四川盆地志留系頁巖CH4和CO2吸附特征

楊飛，岳長濤，李術元，馬躍，許心怡

（中國石油大學（北京）理學院，北京 102249）

四川盆地志留系頁巖CH4和CO2吸附特征

楊飛，岳長濤，李術元，馬躍，許心怡

（中國石油大學（北京）理學院，北京 102249）

頁巖氣是一種非常具有開發潛力的非常規天然氣能源。選取四川宜賓地區志留系龍馬溪組頁巖，對總有機碳、黏土礦物含量和鏡質體反射率等儲層性質進行表征，通過場發射掃描電子顯微鏡和低溫氮氣吸附-解吸方法對頁巖的孔隙結構進行分析。從孔隙結構表征發現，頁巖中有大量的孔隙發育，并且大多數孔隙的尺寸在100 nm以下，微孔對總比表面積的貢獻最大，中孔對孔體積做出了較大貢獻。對頁巖樣品分別進行了CH4和CO2單組分氣體的等溫吸附實驗，分析了影響頁巖吸附氣體能力的因素，考察了頁巖樣品CO2/CH4的選擇性。結果表明，頁巖對CO2的吸附量要遠大于對CH4的吸附量；有機質含量TOC和孔隙結構對頁巖的吸附有很大影響，呈正相關；溫度越高，頁巖對氣體的吸附能力越差；單位壓力變化對吸附的影響隨著壓力的增高而下降，逐漸趨于平緩；在競爭吸附中，頁巖對CO2有更高的選擇性。

吸附；甲烷；二氧化碳；狀態方程

Abstract:The basic reservoir physical parameters of Silurian shale samples in Sichuan Basin including total organic carbon,clay mineral content and vitrinite reflectance were represented.Pore structure was characterized by field emission scanning electron microscope and low temperature nitrogen adsorption methods.Based on these characterizations,shale samples have well-developed pore structure,with micropores predominantly comprising the pore structure.It is also found that the micropore is the major contributor to the overall specific surface area,whereas most of the pore volume is occupied by mesopores.The adsorption capacity of pure methane and carbon dioxide were performed using a setup of the manometric method.The factors affecting the adsorption capacity of shale gas were investigated,and the selectivity of CO2/CH4adsorption on shale samples was studied.The results show that the adsorption capacity of CO2on shale is higher than that of CH4.TOC and pore structure have a great influence on shale adsorption,which is positively correlated.Meantime,a high temperature is unfavorable to shale gas adsorption and the influence of unit pressure on the adsorption decreases with the increase of pressure.In the study of competitive adsorption,shale has higher selectivity to CO2.

Key words:adsorption; methane; carbon dioxide; equation of state

引 言

頁巖氣是一種重要的非常規能源，在中國儲量豐富[1]。頁巖氣是由富含有機質的致密巖石生成的一種非常規天然氣，具有地層飽含氣性、隱蔽聚集機理、多種巖性封閉和較短的運移距離，具有“原地”成藏的特點，這也使得頁巖本身既是烴源巖，又是頁巖氣的儲層和蓋層。由于頁巖氣藏的特殊結構，頁巖氣在巖層中的儲存方式可以分為3種：吸附態、游離態和溶解態[2]。與常規天然氣不同，吸附態頁巖氣的含量可達到總儲量的 20%～85%[3]。研究頁巖對甲烷的吸附特性，確定頁巖儲層的吸附等溫線是頁巖氣儲量評價的基礎，對頁巖氣的勘探開發具有重要意義[4-5]。

頁巖對氣體的吸附受多種因素影響。主要受頁巖的儲層性質、頁巖礦物組成、頁巖的孔隙結構以及吸附環境的影響[6-10]。朱陽升等[11]研究發現，有機質含量的高低對孔隙分布有直接影響，頁巖的微孔、中孔孔體積及孔隙度隨TOC值增大而增大。

同時，二氧化碳的地質封存已被認為是減少溫室氣體排放的重要途徑。將二氧化碳高壓注入頁巖儲層可能有利于甲烷解吸[12-14]。富含有機質的頁巖具有顯著的二氧化碳吸附能力，并且優先吸附二氧化碳可能會提高吸附甲烷的采收率。二氧化碳提高甲烷的采收率增強頁巖氣回收涉及到如CH4和CO2的吸附特征、吸附影響因素和多組分競爭吸附等幾個基本問題。進一步研究頁巖性質，評價與二氧化碳提高甲烷回收率有關的影響因素，了解頁巖對不同氣體的吸附等具有重要的意義[15-17]。

本文對頁巖樣品進行了總有機碳、礦物組成和鏡質體反射率等儲層性質表征。利用掃描電鏡、低溫氮氣吸附-解吸法對孔隙結構特征進行定性和定量分析。采用容量法高溫吸附儀對頁巖樣品進行不同溫度時CH4和CO2的等溫吸附實驗，分析影響頁巖吸附氣體能力的因素，考察頁巖樣品CO2/CH4的吸附選擇性。

1 樣品及實驗方法介紹

1.1 頁巖樣品

樣品取自位于四川盆地南部的宜賓地區。宜賓地區發育有多套烴源巖，以黑色泥頁巖為主。本文的兩個實驗樣品屬志留系龍馬溪組頁巖，取自同口井的不同層深。

1.2 電場發射掃描電鏡分析

頁巖樣品的FE-SEM圖像可用帶有EDS的FEI Quanta 200F 型掃描電鏡采集。通過氬離子拋光處理樣品后可得到光潔、平整的表面，從而達到理想的鏡面效果。頁巖樣品的掃描電鏡分析圖在濕度為35%、溫度為24℃的環境下檢測。為了便于理解頁巖樣品孔隙結構，采用不同放大率來觀測。

1.3 低溫氮氣吸附法

實驗采用康塔公司 Quadrasorb SI 分析儀，用氮氣吸附法來表征頁巖樣品的孔隙結構特征。比表面積通過選用多點 BET模型（brunaueremmett-teller）計算，和 DFT 方法（density-functionaltheory）計算得到。實驗前將樣品研磨，稱取150 mg樣品并在105℃條件下抽真空6 h，實驗溫度為77.35 K。

1.4 等溫吸附實驗

依據GB/T 19560—2004的實驗方法，搭建了容量法高壓等溫吸附儀，實驗裝置如圖1所示。實驗的主要步驟包括：① 樣品的預處理。取120 g粒徑分布在0.18～0.25 mm的粉末樣品，105℃下真空干燥10 h。② 氣密性檢查。將氦氣注入系統，并達到最高實驗壓力檢查氣密性，如果壓力保持3 h不變，則氣密性可以保證。③ 空隙體積測定。基于PVT方法，精確計算樣品池的空隙體積。④ 氣體的等溫吸附。將氣體先注入參考釜，當參考釜的壓力達到穩定值時，在參考釜和吸附釜之間切換閥門。為了保證頁巖對氣體的充分吸附，每個壓力點的吸附平衡時間至少保持8 h。氣體壓力變得恒定時可以認為吸附達到平衡。

2 實驗結果與討論

2.1 頁巖樣品的基本性質

頁巖樣品地質學參數分析結果見表1。總有機碳測試結果表明，頁巖樣品的 TOC含量分別為1.85%和3.83%，有機質含量較高。有機質類型集中，屬于Ⅱ1型。由鏡質體反射率Ro測試可以看出，頁巖樣品的成熟度分布在2%左右，屬于高-過成熟度階段。X射線衍射證明，頁巖的礦物組成主要以石英、長石、碳酸鹽巖（方解石和白云石）、黃鐵礦和黏土礦物為主，其中以石英、長石和碳酸鹽巖為主的脆性礦物含量平均為 30.45%、4.25%和 11.6%，黏土礦物比重較高，含量平均為41.1%。

圖1 容量法高壓吸附裝置流程Fig.1 Working principle of isothermal adsorption instrument by volumetric method

表1 頁巖樣品的基本性質Table 1 Results of shale samples composition analysis

圖2 1號頁巖樣品孔隙SEM圖Fig.2 SEM images of pores in shale sample

2.2 頁巖的孔隙結構

通過掃描電子顯微鏡（FE-SEM）對 1號頁巖樣品的微觀孔隙結構進行了觀察，如圖2所示。可以看出，頁巖的表面形態非常多樣化，結構復雜，孔隙類型繁多，頁巖中納米級、微米級孔隙大量存在，并可分為多種類型[18-21]。黏土礦物在成巖過程中受擠壓作用的影響，形成了大量的孔隙[圖2(a)]。有機質孔[圖 2(b)]主要指有機質所發育的孔隙，多呈不規則形。黃鐵礦等自生礦物之間也發育了一定的孔隙[圖 2(c)]。由于一些酸性液體的腐蝕，溶蝕孔的孔隙呈典型的三角形、方形[圖 2(d)、(e)]。微裂縫的存在對頁巖氣的滲流有著重要作用[圖2(f)]，在樣品中分布廣，其裂縫長達幾微米，寬度一般幾納米到幾十納米之間[22-23]。

2.3 頁巖的孔隙分布

頁巖的孔隙結構和孔徑分布對頁巖吸附和儲存氣體具有重要影響。通過低溫氮氣吸附-解吸實驗對頁巖的孔隙結構及孔徑分布進行了表征，如圖3所示。吸附等溫線和解吸等溫線在壓力相對較高的部分(P/P0＞0.4)不重合，吸附等溫線位于解析曲線的下方，形成滯后環。根據IUPAC將多孔吸附體系的吸附等溫線的劃分，頁巖樣品的吸附等溫線表現出Ⅳ型吸附等溫線的特征，表明頁巖中的孔隙分布特別寬且連續[24]。

圖3 頁巖的低溫氮氣吸附-解吸等溫線Fig.3 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of shale samples

通過BJH方法和DFT方法計算得到dV/dD-D曲線，如圖4所示。其中V代表孔體積，D代表孔直徑，dV/dD代表孔體積隨孔徑的變化率。BJH方法可以觀察到1～100 nm范圍內孔徑的分布情況，DFT方法可以更細致地觀察到1～10 nm范圍內，主要是微孔隙的分布情況。在1～100 nm范圍內，由圖4(a)可以看出，頁巖孔體積的變化率隨著頁巖的孔徑增大逐漸減小，說明微孔和中孔對孔體積的貢獻較大，而大孔對孔體積的貢獻較小。進一步通過圖4(b)發現，在1～10 nm的孔徑分布范圍中，孔體積變化率在孔徑為1～2 nm之間最大，2～4 nm之間次之，當孔徑大于4 nm之后，孔體積變化較小且平緩。說明頁巖樣品中微孔對孔體積的貢獻大于中孔對孔體積的貢獻。

頁巖的孔隙參數計算結果如表2所示。結果表明，1號和 2號頁巖樣品的比表面積分別為 15.97和21.35 m2·g?1，具有較大的比表面積。平均孔體積分別為0.0164和0.0159 cm3·g?1，平均孔徑分別為4.112和3.950 nm；可以發現，1號樣品的平均孔體積和平均孔徑均略大于2號樣品，但比表面積比2號樣品小25.2%，說明2號樣品中微孔數量較多，而且所占的數量比也更大，這對頁巖樣品吸附氣體具有重要的影響。

表2 頁巖樣品氮氣吸附法孔隙結構參數Table 2 Pore parameters of shale from low pressure nitrogen adsorption

圖4 頁巖氮氣吸附孔徑分布Fig.4 Pore size distribution of shale nitrogen adsorption

圖5 頁巖對CH4和CO2的等溫吸附曲線Fig.5 Isothermal adsorption curve of CH4and CO2of shales

2.4 頁巖對氣體的等溫吸附特征

為了研究頁巖吸附甲烷和二氧化碳的特性以及影響因素，采用容量法高壓等溫吸附儀對1號樣品和2號樣品進行了不同溫度下CH4和CO2單組分氣體的等溫吸附實驗，溫度選擇50、70和90℃，等溫吸附實驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出，頁巖吸附 CO2與吸附 CH4有較為相似的規律。在壓力較低時，頁巖樣品對氣體的吸附量隨著壓力的升高而顯著增大，當壓力增高到一定程度時，頁巖對氣體的吸附量上升的趨勢變緩，曲線趨于平緩。同時可以看出，在同等條件下，頁巖對CO2的吸附量要遠大于對CH4的吸附量，而且頁巖吸附CO2時需要更高的壓力才可以達到吸附飽和。由頁巖的吸附曲線可知，頁巖樣品對CH4和 CO2的吸附等溫線表現出Ⅰ型吸附等溫線的特征，說明兩個頁巖樣品的孔隙性質屬于微孔型[25-27]。氣體的等溫吸附模型有多種，依據常用的等溫吸附模型，本文選擇Langmuir-Freundlich等溫吸附式來描述實驗，其表達式為

其中，b=1/PL,利用式（1）對頁巖吸附 CH4和CO2進行描述，擬合得到特征參數，如表3所示。可以看出，隨著溫度的升高，頁巖對 CH4和CO2吸附的PL值和VL值均逐漸減小。CO2的VL值和PL值均較大，體現出頁巖對 CO2更強的吸附性。

2.5 影響頁巖吸附能力的因素

2.5.1 儲層性質對頁巖吸附氣體能力的影響 頁巖的儲層性質包括有機碳豐度、有機質類型、有機質成熟度和礦物組分及含量等。頁巖中的有機質含量對頁巖氣儲層中的納米級孔隙體積和比表面積有重要的影響，Kang等[28]研究表明，富含有機質頁巖孔隙的平均孔徑要遠小于無機質。隨著有機碳豐度的增加，頁巖的孔隙數量增加，對于氣體的飽和吸附量也會隨之增大。在本文中可以發現，1號樣品的TOC較2號樣品的TOC低，與頁巖對氣體飽和吸附量正相關。

表3 Langmuir-Freundlich模型擬合特征參數Table 3 Characteristic parameter of Langmuir-Freundlich model fitting

熊偉等[29]研究表明，有機質成熟度越高，頁巖對氣體的吸附能力越強。對于熱成因的頁巖氣藏，有機質成熟度一般在0.4%～3.0%之間。1號樣品的RO為1.88%，小于 2號樣品的RO（1.97%），與飽和吸附氣量同樣呈正相關。

頁巖的礦物組成及含量同樣對頁巖的吸附能力具有影響。1號和2號頁巖樣品以陸源碎屑和黏土礦物為主（表1），其中陸源碎屑主要有石英、長石和碳酸鹽巖，黏土礦物主要有高嶺石、蒙脫石、伊-蒙混層、伊利石和綠泥石，它們的顆粒大小、晶體結構以及晶間孔的大小對比表面積有重要影響，從而影響頁巖的吸附能力。

2.5.2 孔隙結構對頁巖吸附氣體能力的影響 孔隙結構測試結果（表2）可以看出，2號樣品平均孔體積和平均孔徑比1號樣品略小，1號樣品的比表面積要比2號樣品小25.2%。等溫吸附實驗測試結果表明，在0～15 MPa范圍內，1號頁巖對CH4的最大實際吸附量比2號樣品平均小18.5%，對CO2的最大實際吸附量平均要小 19.9%。從Langmuir-Freundlich模型擬合結果來看，1號樣品對CH4和CO2的飽和吸附量比2號樣品分別平均小23.7%和22.6%。這說明頁巖對氣體的飽和吸附量與頁巖的比表面積大小成正相關。

頁巖的比表面積與頁巖的孔隙密切相關，兩個頁巖樣品的孔徑分布主要以微孔和中孔為主，中孔可以使頁巖具有更大的孔容積，從而為頁巖吸附氣體提供更多的吸附場所以及儲集空間；微孔可以使得頁巖的比表面積更大，為頁巖吸附氣體提供更多的吸附點，使得頁巖表現出更強的吸附能力[30-31]。由此可以得出，頁巖的微孔孔隙所占的比例越多，比表面積越大，對于氣體的吸附能力也就越強，表現出更高的吸附量。

2.5.3 單位壓力變化對頁巖吸附氣體能力的影響為考察壓力變化對頁巖吸附氣體能力的影響，將等溫吸附方程對壓力進行偏導，所得的數值為在此壓力下單位壓力的變化所導致的吸附量變化的差值，可以更直觀地看出壓力變化在各個壓力段對吸附量的影響程度。本文將式（1）對壓力進行偏導得到式（2）。利用式（2），計算了不同溫度下單位壓力對2個頁巖樣品吸附CH4和CO2的影響，結果如圖6所示。可以看出，在低壓段（0～2 MPa），壓力變化對CH4和CO2吸附量的影響程度很大，壓力的升高使影響程度急劇下降。當壓力大于2 MPa，隨著壓力的逐步升高，壓力的變化對吸附量的影響程度逐步減小。

對比單位壓力變化對CH4和CO2吸附量的影響程度，可以發現，頁巖樣品吸附CO2對壓力的變化比吸附CH4更敏感。而在對同一種氣體吸附時，溫度越低，頁巖樣品的吸附能力對壓力的變化越敏感。可以推出，在氣體解吸時，只有在低壓段才可以解吸得到大量的氣體。對比單位壓力變化對1號樣品和2號樣品的影響，可以發現，2號樣品對于單位壓力的變化較 1號樣品更加敏感，這與2號具有較大的比表面積和更多的可吸附點位有關。

2.6 頁巖對CH4和CO2的吸附選擇性

圖6 單位壓力變化對頁巖吸附氣體能力的影響Fig.6 Change in gas adsorption capacity for unit change in pressure

頁巖樣品對CH4和CO2的等溫吸附實驗結果表明，在溫度和壓力相同的情況下，頁巖對 CO2的吸附量均要大于對CH4的吸附量。本文定義同等條件下CO2與CH4的吸附量之比為CO2的選擇性系數S，如圖7所示。可以看出，CO2的選擇性系數S始終都大于1.8，在低壓階段，選擇系數比較高，隨著壓力增加，選擇性系數逐漸減小并變得平緩。表明CO2可以置換出吸附態的CH4，在低壓下CH4更易被置換，這對于CO2氣驅CH4具有指導意義。

由圖7還可以看出，溫度越高，選擇性系數越小。這主要是由于當溫度升高后，氣體分子運動劇烈，而CH4的分子量較低，無規則運動更加劇烈，使已經吸附在頁巖表面的CH4分子更易從頁巖表面脫附。在同等條件下，2號樣品對CO2的選擇性更高，這主要是因為2號樣品的有機質含量更高，比表面積大，能夠提供的吸附點位多，而且具有高能量的吸附點位占比大。由于CO2相比于CH4分子具有較高的四極矩和偶極矩，這使得頁巖表面高能量的吸附點位與CO2結合的作用力較高，更加不易脫附，從而表現出更高的選擇性。

圖7 不同溫度下頁巖樣品CO2/CH4的選擇性Fig.7 Selectivity of CO2/CH4adsorption of shale sample

3 結 論

（1）四川宜賓地區志留系龍馬溪組頁巖發育有多種類型的孔隙，包括有機質孔、黏土礦物孔隙、自生礦物孔隙、溶蝕孔和微裂縫。大多數的孔隙尺寸在3～100 nm之間，微孔（＜2 nm）對總比表面積的貢獻最大，中孔（2～50 nm）對孔體積做出較大貢獻。

（2）Langmuir-Freundlic等溫吸附方程可以較好地擬合等溫吸附曲線。在同等條件下，頁巖對CO2的吸附量要遠大于對CH4的吸附量。隨著溫度的增加，頁巖對CH4和CO2吸附的PL值和VL值均逐漸減小。

（3）溫度、壓力以及頁巖自身的孔隙結構、有機碳含量和黏土礦物組成是影響頁巖吸附氣體的重要因素。低溫和高壓有利于頁巖對氣體的吸附，頁巖的總孔體積和比表面積對飽和吸附量有很好的正相關性，而孔隙結構與頁巖自身的TOC和黏土礦物含量相關。

（4）在對同一種氣體吸附時，溫度越低，壓力越低，頁巖樣品的吸附能力對單位壓力的變化越敏感。頁巖樣品吸附CO2對單位壓力的變化更敏感。在氣體解吸時，只有在低壓段才可以解吸得到大量的氣體。

（5）隨著壓力的增加，頁巖對CO2的選擇性逐漸減小且趨勢變得平緩。溫度越高，CO2的選擇性系數越小。

符 號 說 明

b——常數，b=1/PL

m——非均勻性系數（≤1）

P——吸附壓力，MPa

PL——Langmuir壓力 (對應吸附量為飽和吸附量的一半)，MPa

V——頁巖對氣體的平衡吸附量，ml·g?1

VL——Langmuir體積即頁巖的理論飽和吸附量，ml·g?1

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Adsorption characteristics of CH4and CO2on Silurian shale in Sichuan Basin

YANG Fei,YUE Changtao,LI Shuyuan,MA Yue,XU Xinyi
(College of Science,China University of Petroleum,Beijing102249,China)

P 59

A

0438—1157（2017）10—3851—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20170488

2017-04-27收到初稿，2017-07-24收到修改稿。

聯系人：岳長濤。

楊飛（1992—），男，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（41372152）；國家重點基礎研究發展計劃項目（2014CB744302）。

Received date:2017-04-27.

Corresponding author:Prof.YUE Changtao,yuect@cup.edu.cn

Foundation item:supported by the National Natural Science Foundation of China (41372152) and the National Basic Research Program of China(2014CB744302).