顏　青

（江西省煤田地質(zhì)局二二三地質(zhì)隊江西鷹潭　335000）

高成熟度頁巖孔隙特征對吸附能力的影響

顏青

（江西省煤田地質(zhì)局二二三地質(zhì)隊江西鷹潭335000）

精確的掌握頁巖儲層的孔隙特征是研究頁巖儲層吸附能力的基礎(chǔ)問題，因此本文以贛東北地區(qū)下寒武統(tǒng)荷塘組高演化程度頁巖儲層為例，通過對野外采集的露頭樣品進(jìn)行低溫氮氣吸附實驗、掃描電鏡觀測和等溫吸附實驗，對儲層孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙類型和吸附氣含量進(jìn)行測定，并討論高演化頁巖儲層孔隙特征對頁巖儲層吸附能力的影響。結(jié)果表明：高演化程度荷塘組頁巖儲層孔隙特征較為復(fù)雜，總體上以2～50nm有機質(zhì)孔隙為主，無機孔隙發(fā)育較少；且有機質(zhì)孔隙是控制高演化頁巖儲層甲烷吸附能力的主要內(nèi)因，有機碳含量越高，有機質(zhì)孔隙越發(fā)育，頁巖甲烷吸附能力越強。

頁巖；高演化；孔隙特征；吸附能力

引言

頁巖氣儲層主要由有機質(zhì)、脆性礦物及粘土礦物等組成，并形成不同類型與大小的孔裂隙；頁巖氣則以吸附態(tài)賦存于有機質(zhì)和粘土顆粒的表面，或以游離態(tài)存在于這些天然裂隙和粒間孔隙中[1]。前人研究表明，頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征對頁巖氣的吸附和滲流特性有很大的控制作用，如孔隙類型或孔徑大小的不同對頁巖的吸附能力產(chǎn)生不同的影響[2]。因此，本文以贛東北地區(qū)下寒武統(tǒng)荷塘組頁巖為研究對象，通過氮氣吸附、掃描電子顯微鏡及等溫吸附等實驗方法，探討高演化程度頁巖孔隙特征對頁巖儲層吸附能力的影響。

1　樣品采集與測試

贛東北下寒武統(tǒng)荷塘組為一套海相沉積的黑色薄層狀炭質(zhì)、硅質(zhì)頁巖，主要形成于水體較深、滯留缺氧的陸棚沉積環(huán)境[3]，且該地層先后經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運動，導(dǎo)致荷塘組頁巖的熱演化程度普遍較高，已達(dá)到高—過成熟階段的（表1）。為研究高成熟度頁巖孔隙特征對甲烷吸附能力的影響，本文在贛東北地區(qū)荷塘組野外實測剖面中系統(tǒng)的選取12塊新鮮斷面的泥頁巖樣品，其有機碳含量、Ro值及礦物成分見表1。在此基礎(chǔ)上，分別利用低溫氮氣吸附、掃描電鏡、等溫吸附等實驗手段觀察樣品孔隙特征和對甲烷的吸附能力。

表1　贛東北荷塘組泥頁巖樣品基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)

2　實驗結(jié)果

2.1孔隙結(jié)構(gòu)特征

比表面積、總孔體積與孔徑分布：

應(yīng)用BET和DFT模型，根據(jù)低溫氮氣吸附測試結(jié)果，計算出荷塘組頁巖的比表面積為5.07～13.59m2/g，平均為7.80m2/g；總孔體積為0.0156～0.0634ml/g，平均為0.0450ml/g；平均孔徑為27.059～81.623nm，平均為48.301nm（表2）。頁巖樣品孔隙孔徑上分布在2～130nm之間，且孔體積分布有兩個峰值，一個主要位于2～5nm；另一個主要位于20～50nm左右，總體上以2～50nm納米級孔隙為主（圖1）。表明高演化程度的荷塘組頁巖主要發(fā)育小于100nm的微小孔隙，且以2～50nm微孔隙孔為主，并包含少量其他類型、大小的孔隙。

表2　頁巖樣品氮氣吸附與等溫吸附測試結(jié)果統(tǒng)計表

圖1　頁巖平均孔徑與孔體積分布圖

2.2掃描電鏡下孔隙特征

掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，荷塘組頁巖樣品內(nèi)部發(fā)育多種孔隙類型，參考前人對頁巖孔隙種類劃分[5]，大體上可分為兩類：無機孔隙與有機質(zhì)孔隙。無機孔隙主要包括礦物基質(zhì)粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔和溶蝕孔，其形成于泥頁巖中各類無機礦物顆粒內(nèi)部和之間；如石英、長石等礦物之間的粒間孔和粒內(nèi)孔（圖2a-2b），黏土礦物晶片之間的晶間孔（圖2c），方解石和長石等礦物顆粒內(nèi)部形成的溶蝕孔等（圖2d）。其主要特點是納米級—微米級孔隙均有發(fā)育，但孔隙總體較大，孔徑多分布0.1～2.0μm之間。荷塘組富有機頁巖樣品內(nèi)部的有機質(zhì)孔隙主要為隨著熱解生烴而形成的殘留孔，形狀多不規(guī)則，一般呈狹縫狀、氣孔狀、橢圓形等形狀（圖2e-圖2h）；其特點是孔隙總體較小，多以納米級孔隙為主，孔徑分布在3～835nm之間，平均小于50nm；且對于有機質(zhì)豐度越高的樣品有機質(zhì)孔隙發(fā)育越多。

圖2　荷塘組黑色頁巖掃描電鏡下孔隙特征

2.3等溫吸附特征

等溫吸附實驗結(jié)果顯示，在30℃條件下，贛東北荷塘組頁巖樣品的理論最大吸附量（VL）介于0.69～8.19m3/t之間，平均為2.67m3/t；蘭氏壓力介于1.50～1.97MPa之間，平均為1.75MPa（表2）。不同黑色頁巖樣品的甲烷最大吸附量具有較大的差異性，而這種差異性也間接體現(xiàn)出頁巖內(nèi)部孔隙類型、比表面積及孔徑分布等特征的差異。

3　孔隙特征對頁巖儲層吸附量的影響

3.1高演化程度頁巖儲層的孔隙特征

通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，荷塘組頁巖樣品中發(fā)育較多小于50nm的有機孔隙，而無機孔隙則發(fā)育較少。低溫氮氣孔徑分布結(jié)果也顯示大部分樣品的孔隙以2～50nm中孔為主，與掃描電鏡的觀察結(jié)果相符，說明高演化程度的富有機質(zhì)頁巖中以有機孔隙為主。

如圖3所示，TOC含量與頁巖比表面積、總孔體積有很明顯的正線性關(guān)系，相似系數(shù)分別為0.683、0.697；而粘土和石英與頁巖比表面積、總孔體積的之間沒有明顯的線性相關(guān)性，表明TOC是控制高演化程度頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征的主要內(nèi)在因素，也更加證明了高演化程度的富有機質(zhì)頁巖儲層中以有機質(zhì)孔隙為主。

圖3　主要礦物成分及TOC含量與比表面積、孔體積

其主要原因為隨著成巖演化程度的增加，石英、長石等礦物之間的無機孔隙會因壓實而逐漸減小，粘土等不穩(wěn)定礦物也會發(fā)生塑性變形及相變使頁巖結(jié)構(gòu)變得更加致密，頁巖中無機孔隙大量減少；但演化程度的增加會使有機質(zhì)逐漸達(dá)到生烴門限，進(jìn)而會形成大量的生烴殘余孔隙，增大了頁巖中的有機質(zhì)孔隙[6～7]。因此結(jié)合研究結(jié)果可以得出隨著演化程度的增加，頁巖的主要孔隙類型由無機孔隙逐漸向有機質(zhì)孔隙轉(zhuǎn)變。

3.2有質(zhì)機孔對高演化頁巖儲層吸附能力的主控作用

頁巖儲層吸附能力受TOC含量、粘土礦物、干酪根類型、成熟度等多種因素的影響，對于高演化程度的頁巖儲層來說，其孔隙類型及結(jié)構(gòu)特征有其獨特的性質(zhì)，進(jìn)而造成這些因素對頁巖儲層吸附性能的控制強度有所差異。圖4表明，TOC含量與頁巖甲烷最大吸附量有很明顯的正線性相關(guān)性，相似系數(shù)較高，為0.942，說明TOC含量對高成熟度頁巖儲層的吸附能力有很強的控制作用；而粘土礦物、脆性礦物及Ro值與頁巖甲烷的最大吸附量之間不具有明顯的相關(guān)性，說明它們對高成熟度頁巖的吸附能力控制較弱。究其根本原因為高演化程度富有機質(zhì)頁巖儲層孔隙類型2～50nm的有機質(zhì)孔為主，無機孔隙發(fā)育較少，因此，TOC含量越大，有機孔隙越發(fā)育，頁巖的比表面積、孔體積就越大，對甲烷的吸附能力就越強。

圖4　TOC、主要礦物成分及Ro與甲烷最大吸附量的關(guān)系

4　結(jié)論

（1）荷塘組頁巖成熟度較高，孔隙結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜，總體上以有機孔隙為主，孔徑主要分布在2～50nm之間，而無機孔隙則發(fā)育較少。

（2）隨著熱演化程度的增加，頁巖的孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的演化，頁巖的主要孔隙類型將由無機孔隙逐漸向有機質(zhì)孔隙轉(zhuǎn)變。

（3）有機質(zhì)孔隙是控制高成熟度富有機質(zhì)頁巖甲烷吸附能力的主要內(nèi)因，有機碳含量越高，有機質(zhì)孔隙越發(fā)育，頁巖的比表面積越大，甲烷的吸附能力就越強。

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TE122

A

1673-0038（2015）50-0171-02

2015-11-15