秦曉艷
(西北大學地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗,陜西 西安 710069)
鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)張家灘頁巖吸附能力及影響因素研究
秦曉艷
(西北大學地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗,陜西 西安 710069)
[摘要]吸附是頁巖氣的主要賦存方式,吸附氣評價是頁巖含氣性評價和資源潛力評價的一項關鍵內(nèi)容,對頁巖氣的有效開發(fā)具有重要意義。針對陸相強非均質(zhì)性頁巖吸附氣評價的問題,通過對鄂爾多斯盆地東南部下寺灣地區(qū)Y2井的張家灘頁巖不同巖性巖心開展等溫吸附實驗,對測試結(jié)果進行自由體積轉(zhuǎn)換,開展頁巖不同壓力下吸附特征研究,獲得了張家灘頁巖吸附能力的客觀認識,當壓力較小時,吸附能力隨著壓力增加顯著加大,當壓力較大時,吸附能力基本不再隨壓力變化。根據(jù)實驗獲得的吸附常數(shù)可以預測地層條件下頁巖的最大吸附氣含量。以此為基礎結(jié)合平行巖樣的地化等實驗分析數(shù)據(jù),開展張家灘頁巖吸附能力影響因素分析,明確了有機碳量、粘土礦物含量和孔隙度是影響吸附能力的主控因素。
[關鍵詞]下寺灣地區(qū);頁巖氣;等溫吸附;吸附能力;吸附氣含量;主控因素
近年來伴隨著頁巖氣技術的發(fā)展[1-2],富有機質(zhì)的泥頁巖層段逐漸成為人們關注的重點。以游離態(tài)賦存于孔隙和微裂縫中的游離氣和以吸附態(tài)賦存于有機質(zhì)和粘土顆粒表面的吸附氣是頁巖氣的主要組成部分,目前國內(nèi)外學者普遍認為泥頁巖中吸附氣含量占總含氣量的40%以上[3]。因富有機質(zhì)頁巖層系中發(fā)育的大量納米級孔隙,具有較大的比表面積和較強的吸附勢能,可吸附大量的甲烷氣體。因此,吸附氣含量評價是頁巖含氣性評價必需的基本參數(shù),也是頁巖氣資源潛力評價的一項關鍵內(nèi)容,對頁巖氣藏的有效開發(fā)具有重要意義[4-6]。
眾多學者通過石油地質(zhì)和頁巖氣形成地質(zhì)條件分析,認為鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段的陸相張家灘頁巖的頁巖氣資源條件較好。但張家灘頁巖由于沉積期環(huán)境頻繁交替變化導致其層系內(nèi)大量發(fā)育泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等巖性層理,具有巖性非均質(zhì)性強的特點[7]。針對陸相強非均質(zhì)性頁巖吸附氣評價的問題,本文通過對鄂爾多斯盆地東南部下寺灣地區(qū)Y2井張家灘頁巖不同巖性的巖心進行等溫吸附實驗,分別測定其吸附氣含量,以此為基礎開展張家灘頁巖吸附能力分析工作,并通過有機質(zhì)、熱演化參數(shù)、粘土礦物等頁巖吸附能力的單因素分析,明確影響張家灘頁巖吸附能力的主控因素。
1地質(zhì)背景
研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中南部下寺灣地區(qū),面積約4 000 km2(圖1),晚三疊世長7期靠近湖盆中心區(qū)域,沉積了一套分布穩(wěn)定、厚度大、有機質(zhì)豐度高的陸相泥頁巖-張家灘頁巖,頁巖氣資源條件較好,其半深湖-深湖相富有機質(zhì)暗色泥頁巖為頁巖氣有利的生氣層和儲集層。2011年4月在延長石油在下寺灣地區(qū)完鉆的柳評177井在張家灘頁巖段,壓裂測試成功出氣,成為國內(nèi)第一口陸相頁巖氣井,由此啟動了延安國家級陸相頁巖氣示范區(qū)建設,預示了下寺灣地區(qū)較好的頁巖氣資源前景。
圖1 頁巖氣研究區(qū)位置
2等溫吸附測試
甲烷的等溫吸附試驗是評價含氣頁巖吸附氣含量的常用手段之一[8-9]。在恒溫條件下,通過模擬樣品的吸附特征和吸附量,測試不同壓力下對甲烷氣體的吸附量,根據(jù)測試的不同壓力點和測試吸附氣量繪制出吸附等溫曲線,由此可建立吸附氣含量與壓力、溫度的關系模型[10]。
將下寺灣地區(qū)Y2井8塊不同巖性的張家灘頁巖樣品粉碎至80目以下,于密封容器中,30℃條件下,利用純度99.99%的甲烷氣體,進行不同壓力條件下的吸附試驗,共測定8個壓力點,最大壓力約16 MPa,測試達到吸附平衡時所吸附的甲烷氣體的體積,實驗直接測定結(jié)果在經(jīng)過自由體積轉(zhuǎn)換后,可得到頁巖樣品的實際吸附氣量(圖2)。
圖2 下寺灣地區(qū)Y2井延長組長7段張家灘
3吸附能力分析
通常采用Langmuir模型來描述實驗樣品的吸附特征,Langmuir理論模型認為頁巖中有機質(zhì)和粘土礦物對天然氣的吸附力為范德華力,吸附穩(wěn)定性差,易解吸,屬于單分子層物理吸附。根據(jù)該理論(Langmuir,1916),在恒溫條件下,頁巖吸附氣量是壓力的函數(shù),吸附氣量的大小與壓力值呈非線性關系,單位壓力下的吸附氣量大小與壓力值呈線性關系,關系表達式為:
式中:V吸為頁巖吸附氣含量(m3/t);VL為Langmuir體積(m3/t);b為吸附系數(shù);P為實驗壓力(MPa);PL為Langmuir壓力(MPa)。
根據(jù)Y2井巖樣的等溫吸附實驗結(jié)果,由圖2可知,當壓力較小,小于10 MPa時,吸附較弱,不同巖性的頁巖甲烷吸附氣含量與實驗壓力呈非線性關系,隨壓力的增加顯著加大;當頁巖甲烷吸附壓力大于15 MPa,吸附較強,吸附達到飽和,此時吸附量基本不再隨壓力明顯增加。其中,頁巖巖樣的甲烷最大吸附量在1.99~2.57 cm3/g之間,變化不大。含粉砂質(zhì)較多的頁巖巖樣,氣體吸附量越小,甲烷最大吸附氣量在0.81~1.52 cm3/g之間,變化范圍較大。
根據(jù)等溫吸附實驗可獲得表征泥頁巖吸附特性的吸附常數(shù):VL和PL,結(jié)合實際地層壓力,利用上式可以預測出地層條件下實際巖層的最大吸附氣含量。通過等溫吸附所得到的吸附氣含量數(shù)值可能會比實際含氣量數(shù)值偏,需再根據(jù)頁巖氣的具體保存條件校正結(jié)果。
4吸附氣含量的影響因素
以上基于等溫吸附實驗的吸附氣含量預測方法,是將頁巖地層視為均質(zhì)地層對待得到的評價模型。但下寺灣地區(qū)張家灘陸相頁巖的巖性非均質(zhì)性非常強,吸附作用作為頁巖氣聚集成藏的重要作用,其吸附能力實際受控于多種地質(zhì)因素,因此通過分別建立吸附氣含量與頁巖地化、儲層等相關地質(zhì)因素的關系,開展分析研究可以明確張家灘頁巖吸附能力的主要影響因素,可為有效預測強非均質(zhì)性陸相頁巖地層的吸附氣含量提供依據(jù)。
4.1吸附氣含量與有機碳的關系
頁巖中的分散有機質(zhì)富含納米級微孔隙,是甲烷吸附的主要空間之一[11]。而頁巖有機質(zhì)與有機碳含量密切相關。從圖3可以看出,在相同溫度和壓力條件下,Y2井長7段張家灘頁巖隨著有機碳含量的增大,甲烷吸附量呈線性增大,相關性很好,相關系數(shù)為0.624 1,顯示吸附能力與有機質(zhì)含量關系密切。
4.2吸附氣含量與成熟度的關系
由于Y2井等溫吸附樣品中,僅一個樣測試了成熟度的光學指標-鏡質(zhì)體反射率R0,因此無法客觀研究兩者的相關性。但根據(jù)平行樣的熱解數(shù)據(jù),利用成熟度的化學指標-熱解最高峰溫Tmax,可間接研究兩者的關系。等溫吸附試驗樣品的Tmax分布在430℃~457℃,屬于已成熟。從Tmax與吸附氣含量相關性研究結(jié)果(圖4)來看,吸附氣含量受成熟度影響并不明顯,兩者相關性很弱。
圖4 下寺灣地區(qū)張家灘頁巖吸附氣量與熱解最高峰溫的關系
4.3吸附氣含量與礦物組成的關系
通過Y2井頁巖等溫吸附試驗巖樣的平行樣XRD測試,可見隨著粘土礦物含量的增加,吸附氣含量增多,相關性很強,相關系數(shù)為0.655 2(圖5),因為粘土礦物的比表面積較大[12],而與之相反,石英、長石等礦物的比表面積較小,因此隨著其含量增加,吸附氣含量減少。
4.4吸附氣含量與孔隙度的關系
從圖6可以看出,Y2井長7段張家灘頁巖吸附氣含量與孔隙度之間具有較好的正相關關系,相關系數(shù)為0.668 4。這是因為頁巖中較高的孔隙度,提供了較大的比表面,提高了巖樣吸附氣體的能力。
圖5 下寺灣地區(qū)張家灘頁巖吸附氣量與粘土礦物的關系
圖6 下寺灣地區(qū)張家灘頁巖吸附氣量與孔隙度的關系
圖7 下寺灣地區(qū)張家灘頁巖吸附氣量與粘土礦物含量的關系
圖8 下寺灣地區(qū)張家灘頁巖吸附氣量與粘土礦物含量的關系
4.5吸附氣含量與密度的關系
從圖7可以看出,Y2井長7段張家灘頁巖的吸附氣含量與密度之間呈負相關關系,相關系數(shù)為0.501 6。由于頁巖中有機質(zhì)屬于輕組分,密度小于巖石骨架,認為巖樣密度減小,可能是由于頁巖的有機質(zhì)含量和孔隙度越大引起,因而吸附氣含量越大。
4.6吸附量與濕度的關系
國外頁巖氣的勘探開發(fā)實踐表明,頁巖氣產(chǎn)量較高的區(qū)域頁巖的含水飽和度通常較小。Y2井長7段張家灘頁巖的實驗結(jié)果分析也印證了這一點,由圖8可見,頁巖的吸附氣量與巖樣的含水飽和度呈負相關,相關系數(shù)為0.246 2。
通過以上30℃條件下,Y2井張家灘頁巖等溫吸附實驗獲得的吸附氣含量與各地質(zhì)因素之間的相關性分析可以初步得出下寺灣地區(qū)頁巖吸附氣含量的主要影響因素為有機碳含量、粘土礦物含量、孔隙度。
5結(jié)語
(1)張家灘陸相頁巖的等溫吸附實驗表明,在溫度一定的條件下,當壓力較小時,吸附較弱,吸附能力隨著壓力增加顯著加大;當壓力較大時,吸附較強,吸附量基本不再隨壓力變化。
(2)張家灘陸相頁巖的甲烷最大吸附量在1.99~2.57 cm3/g之間,含粉砂質(zhì)較多的頁巖,甲烷最大吸附氣量在0.81~1.52cm3/g之間,隨著粉砂含量增加,氣體吸附能力減小。
(3)吸附氣含量預測模型的關鍵是對頁巖吸附能力進行評價,影響泥頁巖吸附能力的因素很多,其中較為重要的影響因素為有機碳含量、粘土礦物含量和孔隙度。
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[收稿日期]2016-02-24
[作者簡介]秦曉艷(1984-),女,貴州思南人,在讀博士研究生,主要從事油氣藏儲層地質(zhì)研究。
[中圖分類號]P641.2
[文獻標識碼]A
[文章編號]1004-1184(2016)03-0261-03