頁巖氣吸附量的影響因素及開發(fā)技術探討

張鍵，劉豇瑜，薛江龍

（1.中石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒841000；2.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000）

專論與綜述

頁巖氣吸附量的影響因素及開發(fā)技術探討

張鍵1，劉豇瑜2，薛江龍1

（1.中石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒841000；2.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000）

吸附量是評價頁巖氣藏含氣量的重要依據(jù)之一，也是評價頁巖氣藏地質(zhì)儲量和產(chǎn)能的重要指標。由于頁巖氣儲層地質(zhì)特征的特殊性，影響頁巖氣吸附量的因素較多?？偨Y(jié)國內(nèi)外文獻資料，頁巖儲層的有機地球化學性質(zhì)和巖石物理特征是影響其吸附量的兩大主要因素。其中有機地球化學性質(zhì)包括熱成熟度、有機質(zhì)類型、有機碳含量；巖石物理特征包括礦物組成、孔隙半徑、比表面、溫度、壓力。本文還探討了頁巖氣藏吸附氣的解吸方法，主要有降壓解吸、置換解吸、升溫解吸和擴散解吸。通過本文的探討，為深入研究頁巖氣的吸附與解吸提供參考。

頁巖氣；吸附量；解吸；影響因素

近年來，頁巖氣藏已成為油氣工業(yè)領域的重點對象。頁巖氣藏與常規(guī)氣藏區(qū)別較大，它既是烴源巖又是儲集層［1-2］。頁巖氣藏中，天然氣以吸附、游離和溶解三種形式儲存，其中以吸附方式儲存的天然氣占50%以上［3］。

根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，在地層條件下，四川盆地頁巖氣吸附量在30%～52%，鄂爾多斯盆地頁巖氣吸附量在26%～49%，美國沃思堡盆地Barnett頁巖氣吸附量在38%～72%［1、4～5］，顯然不同地區(qū)和類型的頁巖氣藏，其吸附量有很大的差異，到底是什么原因造成這種差異呢？針對這一問題，本文根據(jù)現(xiàn)有的文獻資料，在頁巖氣藏的基本特征上，結(jié)合吸附的基本性質(zhì)，探討了頁巖氣吸附量的主要影響因素，并針對吸附氣的解吸方法進行探討，通過本文的探討為以后更深入的研究頁巖吸附理論打下良好的基礎，也對頁巖氣藏的開發(fā)有重要的指導意義。

1　頁巖氣藏的特征

頁巖氣本質(zhì)上是連續(xù)生成的生物化學成因氣、熱成因氣或兩者的混合，具有飽含氣性、隱蔽聚集、多種巖性封閉以及相對短的運移距離，可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在，甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在［6］。國內(nèi)的頁巖氣通常指賦存于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等特點的氣體［4、6］。

與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣開發(fā)具有開采壽命周期長的特點，這是由于頁巖的微隙和裂縫系統(tǒng)讓頁巖氣具有“連續(xù)性”分布特征［7］。對頁巖氣的認識是隨著實踐經(jīng)驗的積累而變化的，聚集從僅僅局限于泥頁巖發(fā)展到薄層粉砂巖甚至砂巖和碳酸鹽巖。烴源巖的范圍也更廣泛，包括海相傾油型源巖和有機質(zhì)含量中等、初始氫指數(shù)不高的泥頁巖［8］。

頁巖氣藏具有低孔低滲特點，例如，四川盆地華鎣山紅巖煤礦實測龍馬溪組頁巖孔隙度平均為4.83%威遠地區(qū)，筇竹寺組頁巖孔隙度平均為3.02%［9］。鄂爾多斯盆地中生界陸相頁巖實測孔隙度0.4%～1.5%，滲透率0.012 mD～0.653 mD［10］。美國FortWorth盆地Barnett頁巖［11］為一套黑色硅質(zhì)頁巖，其孔隙度為2%～10%，滲透率為（70～500）×10-6mD，有機碳含量為4.0%～8.0%。

2　頁巖氣藏吸附量的影響因素

2.1巖石物理性質(zhì)對頁巖氣吸附量影響

2.1.1礦物成分對吸附量的影響Ross，D.等［12］研究發(fā)現(xiàn)頁巖氣藏中粘土礦物對甲烷吸附量有很大的關系，進一步實驗研究發(fā)現(xiàn)尤其是蒙脫石和伊利石對甲烷的吸附量貢獻最大，邱軍利等［13］通過粘土礦物的甲烷等溫吸附實驗，各種粘土礦物對甲烷的吸附量差別很大。

2.1.2比表面和孔徑大小的影響吸附是發(fā)生在吸附劑表面上的行為，微孔吸附劑吸附即孔隙充填機理，中孔中可發(fā)生毛細凝結(jié)。因此，頁巖比表面越大，一般來說氣體分子和相對分子質(zhì)量不大的溶質(zhì)的吸附量越大。楊峰等人通過理論研究顯示頁巖的孔隙結(jié)構對吸附量的影響最大［14］，Chalmers等［15］通過實驗研究證明吸附量與頁巖的孔隙度呈正相關，頁巖儲層中的吸附氣含量隨著孔隙的增大而增加。

2.1.3溫度壓力的影響甲烷在頁巖表面是發(fā)生物理吸附，溫度升高吸附量降低，因為物理吸附是自發(fā)的自由能降低和放熱過程。吸附質(zhì)平衡壓力或平衡濃度的增加都使吸附量增加。物理吸附類似于氣體在吸附劑表面的液化，故吸附質(zhì)沸點和臨界溫度越高，越有利于吸附的發(fā)生。

李武廣等［16］通過實驗研究不同溫度下頁巖的吸附解吸，發(fā)現(xiàn)溫度越高吸附量越少，但解吸量越大。

2.2有機地球化學性質(zhì)對頁巖氣吸附量的影響

2.2.1成熟度（Ro）對吸附量的影響成熟度是表示有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的熱演化程度。頁巖有機質(zhì)成熟度指的是有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為油氣的程度。對于熱成因的頁巖氣藏，形成天然氣的有機質(zhì)成熟度值在0.4%～3.0%，如果成熟度的值大于3.0%表明有機質(zhì)處于過成熟了。文獻［17］為了研究成熟度對頁巖吸附的影響進行了不同成熟度頁巖有機質(zhì)的等溫吸附實驗研究，結(jié)果表明有機質(zhì)成熟度越高，頁巖的吸附能力越強，也就是說吸附甲烷的量越多。2.2.2有機碳含量（TOC）對吸附量的影響根據(jù)油氣地球化學，通常認為TOC含量大于0.5%的頁巖能成為具有潛力的烴源巖。為了定性研究頁巖中TOC的含量與頁巖甲烷吸附量的關系，熊偉等［17］通過室內(nèi)對不同TOC含量的頁巖進行了等溫氣體吸附實驗。結(jié)果顯示，TOC含量越大，頁巖氣體吸附量也就越多；與此同時，Ro含量近似的頁巖，TOC含量越高，氣體吸附量越大，TOC含量近似的頁巖，Ro值越高，氣體吸附量越大。楊一嗚等［18］也對TOC與吸附量的關系進行了等溫吸附實驗，結(jié)果表明同一壓力下，TOC含量越高，其甲烷吸附量越大。

2.3其他影響因素

頁巖吸附氣含量還受到頁巖儲層中含水量大小和潤濕性的影響。例如Ross等［19］研究發(fā)現(xiàn)頁巖儲層中水分的存在很大程度上減少吸附氣的含量，通過室內(nèi)實驗得到干燥條件下的頁巖樣品的吸附量大于水平衡條件下的吸附量，原因是粘土礦物表面的吸附位被水占據(jù)后，使粘土礦物膨脹導致孔隙度減小，并且堵塞孔吼，減少氣體進入原來的吸附位。至于潤濕性對吸附量造成影響，還有待進一步研究。

3　解吸方法

3.1降壓解吸

降壓解吸是一種最特征的物理解吸作用過程，也是頁巖氣吸附開采過程中最最主要的一種解吸方法。降壓解吸的基本特征是，被吸附在基質(zhì)孔隙內(nèi)表面的甲烷氣體分子由于外界壓力的降低而變得更為活躍，跳出了范德華力的束縛，由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)。

3.2置換解吸

置換解吸的本質(zhì)是未被吸附的其它氣體分子置換處于吸附態(tài)的甲烷分子的位置，從而使原來呈吸附態(tài)的甲烷分子變?yōu)橛坞x態(tài)。事實上，置換解吸是“優(yōu)勝劣汰的自然法則”的具體體現(xiàn)，也就是混合氣體的競爭吸附。一方面，未被吸附的其它氣體分子，在普遍存在于各種原子、分子之間的范德華力作用下，不停地爭取被吸附的機會，以力圖達到動態(tài)平衡狀態(tài)；另一方面，氣體分子的熱力學性質(zhì)決定了這些被吸附的氣體分子在不停地爭脫范德華力束縛，變吸附態(tài)為游離態(tài)。這就是置換解吸的機理所在。

3.3升溫解吸

現(xiàn)代物理化學研究表明，吸附劑對吸附質(zhì)的吸附量是吸附質(zhì)、吸附劑的性質(zhì)及其相互作用、吸附平衡時的壓力和溫度的函數(shù)。溫度與吸附量呈負相關，與解吸量呈正相關。這一類型在頁巖氣甲烷吸附含量測試實驗中已得到證實?？梢园l(fā)現(xiàn)，在頁巖氣甲烷吸附含量測試過程中，當溫度越高時，其甲烷氣體吸附量越小。

3.4擴散解吸

根據(jù)分子擴散理論，只要有濃度差存在，就有分子擴散運動，這是氣體分子熱力學性質(zhì)所決定的。研究表明，甲烷氣體分子之所以能在頁巖基質(zhì)的孔隙內(nèi)表面得以高度富集，這就與微孔隙、微裂隙內(nèi)流體構成高梯度濃度差有關，這種濃度差迫使甲烷分子擴散，從而造成非正常解吸。

總之，頁巖氣藏中吸附氣的解吸方法很多，目前，詳細的研究解吸的方法還不多見，也沒有現(xiàn)場經(jīng)驗可言。

4　結(jié)論與建議

通過上述對頁巖氣吸附量影響因素的探討，不難發(fā)現(xiàn)頁巖吸附甲烷量的大小受很多因素的影響。首先是頁巖中粘土礦物的種類，不同的粘土礦物其甲烷吸附能力大小不同，蒙脫石吸附甲烷的能力最大；其次，頁巖的比表面和孔徑的大小是甲烷吸附量大小的直接因素，比表面大甲烷吸附量就多；總有機碳含量（TOC）和有機成熟度（Ro）間接的影響到甲烷的吸附量，TOC含量越高，頁巖吸附甲烷的能力越強；另外含水量、孔隙度對頁巖氣吸附量都有較大的影響，對于巖石的潤濕性的影響還需要進一步研究。最后，還討論了頁巖氣吸附氣解吸的方法，國內(nèi)外目前開采頁巖氣的方法主要是靠水力壓裂采用第一種方法，沒有對比其他方法的好壞。作者個人認為需要進一步研究探索不同的開采方法來評價吸附氣采收率的高低，因此哪種方法優(yōu)劣，是頁巖氣研究學者們下步研究的內(nèi)容。

［1］Jarvie D，Hill R J，Ruble T E，et al.Unconventional shalegas systems：the Mississippian Barnett shale of Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：475-499.

［2］Ross D J，Bustin R M.Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin：application of an integrated formation evaluation［J］.AAPG Bulletin，2008，92（1）：87-125.

［3］Curtis J.B.，F(xiàn)ractured shale-gas systems［J］.AAPG Bulletion，2002，86（11）：1921-1938.

［4］張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布［J］.天然［5］王社教，李登華，李建忠，等.鄂爾多斯盆地頁巖氣勘探潛力分析［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（12）：40-46.

氣工業(yè)，2004，24（7）：15-18.

［6］張金川，薛會，張德明，等.頁巖氣及其成藏機理［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2003，17（4）：466.

［7］鄒才能，陶士振，袁選俊，等.“連續(xù)型”油氣藏及其在全球的重要性：成藏、分布與評價［J］.石油勘探與開發(fā)，2009，36（6）：669-682.

［8］王飛宇，等.頁巖氣賦存形式和初始原地氣量（OGIP）預測技術［J］.天然氣地球科學，2011，22（3）：501-510.

［9］鄒才能，董大忠，王社教，等.中國頁巖氣形成機理、地質(zhì)特征及資源潛力［J］.石油學報，2010，37（6）：641-653.

［10］王道富，王玉滿，董大忠，等.川南下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖儲集空間定量表征［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（7）：1-10.

［11］林虎森，鄒才能，袁選俊，等.美國致密油開發(fā)現(xiàn)狀及啟示［J］.巖性油氣藏，2011，23（4）：25-30.

［12］Ross，D.J.K.，Bustin，R.M.Mar.Pet.Geol.2009，（26）：916－927.

［13］邱軍利，夏燕青，等.常見黏土礦物電鏡掃描微孔隙特征與甲烷吸附性［J］.石油學報，2012，33（2）：249-256.

［14］楊峰，寧正福，張世棟，等.基于氮氣吸附實驗的頁巖孔隙結(jié)構表征［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（4）：135-140.

［15］Chalmers G R L，Bustin R M.The organic matter distribution and methane capacity of the lower Cretaceous strata of Northeastern British Coumbia，Canada［J］.Coal Geology，2007，70（1-3）：223-239.

［16］李武廣，楊勝來，陳峰，等.溫度對頁巖吸附解吸的敏感性研究［J］.礦物巖石，2012，32（2）：115-120.

［17］熊偉，郭為，劉洪林，等.頁巖的儲層特征以及等溫吸附特征［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（1）：113-116.

［18］楊一嗚，毛俊莉，李晶晶.頁巖氣藏地質(zhì)特征及地質(zhì)選區(qū)評價方法－以遼河坳陷東部凸起為例［J］.特種油氣藏，2012，19（2）：46-49.

［19］Ross D J K，Bustin R M.Shale gas potential of the Lower－Jurassic Gordondale Member，northeastern British Columbia，Canada［J］.2007，1（5）：51-75.

Discuss on the factors of shale gas adsorption and exploitation technology

ZHANG Jian1，LIU Jiangyu2，XUE Jianglong1
（1.Research Institute of Exploration and Development Tarim Oilfield Company PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China；2.Research Institute of Oil&Gas Engineering Tarim Oilfield Company PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China）

Adsorption is one of the important basis to evaluate gas containing of shale reservoir and is an important index for evaluation productivity of shale.There are many influence factors on adsorption capacity because of its particular geological characteristics.Based on lots of literatures，the two main factors are organic geochemical properties and rock physical characteristics of shale reservoir.Organic geochemical properties include thermal maturity，types of organic matter and content of organic carbon.Rock physics characteristics include mineral composition，pore radius，surface area，temperature and pressure.The article also discusses on desorption methods of shale gas，mainly including pressure decreasing desorp－tion，replacement desorption，desorption by heating and diffusion desorption.This article can provide a reference for further study on the adsorption and desorption of shale gas.

shale gas；capacity of absorption；desorption；factor

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.001

TE132.2

A

1673-5285（2015）06-0001-04

2015－04-08

國家科技重大專項“頁巖氣勘探開發(fā)關鍵技術研究項目”，項目編號：2011ZX05018。