李俊乾 ，盧雙舫，李文鏢，蔡建超

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580

2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 昌平 102249

引言

中國(guó)具有豐富的頁(yè)巖氣資源。頁(yè)巖氣以其分布范圍廣、資源量大、穩(wěn)產(chǎn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，成為中國(guó)當(dāng)前非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)。頁(yè)巖氣主要成分為甲烷，其以儲(chǔ)集于天然裂縫和基質(zhì)孔-裂隙中的游離氣以及吸附于有機(jī)質(zhì)和黏土顆粒表面的吸附氣為主，其中，吸附氣可占20%～85%[1]，含少量溶解氣[2-3]。近年來(lái)，中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，在涪陵、威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通、富順—永川等南方海相五大頁(yè)巖氣區(qū)塊取得顯著成效[4-5]，2018 年，頁(yè)巖氣產(chǎn)量突破百億方。雖然中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)已步入產(chǎn)業(yè)化階段，但與美國(guó)近7 600×108m3的年產(chǎn)量（2018 年）相比，仍有較大的差距和發(fā)展空間。與北美頁(yè)巖氣區(qū)相比，中國(guó)南方海相古生界頁(yè)巖氣藏成熟度高、埋藏較深，經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造熱演化歷史[6-7]，這種復(fù)雜的地質(zhì)儲(chǔ)層條件使得頁(yè)巖氣勘探、開采的技術(shù)難度大大提高，目前仍存在眾多有待探索和解決的難題。特別是頁(yè)巖原位含氣性評(píng)價(jià)，包括總含氣量、吸附氣含量、游離氣含量及吸附氣含量與游離氣的比例，一直以來(lái)受到科技工作者特別的關(guān)注和重視。頁(yè)巖原位含氣量常用于頁(yè)巖氣資源量的估算或作為生產(chǎn)模擬的輸入?yún)?shù)，是影響頁(yè)巖氣資源開發(fā)經(jīng)濟(jì)潛力的關(guān)鍵儲(chǔ)層參數(shù)之一[8]；吸附氣和游離氣的傳輸機(jī)制不同[9]，它們的含量將直接影響氣體的產(chǎn)出過(guò)程。因此，確定總氣體含量、吸附氣和游離氣含量及其比例對(duì)頁(yè)巖氣藏的高效開采至關(guān)重要。

直接法和間接法是兩種最為常見的煤巖及頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)方法。直接法是基于現(xiàn)場(chǎng)解析數(shù)據(jù)來(lái)估算總含氣量，將總含氣量分為3 部分：損失氣、解吸氣和殘余氣。其中，解吸氣和殘余氣可通過(guò)解吸罐和磨球罐儀器準(zhǔn)確測(cè)量；損失氣量是在鉆井取芯、提鉆過(guò)程中及裝入解吸罐之前逸散的氣體含量[10]，這部分氣體無(wú)法直接測(cè)得，因此，對(duì)損失氣量的估算是決定直接法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外普遍使用基于巖芯現(xiàn)場(chǎng)解析的USBM（美國(guó)礦業(yè)局）直接法以及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的GRI（美國(guó)天然氣研究院）直接法進(jìn)行原位含氣量恢復(fù)，包括中國(guó)的煤層氣（GB/T 19559—2008）、頁(yè)巖氣（SY/T 6940—2013）含量評(píng)價(jià)的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，目前仍在使用上述方法。理論上，直接法是用于恢復(fù)吸附氣的損失，更適用于吸附氣含量較高、埋藏較淺的煤層氣儲(chǔ)層，而對(duì)于游離氣含量較高的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層或低階煤儲(chǔ)層，這種方法就失去了其效用。此外，直接法無(wú)法較好地區(qū)分游離氣和吸附氣[11]，不能恢復(fù)游離氣含量。間接法是分別評(píng)價(jià)出不同賦存狀態(tài)氣體（吸附氣、游離氣和溶解氣）含量的一類方法[12-13]。該方法的主要誤差來(lái)源是對(duì)吸附氣含量的估算[10]。

由于氣體分壓、儲(chǔ)層原位條件的確定比較困難，且等溫吸附方程計(jì)算值為理論最大吸附氣量，因此，吸附氣含量理論估算值與實(shí)際地質(zhì)情況偏差較大，使得這一方法的應(yīng)用效果大打折扣。為解決這一難題，筆者及所在團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于該領(lǐng)域的研究，提出了兩種有效的原位含氣性評(píng)價(jià)方法，即過(guò)程分析法[10]和同位素分餾法[14]。其中，過(guò)程分析法原理上仍屬于間接法范疇，但使用現(xiàn)場(chǎng)解析數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定、計(jì)算原位含氣性參數(shù)，是一種全新的方法。

本文重點(diǎn)介紹該方法的基本原理，并以中國(guó)四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊JY182-6 井五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)為例介紹其應(yīng)用效果，最后分析了頁(yè)巖物質(zhì)組成、儲(chǔ)層參數(shù)等對(duì)頁(yè)巖原位含氣性的控制作用。研究成果為頁(yè)巖原位含氣性評(píng)價(jià)提供了新思路。

1 基本原理

過(guò)程分析法將鉆井取芯和現(xiàn)場(chǎng)解析全過(guò)程拆分為5 個(gè)階段，根據(jù)鉆井取芯參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)解析參數(shù)及儲(chǔ)層參數(shù)確定每個(gè)階段的起始時(shí)間節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而分析游離氣和吸附氣在不同階段的逸散損失行為[圖1，其中，t—時(shí)間，min；t1、t2、t3、t4—階段I、階段II、階段III、階段IV 經(jīng)歷時(shí)間，min；td—巖芯在井筒中經(jīng)歷的總時(shí)間，min；te—總經(jīng)歷時(shí)間，min；θ—傾斜角，（°）；p—儲(chǔ)層壓力，MPa；pg—泥漿重力產(chǎn)生的壓力，MPa；pa—大氣壓力，MPa；pcd—甲烷的臨界解吸壓力，MPa；n—解析的游離氣含量，mol；n0—原始游離氣含量，mol；VL—蘭氏體積，m3/t；pL—蘭氏壓力，MPa；pi—原始儲(chǔ)層壓力，MPa；R—?dú)怏w普適常數(shù)，R=8.314 J（/K·mol）；T—溫度，K；Z—?dú)怏w壓縮因子，無(wú)因次；Vf—游離氣體的體積，cm3；Va—理論吸附氣體含量，m3/t]。同時(shí)，該方法精確地確定了提芯過(guò)程中氣體開始逸散的時(shí)間零點(diǎn)（time zero）和損失氣體時(shí)間（loss gas time）這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 鉆井取芯和現(xiàn)場(chǎng)解析過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling coring and field desorption process

1.1 階段劃分及數(shù)學(xué)描述

1.1.1 階段I（0≤t

儲(chǔ)層壓力小于鉆井泥漿重力產(chǎn)生的壓力和大氣壓力之和，即p

式中：ρ—鉆井泥漿密度，g/cm3；

g—重力加速度，g=9.81 m/s2；

v—平均提鉆速度，km/min。

需要注意的是，如果階段I 不存在，則t1=0。

1.1.2 階段II（t1≤t

儲(chǔ)層壓力等于鉆井泥漿重力和大氣壓力之和，即p=pg+pa；同時(shí)大于甲烷的臨界解吸壓力（pcd），即p>pcd。聚集在巖芯內(nèi)孔隙-裂縫中的游離態(tài)氣體可以用氣體狀態(tài)方程（PVT 方程）來(lái)描述，如圖1b所示。在此階段內(nèi)，隨著巖芯的不斷抬升，儲(chǔ)層壓力逐漸降低，由于儲(chǔ)層壓力突破了巖芯周圍的壓力而使游離氣體逸出并損失（逸散）。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力時(shí)，階段II 結(jié)束?？赏ㄟ^(guò)式（2）計(jì)算階段II 經(jīng)歷的時(shí)間t2

為了在統(tǒng)一刻度下分析氣體含量，將一定溫度和壓力條件下的游離氣體濃度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)條件下的游離氣體濃度，基于氣體狀態(tài)方程可得

式中：Cf—過(guò)剩吸附量對(duì)應(yīng)的游離氣含量，m3/t；

Z0—標(biāo)準(zhǔn)狀況下甲烷的氣體壓縮因子，Z0=0.997 6；

T0—標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，T0=273.15 K；

p0—標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，p0=0.101 325 MPa；

Sw—含水飽和度，%；

φ—巖芯孔隙度，%；

ρa(bǔ)—巖芯視密度，g/cm3。

式（3）中，氣體壓縮因子可表示為[15]

式中：pC—臨界壓力，MPa；

TC—臨界溫度，K。

巖芯在階段II（t1≤t

式中：Zi—儲(chǔ)層壓力下的氣體壓縮因子，無(wú)因次；

Zcd—臨界解吸壓力下的氣體壓縮因子，無(wú)因次。

1.1.3 階段III（t2≤t

該階段儲(chǔ)層壓力等于鉆井泥漿重力和大氣壓之和（即p=pg+pa），但小于甲烷的臨界解吸壓力，即p≤pcd。在此階段，巖芯基質(zhì)中的吸附氣體開始解吸，并開始對(duì)氣體逸散量有所貢獻(xiàn)。游離氣體仍由氣體狀態(tài)方程來(lái)描述。解吸附過(guò)程服從Langmuir等溫吸附方程，并以過(guò)剩吸附的形式表示為[16-17]

式中：Ca—過(guò)剩吸附氣含量，m3/t；

ρg—游離氣密度，g/cm3；

ρa(bǔ)bs—吸附氣密度，g/cm3。

根據(jù)關(guān)系式ρg=pM/ZRT，式（6）可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

式中：M—摩爾質(zhì)量，g/mol。

理論上，在吸附平衡條件下氣體壓力一旦下降，氣體將發(fā)生解吸。然而，在原位儲(chǔ)層中氣體解吸過(guò)程可能更為復(fù)雜。甲烷在煤儲(chǔ)層中具有很強(qiáng)的吸附能力，通常飽和度較低，處于欠飽和狀態(tài)[18]；而在頁(yè)巖儲(chǔ)層中甲烷吸附能力相對(duì)較弱，則處于過(guò)飽和狀態(tài)，如圖1c 所示。因此，假定在巖芯氣體逸散過(guò)程中存在臨界解吸壓力，當(dāng)儲(chǔ)層壓力大于臨界解吸壓力時(shí)，從巖芯中逸散的氣體主要是游離氣；當(dāng)儲(chǔ)層壓力小于臨界解吸壓力時(shí)，氣體開始解吸，對(duì)應(yīng)的吸附量可用Langmuir 等溫吸附方程計(jì)算，見式（6）。

解吸后的氣體與游離氣一起從基質(zhì)孔隙流入裂縫系統(tǒng)并擴(kuò)散出巖芯，如圖1d。擴(kuò)散過(guò)程服從Fick第一定律[19-20]

式中：C—基質(zhì)單元內(nèi)平均氣體濃度，m3/g；

C(p)—平衡條件下基質(zhì)邊緣氣體濃度，m3/g；

D—擴(kuò)散系數(shù)，m2/min；

Fs—形態(tài)因子，m?2；

t—擴(kuò)散時(shí)間，min。

基質(zhì)與裂隙系統(tǒng)之間的氣體交換率為[19]

式中：q—?dú)怏w交換率，m3（/g·min）；

Fg—幾何因子，無(wú)因次。

在階段III 的每個(gè)平衡條件下，C（p）可表示為吸附氣與游離氣含量之和，且為氣體壓力的函數(shù)

初始時(shí)刻（t=t2）巖芯中的初始?xì)怏w濃度為

1.1.4 階段IV（t3≤t

該階段為巖芯到達(dá)地面且尚未放入解吸罐中。巖芯中的氣體開始逸散到大氣中，直至巖芯放入解吸罐中為止。在階段IV 的每個(gè)平衡條件下，濃度為

式中：Za—大氣壓條件下的氣體壓縮因子，無(wú)因次。

1.1.5 階段V（t4≤t≤te）

該階段是階段IV 的延續(xù)，起始于現(xiàn)場(chǎng)密閉解析。平衡條件控制方程與式（12）相同。

1.2 原位含氣性確定方法

為了確定總含氣量、吸附氣及游離氣含量及其比例，需要提供的參數(shù)包括：鉆井取芯和現(xiàn)場(chǎng)解析過(guò)程參數(shù)（θ，v，ρ，td，t4），儲(chǔ)層特性參數(shù)（pi，T，Sw，φ，ρa(bǔ)，F(xiàn)g），氣體吸附參數(shù)（ρa(bǔ)bs，VL，pL），氣體擴(kuò)散參數(shù)（D，F(xiàn)s）和氣體特性參數(shù)（pC，TC，M）。其中，將D與Fs的乘積作為一個(gè)整體，可以通過(guò)式（13）分析?ln(1?Qt/Q∞)與解吸時(shí)間t的關(guān)系直接獲得，斜率即為DFs估算值（實(shí)例見圖2）。

圖2 基于解析數(shù)據(jù)的參數(shù)DFs 估算（S1 樣品）Fig.2 Parameter estimation of DFs based on field desorption data（sample S1）

式中：

Qt—現(xiàn)場(chǎng)累積解析氣量，m3/t；

Q∞—巖芯現(xiàn)場(chǎng)解析氣體和殘余氣體的總和，m3/t。

在獲得上述參數(shù)之后，通過(guò)擬合現(xiàn)場(chǎng)解析數(shù)據(jù)來(lái)確定臨界解吸壓力pcd，該參數(shù)對(duì)確定吸附氣、游離氣含量至關(guān)重要。過(guò)程分析法程序化流程見文獻(xiàn)[10]。在本文中，pcd的優(yōu)化范圍是0 至原始儲(chǔ)層壓力，步長(zhǎng)為0.01 MPa。當(dāng)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)解析數(shù)據(jù)匹配性最好時(shí)，對(duì)應(yīng)的pcd值為最優(yōu)值。在獲得pcd之后，可通過(guò)式（14）和式（15）分別計(jì)算過(guò)剩吸附氣含量Ca和對(duì)應(yīng)的游離氣含量Cf

原位總含氣量Ct等于吸附氣含量和游離氣含量之和

最終，可得絕對(duì)吸附氣含量（原位吸附氣含量）

原位游離氣含量為

在獲得吸附氣、游離氣含量之后，不難計(jì)算得到吸附氣、游離氣比例。

1.3 適用條件及誤差分析

在使用過(guò)程分析法時(shí)，鉆井取芯和現(xiàn)場(chǎng)解析過(guò)程應(yīng)盡可能滿足：鉆井泥漿溫度和巖芯提升速度近似恒定，溶解氣含量可忽略，解析氣體以甲烷成分為主，鉆井液濾失對(duì)巖芯含水飽和度的影響很小，可忽略鉆井液的毛細(xì)管壓力。因此，研究中使用的鉆井取芯樣品需符合上述條件。第一個(gè)條件與鉆孔和取芯的實(shí)際操作有關(guān)。

其他條件與頁(yè)巖儲(chǔ)層特性密切相關(guān)。在成熟度較高的海相頁(yè)巖中吸附氣和游離氣占主導(dǎo)地位，溶解氣可忽略[12]，而且頁(yè)巖氣成分以“干氣”為主（即主要為甲烷）[21]。在取芯過(guò)程中，大多數(shù)情況下，儲(chǔ)層壓力等于鉆井泥漿重力和大氣壓力之和，因此鉆井液不易侵入巖芯對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)生影響。綜上，海相頁(yè)巖原位含氣性評(píng)價(jià)可使用該方法。

然而，實(shí)際取芯過(guò)程中，鉆井泥漿溫度并非完全恒定，并且也不完全等于現(xiàn)場(chǎng)解析水浴溫度和儲(chǔ)層溫度。尤其是在階段IV，巖芯暴露于空氣時(shí)大氣溫度與鉆井泥漿溫度不同。

因此，該方法中使用的溫度參數(shù)是潛在誤差項(xiàng)。理想情況下，在整個(gè)過(guò)程中溫度應(yīng)保持恒定，但這在實(shí)踐中是不現(xiàn)實(shí)的。通過(guò)誤差分析發(fā)現(xiàn)溫度輕微的變化對(duì)模擬結(jié)果的影響并不明顯，對(duì)游離氣含量的影響程度為?0.010 2 m3/（t·K）[10]。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 頁(yè)巖樣品基本信息

本文分析的28 個(gè)頁(yè)巖巖芯樣品分別取自四川盆地武隆向斜LY1 井[22]（樣品S1）和涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊JY182-6 井[23]（樣品S2—S28），層位為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組。

重點(diǎn)研究的JY182-6 井頁(yè)巖取芯深度段為3 356.33～3 508.58 m（圖3），總有機(jī)碳（TOC）含量為0.74%～4.48%，平均含量為2.24%；無(wú)機(jī)礦物組分以黏土礦物（含量為17.8%～67.2%，平均含量為42.2%）和石英（含量為14.5%～63.4%，平均含量為37.0%）為主，含有碳酸鹽礦物（平均含量為12.7%）和少量的長(zhǎng)石（平均含量為4.8%）、黃鐵礦（平均含量為3.2%）等；孔隙度為2.04%～4.38%，平均在3.18%，含水飽和度為35.06%～71.65%，平均在47.47%。

圖3 JY182-6 井頁(yè)巖基本特征Fig.3 Basic characteristic of shale in Well JY182-6

2.2 模擬結(jié)果分析

頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)解析通常采用二階解析的方法，一階解析溫度為鉆井泥漿溫度，二階解析溫度為儲(chǔ)層溫度，其中，一階解析的數(shù)據(jù)可用于過(guò)程分析法[10]。

以S1 樣品為例，采用過(guò)程分析法計(jì)算的氣體解析量與現(xiàn)場(chǎng)解析結(jié)果基本一致（圖4a），同時(shí)由累積解析氣量確定了氣體解析全過(guò)程（圖4b）。

過(guò)程分析法模擬結(jié)果（圖4b）可見，頁(yè)巖巖芯從鉆遇地層到裝入解吸罐歷時(shí)342.0 min。其中，井筒中提鉆290.0 min，空氣中暴露的時(shí)間為52.0 min。在取芯過(guò)程中，大約在25.8 min 時(shí)游離氣體開始從巖芯逸散；279.0 min 左右，吸附氣體開始解吸，隨后參與游離氣體的逸散。

圖4 過(guò)程分析法模擬結(jié)果與解析數(shù)據(jù)對(duì)比（S1 樣品）Fig.4 Comparison between simulation results of process analysis method and desorption data（sample S1）

巖芯樣品的分析結(jié)果表明，巖芯中的游離氣首先從巖芯中逸散，然后吸附氣體與游離氣體一起逸散。

根據(jù)式（16）～式（18）獲得了原位含氣性數(shù)據(jù)。S1 頁(yè)巖樣品總含氣量為4.59 m3/t，其中，吸附氣含量為1.27 m3/t、游離氣含量為3.32 m3/t，吸附氣體積占比較低，為27.66%。在提芯過(guò)程中，該樣品損失氣量較高，達(dá)到3.45 m3/t，可見巖芯到達(dá)地面之后，游離氣已損失殆盡。

將過(guò)程分析法在焦石壩區(qū)塊JY182-6 井進(jìn)行推廣應(yīng)用，獲得了該井頁(yè)巖的原位總含氣量、吸附氣/游離氣含量及其比例等數(shù)據(jù)，如表1 和圖5所示。

表1 過(guò)程分析法與USBM 法分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of process analysis method and USBM direct method

由表1 可以看出，過(guò)程分析法得到的頁(yè)巖總含氣量為2.42～5.72 m3/t，平均3.55 m3/t；吸附氣含量為0.67～2.83 m3/t，平均1.53 m3/t；游離氣含量為0.71～2.94 m3/t，平均2.03 m3/t；吸附氣比例為22.79%～74.43%，平均42.31%。由圖5 可以看出，JY182-6 井頁(yè)巖吸附氣比例主要分布在25.00%～75.00%。

圖5 JY182-6 井頁(yè)巖吸附氣比例Fig.5 Gas adsorption ratio of shale in Well JY182-6

在縱向上，頁(yè)巖總含氣量、吸附/游離氣量及其比例隨深度增加而發(fā)生變化（圖6），在五峰組頂部—龍馬溪組底部附近頁(yè)巖的總含氣量、吸附/游離氣含量均出現(xiàn)高值段，顯示吸附氣比例較高、游離氣比例較低。過(guò)程分析法模擬結(jié)果與USBM 直接法結(jié)果對(duì)比分析見圖7。

圖6 JY182-6 井頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Evaluation results of gas-bearing characteristic of shale in Well JY182-6

圖7 過(guò)程分析法與USBM 直接法結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of results between process analysis method and USBM direct method

由過(guò)程分析法與USBM 直接法所得的總含氣量對(duì)比（圖7a）可知，過(guò)程分析法頁(yè)巖總含氣量普遍高于USBM 直接法分析結(jié)果，是USBM 直接法的0.8～5.4 倍（平均2.0 倍）；兩種方法確定的損失氣含量之間沒(méi)有明顯相關(guān)性。兩者之間的差值（即過(guò)程分析法與USBM 直接法結(jié)果之差）為?1.27～1.58 m3/t（平均0.39 m3/t），與吸附氣比例呈現(xiàn)很好的負(fù)相關(guān)性（圖7b）。

當(dāng)吸附氣比例等于約50%時(shí)，兩種方法計(jì)算結(jié)果接近；當(dāng)吸附氣比例低于約50%時(shí)，USBM 直接法結(jié)果偏低，且隨吸附氣比例降低，偏低越大（即差值增加）；當(dāng)吸附氣比例高于約50%時(shí)，USBM 直接法結(jié)果偏高，且隨吸附氣比例增加，偏高越多（即差值減?。?。

利用差值和吸附比例之間的關(guān)系有助于判斷USBM 直接法結(jié)果的可靠性。

3 原位含氣性影響因素分析

基于頁(yè)巖原位含氣性定量評(píng)價(jià)結(jié)果，分析了頁(yè)巖TOC 含量、頁(yè)巖中無(wú)機(jī)礦物成分、儲(chǔ)層孔隙度、含水飽和度等參數(shù)對(duì)頁(yè)巖含氣性的影響。

3.1 TOC 含量

有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖生氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是頁(yè)巖氣（特別是吸附氣）賦存的主要空間[24]。大量實(shí)驗(yàn)研究指出頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)特征（TOC 含量，干酪根類型和成熟度）是影響頁(yè)巖氣（CH4）吸附能力的重要因素[25-29]，其中，TOC 含量起主導(dǎo)作用，CH4吸附能力與頁(yè)巖TOC 含量呈正相關(guān)性。這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)具有多微孔性，且隨有機(jī)碳含量增大，各種微孔隙類型增多、微孔隙度增大，可供天然氣吸附的比表面也增大，越有利于吸附氣賦存[28-29]。

對(duì)于單井150 余米厚的層段而言，頁(yè)巖干酪根類型和成熟度變化不大，TOC 含量成為影響氣體吸附的主要因素。JY182-6 井頁(yè)巖吸附氣含量及其比例與TOC 含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖8a，圖8b），而游離氣含量與TOC 含量相關(guān)性不大（圖8c），顯示有機(jī)質(zhì)含量是頁(yè)巖吸附氣含量及其比例的主控因素。隨TOC 含量增加，頁(yè)巖總含氣量逐漸增大（圖8d），說(shuō)明有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖氣富集的有利指標(biāo)。

圖8 頁(yè)巖含氣性與TOC 含量關(guān)系Fig.8 Relationship between gas-bearing characteristic of shale and TOC content

3.2 無(wú)機(jī)礦物

頁(yè)巖中無(wú)機(jī)礦物成分影響了頁(yè)巖孔隙微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響了頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集。

本次研究頁(yè)巖的礦物成分主要為黏土礦物和石英。焦石壩地區(qū)在五峰期—龍馬溪期處于深水陸棚環(huán)境，石英多為生物成因，TOC 含量與石英含量呈正相關(guān)關(guān)系（圖9a），同時(shí)在該環(huán)境下，TOC 含量與黏土礦物含量呈負(fù)相關(guān)性（圖9b）。這導(dǎo)致石英、黏土礦物含量對(duì)頁(yè)巖含氣性的影響其實(shí)是TOC 含量影響的間接反映。

圖9 頁(yè)巖TOC 含量與石英、黏土礦物含量關(guān)系Fig.9 Relationship of shale TOC content with quartz and clay mineral content

實(shí)際上石英礦物內(nèi)孔隙發(fā)育較少[30-31]，且石英礦物吸附甲烷能力較弱[32]，因此，石英對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集能力的影響較小。

頁(yè)巖中黏土礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以提供大量的內(nèi)表面積[32]。由于黏土礦物具有極強(qiáng)的水敏性，在氣、水共存條件下，黏土礦物更易于吸附水分子，降低吸附氣含量。

圖10 為黏土礦物含量與吸附氣、游離氣含量關(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，黏土礦物含量與吸附氣含量呈負(fù)相關(guān)性（圖10a）。

這是由于在原位含水條件下黏土礦物孔隙內(nèi)表面吸附大量水分子，表面積對(duì)甲烷吸附能力的貢獻(xiàn)不大；而且隨黏土礦物含量增加，TOC 含量會(huì)降低（圖9b），這綜合導(dǎo)致了吸附氣含量降低。但黏土礦物發(fā)育大量的板狀孔隙[30]，可為游離氣提供一定的儲(chǔ)集空間。

因此，隨黏土礦物含量增加，游離氣含量有增加的趨勢(shì)（圖10b）。

圖10 黏土礦物含量與吸附氣、游離氣含量關(guān)系Fig.10 Relationship of clay mineral content with adsorbed and free gas content

此外，統(tǒng)計(jì)分析了方解石、白云石、長(zhǎng)石、黃鐵礦等對(duì)頁(yè)巖原位含氣性的影響。

統(tǒng)計(jì)表明，頁(yè)巖中吸附氣含量與長(zhǎng)石含量呈微弱正相關(guān)，與方解石、白云石含量關(guān)系不明顯；游離氣含量與長(zhǎng)石、方解石和白云石含量關(guān)系均不明顯。這說(shuō)明長(zhǎng)石、方解石、白云石等礦物對(duì)頁(yè)巖原位含氣性的影響較小。頁(yè)巖中黃鐵礦常指示強(qiáng)還原環(huán)境，即黃鐵礦含量的增加指示有機(jī)質(zhì)含量增加，因此，黃鐵礦對(duì)含氣性的影響主要是TOC 含量變化的結(jié)果。

3.3 孔隙度

頁(yè)巖具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，且發(fā)育大量的納米孔隙?？紫抖仁潜碚黜?yè)巖孔隙發(fā)育特征的重要參數(shù)，隨著頁(yè)巖的孔隙度越大，其內(nèi)儲(chǔ)集氣體能力越好。

此外，在孔隙度一定的情況下，頁(yè)巖的孔徑分布也會(huì)影響頁(yè)巖氣的賦存，微孔含量高的頁(yè)巖具有相對(duì)較大的比表面積，更有利于吸附氣賦存；較大的孔隙則更有利于游離氣賦存。

頁(yè)巖含氣性與孔隙度關(guān)系曲線如圖11 所示，可以看出，頁(yè)巖中吸附氣含量與孔隙度則沒(méi)有明顯相關(guān)性，而游離氣含量與孔隙度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性；頁(yè)巖總含氣量與孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，頁(yè)巖吸附氣比例與孔隙度呈負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明本研究的頁(yè)巖樣品隨孔隙度增大，頁(yè)巖中供氣體吸附的有效表面積并沒(méi)有增多，而是增加了儲(chǔ)集游離氣的孔隙體積。因此，隨孔隙度增加，頁(yè)巖游離氣含量增高，吸附氣比例降低。

圖11 頁(yè)巖含氣性與孔隙度關(guān)系Fig.11 Relationship between gas-bearing characteristic and porosity

3.4 含水飽和度

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層普遍含水，且具有超低含水飽和度特征。頁(yè)巖中水分的存在對(duì)含氣性主要有3 方面的影響：

（1）在孔隙表面上，可供氣體分子“滯留”的有效吸附位被水分子占據(jù)，水分子增多，留給氣體分子“滯留”的有效點(diǎn)位就會(huì)減少，從而降低氣體吸附量。

（2）孔隙水堵塞部分小孔喉，減少了氣體儲(chǔ)集空間，間接導(dǎo)致吸附氣含量降低。

（3）水分子占據(jù)一定的孔隙空間，直接減少游離氣含量[33]。

因此，隨含水飽和度增加，吸附氣與游離氣含量理論上會(huì)降低，但含水飽和度對(duì)吸附氣、游離氣含量的影響程度不同。當(dāng)含水飽和度達(dá)到一定含量之后，對(duì)吸附氣含量的影響逐漸趨于穩(wěn)定[34]。

頁(yè)巖含氣性與含水飽和度關(guān)系曲線如圖12 所示。研究表明，隨著儲(chǔ)層內(nèi)含水飽和度的增加，游離氣含量呈明顯的下降趨勢(shì)，而吸附氣含量變化不明顯（圖12a，圖12b），這可能是由于該井位含水飽和度整體較高（>35%），對(duì)吸附氣的影響已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

總體上，頁(yè)巖總含氣量與含水飽和度呈負(fù)相關(guān)（圖12c）。

由于游離氣含量急劇降低，間接導(dǎo)致吸附氣比例隨含水飽和度增加而表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)（圖12d）。

4 結(jié)論

（1）過(guò)程分析法將鉆井取芯及現(xiàn)場(chǎng)解析全過(guò)程拆分成5 個(gè)階段，依次評(píng)價(jià)不同階段氣體（吸附氣、游離氣）逸散量。游離氣的逸散符合氣體狀態(tài)方程；吸附氣與游離氣的耦合逸散可使用氣體狀態(tài)方程、Langmuir 等溫吸附方程以及Fick 第一定律來(lái)綜合描述。在獲取一系列基礎(chǔ)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)解析數(shù)據(jù)之后，使用該方法可正演計(jì)算獲得全過(guò)程氣體解析量，同時(shí)可得到頁(yè)巖原位總含氣量、吸附氣/游離氣含量及其比例等數(shù)據(jù)。

（2）焦石壩區(qū)塊JY182-6 井井頁(yè)巖總含氣量在2.42～5.72 m3/t，平均3.55 m3/t；吸附氣含量為0.67～2.83 m3/t，平均1.53 m3/t；游離氣含量為0.71～2.94 m3/t，平均2.03 m3/t；吸附氣比例為22.79%～74.73%，平均42.31%。該方法分析的頁(yè)巖總含氣量普遍大于USBM 直接法結(jié)果，兩者之間的差值（過(guò)程分析法與USBM 直接法結(jié)果之差）隨吸附氣比例的增加而逐漸減小。當(dāng)吸附氣比例為約50%時(shí)，兩種方法結(jié)果接近。

（3）頁(yè)巖吸附氣含量主要受控于TOC 含量，隨TOC 含量增加，吸附氣含量及其比例呈線性增加；游離氣含量受控于孔隙度和含水飽和度，隨孔隙增大、含水飽和度減小，游離氣含量逐漸增大；游離氣含量受黏土礦物含量的影響，兩者呈弱正相關(guān)性。