高成熟度页岩孔隙特征对吸附能力的影响

颜　青

（江西省煤田地质局二二三地质队江西鹰潭　335000）

高成熟度页岩孔隙特征对吸附能力的影响

颜青

（江西省煤田地质局二二三地质队江西鹰潭335000）

精确的掌握页岩储层的孔隙特征是研究页岩储层吸附能力的基础问题，因此本文以赣东北地区下寒武统荷塘组高演化程度页岩储层为例，通过对野外采集的露头样品进行低温氮气吸附实验、扫描电镜观测和等温吸附实验，对储层孔隙结构、孔隙类型和吸附气含量进行测定，并讨论高演化页岩储层孔隙特征对页岩储层吸附能力的影响。结果表明：高演化程度荷塘组页岩储层孔隙特征较为复杂，总体上以2～50nm有机质孔隙为主，无机孔隙发育较少；且有机质孔隙是控制高演化页岩储层甲烷吸附能力的主要内因，有机碳含量越高，有机质孔隙越发育，页岩甲烷吸附能力越强。

页岩；高演化；孔隙特征；吸附能力

引言

页岩气储层主要由有机质、脆性矿物及粘土矿物等组成，并形成不同类型与大小的孔裂隙；页岩气则以吸附态赋存于有机质和粘土颗粒的表面，或以游离态存在于这些天然裂隙和粒间孔隙中[1]。前人研究表明，页岩的孔隙结构特征对页岩气的吸附和渗流特性有很大的控制作用，如孔隙类型或孔径大小的不同对页岩的吸附能力产生不同的影响[2]。因此，本文以赣东北地区下寒武统荷塘组页岩为研究对象，通过氮气吸附、扫描电子显微镜及等温吸附等实验方法，探讨高演化程度页岩孔隙特征对页岩储层吸附能力的影响。

1　样品采集与测试

赣东北下寒武统荷塘组为一套海相沉积的黑色薄层状炭质、硅质页岩，主要形成于水体较深、滞留缺氧的陆棚沉积环境[3]，且该地层先后经历了多期次构造运动，导致荷塘组页岩的热演化程度普遍较高，已达到高—过成熟阶段的（表1）。为研究高成熟度页岩孔隙特征对甲烷吸附能力的影响，本文在赣东北地区荷塘组野外实测剖面中系统的选取12块新鲜断面的泥页岩样品，其有机碳含量、Ro值及矿物成分见表1。在此基础上，分别利用低温氮气吸附、扫描电镜、等温吸附等实验手段观察样品孔隙特征和对甲烷的吸附能力。

表1　赣东北荷塘组泥页岩样品基础分析数据

2　实验结果

2.1孔隙结构特征

比表面积、总孔体积与孔径分布：

应用BET和DFT模型，根据低温氮气吸附测试结果，计算出荷塘组页岩的比表面积为5.07～13.59m2/g，平均为7.80m2/g；总孔体积为0.0156～0.0634ml/g，平均为0.0450ml/g；平均孔径为27.059～81.623nm，平均为48.301nm（表2）。页岩样品孔隙孔径上分布在2～130nm之间，且孔体积分布有两个峰值，一个主要位于2～5nm；另一个主要位于20～50nm左右，总体上以2～50nm纳米级孔隙为主（图1）。表明高演化程度的荷塘组页岩主要发育小于100nm的微小孔隙，且以2～50nm微孔隙孔为主，并包含少量其他类型、大小的孔隙。

表2　页岩样品氮气吸附与等温吸附测试结果统计表

图1　页岩平均孔径与孔体积分布图

2.2扫描电镜下孔隙特征

扫描电镜分析发现，荷塘组页岩样品内部发育多种孔隙类型，参考前人对页岩孔隙种类划分[5]，大体上可分为两类：无机孔隙与有机质孔隙。无机孔隙主要包括矿物基质粒间孔、粒内孔、晶间孔和溶蚀孔，其形成于泥页岩中各类无机矿物颗粒内部和之间；如石英、长石等矿物之间的粒间孔和粒内孔（图2a-2b），黏土矿物晶片之间的晶间孔（图2c），方解石和长石等矿物颗粒内部形成的溶蚀孔等（图2d）。其主要特点是纳米级—微米级孔隙均有发育，但孔隙总体较大，孔径多分布0.1～2.0μm之间。荷塘组富有机页岩样品内部的有机质孔隙主要为随着热解生烃而形成的残留孔，形状多不规则，一般呈狭缝状、气孔状、椭圆形等形状（图2e-图2h）；其特点是孔隙总体较小，多以纳米级孔隙为主，孔径分布在3～835nm之间，平均小于50nm；且对于有机质丰度越高的样品有机质孔隙发育越多。

图2　荷塘组黑色页岩扫描电镜下孔隙特征

2.3等温吸附特征

等温吸附实验结果显示，在30℃条件下，赣东北荷塘组页岩样品的理论最大吸附量（VL）介于0.69～8.19m3/t之间，平均为2.67m3/t；兰氏压力介于1.50～1.97MPa之间，平均为1.75MPa（表2）。不同黑色页岩样品的甲烷最大吸附量具有较大的差异性，而这种差异性也间接体现出页岩内部孔隙类型、比表面积及孔径分布等特征的差异。

3　孔隙特征对页岩储层吸附量的影响

3.1高演化程度页岩储层的孔隙特征

通过扫描电镜观察发现，荷塘组页岩样品中发育较多小于50nm的有机孔隙，而无机孔隙则发育较少。低温氮气孔径分布结果也显示大部分样品的孔隙以2～50nm中孔为主，与扫描电镜的观察结果相符，说明高演化程度的富有机质页岩中以有机孔隙为主。

如图3所示，TOC含量与页岩比表面积、总孔体积有很明显的正线性关系，相似系数分别为0.683、0.697；而粘土和石英与页岩比表面积、总孔体积的之间没有明显的线性相关性，表明TOC是控制高演化程度页岩储层孔隙结构特征的主要内在因素，也更加证明了高演化程度的富有机质页岩储层中以有机质孔隙为主。

图3　主要矿物成分及TOC含量与比表面积、孔体积

其主要原因为随着成岩演化程度的增加，石英、长石等矿物之间的无机孔隙会因压实而逐渐减小，粘土等不稳定矿物也会发生塑性变形及相变使页岩结构变得更加致密，页岩中无机孔隙大量减少；但演化程度的增加会使有机质逐渐达到生烃门限，进而会形成大量的生烃残余孔隙，增大了页岩中的有机质孔隙[6～7]。因此结合研究结果可以得出随着演化程度的增加，页岩的主要孔隙类型由无机孔隙逐渐向有机质孔隙转变。

3.2有质机孔对高演化页岩储层吸附能力的主控作用

页岩储层吸附能力受TOC含量、粘土矿物、干酪根类型、成熟度等多种因素的影响，对于高演化程度的页岩储层来说，其孔隙类型及结构特征有其独特的性质，进而造成这些因素对页岩储层吸附性能的控制强度有所差异。图4表明，TOC含量与页岩甲烷最大吸附量有很明显的正线性相关性，相似系数较高，为0.942，说明TOC含量对高成熟度页岩储层的吸附能力有很强的控制作用；而粘土矿物、脆性矿物及Ro值与页岩甲烷的最大吸附量之间不具有明显的相关性，说明它们对高成熟度页岩的吸附能力控制较弱。究其根本原因为高演化程度富有机质页岩储层孔隙类型2～50nm的有机质孔为主，无机孔隙发育较少，因此，TOC含量越大，有机孔隙越发育，页岩的比表面积、孔体积就越大，对甲烷的吸附能力就越强。

图4　TOC、主要矿物成分及Ro与甲烷最大吸附量的关系

4　结论

（1）荷塘组页岩成熟度较高，孔隙结构特征较为复杂，总体上以有机孔隙为主，孔径主要分布在2～50nm之间，而无机孔隙则发育较少。

（2）随着热演化程度的增加，页岩的孔隙类型和孔隙结构会发生相应的演化，页岩的主要孔隙类型将由无机孔隙逐渐向有机质孔隙转变。

（3）有机质孔隙是控制高成熟度富有机质页岩甲烷吸附能力的主要内因，有机碳含量越高，有机质孔隙越发育，页岩的比表面积越大，甲烷的吸附能力就越强。

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TE122

A

1673-0038（2015）50-0171-02

2015-11-15