不同方向取样的页岩孔隙差异实验结果分析

张 铮

（山西晋兴能源公司斜沟煤矿，山西 太原 030000）

1 概述

页岩作为一种具有薄片状层理结构的粘土矿，具有良好的页岩气贮存能力［1］。页岩气的吸附能力是页岩气资源开采价值评价和目标区域选中的关键因素［2］。对于页岩气吸附能力的研究，页岩复杂的纳米级孔隙结构是决定吸附量的重要因素［3］。通过电镜扫描、低温氮气吸附和压汞法探究了页岩储层的孔隙结构，微孔和中孔是页岩储层纳米量级孔隙的主体孔隙，孔隙发育程度决定页岩气吸附存储能力［4］。上述研究主要集中于页岩孔隙结构特征的表征，但在不同方向取样的页岩孔隙差异研究较少。因此，笔者以四川长宁县龙马溪组页岩为研究对象，在大块页岩试样上分别沿平行层理和垂直层理的方向进行取样，利用低温氮气吸附法进行孔隙差异分析，该结果为页岩实验研究的取样方式以及页岩气开采储层勘探提供了一定的参考。

2 实验方法

2.1 试验样品及方法

此次实验所用页岩样品来自四川长宁县龙马溪。在大块页岩原样上选取层理明显、无裂隙破损的三个部分，分别编号为1组、2组、3组，然后在每一个部分分别平行和垂直层理钻取Φ6 mm×5 mm的圆柱试样；在1组、2组、3组中，平行层理钻取的试样为水平样，分别编号为1SP、2SP、3SP；同理垂直样的编号为1CZ、2CZ、3CZ。

钻取试样完成后，小心去除试样表面的浮尘，将试样在90℃恒温下干燥5h，待试样降至常温送检，进行低温氮气吸附测试（直接使用圆柱试样实验）。

2.2 试验设备

本次实验采用Micromeritics Instrument Corporation公司的ASAP 2020 HD88仪器。实验原理是温度（77K）恒定条件下以高纯度氮气作为吸附质在多孔介质表面发生物理吸附和毛管凝结，通过逐步增大/降低氮气的相对压力（p/p0，其中p为氮气分压，p0为饱和温度下的氮气的饱和蒸汽压）得到多孔介质中的氮气吸附-脱附量。并利用仪器配套计算机中内置的BET、BJH模型准确表征被测材料孔隙的孔径分布和结构特征。孔径范围2～300 nm，比表面积最低为0.001 m2/g，孔体积最低为0.000 1 cm3/g。

3 结果分析

3.1 吸附-脱附曲线

图1分别为三组试样的等温吸附—脱附曲线。从图1中可以观察到不同组之间的吸附曲线形态稍有区别，但整体上呈反“S”型。表明页岩试样中微孔到大孔阶段孔隙均有发育，孔隙结构具有一定的连通性。同组内吸附曲线形态接近一致，但水平样的吸附量明显高于垂直样。在相对压力为1时，试样1SP、1CZ、2SP、2CZ、3SP、3CZ的氮气吸附量分别为12.77 cm3/g、10.64 cm3/g、11.61 cm3/g、10.03 cm3/g、8.02 cm3/g、6.70 cm3/g，六个试样的吸附量顺序为1SP＞2SP＞1CZ＞2CZ＞3SP＞3CZ，整体上并没有明显的规律；1、2、3组中水平样的吸附量比垂直样分别高出19.3%、15.7%、19.7%。综上所述，水平样中总的孔隙含量及吸附能力均高于垂直样。

图1 低温氮气吸附/脱附曲线

3.2 BET孔容、BJH孔比表面积

六个试样的孔隙孔径在3.135 7～3.523 3 nm，平均值3.357 9 nm，平均孔径分布较为均匀，表明页岩属于中孔材料。

在表1中，六个页岩试样的BJH孔隙体积、BET比表面积大小顺序为1SP＞2SP＞1CZ＞1CZ＞3SP＞3CZ。1组中1SP的孔体积为0.019 359 cm3/g，1CZ 为0.016 098 cm3/g，1SP 的比表面积为24.694 6 m2/g，1CZ为18.276 7 m2/g，水平样的孔体积、比表面积相比垂直样分别高出20%、35%。同理，2组和3组中水平样的孔体积、比表面积比垂直样分别高出17%、14%和39%、43%。综上所述，同一组内平行样的孔体积和比表面积明显高于垂直样。

表1 低温氮气吸附/脱附实验孔隙结构参数

4 结语

在对页岩储层勘探及页岩气开发过程中，选取合适的开采方式角度同样有利于提高页岩气的开采效率。通过上述实验发现：水平层理样品的孔裂隙连通性、孔裂隙含量、页岩气的吸附贮存能力均明显强于垂直层理样品。故在垂直于水平层理方向开采页岩气时，可以大幅提高页岩气的产量及开采效率。本次成果为页岩储层的勘探以及页岩气的开采提供了一定参考。