页岩对甲烷的吸附影响因素

丁海刚

【摘要】：目前，页岩气作为常规油气能源的重要补充，开始引起了人们的极大关注。美国和加拿大已经实现了页岩气的商业性开发，而我国页岩气的研究仍处于起步阶段，而弄清楚页岩对甲烷的吸附机理是页岩气高效开发的前提。本文调研了页岩对甲烷的吸附影响因素，包括有机质含量、温度压力、孔隙结构、粘土含量、热成熟度对甲烷吸附的影响;本文主要从有机质含量、空隙结构、温度压力、粘土含量、热成熟度5个方面来说明上述因素对页岩气吸附特性的影响。

【关键词】：页岩;甲烷;影响;因素;

1、有机碳含量对吸附的影响

吸附气大部分吸附在页岩基块中有机质附近的区域，有机质为页岩气吸附提供了一个活性區域，有机质的存在使得甲烷气以吸附态的形式存在于有机质表面活性区域，且有机质对甲烷有很强的吸附能力，因此，有机质（一般用有机碳来表示）是控制甲烷吸附量的主要因素。显示了实验温度为 30℃时页岩对甲烷气体的最大吸附量与页岩样品中有机碳含量之间的关系。从中可以看出吸附量与有机质含量间线性关系显著，相关度达97%。有机碳含量越高的页岩，吸附在页岩中的吸附气含量越高，原因为：

（1）页岩中有机质含量高时，孔隙结构发育丰富，尤其是微孔，為甲烷气体的吸附作用提供了巨大空间;

（2）有机质组分中的干酪根使得页岩基质呈现出混合润湿性的特征，接近干酪根的部分为油湿，而距离干酷根较远的区域则呈现出水湿特性，有助于甲烷在有机质表面发生吸附。因此，页岩中有机质含量越丰富，其对甲烷的吸附能力也就越强。

2、压力、温度对吸附的影响

在页岩气储层中，其地层压力和储层温度均会随埋藏深度的变化而变化，会对页岩吸附甲烷产生一定影响，通过调研，得到不同压力和温度下页岩对甲烷的吸附能力。当温度一定时，随着压力的升高，甲烷吸附量随之逐步增大。压力在 0—6 MPa 之间时，随压力升高，甲烷吸附量上升较快;当压力高于6 MPa 后，随压力继续升高，甲烷吸附量上升速率减慢;吸附量增大到一定数值后，等温吸附曲线出现极值点;之后，随平衡压力升高吸附量将出现下降趋势。

3、孔隙结构对吸附的影响

页岩气藏吸附气含量的大小与比表面积的大小密切相关，一般来说，页岩比表面积越大，页岩微孔隙越多，当吸附气饱和时，吸附的页岩气也就越多。

Robert研究孔径与页岩气吸附能力大小中也发现，对于单位体积的页岩来说，页岩孔隙越小，比表面积也就越大，页岩的吸附能力也就越强。图中给出了不同孔径下单位体积页岩吸附气含量随力的变化关系，从图中可以看出，在同一温度和压力下，孔径越小的页岩，其吸附能力越大。页岩气藏对页岩气的吸附能力与页岩的比表面积以及孔径都有很大的关系。

一般页岩十分致密，平均孔径极小，微孔隙发育。所以，可以假设页岩气藏页岩孔隙呈球形孔隙分布，并且孔径大小相等。球形孔隙直径可以用来表示，所以单个孔隙体积和孔隙的表面积可以表示成：

单位体积的页岩孔隙体积可以表示为：

孔隙的总的表面积可以表示为：

假设孔隙度为4.2%时，孔径与比表面积的关系可以根据式得出。从中可以看出，在孔隙度一定时，比表面积会随着孔径的增加而减小。当孔径在小于个纳米时，比表面积随着孔径的增加快速的减小，就是比面积越大，孔径越小。在孔径大于个纳米后，随着孔径的增加，比表面积减小的不是很明显。

孔隙与比表面之间也存在着一定的影响，不同孔隙度条件下，孔径与比表面积的关系。从图中以看出，对同一块页岩，在孔径相同的条件下，比表面积也会随着孔隙度的增加而增加;在孔径小于10个纳米时，比表面积随着孔隙度增大减小的很明显，在孔径大于10个纳米以后，随着孔隙度的增加比表面积减小的不是那么明显。从理论上来看，页岩的孔隙结构对页岩比表面积的影响最大。在页岩中，如果孔隙的结构一定，孔隙度越大，比表面积也就会越大;但是如果在页岩中微孔隙较多的情况下，在给定的范围内，孔隙度增加，比表面积也会增加。

4、粘土含量对吸附的影响

Mavor对Barnett页岩进行等温吸附，发现粘土矿物表面可以吸附甲烷气体，在有机碳含量以及温压条件相近的情况下，粘土矿物含量越高，页岩气体吸附越高，并且随着压力的逐渐增加，不同粘土矿物含量页岩样品吸附量的差距会逐渐增大同时还发现，碎屑与碳酸盐矿物含量的增加会降低页岩对气体的吸附能力。

不同类型的粘土矿物因其不同的晶体结构及化学性质而具有不同的吸附能力，具体影响。Ross在30℃条件下对干燥粘土矿物样品进行吸附实验，发现伊利石的吸附能力要大于蒙脱石以及高岭石。Lu Xiaochun等同样认为，伊利石的吸附作用在有机碳较低的页岩中起到了至关重要的作用。而吉利明等在条件下对各单矿物的干燥样品进行甲烷等温吸附实验得出了不同的结论，认为粘土矿物气体吸附能力的大小次序为：蒙脱石>伊蒙混层>高岭石>绿泥石>伊利石。

5、热成熟度对吸附的影响

热成熟度指烃源岩中有机质的热演化水平。热演化水平越高，有机质的成熟度越高，有机质转化为甲烷气的水平也就越高。目前，普遍认为页岩有机质的热成熟度的变化会导致有机质结构的改变，进而影响页岩的吸附能力。热成熟度的评价指标主要有两种：一种以有机质的物理光学性质为基础，常用镜质体反射率（Ro）表示;另一种以化学成分为基础，主要为热解分析的最高热解温度。本文利用岩样的镜质体反射率值来表征其热成熟度。镜质体反射率在表征热成熟度和热演化过程方面直接、有效，普遍应用于煤岩学和油气勘探开发中。有机质成熟阶段镜质体反射率评价标准。一般随着有机质热成熟度升高，吸附量增大。

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