頁巖氣實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)進(jìn)展

聶全新，程麗婭，黃勤，王金云，陶文靖

(1安徽省地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)院， 安徽合肥 230022;2安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所， 安徽合肥 230001)

0 引言

隨著人類自身的進(jìn)步與科技發(fā)展，自然資源成為制約社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的關(guān)鍵性要素。特別是在油、氣、煤這三種人類主要的化石能源快速消耗和緊缺的情況下，對(duì)非常規(guī)油氣資源的開發(fā)和利用已成為人類社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的必然途徑[3]，頁巖油、頁巖氣、煤層氣和可燃冰等都成為人類下一步可利用資源的可選項(xiàng)。頁巖氣是連續(xù)生成的生物化學(xué)作用氣、熱裂解作用氣或兩者的混合氣，部分被干酪根和黏土顆粒在表面上吸附存在、大部分在頁巖空隙和天然裂縫中游離方式存在、很少部分會(huì)在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。在成藏及分布上具有運(yùn)移距離短、多種封閉機(jī)理、聚集成藏隱蔽、地層飽含氣等地質(zhì)特殊性[5]。它與常規(guī)天然氣藏最顯著的區(qū)別是：它是一個(gè)自給的系統(tǒng)，頁巖既是烴源巖，又是儲(chǔ)層封蓋巖[4]。頁巖的巖性特征變化和裂縫發(fā)育狀況對(duì)頁巖氣藏中天然氣的賦存特征和分布規(guī)律具有控制作用[6]。要實(shí)現(xiàn)頁巖氣資源的勘探開發(fā)和利用，頁巖氣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)非常關(guān)鍵，頁巖的地球化學(xué)、物性和含氣量等參數(shù)直接與頁巖氣成藏及氣藏相關(guān)。目前常規(guī)油氣資源的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法并不完全適用于頁巖氣，本文針對(duì)這種現(xiàn)狀，結(jié)合前人已有的研究成果，對(duì)目前頁巖氣實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行綜述，為頁巖氣實(shí)驗(yàn)測(cè)試提供一定的參考。

1 頁巖氣的地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

1.1 有機(jī)質(zhì)的豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是頁巖中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量，既是頁巖生成氣體的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定著巖石的產(chǎn)氣能力，同時(shí)作為頁巖吸附氣體的物質(zhì)之一，決定頁巖的吸附氣量能力，還是頁巖間隙豐富的重要因素，影響游離氣的儲(chǔ)存[7]。烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度常以總有機(jī)碳含量、氯仿可溶有機(jī)質(zhì)（A）和總烴（HC）含量來表達(dá)。在SY/T 7550-2004 《原油中蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量測(cè)定法》[14]中采用正庚烷回流法測(cè)定瀝青質(zhì)含量，而烴源巖石的熱解烴則采用熱解氣相色譜，根據(jù)熱蒸發(fā)烴、熱解烴圖形特征、熱解產(chǎn)物譜峰特征和各類烴的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析?？傆袡C(jī)碳直接引用了GB/T19145-2003沉積巖中總有機(jī)碳的測(cè)定[15]。

1.2 有機(jī)質(zhì)的類型

有機(jī)質(zhì)的類型是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)，也是烴源巖的質(zhì)量指標(biāo)之一，這與原始有機(jī)母源輸入及其保存條件密切相關(guān)。因此，對(duì)烴源巖成烴母質(zhì)類型的研究不僅是評(píng)價(jià)烴源巖生烴能力及其質(zhì)量所需，而且對(duì)追溯生源及其保存環(huán)境也有重要意義[8]。其評(píng)價(jià)指標(biāo)通常以干酪根類型、烴源巖熱解、有機(jī)元素含量來表示。干酪根類型研究的常用方法有光學(xué)法、化學(xué)元素分析法、熱解法和紅外光譜法等。 SY/T 5125-1996《透射光-熒光干酪根顯微組分鑒定及類型劃分方法》[16]中利用具有投射光和落射光功能的生物顯微鏡，對(duì)干酪根的顯微組分進(jìn)行鑒定，從而確定干酪根類型。GB/T18602-2012《巖石熱解分析》[17]中利用巖石熱解分析儀，測(cè)定熱解參數(shù)，確定干酪根類型。GB/T19143-2017 《巖石有機(jī)質(zhì)中碳、氫、氧元素分析方法》[18]中采用元素分析儀測(cè)定樣品有機(jī)質(zhì)中碳、氫、氧元素，判斷有機(jī)質(zhì)的類型。

1.3 有機(jī)質(zhì)的成熟度

有機(jī)質(zhì)豐度和類型是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而有機(jī)質(zhì)的熱演化程度影響著生烴的能力[9]，因此，成熟度是衡量烴源巖能否生烴的重要參數(shù)?？梢杂糜袡C(jī)地球化學(xué)指標(biāo)表示，如生物標(biāo)志化合物的構(gòu)型變化，有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的變化，參數(shù)有：鏡質(zhì)組反射率（RO）、瀝青和無定型體反射率、海相鏡質(zhì)組反射率；熱解成熟度參數(shù)：產(chǎn)率指數(shù)（S1/（S1+S2））、巖石熱解最高峰溫度（Tmax）。但應(yīng)用最多的還是鏡質(zhì)組反射率 。SY/T5124-2012《沉積巖中鏡質(zhì)組反射率測(cè)定方法》[19]中通過顯微光度計(jì)測(cè)定鏡質(zhì)組拋光面的反射光強(qiáng)度與垂直入射光強(qiáng)度的百分比值來獲得。

2 頁巖氣的儲(chǔ)存表征技術(shù)

2.1 頁巖中礦物組成的分析

頁巖通常被定義為“細(xì)粒的碎屑沉積巖”，在結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和礦物組成上多種多樣。礦物組成主要是黏土礦物、陸源碎屑（石英、長(zhǎng)石等）等以及其他礦物（碳酸鹽巖、黃鐵礦和硫酸鹽等），由于礦物結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)的不同，所以礦物的相對(duì)含量會(huì)直接影響頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)、物性、對(duì)氣體的吸附能力以及頁巖氣的產(chǎn)能。SY/T5163-1995 《沉積巖黏土礦物相對(duì)含量X射線衍射分析方法》[20]中利用X射線衍射法（XRD）對(duì)頁巖進(jìn)行全巖礦物組分和黏土礦物的分析。

2.2 頁巖孔隙度和滲透率測(cè)定

孔隙是天然氣賴以存在的空間，其容積的大小對(duì)于頁巖氣的儲(chǔ)量及富集程度有極大影響。頁巖中孔隙的來源：①原生孔隙；②有機(jī)質(zhì)熱裂解生氣后產(chǎn)生的孔隙；③未被膠結(jié)的微裂縫；④超壓保存的孔隙[10]。測(cè)定孔隙度的傳統(tǒng)方法是利用巖芯，通過氦置換法和汞置換法直接在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定 。SY/T6103-2004 《巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征的測(cè)定 圖像分析法》[21]中利用偏光顯微鏡觀察巖石孔隙結(jié)；SY/T5162-2014 《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》[22]中利用掃描電鏡觀察泥頁巖的微孔隙和微裂縫；SY/T6385-2016 《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測(cè)定方法》[23]中利用覆壓孔滲儀，在模擬地層覆壓條件下，測(cè)量巖芯樣品的克氏滲透率，以及測(cè)量巖芯樣品的孔隙體積和孔隙度。

3 頁巖含氣量測(cè)試技術(shù)

頁巖含氣量對(duì)巖石含氣性評(píng)價(jià)、資源儲(chǔ)量預(yù)測(cè)具有重要意義，決定了該地區(qū)有無頁巖氣，以及有無工業(yè)開采價(jià)值。頁巖氣含量的測(cè)量一是參照煤層氣的測(cè)量方法，結(jié)合頁巖的特性測(cè)定獲得巖芯的游離和吸附氣量，加上模擬計(jì)算巖芯取出期間的逸散氣量[11]；二是測(cè)定頁巖理論上最大吸附氣量來表示。

3.1 解吸法

解吸法測(cè)得的頁巖含氣量由解吸氣量、殘余氣量、逸散氣量三個(gè)部分組成。GB/T19959-2008 《煤層氣含量測(cè)定方法》[24]中，解吸氣量就是頁巖巖芯自然解吸出來的氣體含量；有解吸曲線模擬計(jì)算出鉆頭遇頁巖層后到巖樣備裝入樣品解吸罐密封之前可能的逸散氣量；解吸后的巖芯粉碎測(cè)定可能的殘余氣量。在實(shí)際工作中，根據(jù)巖石特性和解吸溫度判定殘余氣量測(cè)定與否。

3.2 等溫吸附法

等溫吸附法是通過頁巖樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)來模擬頁巖的吸附過程，從而得到頁巖的含氣量[12]。由此評(píng)價(jià)頁巖的吸附能力、臨界解吸壓力和在持續(xù)生產(chǎn)或壓力釋放造成的氣藏壓力不斷下降時(shí)，評(píng)價(jià)無束縛氣體資源[13]。SY/T6132-2013 《煤巖中甲烷等溫吸附測(cè)定》[25]和GB/T 19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》[26]測(cè)定巖石樣品在相同溫度、不同壓力條件下達(dá)到吸附平衡時(shí)所吸附的甲烷氣體的體積。

4 結(jié)語

頁巖氣的勘探開發(fā)涉及的技術(shù)非常廣泛，無論是烴源巖潛力的評(píng)價(jià)，還是頁巖氣儲(chǔ)量計(jì)算和開發(fā)，頁巖氣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)均至關(guān)重要。本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，圍繞頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征、頁巖巖石學(xué)相關(guān)參數(shù)和頁巖含氣量測(cè)定，對(duì)頁巖的有機(jī)質(zhì)含量、干酪根類型、有機(jī)質(zhì)成熟度等生

油、生氣關(guān)鍵指標(biāo)的地球化學(xué)特征分析，頁巖礦物組成、孔隙度和滲透率測(cè)定等儲(chǔ)層表征技術(shù)，以及頁巖含氣量測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了概述。大量文獻(xiàn)表明：通過獲得的總有機(jī)碳含量、干酪根類型鏡質(zhì)組反射率、礦物組成、孔隙度、滲透率、含氣量等參數(shù)，對(duì)評(píng)估頁巖的產(chǎn)氣能力、儲(chǔ)集氣能力以及可開采性提供重要的技術(shù)支撐。