页岩含气量的影响因素分析及含气量测试方法

游声刚，郭 茜，耿小烬，吴艳婷，曾春林(．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 0008；.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 40004；.中国矿业大学(北京)管理学院，北京 0008)

页岩含气量的影响因素分析及含气量测试方法

游声刚1，郭 茜1，耿小烬3，吴艳婷1，曾春林2
(1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042；3.中国矿业大学(北京)管理学院，北京 100083)

北美页岩气的商业开发，掀起了全球勘探页岩气的热情，我国页岩广泛分布，资源潜力巨大。页岩气主要以游离态和吸附态存在于富有机质页岩中，含气量研究是页岩气资源评价的重要参数。总结国内外页岩气勘探开发研究成果，认为页岩气含气量的影响因素主要有有机质丰度和成熟度、孔隙结构和孔隙体积、矿物含量、裂缝发育程度、地层温度和压力，它们对含气量的影响主要体现在，有机质丰度和含气量正相关，成熟度越高，含气性越好；微孔比例越大，吸附性能越好；黏土矿物控制吸附气含量；微裂缝发育有助于吸附气的解吸，裂缝规模发育过大将破坏泥页岩的封闭性，不利于气体的储存；吸附气随压力的增加而加大，温度升高，吸附气量将成倍下降。并分析了目前页岩气含气量的测试方法，对比总结了各种测试方法的利弊。

页岩；吸附气；游离气；含气量；等温吸附

页岩气是指赋存于富含有机质的页岩及其夹层状的泥质粉砂岩中；主体上是自生自储成藏的连续性气藏；以吸附和游离状态储藏在极致密页岩地层系统中的天然气聚集，以甲烷为主，属于非常规天然气[1]。我国页岩气资源潜力巨大，国土资源部组织完成的全国页岩气资源潜力评价，初步评价我国陆域可采页岩气资源潜力为25.08×1012m3(不含青藏区)。本文结合我国页岩气勘探的实际，通过调研分析大量勘探开发资料，总结了影响含气量的地质因素及目前含气量测试的主要方法，以期对我国的页岩气勘探工作有一定的指导作用。

1 页岩中天然气的分布特征

1.1 页岩及页岩气的定义

根据《页岩气资源储量计算与评价技术规范》，页岩层段是指富含有机质的烃源岩系，以页岩、泥岩和粉砂质泥岩为主，含少量砂岩、碳酸盐岩或硅质岩等夹层。页岩气是指赋存于富含有机质的页岩层段中，以吸附气、游离气和溶解气状态储藏的天然气，主体上是自生自储成藏的连续性气藏；属于非常规天然气，可通过体积压裂改造获得商业气流。

1.2 页岩气的赋存形式

页岩中的页岩气主要有两种赋存状态：以吸附气方式存在于有机质、黏土颗粒和孔隙表面；以游离气方式赋存于裂缝和宏孔之中。Curtis[2]统计北美五大含页岩气系统含气量，认为吸附性页岩气占页岩气总含量的20%～85%。Mavor[3]指出Barnett组页岩吸附态页岩气占原始页岩气地质储量的61%。Martini等[4]认为Michigan盆地Antrim页岩以吸附态页岩气为主，游离态页岩气仅占页岩气总含量的25%～30%。

国内学者也作了探索性的研究，郭彤楼等[5]认为四川盆地焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩吸附气含量占总含气量的35%～47%；聂海宽等[6]认为四川盆地及其周缘下寒武统页岩吸附气含量为4%～75%；曾维特等[7]通过多种方法(直接法和间接法)计算，认为鄂尔多斯盆地延长组页岩吸附气含量超过64%。

2 含气量的影响因素

由于页岩气具有自生自储原地成藏的特殊性，因此，影响页岩含气性的因素具有一定的复杂性。总结前人的研究成果认为影响页岩含气量的因素众多，这些因素总体上可以分为两类，一类是通过影响其生气量来影响含气量；另一类是通过影响其储气性能而影响含气量。这些因素主要包括有机质丰度及成熟度、矿物组成和含量、裂缝发育程度、地层压力和温度、孔隙度、孔隙结构、孔隙水饱和度。

2.1 有机质丰度和成熟度

有机质是生成页岩气的物质基础，成熟度是外在条件。Bowker[8]认为在相同的压力条件下，页岩含气量与有机碳含量呈线性正相关关系。有机质的含量一方面决定着页岩总含气量，对鄂尔多斯延长组陆相页岩[7]、四川盆地焦石坝组海相页岩的研究[9]，均证实有机碳含量和页岩气的含量具有很好的正相关性，有机质含量越高，页岩气的含量越高；另一方面，有机质表面的颗粒具有很好的吸附性，甲烷气体主要以吸附的方式赋存在有机质颗粒表面，有机质含量越多，可供甲烷吸附的载体越多。有机质的亲油性也有利于甲烷气体的吸附[10]。因此，有机质丰度越高，页岩的含气量也越高。

页岩气的来源主要有生物成因气、有机质热解气、烃类裂解气。生物成因气与大气降水和微生物的作用有关，为低成熟页岩气[2，4]。对于热成因的页岩气，泥页岩中的有机质干酪根必须达到相当的成熟度才能大量生烃和排烃。有机质成熟度的提高促进干酪根纳米级孔隙的产生，从而提高页岩气的储集空间。Jarvie等[11]通过实验定量分析得出，有机质含量6.41%的页岩，成熟度达到干气窗(Ro>1.4%)时，由于有机质的热降解产生4.3%的孔隙体积。熊伟等[12]通过等温吸附实验证实TOC相近的两块岩心，Ro值越高吸附能力越强。

2.2 孔隙体积和孔隙结构

泥页岩中的孔隙是天然气的储集空间，是含气量评价的一个重要参数。页岩的孔隙比常规储层的孔隙更小，分布、成因也更复杂。页岩孔隙的大小、类型和分布对页岩气的聚集起着重要的控制作用。Loucks等[13]将页岩孔隙分为有机质孔隙和无机孔隙两大类；按成因，可将页岩孔隙进一步分为矿物间微孔、有机质孔、晶间孔、矿物铸模孔、次生溶蚀孔等；按孔径大小划分泥页岩储层孔隙，目前普遍采用国际理论与应用化学联合会(IUPAC)的划分方法，将泥页岩孔隙划分为大孔( >50nm) 、中孔( 2～50nm) 和微孔( <2nm)[14]。

侯宇光等[15]对比中扬子西部水井沱组、五峰组-龙马溪组、自流井组的氮气吸附法孔径分布曲线图发现，高有机碳含量的页岩微孔比例较大，由于微孔能提供更多的吸附点位，因此页岩微孔比例越大，吸附能力也越强。低丰度海相页岩由于无优势孔隙，孔隙度和甲烷吸附气含量关系不明显；低丰度陆相页岩有机质孔隙的数量和规模有限，大于30nm的无机孔隙大量发育，为影响低有机质页岩含气量的重要因素。

2.3 矿物含量

页岩矿物成分以石英、方解石等脆性矿物和黏土矿物为主。页岩中的黏土矿物主要以蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石等塑性物质为主。脆性矿物含量控制页岩的造缝能力，黏土矿物含量影响页岩的吸附能力[16-17]。由于矿物晶体结构和形态的差异导致矿物吸附性能的差异，页岩主要矿物组分甲烷吸附能力实验表明，各种矿物甲烷吸附量次序为蒙脱石>>伊蒙混层>高岭石>绿泥石>伊利石>粉砂岩>石英岩[18]，并非黏土矿物含量越高越好，黏土矿物含量高的页岩塑性强，以形成平面裂缝为主，尤其是蒙脱石类膨胀性黏土，虽吸附性能好，但不利于页岩体积改造。方解石对含气量的影响既有积极的一面也有不利的一面，一方面，方解石在埋藏过程中的胶结作用，使页岩中的孔隙或微裂缝被充填，孔隙度减小，导致游离气和吸附气含量减少[10]；另一方面，方解石含量高，易于形成次生溶孔，改善储集条件[19]。由于石英抗压实能力强，石英颗粒可构成一个相对刚性格架，有利于孔隙的保存，因此，石英含量越高，孔隙度也越大，含气量越高[20]。

2.4 裂缝发育程度

裂缝是岩石中没有明显位移的断裂，按成因可将泥页岩裂缝划分为2大类和12个亚类[21]。裂缝对页岩含气性的影响具有两面性，一方面，裂缝(微裂缝)可以作为天然气的有效储集空间和运移通道，而且微裂缝有助于吸附态天然气的解吸，裂缝密度越大，游离气量和总含气量越大[19，22]；另一方面，由于页岩不仅是储层，同时也是烃源岩、圈闭和盖层，如果盖层中裂缝发育规模过大，将导致游离气的散失，从而导致总含气量的减少[8]。以渝页1井为例，渝页1井在构造上位于锅厂坝背斜的核部，北东和北西向两组断裂在此处交互，地层垂向裂缝发育。根据野外露头资料，目的层龙马溪组最大厚度一般不超过140m，但是，实际揭示龙马溪组厚度225.78m仍未见底，地层加厚现象可能是由于逆断层导致的地层重复[23]。同时，通过岩芯观察可识别出4个断点，并且观察到断层泥，认为该页岩至少遭受4次断层活动的破坏。岩芯上可观察到各种成因类型的裂缝，并且构造裂缝非常发育[24]。有机质丰富高，成熟度达到生烃门限，但是，现场解析气量为0.1m3/t，含气量并不理想。分析认为，渝页1井区构造活动太强烈，裂缝及其发育，复杂的裂缝导致早期生成的油气通过断裂逸散(图1(c))；同时，泥页岩的密封性被裂缝破坏，保存条件受影响。

2.5 地层温度和压力及湿度

图1 泥页岩生排烃3种模式示意图[25]

富有机质页岩总含气量随压力的增加而增加，吸附气和游离气都随压力的增加而增加，但两者对压力的敏感程度不一样，大量等温吸附实验证明，当压力大于6.89MPa时，吸附气量对压力的增大不敏感，压力增大时吸附气量基本保持不变；游离气含量随压力的增大而增加，呈线性关系[26]。我国主要含油气盆地泥页岩埋深在1000～4500m[27]，对应的地层静水柱压力≥10MPa。当压力大于页岩气吸附量饱和压力时，随着压力的增大，吸附气量增加不明显，而游离气持续增加，游离气占页岩气含气量的比重也越来越大。

温度增加会降低富有机质页岩的吸附能力，我国南方海相龙马溪组页岩等温吸附实验表明，在同一压力条件下，页岩气吸附量随温度的升高而减少，测试样品由30℃加热到120℃的过程中，吸附气量平均减少50%～70%[28]，加拿大Besa River组黑色页岩吸附实验表明，温度从30℃增加到100℃时，吸附气量成倍降低[29]。

页岩孔隙中含水量越高，水所占的孔隙空间就越大，在孔隙内表面一定的条件下，可供页岩气吸附的孔隙表面必然减少，因此，含水率越高，吸附气量越少。Ross等[29-30]认为，由于水占据了潜在的吸附点，干燥页岩样品的吸附量比饱和水样品的大，同时也通过实验发现，只有在含水率大于4%时，页岩对气体的吸附能力才显著降低(图2)。

图2 甲烷吸附气量与含水量的关系[29-30]

3 页岩气含气量检测方法研究进展

页岩含气量是指每吨岩石中所含天然气折算到标准温度和压力条件下的天然气总量，包括吸附气、游离气和溶解气，由于页岩中溶解气的含量十分有限，因此，本文页岩的含气量主要指吸附气和游离气含量。页岩含气量评价可用于指导页岩气勘探开发有利区优选，是页岩气资源量评价的至关重要参数。目前，页岩含气量的测试方法主要有解吸法、等温吸附法和测井解释法。解吸法是页岩含气量测试的直接方法，也是最常用的方法；等温吸附法和测井解释法是页岩含气量测试的间接方法，该方法计算的是页岩的理论含气量。

3.1 解吸法

目前国内主要采用解吸法测试页岩的含气量，解吸法包括USBM直接法、改进的直接法、史密斯-威廉斯法和曲线拟合法等[31-32]。解吸法测得的含气量由损失气量、解吸气量和残余气量三部分组成。损失气量是指在钻井现场将岩芯从井口取出到装入解吸罐之前释放的气体含量；解吸气量是指，将取到的岩芯装入解吸罐后，利用水浴加热至储层温度，在大气压力下自然解吸出的气体含量；残余气量是岩芯在完成解吸之后仍滞留在岩芯中的气体体积。目前国内针对解吸法的研究焦点主要集中在损失气量和解吸气量测试方法的改进上。页岩吸附气测试有自然解吸和快速解吸，直接解吸法虽然操作简单，但是测试周期长，一般需要几周或几个月，庞湘伟[33]提出通过连续观测和适当提高解吸温度等途径缩短解吸周期的可能，并将该方法应用于煤层气含气量测试中，该方法与自然解吸法测试的结果相比，准确率在90%以上。现场解吸时，为了缩短解吸周期同时得到更多的解吸气量，开始阶段，页岩在近似地层温度的恒温下自然解吸，当自然解吸结束后，通过加温让滞留的页岩气充分解吸[34-35]。提高解吸温度增加解吸气量，同时将导致残余气量的减少。

损失气量是页岩含气量的重要组成部分，取心方式、测定方法、逸散时间都影响到损失气量的大小[36]，导致损失气量的测试误差较大。关于如何提高损失气量测试的精度，前人做了大量工作，主要体现在计算方法和装置的改良上。刘洪林认为温度对页岩测试的影响极为显著，解吸过程中应严格控制解吸罐的温度，避免使用不稳定的数据点[31]；唐颖认为利用直线回归于多项式回归的加权平均或采用非线性回归估算损失气量更为合理，并将非线性回归结果与直线回归和多项式回归的结果比较，相关系数较高，他同时提出了解吸设备的改良方法[32]；赵群提出了采用Arps递减法计算损失气量，该方法能放映多种综合因素对页岩岩心解吸速率的变化规律[37]。

残余气量一般采用球磨法测定。虽然在某些含气量较大的页岩里，自然解吸30天后残余气量还能占到总含气量的50%[38]，由于残余气在地层中基本不可能被开采出来，因此，现阶段残余气量不是研究的重点。

3.2 等温吸附

等温吸附是解吸的逆过程，通过等温吸附模拟，可以研究页岩的吸附能力，获得吸附气含量和压力的关系[39]。国外的勘探实践表明，北美页岩气吸附特征大多服从兰氏等温吸附，其吸附特征为：吸附量随压力的增大快速增加，达到一定压力后，吸附量达到饱和状态，吸附曲线成为一条几乎不变的平滑曲线[40]。模拟实验一般采用纯CH4作为吸附气，而页岩气是多组分气体，除了含有CH4外，一般还含有N2和CO2等气体，二元混合气体实验表明，CO2在与CH4的竞争吸附中占据优势，而N2在与CH4的竞争吸附中处于劣势，且各气体组分的浓度也影响吸附量和吸附速率[41-42]。等温吸附实验测试技术在煤层气研究中比较成熟，对页岩等温吸附实验方法存在争议[43]，目前所使用的等温吸附仪的最高实验压力为12MPa，吸附的最大平衡压力一般约为10MPa[35，44-46]，超出实验温度压力范围的吸附气含量是通过拟合数据预测得来的，认为压力超过10MPa后吸附气量基本不变，王宇飞[47]根据Hildenbrand等[48]建立的煤的吸附量随温度压力变化模型建立了有机质吸附甲烷模型，发现温度与压力对甲烷的吸附存在竞争关系，在埋深越1000m处吸附量最大，而后开始下降。

3.3 测井解释

游离气储存在裂缝、基质孔隙中，其含量与储层的压力、孔隙度和含水饱和度有关，计算方法与常规储层含气量计算方法一致[49-51]。吸附气含量的计算要用到测试区页岩的兰格缪尔等温吸附曲线，兰格缪尔等温吸附曲线是在特定的温度和总有机碳含量条件下所取得，因此，在具体计算某区页岩的吸附量时要对温度、压力和总有机碳进行校正[52]。郝建飞等[53]、吴庆红等[54]探讨了通过测井数据对温度、压力和有机碳进行校正的方法。王燕等[55]利用常规测井资料，应用多元统计数理模型，对川东北元坝地区的含气量进行了预测。

4 页岩含气量评价

页岩气地质评价选区中，赋予有机碳含量最大的权重系数，有机碳含量越高，评价参数的级别越高[56]，运用层次分析法对川西南和川东北地区下志留统龙马溪组页岩气成藏条件研究表明，研究区成藏有利区和目标区有机碳含量质量分数大于2.0%[57]。页岩气为成熟有机质滞留在页岩中的天然气，其含量为有机质生气量减排气量，有机质丰度和成熟度影响生气量，排气量受保存条件的控制。渝东南地区下寒武统页岩有利区预测研究中，对影响吸附气含量的因素线性回归分析认为，有机碳质量分数是影响页岩气含量最重要的因素，其次是黏土矿物质量分数和总孔体积，孔隙度对页岩含气量的影响较小[58]。因此，在页岩含气量的评价中，有机碳质量分数和成熟度是含气量评价的关键参数，后期的构造运动对保存条件的破坏也不能忽略。

5 结论和认识

1)页岩气具有自生自储原地成藏的特点，其含气量的影响因素众多。影响页岩含气量的因素主要有有机质丰度和成熟度、孔隙结构和孔隙体积、矿物含量、裂缝发育程度、地层温度和压力，页岩的含气量是上述多种因素综合作用的结果，必须在这些因素中找到一种平衡才能使含气量最大。

2)含气量的测试方法主要有解吸法、等温吸附法和测井解释法，这些方法目在测量页岩的含气量方面还存在一些缺陷，主要从设备的改进和计算方法的优化上提出了一些建议。

3)含气量评价是页岩气资源潜力评价和有利区优选的重要指标，有机碳质量分数和成熟度是含气量评价的关键参数，保存条件对含气量的影响也不能忽略。

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Factors affecting the shale gas content and gas content testing methods

YOU Sheng-gang1，GUO Qian1，GENG Xiao-jin3，WU Yan-ting1，ZENG Chun-lin2

(1.College of Geosciences and Survey Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory of Shale Gas Exploration，Ministry of Land and Resources，Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources，Chongqing 400042，China;3.China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Commercial development of shale gas in North America，setting off a global exploration enthusiasm of shale gas.Shale widely distributed in China，our country have huge resource potential.Shale gas mainly save in organic-rich shale by the state of free and adsorbed，Gas content is an important parameter of resource evaluation.Summarizing research of shale gas exploration and development account that factors controlling gas content of shale gas including total organic content，organic maturity，pore types and pore volume，mineral composition and content，fracture，formation temperature and pressure，their impact on gas content is mainly reflected in gas content has positive correlation with total organic matter，the higher maturity the more gas；The larger proportion of micropore，the more adsorbed gas；Clay minerals controlling adsorbed gas content；Micro-fractures contribute to desorption of the adsorption gas and crack-scale is too large destructed the closed shale，detrimental to gas storage；Adsorbed gas increases with increasing pressure and adsorption gas will decrease exponentially with increasing temperature.And analysis of the current testing methods of shale gas content，comparing and summarizing the advantages and disadvantages of the various test methods.

shale；adsorbed gas；free gas；gas content；isothermal adsorption

2015-02-06

项目“页岩气高效开发关键技术攻关与实践”资助(编号：CQGT-KJ-2012)

游声刚(1987-)，男，博士，湖北荆州人，主要研究方向为非常规油气地质工程管理。E-mail：715634020@qq.com。

P59

A

1004-4051(2015)12-0080-06