四川盆地長寧地區(qū)海相頁巖吸附氣含量演化特征
——以N201井五峰組—龍馬溪組一段為例

聶 舟，衡 德，鄒源紅，肖紅紗，陳義才，康 宇，彭文秋

1 四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司勘探開發(fā)部；2 中國石油西南油氣田公司氣田開發(fā)管理部；3 成都理工大學能源學院

0 前 言

上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段（簡稱龍一段）是四川盆地長寧地區(qū)頁巖氣的主力產(chǎn)層段，其吸附氣含量占頁巖總含氣量的20%～85%，為頁巖氣長期穩(wěn)產(chǎn)提供了重要的物質(zhì)基礎。在喜馬拉雅期構造抬升過程中，長寧地區(qū)龍馬溪組上覆地層剝蝕厚度一般達到15 00～3 500 m，頁巖吸附氣含量隨著地層溫度與壓力的變化，經(jīng)歷了復雜的演化過程。近年來，前人對川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖吸附氣含量及其影響因素等方面進行了比較系統(tǒng)的研究，但是關于頁巖吸附氣含量演化過程的研究相對薄弱［1-3］。為了進一步明確長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣的成藏演化規(guī)律，本文根據(jù)四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司15口評價井的現(xiàn)場解吸、測井解釋以及13個頁巖樣品的等溫吸附實驗資料，在采用盆地數(shù)值模擬軟件恢復典型評價井埋藏史和熱演化史的基礎上，結合頁巖吸附氣含量主要影響因素的相關性分析，建立了吸附氣含量的多元回歸數(shù)學模型，定量分析了五峰組—龍一段頁巖自侏羅紀大量生氣以來，頁巖吸附氣含量隨埋藏深度、熱演化程度變化的演化特征。

1 地質(zhì)概況

長寧地區(qū)位于四川盆地南部（圖1a），四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司在該區(qū)的頁巖氣礦權登記區(qū)塊面積約為7 000 km2。長寧地區(qū)地表大部分出露二疊系、三疊系及侏羅系，在長寧背斜核部，寒武系及奧陶系出露于地表（圖1b）；五峰組—龍一段埋藏深度一般在1 500～4 500 m 之間。長寧背斜長軸總體呈NWW—SEE 向，東北翼地層傾角為50°～65°，西南翼地層傾角為30°～45°。長寧背斜在早燕山期初具雛形，喜馬拉雅期構造擠壓使其地層變形更加劇烈，同時伴隨持續(xù)隆升，奧陶系及其上覆地層遭受不同程度的風化剝蝕［4-6］。

目前，礦權區(qū)內(nèi)完鉆評價井有20余口。頁巖氣主力勘探開發(fā)層段為五峰組—龍一段下亞段（圖2），頁巖厚度一般為35～50 m，巖性為碳質(zhì)頁巖和黑色頁巖，頁巖總有機碳含量（TOC）一般在2%～4%之間。上覆龍一段上亞段厚度為120～150 m，巖性為灰色頁巖及粉砂質(zhì)泥巖，TOC一般為0.5%～2%。

圖2 長寧地區(qū)五峰組—龍一段綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column of Wufeng Formation-Longmaxi Member 1 in Changning area

2 頁巖現(xiàn)今吸附氣含量

頁巖吸附氣是指吸附在頁巖干酪根和無機礦物顆粒表面的天然氣。吸附氣含量通常以每噸頁巖中所含吸附氣在標準狀態(tài)下（0℃，101.325 kPa）的體積來代表。目前，頁巖吸附氣含量難以通過密封高壓取心直接測量，主要通過等溫吸附、現(xiàn)場解吸、測井解釋等方法獲取。

2.1 等溫吸附實驗含氣量

頁巖等溫吸附是頁巖氣解吸的逆過程。根據(jù)頁巖吸附機理和等溫吸附實驗，可以定量分析頁巖的吸附能力，明確吸附氣含量和壓力的關系。關于頁巖氣吸附機理的研究，許多學者基于頁巖樣品特征建立了不同的頁巖氣吸附模型，如Langmuir模型、BET 模型、SDR 模型等［7-12］。國外的勘探實踐表明，北美頁巖氣吸附特征大多服從Langmuir等溫吸附。Langmuir 吸附模型的基本假設條件是表面均勻光潔的頁巖固體形成單分子層吸附，并且被吸附的氣體分子之間沒有相互作用力，吸附平衡時處于一種動態(tài)平衡。根據(jù)Langmuir 等溫吸附曲線，可計算頁巖在某一溫度不同地層壓力條件下的吸附氣含量：

公式（1）中：Vg為地層條件下的吸附氣含量，m3/t；P為地層孔隙氣體壓力，MPa；VL為Langmuir 體積（吸附量達到飽和時的吸附氣含量），m3/t；PL為Langmuir壓力（VL的一半所對應的壓力），MPa。

長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖樣品在地層溫度下的等溫吸附特征曲線（圖3）表明：一般在0～20MPa 的壓力增長區(qū)間內(nèi)，頁巖吸附氣含量隨之快速增大；當壓力超過20MPa 繼續(xù)增加時，頁巖吸附氣含量增長速率放緩直至達到飽和。

長寧地區(qū)五峰組—龍一段5口井13個頁巖樣品的Langmuir 壓力（PL）在4.28～38.50 MPa 之間（表1），其中10 個樣品的Langmuir 壓力低于15MPa，表明甲烷氣體容易被頁巖吸附；Langmuir 體積（VL）有3個樣品大于4 m3/t，7 個樣品在2～4 m3/t 之間，3 個樣品為1.2～2 m3/t，總體上反映頁巖具有較強的吸附能力。根據(jù)公式（1）計算的結果，五峰組—龍一段頁巖在現(xiàn)今地層條件下的吸附氣含量（Vg）在0.58～3.08 m3/t之間，平均值為1.80 m3/t。

圖3 長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖甲烷等溫吸附曲線Fig.3 Methane isotherm adsorption curve of the shale of Wufeng Formation-Longmaxi Member 1 in Changning area

表1 長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖等溫吸附實驗數(shù)據(jù)與回歸計算結果Table 1 Isothermal adsorption experimental data and regression calculation results of the shale of Wufeng Formation-Longmaxi Member 1in Changning area

2.2 現(xiàn)場解吸含氣量

頁巖現(xiàn)場解吸的總含氣量包括解吸氣、殘留氣和損失氣等3部分。解吸氣量采用排水集氣的原理測定，即將巖心樣品裝入解吸裝置后，利用水浴加熱至地層溫度，在大氣壓力下收集釋放的吸附氣。然后在密閉的球磨罐中將樣品破碎計量滯留在巖心中的殘余氣量［13-14］?，F(xiàn)場解吸時，由于鉆井取心過程中地層溫度、壓力的變化，巖心樣品在裝入解吸罐之前必然有部分吸附氣損失。損失氣量的大小，主要受取心方式、測定方法、逸散時間等影響，可通過巖心顆粒的球形擴散原理估算，或者選取巖心裝罐開始后10～15個解吸點數(shù)據(jù)進行曲線擬合推算損失氣量［15］。

通過對長寧地區(qū)15 口評價井共344 個頁巖樣品現(xiàn)場解吸測定結果的統(tǒng)計，五峰組—龍一段頁巖解吸總含氣量在0.48～4.19 m3/t 之間，平均值為1.78 m3/t，主要分布區(qū)間為1.0～2.5 m3/t，總含氣量超過2.5 m3/t的樣品約占13%（圖4）。

圖4 長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖解吸氣含量統(tǒng)計直方圖Fig.4 Histogram of desorbed gas content of the shale of Wufeng Forma?tion-Longmaxi Member 1 in Changning area

2.3 測井解釋含氣量

測井解釋頁巖吸附氣含量是以Langmuir 等溫吸附為理論依據(jù)，利用等溫吸附實驗數(shù)據(jù)和大量測井數(shù)據(jù)，優(yōu)選擬合回歸地層溫度、壓力、總有機碳含量等關鍵參數(shù)，建立基于常規(guī)測井資料的計算模型而獲得的吸附氣含量［16-18］。測井解釋法不僅能夠估算吸附氣含量，而且通過頁巖孔隙度、含氣飽和度及地層壓力等參數(shù)可以同時計算頁巖游離氣含量。近年來，以等溫吸附和體積模型為基礎的頁巖含氣量測井解釋模型不斷發(fā)展和完善，在國內(nèi)外頁巖氣開采中得到廣泛應用［19-20］。

長寧地區(qū)15 口評價井五峰組—龍一段測井解釋頁巖吸附氣含量在1.04～2.33 m3/t 之間，平均值為1.72 m3/t。頁巖吸附氣含量在不同評價井之間的差異較小(圖5)，但是吸附氣含量占總含氣量的比例變化較大，在19.6%～85.2%之間，平均為43%；注意到當頁巖吸附氣含量在總含氣量中所占比例超過50%時，總含氣量一般低于4 m3/t。

圖5 長寧地區(qū)五峰組—龍一段測井解釋頁巖含氣量統(tǒng)計直方圖Fig.5 Histogram of shale gas content by logging interpretation of Wufeng Formation-Longmaxi Member 1 in Changning area

對比等溫吸附法、現(xiàn)場解吸法、測井解釋法的結果可見，五峰組—龍一段頁巖吸附氣含量主要分布在1.0～2.5 m3/t 之間，3 種方法獲得的吸附氣含量雖然存在一定差異，但是總體上比較相近，平均值在1.72～1.80 m3/t之間。

3 頁巖吸附氣含量影響因素及多元回歸

頁巖吸附氣含量的影響因素較多，其中內(nèi)在因素包括有機碳含量、礦物組成、有機質(zhì)成熟度，外部因素包括地層壓力與地層溫度［1］。

3.1 頁巖總有機碳含量

有機碳是頁巖生氣的物質(zhì)基礎。頁巖中有機質(zhì)存在大量的納米孔隙，可產(chǎn)生巨大的比表面積，為吸附氣提供了吸附載體。對長寧地區(qū)5口井13個等溫吸附實驗結果的Langmuir甲烷氣體吸附體積VL（單位重量頁巖飽和吸附氣量）、地層條件下的吸附氣含量Vg分別與TOC作相關性分析（圖6），五峰組—龍一段吸附氣含量與TOC均呈良好的正相關關系，表明有機碳含量的增高能夠顯著增強頁巖吸附氣體的能力。

圖6 長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖吸附氣含量與TOC相關性Fig.6 Correlation between adsorbed gas content and TOC of the shale of Wufeng Formation-Longmaxi Member 1 in Changning area

3.2 頁巖無機礦物組成

長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖無機礦物主要由石英、黏土礦物組成。黏土礦物屬于層狀硅酸鹽礦物，比表面較柱狀石英的大，在相同條件下吸附氣體的能力高于石英。通過長寧地區(qū)5口井13個等溫吸附實驗結果的Langmuir甲烷氣體吸附體積VL與頁巖黏土礦物、石英含量的相關性分析，可見吸附氣含量與黏土礦物含量之間存在一定的正相關性（圖7a），與石英含量之間存在微弱的負相關性（圖7b）。

圖7 長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖吸附氣含量與礦物組成相關性Fig.7 Correlation between adsorbed gas content and mineral composition of the shale of Wufeng Formation-Longmaxi Member 1 in Changning area

長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖吸附氣含量與石英含量之間的相關性，可能受到石英來源的影響。薄片觀察發(fā)現(xiàn)，五峰組—龍一段頁巖的石英存在兩種主要來源：一是盆外的陸源輸入，二是盆內(nèi)生物成因和化學成因。陸源輸入的石英含量增加往往降低頁巖的有機質(zhì)含量。在深水還原環(huán)境發(fā)育的富有機質(zhì)頁巖中，當盆內(nèi)來源的石英較發(fā)育時，雖然在一定程度上會降低頁巖巖石的吸附能力，但是頁巖中富含的有機質(zhì)可使吸附能力整體增加。

3.3 地層溫度與壓力

氣體在固體表面的吸附作用是一個放熱的過程，即溫度升高會抑制氣體的吸附。溫度升高會使氣體分子的熱運動更加活躍，促使其脫離吸附介質(zhì)的束縛，解吸而轉(zhuǎn)化為自由游離態(tài)。當壓力一定時，頁巖巖樣原地吸附能力與溫度呈負相關關系。壓力的增大能夠有效減小氣體分子吸附所需的結合能，進而讓氣體分子更容易被固體介質(zhì)吸附［21］。

長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖在不同地質(zhì)時期埋藏深度變化幅度大，尤其是晚白堊世以來，隨著喜馬拉雅期構造抬升和上覆地層的大幅度剝蝕，地層溫度和壓力顯著降低。由于地層溫度和地層壓力對頁巖吸附性能具有相互抑制的作用，因此頁巖吸附氣含量在不同地質(zhì)時期的演化主要取決于地層溫度和地層壓力的綜合影響。

3.4 頁巖吸附氣含量多元回歸

為了定量反映不同地質(zhì)時期吸附氣含量隨地層溫度與壓力同時發(fā)生變化的演變過程，根據(jù)長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖等溫吸附實驗結果，通過多元回歸分析建立了吸附氣含量與TOC、Ro、地層溫度及地層壓力的回歸公式：

公式（2）中：V為吸附氣含量，m3/t；T為地層溫度，℃；P 為地層壓力，MPa；Ro為鏡質(zhì)組反射率，%；TOC 為有機碳含量，%。

把通過公式（2）計算的吸附氣含量與長寧地區(qū)五峰組—龍一段不同樣品的等溫吸附實測結果（Vg）進行對比分析（表1），發(fā)現(xiàn)存在兩種情況：①當頁巖TOC≤2%和埋藏深度≤1 300 m 時，通過公式（2）計算的結果與實測結果的誤差較大，原因一是TOC 低于2%的樣品點較少，二是當埋藏深度較淺時，頁巖吸附氣保存條件變差，頁巖氣散失作用強烈；②當頁巖TOC 大于2%和埋藏深度超過1 300 m 時，通過公式（2）計算的結果與等溫吸附實測結果的誤差值一般低于0.25 m3/t，其中N201 井五峰組和龍一段頁巖計算的吸附氣含量分別為2.81 m3/t和2.84 m3/t，與等溫吸附實驗結果的誤差值分別為-0.12 m3/t和0.24 m3/t?？傮w而言，五峰組—龍一段優(yōu)質(zhì)頁巖在距離長寧背斜核部較遠、埋藏深度較大、吸附氣保存條件較好的地區(qū)，通過回歸公式計算的吸附氣含量具有較高的可靠性。

4 典型井頁巖熱演化與吸附氣含量演化

N201井在五峰組—龍一段獲得高產(chǎn)頁巖氣，頁巖TOC 平均值為3.54%，吸附氣含量為1.67 m3/t，總含氣量為6.47 m3/t。該井位于長寧背斜構造的南翼（圖1b），地表出露下三疊統(tǒng)嘉陵江組，龍一段頂界埋深為2 495.2 m，五峰組—龍一段頁巖熱演化史和吸附氣含量演化具有一定代表性。

4.1 頁巖熱演化史

頁巖熱演化史主要取決于頁巖有機質(zhì)經(jīng)歷的沉積埋藏史和古地溫。長寧地區(qū)志留系龍馬溪組沉積以來，在加里東、東吳、印支及喜馬拉雅構造運動期間發(fā)生過多次地層剝蝕，其中喜馬拉雅期地層剝蝕強烈［22-24］。根據(jù)鉆井地層厚度趨勢法估算，長寧背斜核部在喜馬拉雅期的地層剝蝕厚度達4 500～5 500 m，在背斜翼部地層剝蝕厚度一般為1 500～3 000 m（圖1b）。

根據(jù)烴源巖Ro、不同期次包裹體均一溫度對古熱流進行恢復：四川盆地在加里東期之前的熱狀態(tài)較為穩(wěn)定，熱流值較低，海西期熱流開始逐漸增大，印支期及其以后古熱流逐漸降低［25-26］。采用盆地數(shù)值模擬軟件恢復長寧地區(qū)N201 井的古埋深和古地溫（圖8）：五峰組—龍一段在二疊紀時的埋藏深度為1 500～2 500 m，地溫梯度為（4.2～5.4）℃/100 m，地層溫度為95～130 ℃；三疊紀—白堊紀，埋藏深度和地層溫度持續(xù)增加，但是地溫梯度逐漸降低到（2.8～3.3）℃/100 m；白堊紀末期，埋藏深度和地層溫度分別達到5 300 m 和193 ℃；古近紀以來，隨著燕山期—喜馬拉雅期構造抬升作用與上覆地層的剝蝕，埋藏深度和地層溫度分別逐漸降低到現(xiàn)今的2 495 m和93℃（圖8）。

4.2 頁巖吸附氣含量演化

長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖有機質(zhì)類型為腐泥型，在成熟階段有機質(zhì)以生油為主，伴生的天然氣主要溶解在液態(tài)烴中而呈油相，在高—過成熟階段液態(tài)烴、干酪根裂解而形成氣相產(chǎn)物。根據(jù)N201 井五峰組—龍一段頁巖有機質(zhì)熱演化史恢復結果（圖8），目的層在二疊紀—三疊紀處于成熟階段，侏羅紀及其以后進入高—過成熟階段。以白堊紀末期最大埋深為界，頁巖吸附氣含量演化可劃分為富集和解吸兩個階段。

頁巖吸附氣富集階段發(fā)生在侏羅紀—白堊紀。侏羅紀—白堊紀，五峰組—龍一段頁巖埋藏深度持續(xù)增加，頁巖有機質(zhì)經(jīng)過生油高峰開始大量生氣，地層溫度的不斷升高雖然不利于烴類氣體的吸附，但是頁巖孔隙流體壓力的增加和有機質(zhì)成熟度的升高有利于氣體被吸附。N201 井五峰組—龍一段頁巖現(xiàn)今地層壓力為49.87 MPa，按照理想氣體估算，在白堊紀末期最大埋深時的地層壓力為68.94 MPa。通過公式（2）計算，頁巖吸附氣含量隨著埋藏深度增加逐漸升高，白堊紀末期達到4.42 m3/t。

頁巖吸附氣的解吸階段發(fā)生在古近紀—第四紀。古近紀以來，隨著上覆地層被大幅度剝蝕，五峰組—龍一段頁巖的地層溫度和地層壓力逐漸降低到現(xiàn)今狀態(tài)，頁巖Ro基本保持不變。地層溫度的降低雖然會導致吸附氣含量的增加，但是在低地溫梯度背景下地層壓力的降低更有利于頁巖吸附氣的解吸。通過公式（2）計算，頁巖吸附氣含量隨著埋藏深度降低而逐漸降低到1.67 m3/t。

圖8 N201井埋藏史、熱史及五峰組—龍一段頁巖吸附氣含量演化史Fig.8 Burial history,thermal history and evolution history of shale adsorbed gas content of Wufeng Formation-Longmaxi Member 1 of Well N201

5 結 論

（1）根據(jù)等溫吸附法、現(xiàn)場解吸法、測井解釋法的綜合分析結果，長寧地區(qū)五峰組—龍一段頁巖吸附氣含量主要分布在1.0～2.5 m3/t 之間，但是吸附氣含量占總含氣量的比例變化較大。

（2）侏羅紀以來，在低地溫梯度背景下，五峰組—龍一段頁巖吸附氣含量經(jīng)歷了隨埋藏深度增加而升高、在抬升過程中隨埋深變淺而降低的演化過程。喜馬拉雅期構造抬升幅度較大，不利于頁巖氣的保存，五峰組—龍一段頁巖吸附氣含量降低。

（3）隨著將來頁巖等溫吸附實驗的溫度、壓力上限的提高，以及國內(nèi)外深層頁巖氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)的補充，對吸附氣含量的多元回歸可進一步改善。