龐小婷，陳國輝，許晨曦，佟茂勝，倪彬午，包漢勇

[1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580；2.中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢 430223]

根據(jù)賦存狀態(tài)不同，頁巖氣可分為吸附氣、游離氣和溶解氣，由于溶解氣所占比例很小，計(jì)算頁巖含氣量時(shí)可忽略不計(jì)[1-5]，因此準(zhǔn)確計(jì)算頁巖吸附、游離氣量成為評價(jià)頁巖原始含氣量的關(guān)鍵。地層條件下頁巖吸附-游離氣量評價(jià)和吸附-游離氣比例確定是頁巖氣勘探開發(fā)中的關(guān)鍵問題，不僅事關(guān)頁巖氣資源潛力的客觀評估和儲量的科學(xué)計(jì)算，也關(guān)乎有利目標(biāo)區(qū)、目標(biāo)層位的篩選和開發(fā)方案的合理制定。

目前，國內(nèi)外已建立了不同方法對吸附、游離氣進(jìn)行定量表征，如等溫吸附法、測井解釋法、統(tǒng)計(jì)法、圖版法[6-7]。等溫吸附法通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)測量頁巖在不同壓力下的最大吸附氣量，它所評價(jià)的是頁巖吸附能力，而非實(shí)際吸附量，且目前國內(nèi)外學(xué)者在頁巖氣吸附模型的選用上存在一定分歧[8-14]；測井解釋法需要較多的實(shí)際分析數(shù)據(jù)建立模型，在選取一些參數(shù)時(shí)存在誤差，且經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)[15-18]；統(tǒng)計(jì)分析法、圖版法等其它方法，僅僅是根據(jù)前面方法算得的含氣量來建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，因此也同樣存在問題。前人在計(jì)算實(shí)際吸附氣量時(shí)，大多未將水分對頁巖吸附的影響考慮在內(nèi)，計(jì)算游離氣含量時(shí)，由于未考慮含水部分占據(jù)一定孔隙體積致使游離氣體積被高估。此外，頁巖氣在富集成藏和開發(fā)的過程中，吸附-游離氣比例隨著巖石性質(zhì)、流體性質(zhì)和溫壓條件的變化而不斷變化，這增加了確定吸附-游離氣比例的難度。

涪陵頁巖氣田是中國首個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的頁巖氣田，其勘探開發(fā)的成功標(biāo)志著中國頁巖氣領(lǐng)域的重大突破[19-20]。截至2017年6月，涪陵頁巖氣田累計(jì)產(chǎn)氣達(dá)118×108m3。盡管涪陵頁巖氣田在產(chǎn)量上取得了重大突破，但目前對該區(qū)地層條件下頁巖吸附-游離氣量影響因素的認(rèn)識不夠清晰，也仍缺乏對吸附-游離氣量、吸附氣比例的準(zhǔn)確評價(jià)。因此本文改進(jìn)、完善前人所做工作，全面剖析涪陵地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖吸附-游離氣量的影響因素，提出五峰組-龍馬溪組頁巖吸附-游離氣同步定量評價(jià)方法，并進(jìn)一步探討在不同條件下，頁巖吸附-游離氣的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律及主控因素，為后續(xù)頁巖氣資源量評價(jià)奠定基礎(chǔ)，為確定頁巖氣有利區(qū)段和合理開發(fā)方案提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

涪陵頁巖氣田位于四川盆地東南緣，構(gòu)造上屬于萬縣復(fù)向斜南部與方斗山背斜帶西側(cè)的交匯區(qū)焦石壩構(gòu)造(圖1)[21]。受加里東運(yùn)動(dòng)、海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的多期疊加改造，該區(qū)經(jīng)歷了多次抬升和剝蝕，尤其是燕山期以來的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對頁巖氣藏的形成保存條件有巨大的影響[21-23]。研究區(qū)發(fā)育早古生界至三疊系，奧陶系五峰組和志留系龍馬溪組頁巖為生氣主力烴源巖。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖在平面上分布穩(wěn)定；縱向上，優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度為38～48 m,由深層到淺層，五峰組-龍馬溪組劃分為9個(gè)小層，其中，底部1～5小層為暗色泥頁巖，巖性較純、粉砂巖含量低、筆石生物富集、層理發(fā)育[24-26]。頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度高，從目的層底部到頂部，TOC含量逐漸降低；頁巖干酪根碳同位素(大部分小于-28‰)和頁巖氣乙烷碳同位素(介于-33.99‰～-39.08‰)均指示該區(qū)干酪根以Ⅰ型(腐泥型)為主[27]；有機(jī)質(zhì)處于高成熟-過成熟階段，其等效Ro主要在2%～3%；頁巖氣為典型的烷烴干氣，甲烷含量98.01%～98.95%。

圖1 涪陵地區(qū)構(gòu)造特征及工區(qū)位置(改自張柏橋等，2018)[1]Fig.1 Tectonic characteristics and location of Fuling area(modified after Zhang et.al.,2018)[1]

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品采集于四川盆地東部JY A等7口井。對頁巖樣品進(jìn)行有機(jī)碳和礦物分析測試，TOC含量1.6% ～7.2%，平均值3.5%。礦物成分包括：石英(平均值38.3%)、粘土礦物(平均值33.5%)、白云石(平均值11.8%)、方解石(平均值4.0%)、黃鐵礦(平均值3.6%)、長石(平均值3.4%)，以及少量輝石、菱鐵礦、石膏。

采用低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)(Micromeritics ASAP 2460 全自動(dòng)比表面積及孔徑分析儀)，將20塊樣品粉碎至40～60目，在110 ℃條件下真空脫氣12 h，以消除樣品中束縛水和毛細(xì)管水的影響。以高純氮?dú)鉃槲劫|(zhì)，測定不同壓力下的吸附量。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6154—1995《巖石比表面積和孔徑分布測定靜態(tài)氮吸附容量法》，頁巖比表面積由BET模型獲取。

另采用甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)(RUBOTHERM重量法等溫吸附儀)對26塊頁巖樣品進(jìn)行測試評價(jià)。將頁巖樣品粉碎至80～100目并在105 ℃下烘干24 h，將適量樣品裝入等溫吸附儀樣品桶，在150 ℃條件下抽真空脫氣4 h以充分去除水分和雜質(zhì)，采用純度99.99%的甲烷開始吸附實(shí)驗(yàn)，壓力最高加至30 MPa ，溫度90 ℃(近似儲層溫度)，得到不同壓力條件下樣品的甲烷吸附量。

3 頁巖吸附-游離氣影響因素

為實(shí)現(xiàn)對研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖吸附-游離氣的定量評價(jià)，首先需要明確影響頁巖吸附-游離態(tài)的因素，建立影響因素與頁巖吸附-游離氣量間的聯(lián)系。

3.1 頁巖吸附氣量影響因素

吸附劑和吸附質(zhì)是影響頁巖吸附氣量的重要內(nèi)在因素，其中，吸附劑主要包括頁巖中的有機(jī)質(zhì)和粘土礦物，其它礦物對吸附也有一定影響；吸附質(zhì)是指頁巖中的流體，研究區(qū)頁巖氣甲烷含量高達(dá)98.95%(組分較純)，含水飽和度較高(平均值46.5%)；此外，外界溫壓條件對頁巖吸附氣量也有重要影響，地層深度決定頁巖儲層的溫度、壓力，進(jìn)而影響頁巖氣的吸附。

3.1.1 有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物

作為重要吸附劑之一的有機(jī)質(zhì)，發(fā)育大量微觀孔隙。由于有機(jī)質(zhì)類型和演化程度不同，其結(jié)構(gòu)、孔隙度及比表面積存在差異，最終造成對頁巖吸附的影響不同[3,28-29]。由于涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖干酪根以Ⅰ型為主，且處于過成熟階段，故本文僅分析有機(jī)質(zhì)豐度對頁巖吸附的影響。

TOC與比表面積具有良好線性關(guān)系(圖2a)。在礦物性質(zhì)差異不大的情況下，比表面積是決定頁巖吸附能力的關(guān)鍵因素，因此，TOC與頁巖最大吸附量也具有良好的正相關(guān)性(圖2b)。擬合線與y軸具有一定截距，表明除有機(jī)質(zhì)外，頁巖中其它礦物對吸附作用也有貢獻(xiàn)。

有機(jī)質(zhì)的吸附能力強(qiáng)于粘土礦物，且不同粘土礦物的吸附能力不一：蒙脫石吸附能力最強(qiáng)，伊蒙混層次之，伊利石、高嶺石和綠泥石吸附能力相當(dāng)，均較弱[29]，此外，其他礦物如石英等對吸附量也有一定的貢獻(xiàn)[30]。根據(jù)涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖實(shí)際組分，還需定量分析有機(jī)質(zhì)和不同礦物對頁巖氣吸附量的貢獻(xiàn)，見4.1.1。

3.1.2 含水飽和度

前人通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究充分證明了水分對頁巖氣藏中甲烷吸附的影響，認(rèn)為水占據(jù)頁巖中的孔體積和吸附位，阻塞喉道，減少頁巖對甲烷的吸附量[3，31-32]。

圖2 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖TOC與比表面積(a)及最大吸附量(b)關(guān)系Fig.2 The relationship between TOC and specific surface area (a),maximum adsorbed gas content (b) of the Wufeng-Longmaxi Formations in Fuling area

M.Gasparik等[33]對美國頁巖(Barnett,Haynesville和Eagle Ford)樣品分別在干燥條件和水平衡條件下進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與干燥樣品相比，水分平衡樣品的吸附容量降低40%～60%；Ross等通過研究發(fā)現(xiàn)，飽和水的頁巖樣品吸附能力下降約40%[34]。頁巖在含水和不含水兩種情況下吸附氣量差異顯著，但吸附量降幅并非與含水量成線性正相關(guān)關(guān)系，可能由于當(dāng)含水量到達(dá)一定程度時(shí)，水分已經(jīng)占據(jù)頁巖中所有可能吸附位，因此含水量對吸附降幅的影響達(dá)到上限值[35]。本研究采用國際學(xué)者研究結(jié)果，即含水影響下頁巖吸附量降低比例約50%來計(jì)算頁巖實(shí)際吸附量。

3.1.3 外界溫壓條件

溫度和壓力共同影響頁巖的吸附量。由于地層深度決定地層溫度和地層壓力，進(jìn)而影響頁巖的吸附。因此，地層深度、地溫梯度、壓力系數(shù)是研究溫壓影響的關(guān)鍵參數(shù)。由于研究區(qū)經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層的升降變化導(dǎo)致溫壓變化，也會因此而影響吸附氣與游離氣之間的轉(zhuǎn)化。

3.2 游離氣量影響因素

氣體狀態(tài)方程[式(1)]是用于描述氣體達(dá)到平衡態(tài)時(shí)的數(shù)學(xué)表示，據(jù)此可篩選出決定游離氣含量的關(guān)鍵參數(shù)[式(2)]，即：氣體壓縮因子、溫度、壓力、氣體體積。當(dāng)氣體組分確定時(shí)，氣體壓縮因子取決于溫度和壓力，而溫度、壓力又取決于地層條件；游離氣體積則通過孔隙體積減去含水部分和吸附相所占的體積得到，因此孔隙度、含水飽和度、吸附氣量在此處成為定量分析游離氣的關(guān)鍵影響因素。

式中:n為游離氣體物質(zhì)的量，mol；p為壓力，MPa；T為溫度，K；R為氣體常數(shù)，8.314×10-3kJ/(mol·K)；z為氣體壓縮因子，無量綱；V為氣體體積，cm3/g。

4 頁巖吸附-游離氣量評價(jià)及吸附氣比例確定

4.1 吸附氣量評價(jià)方法

4.1.1 最大吸附量

由于有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物是影響頁巖吸附氣量的重要因素，因此嘗試建立模型定量表征頁巖中各物質(zhì)與吸附氣量的關(guān)系。

根據(jù)龍馬溪組頁巖干酪根平均分子結(jié)構(gòu)[36]實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳向干酪根的轉(zhuǎn)化，干酪根的吸附量取決于單位質(zhì)量吸附量與其質(zhì)量百分含量之乘積，其余礦物的吸附量同理。根據(jù)研究區(qū)有機(jī)質(zhì)(nor,g)、粘土礦物(ncl,g)、石英(nqu,g)、長石(nfe,g)和碳酸鹽巖礦物(nca,g)含量，建立模型[式(3)]，運(yùn)用最小二乘法擬合、求解模型的最優(yōu)系數(shù)(表1)，所得系數(shù)即代表各自所對應(yīng)單位物質(zhì)的吸附能力，得到由頁巖中各物質(zhì)共同貢獻(xiàn)的最大吸附氣量計(jì)算模型[式(4)]。利用所建模型計(jì)算所得最大吸附量nad與等溫吸附實(shí)驗(yàn)實(shí)測最大吸附量關(guān)系良好，表明模型合理(圖3)。

aornor1+aclncl1+aqunqu1+afenfe1+acanca1=nad1

aornor2+aclncl2+aqunqu2+afenfe2+acanca2=nad2

……

aornorn+aclncln+aqunqun+afenfen+acancan=nadn

(3)

式中：nor為有機(jī)質(zhì)的量，g；aor為單位有機(jī)質(zhì)的吸附量，cm3/g；ncl為粘土礦物的量，g；acl為單位粘土礦物的吸附量，cm3/g；nqu為石英的量，g；aqu為單位石英的吸附量，cm3/g；nfe為長石的量，g；afe為單位長石的吸附量，cm3/g；nca為碳酸鹽巖礦物的量，g；aca為單位碳酸鹽巖礦物的吸附量，cm3/g；nad為單位頁巖的吸附量，cm3/g。

表1 涪陵地區(qū)頁巖吸附氣模型系數(shù)Table 1 Experimental coefficients of adsorbed shale gas modelling in Fuling area

圖3 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖模型計(jì)算吸附量與實(shí)測吸附量關(guān)系Fig.3 The relationship between the calculated and measured adsorbed gas content of the Wufeng-Longmaxi shale in Fuling area 0.254nor+0.021ncl+0.001nqu+

1.35×10-5nfe+1.00×10-6nca=nad

(4)

頁巖有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物的實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)有限，僅依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以對各井目的層頁巖進(jìn)行連續(xù)評價(jià)。為彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室測樣的不足，需要運(yùn)用其它方法來精細(xì)、有效評價(jià)頁巖的有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)含量。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將人腦功能加以模擬化的一種計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)，BP(誤差反向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又稱為反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之一[37-38]。根據(jù) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的理論基礎(chǔ)，在 Matlab 中根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與相關(guān)測井?dāng)?shù)據(jù)建立輸入層，實(shí)現(xiàn)頁巖有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物的連續(xù)性評價(jià)。

4.1.2 過剩/絕對吸附量

關(guān)于吸附氣體的定量描述，相關(guān)學(xué)者基于多種角度，建立了Langmuir 模型、BET 模型、吸附勢模型、D-R模型等多種吸附模型[12,39-41]，不同的模型具有不同的適用性和局限性，且相差較大。Langmuir 模型、BET 模型未考慮頁巖孔隙表面各個(gè)活性位吸附能級的差異[42]，而微孔填充理論在一定程度上更能代表吸附質(zhì)分子真實(shí)存在狀態(tài)，更符合實(shí)際，可以幫助人們進(jìn)行吸附機(jī)理正確判斷及吸附性能合理評價(jià)，進(jìn)一步了解吸附分子真實(shí)賦存狀態(tài)及氣-固作用機(jī)理[43-44]，因此本研究選擇微孔填充模型[45]作為頁巖吸附氣量的評價(jià)模型[式(5)、式(6)]。

式中：Vex為過剩吸附氣含量，cm3/g；Vabs為絕對吸附氣含量，cm3/g；V0為最大吸附氣量(對應(yīng)4.1.1中nad)，cm3/g；D為與吸附劑親和系數(shù)有關(guān)的常數(shù)；ρa(bǔ)d為吸附相密度，g/cm3；ρg為氣體密度，g/cm3；R為氣體常數(shù)，8.314×10-3kJ/(mol·K)；T為絕對溫度，K。

頁巖過剩吸附量與絕對吸附量是頁巖氣在孔隙表面賦存狀態(tài)的兩種不同表達(dá)，從賦存狀態(tài)和可動(dòng)性角度考慮，以絕對吸附量表達(dá)吸附氣含量更加合理。

4.2 游離氣量評價(jià)方法

基于吸附-游離氣在頁巖孔隙中的狀態(tài)，從游離氣占據(jù)孔隙自由空間體積的角度出發(fā)，對頁巖游離氣量進(jìn)行評價(jià)。考慮到吸附氣體和水會占據(jù)游離氣的容納空間，在頁巖吸附氣量評價(jià)的基礎(chǔ)上，由孔隙體積減去含水部分所占體積和吸附氣體積，得游離氣體積[式(7)]，并用狀態(tài)方程pV=znRT將氣體體積與氣體的量進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

V游離=V孔隙-V吸附-V含水

(7)

式中:V游離為游離氣體積，cm3/g；V孔隙為孔隙體積，cm3/g；V吸附為吸附氣體積，cm3/g；V含水為含水部分體積，cm3/g。V孔隙由單位體積巖石的孔隙決定[式(8)]：

(8)

式中：ρ巖石為巖石密度，取研究區(qū)頁巖實(shí)測密度平均值2.62 g/cm3；Φ為孔隙度，%。

對于頁巖吸附氣體積有：

(9)

式中：n吸附為吸附氣量，cm3/g；ρ吸附為吸附相密度，g/cm3；M為氣體摩爾質(zhì)量，即甲烷對應(yīng)的摩爾質(zhì)量16 g/mol。

為統(tǒng)一厘定吸附-游離氣在孔隙中所占空間，將已評價(jià)的吸附氣量Vabs轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的吸附氣體體積。結(jié)合式(3)與式(9)，有：

(10)

式中：Vabs為吸附模型計(jì)算得到的絕對吸附量，cm3/g；p0(MPa)、T0(K)均對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力0.101 MPa及標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度273.15 K；z為甲烷在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓縮因子，通過REFPROP查詢，為0.997 61。

由于水在吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)下密度有區(qū)別，因此在計(jì)算時(shí)結(jié)合前人提出的烴吸附模型和吸附相相關(guān)結(jié)論[46-48]，采用水的平均吸附相密度1.540 1 g/cm3校正得孔隙中含水體積[式(11)]。

(11)

式中:sw為含水飽和度，%。

將式(8)、式(10)、式(11)代入式(7)得到游離氣體積[式(12)]，仍需轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的游離氣量[式(13)]，以實(shí)現(xiàn)對研究區(qū)頁巖游離氣量的評價(jià)。

(12)

(13)

式中:V標(biāo)況為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的游離氣體積，cm3/g；ρ游離為游離相密度，g/cm3；ρ標(biāo)況為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體相密度，通過查詢?yōu)?.000 71 g/cm3。

4.3 模型驗(yàn)證及應(yīng)用

4.3.1 模型驗(yàn)證及關(guān)鍵參數(shù)確定

運(yùn)用微孔填充模型對頁巖吸附氣量進(jìn)行評價(jià)。模型中ρg根據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，V0,D及ρa(bǔ)d作為未知的待擬合參數(shù)，可通過最小二乘法求解得到。模型應(yīng)用結(jié)果表明，計(jì)算過剩吸附量與實(shí)測過剩吸附量基本吻合(圖4)，證實(shí)了微孔充填模型用于涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣吸附評價(jià)的可行性。

由于實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)有限，為將模型推廣應(yīng)用于涪陵地區(qū)以整體評價(jià)頁巖吸附氣含量，需逐個(gè)確定模型中的關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖微孔填充模型效果Fig.4 Results of micropore filling model of the Wufeng-Longmaxi shale in Fuling areaa. JYE井，埋深2 240.14 m；b. JYB井，埋深3 139.36 m；c. JYG井，埋深2 865.53 m

1) 關(guān)鍵參數(shù)之一——最大吸附量V0由[式(4)]推廣計(jì)算；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，與吸附劑親和系數(shù)有關(guān)的常數(shù)D與TOC之間存在定量關(guān)系(圖5)。由此可通過TOC確定模型中另一關(guān)鍵參數(shù)——D。

2) 將各深度點(diǎn)樣品的等溫吸附數(shù)據(jù)同時(shí)代入吸附評價(jià)模型計(jì)算，通過最小二乘規(guī)劃求解將吸附相密度ρa(bǔ)d統(tǒng)一為0.354 g/cm3。

3) 由地層深度、地溫梯度(27.3 ℃/km)[49]獲得地層溫度，由地層深度、地層壓力系數(shù)(1.55)[26,49]得地層壓力；運(yùn)用溫壓數(shù)據(jù)查詢REFPROP(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院流體熱、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫)直接獲得對應(yīng)氣體密度ρg。

4.3.2 模型應(yīng)用結(jié)果

經(jīng)過上述步驟模型中的關(guān)鍵參數(shù)被全部確定。考慮含水的影響，實(shí)際吸附量在模型所得絕對吸附量基礎(chǔ)上降低50%。據(jù)此定量評價(jià)涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組的頁巖吸附氣及游離氣含量(表2)，進(jìn)而確定吸附-游離氣比例(圖6)，得到以下認(rèn)識：

1) 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖由淺層到深層，吸附氣量逐漸增多，這與吸附量的主控因素——TOC的增加有密切關(guān)系。

2) 研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖中以游離氣為主，其平均含量約為66%，吸附氣含量約為34%。

5 頁巖吸附-游離氣相互轉(zhuǎn)化

5.1 吸附-游離氣轉(zhuǎn)化規(guī)律

由于頁巖中吸附-游離氣受多種因素影響和控制，在總含氣量一定時(shí)，溫度、壓力等條件改變會導(dǎo)致吸附-游離氣發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。為定量描述吸附-游離氣的轉(zhuǎn)化，首先需要探索其轉(zhuǎn)化規(guī)律，明確影響轉(zhuǎn)化的因素。

圖5 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖TOC與-D關(guān)系Fig.5 The relationship between TOC and -D of the Wufeng-Longmaxi shale in Fuling area

圖6 涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖吸附-游離氣量柱狀剖面Fig.6 Columnar profile of adsorption-free gas content of Wufeng-Longmaxi Formation shale in Fuling areaa. JY B井; b. JY F井

表2 涪陵地區(qū)各井五峰組-龍馬溪組頁巖吸附游離氣平均含量及吸附比例Table 2 The average adsorbed-free gas content and adsorbed gas ratio of the Wufeng-Longmaxi shale in Fuling area

對同一井段而言，不同深度各粘土礦物含量的差異大，且在成巖作用的影響之下，礦物之間存在復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，為排除各粘土礦物含量不同所導(dǎo)致的吸附-游離氣量的差異性，根據(jù)研究區(qū)目的層基礎(chǔ)地質(zhì)情況，統(tǒng)一了主要粘土礦物的平均含量：伊/蒙混層為15%，綠泥石為8%，伊利石為17%。同時(shí)設(shè)定了與研究區(qū)目的層的整體狀況吻合的“一般情況”：孔隙度為3.5%，含水飽和度為40%，TOC為4%，地層壓力系數(shù)為1.55，溫度梯度為27.3 ℃/km。在假定條件的基礎(chǔ)上，主要考慮了孔隙度、含水飽和度、TOC以及壓力系數(shù)的變化對吸附-游離氣轉(zhuǎn)化的影響，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

1) 在假定的“一般情況”下，模擬由于地層深度變化引起溫、壓改變的情況，發(fā)現(xiàn)頁巖絕對吸附量隨著地層深度的增加而增加，但增加趨勢逐漸變緩，增加至一定深度時(shí)絕對吸附量不再變化(圖7)。

2) 只改變孔隙度(從2%，3.5%，5%到6.5%)而其他參數(shù)保持不變時(shí)(含水飽和度為40%，TOC為4%，地層壓力系數(shù)為1.55，溫度梯度為27.3 ℃/km)，隨著孔隙度增大，吸附氣比例逐漸降低，游離氣比例逐漸升高(圖8a)。

3)TOC值改變(從2%，4%，6%到8%)而其他參數(shù)保持不變(孔隙度為3.5%，含水飽和度為40%，地層壓力系數(shù)為1.55，溫度梯度為27.3 ℃/km)，吸附氣比例隨著TOC的增加而逐漸上升，游離氣比例隨TOC增加而降低(圖8b)。

圖7 涪陵地區(qū)頁巖含氣量模擬剖面Fig.7 The simulated shale gas content profile in Fuling area

4) 含水飽和度改變(從30%，40%，50%到60%)而其他參數(shù)保持不變(孔隙度為3.5%，TOC為4%，地層壓力系數(shù)為1.55，溫度梯度為27.3 ℃/km)，吸附氣比例隨著含水飽和度增加而上升，主要是由含水體積增加而游離氣所占空間減少所導(dǎo)致(圖8c)。

5) 改變壓力系數(shù)，而其他參數(shù)保持不變(孔隙度為3.5%，含水飽和度為40%，TOC為4%，溫度梯度為27.3 ℃/km)，吸附氣比例隨著壓力系數(shù)增加而降低，游離氣比例隨壓力系數(shù)增加而升高，但是壓力系數(shù)的影響幅度不明顯(圖8d)。

5.2 主控因素分析

由于研究區(qū)目的層在2 000～3 500 m深度范圍內(nèi)，因此本節(jié)單獨(dú)討論了在此深度范圍內(nèi)的頁巖氣吸附比例隨影響因素的變化，綜合對比反映影響吸附-游離氣轉(zhuǎn)化的主控因素。

孔隙度、TOC的變化對吸附比例有十分顯著的影響，在吸附-游離氣定量評價(jià)部分已有分析，前者主要控制游離相體積空間進(jìn)而影響吸附比例，后者主要是與吸附氣有明顯相關(guān)性所以對吸附比例影響顯著；而含水體積間接影響游離氣相體積，隨含水飽和度的變化，吸附比例的變化幅度不如在孔隙度、TOC影響下的變化幅度大；壓力系數(shù)差異所造成的吸附比例變化最小(圖9)，這與目的層深度大，而在與深度所對應(yīng)的高壓范圍內(nèi)，壓力對吸附量和游離量的影響變小有關(guān)。由此看來，孔隙度、TOC是決定涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖吸附-游離氣轉(zhuǎn)化的主控因素，含水飽和度變化對吸附-游離氣轉(zhuǎn)化的影響次之，壓力系數(shù)改變對吸附-游離氣轉(zhuǎn)化的影響最弱。

然而在實(shí)際地質(zhì)條件下，吸附氣比例受多因素控制，在復(fù)雜條件下難以判斷吸附-游離氣轉(zhuǎn)化的主控因素，因此通過控制變量，分析單因素對吸附氣比例的影響，可為實(shí)際地層中吸附-游離轉(zhuǎn)化的研究提供參考，也為頁巖氣開發(fā)提供一定的依據(jù)。

6 結(jié)論

1) 影響研究區(qū)頁巖吸附氣量的因素有：有機(jī)質(zhì)及粘土礦物含量、含水飽和度、溫度、壓力，游離氣量的影響因素為：氣體壓縮因子、溫度、壓力、孔隙度、含水飽和度。

2) 以微孔填充模型為基礎(chǔ)計(jì)算的吸附量與實(shí)測值吻合，證實(shí)了模型用于涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣吸附評價(jià)的可行性；將模型應(yīng)用于研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件下，在考慮多種因素，如含水飽和度的影響之后，恢復(fù)地層條件下頁巖吸附量。在此基礎(chǔ)之上根據(jù)氣體狀態(tài)方程對頁巖游離氣含量進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而得到研究區(qū)總體的吸附-游離氣比例約34%。

3) 結(jié)合研究區(qū)情況，在一定條件下(粘土礦物平均含量一定，孔隙度為3.5%，含水飽和度為40%，TOC為4%，地層壓力系數(shù)為1.55，溫度梯度為27.3 ℃/km)，頁巖絕對吸附量隨著地層深度的增加而增加，但增加至一定深度時(shí)不再變化。

4) 改變單一因素時(shí)，吸附氣比例隨孔隙度、壓力系數(shù)增加而降低，隨TOC、含水飽和度的增加而升高。在2 000～3 500 m深度范圍內(nèi)比較單一因素對吸附-游離氣轉(zhuǎn)化的影響，孔隙度、TOC對吸附比例有十分顯著的影響，相對而言，含水飽和度變化對吸附氣比例的影響小，而壓力系數(shù)的影響最弱。

圖8 涪陵地區(qū)頁巖吸附-游離氣比例影響因素Fig.8 Factors influencing the adsorbed-free gas ratio of the shale in Fuling areaa.孔隙度(Φ);b. TOC;c.含水飽和度(Sw);d.壓力系數(shù)

圖9 涪陵地區(qū)頁巖吸附氣比例影響因素Fig.9 Factors influencing the adsorbed gas ratio of the shale in Fuling area