扬子地区古生界泥页岩吸附性及控制机理

徐良伟，刘洛夫，刘祖发，孟召平

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249; 2.中国石油大学(北京)盆地与油藏研究中心，北京 102249;3.中山大学地理科学与规划学院，广州 510275; 4.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

扬子地区古生界泥页岩吸附性及控制机理

徐良伟1，2，刘洛夫1，2，刘祖发3，孟召平4

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249; 2.中国石油大学(北京)盆地与油藏研究中心，北京 102249;3.中山大学地理科学与规划学院，广州 510275; 4.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

扬子地区古生界地层为富气泥页岩层系，是我国页岩气勘探开发的主战场。吸附态是页岩气最主要的赋存方式之一，该区泥页岩吸附性及控制机理的研究较为重要。采集了扬子地区古生界泥页岩样品，对其进行TOC测试、Rock－Eval、XRD及含水量分析、等温吸附实验、超高压等温吸附实验。结果表明，不同地区、不同时代泥页岩吸附性能产生差异的原因是有机碳含量、矿物成分及组成等主要因素综合作用的结果。实验过程中TOC含量与泥页岩甲烷吸附量并未呈现前人提出的正相关关系，这与泥页岩样品数量有限、且处于高—过成熟阶段的影响因素较多有关。古生界干酪根甲烷吸附曲线显示出时代越老的干酪根甲烷吸附能力越强的特征。去除有机质丰度和成熟度的影响，Ⅲ型干酪根的吸附量要高于Ⅱ型干酪根。在有机质丰度及类型相同的情况下，高成熟干酪根比低成熟干酪根具有更高的甲烷吸附量。可溶有机质具有较强的溶解吸附特征，能够增强原岩对甲烷的吸附能力。黏土矿物含量与经TOC含量归一化后的甲烷吸附量的相关关系并不明显，这主要与样品中普遍含水有关，同时样品的成熟度、孔隙度、渗透率等对其最大甲烷吸附量可能也会有影响。高压范围内的甲烷吸附特征与低压相比具有一定的延续性，影响因素较多，需要更深入的研究工作来揭示各单一因素对页岩高压吸附特性的影响。

矿物成分及含量;等温吸附曲线;可溶有机质;吸附能力;超高压;泥页岩;古生界;扬子地区

页岩气是指泥页岩在各种地质条件下生成、且尚未完全排出的天然气，大部分气体以吸附态、游离态、溶解态等多种形式，存在于泥页岩地层中［1－2］。吸附态是页岩气最主要的赋存方式，页岩气中吸附气的含量一般介于20%～85%，通常可达50%以上，页岩中的部分游离气也是由吸附状态的天然气在一定条件下解吸而形成［3－5］。因此，泥页岩吸附性及控制机理的研究尤为重要，一个有经济价值的页岩气藏必须具备一定的原地含气量，高产页岩气区应是各种影响页岩吸附性能的因素匹配良好的地区。

关于页岩气吸附性能及控制机理的争论一直较多，国内外许多学者对页岩气聚集的主控因素及控制机理也开展了大量研究工作［6－16］。Chalmers等［6］指出加拿大不列颠哥伦比亚省东北部下白垩统页岩有机质是控制甲烷吸附能力最重要的因素，两者具有正相关性。Zhang等［7］认为页岩有机质类型越好，吸附能力越强。刘祖发等［8］认为成熟度与页岩吸附能力并非简单的线性关系，EqRo或Ro＜3.6%时，页岩吸附能力随成熟度的增加而增强;但当EqRo或Ro＞3.6%时，随成熟度的增加，页岩的吸附能力有明显降低的趋势。页岩的吸附能力不仅受有机质特征的影响，Wang等［9－10］认为铝硅质黏土矿物中的纳米孔隙为甲烷分子提供了额外的吸附位点。田华等［11－12］认为页岩孔隙结构与页岩成分共同控制吸附气特征，页岩孔隙结构及其表面性质是控制页岩吸附气含量的直接因素，页岩有机质特征等因素是通过影响页岩孔隙结构间接影响其吸附能力的。总体来讲，学者们普遍认为泥页岩吸附性和含气性主要与其有机地化特征、矿物组成及含量、孔缝结构及发育条件等内因有关。而也有学者认为埋深、温压条件、含水量等外部条件对页岩气赋存也具有重要的控制作用［13－15］，泥页岩的内因与外因在很大程度上决定了泥页岩的吸附性与含气性，进而影响页岩气的产气量和开采周期。

扬子地区古生界地层为富气泥页岩层系，是我国页岩气勘探开发的主战场。该区下寒武统牛蹄塘组为勘探的重要层系，而中、上扬子地区上奥陶统—下志留统五峰—龙马溪组优质页岩分布广、厚度大、含气性好，是扬子地区含气页岩最优层系，二叠系泥页岩也是区内一套富气页岩［17－22］。但该区尚缺乏页岩吸附性能影响因素及控制机理相关的研究报道和文献数据，同时扬子地区古生界页岩的高过成熟性质，吸附性能的研究是评价其页岩气潜力的关键所在。因此，本文在前人研究的基础上，选取以上3套古生界地层典型海相泥页岩样品，以实验为基础，分析了泥页岩甲烷吸附特征及超高压甲烷吸附特征，重点研究了泥页岩中TOC含量、不同类型干酪根、可溶有机质、矿物成分及含量等影响甲烷吸附性能的主要因素，开展泥页岩吸附性与含气性的研究，探讨不同时代泥页岩甲烷吸附特征及其控制机理，推进扬子地区页岩气发育重点层位泥页岩吸附性与含气性的研究工作，为该区泥页岩吸附性与含气性研究提供科学依据，为扬子地区古生界页岩气勘探开发提供借鉴。

1 实验方法和样品特征

1.1 主要实验方法

甲烷吸附实验是在法国PCT Pro 2000型高压气体等温吸附仪上进行的。样品需要清洗后粉碎至100目以下，在60.0℃下真空烘干48 h。实验条件:以甲烷为工作气体;工作压力:0～11.0 MPa和0～20.0 MPa;压力增幅ΔP:1.5 MPa;样品相态:固体粉末;机箱温度(Tr):28.8℃;样品池温度(Ts):60.0～62.0℃，样品温度变化幅度Δt=±0.2℃;室温:26.0℃;湿度:50%～60%。

超高压甲烷吸附与解吸实验所用仪器为美国Hy－Engery公司生产的PCT Pro E＆E型高压等温气体吸附仪。仪器配备高压气泵，甲烷吸附测试压力为0～20.0 MPa。实验条件:以甲烷为工作气体;吸附阶段压力增幅ΔP:1.5 MPa;脱附阶段压力降幅ΔP:1.5 MPa;样品相态:固体粉末;机箱温度(Tr):28.8℃;样品池温度(Ts):61.0～63.0℃;室温:26.0℃;湿度:50%～60%。

1.2 样品分布及特征

本次研究样品主要取自扬子地区四川、安徽、江苏、浙江和贵州等地，样品主要为古生界下寒武统、上奥陶统—下志留统、二叠系富有机质泥页岩，样品产地、地层年代、岩性特征、岩石热解分析、矿物成分与组成和含水量分析结果分别见表1－3。

表1 扬子地区古生界泥页岩样品产地、地层、时代、岩性特征及TOC含量Table 1 Locality，formation，time，lithological features and TOC contents of Paleozoic shale samples from Yangtze region

表2 扬子地区古生界泥页岩全岩样品热解色谱分析结果Table 2 Rock-Eval analysis of Paleozoic shale samples from Yangtze region

由表1、表2可知，研究区样品主要以黑色泥岩、黑色碳质页岩为主，TOC含量较高，为1.45%～19.25%，Tmax为434～607℃，显示研究区页岩样品有机质丰度较高，处于未成熟—过成熟阶段。由表3可知，研究区下寒武统泥页岩石英含量为23.7%～43.6%，平均值为30.86%;长石含量较低，为5.5%～22.9%，平均值为12.66%;黏土矿物含量为38.4%～ 60.4%，平均值为46.82%。上奥陶统—下志留统石英含量为29.8%～58.4%，平均值为48.68%;长石含量较低，为6.4%～9.1%，平均值为7.48%;黏土矿物含量为27.2%～48.0%，平均值为35.60%。二叠系石英含量为21.4%～68.1%，平均值为46.06%;长石含量较低，为2.0%～3.4%，平均值为2.60%;黏土矿物含量为3.0%～54.1%，平均值为17.11%。反映研究区古生界泥页岩样品脆性指数较高，部分样品含有一定量的黄铁矿，说明这些页岩形成于还原环境。

2 泥页岩甲烷吸附特征

不同地区和不同时代泥页岩甲烷等温吸附曲线显示，这些泥页岩样品的甲烷等温吸附曲线具有不同的形态特征，各个样品的最大甲烷吸附量存在差异，总体上具有相似性(图1)。具体表现在以下2个方面:

(1)所有泥页岩样品在4.0 MPa以前甲烷吸附量呈现迅速增加的过程，吸附量达到最大吸附量的90%，在4.0 MPa以后则呈缓慢增加，直至8.0 MPa达到近似吸附平衡状态。

(2)不同样品的最大甲烷吸附量存在较大差别，寒武系、志留系、二叠系样品压力达到2.0，3.0，4.0 MPa以后，在趋于吸附平衡状态的过程中，各个干酪根样品的最大甲烷吸附量差别较大。

图1a显示四川、安徽、江苏、贵州5个寒武系样品的吸附曲线，在压力为10.0 MPa时的甲烷吸附量为1.45～2.27 cm3/g。从吸附曲线形态上看，四川盆地LT－2和ST－2样品的吸附曲线形态、吸附量比较接近，且Langmuir压力较小，而LT－2的吸附量比ST－2的吸附量高。HSP－3和Mu－4的吸附曲线形态较接近而吸附量差别较大，且Langmuir压力较大，HSP－3的吸附量比Mu－4的吸附量高。由LT－2与ST－2的对比和HSP－3与Mu－4的对比显示，甲烷吸附量不同是有机碳含量和矿物成分及含量的不同所造成的。

表3 扬子地区古生界泥页岩样品矿物成分及含水量Table 3 Mineral compositions and water contents of Paleozoic shale samples from Yangtze region %

图1 扬子地区古生界泥页岩样品60.0℃等温吸附曲线Fig.1 Adsorption isotherms at 60℃ of Paleozoic shale samples from Yangtze region

任泽樱等［23］在对库车坳陷侏罗系泥页岩吸附能力及影响因素的研究过程中认为，甲烷吸附量与有机碳含量成正相关关系。此外，吉利明等［24］通过对泥页岩中主要黏土矿物组分的甲烷等温吸附实验发现，各种黏土矿物对甲烷吸附能力由大到小排序为:蒙脱石＞伊蒙混层＞高岭石＞绿泥石＞伊利石＞粉砂岩＞石英。由表1－3可知，LT－2的有机碳、蒙脱石、伊利石含量分别为 5.95%，5.6%，54.8%，而ST－2的有机碳、蒙脱石、伊利石含量分别为3.87%，0，38.4%，故LT－2的甲烷吸附量比ST－2大。HSP－3的有机碳、蒙脱石、伊利石含量分别为3.3%，14.9%，30.3%，而Mu－4有机碳、蒙脱石、伊利石含量分别为1.52%，7.8%，41.0%，故HSP－3的甲烷吸附量比Mu－4大，且高的Langmuir压力也与高含量的蒙脱石有关。

四川盆地志留系龙马溪组泥页岩在四川盆地分布广泛，该组样品采集于四川省达州市庙坝、巴中市南江桥亭、通江县诺水河。图1b中5个志留系样品的甲烷等温吸附曲线显示，其甲烷最大吸附量为0.85～2.45 cm3/g，同时图1b显示的5个志留系样品的最大甲烷吸附量也各不相同，因5个志留系页岩中不含对甲烷吸附能力最强的黏土矿物蒙脱石，而蒙脱石黏土岩的甲烷吸附量是绿泥石、伊利石等类型黏土岩的2～4倍，以石英为主的岩石也具有一定的吸附能力，但吸附量仅为蒙脱石黏土的1/8～1/12［24］。因此四川盆地志留系龙马溪组泥页岩甲烷吸附能力的差异也主要是由有机碳含量的不同而引起的，其他黏土矿物对甲烷的吸附能力的影响相对于TOC和蒙脱石而言可以忽略。而NSH－7、QT－3、MB－5、QT－5、QT－7不含蒙脱石，TOC含量分别为5.28%，3.91%，3.65%，2.96%，2.41%，故图1b中泥页岩的甲烷吸附量NSH－7＞QT－3＞MB－5＞QT－5＞QT－7。

四川盆地二叠系页岩样品甲烷吸附量比其他古生界页岩总体要高，大多数页岩样品甲烷最大吸附量为2.0～4.3 cm3/g，同时样品甲烷吸附的平衡压力具有共同的特征，在4.0 MPa左右趋向于平衡(图1c)。寒武系、志留系泥页岩样品的甲烷最大吸附量分别为1.4～2.4 cm3/g和0.8～2.5 cm3/g，造成二叠系页岩样品的甲烷吸附量产生差异的主要原因是其有机碳含量不同，二叠系泥页岩样品的TOC比寒武系和志留系要高，因此二叠系页岩样品甲烷吸附量比其他古生界页岩总体要高。此外，样品CJG－2和CJG－10的有机碳含量都很高，分别为9.53%和8.75%，但它们却分别具有最高的甲烷吸附量和最低的甲烷吸附量，其甲烷的吸附量的差异可能与矿物组成、孔隙度、渗透率等因素有关(图1c)。

3 泥页岩甲烷吸附的控制机理

3.1 有机质丰度与甲烷吸附量

对四川盆地寒武系、志留系、二叠系泥页岩样品在60.0℃和10.0 MPa条件下吸附量与泥页岩有机碳含量进行对比分析，结果显示有机碳含量与甲烷吸附量之间没有明显的线性关系(图2)。Ross和Hildenbrand等［25－26］对美国和欧洲等地的泥页岩进行过研究，认为在孔隙度、渗透率、有机质成熟度、有机质类型、矿物成分及含量等因素一致的情况下，泥页岩甲烷吸附量与有机碳含量成正相关关系。而研究区样品并未表现出这一特征，这可能主要与中国扬子地区页岩处于高—过成熟阶段有关，此外也与高过成熟背景下页岩甲烷吸附量受控因素较多有一定关系。当然，目前分析的样品数量有限也许是原因之一，尚需进行更多更深入的样品及吸附特性分析。

图2 扬子地区古生界泥页岩TOC含量与甲烷吸附量相关关系Fig.2 Relationship between TOC content and methane adsorption capacity of Paleozoic shale samples from Yangtze region

如将页岩甲烷吸附量全部归结为有机质的吸附，并将其换算为单位有机碳的吸附量，则单位有机碳的甲烷吸附量与单位重量泥页岩的甲烷吸附量之间的关系并非简单的线性关系。尽管具有Ⅲ型干酪根的页岩甲烷吸附量与有机碳含量呈现较明显的线性关系，但整体呈现的非线性关系表明，泥页岩甲烷吸附量具有较为复杂的控制和影响因素。

3.2 不同类型干酪根甲烷吸附量

为了深入研究有机质类型对泥页岩甲烷吸附量的影响和控制作用，笔者对不同地区、不同时代的5个干酪根样品进行了甲烷吸附实验。实验结果显示，寒武系1个干酪根样品吸附量为4.71 cm3/g，志留系2个干酪根样品吸附量为3.59～5.42 cm3/g，二叠系2个干酪根样品吸附量为3.84～4.55 cm3/g (图3)。不同时代干酪根的甲烷吸附量大体上显示出时代越老、干酪根甲烷吸附能力越大的特征。

另一方面，如不考虑有机质丰度和成熟度等因素的影响，Ⅲ型干酪根的吸附量要高于Ⅱ型干酪根，但变化范围比较大(图3)。在泥页岩有机质丰度和类型相同的情况下，低成熟干酪根较低的甲烷吸附性能可能与干酪根微孔隙结构有关。扫描电镜观察发现，成熟有机质干酪根有大量微孔存在，比表面积较高，提供了甲烷吸附空间及气体附着点;而低成熟有机质干酪根基本上没有微孔存在，表现出极低的比表面积，缺乏吸附容纳甲烷气体的微孔结构［27］。

3.3 可溶有机质与甲烷吸附量

图3 扬子地区古生界干酪根甲烷60.0℃等温吸附曲线Fig.3 Methane adsorption isotherms at 60.0℃ of Paleozoic kerogens from Yangtze region

表4 扬子地区泥页岩原岩与溶剂抽提过样品甲烷吸附量对比(60.0℃，10.0 MPa) Table 4 Methane adsorption capacity of shale samples before and after organic solvent extraction，Yangtze region(60.0℃，10.0 MPa)

表4列出了四川盆地志留系、二叠系总共6个原岩样品和溶剂抽提后岩样甲烷吸附量的实验结果。对比显示，有机溶剂抽提过的泥页岩样品都比原岩样品的甲烷吸附量低，表明泥页岩中可溶有机质对甲烷具有一定的吸附能力，能够增强原岩的甲烷吸附性能。6个样品的甲烷吸附差值在0.19～0.66 cm3/g，占每克泥页岩吸附量的8.5%～32.3%，表明可溶有机质对甲烷吸附量的影响范围比较大。可溶有机质影响比较大的3个样品MB－5、QT－5、NSH－7均为四川盆地志留系泥页岩样品，其单位可溶有机质吸附量分别为0.66，0.51，0.46 cm3/g，可溶有机质甲烷吸附量与泥页岩吸附总量之比分别为32.35%，21.61%，28.75%，指示了研究区泥页岩具有较强的溶解吸附特征。

如果将泥页岩、可溶有机质和干酪根的甲烷吸附量进行换算对比，则可以初步得出有机质对泥页岩甲烷吸附量的贡献。本次研究中总共有3个样品具有泥页岩原岩、溶剂抽提过原岩以及干酪根样品配套的甲烷吸附量数值(表5)。如果取泥页岩有机碳的含量近似于其干酪根的含量，我们就可以计算出每克岩石中干酪根的甲烷吸附量。古生界8个泥页岩干酪根甲烷吸附量为3.59～5.42 cm3/g，如平均到每克泥页岩中干酪根的甲烷吸附量则为0.14～0.75 cm3/g，约占每克泥页岩甲烷吸附总量的6.25%～21.55%;而3个有可溶有机质和干酪根的甲烷吸附数据的样品显示，有机质吸附(含溶解)总量占岩石吸附总量的14.73%，27.97%和28.1%，显示泥页岩有机质的吸附并非占主导地位。

表5 扬子地区古生界泥页岩全岩、干酪根和可溶有机质甲烷吸附量对比Table 5 Methane adsorption capacity of whole rock，kerogen and soluble organic matter of Paleozoic shale samples from Yangtze region

3.4 黏土矿物与甲烷吸附量

Bowker［28］在对Barnett页岩进行等温吸附实验过程中发现，黏土矿物可以吸附甲烷气体，在TOC含量及温压条件相近的情况下，黏土矿物含量越高，页岩气体的吸附量越大。页岩中黏土矿物孔隙主要有颗粒表面孔、晶层间隙、集合体孔、边缘结构微孔等类型，不同类型的孔隙为页岩气提供了多种赋存空间［29－32］。此外，黏土矿物由于层状结构发育，其板、片状结晶习性和很大的内表面积(晶体内部的)，使得其表面结构复杂，特殊的比表面使得气体分子可以吸附于黏土矿物外表面和晶层间内表面［33－34］。因此，多种孔隙赋存空间和特殊的比表面积使得黏土矿物具有较强的吸附能力。本次研究为了探讨扬子地区古生界泥页岩中黏土矿物含量对甲烷吸附量的影响，将甲烷吸附量对TOC含量进行了归一化处理，以去除有机质含量的影响并进行相关性分析。研究发现，高的黏土矿物含量并没有显示出高的甲烷吸附量(图4a)。同时图4b显示随着黏土矿物含量增多，页岩中的含水量升高。

分析认为黏土矿物含量和甲烷吸附量并无明显的线性关系与页岩中普遍含水有关。通常情况下，随着页岩中含水量的增加，页岩气含量逐渐减少［35］。水会占据页岩中甲烷的孔隙空间，打破气体吸附与游离的平衡，使得游离气含量降低，吸附态气体解析为游离态而被排出。黏土矿物具有很强的亲水性，极性的水分子比非极性的甲烷分子更容易吸附于黏土矿物表面，随着岩石的润湿，水会占据矿物颗粒的活性表面，使得吸附甲烷的表面位置减少，降低对气体的吸附能力。此外，随着孔隙中水的增加，原本游离于孔隙中和吸附在矿物颗粒表面的气体会溶解在水中，呈溶解气的形式存在［36－37］。

总体而言，虽然前人认为泥页岩中的高含量的黏土矿物具有较高甲烷吸附量［28，37］，但是在所研究的样品中，黏土矿物含量与理论甲烷最大吸附量之间并不存在相关性，含水量是致使其相关性不明显的主要原因之一。此外，样品的成熟度、孔隙度、渗透率等对其甲烷最大吸附量可能也会有影响，尚需进一步深入分析。

4 超高压甲烷吸附量特征

为了探讨超高压状态下甲烷吸附量特征，本次研究对四川盆地寒武系、志留系、二叠系泥页岩样品进行超高压甲烷吸附与解吸实验(图5)。

其中，图5a显示了四川盆地南江沙滩寒武系筇竹寺组100目泥岩样品在0～20.0 MPa的甲烷吸附量与压力的变化关系。ST－2样品的TOC含量为3.87%，IH和IO都很低，分别为2.0 mg/g和5.0 mg/g，属于Ⅲ型干酪根;时代久远，成熟度较高，几乎无生烃潜力。在平衡压力达到7.0 MPa前，样品甲烷吸附量快速增加;当平衡压力超过7.0 MPa后，样品的甲烷吸附量增速变缓并趋向平衡，但是直至18.0 MPa仍有轻微的甲烷吸附，最大甲烷吸附量为1.72 cm3/g。寒武系样品与其他时代样品相比，吸附量较低。这是由于成熟度较高，有机烃类逐步演化分解，有机质含量较低，从而影响了孔隙度和比表面积;另一方面是由于样品经历过较大埋深，导致页岩的孔隙度较低。此外，ST－2样品无蒙脱石，伊利石含量为38.4%，无其他吸附能力较强的黏土矿物，因此其甲烷吸附量较低。

图4 扬子地区古生界泥页岩黏土矿物甲烷吸附能力Fig.4 Methane adsorption capacity of clay minerals of Paleozoic shale samples from Yangtze region

图5 扬子地区古生界泥页岩60.0℃高压甲烷吸附曲线Fig.5 Methane adsorption isotherms at 60.0℃under high pressure of Paleozoic shale samples from Yangtze region

图5b为四川盆地志留系龙马溪组页岩样品QT－7、NSH－7超高压等温吸附曲线。其中，南江桥亭剖面的QT－7样品TOC含量为3.41%，Tmax为594.0℃，IH和IO很小，可忽略;诺水河剖面的NSH－7样品TOC含量为5.28%，IH和IO同样很小，可忽略，Tmax为602.0℃。这2个样品TOC含量皆在2.0%以上，属过成熟，没有生烃潜力，接近于死炭(表2)。二者的矿物成分也基本相近，以石英为主(石英含量56.3%～58.4%)，伊利石含量27.2%～35.1%，长石含量6.5%～7.7%(表3)。图5b显示二者都是在5.0 MPa左右开始趋向平衡，在18.0 MPa时的最大甲烷吸附量分别为1.012 cm3/g和1.733 cm3/g。尽管2个样品甲烷吸附总量都不高，两者之间甲烷吸附量的差异主要是NSH－7样品的TOC和黏土矿物含量比QT－7样品高造成的。

图5c为四川盆地广元地区长江沟剖面的二叠系样品超高压等温吸附曲线。样品CJG－5、CJG－11、CJG－12的TOC含量分别为19.25%，7.92%， 5.89%，IH分别为304，323，269 mg/g，IO分别为4，3，5 mg/g，Tmax分别为440.0，439.0，434.0℃，这3个样品都处于成熟阶段，都属于Ⅱ型干酪根，生烃潜力较好(表2)。矿物组成上，CJG－5样品石英、伊利石、方解石含量分别为36.5%，31.1%，11.6%; CJG－11样品石英、伊利石、方解石含量分别为44.2%，17%，29.6%;CJG－12样品石英含量为68.1%，方解石含量为17.7%，不含伊利石(表3)。由图5c可以看出，CJG－5、CJG－11和CJG－12样品在60.0℃及18.0 MPa下，甲烷吸附量分别为3.97，2.16，2.23 cm3/g。对比分析可知，CJG－5样品的甲烷吸附量要比CJG－11和CJG－12样品的甲烷吸附量大，主要是因为CJG－5样品的TOC含量要比CJG－11和CJG－12样品高很多，且CJG－5样品的蒙脱石、伊利石等黏土矿物含量较高。CJG－5样品趋向平衡的压力也要比CJG－11和CJG－12样品低，在5.0 MPa趋向于平衡，而CJG－11和CJG－12样品趋向于吸附量达到饱和时的平衡压力为8.0 MPa或者更高。其原因是CJG－11和CJG－12样品要比CJG－5样品的石英含量高得多，石英是脆性矿物，随着平衡压力越来越大，会造成石英的微孔孔隙增多，甲烷的吸附主要集中在中—微孔隙中，故提高了样品趋向吸附平衡的压力。

总体来讲，高压范围内的甲烷吸附特征与低压相比具有一定的延续性，存在地层时代、有机质丰度及类型、热成熟度、矿物成分及含量等方面的差异，需要更深入的研究工作来揭示不同有机质丰度、不同有机质成熟度、不同有机质类型和不同矿物成分与含量等单因素对页岩的吸附特性的影响，从而为泥页岩甲烷吸附量测定以及页岩气潜力评价提供翔实的科学依据。超高压甲烷吸附特征同时也说明，扬子地区泥页岩解吸附特征较好，具有很好的可开发性。

5 结论

(1)扬子地区寒武系、志留系、二叠系泥页岩样品的甲烷最大吸附量分别为1.45～2.27，0.85～2.45，2.0～4.3 cm3/g。扬子地区不同时代泥页岩样品的吸附能力有所差别是有机碳含量、矿物成分及组成等主要因素综合作用所致。

(2)TOC含量与甲烷吸附量相关关系并不明显是因为扬子地区泥页岩处于高—过成熟阶段，且在高—过成熟背景下页岩吸附性能受控因素较多所致。不同地区、不同时代的干酪根大体上显示出时代越老、干酪根的吸附能力越强的特征。去除有机质丰度和成熟度的影响，Ⅲ型干酪根的吸附能力强于Ⅱ型干酪根。在有机质丰度及类型相同的情况下，高成熟干酪根比低成熟干酪根具有更强的吸附性能。

(3)可溶有机质具有较强的溶解吸附的特征，其甲烷吸附气量占原岩甲烷吸附气量的比例较大，能够增强原岩对甲烷的吸附性能。黏土矿物含量与TOC含量归一化后的甲烷吸附量的相关关系并不明显，这主要是样品中普遍含水所致，同时样品的成熟度、孔隙度、渗透率等对其吸附性能可能也有影响。

(4)高压范围内的甲烷吸附特征与低压相比具有一定的延续性，存在地层时代、有机质丰度及类型、热成熟度、矿物成分及含量等方面的差异，需要更深入的研究工作来揭示各单一因素对页岩吸附特性的影响。

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(编辑 韩 彧)

Adsorption capacity and controlling mechanisms of Paleozoic shales in Yangtze region

Xu Liangwei1，2，Liu Luofu1，2，Liu Zufa3，Meng Zhaoping4
(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 100249，China; 2.Basin and Reservoir Research Center，China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 100249，China; 3.School of Geography and Planning，Sun Yat-sen University，Guangzhou，Guangdong 510275，China; 4.College of Geosciences and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

As a gas-rich shale layer，the Paleozoic in Yangtze region is a main target for shale gas exploration and development in China.Adsorption state is one of the most important occurrence modes of shale gas;hence it is very necessary to study the adsorption capacity and controlling mechanisms of shales.We collected some shale samples from Paleozoic in Yangtze area，and then carried out TOC analysis，Rock-Eval，XRD and water content analyses，isothermal adsorption experiments，and ultra-high pressure isothermal adsorption experiments.The adsorption properties of shales vary during different ages and in different areas due to the combined effects of TOC content and mineral composition.The TOC content and methane adsorption of shales do not have a positive relationship as proposed by previous researchers，because that shale samples are limited and are in the high-mature and over-mature stages.The methane adsorption isotherms of kerogens in different ages show that older kerogens have a stronger methane adsorption capacity.Removing the effects of organic matter abundance and maturity，the kerogens of typeⅢadsorb more methane than those of typeⅡ.If organic matter abundance and type are the same，the methane adsorption amount of high maturity kerogen is more than that of low maturity kerogen.Soluble organic matter can dissolve and adsorb methane，and hence improve the methane adsorption capacity of shales.The relationship between clay mineral and methane adsorption which is normalized by TOC is not obvious，this is mainly because the samples contain water.Maturity，porosity and permeability may affect the maximum methane adsorption of shales.Compared with low pressure，the methane adsorption characteristics under high pressure have a certain continuity.There are several influencing factors，which demand deep research to reveal the influence of each single factor on shale adsorption characteristics.

mineral composition and content;isothermal adsorption curve;soluble organic matter;adsorption capacity;ultra-high pressure;shale;Paleozoic;Yangtze region

P618.12

A

1001－6112(2016)06－0732－10

10.11781/sysydz201606732

2016－04－25;

2016－08－29。

徐良伟(1986—)，男，博士研究生，地质学专业，从事非常规油气地质相关研究。E-mail:498249512@qq.com。

刘洛夫(1958—)，男，教授，博士生导师，从事油气地球化学、沉积学、储层地质学和石油地质学研究。E-mail:liulf@cup.edu.cn。

“十二五”国家科技重大专项“页岩气勘探开发关键技术”(2011ZX05003)、国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB214705－02)和国家科技重大专项(2011ZX05008－002－41)联合资助。