页岩气吸附量的影响因素及开发技术探讨

张键，刘豇瑜，薛江龙

（1.中石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000；2.中石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒841000）

专论与综述

页岩气吸附量的影响因素及开发技术探讨

张键1，刘豇瑜2，薛江龙1

（1.中石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000；2.中石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒841000）

吸附量是评价页岩气藏含气量的重要依据之一，也是评价页岩气藏地质储量和产能的重要指标。由于页岩气储层地质特征的特殊性，影响页岩气吸附量的因素较多。总结国内外文献资料，页岩储层的有机地球化学性质和岩石物理特征是影响其吸附量的两大主要因素。其中有机地球化学性质包括热成熟度、有机质类型、有机碳含量；岩石物理特征包括矿物组成、孔隙半径、比表面、温度、压力。本文还探讨了页岩气藏吸附气的解吸方法，主要有降压解吸、置换解吸、升温解吸和扩散解吸。通过本文的探讨，为深入研究页岩气的吸附与解吸提供参考。

页岩气；吸附量；解吸；影响因素

近年来，页岩气藏已成为油气工业领域的重点对象。页岩气藏与常规气藏区别较大，它既是烃源岩又是储集层［1-2］。页岩气藏中，天然气以吸附、游离和溶解三种形式储存，其中以吸附方式储存的天然气占50%以上［3］。

根据前人的研究发现，在地层条件下，四川盆地页岩气吸附量在30%～52%，鄂尔多斯盆地页岩气吸附量在26%～49%，美国沃思堡盆地Barnett页岩气吸附量在38%～72%［1、4～5］，显然不同地区和类型的页岩气藏，其吸附量有很大的差异，到底是什么原因造成这种差异呢？针对这一问题，本文根据现有的文献资料，在页岩气藏的基本特征上，结合吸附的基本性质，探讨了页岩气吸附量的主要影响因素，并针对吸附气的解吸方法进行探讨，通过本文的探讨为以后更深入的研究页岩吸附理论打下良好的基础，也对页岩气藏的开发有重要的指导意义。

1　页岩气藏的特征

页岩气本质上是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，具有饱含气性、隐蔽聚集、多种岩性封闭以及相对短的运移距离，可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在、在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在［6］。国内的页岩气通常指赋存于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等特点的气体［4、6］。

与常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命周期长的特点，这是由于页岩的微隙和裂缝系统让页岩气具有“连续性”分布特征［7］。对页岩气的认识是随着实践经验的积累而变化的，聚集从仅仅局限于泥页岩发展到薄层粉砂岩甚至砂岩和碳酸盐岩。烃源岩的范围也更广泛，包括海相倾油型源岩和有机质含量中等、初始氢指数不高的泥页岩［8］。

页岩气藏具有低孔低渗特点，例如，四川盆地华蓥山红岩煤矿实测龙马溪组页岩孔隙度平均为4.83%威远地区，筇竹寺组页岩孔隙度平均为3.02%［9］。鄂尔多斯盆地中生界陆相页岩实测孔隙度0.4%～1.5%，渗透率0.012 mD～0.653 mD［10］。美国FortWorth盆地Barnett页岩［11］为一套黑色硅质页岩，其孔隙度为2%～10%，渗透率为（70～500）×10-6mD，有机碳含量为4.0%～8.0%。

2　页岩气藏吸附量的影响因素

2.1岩石物理性质对页岩气吸附量影响

2.1.1矿物成分对吸附量的影响Ross，D.等［12］研究发现页岩气藏中粘土矿物对甲烷吸附量有很大的关系，进一步实验研究发现尤其是蒙脱石和伊利石对甲烷的吸附量贡献最大，邱军利等［13］通过粘土矿物的甲烷等温吸附实验，各种粘土矿物对甲烷的吸附量差别很大。

2.1.2比表面和孔径大小的影响吸附是发生在吸附剂表面上的行为，微孔吸附剂吸附即孔隙充填机理，中孔中可发生毛细凝结。因此，页岩比表面越大，一般来说气体分子和相对分子质量不大的溶质的吸附量越大。杨峰等人通过理论研究显示页岩的孔隙结构对吸附量的影响最大［14］，Chalmers等［15］通过实验研究证明吸附量与页岩的孔隙度呈正相关，页岩储层中的吸附气含量随着孔隙的增大而增加。

2.1.3温度压力的影响甲烷在页岩表面是发生物理吸附，温度升高吸附量降低，因为物理吸附是自发的自由能降低和放热过程。吸附质平衡压力或平衡浓度的增加都使吸附量增加。物理吸附类似于气体在吸附剂表面的液化，故吸附质沸点和临界温度越高，越有利于吸附的发生。

李武广等［16］通过实验研究不同温度下页岩的吸附解吸，发现温度越高吸附量越少，但解吸量越大。

2.2有机地球化学性质对页岩气吸附量的影响

2.2.1成熟度（Ro）对吸附量的影响成熟度是表示有机质向油气转化的热演化程度。页岩有机质成熟度指的是有机质转化为油气的程度。对于热成因的页岩气藏，形成天然气的有机质成熟度值在0.4%～3.0%，如果成熟度的值大于3.0%表明有机质处于过成熟了。文献［17］为了研究成熟度对页岩吸附的影响进行了不同成熟度页岩有机质的等温吸附实验研究，结果表明有机质成熟度越高，页岩的吸附能力越强，也就是说吸附甲烷的量越多。2.2.2有机碳含量（TOC）对吸附量的影响根据油气地球化学，通常认为TOC含量大于0.5%的页岩能成为具有潜力的烃源岩。为了定性研究页岩中TOC的含量与页岩甲烷吸附量的关系，熊伟等［17］通过室内对不同TOC含量的页岩进行了等温气体吸附实验。结果显示，TOC含量越大，页岩气体吸附量也就越多；与此同时，Ro含量近似的页岩，TOC含量越高，气体吸附量越大，TOC含量近似的页岩，Ro值越高，气体吸附量越大。杨一呜等［18］也对TOC与吸附量的关系进行了等温吸附实验，结果表明同一压力下，TOC含量越高，其甲烷吸附量越大。

2.3其他影响因素

页岩吸附气含量还受到页岩储层中含水量大小和润湿性的影响。例如Ross等［19］研究发现页岩储层中水分的存在很大程度上减少吸附气的含量，通过室内实验得到干燥条件下的页岩样品的吸附量大于水平衡条件下的吸附量，原因是粘土矿物表面的吸附位被水占据后，使粘土矿物膨胀导致孔隙度减小，并且堵塞孔吼，减少气体进入原来的吸附位。至于润湿性对吸附量造成影响，还有待进一步研究。

3　解吸方法

3.1降压解吸

降压解吸是一种最特征的物理解吸作用过程，也是页岩气吸附开采过程中最最主要的一种解吸方法。降压解吸的基本特征是，被吸附在基质孔隙内表面的甲烷气体分子由于外界压力的降低而变得更为活跃，跳出了范德华力的束缚，由吸附态变为游离态。

3.2置换解吸

置换解吸的本质是未被吸附的其它气体分子置换处于吸附态的甲烷分子的位置，从而使原来呈吸附态的甲烷分子变为游离态。事实上，置换解吸是“优胜劣汰的自然法则”的具体体现，也就是混合气体的竞争吸附。一方面，未被吸附的其它气体分子，在普遍存在于各种原子、分子之间的范德华力作用下，不停地争取被吸附的机会，以力图达到动态平衡状态；另一方面，气体分子的热力学性质决定了这些被吸附的气体分子在不停地争脱范德华力束缚，变吸附态为游离态。这就是置换解吸的机理所在。

3.3升温解吸

现代物理化学研究表明，吸附剂对吸附质的吸附量是吸附质、吸附剂的性质及其相互作用、吸附平衡时的压力和温度的函数。温度与吸附量呈负相关，与解吸量呈正相关。这一类型在页岩气甲烷吸附含量测试实验中已得到证实。可以发现，在页岩气甲烷吸附含量测试过程中，当温度越高时，其甲烷气体吸附量越小。

3.4扩散解吸

根据分子扩散理论，只要有浓度差存在，就有分子扩散运动，这是气体分子热力学性质所决定的。研究表明，甲烷气体分子之所以能在页岩基质的孔隙内表面得以高度富集，这就与微孔隙、微裂隙内流体构成高梯度浓度差有关，这种浓度差迫使甲烷分子扩散，从而造成非正常解吸。

总之，页岩气藏中吸附气的解吸方法很多，目前，详细的研究解吸的方法还不多见，也没有现场经验可言。

4　结论与建议

通过上述对页岩气吸附量影响因素的探讨，不难发现页岩吸附甲烷量的大小受很多因素的影响。首先是页岩中粘土矿物的种类，不同的粘土矿物其甲烷吸附能力大小不同，蒙脱石吸附甲烷的能力最大；其次，页岩的比表面和孔径的大小是甲烷吸附量大小的直接因素，比表面大甲烷吸附量就多；总有机碳含量（TOC）和有机成熟度（Ro）间接的影响到甲烷的吸附量，TOC含量越高，页岩吸附甲烷的能力越强；另外含水量、孔隙度对页岩气吸附量都有较大的影响，对于岩石的润湿性的影响还需要进一步研究。最后，还讨论了页岩气吸附气解吸的方法，国内外目前开采页岩气的方法主要是靠水力压裂采用第一种方法，没有对比其他方法的好坏。作者个人认为需要进一步研究探索不同的开采方法来评价吸附气采收率的高低，因此哪种方法优劣，是页岩气研究学者们下步研究的内容。

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Discuss on the factors of shale gas adsorption and exploitation technology

ZHANG Jian1，LIU Jiangyu2，XUE Jianglong1
（1.Research Institute of Exploration and Development Tarim Oilfield Company PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China；2.Research Institute of Oil&Gas Engineering Tarim Oilfield Company PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China）

Adsorption is one of the important basis to evaluate gas containing of shale reservoir and is an important index for evaluation productivity of shale.There are many influence factors on adsorption capacity because of its particular geological characteristics.Based on lots of literatures，the two main factors are organic geochemical properties and rock physical characteristics of shale reservoir.Organic geochemical properties include thermal maturity，types of organic matter and content of organic carbon.Rock physics characteristics include mineral composition，pore radius，surface area，temperature and pressure.The article also discusses on desorption methods of shale gas，mainly including pressure decreasing desorp－tion，replacement desorption，desorption by heating and diffusion desorption.This article can provide a reference for further study on the adsorption and desorption of shale gas.

shale gas；capacity of absorption；desorption；factor

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.001

TE132.2

A

1673-5285（2015）06-0001-04

2015－04-08

国家科技重大专项“页岩气勘探开发关键技术研究项目”，项目编号：2011ZX05018。