《Fuel》《Energy》/柳波教授团队/I型干酪根为主页岩在含水和无水热解过程中孔隙结构演化过程

（柳波 文）页岩孔隙结构是决定页岩油气储量和影响流体流动的关键因素。页岩包含复杂的有机-无机组成，叠加成熟作用影响，使其存在各种类型的孔隙。这些孔隙大小和形态各异，使孔隙网络具有高度的非均质性和复杂性。国际IUPAC的孔径分类方案使用最为广泛，但并不完全适用于对页岩孔隙网络进行深入表征。因此，通过不同条件的热模拟实验，再现页岩孔隙结构的演化过程，并使用AI模型深入分析孔径分类及其在成熟作用下的发育规律，有助于我们更好地理解页岩的存储和流体流动能力。柳波团队通过实验研究、机理解释和模型开发，研究了有机质类型以I型干酪根为主的页岩在含水和无水热解过程中孔隙结构演化过程，于2023年1月和7月，《燃料》（Fuel）和《能源》（Energy）分别在线发表了题为“Evolution of porosity in kerogen type I during hydrous and anhydrous pyrolysis: Experimental study, mechanistic understanding, and model development”和“Pore structure evolution of Qingshankou shale (kerogen type I) during artificial maturation via hydrous and anhydrous pyrolysis: Experimental study and intelligent modeling”的论文（https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.127149；https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.128359）。

为了阐明水在热成熟过程中对页岩孔隙结构演化的影响，这项研究对青山口组页岩进行了300-450°C范围内无水和有水热解实验（AHP和HP），并对加热至不同热演化阶段的页岩样品开展了可溶有机质抽提前后的X射线衍射（XRD）、岩石热解分析（Rock-eval）和氮气吸附实验，以分析其矿物成分、地球化学性质和孔隙结构变化规律。分析过程利用分形维数表征了孔隙结构的复杂性，将反褶积方法应用于各个样品的孔径分布，以精细对比孔隙大小的演化过程，并建立了氮气吸附-解吸过程的AI模型（图1）。

图1 基于热模拟实验的青山口组页岩样品孔隙结构分析流程图

研究发现，随着热演化程度的升高，AHP和HP样品孔径均不断增大。抽提前后的页岩样品均表现为IV型迟滞环，并且随着成熟度的升高，迟滞环从H4型转化为H3型。不同成熟度的HP样品的氮气吸附量远高于AHP样品，且具有更高的比表面积和总孔体积，从而表现出更为复杂的孔隙结构。原始样品孔径分布由7个介孔和1个宏孔分峰区间组成，抽提后为5个介孔和2个宏孔分峰区间组成。随着成熟度的增大，孔径较小的分封区间数量不断减少，相反地，孔径较大的分峰区间不断增多，以HP样品孔隙增大更为明显。AHP和HP样品孔隙结构演化规律的差异性说明水在有机质成熟过程中的影响较为明显。这种差异在生油窗最为明显，进入生气阶段后两组样品孔隙结构的复杂性趋同。多种AI模型的对比结果标明，广义回归神经网络（GRNN）、串联前向神经网络（CFNN）模型分别在抽提前后页岩的N₂吸附/解吸预测方面优于其它模型，平均绝对相对误差（AAPRE）分别为3.74%、2.48%。模拟结果的灵敏度分析表明，相对压力和热解方法（AHP或HP）与氮气吸附/解吸体积具有最强的线性和非线性关系，从而证实了水在整个热成熟过程中对孔隙演化所起的作用，比热演化程度本身更为明显。

图2 青山口组页岩AHP和HP热模拟实验过程中的孔隙结构演化（抽提后）

公司楚天学者柳波教授为论文第一作者，合作者包括徐耀辉教授，中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所马中良高工，德国基尔大学Mehdi Ostadhassan教授等。该研究得到国家自然科学基金支持。（孟强 审核）

论文信息与链接：

Liu, B., Mohammadi, M., Ma, Z., Bai, L., Wang, L., Xu, Y., Ostadhassan, M., Hemmati-Sarapardeh, A., 2023. Evolution of porosity in kerogen type I during hydrous and anhydrous pyrolysis: Experimental study, mechanistic understanding, and model development. Fuel 338, 127149.

（https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.127149）

Liu, B., Mohammadi, M., Ma, Z., Bai, L., Wang, L., Xu, Y., Hemmati-Sarapardeh, A., Ostadhassan, M., 2023. Pore structure evolution of Qingshankou shale (kerogen type I) during artificial maturation via hydrous and anhydrous pyrolysis: Experimental study and intelligent modeling. Energy 282, 128359.

（https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.128359）