頁(yè)巖氣吸附量的影響因素及開(kāi)發(fā)技術(shù)探討

張鍵，劉豇瑜，薛江龍

（1.中石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆庫(kù)爾勒841000；2.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫(kù)爾勒841000）

專論與綜述

頁(yè)巖氣吸附量的影響因素及開(kāi)發(fā)技術(shù)探討

張鍵1，劉豇瑜2，薛江龍1

（1.中石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆庫(kù)爾勒841000；2.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫(kù)爾勒841000）

吸附量是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏含氣量的重要依據(jù)之一，也是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏地質(zhì)儲(chǔ)量和產(chǎn)能的重要指標(biāo)。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征的特殊性，影響頁(yè)巖氣吸附量的因素較多。總結(jié)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，頁(yè)巖儲(chǔ)層的有機(jī)地球化學(xué)性質(zhì)和巖石物理特征是影響其吸附量的兩大主要因素。其中有機(jī)地球化學(xué)性質(zhì)包括熱成熟度、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)碳含量；巖石物理特征包括礦物組成、孔隙半徑、比表面、溫度、壓力。本文還探討了頁(yè)巖氣藏吸附氣的解吸方法，主要有降壓解吸、置換解吸、升溫解吸和擴(kuò)散解吸。通過(guò)本文的探討，為深入研究頁(yè)巖氣的吸附與解吸提供參考。

頁(yè)巖氣；吸附量；解吸；影響因素

近年來(lái)，頁(yè)巖氣藏已成為油氣工業(yè)領(lǐng)域的重點(diǎn)對(duì)象。頁(yè)巖氣藏與常規(guī)氣藏區(qū)別較大，它既是烴源巖又是儲(chǔ)集層［1-2］。頁(yè)巖氣藏中，天然氣以吸附、游離和溶解三種形式儲(chǔ)存，其中以吸附方式儲(chǔ)存的天然氣占50%以上［3］。

根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，在地層條件下，四川盆地頁(yè)巖氣吸附量在30%～52%，鄂爾多斯盆地頁(yè)巖氣吸附量在26%～49%，美國(guó)沃思堡盆地Barnett頁(yè)巖氣吸附量在38%～72%［1、4～5］，顯然不同地區(qū)和類型的頁(yè)巖氣藏，其吸附量有很大的差異，到底是什么原因造成這種差異呢？針對(duì)這一問(wèn)題，本文根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，在頁(yè)巖氣藏的基本特征上，結(jié)合吸附的基本性質(zhì)，探討了頁(yè)巖氣吸附量的主要影響因素，并針對(duì)吸附氣的解吸方法進(jìn)行探討，通過(guò)本文的探討為以后更深入的研究頁(yè)巖吸附理論打下良好的基礎(chǔ)，也對(duì)頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)有重要的指導(dǎo)意義。

1　頁(yè)巖氣藏的特征

頁(yè)巖氣本質(zhì)上是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合，具有飽含氣性、隱蔽聚集、多種巖性封閉以及相對(duì)短的運(yùn)移距離，可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在，甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在［6］。國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣通常指賦存于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，有自生自儲(chǔ)、吸附成藏、隱蔽聚集等特點(diǎn)的氣體［4、6］。

與常規(guī)天然氣相比，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)具有開(kāi)采壽命周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，這是由于頁(yè)巖的微隙和裂縫系統(tǒng)讓頁(yè)巖氣具有“連續(xù)性”分布特征［7］。對(duì)頁(yè)巖氣的認(rèn)識(shí)是隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累而變化的，聚集從僅僅局限于泥頁(yè)巖發(fā)展到薄層粉砂巖甚至砂巖和碳酸鹽巖。烴源巖的范圍也更廣泛，包括海相傾油型源巖和有機(jī)質(zhì)含量中等、初始?xì)渲笖?shù)不高的泥頁(yè)巖［8］。

頁(yè)巖氣藏具有低孔低滲特點(diǎn)，例如，四川盆地華鎣山紅巖煤礦實(shí)測(cè)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度平均為4.83%威遠(yuǎn)地區(qū)，筇竹寺組頁(yè)巖孔隙度平均為3.02%［9］。鄂爾多斯盆地中生界陸相頁(yè)巖實(shí)測(cè)孔隙度0.4%～1.5%，滲透率0.012 mD～0.653 mD［10］。美國(guó)FortWorth盆地Barnett頁(yè)巖［11］為一套黑色硅質(zhì)頁(yè)巖，其孔隙度為2%～10%，滲透率為（70～500）×10-6mD，有機(jī)碳含量為4.0%～8.0%。

2　頁(yè)巖氣藏吸附量的影響因素

2.1巖石物理性質(zhì)對(duì)頁(yè)巖氣吸附量影響

2.1.1礦物成分對(duì)吸附量的影響Ross，D.等［12］研究發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣藏中粘土礦物對(duì)甲烷吸附量有很大的關(guān)系，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)尤其是蒙脫石和伊利石對(duì)甲烷的吸附量貢獻(xiàn)最大，邱軍利等［13］通過(guò)粘土礦物的甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)，各種粘土礦物對(duì)甲烷的吸附量差別很大。

2.1.2比表面和孔徑大小的影響吸附是發(fā)生在吸附劑表面上的行為，微孔吸附劑吸附即孔隙充填機(jī)理，中孔中可發(fā)生毛細(xì)凝結(jié)。因此，頁(yè)巖比表面越大，一般來(lái)說(shuō)氣體分子和相對(duì)分子質(zhì)量不大的溶質(zhì)的吸附量越大。楊峰等人通過(guò)理論研究顯示頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)吸附量的影響最大［14］，Chalmers等［15］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明吸附量與頁(yè)巖的孔隙度呈正相關(guān)，頁(yè)巖儲(chǔ)層中的吸附氣含量隨著孔隙的增大而增加。

2.1.3溫度壓力的影響甲烷在頁(yè)巖表面是發(fā)生物理吸附，溫度升高吸附量降低，因?yàn)槲锢砦绞亲园l(fā)的自由能降低和放熱過(guò)程。吸附質(zhì)平衡壓力或平衡濃度的增加都使吸附量增加。物理吸附類似于氣體在吸附劑表面的液化，故吸附質(zhì)沸點(diǎn)和臨界溫度越高，越有利于吸附的發(fā)生。

李武廣等［16］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同溫度下頁(yè)巖的吸附解吸，發(fā)現(xiàn)溫度越高吸附量越少，但解吸量越大。

2.2有機(jī)地球化學(xué)性質(zhì)對(duì)頁(yè)巖氣吸附量的影響

2.2.1成熟度（Ro）對(duì)吸附量的影響成熟度是表示有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的熱演化程度。頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度指的是有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為油氣的程度。對(duì)于熱成因的頁(yè)巖氣藏，形成天然氣的有機(jī)質(zhì)成熟度值在0.4%～3.0%，如果成熟度的值大于3.0%表明有機(jī)質(zhì)處于過(guò)成熟了。文獻(xiàn)［17］為了研究成熟度對(duì)頁(yè)巖吸附的影響進(jìn)行了不同成熟度頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)的等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明有機(jī)質(zhì)成熟度越高，頁(yè)巖的吸附能力越強(qiáng)，也就是說(shuō)吸附甲烷的量越多。2.2.2有機(jī)碳含量（TOC）對(duì)吸附量的影響根據(jù)油氣地球化學(xué)，通常認(rèn)為TOC含量大于0.5%的頁(yè)巖能成為具有潛力的烴源巖。為了定性研究頁(yè)巖中TOC的含量與頁(yè)巖甲烷吸附量的關(guān)系，熊偉等［17］通過(guò)室內(nèi)對(duì)不同TOC含量的頁(yè)巖進(jìn)行了等溫氣體吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，TOC含量越大，頁(yè)巖氣體吸附量也就越多；與此同時(shí)，Ro含量近似的頁(yè)巖，TOC含量越高，氣體吸附量越大，TOC含量近似的頁(yè)巖，Ro值越高，氣體吸附量越大。楊一嗚等［18］也對(duì)TOC與吸附量的關(guān)系進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明同一壓力下，TOC含量越高，其甲烷吸附量越大。

2.3其他影響因素

頁(yè)巖吸附氣含量還受到頁(yè)巖儲(chǔ)層中含水量大小和潤(rùn)濕性的影響。例如Ross等［19］研究發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層中水分的存在很大程度上減少吸附氣的含量，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到干燥條件下的頁(yè)巖樣品的吸附量大于水平衡條件下的吸附量，原因是粘土礦物表面的吸附位被水占據(jù)后，使粘土礦物膨脹導(dǎo)致孔隙度減小，并且堵塞孔吼，減少氣體進(jìn)入原來(lái)的吸附位。至于潤(rùn)濕性對(duì)吸附量造成影響，還有待進(jìn)一步研究。

3　解吸方法

3.1降壓解吸

降壓解吸是一種最特征的物理解吸作用過(guò)程，也是頁(yè)巖氣吸附開(kāi)采過(guò)程中最最主要的一種解吸方法。降壓解吸的基本特征是，被吸附在基質(zhì)孔隙內(nèi)表面的甲烷氣體分子由于外界壓力的降低而變得更為活躍，跳出了范德華力的束縛，由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)。

3.2置換解吸

置換解吸的本質(zhì)是未被吸附的其它氣體分子置換處于吸附態(tài)的甲烷分子的位置，從而使原來(lái)呈吸附態(tài)的甲烷分子變?yōu)橛坞x態(tài)。事實(shí)上，置換解吸是“優(yōu)勝劣汰的自然法則”的具體體現(xiàn)，也就是混合氣體的競(jìng)爭(zhēng)吸附。一方面，未被吸附的其它氣體分子，在普遍存在于各種原子、分子之間的范德華力作用下，不停地爭(zhēng)取被吸附的機(jī)會(huì)，以力圖達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；另一方面，氣體分子的熱力學(xué)性質(zhì)決定了這些被吸附的氣體分子在不停地爭(zhēng)脫范德華力束縛，變吸附態(tài)為游離態(tài)。這就是置換解吸的機(jī)理所在。

3.3升溫解吸

現(xiàn)代物理化學(xué)研究表明，吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附量是吸附質(zhì)、吸附劑的性質(zhì)及其相互作用、吸附平衡時(shí)的壓力和溫度的函數(shù)。溫度與吸附量呈負(fù)相關(guān)，與解吸量呈正相關(guān)。這一類型在頁(yè)巖氣甲烷吸附含量測(cè)試實(shí)驗(yàn)中已得到證實(shí)。可以發(fā)現(xiàn)，在頁(yè)巖氣甲烷吸附含量測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)溫度越高時(shí)，其甲烷氣體吸附量越小。

3.4擴(kuò)散解吸

根據(jù)分子擴(kuò)散理論，只要有濃度差存在，就有分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這是氣體分子熱力學(xué)性質(zhì)所決定的。研究表明，甲烷氣體分子之所以能在頁(yè)巖基質(zhì)的孔隙內(nèi)表面得以高度富集，這就與微孔隙、微裂隙內(nèi)流體構(gòu)成高梯度濃度差有關(guān)，這種濃度差迫使甲烷分子擴(kuò)散，從而造成非正常解吸。

總之，頁(yè)巖氣藏中吸附氣的解吸方法很多，目前，詳細(xì)的研究解吸的方法還不多見(jiàn)，也沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可言。

4　結(jié)論與建議

通過(guò)上述對(duì)頁(yè)巖氣吸附量影響因素的探討，不難發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖吸附甲烷量的大小受很多因素的影響。首先是頁(yè)巖中粘土礦物的種類，不同的粘土礦物其甲烷吸附能力大小不同，蒙脫石吸附甲烷的能力最大；其次，頁(yè)巖的比表面和孔徑的大小是甲烷吸附量大小的直接因素，比表面大甲烷吸附量就多；總有機(jī)碳含量（TOC）和有機(jī)成熟度（Ro）間接的影響到甲烷的吸附量，TOC含量越高，頁(yè)巖吸附甲烷的能力越強(qiáng)；另外含水量、孔隙度對(duì)頁(yè)巖氣吸附量都有較大的影響，對(duì)于巖石的潤(rùn)濕性的影響還需要進(jìn)一步研究。最后，還討論了頁(yè)巖氣吸附氣解吸的方法，國(guó)內(nèi)外目前開(kāi)采頁(yè)巖氣的方法主要是靠水力壓裂采用第一種方法，沒(méi)有對(duì)比其他方法的好壞。作者個(gè)人認(rèn)為需要進(jìn)一步研究探索不同的開(kāi)采方法來(lái)評(píng)價(jià)吸附氣采收率的高低，因此哪種方法優(yōu)劣，是頁(yè)巖氣研究學(xué)者們下步研究的內(nèi)容。

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Discuss on the factors of shale gas adsorption and exploitation technology

ZHANG Jian1，LIU Jiangyu2，XUE Jianglong1
（1.Research Institute of Exploration and Development Tarim Oilfield Company PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China；2.Research Institute of Oil&Gas Engineering Tarim Oilfield Company PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China）

Adsorption is one of the important basis to evaluate gas containing of shale reservoir and is an important index for evaluation productivity of shale.There are many influence factors on adsorption capacity because of its particular geological characteristics.Based on lots of literatures，the two main factors are organic geochemical properties and rock physical characteristics of shale reservoir.Organic geochemical properties include thermal maturity，types of organic matter and content of organic carbon.Rock physics characteristics include mineral composition，pore radius，surface area，temperature and pressure.The article also discusses on desorption methods of shale gas，mainly including pressure decreasing desorp－tion，replacement desorption，desorption by heating and diffusion desorption.This article can provide a reference for further study on the adsorption and desorption of shale gas.

shale gas；capacity of absorption；desorption；factor

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.001

TE132.2

A

1673-5285（2015）06-0001-04

2015－04-08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目”，項(xiàng)目編號(hào)：2011ZX05018。