川東南地區五峰-龍馬溪組海相頁巖有機質與粘土礦物吸附能力表征研究

儲亦睿 張婷婷 劉玉霞 范小俊 程 偉

(中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司實驗研究中心,江蘇 225007)

1 頁巖等溫吸附實驗

影響頁巖等溫吸附的因素很多，溫度和壓力是兩個較為明顯的外界因素，國內外學者已做過大量的研究，也取得了較為一致的認識，即在相同壓力下，隨溫度的升高吸附量降低，在相同的溫度下，吸附量隨壓力的升高而升高。頁巖的儲集空間類型及其引起的氣體賦存狀態的差異也是重要的影響因素，但對吸附能力的影響主要體現在有機質和粘土礦物的含量上。

本文選取川東南龍馬溪組四口井(圖1)的頁巖樣品進行X衍射全巖和總有機碳實驗。4口頁巖樣品的全巖結果表明，巖石的礦物組合類型基本一致，主要為粘土礦物和石英，還含有長石、碳酸鹽礦物和黃鐵礦等，其中粘土礦物平均含量均大于30%，有機碳含量均大于2%(圖2)，均屬于優質的黑色頁巖，是理想的等溫吸附實驗樣品。等溫吸附儀器型號為HPVA200高壓等溫吸附儀，吸附氣為甲烷，吸附氣濃度為99.99%，實驗條件所有樣品實驗溫度均為30℃(圖3)，樣品信息見表1。

圖1 區域地質背景圖

圖2 川東南龍馬溪組4口頁巖氣井樣品全巖、TOC及等溫吸附柱狀圖

表1 等溫吸附實驗樣品基本信息

圖3 川東南龍馬溪組4口頁巖氣井樣品等溫吸附散點圖

2 吸附能力定量表征

(1)吸附模型

為對頁巖主要組分的吸附能力進行評價，尤其是對有機質和粘土礦物的吸附能力進行定量表征，本文將頁巖主要組分簡化成有機質、粘土礦物和其它礦物“三組分模型”(表2)。

表2 不同頁巖氣井TOC及礦物成分含量統計

續表

①建立模型的原因：除了有機質和粘土礦物外，頁巖中其他礦物組分的吸附能力較弱且差別不大，因此可將頁巖主要組分簡化成“三組分”。

②模型的應用條件：只適用于單井的同一套地層樣品，在此前提下樣品的溫度、壓力和濕度等條件基本一致，能夠最大排除外界其他因素的干擾。

(2)吸附量

根據下面的“三組分模型”計算公式：

VL1=M有機質1·Q有機質+M粘土礦物1·Q粘土礦物+M其它礦物1·Q其它礦物

VL2=M有機質2·Q有機質+M粘土礦物2·Q粘土礦物+M其它礦物2·Q其它礦物

… … … … …

VLn=M有機質n·Q有機質+M粘土礦物n·Q粘土礦物+M其它礦物n·Q其它礦物

Q有機質>0, Q粘土礦物﹥0 ,Q其它礦物>0

式中，M為實驗測得各成分的含量；Q為各成分(單位質量)吸附氣體能力。

由此得到的有機質和粘土礦物的吸附量見表3。

表3 有機質和粘土礦物的吸附量結果

3 吸附量影響因素分析

(1)有機質吸附量的差異

有機質吸附量的差異主要由有機質孔隙發育程度以及孔隙孔徑分布大小決定(圖4)。有機質孔隙發育程度以及孔隙孔徑分布大小主要受有機質類型、成熟度及孔隙的保存條件影響。PY1井有機質孔隙類型主要為固體瀝青孔為主，少量生物化石孔，SY1、LY1井均以固體瀝青和無定形干酪根孔隙為主。三口井成熟度相當，因而對有機質孔隙發育程度以及孔隙孔徑分布大小影響不大。三口井雖均為常壓頁巖氣井，但壓力系數略有不同，PY1壓力系數為0.96，SY1壓力系數為1.30，LY1壓力系數為1.08。因而影響三口井有機質吸附量的主要為有機質類型及其保存條件。

圖4 有機質吸附量 孔隙度及表面積

有機孔是頁巖儲集空間中最主要的貢獻者，有機質孔隙的發育程度直接影響了孔隙度的大小，統計結果孔隙度與最大吸附量有著較明顯的正相關性；孔徑分布的差異會直接導致比表面積的不同，因而比表面積與最大吸附量也有明顯的正相關性。

(2)粘土礦物吸附量的差異

粘土礦物吸附量的差異由粘土礦物亞類含量上的差異造成的(圖5)，三口井中伊蒙混層的混層比均小于10，在這種情況下伊蒙混層與伊利石的吸附能力基本相當。因此，當伊蒙混層+伊利石含量之和增加時，單位體積下的粘土礦物吸附量隨之增加，即綠泥石含量越低，單位體積下的粘土礦物吸附量越高(圖6)。

圖5 60℃時不同種類粘土礦物的甲烷等溫吸附曲線

圖6 粘土礦物吸附量、及粘土礦物組合類型