中国南方海相页岩吸附特征及其影响因素

刘洪林，王红岩

目的：我国南方古生界页岩成熟度高，大部分地区埋藏较深，经历了复杂的构造热演化历史，地层抬升对页岩含气性产生了直接影响，尤其对页岩吸附能力和含气饱和度有着重要的影响。选取南方海相龙马溪组样品进行吸附能力测试，探讨了温度、总有机碳对页岩吸附能力的影响，并认为构造抬升作用通过影响页岩吸附而对页岩富集成藏产生重要影响。方法：实验采用高压气体等温吸附/解吸仪进行。该仪器安装在恒温油浴上，温度误差控制在±0.2℃以内，压力精度为3.51 kPa。实验要求将样品破碎到小于60目（0.25 mm）。为模拟页岩的储层条件，实验将采用美国材料实验协会（ASTM）所推荐的标准，即在储层温度和平衡水含量条件下进行气体吸附实验。研究选取我国南方海相露头区龙马溪组钻井取心 13个样品进行 30℃、60℃、90℃和 120℃条件下等温吸附实验。首先将样品称重（约100 g），精确到0.2 mg；再把预湿页岩样品放人装有过饱和K2SO4溶液的恒温箱中，该溶液可以使相对湿度保持在 96%～97%之间；48 h后样品即被全部湿润，间隔一定时间称重一次，直到恒重为止。平衡水分含量等于工业分析中空气干燥基水分（mad）与页岩样水平衡时吸附水分含量之和。实验最高压力为12 MPa时，实验压力点数一般为8个，每个压力点的吸附平衡时间一般大于12 h；吸附介质为甲烷气体，纯度为99.99%；实验温度恒定。实验过程中，计算机自动记录下不同时间样品缸和参考缸的温度和压力数据。实验结束后，根据朗格缪尔单分子层吸附原理进行数据处理，计算朗格缪尔体积和朗格缪尔压力，并拟合后获得所测量页岩样品的等温吸附曲线和朗格缪尔方程式。在给定地温梯度和压力梯度的情况下，根据理论吸附数据和朗格缪尔房产计算不同埋深温度和压力，将不同条件下甲烷的吸附数据投在温压—吸附量坐标系中并成图，以此来反映地层抬升过程中页岩吸附能力和含气饱和度的变化。结果：通过对实验结果统计分析，可以看出：在相同压力下，随着 TOC的增大，甲烷吸附量呈增加趋势，中国南方海相页岩的吸附能力与总有机碳成正相关的关系。页岩甲烷吸附量随着微孔隙体积的增大而增大，存在较好的相关性。构成页岩微孔隙主要来自于页岩中的有机质，与 TOC密切相关的微孔隙度是孔隙介质的主要组成部分，可以形成大量的内表面面积和吸附能（小于2 nm的孔）提高了吸附能力。分析30℃、60℃、90℃和120℃条件下页岩样品的等温吸附实验，认为页岩储层在不同的埋深储层温度有一定的变化，对页岩气吸附性能产生不同的的影响，随着温度的升高，页岩的最大吸附量呈逐渐减少的规律。黑色泥页岩样品实验中平衡水含水率变化不是很大，甲烷最大吸附量与样品含水率的之间存在负相关的关系，即甲烷最大吸附量随平衡水含量增加而减少。由于水的存在，页岩的孔隙空间被占据，造成甲烷吸附量的降低。在页岩 TOC含量基本相似的条件下，页岩吸附量与黏土矿物成分高低无明显相关性。结论：作者研究认为中国南方海相页岩都具有一定的吸附能力，同时认为有机碳含量、温度和压力是影响页岩气吸附能力的主要因素。页岩吸附能力和实际吸附量会随着构造抬升作用发生变化。作者认为，当地温梯度变化不大时，地层抬升会导致页岩吸附能力减小，页岩产生解吸作用。当地温梯度越变化越大，压力梯度变化越大，地层抬升作用就越有可能会引起页岩吸附能力的增加，从而导致页岩含气饱和度降低。作者认为地层抬升量的大小与页岩吸附能力的变化具有一定的关系，例如当抬升量过大时，吸附能力表现为减小，反之则增大。

来源出版物：天然气工业, 2012, 32(9): 5-9

入选年份：2015