[论文解读] Fracturing controlled primary migration of hydrocarbon fluids during heating of organic-rich shales

Maya Kobchenko, Hamed Panahi+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2010

Hydrocarbon exploration and reservoir analysis被引用 5

一句话总结

本研究利用原位4D同步辐射X射线断层扫描技术观察到，将富含有机质的格林河页岩加热至400°C时，在约350°C处诱发裂纹成核，随后沿层理解理平面发生裂纹扩展与汇聚，从而提高渗透率并促进烃类排出。该过程模拟了入侵渗流行为，与干酪根分解生成烃类的过程相关联，为低渗透率页岩中由裂纹驱动的初次运移提供了直接证据。

ABSTRACT

Time-resolved three-dimensional in situ high resolution synchrotron x-ray tomographic imaging was used to investigate the effects of slowly heating organic-rich Green River Shale from 60° to 400°C, in air without confinement, to better understand primary migration of hydrocarbon fluids in very low permeability source rock. Cracks nucleate in the interior of the sample at a temperature around 350°C. As the temperature increases, they grow and coalesce along lamination planes to form bigger cracks. This process is accompanied by a release of light hydrocarbons generated by decomposition of the initially immature organic matter, as determined by thermogravimetry and gas chromatography. These results provide the first 4D monitoring of an invasion percolation-like fracturing process in organic-rich shales. This process increases the permeability of the sample and provides pathways for fluid expulsion - an effect that might also be relevant for primary migration under natural conditions. We propose a 2D fracture model that reproduces both the observed non-linear crack growth in a lamination plane and the irregular geometry of the crack fronts.

研究动机与目标

• 理解热应力下低渗透率富含有机质页岩中初次运移的机制。
• 研究加热过程中裂纹形成与扩展如何影响流体排出路径。
• 表征干酪根分解过程中裂纹网络的时空演化。
• 将观测到的裂纹动力学与通过热重分析和气相色谱法测得的烃类生成关联起来。

提出的方法

• 在60°C至400°C的可控加热条件下，对格林河页岩样品进行了时间分辨、三维原位高分辨率同步辐射X射线断层扫描成像。
• 加热在空气中进行且无约束，以模拟自然热成熟条件。
• 实时监测裂纹成核、扩展与汇聚，以捕捉裂纹网络的演化过程。
• 采用热重分析和气相色谱法量化加热过程中的质量损失及轻质烃类生成。
• 建立了二维裂纹模型，以再现观测到的非线性裂纹扩展和不规则裂纹前沿几何形态。
• 成像数据实现了页岩中类似入侵渗流的裂纹扩展过程的4D可视化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在富含有机质页岩的热成熟过程中，裂纹成核在何种温度下开始？
• RQ2 随着温度升高和干酪根分解，裂纹如何扩展与汇聚？
• RQ3 低渗透率页岩中烃类生成与裂纹网络发展之间存在何种关系？
• RQ4 裂纹化在多大程度上提高了渗透率并促进初次运移过程中的流体排出？
• RQ5 二维裂纹模型能否准确再现观测到的非线性裂纹扩展与不规则裂纹前沿形态？

主要发现

• 在加热过程中，格林河页岩样品内部约在350°C时发生裂纹成核。
• 当温度超过350°C后，裂纹扩展与汇聚优先沿层理解理平面发生。
• 观测到的裂纹扩展过程伴随干酪根分解生成的轻质烃类释放，经热重分析和气相色谱法确认。
• 所观测的裂纹扩展过程表现出入侵渗流的特征，具有不规则裂纹前沿几何形态和非线性生长动力学。
• 二维裂纹模型成功再现了三维断层扫描数据中观测到的非线性裂纹扩展与不规则裂纹前沿形态。
• 本研究首次提供了裂纹扩展过程增强渗透率并促进页岩生油岩中流体排出的直接4D可视化证据。