中國(guó)南方海相頁(yè)巖吸附特征及其影響因素

劉洪林，王紅巖

目的：我國(guó)南方古生界頁(yè)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(duì)頁(yè)巖含氣性產(chǎn)生了直接影響，尤其對(duì)頁(yè)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(jìn)行吸附能力測(cè)試，探討了溫度、總有機(jī)碳對(duì)頁(yè)巖吸附能力的影響，并認(rèn)為構(gòu)造抬升作用通過(guò)影響頁(yè)巖吸附而對(duì)頁(yè)巖富集成藏產(chǎn)生重要影響。方法：實(shí)驗(yàn)采用高壓氣體等溫吸附/解吸儀進(jìn)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(shí)驗(yàn)要求將樣品破碎到小于60目（0.25 mm）。為模擬頁(yè)巖的儲(chǔ)層條件，實(shí)驗(yàn)將采用美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）所推薦的標(biāo)準(zhǔn)，即在儲(chǔ)層溫度和平衡水含量條件下進(jìn)行氣體吸附實(shí)驗(yàn)。研究選取我國(guó)南方海相露頭區(qū)龍馬溪組鉆井取心 13個(gè)樣品進(jìn)行 30℃、60℃、90℃和 120℃條件下等溫吸附實(shí)驗(yàn)。首先將樣品稱重（約100 g），精確到0.2 mg；再把預(yù)濕頁(yè)巖樣品放人裝有過(guò)飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，該溶液可以使相對(duì)濕度保持在 96%～97%之間；48 h后樣品即被全部濕潤(rùn)，間隔一定時(shí)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(yè)巖樣水平衡時(shí)吸附水分含量之和。實(shí)驗(yàn)最高壓力為12 MPa時(shí)，實(shí)驗(yàn)壓力點(diǎn)數(shù)一般為8個(gè)，每個(gè)壓力點(diǎn)的吸附平衡時(shí)間一般大于12 h；吸附介質(zhì)為甲烷氣體，純度為99.99%；實(shí)驗(yàn)溫度恒定。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄下不同時(shí)間樣品缸和參考缸的溫度和壓力數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)朗格繆爾單分子層吸附原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算朗格繆爾體積和朗格繆爾壓力，并擬合后獲得所測(cè)量頁(yè)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(jì)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(biāo)系中并成圖，以此來(lái)反映地層抬升過(guò)程中頁(yè)巖吸附能力和含氣飽和度的變化。結(jié)果：通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(shì)，中國(guó)南方海相頁(yè)巖的吸附能力與總有機(jī)碳成正相關(guān)的關(guān)系。頁(yè)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(yè)巖微孔隙主要來(lái)自于頁(yè)巖中的有機(jī)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(yè)巖樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為頁(yè)巖儲(chǔ)層在不同的埋深儲(chǔ)層溫度有一定的變化，對(duì)頁(yè)巖氣吸附性能產(chǎn)生不同的的影響，隨著溫度的升高，頁(yè)巖的最大吸附量呈逐漸減少的規(guī)律。黑色泥頁(yè)巖樣品實(shí)驗(yàn)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(fù)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(yè)巖的孔隙空間被占據(jù)，造成甲烷吸附量的降低。在頁(yè)巖 TOC含量基本相似的條件下，頁(yè)巖吸附量與黏土礦物成分高低無(wú)明顯相關(guān)性。結(jié)論：作者研究認(rèn)為中國(guó)南方海相頁(yè)巖都具有一定的吸附能力，同時(shí)認(rèn)為有機(jī)碳含量、溫度和壓力是影響頁(yè)巖氣吸附能力的主要因素。頁(yè)巖吸附能力和實(shí)際吸附量會(huì)隨著構(gòu)造抬升作用發(fā)生變化。作者認(rèn)為，當(dāng)?shù)販靥荻茸兓淮髸r(shí)，地層抬升會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖吸附能力減小，頁(yè)巖產(chǎn)生解吸作用。當(dāng)?shù)販靥荻仍阶兓酱?，壓力梯度變化越大，地層抬升作用就越有可能?huì)引起頁(yè)巖吸附能力的增加，從而導(dǎo)致頁(yè)巖含氣飽和度降低。作者認(rèn)為地層抬升量的大小與頁(yè)巖吸附能力的變化具有一定的關(guān)系，例如當(dāng)抬升量過(guò)大時(shí)，吸附能力表現(xiàn)為減小，反之則增大。

來(lái)源出版物：天然氣工業(yè), 2012, 32(9): 5-9

入選年份：2015