Gas storage and flow characteristics of shale gas reservoirs are greatly affected by their complex pore structure. These structures contain a wide range of pore size distribution with significant contribution of nanometer scaled pores. In this work an integrated experimental approach including geochemical and mineralogical analysis, Mercury Injection Capillary Pressure (MICP) and helium expansion porosimetry along with nano-scale Field Emission-Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) imaging techniques was used to characterize pore structure of Garau formation, a shale gas play recently explored in the western Iran. MICP was used in this study as an acceptable laboratory method to identify pore throat size down to three nanometers. FE-SEM image analysis was also applied for better understanding of distribution, connectivity and nature of sub-micron pore systems. Experimental measurements were made on 23 plugs collected from two depth intervals from two wells in the Garau formation. X-Ray Diffraction mineralogy (XRD) analysis represents that shale samples are calcite rich with low clay contents. The kerogen analysis shows kerogen type II with Total Organic Carbon (TOC) values ranging from 0.41 to 3.18%. The total porosity obtained from helium expansion test, varies between 0.1 and 3.6% under ambient test conditions and between 0.1 and 1.2% under overburden stress test conditions suggesting high stress dependency of the porosity in the studied samples. Based on the MICP test results, the pore throat sizes in the Garau shale samples belong to the mesopores and macropores realm. In addition, two types of pore size distributions are observed in the samples according to their mineralogical compositions. The majority of pores in the first group with high calcite contents are in macro-scale (>50 nm) with the dominant pore radius of around 50 μm, while the dominating pore radii in the second group with illite traces are found to be in the meso-scale (5–50 nm). Furthermore, comparing the MICP and helium porosimetry test results shows that the total porosity of the Garau shale increases with the increase of the meso-scale pore volume. Observations from FE-SEM images were also in good agreement with MICP test results. FE-SEM analysis revealed that pores are located both in the organic matter and inorganic matrix whether in isolated or interconnected types. These observations showed that a portion of kerogen body is occupied by nano-scaled pores with different shapes and sizes; as a result, samples with higher TOC contents and maturity offers generally higher total porosity values

چکیده

ذخیره سازی گاز و خصوصیات جریانی مخازن شیل گازی، به شدت تأثیرپذیر از ساختمان پیچیده منافذشان است. این ساختمان شامل گستره وسیعی از توزیع اندازه منافذ با حضور گسترده منافذ‌ نانومقیاس می باشد. در این تحقیق، یک روش آزمایشگاهی ترکیبی شامل آنالیز ژئوشیمیایی و کانی شناسی، فشار موئینگی تزریق جیوه (MICP) و تخلخل سنجی انبساط هلیوم همراه با عکسبرداری با روش میکروسوپی الکترونی روبشی-گسیل میدانی (FE-SEM) در ابعاد نانو، برای تشخیص ساختار منفذی سازند گرو که به تازگی به عنوان ذخیره گاز شیلی در غرب ایران کشف شده است، استفاده شد. در این تحقیق MICP به عنوان یک روش قابل اتکا نشان داد که اندازه دهانه منافذ تا دست‌کم 3 نانومتر می رسد. آنالیز عکس برداری FE-SEM نیز برای درک بهتر پراکندگی، ارتباط و طبیعت سیستم های منفذی زیر میکرون استفاده شد. اندازه‌گیری های آزمایشگاهی بر روی 23 پلاگ تهیه شده از 2 عمق از دو چاه مختلف در سازند گرو انجام شد. آنالیز کانی‌شناسی پراش اشعه X (XRD) نشان دهنده آن است که نمونه های شیل حاوی مقادیر زیادی کلسیت همراه با اندکی رس هستند. آنالیز کروژن، کروژن نوع II با مقدار کل کربن آلی (TOC) بین 41/0 تا 18/3 % را نشان می دهد. تخلخل مطلق از تست انبساط هلیوم بدست آمد که بین 1/0 تا 6/3 % تحت شرایط محیطی و بین 1/0 تا 2/1 % تحت فشار بار رویی بود که بیان‌کننده وابستگی شدید تخلخل به تنش، در نمونه های مورد مطالعه است. بر اساس نتایج تست MICP، اندازه دهانه منافذ‌ در نمونه های شیل گرو متعلق به محدوده ماکروپورها و مزوپورها است. علاوه‌ بر این، 2 نوع توزیع اندازه منفذ در نمونه ها با توجه به ترکیب کانی‌ شناسی آنها مشاهده ‌شد. اکثر منافذ‌ در گروه اول با مقادیر کلسیت بالا در محدوده بزرگ مقیاس (nm 50<) با شعاع منفذ عمده در محدوده μm 50 قرار می گیرند، در حالی که شعاع منفذ عمده در گروه دوم که با نشانه هایی از ایلیت همراه بود، در محدوده میان مقیاس ( nm 50-5) مشاهده شد. علاوه بر این، مقایسه نتایج MICP و تست تخلخل‌سنجی هلیومی، نشان داد که تخلخل کل شیل گرو با افزایش مزوپورها، افزایش می یابد. تصاویر FE-SEM نیز تطابق خوبی با نتایج تست MICP داشت. آنالیز FE-SEM آشکار کرد که منافذ‌، چه از نوع ایزوله و چه از نوع مرتبط، هم در ماده آلی و هم در ماتریس غیرآلی وجود دارند. این بررسی نشان داد که بخشی از کروژن توسط منافذ‌ نانومقیاس با شکل ها و اندازه های مختلف اشغال شده است، در نتیجه نمونه هایی که TOC و بلوغ بیشتری دارند، به طور کلی مقادیر تخلخل مطلق بیشتری دارند.

1-مقدمه

تا به امروز شیل های سرشار از مواد آلی، به عنوان سنگ مخزن یا پوش سنگ در سیستم های متعارف هیدروکربنی شناخته می شدند. با این حال، امروزه به دلیل مقادیر بالقوه عظیم گاز، این سنگ های دانه‌ریز به عنوان مخزن مفید نامتعارف مورد توجه قرار گرفته اند (Loucks et al.، 2009؛ Chalmers و Bustin، 2007؛ Al Hinai et al.، 2014؛ Bai et al. ، 2013). گاز شیلی بعد از نفت سنگین، دومین ذخیره عظیم انرژی نامتعارف به شمار می رود و به دلیل رشد نیاز به انرژی، حاوی اهمیت زیادی است (Elgmati et al.، 2011؛Tian et al. ، 2013؛ Curtis et al.، 2011)...