中國南方海相頁巖吸附特征及其影響因素

劉洪林，王紅巖

目的：我國南方古生界頁巖成熟度高，大部分地區埋藏較深，經歷了復雜的構造熱演化歷史，地層抬升對頁巖含氣性產生了直接影響，尤其對頁巖吸附能力和含氣飽和度有著重要的影響。選取南方海相龍馬溪組樣品進行吸附能力測試，探討了溫度、總有機碳對頁巖吸附能力的影響，并認為構造抬升作用通過影響頁巖吸附而對頁巖富集成藏產生重要影響。方法：實驗采用高壓氣體等溫吸附/解吸儀進行。該儀器安裝在恒溫油浴上，溫度誤差控制在±0.2℃以內，壓力精度為3.51 kPa。實驗要求將樣品破碎到小于60目（0.25 mm）。為模擬頁巖的儲層條件，實驗將采用美國材料實驗協會（ASTM）所推薦的標準，即在儲層溫度和平衡水含量條件下進行氣體吸附實驗。研究選取我國南方海相露頭區龍馬溪組鉆井取心 13個樣品進行 30℃、60℃、90℃和 120℃條件下等溫吸附實驗。首先將樣品稱重（約100 g），精確到0.2 mg；再把預濕頁巖樣品放人裝有過飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，該溶液可以使相對濕度保持在 96%～97%之間；48 h后樣品即被全部濕潤，間隔一定時間稱重一次，直到恒重為止。平衡水分含量等于工業分析中空氣干燥基水分（mad）與頁巖樣水平衡時吸附水分含量之和。實驗最高壓力為12 MPa時，實驗壓力點數一般為8個，每個壓力點的吸附平衡時間一般大于12 h；吸附介質為甲烷氣體，純度為99.99%；實驗溫度恒定。實驗過程中，計算機自動記錄下不同時間樣品缸和參考缸的溫度和壓力數據。實驗結束后，根據朗格繆爾單分子層吸附原理進行數據處理，計算朗格繆爾體積和朗格繆爾壓力，并擬合后獲得所測量頁巖樣品的等溫吸附曲線和朗格繆爾方程式。在給定地溫梯度和壓力梯度的情況下，根據理論吸附數據和朗格繆爾房產計算不同埋深溫度和壓力，將不同條件下甲烷的吸附數據投在溫壓—吸附量坐標系中并成圖，以此來反映地層抬升過程中頁巖吸附能力和含氣飽和度的變化。結果：通過對實驗結果統計分析，可以看出：在相同壓力下，隨著 TOC的增大，甲烷吸附量呈增加趨勢，中國南方海相頁巖的吸附能力與總有機碳成正相關的關系。頁巖甲烷吸附量隨著微孔隙體積的增大而增大，存在較好的相關性。構成頁巖微孔隙主要來自于頁巖中的有機質，與 TOC密切相關的微孔隙度是孔隙介質的主要組成部分，可以形成大量的內表面面積和吸附能（小于2 nm的孔）提高了吸附能力。分析30℃、60℃、90℃和120℃條件下頁巖樣品的等溫吸附實驗，認為頁巖儲層在不同的埋深儲層溫度有一定的變化，對頁巖氣吸附性能產生不同的的影響，隨著溫度的升高，頁巖的最大吸附量呈逐漸減少的規律。黑色泥頁巖樣品實驗中平衡水含水率變化不是很大，甲烷最大吸附量與樣品含水率的之間存在負相關的關系，即甲烷最大吸附量隨平衡水含量增加而減少。由于水的存在，頁巖的孔隙空間被占據，造成甲烷吸附量的降低。在頁巖 TOC含量基本相似的條件下，頁巖吸附量與黏土礦物成分高低無明顯相關性。結論：作者研究認為中國南方海相頁巖都具有一定的吸附能力，同時認為有機碳含量、溫度和壓力是影響頁巖氣吸附能力的主要因素。頁巖吸附能力和實際吸附量會隨著構造抬升作用發生變化。作者認為，當地溫梯度變化不大時，地層抬升會導致頁巖吸附能力減小，頁巖產生解吸作用。當地溫梯度越變化越大，壓力梯度變化越大，地層抬升作用就越有可能會引起頁巖吸附能力的增加，從而導致頁巖含氣飽和度降低。作者認為地層抬升量的大小與頁巖吸附能力的變化具有一定的關系，例如當抬升量過大時，吸附能力表現為減小，反之則增大。

來源出版物：天然氣工業, 2012, 32(9): 5-9

入選年份：2015