柴達木盆地北緣中侏羅統(tǒng)泥頁巖吸附特征及影響因素分析

裴明明，邵龍義，李永紅，文懷軍，張文龍

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.青海煤炭地質(zhì)105勘探隊，西寧810007；3.青海煤炭地質(zhì)局，西寧810007）

柴達木盆地北緣中侏羅統(tǒng)泥頁巖吸附特征及影響因素分析

裴明明1，邵龍義1，李永紅2，文懷軍3，張文龍2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.青海煤炭地質(zhì)105勘探隊，西寧810007；3.青海煤炭地質(zhì)局，西寧810007）

柴達木盆地北緣中侏羅統(tǒng)具有較好的頁巖氣勘探前景，深入研究該地區(qū)暗色泥頁巖吸附特征及影響因素對分析區(qū)內(nèi)頁巖氣聚集規(guī)律有一定參考意義。以柴達木盆地北緣魚卡地區(qū)為例，對中侏羅統(tǒng)泥頁巖巖心樣品進行X射線衍射全巖礦物組成及黏土礦物相對含量、總有機碳（TOC）含量和等溫吸附等分析測試。結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)泥頁巖TOC含量4.76%～25.30%，平均含量為12.05%；礦物組成以黏土礦物和石英為主，黏土礦物又以伊/蒙間層礦物和高嶺石為主；泥頁巖最大吸附量（VL）為1.19～8.46 cm3/g，平均值3.88 cm3/g；蘭氏壓力（PL）為1.72～4.98 MPa，平均3.13 MPa；泥頁巖的總有機碳含量與吸附能力之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系；黏土礦物總量與吸附能力之間具有明顯的正相關(guān)性，不同類型的黏土礦物對吸附能力具有不同的影響，黏土礦物中以伊/蒙間層礦物+高嶺石總量對吸附能力的影響較為顯著。

中侏羅統(tǒng)；泥頁巖；吸附能力；有機碳含量；礦物組成；影響因素

0　引言

頁巖氣指賦存于富含有機質(zhì)的暗色或炭質(zhì)泥頁巖中，吸附于有機質(zhì)和黏土礦物表面，或游離于泥頁巖基質(zhì)孔隙和天然裂縫中，具有商業(yè)開采價值的生物成因或熱成因的非常規(guī)天然氣［1］。吸附氣和游離氣被認為是頁巖氣的主要存在形式，而頁巖氣中吸附氣的含量占到總氣量的20%～85%，一般可達到總含氣量的40%以上［2-4］。因此泥頁巖的吸附能力是頁巖氣富集規(guī)律研究的重要方面之一。柴達木盆地北緣（以下簡稱“柴北緣”）中侏羅統(tǒng)泥頁巖具有較好的頁巖氣資源潛力，存在潛西、魚卡、大煤溝等多個頁巖氣勘探有利區(qū)［5-7］。通過對魚卡地區(qū)中侏羅統(tǒng)泥頁巖樣品進行TOC含量、全巖及黏土礦物和等溫吸附測試，并對其甲烷吸附特征及影響因素進行分析，對柴北緣頁巖氣的勘探和開發(fā)具有重要的理論和實際意義。

1　區(qū)域地質(zhì)背景

柴達木盆地處于青藏高原東北部，是青藏高原北部東西向構(gòu)造帶里面的一個大致呈NW向展布的含油氣盆地，它南鄰昆侖山、北接祁連山、西北界為阿爾金山，在大地構(gòu)造位置上柴達木盆地屬于特提斯構(gòu)造域的東部［8］。依據(jù)基地特征、現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)、盆地演化等將柴達木盆地劃分為北部斷塊帶、茫崖坳陷和東部的德令哈坳陷、三湖坳陷，并由多個相間分布的二級構(gòu)造帶、凹陷和凸起組成［9-10］。研究區(qū)柴北緣構(gòu)造分區(qū)包括北部斷塊帶和東部的德令哈坳陷（圖1）。柴北緣中侏羅統(tǒng)沉積類型主要有河流相、三角洲相、濱淺湖相和半深湖—深湖相，中侏羅世氣候溫暖濕潤，泥炭沼澤廣泛發(fā)育，為研究區(qū)主要的成煤期［5］。中侏羅統(tǒng)暗色泥頁巖在柴北緣發(fā)育較好，主要包括石門溝組上段的半深湖—深湖相泥頁巖，石門溝下段及大煤溝組的煤系泥巖（圖2）。

圖1　柴達木盆地北緣構(gòu)造位置與構(gòu)造單元劃分圖［9-10］Figure1　North margin of Qaidam Basin tectonic setting and tectonic elements partitioning［9-10］

2　樣品采集及測試

對采自柴北緣魚卡地區(qū)YQ-1井不同深度和層位的泥頁巖樣品進行等溫吸附實驗、并進行相應(yīng)的有機碳含量、X射線衍射全巖礦物和黏土礦物含量分析等測試，采樣位置如圖2所示。

本次等溫吸附實驗采用的儀器設(shè)備為Terratek IS—300型自動等溫吸附儀，實驗參考《煤的高壓等溫吸附實驗方法》標準，測定一定粒度（60～80目）泥頁巖樣品在恒定溫度（30℃）、不同壓力條件下達到吸附平衡時所吸附甲烷氣體的體積，試驗樣品均測定8個平衡壓力點，每個壓力點達到平衡的時間為12 h，然后增大壓力到下一個壓力點，甲烷氣體濃度大于99.99%，油浴鍋溫度控制精度為0.1℃，壓力測量精度為6.91×10-4MPa。根據(jù)Langmuir單分子層吸附理論，計算出吸附常數(shù)VL、PL。有機碳含量實驗設(shè)備采用力可CS244型碳硫測定儀；全巖礦物組成及黏土礦物相對含量采用D8 Diffractometer X-射線衍射分析儀測定，樣品測試均在華北石油勘探開發(fā)研究院完成。

3　實驗結(jié)果

3.1等溫吸附特征

等溫吸附測試結(jié)果顯示，柴北緣中侏羅統(tǒng)泥頁巖樣品具有I類等溫吸附曲線的特征，符合單分子層吸附理論模型［11］。溫度恒定的條件下，初始階段（壓力小于3 MPa）樣品的吸附量隨壓力的增大快速增加，當壓力增加到一定程度后，吸附量緩慢增加至趨于飽和（圖3（a））。根據(jù)不同壓力條件下吸附量的對應(yīng)關(guān)系擬合得到Langmuir等溫吸附線。結(jié)果顯示擬合度較高，相關(guān)系數(shù)平均0.9521，最大可達0.9975。樣品的蘭氏體積VL為1.19～8.46 cm3/g，平均為3.88 cm3/g；蘭氏壓力PL為1.72～4.98 MPa，平均為3.13 MPa。對比渝東南下志留統(tǒng)龍馬溪組海相黑色頁巖的等溫吸附特征（VL為1.36～2.67 cm3/g，PL為1.90～3.84 MPa）［12］（圖3（b）），可以看出兩者蘭氏體積VL、蘭氏壓力PL等吸附常數(shù)存在著較大的差異，柴北緣研究區(qū)不同泥頁巖樣品之間等溫吸附曲線差異明顯。這主要由于陸相泥頁巖形成于較為動蕩的水體環(huán)境中，沉積相變較大，無法在較長時期內(nèi)保持穩(wěn)定的沉積，形成的泥頁巖非均質(zhì)性較強，故等溫吸附性能變化較大［13］。

3.2泥頁巖有機質(zhì)豐度及礦物組成特征

樣品TOC含量及礦物組成特征如表2所示，泥頁巖樣品有機質(zhì)豐度變化范圍較大，TOC值為4.76%～25.3%，平均為12.05%，總體上有機質(zhì)豐度較高。

圖2　柴北緣魚卡地區(qū)YQ-1井地層柱狀圖Figure2　Stratigraphic column of well YQ-1 inIqe area，north margin of Qaidam Basin

泥頁巖礦物組成以石英和黏土礦物為主。黏土礦物含量為42%～82%，平均為57.3%；石英含量為17%～43%，平均為30.5%；長石含量較低，為1%～6%，并含有少量的方解石。黏土礦物的X-衍射定量分析結(jié)果顯示，黏土礦物以伊/蒙間層礦物為主，相對含量為28%～63%，平均43.3%；高嶺石相對含量為18%～60%，平均38.7%；伊利石相對含量為10%～15%，平均12%；綠泥石平均相對含量低于10%，不含蒙皂石。

圖3　泥頁巖甲烷等溫吸附線Figure3　Argillutite methane isothermal adsorption curves

表1　泥頁巖樣品甲烷吸附常數(shù)Table1　Argillutite sample methane adsorption constants

表2　泥頁巖樣品有機地化與礦物組成特征Table2　Argillutite sample organic geochemical and mineral composition features

4　等溫吸附特征控制因素分析

除溫度、壓力和濕度等外界環(huán)境因素外，有機質(zhì)豐度、成熟度等地球化學(xué)特征以及孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成等儲層特征也會對泥頁巖吸附能力產(chǎn)生影響［14］。本次研究從泥頁巖總有機碳、礦物組成方面分析其對泥頁巖吸附性能的影響。

4.1有機質(zhì)豐度

北美頁巖氣的研究結(jié)果表明，泥頁巖的吸附性能在一定程度上受到有機碳含量的影響，有機碳含量越高，泥頁巖的吸附性能越大［1，15］。由圖4a可見，在總有機碳含量＜15%時，隨總有機碳含量的增加，泥頁巖最大吸附量有逐漸增大的趨勢，具正相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果與前人關(guān)于泥頁巖甲烷吸附特征的結(jié)論基本一致［16］（圖4b）。與鄂爾多斯盆地延長組的泥頁巖相比，柴北緣中侏羅統(tǒng)泥頁巖的總有機碳與最大吸附量之間擬合相關(guān)系數(shù)較低、離散度較大，正線性相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)不明顯。這一結(jié)果與區(qū)內(nèi)有機質(zhì)熱演化程度總體處于未熟-低熟階段有關(guān)（表2），有機質(zhì)未經(jīng)歷主要生排烴過程，導(dǎo)致有機質(zhì)微孔隙不發(fā)育或極少發(fā)育，因此總有機碳與最大吸附量之間正線性相關(guān)性較低。

4.2礦物組成

礦物組成在一定程度上控制著泥頁巖的儲集特性，對泥頁巖吸附特征具有重要的影響［17］。黏土礦物由于層間結(jié)構(gòu)而具有可觀的比表面積，可以把甲烷分子吸附到其表面。Passey等［18］研究認為，黏土礦物是甲烷分子重要的吸附載體。研究區(qū)泥頁巖樣品黏土礦物總量與最大吸附量之間存在顯著的正相關(guān)性（圖5a），總體上隨黏土礦物含量的增加，樣品的最大吸附量逐漸增大。這主要是由于與其它組成礦物相比，黏土礦物內(nèi)部發(fā)育大量納米孔隙，有效增加了泥頁巖儲層的比表面積。

圖4　泥頁巖最大吸附量與總有機碳相關(guān)關(guān)系圖Figure4　Correlation between argillutite maximum adsorbance and TOC

圖5　柴北緣中侏羅統(tǒng)泥頁巖礦物組成與最大吸附氣量Figure5　North margin of Qaidam Basin middle Jurassic mineral composition and maximum adsorbance

不同的黏土礦物在化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)和巖石物理性質(zhì)等方面存在較大的差異，發(fā)育的晶間、層間及顆粒之間孔隙的大小、形態(tài)和表面積不同，對甲烷的吸附能力不同［19］。所分析樣品的最大吸附量與伊/蒙間層+高嶺石含量之間具有較強的正相關(guān)關(guān)系（圖5b），與伊利石含量相關(guān)關(guān)系不明顯（圖5c）。魏祥峰等研究認為［20］，隨伊/蒙間層礦物含量的增加，泥頁巖的孔體積和比表面積增大，黏土礦物的比表面積特征比較復(fù)雜，伊/蒙間層礦物、蒙脫石礦物具有很大的內(nèi)表面積（晶體內(nèi)部的），而伊利石礦物僅有外表面積。吉利明等［21］研究泥頁巖中不同黏土礦物的吸附能力時認為，黏土礦物吸附能力由大到小依次為伊/蒙間層、高嶺石、綠泥石、伊利石。對比樣品YQ-1-13、YQ-1-17和YQ-1-25，綠泥石、伊利石含量大致相當，伊/蒙間層礦物含量YQ-1-13大于YQ-1-17，兩者高嶺石含量相近，最大吸附量YQ-1-13大于YQ-1-17；高嶺石礦物含量YQ-1-25大于YQ-1-17，伊蒙間層礦物含量相當，而最大吸附量相近，變化較小。說明伊/蒙間層礦物對泥頁巖吸附性能的影響要大于高嶺石。由此可見，在以高嶺石和伊/蒙間層礦物為主要黏土礦物類型的泥頁巖中，伊/蒙間層礦物含量高的樣品吸附性能較好，這與Gasparik M等［22］的研究結(jié)果基本一致。

脆性礦物含量與泥頁巖最大吸附量之間呈負相關(guān)關(guān)系（圖5d）。脆性礦物與黏土礦物相比，孔隙、比表面積不發(fā)育，吸附頁巖氣的能力較差。脆性礦物含量的增加會相對減弱泥頁巖的吸附能力，主要是由于其含量的增加必然會導(dǎo)致黏土礦物含量相對減少所致，這一結(jié)果與前人研究結(jié)論相一致［17］。

5　結(jié)論

（1）柴北緣中侏羅統(tǒng)暗色泥頁巖最大吸附量（VL）為1.19～8.46 cm3/g，平均3.88 cm3/g；蘭氏壓力（PL）為1.72～4.98 MPa，平均3.13 MPa。

（2）總有機碳含量＜15%時，有機碳含量與最大吸附量呈正相關(guān)關(guān)系，但總體相關(guān)度較低；黏土礦物總量與泥頁巖的吸附能力之間具有明顯的正相關(guān)性，成為影響柴北緣中侏羅統(tǒng)泥頁巖吸附能力的主要影響因素，其中高嶺石+伊/蒙間層礦物含量對泥頁巖吸附能力的影響較為顯著；脆性礦物含量的增加會降低泥頁巖對甲烷的吸附能力。

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Analysis of Middle Jurassic Argillutite Adsorptive Features and Impacting Factors at North Margin of Qaidam Basin

Pei Mingming1，Shao Longyi1，Li Yonghong2，Wen Huaijun3and Zhang Wenlong2
（1.School of Geosciences and Surveying Engineering，CUMTB，Beijing 100083；2.No.105 Exploration Team，Qinghai Bureau of Coal Geological Exploration，Xining，Qinghai 810007；3.Qinghai Bureau of Coal Geological Exploration，Xining，Qinghai 810007）

The middle Jurassic strata at the north margin of Qaidam Basin have better shale gas exploration prospect.Detailed study on dark argillutite adsorptive features and impacting factors has certain reference significance to analyze shale gas accumulation pattern in the area.Taking the Iqe area as an example，carried out core samples X-ray diffraction mineral composition，clay minerals relative con?tent，TOC and isothermal adsorption analytical tests.The result has shown that the TOC of argillutite in the area is 4.76%～25.30%，av?erage 12.05%；mineral composition is mainly quartz，and the clay minerals have mainly interstratified illite/montmorillonite and kaolin?ite；argillutite maximum adsorbance（VL）is between 1.19～8.46 cm3/g，average 3.88 cm3/g；Langmuir pressure（PL）is between 1.72～4.98 MPa，average 3.13 MPa.Between TOC of argillutite and adsorptivity has certain positive correlation；between total clay minerals and ad?sorptivity has obvious positive correlation.Different clay mineral types have different impacts on adsorptivity，among them the total in?terstratified illite/montmorillonite plus kaolinite have more significant impact on adsorptivity.

Middle Jurassic Series；argillutite；adsorptivity；organic carbon content；mineral composition；impacting factor

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.05

1674-1803（2016）10-0019-05

中國地質(zhì)調(diào)查局項目（121201114019501）資助

裴明明（1991—），男，碩士，從事沉積學(xué)及煤田地質(zhì)學(xué)研究。

邵龍義（1964—），男，教授，從事沉積學(xué)及煤田地質(zhì)學(xué)研究。

2016-05-23

責任編輯：宋博輦