秦曉艷

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗，陜西 西安 710069)

鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)張家灘頁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/大陸動力學(xué)國家重點實驗，陜西 西安 710069)

[摘要]吸附是頁巖氣的主要賦存方式，吸附氣評價是頁巖含氣性評價和資源潛力評價的一項關(guān)鍵內(nèi)容，對頁巖氣的有效開發(fā)具有重要意義。針對陸相強非均質(zhì)性頁巖吸附氣評價的問題，通過對鄂爾多斯盆地東南部下寺灣地區(qū)Y2井的張家灘頁巖不同巖性巖心開展等溫吸附實驗，對測試結(jié)果進行自由體積轉(zhuǎn)換，開展頁巖不同壓力下吸附特征研究，獲得了張家灘頁巖吸附能力的客觀認識，當(dāng)壓力較小時，吸附能力隨著壓力增加顯著加大，當(dāng)壓力較大時，吸附能力基本不再隨壓力變化。根據(jù)實驗獲得的吸附常數(shù)可以預(yù)測地層條件下頁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驗分析數(shù)據(jù)，開展張家灘頁巖吸附能力影響因素分析，明確了有機碳量、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)；頁巖氣；等溫吸附；吸附能力；吸附氣含量；主控因素

近年來伴隨著頁巖氣技術(shù)的發(fā)展[1-2]，富有機質(zhì)的泥頁巖層段逐漸成為人們關(guān)注的重點。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)賦存于有機質(zhì)和粘土顆粒表面的吸附氣是頁巖氣的主要組成部分，目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認為泥頁巖中吸附氣含量占總含氣量的40%以上[3]。因富有機質(zhì)頁巖層系中發(fā)育的大量納米級孔隙，具有較大的比表面積和較強的吸附勢能，可吸附大量的甲烷氣體。因此，吸附氣含量評價是頁巖含氣性評價必需的基本參數(shù)，也是頁巖氣資源潛力評價的一項關(guān)鍵內(nèi)容，對頁巖氣藏的有效開發(fā)具有重要意義[4-6]。

眾多學(xué)者通過石油地質(zhì)和頁巖氣形成地質(zhì)條件分析，認為鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段的陸相張家灘頁巖的頁巖氣資源條件較好。但張家灘頁巖由于沉積期環(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)性強的特點[7]。針對陸相強非均質(zhì)性頁巖吸附氣評價的問題，本文通過對鄂爾多斯盆地東南部下寺灣地區(qū)Y2井張家灘頁巖不同巖性的巖心進行等溫吸附實驗，分別測定其吸附氣含量，以此為基礎(chǔ)開展張家灘頁巖吸附能力分析工作，并通過有機質(zhì)、熱演化參數(shù)、粘土礦物等頁巖吸附能力的單因素分析，明確影響張家灘頁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、有機質(zhì)豐度高的陸相泥頁巖-張家灘頁巖，頁巖氣資源條件較好，其半深湖-深湖相富有機質(zhì)暗色泥頁巖為頁巖氣有利的生氣層和儲集層。2011年4月在延長石油在下寺灣地區(qū)完鉆的柳評177井在張家灘頁巖段，壓裂測試成功出氣，成為國內(nèi)第一口陸相頁巖氣井，由此啟動了延安國家級陸相頁巖氣示范區(qū)建設(shè)，預(yù)示了下寺灣地區(qū)較好的頁巖氣資源前景。

圖1　頁巖氣研究區(qū)位置

2等溫吸附測試

甲烷的等溫吸附試驗是評價含氣頁巖吸附氣含量的常用手段之一[8-9]。在恒溫條件下，通過模擬樣品的吸附特征和吸附量，測試不同壓力下對甲烷氣體的吸附量，根據(jù)測試的不同壓力點和測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，進行不同壓力條件下的吸附試驗，共測定8個壓力點，最大壓力約16 MPa，測試達到吸附平衡時所吸附的甲烷氣體的體積，實驗直接測定結(jié)果在經(jīng)過自由體積轉(zhuǎn)換后，可得到頁巖樣品的實際吸附氣量(圖2)。

圖2　下寺灣地區(qū)Y2井延長組長7段張家灘

3吸附能力分析

通常采用Langmuir模型來描述實驗樣品的吸附特征，Langmuir理論模型認為頁巖中有機質(zhì)和粘土礦物對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)系表達式為：

式中：V吸為頁巖吸附氣含量(m3/t)；VL為Langmuir體積(m3/t)；b為吸附系數(shù)；P為實驗壓力(MPa)；PL為Langmuir壓力(MPa)。

根據(jù)Y2井巖樣的等溫吸附實驗結(jié)果，由圖2可知，當(dāng)壓力較小，小于10 MPa時，吸附較弱，不同巖性的頁巖甲烷吸附氣含量與實驗壓力呈非線性關(guān)系，隨壓力的增加顯著加大；當(dāng)頁巖甲烷吸附壓力大于15 MPa，吸附較強，吸附達到飽和，此時吸附量基本不再隨壓力明顯增加。其中，頁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)等溫吸附實驗可獲得表征泥頁巖吸附特性的吸附常數(shù)：VL和PL，結(jié)合實際地層壓力，利用上式可以預(yù)測出地層條件下實際巖層的最大吸附氣含量。通過等溫吸附所得到的吸附氣含量數(shù)值可能會比實際含氣量數(shù)值偏，需再根據(jù)頁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驗的吸附氣含量預(yù)測方法，是將頁巖地層視為均質(zhì)地層對待得到的評價模型。但下寺灣地區(qū)張家灘陸相頁巖的巖性非均質(zhì)性非常強，吸附作用作為頁巖氣聚集成藏的重要作用，其吸附能力實際受控于多種地質(zhì)因素，因此通過分別建立吸附氣含量與頁巖地化、儲層等相關(guān)地質(zhì)因素的關(guān)系，開展分析研究可以明確張家灘頁巖吸附能力的主要影響因素，可為有效預(yù)測強非均質(zhì)性陸相頁巖地層的吸附氣含量提供依據(jù)。

4.1吸附氣含量與有機碳的關(guān)系

頁巖中的分散有機質(zhì)富含納米級微孔隙，是甲烷吸附的主要空間之一[11]。而頁巖有機質(zhì)與有機碳含量密切相關(guān)。從圖3可以看出，在相同溫度和壓力條件下，Y2井長7段張家灘頁巖隨著有機碳含量的增大，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，僅一個樣測試了成熟度的光學(xué)指標(biāo)-鏡質(zhì)體反射率R0，因此無法客觀研究兩者的相關(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，可間接研究兩者的關(guān)系。等溫吸附試驗樣品的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Y2井頁巖等溫吸附試驗巖樣的平行樣XRD測試，可見隨著粘土礦物含量的增加，吸附氣含量增多，相關(guān)性很強，相關(guān)系數(shù)為0.655 2(圖5)，因為粘土礦物的比表面積較大[12]，而與之相反，石英、長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7段張家灘頁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。這是因為頁巖中較高的孔隙度，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7段張家灘頁巖的吸附氣含量與密度之間呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.501 6。由于頁巖中有機質(zhì)屬于輕組分，密度小于巖石骨架，認為巖樣密度減小，可能是由于頁巖的有機質(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

國外頁巖氣的勘探開發(fā)實踐表明，頁巖氣產(chǎn)量較高的區(qū)域頁巖的含水飽和度通常較小。Y2井長7段張家灘頁巖的實驗結(jié)果分析也印證了這一點，由圖8可見，頁巖的吸附氣量與巖樣的含水飽和度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.246 2。

通過以上30℃條件下，Y2井張家灘頁巖等溫吸附實驗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)頁巖吸附氣含量的主要影響因素為有機碳含量、粘土礦物含量、孔隙度。

5結(jié)語

(1)張家灘陸相頁巖的等溫吸附實驗表明，在溫度一定的條件下，當(dāng)壓力較小時，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，吸附較強，吸附量基本不再隨壓力變化。

(2)張家灘陸相頁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)測模型的關(guān)鍵是對頁巖吸附能力進行評價，影響泥頁巖吸附能力的因素很多，其中較為重要的影響因素為有機碳含量、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，主要從事油氣藏儲層地質(zhì)研究。

[中圖分類號]P641.2

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)03-0261-03