高成熟度頁巖孔隙特征對吸附能力的影響

顏　青

（江西省煤田地質局二二三地質隊江西鷹潭　335000）

高成熟度頁巖孔隙特征對吸附能力的影響

顏青

（江西省煤田地質局二二三地質隊江西鷹潭335000）

精確的掌握頁巖儲層的孔隙特征是研究頁巖儲層吸附能力的基礎問題，因此本文以贛東北地區下寒武統荷塘組高演化程度頁巖儲層為例，通過對野外采集的露頭樣品進行低溫氮氣吸附實驗、掃描電鏡觀測和等溫吸附實驗，對儲層孔隙結構、孔隙類型和吸附氣含量進行測定，并討論高演化頁巖儲層孔隙特征對頁巖儲層吸附能力的影響。結果表明：高演化程度荷塘組頁巖儲層孔隙特征較為復雜，總體上以2～50nm有機質孔隙為主，無機孔隙發育較少；且有機質孔隙是控制高演化頁巖儲層甲烷吸附能力的主要內因，有機碳含量越高，有機質孔隙越發育，頁巖甲烷吸附能力越強。

頁巖；高演化；孔隙特征；吸附能力

引言

頁巖氣儲層主要由有機質、脆性礦物及粘土礦物等組成，并形成不同類型與大小的孔裂隙；頁巖氣則以吸附態賦存于有機質和粘土顆粒的表面，或以游離態存在于這些天然裂隙和粒間孔隙中[1]。前人研究表明，頁巖的孔隙結構特征對頁巖氣的吸附和滲流特性有很大的控制作用，如孔隙類型或孔徑大小的不同對頁巖的吸附能力產生不同的影響[2]。因此，本文以贛東北地區下寒武統荷塘組頁巖為研究對象，通過氮氣吸附、掃描電子顯微鏡及等溫吸附等實驗方法，探討高演化程度頁巖孔隙特征對頁巖儲層吸附能力的影響。

1　樣品采集與測試

贛東北下寒武統荷塘組為一套海相沉積的黑色薄層狀炭質、硅質頁巖，主要形成于水體較深、滯留缺氧的陸棚沉積環境[3]，且該地層先后經歷了多期次構造運動，導致荷塘組頁巖的熱演化程度普遍較高，已達到高—過成熟階段的（表1）。為研究高成熟度頁巖孔隙特征對甲烷吸附能力的影響，本文在贛東北地區荷塘組野外實測剖面中系統的選取12塊新鮮斷面的泥頁巖樣品，其有機碳含量、Ro值及礦物成分見表1。在此基礎上，分別利用低溫氮氣吸附、掃描電鏡、等溫吸附等實驗手段觀察樣品孔隙特征和對甲烷的吸附能力。

表1　贛東北荷塘組泥頁巖樣品基礎分析數據

2　實驗結果

2.1孔隙結構特征

比表面積、總孔體積與孔徑分布：

應用BET和DFT模型，根據低溫氮氣吸附測試結果，計算出荷塘組頁巖的比表面積為5.07～13.59m2/g，平均為7.80m2/g；總孔體積為0.0156～0.0634ml/g，平均為0.0450ml/g；平均孔徑為27.059～81.623nm，平均為48.301nm（表2）。頁巖樣品孔隙孔徑上分布在2～130nm之間，且孔體積分布有兩個峰值，一個主要位于2～5nm；另一個主要位于20～50nm左右，總體上以2～50nm納米級孔隙為主（圖1）。表明高演化程度的荷塘組頁巖主要發育小于100nm的微小孔隙，且以2～50nm微孔隙孔為主，并包含少量其他類型、大小的孔隙。

表2　頁巖樣品氮氣吸附與等溫吸附測試結果統計表

圖1　頁巖平均孔徑與孔體積分布圖

2.2掃描電鏡下孔隙特征

掃描電鏡分析發現，荷塘組頁巖樣品內部發育多種孔隙類型，參考前人對頁巖孔隙種類劃分[5]，大體上可分為兩類：無機孔隙與有機質孔隙。無機孔隙主要包括礦物基質粒間孔、粒內孔、晶間孔和溶蝕孔，其形成于泥頁巖中各類無機礦物顆粒內部和之間；如石英、長石等礦物之間的粒間孔和粒內孔（圖2a-2b），黏土礦物晶片之間的晶間孔（圖2c），方解石和長石等礦物顆粒內部形成的溶蝕孔等（圖2d）。其主要特點是納米級—微米級孔隙均有發育，但孔隙總體較大，孔徑多分布0.1～2.0μm之間。荷塘組富有機頁巖樣品內部的有機質孔隙主要為隨著熱解生烴而形成的殘留孔，形狀多不規則，一般呈狹縫狀、氣孔狀、橢圓形等形狀（圖2e-圖2h）；其特點是孔隙總體較小，多以納米級孔隙為主，孔徑分布在3～835nm之間，平均小于50nm；且對于有機質豐度越高的樣品有機質孔隙發育越多。

圖2　荷塘組黑色頁巖掃描電鏡下孔隙特征

2.3等溫吸附特征

等溫吸附實驗結果顯示，在30℃條件下，贛東北荷塘組頁巖樣品的理論最大吸附量（VL）介于0.69～8.19m3/t之間，平均為2.67m3/t；蘭氏壓力介于1.50～1.97MPa之間，平均為1.75MPa（表2）。不同黑色頁巖樣品的甲烷最大吸附量具有較大的差異性，而這種差異性也間接體現出頁巖內部孔隙類型、比表面積及孔徑分布等特征的差異。

3　孔隙特征對頁巖儲層吸附量的影響

3.1高演化程度頁巖儲層的孔隙特征

通過掃描電鏡觀察發現，荷塘組頁巖樣品中發育較多小于50nm的有機孔隙，而無機孔隙則發育較少。低溫氮氣孔徑分布結果也顯示大部分樣品的孔隙以2～50nm中孔為主，與掃描電鏡的觀察結果相符，說明高演化程度的富有機質頁巖中以有機孔隙為主。

如圖3所示，TOC含量與頁巖比表面積、總孔體積有很明顯的正線性關系，相似系數分別為0.683、0.697；而粘土和石英與頁巖比表面積、總孔體積的之間沒有明顯的線性相關性，表明TOC是控制高演化程度頁巖儲層孔隙結構特征的主要內在因素，也更加證明了高演化程度的富有機質頁巖儲層中以有機質孔隙為主。

圖3　主要礦物成分及TOC含量與比表面積、孔體積

其主要原因為隨著成巖演化程度的增加，石英、長石等礦物之間的無機孔隙會因壓實而逐漸減小，粘土等不穩定礦物也會發生塑性變形及相變使頁巖結構變得更加致密，頁巖中無機孔隙大量減少；但演化程度的增加會使有機質逐漸達到生烴門限，進而會形成大量的生烴殘余孔隙，增大了頁巖中的有機質孔隙[6～7]。因此結合研究結果可以得出隨著演化程度的增加，頁巖的主要孔隙類型由無機孔隙逐漸向有機質孔隙轉變。

3.2有質機孔對高演化頁巖儲層吸附能力的主控作用

頁巖儲層吸附能力受TOC含量、粘土礦物、干酪根類型、成熟度等多種因素的影響，對于高演化程度的頁巖儲層來說，其孔隙類型及結構特征有其獨特的性質，進而造成這些因素對頁巖儲層吸附性能的控制強度有所差異。圖4表明，TOC含量與頁巖甲烷最大吸附量有很明顯的正線性相關性，相似系數較高，為0.942，說明TOC含量對高成熟度頁巖儲層的吸附能力有很強的控制作用；而粘土礦物、脆性礦物及Ro值與頁巖甲烷的最大吸附量之間不具有明顯的相關性，說明它們對高成熟度頁巖的吸附能力控制較弱。究其根本原因為高演化程度富有機質頁巖儲層孔隙類型2～50nm的有機質孔為主，無機孔隙發育較少，因此，TOC含量越大，有機孔隙越發育，頁巖的比表面積、孔體積就越大，對甲烷的吸附能力就越強。

圖4　TOC、主要礦物成分及Ro與甲烷最大吸附量的關系

4　結論

（1）荷塘組頁巖成熟度較高，孔隙結構特征較為復雜，總體上以有機孔隙為主，孔徑主要分布在2～50nm之間，而無機孔隙則發育較少。

（2）隨著熱演化程度的增加，頁巖的孔隙類型和孔隙結構會發生相應的演化，頁巖的主要孔隙類型將由無機孔隙逐漸向有機質孔隙轉變。

（3）有機質孔隙是控制高成熟度富有機質頁巖甲烷吸附能力的主要內因，有機碳含量越高，有機質孔隙越發育，頁巖的比表面積越大，甲烷的吸附能力就越強。

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TE122

A

1673-0038（2015）50-0171-02

2015-11-15