较好。页岩FKM-1和FKM-6微孔比例最高、中孔段易形成流动瓶颈；FKM-2~FKM-5总孔体积小、滞后窄，连通性中等。致密砂岩I型（FKS-1、FKS-2、FKS-5）排驱压力低，平均退出效率37.14%，孔喉相对集中、连通性好；II型（FKS-3、FKS-4）以细喉道多峰分布为主，平均退出效率38.54%，连通性较差。高压段压汞数据在低阶煤和黏土质页岩中可能包含基质压缩或微裂隙贡献，需结合其他技术解释。

4.2 低温N₂吸附结果
所有样品的N₂吸附等温线均为IV型，伴有H3/H4滞后环，表明中孔形态以狭缝形、墨水瓶形和楔形为主；DFT孔径分布呈单峰。在可量化范围内，页岩微孔比例最高（约50%），煤因缺少CO₂吸附数据，其超