美国经过30年的科研攻关,从页岩微纳孔隙中开采出页岩油气,从而开启页岩气革命。因而建立针对页岩的表征方法,准确获取页岩内部微纳孔隙结构,是了解页岩储层内部气体的赋存状态、流动机理以及页岩岩石骨架的力学行为的重要基础。页岩储层具有独特而复杂的特性,生储同层、高度致密、低孔低渗、孔隙结构形态多样且对水十分敏感,认识页岩微观属性必须采用实验、数据分析和数值模拟等特殊手段。实验是了解孔隙结构最直接方法。其中,气体吸附实验是一种有效表征多孔材料纳米孔隙的实验方法,但由于利用气体吸附实验结果计算孔径分布的过程中,均基于单一孔隙形状的假设,因此在处理页岩的复杂孔隙结构则会造成较大的误差。本文提出了一种新的基于氮气吸附实验结果的双孔形孔径分布计算方法,从而能更准确地表征和认识页岩纳米尺度的孔隙结构。依据获得的孔隙结构,给出视渗透率的新的表达式,实现了宏微观研究的结合。因此,本文的研究不仅在推动微观实验技术进步及分析方法创新方面具有重要科学意义,而且对正确估算页岩储量,实现页岩气高效经济开发具有重大应用价值。主要研究内容和创新性成果如下:1.开展了数百次页岩基础实验,为研究积累了数据:从国内各地不同页岩储层采集样品进行了大量储层特征实验,其中包括有表征页岩地化特征的有机质丰度评价、有机质成熟度测量、有机质类型评定和全岩及粘土矿物成分分析;有表征页岩形态特征的表观形貌特征实验、孔隙参数测量实验;还有表征页岩物性特征的渗透率测量实验、吸附能力测量实验和力学性能测试实验。页岩储层基本特征实验数据是后续研究的基础。2.提出双孔形孔径分布计算方法。该方法能有效区分页岩基质中纳米尺度的圆柱形孔和平板形孔,并计算出各自的孔径分布。根据多孔介质表面吸附和毛细凝聚原理,基于页岩内部孔隙含双孔形孔隙的假设,利用两种孔形在吸附和脱附过程中迟滞回线的差异,推导出孔径分布计算基本方程。在经过分子筛材料SBA-15的计算结果验证后,将其应用于页岩上之后发现,与传统单一孔形方法计算所得孔隙体积及比表面积相比至少降低了5%和1 5%,这样的发现将有助于对页岩储层内赋存气体总量的计算,并将重新认识游离气/吸附气比例。3.开展海陆过渡相页岩分形研究,获得双孔形孔隙的分形特点:利用新建立的双孔形孔径分布计算方法对国内某海陆过渡相页岩区块的样品进行孔隙信息计算,得到了新的认识:不同孔隙形状和孔隙分形特征之间存在联系,其中圆柱形孔是较大孔隙表面复杂度和自相似性的控制因素。而平板形孔则成为小孔径孔隙分形维数的关键。4.考虑多效应共同作用,提出双孔形页岩视渗透率计算方法:己知不同孔隙尺寸下视渗透率计算需考虑不同效应的影响,包括滑移/扩散效应、应力敏感效应和吸附效应等。而孔隙形状对以上效应以及孔隙固有渗透率的计算都有影响。因此本文在视渗透率计算中分别讨论了圆柱形孔和平板形孔两种孔形对于视渗透率计算的影响,并结合各自孔径分布,对不同效应在两种孔形中的影响进行了比对和敏感性分析,再进一步运用页岩基质拟真实的双孔形孔径分布计算视渗透率。结果显示,仅考虑单一孔形孔径的视渗透率结果有一定误差,而考虑页岩基质真实双孔形孔径分布的视渗透率结果更为准确可靠。