川東南地區(qū)五峰-龍馬溪組海相頁巖有機質(zhì)與粘土礦物吸附能力表征研究

儲亦睿 張婷婷 劉玉霞 范小俊 程 偉

(中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司實驗研究中心,江蘇 225007)

1 頁巖等溫吸附實驗

影響頁巖等溫吸附的因素很多，溫度和壓力是兩個較為明顯的外界因素，國內(nèi)外學(xué)者已做過大量的研究，也取得了較為一致的認(rèn)識，即在相同壓力下，隨溫度的升高吸附量降低，在相同的溫度下，吸附量隨壓力的升高而升高。頁巖的儲集空間類型及其引起的氣體賦存狀態(tài)的差異也是重要的影響因素，但對吸附能力的影響主要體現(xiàn)在有機質(zhì)和粘土礦物的含量上。

本文選取川東南龍馬溪組四口井(圖1)的頁巖樣品進行X衍射全巖和總有機碳實驗。4口頁巖樣品的全巖結(jié)果表明，巖石的礦物組合類型基本一致，主要為粘土礦物和石英，還含有長石、碳酸鹽礦物和黃鐵礦等，其中粘土礦物平均含量均大于30%，有機碳含量均大于2%(圖2)，均屬于優(yōu)質(zhì)的黑色頁巖，是理想的等溫吸附實驗樣品。等溫吸附儀器型號為HPVA200高壓等溫吸附儀，吸附氣為甲烷，吸附氣濃度為99.99%，實驗條件所有樣品實驗溫度均為30℃(圖3)，樣品信息見表1。

圖1 區(qū)域地質(zhì)背景圖

圖2 川東南龍馬溪組4口頁巖氣井樣品全巖、TOC及等溫吸附柱狀圖

表1 等溫吸附實驗樣品基本信息

圖3 川東南龍馬溪組4口頁巖氣井樣品等溫吸附散點圖

2 吸附能力定量表征

(1)吸附模型

為對頁巖主要組分的吸附能力進行評價，尤其是對有機質(zhì)和粘土礦物的吸附能力進行定量表征，本文將頁巖主要組分簡化成有機質(zhì)、粘土礦物和其它礦物“三組分模型”(表2)。

表2 不同頁巖氣井TOC及礦物成分含量統(tǒng)計

續(xù)表

①建立模型的原因：除了有機質(zhì)和粘土礦物外，頁巖中其他礦物組分的吸附能力較弱且差別不大，因此可將頁巖主要組分簡化成“三組分”。

②模型的應(yīng)用條件：只適用于單井的同一套地層樣品，在此前提下樣品的溫度、壓力和濕度等條件基本一致，能夠最大排除外界其他因素的干擾。

(2)吸附量

根據(jù)下面的“三組分模型”計算公式：

VL1=M有機質(zhì)1·Q有機質(zhì)+M粘土礦物1·Q粘土礦物+M其它礦物1·Q其它礦物

VL2=M有機質(zhì)2·Q有機質(zhì)+M粘土礦物2·Q粘土礦物+M其它礦物2·Q其它礦物

… … … … …

VLn=M有機質(zhì)n·Q有機質(zhì)+M粘土礦物n·Q粘土礦物+M其它礦物n·Q其它礦物

Q有機質(zhì)>0, Q粘土礦物﹥0 ,Q其它礦物>0

式中，M為實驗測得各成分的含量；Q為各成分(單位質(zhì)量)吸附氣體能力。

由此得到的有機質(zhì)和粘土礦物的吸附量見表3。

表3 有機質(zhì)和粘土礦物的吸附量結(jié)果

3 吸附量影響因素分析

(1)有機質(zhì)吸附量的差異

有機質(zhì)吸附量的差異主要由有機質(zhì)孔隙發(fā)育程度以及孔隙孔徑分布大小決定(圖4)。有機質(zhì)孔隙發(fā)育程度以及孔隙孔徑分布大小主要受有機質(zhì)類型、成熟度及孔隙的保存條件影響。PY1井有機質(zhì)孔隙類型主要為固體瀝青孔為主，少量生物化石孔，SY1、LY1井均以固體瀝青和無定形干酪根孔隙為主。三口井成熟度相當(dāng)，因而對有機質(zhì)孔隙發(fā)育程度以及孔隙孔徑分布大小影響不大。三口井雖均為常壓頁巖氣井，但壓力系數(shù)略有不同，PY1壓力系數(shù)為0.96，SY1壓力系數(shù)為1.30，LY1壓力系數(shù)為1.08。因而影響三口井有機質(zhì)吸附量的主要為有機質(zhì)類型及其保存條件。

圖4 有機質(zhì)吸附量 孔隙度及表面積

有機孔是頁巖儲集空間中最主要的貢獻者，有機質(zhì)孔隙的發(fā)育程度直接影響了孔隙度的大小，統(tǒng)計結(jié)果孔隙度與最大吸附量有著較明顯的正相關(guān)性；孔徑分布的差異會直接導(dǎo)致比表面積的不同，因而比表面積與最大吸附量也有明顯的正相關(guān)性。

(2)粘土礦物吸附量的差異

粘土礦物吸附量的差異由粘土礦物亞類含量上的差異造成的(圖5)，三口井中伊蒙混層的混層比均小于10，在這種情況下伊蒙混層與伊利石的吸附能力基本相當(dāng)。因此，當(dāng)伊蒙混層+伊利石含量之和增加時，單位體積下的粘土礦物吸附量隨之增加，即綠泥石含量越低，單位體積下的粘土礦物吸附量越高(圖6)。

圖5 60℃時不同種類粘土礦物的甲烷等溫吸附曲線

圖6 粘土礦物吸附量、及粘土礦物組合類型