儲(chǔ)層溫度和壓力對(duì)頁(yè)巖氣賦存形態(tài)影響

辜思曼，劉洪

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南石油大學(xué)，四川成都610500）

儲(chǔ)層溫度和壓力對(duì)頁(yè)巖氣賦存形態(tài)影響

辜思曼，劉洪

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南石油大學(xué)，四川成都610500）

本文以四川盆地南方海相龍馬溪組頁(yè)巖為研究對(duì)象，考慮頁(yè)巖中吸附相所占孔隙度，分析了不同儲(chǔ)層溫度和壓力下對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層賦存形態(tài)的影響，得出了頁(yè)巖埋藏深度與吸附氣、游離氣和總頁(yè)巖氣。分析結(jié)果表明：頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力增大，頁(yè)巖的吸附能力逐漸減弱，吸附氣量增加趨勢(shì)減小，吸附氣占頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)降低；頁(yè)巖游離氣含量與儲(chǔ)層壓力之間存在正相關(guān)關(guān)系；在低儲(chǔ)層壓力階段，巖氣總儲(chǔ)量隨儲(chǔ)層壓力增加迅速增大，在高儲(chǔ)層壓力階段，頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量隨儲(chǔ)層壓力增加而增大；吸附是放熱過(guò)程，儲(chǔ)層溫度越高，頁(yè)巖儲(chǔ)層對(duì)甲烷的吸附能力降低。隨著儲(chǔ)層溫度增大，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加快，頁(yè)巖的吸附能力減弱，吸附量降低；頁(yè)巖埋深增加，儲(chǔ)層壓力和溫度增大，吸附氣量先增加而后降低，游離氣線(xiàn)性增加，頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量先迅速增大而后逐漸趨于平緩。

南方海相；頁(yè)巖；吸附氣；游離氣；儲(chǔ)層壓力；儲(chǔ)層溫度

頁(yè)巖氣是主要以游離態(tài)和吸附態(tài)存在并富集于泥頁(yè)巖中的非常規(guī)天然氣。游離氣分布于天然裂縫、有機(jī)質(zhì)裂縫和基質(zhì)孔隙中，吸附氣吸附于有機(jī)質(zhì)裂縫表面和粘土顆粒表面，少量的溶解氣溶解于干酪根、瀝青質(zhì)和地層水中［1］。頁(yè)巖氣不同于常規(guī)天然氣，一般吸附氣含量占總氣量的20%～85%［2－4］。進(jìn)行頁(yè)巖氣儲(chǔ)量評(píng)價(jià)，以及采收率計(jì)算，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中賦存形態(tài)。巖心分析表明，頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要以微孔隙和中孔隙為主，一般孔徑為2 nm～100 nm。因此，頁(yè)巖基質(zhì)有巨大的比表面積，特別是有機(jī)質(zhì)基質(zhì)中微裂縫發(fā)育，以吸附的形式保存大量的天然氣。頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量越大，頁(yè)巖的含頁(yè)巖氣量就越高［5-8］，巖石生烴后，形成大量的有機(jī)質(zhì)孔隙和微裂縫，吸附天然氣的能力增強(qiáng)［9-10］。在多期構(gòu)造演化和抬升剝蝕背景下，四川盆地南方海相頁(yè)巖龍馬溪組儲(chǔ)層埋深700 m～3 600 m，在不同的區(qū)塊，儲(chǔ)層溫度和壓力的差異較大，從而導(dǎo)致游離氣、吸附氣和頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量變化較大。

本文利用Ambrose等提出的頁(yè)巖基質(zhì)模型［11］，除去吸附相所占的孔隙體積，分析了不同儲(chǔ)層溫度和壓力下游離氣、吸附氣和總儲(chǔ)量的影響，得到了不同埋藏深度下頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中的賦存狀態(tài)，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量評(píng)價(jià)以及頁(yè)巖氣開(kāi)采具有重要指導(dǎo)意義。

1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)量計(jì)算

Ambrose等提出的頁(yè)巖基質(zhì)模型（見(jiàn)圖1），從圖1中可以看出，在地層條件下，富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖納米孔隙和微裂縫中有一部分空間被吸附氣占據(jù)，采用傳統(tǒng)的體積法計(jì)算巖樣游離氣含量，往往得到的游離氣含量偏大。因此，應(yīng)該除去吸附相所占的空間體積，利用等溫吸附實(shí)驗(yàn)將溶解氣和吸附氣統(tǒng)一計(jì)算。頁(yè)巖儲(chǔ)層總氣量計(jì)算見(jiàn)公式（1）。

式中：G-頁(yè)巖總儲(chǔ)量，cm3/g；Gf-游離氣量，cm3/g；Ga-吸附氣量，cm3/g。

受有機(jī)質(zhì)孔隙表面的影響，頁(yè)巖小孔隙和毛管束裂縫中的氣體非常稀薄，這表明吸附相和游離相氣體密度不同［17］。對(duì)吸附相密度已做了許多研究：Menon等（1968）認(rèn)為吸附相的密度等于液體的密度［12］。Ming等（2003）發(fā)現(xiàn)吸附相密度隨溫度變化而改變［13］。Robert C等通過(guò)蒙特卡洛法模擬甲烷在不同孔徑吸附量，得到不同溫度和壓力條件下的吸附相密度（見(jiàn)圖2）［7］。

圖1 頁(yè)巖基質(zhì)模型（Ambrose等，2010）

圖2 吸附相密度（Robert C，2011）

式中：Φa-吸附相孔隙度；ρs-吸附相密度，g/cm3；ρb-頁(yè)巖巖石密度，g/cm3；M-氣體分子摩爾質(zhì)量，g/mol；a= 4.654×10-5mol/cm3。

式中：Φ-頁(yè)巖孔隙度；Bg-頁(yè)巖氣體積系數(shù)。

在不同溫度和壓力條件下，甲烷體積系數(shù)值不一致。數(shù)值化Standing-Katz圖版，得到不同溫度和壓力下甲烷氣體的偏差因子。由公式（4）得到不同溫度和壓力條件下的甲烷氣體體積系數(shù)。

式中：ZSC-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷偏差系數(shù)；TSC-地面標(biāo)準(zhǔn)溫度，293.15 K；pSC-地面標(biāo)準(zhǔn)壓力，0.101 MPa；Z-實(shí)驗(yàn)溫度、壓力條件下的甲烷偏差系數(shù)；T-實(shí)驗(yàn)溫度，K；p-實(shí)驗(yàn)壓力，MPa。

將公式（3）代入公式（4）得到公式（5）：

2 實(shí)例計(jì)算

四川盆地南方海相頁(yè)巖志留系龍馬溪組儲(chǔ)層埋深700 m～3 600 m，頁(yè)巖巖樣滲透率為3.44×10-5mD～0.310 3 mD，平均滲透率為0.008 1 mD，平均孔隙度為6%，TOC值為0.25%～5.4%，平均為2.54%，熱成熟度為1.1%～3.5%，比表面為9.54 m2/g～20.47 m2/g，平均孔徑3 nm～10 nm，儲(chǔ)層壓力系數(shù)1.2，地溫梯度2℃/100 m。

表1 不同溫度等溫吸附參數(shù)

頁(yè)巖儲(chǔ)層游離氣量（見(jiàn)圖3），從圖3中可以看出，頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力越大，游離氣含量也越大，頁(yè)巖游離氣含量與儲(chǔ)層壓力之間存在正相關(guān)關(guān)系。

圖3 游離氣量

頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量（見(jiàn)圖4），從圖4中可以看出，當(dāng)儲(chǔ)層壓力小于3 MPa時(shí)，頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量隨儲(chǔ)層壓力增加迅速增大，該階段吸附氣增量占主要作用。在壓力較低的情況下，頁(yè)巖氣需要突破較高的結(jié)合能才可吸附于孔隙和微裂縫表面上，隨著儲(chǔ)層壓力不斷增大，結(jié)合能不斷降低，頁(yè)巖氣的吸附量也隨之增加［14］；當(dāng)儲(chǔ)層壓力大于3 MPa時(shí)，頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量隨儲(chǔ)層壓力增加而線(xiàn)性增大，該階段游離氣增量占主要作用。隨著儲(chǔ)層壓力繼續(xù)增加，氣體分子運(yùn)動(dòng)速度加快，降低了頁(yè)巖氣的吸附能力，吸附氣量增加趨勢(shì)逐漸平緩［14］，而游離氣隨著儲(chǔ)層壓力增加線(xiàn)性增大，頁(yè)巖儲(chǔ)層總氣量增大。

圖4 頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量

吸附氣占總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)（見(jiàn)圖5），從圖5中可以看出，隨著儲(chǔ)層壓力的增大，頁(yè)巖的吸附能力逐漸減弱，吸附氣量增加趨勢(shì)減小，吸附氣占頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)降低。

游離氣占總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)（見(jiàn)圖6），從圖6中可以看出，儲(chǔ)層壓力增大，游離氣占總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)逐漸增加，游離氣能達(dá)到80%。

圖5 吸附氣占總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)

圖6 游離氣占總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)

儲(chǔ)層溫度由20℃增大到40℃時(shí)，吸附氣占總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)平均減少了2%，但當(dāng)儲(chǔ)層溫度從40℃增大到60℃時(shí)，吸附氣占總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)平均降低了15%。吸附是放熱過(guò)程，儲(chǔ)層溫度越高，頁(yè)巖儲(chǔ)層對(duì)甲烷的吸附能力降低，儲(chǔ)層溫度增大，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加快，頁(yè)巖的吸附能力減弱，吸附量降低。

頁(yè)巖氣賦存與儲(chǔ)層深度關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖7），從圖7中可以看出，隨著頁(yè)巖儲(chǔ)層深度的增加，游離氣量線(xiàn)性增加，而吸附氣量先迅速增大，隨著儲(chǔ)層深度繼續(xù)增大，吸附氣量降低。頁(yè)巖儲(chǔ)層深度較淺時(shí)，隨著儲(chǔ)層深度增大，儲(chǔ)層壓力增大導(dǎo)致吸附氣量迅速增加，頁(yè)巖氣總量迅速增大；頁(yè)巖氣體賦存形式會(huì)隨頁(yè)巖儲(chǔ)層沉積環(huán)境的變化發(fā)生轉(zhuǎn)化，當(dāng)頁(yè)巖儲(chǔ)層深度繼續(xù)增加，溫度升高導(dǎo)致吸附氣量減少，游離氣量增加［14］，頁(yè)巖氣總量緩慢增加。當(dāng)頁(yè)巖埋深為1 100 m左右時(shí)，吸附氣和游離氣量各占頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量的50%。

圖7 頁(yè)巖氣賦存與儲(chǔ)層深度關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié)論

（1）頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力越大，游離氣含量也越大，頁(yè)巖游離氣含量與儲(chǔ)層壓力之間存在正相關(guān)關(guān)系。

（2）當(dāng)儲(chǔ)層壓力小于3 MPa時(shí)，頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量隨儲(chǔ)層壓力增加迅速增大；當(dāng)儲(chǔ)層壓力大于3 MPa時(shí)，頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量隨儲(chǔ)層壓力增加而線(xiàn)性增大。

（3）隨著儲(chǔ)層壓力的增大，頁(yè)巖的吸附能力逐漸減弱，吸附氣量增加趨勢(shì)減小，吸附氣占頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)降低，游離氣占頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量的百分?jǐn)?shù)增加。

（4）吸附是放熱過(guò)程，儲(chǔ)層溫度越高，頁(yè)巖儲(chǔ)層對(duì)甲烷的吸附能力降低；隨著儲(chǔ)層溫度增大，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加快，頁(yè)巖的吸附能力減弱，吸附量降低。

（5）頁(yè)巖埋深增加，儲(chǔ)層壓力和溫度增大，吸附氣量迅速先增加而后降低，游離氣持續(xù)增加，頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量先迅速增大而后增量逐漸趨于平緩。

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Impact of reservoir temperature and pressure on shale gas occurrence form

GU Siman，LIU Hong
（State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

This paper take the Longmaxi shale paly in the southern marine of Sichuan basin as research objects，and analyze the shale gas occurrence under the different reservoir temperature and reservoir pressure in consideration of the pore volume in shale through the methane experiment.The study shows that when the pressure of shale layer increase，the adsorption capacity of the shale becomes gradually slow，and the percentage of the adsorption gas reduces.This is consistent with the relation between free gas and the reservoir pressure. In stage of low reservoir pressure，total reserves of shale gas quickly increases for the increasing of reservoir pressure.When the reservoir pressure is higher than 3 MPa，shale gas total reserves show an obvious positive correlation with the reservoir pressure.Adsorption is exothermic process，the higher the temperature of reservoir，the lower methane adsorption capacity of shale reservoirs.With the reservoir temperature increasing，gas molecular thermal motion accelerates，and shale adsorption capacity decreases.With shale buried depth in－creasing，the reservoir pressure and temperature increase，and the adsorption volume first increases and then reduces，and free gas increases linearly，and shale gas reserves increases at first and then gradually flatten out.

southern marine；shale；sorbed gas；gree gas；reservoir pressure；reservoir temperature

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.08.004

TE132.2

A

1673-5285（2015）08-0013-04

2015－06-25

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃），項(xiàng)目編號(hào)：2013CB228000。

辜思曼，女（1988-），助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事非常規(guī)儲(chǔ)存物性分析研究工作，郵箱：602427489@qq.com。