页岩气等温解吸特性研究

页岩气以吸附态、游离态和溶解态存在于页岩储层中,其中吸附态为主要赋存状态,考察页岩气解吸特征对于我国页岩气勘探开发研究有着重要的理论指导意义。选取了位于南方海相页岩储区的四川和湖北荆门等地的页岩样品,对其常规地球化学性质进行了分析,结果表明页岩样品有机碳含量较高且发育较为成熟;采用MSB磁悬浮天平等温吸附仪进行等温解吸实验并对解吸速率和解吸效率进行计算,结果表明：30~10 MPa时页岩解吸量很低并且无明显变化;10~05 MPa时页岩解吸量迅速上升,该阶段为主要解吸段;吸附势理论可用于判断页岩气解吸情况和页岩样品解吸性能强弱,吸附势越大越不利于解吸     

地层温压条件下页岩储层的甲烷吸附能力

页岩气是赋存于泥页岩中的自生自储天然气,其赋存形式具有多样性,包括游离态、吸附态和少量的溶解态。其中吸附态是页岩气的主要赋存方式,占到页岩气总含量20%~85%。页岩吸附气含气量是计算页岩气资源量的关键性参数,是评价泥页岩是否具有开采价值的重要标准。国内外学者针对不同地区不同类型泥页岩做了大量的等温吸附实验,然而等温吸附实验只能开展恒定温度下的页岩吸附实验,不能研究任意温度下页岩气吸附能力。笔者选取渝东南地区4口井8个龙马溪组泥页岩样品开展气体(CH4、N2、CO2)吸附实验、有机碳含量分析、X-衍射岩矿分析、SEM扫描电镜实验,研究页岩吸附甲烷能力的主要控制因素。在高过成熟阶段,丰富的有机质发育大量的微孔隙,使得页岩对气体的吸附能力增加;在地下页岩储层含水条件下,黏土矿物主要吸附水,而有机质由于具有亲油气性,使得页岩气绝大部分吸附在页岩有机质表面,且有机质吸附甲烷等量吸附热远大于黏土矿物,因此页岩吸附甲烷最重要的内部控制因素是有机碳含量。甲烷等温吸附实验表明,随温度升高页岩吸附量显著降低,随压力增加,页岩吸附量增加,当压力达到一定值时,页岩吸附量不再随压力的增加而增加,最大甲烷吸附量随温度具有线性降低的趋势,且兰氏压力的对数与温度的倒数有很好的线性关系。基于兰氏方程,以甲烷等温吸附实验数据为基础,利用多元线性回归的方法,建立兰氏体积与w(TOC)、温度的关系及兰氏压力与温度的关系,带入兰氏方程,建立温度压力耦合控制下的扩展兰氏方程,进而计算地层温度压力条件下页岩储层吸附甲烷能力。结果表明:随深度增加,在温度压力耦合控制下,泥页岩吸附甲烷能力先增加后降低,800~1350m达到最大吸附能力;浅层压力对页岩吸附甲烷能力起主要作用,随深度的增加温度对页岩吸附甲烷能力控制作用增强;随w(TOC)增大,富有机质页岩吸附甲烷能力增加,达到最大吸附能力时的深度也随之增加。当页岩有机碳含量为1%时,页岩最大甲烷吸附量为1.6m3/t,当页岩有机碳含量为3%时,页岩最大甲烷吸附量为2.5m3/t,每增加2%的w(TOC)页岩最大吸附能力大约增加1 m3/t。     

页岩含气量测定过程中的几点建议

页岩气以吸附或游离态赋存与泥页岩中,页岩气含气量数据对储层评价及开发规划具有重要意义.页岩气含气量测定借鉴煤层气标准,在取心方式、总含气量、解吸周期、解吸温度等方面具有一定的差异性,需要改进实验过程,优化实验方法.建议页岩气含气量测定在参考煤层气标准的同时,需要增加数据点、选用多阶解吸温度、选取稳定解吸数据计算损失气,然后根据损失时间进行修正,能有效提高页岩气含气量测定的准确性.     

鄂尔多斯盆地陆相页岩吸附规律研究

为了研究鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩的吸附能力,选取粒度为0.28~0.18mm(60~80目)的页岩样品,运用吸附等温测试实验研究了温度、压力、有机碳含量、含水饱和度对页岩吸附规律的影响,对比研究了不同气体在页岩上的吸附能力;运用Langmuir吸附模型拟合实验结果,探索了不同影响因素与拟合参数之间的相互关系。研究表明:吸附量随压力、有机碳含量的增加逐渐升高;随温度的升高而降低;在含水的情况下,气体的吸附量减小;不同气体的吸附能力大小依次为:CO2CH4N2。Langmuir吸附模型可以很好地描述测试压力范围内气体的吸附规律,根据拟合参数与温度、有机碳含量之间的线性关系,对Langmuir吸附模型进行了修正,预测出了不同深度、不同有机碳含量下的页岩气吸附量,验证了页岩气在高压下的"负吸附"现象。     

页岩储层吸附机理及其影响因素研究现状

页岩气是以游离、吸附和溶解状态赋存于暗色泥页岩中的天然气,其吸附态是页岩气的主要赋存状态之一。据统计北美页岩吸附气含量可能至少占页岩气总量的40%,页岩吸附气含量是预测页岩储层产能的关键参数之一。页岩气吸附机理和影响因素的论述,得出：目前对页岩热成熟度、矿物成分和深度等因素研究相对薄弱。国内大多研究还停留在地质资料的宏观对比上,对于页岩气吸附的微观机理研究也还相对薄弱,通过对应加强研究并建立适合我国页岩气地质储量的评估标准,指导页岩气勘探开发。     

苏北地区古生界页岩等温吸附特征

页岩含气量是评价页岩含气性的最重要指标,对资源量预测具有重要意义,而吸附气含量在页岩气中占有重要比例,因此评价页岩吸附能力显得十分重要。通过对苏北地区古生界３套层系泥页岩样品在一定温度下的甲烷等温吸附实验,获取页岩等温吸附特征曲线,分析了影响页岩吸附气量的主要因素。模拟实验结果显示,苏北古生界泥页岩饱和吸附气含量 V_Ｌ在 1.18～4.85ｍ^３／ｔ之间,平均2.89ｍ^３／ｔ;兰氏压力 P_Ｌ范围为2.01～4.24MPａ,平均为2.67MPａ。各层系吸附能力存在一定差异,以幕府山组、大隆组和龙潭组页岩吸附能力最强,五峰组—高家边组和孤峰组页岩吸附能力较弱。影响泥页岩吸附性能的主要因素描述如下：（1）有机碳含量大小直接影响饱和吸附气含量,有机碳越高,其饱和吸附气含量越大。（2）在有机碳含量、成熟度相近、压力相同的情况下,粘土含量高的页岩,吸附气含量高;在有机碳含量较低的页岩中,伊利石的吸附作用至关重要,伊利石含量高,吸附气含量相对高。（3）随着压力升高,吸附气含量逐渐增加,当压力增大到一定程度以后,吸附气量达到饱和,页岩吸附气含量达到饱和时所需要的最小压力（临界压力）会随着TOC的增大而减小。本次实验未发现有机质成熟度与饱和吸附气含量之间具有明显的相关性。     

川东焦石坝五峰-龙马溪组页岩气赋存机理及其主控因素

页岩气是重要的非常规天然气资源,主要以游离气与吸附气状态赋存于页岩中,研究和阐明其含量、主控因素和演化规律对于揭示页岩气成藏机理具有重要意义.采用不同条件下页岩高温高压等温吸附实验、FE-EM、CO₂吸附、N₂吸附、压汞等实验方法综合研究页岩气藏中的游离气与吸附气的主控因素.结果表明,游离气主要受页岩孔隙类型、孔隙结构、储层温度与压力等条件控制;OC、成熟度和水分影响吸附气含量.基于吸附气体积校正、地质模型和数值计算综合表征,五峰-龙马溪组页岩中以游离气为主,其平均含量约为%,吸附气含量约为4%.在抬升阶段,储层温度和压力发生改变,页岩气赋存形式随之变化,游离气减少,吸附气增加.      

页岩裂缝发育主控因素及其对含气性的影响

依据国内外页岩气大量资料和测试数据,对影响页岩裂缝发育的岩性和矿物组成、有机碳含量、岩石力学性质、异常高压等非构造因素和构造因素进行了定性或半定量分析,初步探讨了页岩裂缝发育与含气量之间关系。结果表明:页岩中石英、长石和碳酸盐岩含量高,岩石的泊松比低、杨氏模量高,脆性大,容易在外力作用下形成天然裂缝和诱导裂缝,其发育程度一般与页岩中脆性矿物的含量呈正相关关系。高有机碳含量或异常高压页岩裂缝发育。裂缝发育程度与有机碳含量关系可以划分为4类。页岩裂缝发育程度与总含气量和游离气量呈正相关关系,页岩裂缝越发育,其含气量越大,产气量也越高。裂缝对页岩气藏的形成具有双重作用,一是裂缝可以作为天然气和地层水的有效储集空间和快速运移通道,有利于页岩层系中游离态天然气体积的增加和吸附态天然气的解吸,裂缝密度越大,走向越分散,产气量越高;二是裂缝规模过大,可能导致天然气散失。北美地区页岩裂缝发育带内的页岩气勘探成功率高,产气量高,中国四川盆地下古生界海相富有机质脆性页岩层中天然气有良好显示或高产气井均与裂缝发育密切相关。     

陆相页岩气富集主控因素——以鄂尔多斯盆地延安探区山西组为例

为揭示鄂尔多斯盆地东南部页岩及页岩气富集特征,选取延安探区页岩样品进行岩石热解、镜质体反射率、页岩解析气、等温吸附等实验分析,对研究区山西组页岩气的富集主控因素进行详细的探讨。结果表明：(1)有机碳总量变化范围较大,以Ⅲ型干酪根为主。镜质体反射率R_o平均值为2.39%～2.51%,处于高成熟—过成熟阶段。(2)有机碳含量、热解参数游离烃(S₁)及热解烃(S₂)均与解析气含量、等温吸附气含量呈现正相关性,镜质体反射率R_o与解析气、残余气及总含气量具正相关关系。(3)储层孔隙度较低,物性与页岩气含量成正比;粘土矿物含量较高,比表面积高,有利于提高页岩对气体的吸附能力,但是粘土矿物含量与页岩气产量成反比。(4)山1段早白垩世末期地层过剩压力较高,延川—张家滩—云岩—宜川一带的地层过剩压力基本在10 MPa以上,地层过剩压力对页岩气的保存具有决定作用。研究结果认为,页岩气的富集主控因素为高有机质丰度、高热演化程度,其次物性显示测试样品渗透率较高、早白垩世末期的地层过剩压力较大,为页岩气提供了重要的保存条件。     

页岩气稳定碳同位素组成特征及应用前景

页岩气作为一种自生自储的非常规天然气,其稳定碳同位素组成可能具有与常规天然气不同的特征。综述了页岩气碳同位素特征和应用方面的最新研究,包括高成熟页岩中存在天然气的甲烷碳同位素组成(δ13C1)大于乙烷碳同位素组成(δ13C2)的"反序"现象及其成因;在页岩气生产或现场解吸过程中,δ13C1随时间增加而逐渐变重现象和页岩气稳定碳同位素参数在判别页岩气成因类型、预测页岩气的产能以及吸附气与游离气相对含量和判断页岩储集物性等方面的应用。认为进一步开展页岩气稳定碳同位素组成特征、碳同位素变化与吸附气和游离气相对含量的关系和开采或现场解吸过程中同位素变重程度与页岩储集物性的关系等方面的研究,建立起相应的预测模型,对有效指导页岩气勘探开发具有重要意义。     

四川盆地东部下古生界页岩储集空间特征及其对含气性的影响

四川盆地东部下古生界海相页岩是一套有利的页岩气储层,通过野外泥页岩剖面及井下岩芯观察、电镜扫描、常规物性及微孔隙结构测试、等温吸附实验等技术方法,对页岩气储层空间特征进行了研究分析,发现下古生界页岩的孔隙可分为三大类六小类,裂缝可分为两大类五小类,具有颗粒细小、致密、大孔发育少、微孔发育多、具有一定孔隙度、渗透率小、喉道细、连通性差的特征。页岩总孔体积主体是由孔径小于200nm的微孔隙提供的,纳米级孔隙和微裂缝是页岩主要的储集空间,页岩有机质孔对于孔隙度具有一定贡献,是富有机质页岩的主要微孔隙类型。页岩的微孔隙结构决定了页岩气的赋存状态和流动方式,孔缝发育程度在一定程度上决定了页岩的含气性及其渗透性能,但大型或巨型裂缝的发育,将给页岩气的有效保存带来破坏。有机质(干酪根和沥青质)和黏土颗粒内的微孔隙表面是吸附态页岩气赋存的主要空间,但有机质孔提供了大部分具吸附性的孔比表面,是控制页岩吸附性能的主要因素,而黏土矿物的作用是次要的。     

鄂尔多斯盆地东南部上古生界海陆过渡相页岩储集性与含气性

鄂尔多斯盆地上古生界海陆过渡相页岩是重要的页岩气富集层系,但是含气性及其控制因素研究薄弱,制约了对该地区页岩气的勘探和研究。论文通过对鄂尔多斯东南部本溪和山西组大量页岩样品开展有机地球化学、矿物组成、页岩孔隙及分布的研究,评价了海陆过渡相页岩的储集性;通过含气量现场解吸和等温吸附实验,分析了页岩含气特征和影响因素。结论认为研究区海陆过渡相页岩有机质丰度高(TOC含量0.5%~11%),主要发育III型干酪根,有机质成熟度较高(1.0%~3.0% Ro);矿物组成以富黏土页岩为特征,黏土矿物含量可高达60%以上。总孔隙度分布在2%~8%,部分样品微裂缝发育。孔隙类型以平行板状的狭缝型孔隙介孔为主,在岩石孔隙比表面积和孔体积的贡献占90%以上;TOC含量与孔隙比表面积及孔隙总体积具有密切的相关性,有机质孔隙对岩石总孔隙构成具有重要贡献。现场解吸含气量为0.591~4.05 m3/t,兰氏体积从0.05 m3/t到14 m3/t都有分布,页岩实测含气量与气体吸附能力差异大。TOC含量是控制海陆过渡相页岩含气量和含气能力的重要因素,富黏土矿物的吸附作用可使样品含气能力显著增加。     

重庆及其周缘地区下古生界页岩气成藏条件及有利区预测

从野外地表露头、井下岩心及典型剖面等基础资料出发,以富有机质页岩形成地质背景及其展布特征-页岩气成藏条件-有利区预测为主线,对重庆及周缘地区下古生界页岩气成藏条件进行分析,并采用综合信息叠合法对该区有利区进行预测。指出研究区下寒武统筇竹寺组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组两套富有机质页岩普遍发育,分布广,厚度大,埋藏适中,有机质类型好,有机质含量高,具有充足的储集空间和运移通道,并且等温吸附模拟和现场解析实验也表明,这两套页岩均具有较强的气体吸附、较好的含气性能;多口井钻遇黑色页岩段气显异常普遍,也为页岩气的存在提供证据。总之,该区与美国东部典型页岩气盆地有诸多地质可比性,具有形成页岩气藏的有利地质条件,是页岩气勘探研究值得关注的重要领域。     

贵州牛蹄塘组页岩气表面自由能研究

为了研究页岩对气体的吸附机理,在50℃、60℃、80℃ 3个温度点对贵州凤参1井和天马1井的页岩样品进行等温吸附实验,并绘制出了CH₄和CO₂等温吸附曲线图,计算得到页岩表面自由能,从自由能角度分析页岩对CH₄和CO₂气体的吸附特性。研究结果表明:当温度一定时,随着压力的增加,页岩对2种气体的表面自由能变化值均呈现出不断增加的趋势,当压力一定时,随着温度的增加,表面自由能会逐渐减小,这与等温吸附曲线上气体吸附量随压力的变化是一致的;页岩对CO₂的表面自由能变化值均要大于CH₄,表明页岩对CO₂的吸附能力比CH 4 更强,可以通过向页岩层中注入CO₂来提高采收率;对于吸附能力较强的页岩气藏,可以通过注入表面活性剂的方法,增强活性剂与页岩表面的结合能力,降低CH₄占有面积及其与页岩的表面自由能,以此达到促使CH₄解吸的目的。      

页岩气高压吸附特征及其对储采规律的影响

针对目前页岩吸附等温线测试温度、压力通常未达到储层温压条件这一问题,设计了页岩高温高压吸附等温线测试方法,研究了储层温度、压力条件下页岩吸附等温线特征,以实际页岩岩心为例计算了游离气和吸附气随压力的变化规律,并采用全直径页岩氦气和甲烷控压生产实验研究了吸附气对产气特征的影响。结果表明：视吸附量先随压力增大而增大,到达峰值之后视吸附量随压力的增大而减小;在低压条件下,采用Langmuir外推计算的吸附气量与高压实验计算的吸附气量相差不大;而在高压条件下,采用低压Langmuir理论推算总含气量高估9.2%;低于临界解吸压力时,吸附气解吸附使得单位压差产气量增加;高于临界解吸压力时,吸附气对单位压差产气量几乎没有影响;开发初期,低于临界解吸压力范围较小,吸附气对产气量贡献较小,尽可能动用游离气是高效开发的关键。     

页岩孔隙空间的形成与演化及孔隙对含气性的影响

虽然页岩气的勘探已经在北美以及中国取得了突破,但是对页岩中孔隙空间的形成与发育仍然存在较大的争议,页岩中是否存在有效的孔隙,这些孔隙与气体的赋存有何联系都需要解答。本文对不同地区、不同岩石类型以及不同热成熟度的页岩进行微观分析,对比前人的研究,同时结合四川盆地龙马溪组页岩的实际分析数据,将页岩划分为富有机质页岩和含粉砂质泥页岩。富有机质页岩中有机质纳米孔是主要的孔隙类型,同时也是气体聚集与吸附的主要空间,有机质孔隙度与有机质含量、热成熟度密切相关;含粉砂质泥页岩中以粒间、粒内溶蚀孔为主,由于有机质含量较少,因而受热成熟影响很小。对页岩的孔隙形成机理分析发现,富有机质页岩孔隙度与有机质含量呈正相关,特别是与初始有机碳含量密切相关,因此恢复初始有机碳的含量是评价页岩含气量与含气性的关键。在热演化程度较低时（Ro < 0.6%）,页岩中有机质孔隙不发育,页岩几乎不含气;随着热演化程度升高（Ro = 0.8%）,页岩微孔隙发育,此时页岩以吸附气为主;随着热演化程度增大（Ro > 1.2%）,微孔逐渐向中孔和宏观孔转化,总的比表面积减小,页岩中游离气含量开始增加,吸附气含量减少。     

四川盆地长宁—威远页岩气示范区下志留统龙马溪组泥页岩吸附特征及影响因素分析

针对四川盆地长宁—威远页岩气示范区志留系龙马溪组泥页岩吸附气量大(70%~80%)的特性,对该页岩气区11口井龙马溪组优质页岩段的岩心样品作X射线衍射分析、扫描电镜和等温吸附分析测试,结合大量泥页岩含气量实测数据,统计分析及评价表明:研究区地层因素中,生烃条件如总有机碳含量(0.17%~4.3%)、有机质类型(Ⅰ、Ⅱ1型)和成熟度(2.4%~3.0%),以及储层条件如矿物成分、孔隙体积(3%~6%)、孔隙结构(中孔为主)和湿度,主要是通过改变页岩气生成量和吸附活性表面的大小而产生影响;外部因素如温度和压力主要是通过改变气体分子的活化能和结合能而对泥页岩吸附能力产生一定的影响。     

潘谢矿区石盒子组煤系页岩有机质特征及其对含气量的影响

潘谢矿区是安徽省淮南煤田重要的深部煤炭生产矿区,其石炭-二叠系煤系地层具有丰富的天然气资源。应用有机碳、热解、显微组分定量、等温吸附等实验分析数据,对潘谢矿区石盒子组煤系页岩有机质特征与含气量进行研究,并利用梯度下降算法建立了含气量与有机碳含量(TOC)和有机质成熟度(Ro)的多元线性模型。结果表明:潘谢矿区石盒子组煤系页岩TOC较高(平均为1.20%),有机质类型为Ⅲ型,成熟度Ro为0.75%~1.12%,处于成熟阶段,页岩含气量较高(平均为1.93 m 3/t)。多元线性模型表明,煤系页岩TOC和Ro的增加会有利于页岩气生成,但Ro对含气量的影响更为明显。