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(qū)埋藏較深，經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造熱演化歷史，地層抬升對頁巖含氣性產(chǎn)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(gòu)造抬升作用通過影響頁巖吸附而對頁巖富集成藏產(chǎn)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(nèi)，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(xié)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(qū)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(yù)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(yè)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(shù)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(zhì)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(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，根據(jù)朗格繆爾單分子層吸附原理進行數(shù)據(jù)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(jù)理論吸附數(shù)據(jù)和朗格繆爾房產(chǎn)計算不同埋深溫度和壓力，將不同條件下甲烷的吸附數(shù)據(jù)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(jié)果：通過對實驗結(jié)果統(tǒng)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(guān)的關(guān)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(guān)性。構(gòu)成頁巖微孔隙主要來自于頁巖中的有機質(zhì)，與 TOC密切相關(guān)的微孔隙度是孔隙介質(zhì)的主要組成部分，可以形成大量的內(nèi)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(chǎn)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(guī)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(guān)的關(guān)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(jù)，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(guān)性。結(jié)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(gòu)造抬升作用發(fā)生變化。作者認為，當?shù)販靥荻茸兓淮髸r，地層抬升會導致頁巖吸附能力減小，頁巖產(chǎn)生解吸作用。當?shù)販靥荻仍阶兓酱螅瑝毫μ荻茸兓酱螅貙犹饔镁驮接锌赡軙痦搸r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(guān)系，例如當抬升量過大時，吸附能力表現(xiàn)為減小，反之則增大。

來源出版物：天然氣工業(yè), 2012, 32(9): 5-9

入選年份：2015