李陽陽，羅良，張民康，劉佳潤

1 中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院；2 中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院

0 前 言

2000年以來，頁巖油氣已逐漸成為全球油氣勘探開發(fā)的重要方向之一。中國具有豐富的頁巖油氣資源，頁巖層系油氣也是當(dāng)前勘探開發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域，已相繼建成多個(gè)國家頁巖氣示范區(qū)。隨著儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、勘探力量與資金的進(jìn)一步投入，中國頁巖氣資源的開采必將迎來蓬勃發(fā)展的局面。

頁巖氣是主要以吸附或游離方式存在于泥頁巖中的天然氣，具有成因類型多樣、儲(chǔ)集空間致密的特征，且其源巖層和儲(chǔ)層為同一套富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系，表現(xiàn)為典型的自生自儲(chǔ)成藏模式［1］。游離氣是存在于孔隙和裂縫空間內(nèi)的天然氣；吸附于有機(jī)質(zhì)和黏土顆粒表面的為吸附氣；溶解氣則溶解于水、瀝青質(zhì)和液態(tài)原油中［2］。泥頁巖中溶解氣占比相對(duì)較低，主要以游離氣和吸附氣形式存在，學(xué)者也往往將二者的含量總和作為總含氣量［3］。泥頁巖含氣量的確定是進(jìn)行資源量精確評(píng)估和勘探開發(fā)工作的必要步驟，主要通過現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)試和等溫吸附實(shí)驗(yàn)兩種手段獲得，需要注意的是后者得到的吸附氣含量是泥頁巖理論的極限值，一般大于其實(shí)測(cè)值。

諸多學(xué)者已針對(duì)泥頁巖吸附能力的影響因素進(jìn)行了大量研究和實(shí)驗(yàn)分析?，F(xiàn)有的研究大多從陸相、海相等單一沉積相角度分析泥頁巖吸附能力特征及其影響因素。然而，不同沉積環(huán)境下形成的泥頁巖發(fā)育特征具有差別，其對(duì)應(yīng)的吸附氣體能力也應(yīng)有所差異。本文統(tǒng)計(jì)、總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于不同沉積相泥頁巖的等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)的地球化學(xué)、孔隙結(jié)構(gòu)特征，并進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)度對(duì)比，明確了不同沉積相泥頁巖吸附能力及其主控因素。

1 不同沉積相泥頁巖發(fā)育特征及天然氣吸附能力

按照泥頁巖發(fā)育環(huán)境與特征，可將其分為海相、海陸過渡相（簡稱過渡相）和陸相。寒武紀(jì)至第四紀(jì)，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖在3種環(huán)境下均有發(fā)育，且發(fā)育形成了十余套富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系［4］。海相泥頁巖多形成于臺(tái)盆或深水陸棚環(huán)境，主要發(fā)育于南方揚(yáng)子區(qū)震旦系陡山沱組、寒武系筇竹寺組、奧陶系大乘寺組、奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組，塔里木盆地寒武系玉爾吐斯組，以及湘中地區(qū)泥盆系—石炭系等層系，具有分布面積大、單層厚度大、橫向變化小、硅質(zhì)富集等特點(diǎn)；過渡相泥頁巖沉積環(huán)境多為三角洲與潟湖，主要發(fā)育于鄂爾多斯、四川、渤海灣、湘中、南華北等盆地的石炭系—二疊系，單層較薄，但層數(shù)多，常與煤層、致密砂巖互層發(fā)育；陸相泥頁巖主要形成于湖泊環(huán)境，普遍發(fā)育于中生代地層，如鄂爾多斯盆地三疊系延長組、四川盆地侏羅系、松遼盆地白堊系青山口組、渤海灣盆地古近系沙河街組和孔店組、江漢盆地古近系潛江組等層系，分布面積較小，累計(jì)厚度大，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響弱［1,4-6］。

由表1的統(tǒng)計(jì)可知，國內(nèi)3 種沉積相的泥頁巖具有如下特征：①陸相、過渡相泥頁巖的TOC高，海相泥頁巖TOC較高。②海相泥頁巖成熟度（Ro）普遍高于2%，處于過成熟生氣階段；過渡相泥頁巖成熟度較高，Ro多大于1.6%，處于高成熟—過成熟階段；陸相泥頁巖則成熟度適中，多處于成熟生油時(shí)期。③海相泥頁巖干酪根主要為Ⅰ—Ⅱ1型；過渡相泥頁巖干酪根為Ⅱ—Ⅲ型；陸相泥頁巖干酪根以Ⅰ—Ⅱ型為主。④海相泥頁巖脆性礦物較多，其中石英占比超過礦物總組分的40%，黏土礦物占比少于石英；陸相泥頁巖中，黏土礦物在礦物總組分中占主要地位；過渡相泥頁巖礦物組成介于兩者之間。

表1 不同沉積相泥頁巖地質(zhì)特征（數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)［7-35］）Table 1 Geological characteristics of shale of different sedimentary facies（datafrom references［7-35］）

不同沉積相泥頁巖吸附天然氣能力存在差異，這種差異體現(xiàn)在其相應(yīng)的吸附氣含量上。當(dāng)前定量描述吸附氣含量主要采用等溫吸附實(shí)驗(yàn)的方式，用Langmuir 吸附模型方程表征其吸附能力。Lang?muir等溫吸附數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：V為壓力為P條件下的等溫吸附值，m3/t；P為實(shí)驗(yàn)壓力，MPa；VL為Langmuir 體積，即給定溫度下的氣體極限吸附氣量，m3/t；PL為Langmuir 體積達(dá)到1 2時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力，MPa。Langmuir模型方程擬合得到的是泥頁巖理論上的最大吸附氣含量，一般大于實(shí)測(cè)值。

對(duì)前人［10,36-43］用等溫吸附實(shí)驗(yàn)得到的不同沉積相泥頁巖吸附氣含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可見，在單位質(zhì)量下，海相泥頁巖吸附氣含量最大，陸相泥頁巖次之，過渡相泥頁巖的吸附氣含量最小，這表明不同沉積相泥頁巖吸附能力強(qiáng)弱的順序?yàn)楹Ｏ啵娟懴啵具^渡相。不同沉積相泥頁巖具有不同的地質(zhì)特征，這些地質(zhì)特征造成了其吸附能力的差異。

表2 不同沉積相泥頁巖吸附氣含量(數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)［10,36-43］)Table 2 Adsorbed gas content of shale of different sedimentary facies(data from references［10,36-43］)

2 泥頁巖吸附能力影響因素

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)泥頁巖吸附能力的影響

學(xué)者早期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥頁巖中TOC高時(shí)，其可吸附的天然氣更多［44］。Ross 等［45］對(duì)加拿大東北部Gordondale 頁巖的研究得出相似的結(jié)論，即TOC與吸附氣體的能力存在正相關(guān)性。后續(xù)眾多學(xué)者在對(duì)泥頁巖吸附影響因素的研究中也逐漸形成了有機(jī)質(zhì)是泥頁巖吸附能力主要貢獻(xiàn)者的共識(shí)［9,42］。

本文統(tǒng)計(jì)了大量的海相、過渡相、陸相泥頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)地球化學(xué)參數(shù)和孔隙結(jié)構(gòu)特征，并據(jù)此對(duì)比分析不同沉積相泥頁巖TOC與其對(duì)應(yīng)的等溫吸附含氣量（VL）之間的關(guān)系。選取的海相泥頁巖來自南方揚(yáng)子區(qū)龍馬溪組與牛蹄塘組，共75個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；選取的過渡相泥頁巖來自四川龍?zhí)督M、鄂爾多斯盆地太原組，共54個(gè)樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；選取的陸相泥頁巖來自鄂爾多斯盆地延長組、渤海灣盆地沙河街組、庫車凹陷三疊系—侏羅系，共62個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 三種沉積相泥頁巖TOC與VL相關(guān)關(guān)系（數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)［29,34,38,46-60］）Fig.1 Correlation between TOC and VL of shale of three types of sedimentary facies(data from references［29,34,38,46-60］)

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，TOC越高，泥頁巖吸附能力越強(qiáng)。三種沉積相泥頁巖均存在這一規(guī)律，而且均具有良好的正相關(guān)性。其原因是微孔在有機(jī)質(zhì)中較發(fā)育，其親和性強(qiáng)，對(duì)甲烷具有更好的吸附性，因此隨有機(jī)質(zhì)豐度的增加，微孔體積和占比增大，泥頁巖吸附能力增強(qiáng)［61］。

同時(shí)，三種沉積相泥頁巖VL相對(duì)于TOC增加的幅度有所差異：海相泥頁巖的TOC與VL線性擬合系數(shù)達(dá)0.794 3，陸相泥頁巖為0.556 0，過渡相泥頁巖僅為0.234 7，海相泥頁巖擬合系數(shù)顯著高于陸相與過渡相。這種差異則是其他影響因素共同作用的結(jié)果。

2.2 有機(jī)質(zhì)成熟度對(duì)泥頁巖吸附能力的影響

泥頁巖吸附能力也受有機(jī)質(zhì)成熟度的影響。目前關(guān)于其對(duì)泥頁巖吸附能力影響的報(bào)道結(jié)論不一，主要有以下3種情況：

（1）隨有機(jī)質(zhì)熱演化程度的增加，泥頁巖的吸附能力呈增大趨勢(shì)［62］。該情況主要是由于隨有機(jī)質(zhì)熱演化的進(jìn)行,泥頁巖生烴產(chǎn)生大量的有機(jī)質(zhì)孔，使孔隙類型由以宏孔及中孔為主向以納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔為主變化，這一變化有助于增大有機(jī)質(zhì)的比表面積，并且有機(jī)質(zhì)生烴的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，可導(dǎo)致形成粒內(nèi)溶蝕孔,為泥頁巖提供更多的空間來吸附頁巖氣，從而提高了可吸附的氣體量［37,63］。

（2）成熟度對(duì)泥頁巖吸附能力的影響表現(xiàn)為“兩段式”，最大吸附氣量（VL）與泥頁巖成熟度之間表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)：即有臨界點(diǎn)Ro值，當(dāng)成熟度處于臨界值以下時(shí)，隨成熟度增加吸附能力增大；超過臨界值，則隨熱演化程度增加吸附能力減小。Ro超過臨界值，吸附能力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的原因：一是有機(jī)質(zhì)成熟度的增加導(dǎo)致的TOC下降的不利影響超過有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的有利影響［34］；二是泥頁巖埋深過大（＞3 000 m）時(shí)，壓實(shí)作用強(qiáng)烈，使有機(jī)質(zhì)孔發(fā)生坍塌或被充填，造成有效連通孔隙減少，從而使吸附能力降低［64］。

（3）隨熱演化程度的增加泥頁巖可吸附的氣體量呈減小趨勢(shì)。Chalmers等［65］在對(duì)西加拿大盆地下白堊統(tǒng)Buckinghorse 組頁巖進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)泥頁巖吸附能力與熱演化程度呈負(fù)相關(guān)性。

盡管不同學(xué)者對(duì)于熱演化程度影響泥頁巖吸附能力的研究結(jié)果具有差異，但對(duì)成熟度通過控制有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育而影響泥頁巖吸附性的觀點(diǎn)卻比較一致。對(duì)前人大量研究的進(jìn)一步梳理發(fā)現(xiàn)，上述3種情況可歸納于同一種模式，即“兩段式”模式，正相關(guān)及負(fù)相關(guān)的情況應(yīng)該是先升后降其中一段的反映。先升后降的“兩段式”中，不同沉積相泥頁巖的臨界值相差較大。本文對(duì)保靖地區(qū)龍馬溪組頁巖的吸附氣含量與熱演化的相關(guān)性進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其Ro臨界值為3.36%［53］（圖2a）。高和群等［62］對(duì)渝東南彭水地區(qū)龍馬溪組的研究顯示成熟度與吸附能力呈正相關(guān)，其原因應(yīng)該是所研究的泥頁巖樣品Ro未達(dá)到臨界點(diǎn)（圖2b），故與“兩段式”模式并不矛盾。對(duì)過渡相而言，本文對(duì)黔北地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖的分析發(fā)現(xiàn)Ro臨界值為2.58%［38］（圖2c）；熊荃等［29］對(duì)鄂爾多斯盆地太原組泥頁巖的研究顯示，Ro臨界值為1.7%左右（圖2d）。陸相泥頁巖中，對(duì)川西地區(qū)須家河組頁巖、庫車坳陷侏羅系泥頁巖的分析發(fā)現(xiàn)，前者Ro臨界值為1.3%［62］（圖2e），后者Ro臨界值在1.0%左右［64］（圖2f）?？梢娫谌N沉積相泥頁巖中，海相泥頁巖Ro臨界值最高，過渡相泥頁巖次之，陸相泥頁巖較低。所以VL與Ro的正相關(guān)多見于海相泥頁巖，而陸相泥頁中多有“兩段式”及負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖2 不同地區(qū)泥頁巖Ro與VL關(guān)系(a據(jù)文獻(xiàn)［53］修改;b據(jù)文獻(xiàn)［62］;c據(jù)文獻(xiàn)［38］;d據(jù)文獻(xiàn)［29］修改;e據(jù)文獻(xiàn)［62］修改;f據(jù)文獻(xiàn)［64］修改)Fig.2 Relationship between Ro and VL of shale in different areas(cited from references［29,38,53,62,64］)

2.3 有機(jī)質(zhì)類型對(duì)泥頁巖吸附能力的影響

有機(jī)質(zhì)類型是指干酪根類型，根據(jù)主要元素的組成可劃分成Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其對(duì)泥頁巖吸附能力也具有較大的影響。海相泥頁巖有機(jī)質(zhì)以Ⅰ型—Ⅱ1型為主；過渡相泥頁巖多發(fā)育Ⅱ型和Ⅲ型有機(jī)質(zhì)；陸相泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型比較復(fù)雜，深湖相以Ⅰ型為主，淺湖相多發(fā)育Ⅱ型，湖沼相多發(fā)育Ⅲ型，總體呈現(xiàn)以Ⅱ型為主、兼有Ⅰ型與Ⅲ型［1,41］。

有機(jī)質(zhì)類型對(duì)泥頁巖吸附能力的影響主要有兩個(gè)方面：一是不同類型的有機(jī)質(zhì)本身的吸附能力不同；二是在有機(jī)質(zhì)熱演化過程中，熱演化程度對(duì)不同類型有機(jī)質(zhì)吸附能力的影響不同。

對(duì)于前者，薛冰等［66］通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)不同類型泥頁巖的等溫吸附氣含量范圍和單位有機(jī)質(zhì)吸附氣含量都存在差異，并且有機(jī)質(zhì)吸附能力表現(xiàn)為Ⅲ型＞Ⅱ型＞Ⅰ型。其原因在于不同有機(jī)質(zhì)類型的顯微組分與微觀結(jié)構(gòu)不同，相對(duì)于Ⅰ型而言，Ⅲ型有機(jī)質(zhì)具有更多的芳香結(jié)構(gòu)和更高的鏡質(zhì)組含量，而鏡質(zhì)組、芳環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)甲烷表現(xiàn)出更強(qiáng)的親和力［67］。

對(duì)于后者，侯宇光等［68］研究發(fā)現(xiàn)，Ⅲ型有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中幾乎不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙；陳中紅等［69］研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于Ⅲ型有機(jī)質(zhì)，Ⅰ型有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中更有利于發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔。而有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育可提供更多的吸附位點(diǎn)，從而明顯提高可吸附的含氣量。

雖然Ⅲ型有機(jī)質(zhì)本身的吸附能力更強(qiáng)，但其生烴能力和發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔的潛能差，而Ⅰ型、Ⅱ型有機(jī)質(zhì)生烴潛力大，易發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔。綜合來看，有機(jī)質(zhì)隨熱演化生成有機(jī)質(zhì)孔對(duì)吸附能力的影響比有機(jī)質(zhì)本身吸附能力的影響更大，故有機(jī)質(zhì)類型對(duì)吸附性影響的順序應(yīng)為Ⅰ型＞Ⅱ型＞Ⅲ型。

2.4 礦物組分對(duì)泥頁巖吸附能力的影響

泥頁巖中的礦物由黏土礦物和脆性礦物2類組成。陸相、過渡相泥頁巖，其黏土礦物占比普遍高于海相泥頁巖（圖3），而脆性礦物含量則剛好相反，海相泥頁巖普遍具有較高含量的石英，陸相、過渡相泥頁巖石英含量相對(duì)較低（圖4）。

圖3 三種沉積相泥頁巖黏土礦物含量與VL相關(guān)關(guān)系（數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)［29,34,38,46-60］)Fig.3 Correlation between clay mineral content and VL of shale of three types of sedimentary facies(data from references［29,34,38,46-60］)

圖4 三種沉積相泥頁巖VL與礦物組分關(guān)系（數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)［29,34,38,46-60］)Fig.4 Correlation between mineral composition and VL of shale of three types of sedimentary facies(data from references［29,34,38,46-60］)

海相泥頁巖等溫吸附VL與黏土礦物含量為負(fù)相關(guān)性，與石英含量為正相關(guān)性，而海陸過渡相、陸相泥頁巖VL則與黏土礦物含量具有良好的正相關(guān)，與石英含量具有負(fù)相關(guān)（圖3，圖4）。礦物成分對(duì)泥頁巖吸附能力的影響出現(xiàn)這種相反現(xiàn)象的原因是：海相泥頁巖沉積環(huán)境不利于陸源碎屑黏土的大量搬運(yùn)與沉積，而石英多為生物成因，常伴隨有機(jī)質(zhì)富集，因此出現(xiàn)石英含量隨TOC增加而增加的現(xiàn)象，相對(duì)的黏土礦物含量占比則會(huì)變小。根據(jù)前文可知，海相泥頁巖VL與TOC存在顯著正相關(guān)性，故在海相泥頁巖中，出現(xiàn)了VL與石英含量呈正相關(guān)的現(xiàn)象，而實(shí)際上石英對(duì)吸附能力的影響很小。

陸相泥頁巖中的石英主要來源于陸源碎屑的搬運(yùn)，其含量受物源距離的影響：距物源越遠(yuǎn)，搬運(yùn)能力越弱，石英沉積就越少，相對(duì)的黏土礦物占比就越大［41］。同時(shí)，在陸相和海陸過渡相環(huán)境，黏土礦物及其發(fā)育環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)和保存。黏土礦物對(duì)于泥頁巖吸附的影響是通過其比表面來實(shí)現(xiàn)的。吳陳君等［70］對(duì)比不同黏土礦物含量的泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)富含黏土礦物的泥頁巖具有更高的比表面積與吸附量。不同黏土礦物由于自身粒徑與晶體結(jié)構(gòu)的差異，其對(duì)吸附性的影響也有不同：在相同的壓力下，黏土礦物吸附能力順序?yàn)槊擅撌疽?蒙混層＞高嶺石＞綠泥石＞伊利石［71］（圖5）。

圖5 不同類型黏土礦物的吸附能力（據(jù)文獻(xiàn)［71］修改）Fig.5 Adsorption capacity of different types of clay minerals(cited from reference reference［71］,modified)

2.5 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)泥頁巖吸附能力的影響

孔隙結(jié)構(gòu)是影響泥頁巖吸附性的最主要因素?？紫督Y(jié)構(gòu)特征包括孔隙比表面積、總孔體積、平均孔隙直徑等，其中比表面積對(duì)吸附性的影響更為關(guān)鍵。有機(jī)質(zhì)是泥頁巖賦存頁巖氣的主要載體，吸附氣的主要賦存空間為有機(jī)質(zhì)表面。前文所述的吸附能力的其他影響因素，都可歸結(jié)于通過控制孔隙的比表面積來實(shí)現(xiàn)對(duì)泥頁巖吸附的影響［72］。三種沉積相泥頁巖的比表面積與VL均呈現(xiàn)較好的正相關(guān)（圖6）。

孔隙直徑對(duì)比表面積有重要影響。按照孔隙直徑的大小，可將孔隙劃分為微孔、中孔和大孔。鐘玲文等［73］研究發(fā)現(xiàn)微孔發(fā)育的泥頁巖,其比表面積更大，相對(duì)中孔和大孔，小孔對(duì)泥頁巖的吸附具有更大的貢獻(xiàn)。馮小龍等［74］對(duì)鄂爾多斯盆地延長組泥頁巖的實(shí)驗(yàn)表明：中孔體積占總孔體積的76.69%，貢獻(xiàn)的比表面積卻只有67.84%；微孔體積占比為10.12%，貢獻(xiàn)的比表面積卻達(dá)到了30.27%。楊瀟等［75］在對(duì)渝東南牛蹄塘組、龍馬溪組泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn)：微孔體積占比為20%，對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)達(dá)57.6%；中孔體積占比為64%，對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)為42.35%。這些均表明微孔對(duì)泥頁巖吸附的影響更大。

2.6 溫度和壓力對(duì)泥頁巖吸附能力的影響

溫度和壓力對(duì)泥頁巖吸附也有影響［76］。前人研究發(fā)現(xiàn)泥頁巖VL與溫度具有負(fù)相關(guān)性，其隨溫度的升高而下降［44］（圖7a）。而壓力對(duì)VL的影響則不同，表現(xiàn)為正相關(guān)性：隨著壓力的增大，VL的增加先快后慢，最后趨于平穩(wěn)（圖7b）。

圖7 溫度與壓力對(duì)泥頁巖VL的影響（圖a據(jù)文獻(xiàn)［44］修改,圖b據(jù)文獻(xiàn)［77］修改）Fig.7 Influence of temperature and pressure on VL of shale(Fig.a modified from reference［44］,Fig.b modified from reference［77］)

2.7 濕度對(duì)泥頁巖吸附能力的影響

濕度對(duì)泥頁巖吸附也有影響。張烈輝等［78］對(duì)川南龍馬溪組泥頁巖樣品進(jìn)行了干燥與平衡濕度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（圖8），結(jié)果表明：水分會(huì)制約泥頁巖的吸附性，且隨含水率的增加，泥頁巖VL逐漸減小。Hartman［79］對(duì)Barnett 頁巖的研究也得到相同結(jié)論。其原因是水分子的極性強(qiáng)，更易與有機(jī)質(zhì)或黏土礦物發(fā)生吸附，占據(jù)了部分可供吸附的空間，使得氣體可占據(jù)的有效吸附面積變小，同時(shí)水分的存在會(huì)阻礙氣體在孔隙中的滲濾和擴(kuò)散作用，從而減少了吸附氣含量。

圖8 濕度對(duì)泥頁巖VL的影響（據(jù)文獻(xiàn)［78］修改）Fig.8 Influence of humidity on VL of shale(cited from［78］,modified)

3 討論

3.1 不同沉積相泥頁巖吸附能力的差異性

不同沉積相泥頁巖的吸附能力存在明顯差異（表2）。總體而言，海相泥頁巖吸附能力高于陸相，過渡相泥頁巖的吸附能力較弱，即泥頁巖吸附能力的沉積相順序表現(xiàn)為海相＞陸相＞過渡相。泥頁巖吸附能力表現(xiàn)的是前文所述7個(gè)因素綜合影響的結(jié)果。

海相泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型—Ⅱ1型，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔潛力大，隨著生烴過程的進(jìn)行，發(fā)育大量的有機(jī)質(zhì)孔，孔隙類型向以納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔為主變化，該變化有助于提高吸附能力。我國海相泥頁巖的有機(jī)質(zhì)成熟度普遍較高，這保證了其能夠發(fā)育大量的有機(jī)質(zhì)孔隙。熱演化對(duì)吸附能力的影響不是單一的，熱演化一方面促進(jìn)有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育，一方面降低有機(jī)質(zhì)含量。海相泥頁巖TOC雖低于陸相、過渡相，但其有機(jī)質(zhì)類型有利于有機(jī)質(zhì)孔的形成，故初始熱演化進(jìn)程的有利影響占主導(dǎo)地位，并一直持續(xù)到很高成熟度后才停止。從圖6可知，海相泥頁巖具有較大的比表面積，也印證了這一點(diǎn)。海相泥頁巖的高成熟度及有機(jī)質(zhì)類型決定了其吸附能力最大。雖然陸相泥頁巖同海相一樣具有利的有機(jī)質(zhì)類型，但熱演化對(duì)其的影響卻不如海相泥頁巖。過渡相泥頁巖有機(jī)質(zhì)以Ⅱ型—Ⅲ型為主，Ⅲ型干酪根在熱演化過程中幾乎不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔。同時(shí)，陸相相對(duì)于過渡相具有更高占比的黏土礦物含量（圖3），而黏土礦物對(duì)泥頁巖的吸附起到積極作用，所以陸相泥頁巖的吸附能力大于過渡相。

3.2 同一沉積相泥頁巖吸附能力的差異性

不同沉積相泥頁巖吸附能力存在差異，但同一沉積相之間也存在差異。以海相為例，南方地區(qū)寒武系筇竹寺組與志留系龍馬溪組同為海相，但在地質(zhì)特征與吸附能力上具有明顯差異。前者熱演化程度過高，有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育，孔隙度相對(duì)較低，泥頁巖含氣量低；后者熱演化程度適中，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育，泥頁巖含氣量高。趙文智等［10］對(duì)長寧—威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組與龍馬溪組的研究發(fā)現(xiàn)，前者頁巖含氣量僅達(dá)到后者的1/2 左右。同時(shí)，南方地區(qū)龍馬溪組、筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁巖集中段鉆井測(cè)試產(chǎn)量顯示，前者產(chǎn)氣量較好，后者為無氣—微氣［10］。這種差異也存在于陸相、過渡相泥頁巖中。究其原因，在于海相、陸相等的概念過于宏觀，均涵蓋了較多的沉積相、亞相及微相，不同研究區(qū)具體的沉積環(huán)境、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、保存條件、熱演化史等地質(zhì)條件都具有較大的差異，因此泥頁巖的吸附能力還需要在普遍性規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行具體分析。

3.3 存在的問題及研究方向

在測(cè)定泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)，大多數(shù)學(xué)者采用氮?dú)獾葴匚綄?shí)驗(yàn)，而氮?dú)獾葴匚綄?shí)驗(yàn)主要適用于中孔范圍內(nèi)的孔隙直徑與比表面積測(cè)定，對(duì)于微孔發(fā)育的海相泥頁巖來說，會(huì)存在較大誤差。將氮?dú)獾葴匚綄?shí)驗(yàn)、CO2吸附實(shí)驗(yàn)、高壓壓汞實(shí)驗(yàn)3 種方法相結(jié)合，測(cè)定精度與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性會(huì)得到很大提升。

孔隙結(jié)構(gòu)從根本上決定泥頁巖的吸附能力，熱演化進(jìn)程對(duì)于孔隙結(jié)構(gòu)也有著重要影響。已有的關(guān)于成熟度對(duì)于泥頁巖吸附影響的研究結(jié)果存在多種情況，本文梳理認(rèn)為多種情況可歸納于同一種模式，即“兩段式”模式，但是否具有普遍性與代表性仍需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。可選取海相、陸相、過渡相典型層位的具有不同成熟度、不同有機(jī)質(zhì)類型的系列泥頁巖，進(jìn)行全面的油氣地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得有機(jī)地球化學(xué)特征；采用氮?dú)馕?、CO2吸附及高壓壓汞相結(jié)合的方式精準(zhǔn)測(cè)定孔隙參數(shù)特征；通過氬離子拋光—掃描電鏡，獲得其微觀結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而進(jìn)行綜合分析研究，一方面可以檢驗(yàn)“兩段式”模式是否具有普遍性，另一方面可以研究熱演化進(jìn)程中不同沉積相泥頁巖的孔隙發(fā)育特征，這將有助于深化不同沉積相泥頁巖天然氣吸附能力及影響因素的認(rèn)識(shí)。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)類型、熱演化程度、孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組分、溫度、壓力和濕度對(duì)泥頁巖吸附能力均具有影響。有機(jī)質(zhì)與黏土礦物是吸附頁巖氣的載體，其中有機(jī)質(zhì)是主要吸附載體，通常情況下，有機(jī)質(zhì)含量高，則頁巖氣含量高?？紫侗缺砻媸俏綒獾闹饕x存空間，也是從根本上決定不同沉積相泥頁巖吸附能力的因素。有機(jī)質(zhì)類型決定有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育潛力，熱演化程度通過控制生排烴過程來影響有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育程度；溫度和壓力通過改變吸附-解吸平衡影響泥頁巖吸附性；水分子通過占據(jù)更多的空間而減小可吸附的氣量。

不同沉積相泥頁巖發(fā)育類型及吸附能力存在差異，總體而言，泥頁巖吸附天然氣能力的沉積相順序?yàn)楹Ｏ啵娟懴啵具^渡相。相同沉積相之間也存在差異，由于海相、海陸過渡相、陸相的概念過于宏觀，均涵蓋了較多的沉積相、亞相及微相，且不同地區(qū)的地質(zhì)條件也具有較大差異，這導(dǎo)致了同一類型相區(qū)泥頁巖吸附能力的差異，因此實(shí)際工作中還需要針對(duì)具體研究區(qū)域結(jié)合地質(zhì)條件來做進(jìn)一步的對(duì)比和分析。