頁巖氣實驗測試技術進展

聶全新，程麗婭，黃勤，王金云，陶文靖

(1安徽省地質測繪技術院， 安徽合肥 230022;2安徽省地質實驗研究所， 安徽合肥 230001)

0 引言

隨著人類自身的進步與科技發展，自然資源成為制約社會與經濟發展和科技進步的關鍵性要素。特別是在油、氣、煤這三種人類主要的化石能源快速消耗和緊缺的情況下，對非常規油氣資源的開發和利用已成為人類社會發展和經濟增長的必然途徑[3]，頁巖油、頁巖氣、煤層氣和可燃冰等都成為人類下一步可利用資源的可選項。頁巖氣是連續生成的生物化學作用氣、熱裂解作用氣或兩者的混合氣，部分被干酪根和黏土顆粒在表面上吸附存在、大部分在頁巖空隙和天然裂縫中游離方式存在、很少部分會在干酪根和瀝青質中以溶解狀態存在。在成藏及分布上具有運移距離短、多種封閉機理、聚集成藏隱蔽、地層飽含氣等地質特殊性[5]。它與常規天然氣藏最顯著的區別是：它是一個自給的系統，頁巖既是烴源巖，又是儲層封蓋巖[4]。頁巖的巖性特征變化和裂縫發育狀況對頁巖氣藏中天然氣的賦存特征和分布規律具有控制作用[6]。要實現頁巖氣資源的勘探開發和利用，頁巖氣的實驗測試技術非常關鍵，頁巖的地球化學、物性和含氣量等參數直接與頁巖氣成藏及氣藏相關。目前常規油氣資源的實驗測試方法并不完全適用于頁巖氣，本文針對這種現狀，結合前人已有的研究成果，對目前頁巖氣實驗測試技術進行綜述，為頁巖氣實驗測試提供一定的參考。

1 頁巖氣的地球化學實驗技術

1.1 有機質的豐度

有機質豐度是頁巖中有機質的數量，既是頁巖生成氣體的物質基礎，決定著巖石的產氣能力，同時作為頁巖吸附氣體的物質之一，決定頁巖的吸附氣量能力，還是頁巖間隙豐富的重要因素，影響游離氣的儲存[7]。烴源巖有機質豐度常以總有機碳含量、氯仿可溶有機質（A）和總烴（HC）含量來表達。在SY/T 7550-2004 《原油中蠟、膠質、瀝青質含量測定法》[14]中采用正庚烷回流法測定瀝青質含量，而烴源巖石的熱解烴則采用熱解氣相色譜，根據熱蒸發烴、熱解烴圖形特征、熱解產物譜峰特征和各類烴的相對質量分數進行分析。總有機碳直接引用了GB/T19145-2003沉積巖中總有機碳的測定[15]。

1.2 有機質的類型

有機質的類型是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數，也是烴源巖的質量指標之一，這與原始有機母源輸入及其保存條件密切相關。因此，對烴源巖成烴母質類型的研究不僅是評價烴源巖生烴能力及其質量所需，而且對追溯生源及其保存環境也有重要意義[8]。其評價指標通常以干酪根類型、烴源巖熱解、有機元素含量來表示。干酪根類型研究的常用方法有光學法、化學元素分析法、熱解法和紅外光譜法等。 SY/T 5125-1996《透射光-熒光干酪根顯微組分鑒定及類型劃分方法》[16]中利用具有投射光和落射光功能的生物顯微鏡，對干酪根的顯微組分進行鑒定，從而確定干酪根類型。GB/T18602-2012《巖石熱解分析》[17]中利用巖石熱解分析儀，測定熱解參數，確定干酪根類型。GB/T19143-2017 《巖石有機質中碳、氫、氧元素分析方法》[18]中采用元素分析儀測定樣品有機質中碳、氫、氧元素，判斷有機質的類型。

1.3 有機質的成熟度

有機質豐度和類型是油氣生成的物質基礎，而有機質的熱演化程度影響著生烴的能力[9]，因此，成熟度是衡量烴源巖能否生烴的重要參數。可以用有機地球化學指標表示，如生物標志化合物的構型變化，有機質的化學組成和結構的變化，參數有：鏡質組反射率（RO）、瀝青和無定型體反射率、海相鏡質組反射率；熱解成熟度參數：產率指數（S1/（S1+S2））、巖石熱解最高峰溫度（Tmax）。但應用最多的還是鏡質組反射率 。SY/T5124-2012《沉積巖中鏡質組反射率測定方法》[19]中通過顯微光度計測定鏡質組拋光面的反射光強度與垂直入射光強度的百分比值來獲得。

2 頁巖氣的儲存表征技術

2.1 頁巖中礦物組成的分析

頁巖通常被定義為“細粒的碎屑沉積巖”，在結構、構造和礦物組成上多種多樣。礦物組成主要是黏土礦物、陸源碎屑（石英、長石等）等以及其他礦物（碳酸鹽巖、黃鐵礦和硫酸鹽等），由于礦物結構、力學性質的不同，所以礦物的相對含量會直接影響頁巖的巖石力學性質、物性、對氣體的吸附能力以及頁巖氣的產能。SY/T5163-1995 《沉積巖黏土礦物相對含量X射線衍射分析方法》[20]中利用X射線衍射法（XRD）對頁巖進行全巖礦物組分和黏土礦物的分析。

2.2 頁巖孔隙度和滲透率測定

孔隙是天然氣賴以存在的空間，其容積的大小對于頁巖氣的儲量及富集程度有極大影響。頁巖中孔隙的來源：①原生孔隙；②有機質熱裂解生氣后產生的孔隙；③未被膠結的微裂縫；④超壓保存的孔隙[10]。測定孔隙度的傳統方法是利用巖芯，通過氦置換法和汞置換法直接在實驗室進行測定 。SY/T6103-2004 《巖石孔隙結構特征的測定 圖像分析法》[21]中利用偏光顯微鏡觀察巖石孔隙結；SY/T5162-2014 《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》[22]中利用掃描電鏡觀察泥頁巖的微孔隙和微裂縫；SY/T6385-2016 《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》[23]中利用覆壓孔滲儀，在模擬地層覆壓條件下，測量巖芯樣品的克氏滲透率，以及測量巖芯樣品的孔隙體積和孔隙度。

3 頁巖含氣量測試技術

頁巖含氣量對巖石含氣性評價、資源儲量預測具有重要意義，決定了該地區有無頁巖氣，以及有無工業開采價值。頁巖氣含量的測量一是參照煤層氣的測量方法，結合頁巖的特性測定獲得巖芯的游離和吸附氣量，加上模擬計算巖芯取出期間的逸散氣量[11]；二是測定頁巖理論上最大吸附氣量來表示。

3.1 解吸法

解吸法測得的頁巖含氣量由解吸氣量、殘余氣量、逸散氣量三個部分組成。GB/T19959-2008 《煤層氣含量測定方法》[24]中，解吸氣量就是頁巖巖芯自然解吸出來的氣體含量；有解吸曲線模擬計算出鉆頭遇頁巖層后到巖樣備裝入樣品解吸罐密封之前可能的逸散氣量；解吸后的巖芯粉碎測定可能的殘余氣量。在實際工作中，根據巖石特性和解吸溫度判定殘余氣量測定與否。

3.2 等溫吸附法

等溫吸附法是通過頁巖樣品的等溫吸附實驗來模擬頁巖的吸附過程，從而得到頁巖的含氣量[12]。由此評價頁巖的吸附能力、臨界解吸壓力和在持續生產或壓力釋放造成的氣藏壓力不斷下降時，評價無束縛氣體資源[13]。SY/T6132-2013 《煤巖中甲烷等溫吸附測定》[25]和GB/T 19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》[26]測定巖石樣品在相同溫度、不同壓力條件下達到吸附平衡時所吸附的甲烷氣體的體積。

4 結語

頁巖氣的勘探開發涉及的技術非常廣泛，無論是烴源巖潛力的評價，還是頁巖氣儲量計算和開發，頁巖氣的實驗測試技術均至關重要。本文在查閱大量文獻的基礎上，圍繞頁巖有機地球化學特征、頁巖巖石學相關參數和頁巖含氣量測定，對頁巖的有機質含量、干酪根類型、有機質成熟度等生

油、生氣關鍵指標的地球化學特征分析，頁巖礦物組成、孔隙度和滲透率測定等儲層表征技術，以及頁巖含氣量測試技術進行了概述。大量文獻表明：通過獲得的總有機碳含量、干酪根類型鏡質組反射率、礦物組成、孔隙度、滲透率、含氣量等參數，對評估頁巖的產氣能力、儲集氣能力以及可開采性提供重要的技術支撐。