不同方向取樣的頁巖孔隙差異實驗結果分析

張 錚

（山西晉興能源公司斜溝煤礦，山西 太原 030000）

1 概述

頁巖作為一種具有薄片狀層理結構的粘土礦，具有良好的頁巖氣貯存能力［1］。頁巖氣的吸附能力是頁巖氣資源開采價值評價和目標區域選中的關鍵因素［2］。對于頁巖氣吸附能力的研究，頁巖復雜的納米級孔隙結構是決定吸附量的重要因素［3］。通過電鏡掃描、低溫氮氣吸附和壓汞法探究了頁巖儲層的孔隙結構，微孔和中孔是頁巖儲層納米量級孔隙的主體孔隙，孔隙發育程度決定頁巖氣吸附存儲能力［4］。上述研究主要集中于頁巖孔隙結構特征的表征，但在不同方向取樣的頁巖孔隙差異研究較少。因此，筆者以四川長寧縣龍馬溪組頁巖為研究對象，在大塊頁巖試樣上分別沿平行層理和垂直層理的方向進行取樣，利用低溫氮氣吸附法進行孔隙差異分析，該結果為頁巖實驗研究的取樣方式以及頁巖氣開采儲層勘探提供了一定的參考。

2 實驗方法

2.1 試驗樣品及方法

此次實驗所用頁巖樣品來自四川長寧縣龍馬溪。在大塊頁巖原樣上選取層理明顯、無裂隙破損的三個部分，分別編號為1組、2組、3組，然后在每一個部分分別平行和垂直層理鉆取Φ6 mm×5 mm的圓柱試樣；在1組、2組、3組中，平行層理鉆取的試樣為水平樣，分別編號為1SP、2SP、3SP；同理垂直樣的編號為1CZ、2CZ、3CZ。

鉆取試樣完成后，小心去除試樣表面的浮塵，將試樣在90℃恒溫下干燥5h，待試樣降至常溫送檢，進行低溫氮氣吸附測試（直接使用圓柱試樣實驗）。

2.2 試驗設備

本次實驗采用Micromeritics Instrument Corporation公司的ASAP 2020 HD88儀器。實驗原理是溫度（77K）恒定條件下以高純度氮氣作為吸附質在多孔介質表面發生物理吸附和毛管凝結，通過逐步增大/降低氮氣的相對壓力（p/p0，其中p為氮氣分壓，p0為飽和溫度下的氮氣的飽和蒸汽壓）得到多孔介質中的氮氣吸附-脫附量。并利用儀器配套計算機中內置的BET、BJH模型準確表征被測材料孔隙的孔徑分布和結構特征。孔徑范圍2～300 nm，比表面積最低為0.001 m2/g，孔體積最低為0.000 1 cm3/g。

3 結果分析

3.1 吸附-脫附曲線

圖1分別為三組試樣的等溫吸附—脫附曲線。從圖1中可以觀察到不同組之間的吸附曲線形態稍有區別，但整體上呈反“S”型。表明頁巖試樣中微孔到大孔階段孔隙均有發育，孔隙結構具有一定的連通性。同組內吸附曲線形態接近一致，但水平樣的吸附量明顯高于垂直樣。在相對壓力為1時，試樣1SP、1CZ、2SP、2CZ、3SP、3CZ的氮氣吸附量分別為12.77 cm3/g、10.64 cm3/g、11.61 cm3/g、10.03 cm3/g、8.02 cm3/g、6.70 cm3/g，六個試樣的吸附量順序為1SP＞2SP＞1CZ＞2CZ＞3SP＞3CZ，整體上并沒有明顯的規律；1、2、3組中水平樣的吸附量比垂直樣分別高出19.3%、15.7%、19.7%。綜上所述，水平樣中總的孔隙含量及吸附能力均高于垂直樣。

圖1 低溫氮氣吸附/脫附曲線

3.2 BET孔容、BJH孔比表面積

六個試樣的孔隙孔徑在3.135 7～3.523 3 nm，平均值3.357 9 nm，平均孔徑分布較為均勻，表明頁巖屬于中孔材料。

在表1中，六個頁巖試樣的BJH孔隙體積、BET比表面積大小順序為1SP＞2SP＞1CZ＞1CZ＞3SP＞3CZ。1組中1SP的孔體積為0.019 359 cm3/g，1CZ 為0.016 098 cm3/g，1SP 的比表面積為24.694 6 m2/g，1CZ為18.276 7 m2/g，水平樣的孔體積、比表面積相比垂直樣分別高出20%、35%。同理，2組和3組中水平樣的孔體積、比表面積比垂直樣分別高出17%、14%和39%、43%。綜上所述，同一組內平行樣的孔體積和比表面積明顯高于垂直樣。

表1 低溫氮氣吸附/脫附實驗孔隙結構參數

4 結語

在對頁巖儲層勘探及頁巖氣開發過程中，選取合適的開采方式角度同樣有利于提高頁巖氣的開采效率。通過上述實驗發現：水平層理樣品的孔裂隙連通性、孔裂隙含量、頁巖氣的吸附貯存能力均明顯強于垂直層理樣品。故在垂直于水平層理方向開采頁巖氣時，可以大幅提高頁巖氣的產量及開采效率。本次成果為頁巖儲層的勘探以及頁巖氣的開采提供了一定參考。