丁海剛

【摘要】：目前，頁巖氣作為常規(guī)油氣能源的重要補(bǔ)充，開始引起了人們的極大關(guān)注。美國和加拿大已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)性開發(fā)，而我國頁巖氣的研究仍處于起步階段，而弄清楚頁巖對甲烷的吸附機(jī)理是頁巖氣高效開發(fā)的前提。本文調(diào)研了頁巖對甲烷的吸附影響因素，包括有機(jī)質(zhì)含量、溫度壓力、孔隙結(jié)構(gòu)、粘土含量、熱成熟度對甲烷吸附的影響;本文主要從有機(jī)質(zhì)含量、空隙結(jié)構(gòu)、溫度壓力、粘土含量、熱成熟度5個(gè)方面來說明上述因素對頁巖氣吸附特性的影響。

【關(guān)鍵詞】：頁巖;甲烷;影響;因素;

1、有機(jī)碳含量對吸附的影響

吸附氣大部分吸附在頁巖基塊中有機(jī)質(zhì)附近的區(qū)域，有機(jī)質(zhì)為頁巖氣吸附提供了一個(gè)活性區(qū)域，有機(jī)質(zhì)的存在使得甲烷氣以吸附態(tài)的形式存在于有機(jī)質(zhì)表面活性區(qū)域，且有機(jī)質(zhì)對甲烷有很強(qiáng)的吸附能力，因此，有機(jī)質(zhì)（一般用有機(jī)碳來表示）是控制甲烷吸附量的主要因素。顯示了實(shí)驗(yàn)溫度為 30℃時(shí)頁巖對甲烷氣體的最大吸附量與頁巖樣品中有機(jī)碳含量之間的關(guān)系。從中可以看出吸附量與有機(jī)質(zhì)含量間線性關(guān)系顯著，相關(guān)度達(dá)97%。有機(jī)碳含量越高的頁巖，吸附在頁巖中的吸附氣含量越高，原因?yàn)椋?/p>

（1）頁巖中有機(jī)質(zhì)含量高時(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育豐富，尤其是微孔，為甲烷氣體的吸附作用提供了巨大空間;

（2）有機(jī)質(zhì)組分中的干酪根使得頁巖基質(zhì)呈現(xiàn)出混合潤濕性的特征，接近干酪根的部分為油濕，而距離干酷根較遠(yuǎn)的區(qū)域則呈現(xiàn)出水濕特性，有助于甲烷在有機(jī)質(zhì)表面發(fā)生吸附。因此，頁巖中有機(jī)質(zhì)含量越豐富，其對甲烷的吸附能力也就越強(qiáng)。

2、壓力、溫度對吸附的影響

在頁巖氣儲(chǔ)層中，其地層壓力和儲(chǔ)層溫度均會(huì)隨埋藏深度的變化而變化，會(huì)對頁巖吸附甲烷產(chǎn)生一定影響，通過調(diào)研，得到不同壓力和溫度下頁巖對甲烷的吸附能力。當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著壓力的升高，甲烷吸附量隨之逐步增大。壓力在 0—6 MPa 之間時(shí)，隨壓力升高，甲烷吸附量上升較快;當(dāng)壓力高于6 MPa 后，隨壓力繼續(xù)升高，甲烷吸附量上升速率減慢;吸附量增大到一定數(shù)值后，等溫吸附曲線出現(xiàn)極值點(diǎn);之后，隨平衡壓力升高吸附量將出現(xiàn)下降趨勢。

3、孔隙結(jié)構(gòu)對吸附的影響

頁巖氣藏吸附氣含量的大小與比表面積的大小密切相關(guān)，一般來說，頁巖比表面積越大，頁巖微孔隙越多，當(dāng)吸附氣飽和時(shí)，吸附的頁巖氣也就越多。

Robert研究孔徑與頁巖氣吸附能力大小中也發(fā)現(xiàn)，對于單位體積的頁巖來說，頁巖孔隙越小，比表面積也就越大，頁巖的吸附能力也就越強(qiáng)。圖中給出了不同孔徑下單位體積頁巖吸附氣含量隨力的變化關(guān)系，從圖中可以看出，在同一溫度和壓力下，孔徑越小的頁巖，其吸附能力越大。頁巖氣藏對頁巖氣的吸附能力與頁巖的比表面積以及孔徑都有很大的關(guān)系。

一般頁巖十分致密，平均孔徑極小，微孔隙發(fā)育。所以，可以假設(shè)頁巖氣藏頁巖孔隙呈球形孔隙分布，并且孔徑大小相等。球形孔隙直徑可以用來表示，所以單個(gè)孔隙體積和孔隙的表面積可以表示成：

單位體積的頁巖孔隙體積可以表示為：

孔隙的總的表面積可以表示為：

假設(shè)孔隙度為4.2%時(shí)，孔徑與比表面積的關(guān)系可以根據(jù)式得出。從中可以看出，在孔隙度一定時(shí)，比表面積會(huì)隨著孔徑的增加而減小。當(dāng)孔徑在小于個(gè)納米時(shí)，比表面積隨著孔徑的增加快速的減小，就是比面積越大，孔徑越小。在孔徑大于個(gè)納米后，隨著孔徑的增加，比表面積減小的不是很明顯。

孔隙與比表面之間也存在著一定的影響，不同孔隙度條件下，孔徑與比表面積的關(guān)系。從圖中以看出，對同一塊頁巖，在孔徑相同的條件下，比表面積也會(huì)隨著孔隙度的增加而增加;在孔徑小于10個(gè)納米時(shí)，比表面積隨著孔隙度增大減小的很明顯，在孔徑大于10個(gè)納米以后，隨著孔隙度的增加比表面積減小的不是那么明顯。從理論上來看，頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)對頁巖比表面積的影響最大。在頁巖中，如果孔隙的結(jié)構(gòu)一定，孔隙度越大，比表面積也就會(huì)越大;但是如果在頁巖中微孔隙較多的情況下，在給定的范圍內(nèi)，孔隙度增加，比表面積也會(huì)增加。

4、粘土含量對吸附的影響

Mavor對Barnett頁巖進(jìn)行等溫吸附，發(fā)現(xiàn)粘土礦物表面可以吸附甲烷氣體，在有機(jī)碳含量以及溫壓條件相近的情況下，粘土礦物含量越高，頁巖氣體吸附越高，并且隨著壓力的逐漸增加，不同粘土礦物含量頁巖樣品吸附量的差距會(huì)逐漸增大同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，碎屑與碳酸鹽礦物含量的增加會(huì)降低頁巖對氣體的吸附能力。

不同類型的粘土礦物因其不同的晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)而具有不同的吸附能力，具體影響。Ross在30℃條件下對干燥粘土礦物樣品進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)伊利石的吸附能力要大于蒙脫石以及高嶺石。Lu Xiaochun等同樣認(rèn)為，伊利石的吸附作用在有機(jī)碳較低的頁巖中起到了至關(guān)重要的作用。而吉利明等在條件下對各單礦物的干燥樣品進(jìn)行甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)得出了不同的結(jié)論，認(rèn)為粘土礦物氣體吸附能力的大小次序?yàn)椋好擅撌?伊蒙混層>高嶺石>綠泥石>伊利石。

5、熱成熟度對吸附的影響

熱成熟度指烴源巖中有機(jī)質(zhì)的熱演化水平。熱演化水平越高，有機(jī)質(zhì)的成熟度越高，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷氣的水平也就越高。目前，普遍認(rèn)為頁巖有機(jī)質(zhì)的熱成熟度的變化會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響頁巖的吸附能力。熱成熟度的評價(jià)指標(biāo)主要有兩種：一種以有機(jī)質(zhì)的物理光學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，常用鏡質(zhì)體反射率（Ro）表示;另一種以化學(xué)成分為基礎(chǔ)，主要為熱解分析的最高熱解溫度。本文利用巖樣的鏡質(zhì)體反射率值來表征其熱成熟度。鏡質(zhì)體反射率在表征熱成熟度和熱演化過程方面直接、有效，普遍應(yīng)用于煤巖學(xué)和油氣勘探開發(fā)中。有機(jī)質(zhì)成熟階段鏡質(zhì)體反射率評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一般隨著有機(jī)質(zhì)熱成熟度升高，吸附量增大。

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