秦曉艷

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，陜西 西安 710069)

鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)張家灘頁(yè)巖吸附能力及影響因素研究

秦曉艷

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，陜西 西安 710069)

[摘要]吸附是頁(yè)巖氣的主要賦存方式，吸附氣評(píng)價(jià)是頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)和資源潛力評(píng)價(jià)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)頁(yè)巖氣的有效開(kāi)發(fā)具有重要意義。針對(duì)陸相強(qiáng)非均質(zhì)性頁(yè)巖吸附氣評(píng)價(jià)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地東南部下寺灣地區(qū)Y2井的張家灘頁(yè)巖不同巖性巖心開(kāi)展等溫吸附實(shí)驗(yàn)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自由體積轉(zhuǎn)換，開(kāi)展頁(yè)巖不同壓力下吸附特征研究，獲得了張家灘頁(yè)巖吸附能力的客觀認(rèn)識(shí)，當(dāng)壓力較小時(shí)，吸附能力隨著壓力增加顯著加大，當(dāng)壓力較大時(shí)，吸附能力基本不再隨壓力變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的吸附常數(shù)可以預(yù)測(cè)地層條件下頁(yè)巖的最大吸附氣含量。以此為基礎(chǔ)結(jié)合平行巖樣的地化等實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，開(kāi)展張家灘頁(yè)巖吸附能力影響因素分析，明確了有機(jī)碳量、粘土礦物含量和孔隙度是影響吸附能力的主控因素。

[關(guān)鍵詞]下寺灣地區(qū)；頁(yè)巖氣；等溫吸附；吸附能力；吸附氣含量；主控因素

近年來(lái)伴隨著頁(yè)巖氣技術(shù)的發(fā)展[1-2]，富有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖層段逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。以游離態(tài)賦存于孔隙和微裂縫中的游離氣和以吸附態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)和粘土顆粒表面的吸附氣是頁(yè)巖氣的主要組成部分，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為泥頁(yè)巖中吸附氣含量占總含氣量的40%以上[3]。因富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系中發(fā)育的大量納米級(jí)孔隙，具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附勢(shì)能，可吸附大量的甲烷氣體。因此，吸附氣含量評(píng)價(jià)是頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)必需的基本參數(shù)，也是頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)頁(yè)巖氣藏的有效開(kāi)發(fā)具有重要意義[4-6]。

眾多學(xué)者通過(guò)石油地質(zhì)和頁(yè)巖氣形成地質(zhì)條件分析，認(rèn)為鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段的陸相張家灘頁(yè)巖的頁(yè)巖氣資源條件較好。但張家灘頁(yè)巖由于沉積期環(huán)境頻繁交替變化導(dǎo)致其層系內(nèi)大量發(fā)育泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等巖性層理，具有巖性非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)[7]。針對(duì)陸相強(qiáng)非均質(zhì)性頁(yè)巖吸附氣評(píng)價(jià)的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地東南部下寺灣地區(qū)Y2井張家灘頁(yè)巖不同巖性的巖心進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定其吸附氣含量，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展張家灘頁(yè)巖吸附能力分析工作，并通過(guò)有機(jī)質(zhì)、熱演化參數(shù)、粘土礦物等頁(yè)巖吸附能力的單因素分析，明確影響張家灘頁(yè)巖吸附能力的主控因素。

1地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中南部下寺灣地區(qū)，面積約4 000 km2(圖1)，晚三疊世長(zhǎng)7期靠近湖盆中心區(qū)域，沉積了一套分布穩(wěn)定、厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高的陸相泥頁(yè)巖-張家灘頁(yè)巖，頁(yè)巖氣資源條件較好，其半深湖-深湖相富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁(yè)巖為頁(yè)巖氣有利的生氣層和儲(chǔ)集層。2011年4月在延長(zhǎng)石油在下寺灣地區(qū)完鉆的柳評(píng)177井在張家灘頁(yè)巖段，壓裂測(cè)試成功出氣，成為國(guó)內(nèi)第一口陸相頁(yè)巖氣井，由此啟動(dòng)了延安國(guó)家級(jí)陸相頁(yè)巖氣示范區(qū)建設(shè)，預(yù)示了下寺灣地區(qū)較好的頁(yè)巖氣資源前景。

圖1　頁(yè)巖氣研究區(qū)位置

2等溫吸附測(cè)試

甲烷的等溫吸附試驗(yàn)是評(píng)價(jià)含氣頁(yè)巖吸附氣含量的常用手段之一[8-9]。在恒溫條件下，通過(guò)模擬樣品的吸附特征和吸附量，測(cè)試不同壓力下對(duì)甲烷氣體的吸附量，根據(jù)測(cè)試的不同壓力點(diǎn)和測(cè)試吸附氣量繪制出吸附等溫曲線，由此可建立吸附氣含量與壓力、溫度的關(guān)系模型[10]。

將下寺灣地區(qū)Y2井8塊不同巖性的張家灘頁(yè)巖樣品粉碎至80目以下，于密封容器中，30℃條件下，利用純度99.99%的甲烷氣體，進(jìn)行不同壓力條件下的吸附試驗(yàn)，共測(cè)定8個(gè)壓力點(diǎn)，最大壓力約16 MPa，測(cè)試達(dá)到吸附平衡時(shí)所吸附的甲烷氣體的體積，實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定結(jié)果在經(jīng)過(guò)自由體積轉(zhuǎn)換后，可得到頁(yè)巖樣品的實(shí)際吸附氣量(圖2)。

圖2　下寺灣地區(qū)Y2井延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段張家灘

3吸附能力分析

通常采用Langmuir模型來(lái)描述實(shí)驗(yàn)樣品的吸附特征，Langmuir理論模型認(rèn)為頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)和粘土礦物對(duì)天然氣的吸附力為范德華力，吸附穩(wěn)定性差，易解吸，屬于單分子層物理吸附。根據(jù)該理論(Langmuir，1916)，在恒溫條件下，頁(yè)巖吸附氣量是壓力的函數(shù)，吸附氣量的大小與壓力值呈非線性關(guān)系，單位壓力下的吸附氣量大小與壓力值呈線性關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式為：

式中：V吸為頁(yè)巖吸附氣含量(m3/t)；VL為L(zhǎng)angmuir體積(m3/t)；b為吸附系數(shù)；P為實(shí)驗(yàn)壓力(MPa)；PL為L(zhǎng)angmuir壓力(MPa)。

根據(jù)Y2井巖樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖2可知，當(dāng)壓力較小，小于10 MPa時(shí)，吸附較弱，不同巖性的頁(yè)巖甲烷吸附氣含量與實(shí)驗(yàn)壓力呈非線性關(guān)系，隨壓力的增加顯著加大；當(dāng)頁(yè)巖甲烷吸附壓力大于15 MPa，吸附較強(qiáng)，吸附達(dá)到飽和，此時(shí)吸附量基本不再隨壓力明顯增加。其中，頁(yè)巖巖樣的甲烷最大吸附量在1.99～2.57 cm3/g之間，變化不大。含粉砂質(zhì)較多的頁(yè)巖巖樣，氣體吸附量越小，甲烷最大吸附氣量在0.81～1.52 cm3/g之間，變化范圍較大。

根據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)可獲得表征泥頁(yè)巖吸附特性的吸附常數(shù)：VL和PL，結(jié)合實(shí)際地層壓力，利用上式可以預(yù)測(cè)出地層條件下實(shí)際巖層的最大吸附氣含量。通過(guò)等溫吸附所得到的吸附氣含量數(shù)值可能會(huì)比實(shí)際含氣量數(shù)值偏，需再根據(jù)頁(yè)巖氣的具體保存條件校正結(jié)果。

4吸附氣含量的影響因素

以上基于等溫吸附實(shí)驗(yàn)的吸附氣含量預(yù)測(cè)方法，是將頁(yè)巖地層視為均質(zhì)地層對(duì)待得到的評(píng)價(jià)模型。但下寺灣地區(qū)張家灘陸相頁(yè)巖的巖性非均質(zhì)性非常強(qiáng)，吸附作用作為頁(yè)巖氣聚集成藏的重要作用，其吸附能力實(shí)際受控于多種地質(zhì)因素，因此通過(guò)分別建立吸附氣含量與頁(yè)巖地化、儲(chǔ)層等相關(guān)地質(zhì)因素的關(guān)系，開(kāi)展分析研究可以明確張家灘頁(yè)巖吸附能力的主要影響因素，可為有效預(yù)測(cè)強(qiáng)非均質(zhì)性陸相頁(yè)巖地層的吸附氣含量提供依據(jù)。

4.1吸附氣含量與有機(jī)碳的關(guān)系

頁(yè)巖中的分散有機(jī)質(zhì)富含納米級(jí)微孔隙，是甲烷吸附的主要空間之一[11]。而頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)與有機(jī)碳含量密切相關(guān)。從圖3可以看出，在相同溫度和壓力條件下，Y2井長(zhǎng)7段張家灘頁(yè)巖隨著有機(jī)碳含量的增大，甲烷吸附量呈線性增大，相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)為0.624 1，顯示吸附能力與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系密切。

4.2吸附氣含量與成熟度的關(guān)系

由于Y2井等溫吸附樣品中，僅一個(gè)樣測(cè)試了成熟度的光學(xué)指標(biāo)-鏡質(zhì)體反射率R0，因此無(wú)法客觀研究?jī)烧叩南嚓P(guān)性。但根據(jù)平行樣的熱解數(shù)據(jù)，利用成熟度的化學(xué)指標(biāo)-熱解最高峰溫Tmax，可間接研究?jī)烧叩年P(guān)系。等溫吸附試驗(yàn)樣品的Tmax分布在430℃～457℃，屬于已成熟。從Tmax與吸附氣含量相關(guān)性研究結(jié)果(圖4)來(lái)看，吸附氣含量受成熟度影響并不明顯，兩者相關(guān)性很弱。

圖4　下寺灣地區(qū)張家灘頁(yè)巖吸附氣量與熱解最高峰溫的關(guān)系

4.3吸附氣含量與礦物組成的關(guān)系

通過(guò)Y2井頁(yè)巖等溫吸附試驗(yàn)巖樣的平行樣X(jué)RD測(cè)試，可見(jiàn)隨著粘土礦物含量的增加，吸附氣含量增多，相關(guān)性很強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.655 2(圖5)，因?yàn)檎惩恋V物的比表面積較大[12]，而與之相反，石英、長(zhǎng)石等礦物的比表面積較小，因此隨著其含量增加，吸附氣含量減少。

4.4吸附氣含量與孔隙度的關(guān)系

從圖6可以看出，Y2井長(zhǎng)7段張家灘頁(yè)巖吸附氣含量與孔隙度之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.668 4。這是因?yàn)轫?yè)巖中較高的孔隙度，提供了較大的比表面，提高了巖樣吸附氣體的能力。

圖5　下寺灣地區(qū)張家灘頁(yè)巖吸附氣量與粘土礦物的關(guān)系

圖6　下寺灣地區(qū)張家灘頁(yè)巖吸附氣量與孔隙度的關(guān)系

圖7　下寺灣地區(qū)張家灘頁(yè)巖吸附氣量與粘土礦物含量的關(guān)系

圖8　下寺灣地區(qū)張家灘頁(yè)巖吸附氣量與粘土礦物含量的關(guān)系

4.5吸附氣含量與密度的關(guān)系

從圖7可以看出，Y2井長(zhǎng)7段張家灘頁(yè)巖的吸附氣含量與密度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.501 6。由于頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)屬于輕組分，密度小于巖石骨架，認(rèn)為巖樣密度減小，可能是由于頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度越大引起，因而吸附氣含量越大。

4.6吸附量與濕度的關(guān)系

國(guó)外頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，頁(yè)巖氣產(chǎn)量較高的區(qū)域頁(yè)巖的含水飽和度通常較小。Y2井長(zhǎng)7段張家灘頁(yè)巖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析也印證了這一點(diǎn)，由圖8可見(jiàn)，頁(yè)巖的吸附氣量與巖樣的含水飽和度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.246 2。

通過(guò)以上30℃條件下，Y2井張家灘頁(yè)巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲得的吸附氣含量與各地質(zhì)因素之間的相關(guān)性分析可以初步得出下寺灣地區(qū)頁(yè)巖吸附氣含量的主要影響因素為有機(jī)碳含量、粘土礦物含量、孔隙度。

5結(jié)語(yǔ)

(1)張家灘陸相頁(yè)巖的等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明，在溫度一定的條件下，當(dāng)壓力較小時(shí)，吸附較弱，吸附能力隨著壓力增加顯著加大；當(dāng)壓力較大時(shí)，吸附較強(qiáng)，吸附量基本不再隨壓力變化。

(2)張家灘陸相頁(yè)巖的甲烷最大吸附量在1.99～2.57 cm3/g之間，含粉砂質(zhì)較多的頁(yè)巖，甲烷最大吸附氣量在0.81～1.52cm3/g之間，隨著粉砂含量增加，氣體吸附能力減小。

(3)吸附氣含量預(yù)測(cè)模型的關(guān)鍵是對(duì)頁(yè)巖吸附能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，影響泥頁(yè)巖吸附能力的因素很多，其中較為重要的影響因素為有機(jī)碳含量、粘土礦物含量和孔隙度。

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[收稿日期]2016-02-24

[作者簡(jiǎn)介]秦曉艷(1984-)，女，貴州思南人，在讀博士研究生，主要從事油氣藏儲(chǔ)層地質(zhì)研究。

[中圖分類號(hào)]P641.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0261-03