頁巖的儲層特征以及等溫吸附特征

摘 要

摘 要 頁巖的儲層特征以及吸附特征是評價頁巖氣是否具有開采價值的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，為此，以某頁巖氣藏為例，測量其巖心的孔隙度與滲透率，并進(jìn)行x射線衍射全巖分析和黏土礦物測定，以
摘 要 頁巖的儲層特征以及吸附特征是評價頁巖氣是否具有開采價值的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，為此，以某頁巖氣藏為例，測量其巖心的孔隙度與滲透率，并進(jìn)行x射線衍射全巖分析和黏土礦物測定，以分析其儲層特征。結(jié)果表明：該頁巖的孔隙度主要分布在0.01%～5%，滲透率主要分布在0.000 01～10 mD，孔隙直徑主要分布在4～6 nm；頁巖的孔隙度與滲透率沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，黏土礦物主要為綠泥石、伊利石、蒙皂石以及伊蒙混層。挑選了6塊巖心進(jìn)行等溫吸附試驗，以確定TOC以及R。對頁巖吸附能力的影響，結(jié)果表明：①頁巖的氣體吸附遵循Langmuir等溫吸附曲線，其總解析氣量與頁巖的TOC成正相關(guān)，但與孔隙度沒有明顯的關(guān)系；②不同成熟度、不同TOC頁巖的吸附特征研究表明，頁巖的吸附能力與頁巖的TOC和R。，密切相關(guān)，隨著頁巖TOC以及R。的提高，頁巖的吸附能力增加；當(dāng)頁巖的TOC相近時，頁巖的尺。越高，吸附能力越強；當(dāng)頁巖的R。相近時，頁巖的TOC越高，頁巖的吸附能力越強。
關(guān)鍵詞 頁巖 儲層特征 等溫吸附 含氣量 孔隙度 滲透率TOC R。
 
隨著頁巖氣在美國的大力開發(fā)，我國也致力于頁巖氣研究。中國頁巖氣資源類型多、分布廣、潛力大，據(jù)估算，我國頁巖氣可采資源量大約為31×l012M3[1]。
頁巖氣藏具有不同于常規(guī)氣藏的特殊性，它既是烴源巖又是儲層，是生物成因、熱成因或者生物 熱成因的連續(xù)型聚集，運移距離較短，基本屬于自生自儲型氣藏[2-4]。其天然氣賦存狀態(tài)多種多樣，具有獨特的存儲特征。主要表現(xiàn)為：在形式上游離氣和吸附氣并存；在存儲空問上基質(zhì)孔隙和次生裂縫并存。頁巖氣藏中天然氣由3部分組成：裂縫中的游離氣、基質(zhì)孔隙中的游離氣和吸附氣[5]。頁巖氣的儲層特征以及吸附特征是評價頁巖是否具有開采價值的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。為此，以某一頁巖氣藏為例，對此進(jìn)行研究。
1頁巖的儲層特征
1.1 頁巖的孔隙度與滲透率特征
利用PoroPerm 200型孔滲儀對該頁巖氣藏的巖心進(jìn)行孔隙度與滲透率測量，實驗中滲透率的測試方法為脈沖測試法，發(fā)現(xiàn)該頁巖的孔隙度主要分布在0.01%～5%，滲透率主要分布在0.000 01～10 mD，頁巖的孔隙度與滲透率沒有明顯的相關(guān)關(guān)系(見圖1)。滲透率大于l mD的頁巖巖心中存在著明顯的天然裂縫或取心誘導(dǎo)裂縫。
1.2頁巖礦物特征
對所研究的頁巖氣藏的巖心進(jìn)行X射線衍射全巖分析和黏土礦物測定(表1)，發(fā)現(xiàn)黏土礦物的總含量主要介于20%～70%，黏土礦物主要為綠泥石、伊利石、蒙皂石以及伊蒙混層，這些黏土礦物中伊利石和伊蒙混層的含量較高，伊利石相對含量主要介于20%～50%，伊蒙混層相對含量主要介于20%～70%.而蒙皂石和綠泥石的含量平均相對偏低。非黏土礦物主要為石英、鉀長石、方解石、白云石、斜長石、黃鐵礦等，其中石英的含量最高，相對平均含量在2()%～5()%，黃鐵礦和斜長石的相對平均含量最低，介于l%～5%。石英含量越多說明巖石的脆性越好，天然裂縫越容易發(fā)育，越有利于人工壓裂。
1.3 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征
孔隙按大小可分為大孔(直徑大于50 nm)，介孔(直徑介于2～50 rim)、微孑L(直徑小于2 nm)。利用氣體在頁巖孑L隙中的吸附與解吸可以測量其孔隙大小及其分布情況，當(dāng)壓力低于氣體的臨界壓力時，對于介孔與大孔，首先發(fā)生多層吸附，相對壓力更高時，則發(fā)牛毛細(xì)管凝聚，形成類似液體的彎液面。介孔孔徑分布一般用Kelvin方程進(jìn)行計算。以氮氣作為吸附氣體時，當(dāng)液氮溫度為77 K時，Kelvin方程可表述如下：
 
 
 
2 頁巖總解析氣量以及等溫吸附特征
2.1頁巖總解析氣量
氣體在頁巖中主要以兩種方式存在；在天然裂縫以及大孔隙中以游離氣的方式存在；在有機質(zhì)中的微孔及巖石固體顆粒表面以吸附氣的形式存在。有機質(zhì)含量是影響頁巖氣富集的一個根本因素，決定著貞巖生氣量的多少，有機質(zhì)中含有大量的微孔隙[6]，它們?yōu)闅怏w在頁巖上的吸附提供了場所。頁巖中的游離氣與吸附氣含量是隨著頁巖氣藏的儲層物性而變的。
頁巖總解析氣量測定主要為罐解氣測試。罐解氣測試可以在鉆井過程中，將所取得的頁巖樣品密閉保存于金屬解析罐中，在鉆井現(xiàn)場利用水浴加熱到儲層溫度，對巖心進(jìn)行解析測試分析，測試過程中將對巖心中釋放出來的氣體進(jìn)行體積和組分測量，直到氣體釋放的速度為零，再開罐將頁巖放入密閉容器內(nèi)粉碎釋放殘留氣體。頁巖解析并測定殘留氣體后，還要估算頁巖從井底到放人解析罐中所損失的氣體體積，將解析出來的氣體加上殘留氣體以及取樣中的損失氣體體積，便能得到頁巖的總解析氣量。
圖3是頁巖氣的總解析氣量與頁巖的孔隙度的關(guān)系圖，從圖中可以看到該頁巖氣藏的孔隙度與總解析氣量并沒有明顯關(guān)系。圖4是頁巖的總解析氣量與TOC關(guān)系圖，從圖中可以看到兩者存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系，隨著頁巖的有機質(zhì)含量的增加，頁巖的總解析氣量也是增加的。美國5大頁巖具有豐富的有機質(zhì)含量，其TOC大多介于l.5%～20%，通常認(rèn)為總有機質(zhì)含量超過0.5%的頁巖是具有潛力的烴源巖。通過對該頁巖氣藏巖心的有機地化分析，其TOC介于0.5%～5%，其TOC使其可能成為具有潛力的烴源巖。根據(jù)美國和加拿大的勘探開發(fā)結(jié)果，對于熱成因的頁巖氣藏，形成頁巖氣的頁巖有機質(zhì)成熟度(R。，)值為0.4%～3.o%。陔頁巖氣藏的R。值范圍為2.75%～3.92%，R。值超過3%說明處于過成熟范圍，會影響頁巖氣體的吸附量。
2.2頁巖等溫吸附特征
頁巖等溫吸附曲線是描述頁巖儲存氣體能力的曲線，在恒溫下頁巖吸附氣量是壓力的函數(shù)。為了弄清楚TOC以及R。對頁巖吸附能力的影響，挑選了6塊巖心進(jìn)行等溫吸附試驗，6塊巖心的TOC以及R。，如表1所示。其中1號、2號以及6號巖心的TOC與成熟度相差都比較大作為一組進(jìn)行比較；5號、6號巖心的TOC相近而R。值不一樣，作為一組進(jìn)行比較；3號、4號巖心的R。相近而TOC不一樣，作為一組進(jìn)行研究。通過對6塊巖心進(jìn)行等溫吸附實驗，發(fā)現(xiàn)頁巖的吸附遵循I.angmuir(1916)等溫吸附關(guān)系：
 
 
式中K為在壓力P下單位體積儲層里吸附氣的體積，m3/t；V。.為Langmuir體積，表示吸附劑的最大吸附體積，M3/t；P為氣體壓力，MPa；pl，為Langmuir壓力，MPa，此時吸附氣體積(VE)為Langmuir體積的1/2。
圖5為1、2和6號巖心的等溫吸附曲線圖，圖中實線為Langmuir公式計算的擬合曲線，圖中的點為試驗數(shù)據(jù)點(下同)，實驗數(shù)據(jù)與Langmuir公式計算得到的數(shù)據(jù)非常吻合。從圖中可以看到隨著TOC的增加以及R。的增加，頁巖的吸附能力增加；圖6是5號、6號巖心的等溫吸附曲線，從圖中可以看出TOC相近的兩塊巖心，R。值越高吸附能力越強；圖7為3號巖心與4號巖心的等溫吸附曲線，從圖中可以看到R0相近的兩塊巖心，TOC越高吸附能力越強。
  
 
從以上的分析可以知道，TOC與R。共同影響著頁巖的吸附能力。
從表2中計算得到的VL值和PL值可以看出，VL值和PL值并無明顯的相關(guān)關(guān)系，VL值能描述頁巖最大吸附氣體的能力，而PL則可以描述頁巖吸附氣體的難易程度。有機質(zhì)中的微孔隙為氣體的吸附提供了場所，而頁巖的成熟度會改變頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)從而影響頁巖的吸附能力，因此TOC與R0共同影響著頁巖的吸附能力。
除了TOC與R0會影響頁巖的吸附能力外，LuXia0—chun等[7]對美國泥盆系頁巖吸附研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高頁巖的氣體吸附能力減弱，黏土礦物類型及含量對氣體的吸附也有影響；Daniel等(2007)指出白堊系頁巖隨著微孔體積的增加頁巖的甲烷吸附能力增加，頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)對其吸附能力也有影響[8]；頁巖氣的吸附作用與煤的吸附作用相似，煤中水分增高，吸附能力降低，由于水分子同時可以被煤吸附，必定占據(jù)一定的表面積，使得甲烷的吸附量減少，馬東民[9]對煤的吸附特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)水對煤的吸附和解吸時都有影響，關(guān)于水分對頁巖的吸附能力的影響還沒見相關(guān)報道，其對頁巖吸附能力的影響有待進(jìn)一步研究。
  
3 結(jié)論
1)所研究頁巖氣藏的孔隙度主要分布在0.5%～5%，滲透率主要分布在0.000 01～10 mD，黏土礦物主要為綠泥石、伊利石、蒙皂石以及伊蒙混層，頁巖的孔隙主要分布在4～6 nm。
2)該頁巖氣藏的TOC介于0.01%～5%，該頁巖氣藏是具有潛力的烴源巖；R0值范圍為2.75%～3.92%，處于過成熟范圍，會影響頁巖氣體的吸附量；頁巖氣藏的孔隙度與總解析氣量并沒有明顯的關(guān)系，頁巖的總解析氣量與TOC存在著明顯的正相關(guān)的
關(guān)系。
3)TOC與R0共同影響著頁巖的吸附能力。影響頁巖吸附能力的其他因素還有待進(jìn)一步的研究。
 
參 考 文 獻(xiàn)
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