鄂尔多斯盆地下寺湾地区张家滩页岩吸附能力及影响因素研究

秦晓艳

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验，陕西 西安 710069)

鄂尔多斯盆地下寺湾地区张家滩页岩吸附能力及影响因素研究

秦晓艳

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验，陕西 西安 710069)

[摘要]吸附是页岩气的主要赋存方式，吸附气评价是页岩含气性评价和资源潜力评价的一项关键内容，对页岩气的有效开发具有重要意义。针对陆相强非均质性页岩吸附气评价的问题，通过对鄂尔多斯盆地东南部下寺湾地区Y2井的张家滩页岩不同岩性岩心开展等温吸附实验，对测试结果进行自由体积转换，开展页岩不同压力下吸附特征研究，获得了张家滩页岩吸附能力的客观认识，当压力较小时，吸附能力随着压力增加显著加大，当压力较大时，吸附能力基本不再随压力变化。根据实验获得的吸附常数可以预测地层条件下页岩的最大吸附气含量。以此为基础结合平行岩样的地化等实验分析数据，开展张家滩页岩吸附能力影响因素分析，明确了有机碳量、粘土矿物含量和孔隙度是影响吸附能力的主控因素。

[关键词]下寺湾地区；页岩气；等温吸附；吸附能力；吸附气含量；主控因素

近年来伴随着页岩气技术的发展[1-2]，富有机质的泥页岩层段逐渐成为人们关注的重点。以游离态赋存于孔隙和微裂缝中的游离气和以吸附态赋存于有机质和粘土颗粒表面的吸附气是页岩气的主要组成部分，目前国内外学者普遍认为泥页岩中吸附气含量占总含气量的40%以上[3]。因富有机质页岩层系中发育的大量纳米级孔隙，具有较大的比表面积和较强的吸附势能，可吸附大量的甲烷气体。因此，吸附气含量评价是页岩含气性评价必需的基本参数，也是页岩气资源潜力评价的一项关键内容，对页岩气藏的有效开发具有重要意义[4-6]。

众多学者通过石油地质和页岩气形成地质条件分析，认为鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段的陆相张家滩页岩的页岩气资源条件较好。但张家滩页岩由于沉积期环境频繁交替变化导致其层系内大量发育泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等岩性层理，具有岩性非均质性强的特点[7]。针对陆相强非均质性页岩吸附气评价的问题，本文通过对鄂尔多斯盆地东南部下寺湾地区Y2井张家滩页岩不同岩性的岩心进行等温吸附实验，分别测定其吸附气含量，以此为基础开展张家滩页岩吸附能力分析工作，并通过有机质、热演化参数、粘土矿物等页岩吸附能力的单因素分析，明确影响张家滩页岩吸附能力的主控因素。

1地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地中南部下寺湾地区，面积约4 000 km2(图1)，晚三叠世长7期靠近湖盆中心区域，沉积了一套分布稳定、厚度大、有机质丰度高的陆相泥页岩-张家滩页岩，页岩气资源条件较好，其半深湖-深湖相富有机质暗色泥页岩为页岩气有利的生气层和储集层。2011年4月在延长石油在下寺湾地区完钻的柳评177井在张家滩页岩段，压裂测试成功出气，成为国内第一口陆相页岩气井，由此启动了延安国家级陆相页岩气示范区建设，预示了下寺湾地区较好的页岩气资源前景。

图1　页岩气研究区位置

2等温吸附测试

甲烷的等温吸附试验是评价含气页岩吸附气含量的常用手段之一[8-9]。在恒温条件下，通过模拟样品的吸附特征和吸附量，测试不同压力下对甲烷气体的吸附量，根据测试的不同压力点和测试吸附气量绘制出吸附等温曲线，由此可建立吸附气含量与压力、温度的关系模型[10]。

将下寺湾地区Y2井8块不同岩性的张家滩页岩样品粉碎至80目以下，于密封容器中，30℃条件下，利用纯度99.99%的甲烷气体，进行不同压力条件下的吸附试验，共测定8个压力点，最大压力约16 MPa，测试达到吸附平衡时所吸附的甲烷气体的体积，实验直接测定结果在经过自由体积转换后，可得到页岩样品的实际吸附气量(图2)。

图2　下寺湾地区Y2井延长组长7段张家滩

3吸附能力分析

通常采用Langmuir模型来描述实验样品的吸附特征，Langmuir理论模型认为页岩中有机质和粘土矿物对天然气的吸附力为范德华力，吸附稳定性差，易解吸，属于单分子层物理吸附。根据该理论(Langmuir，1916)，在恒温条件下，页岩吸附气量是压力的函数，吸附气量的大小与压力值呈非线性关系，单位压力下的吸附气量大小与压力值呈线性关系，关系表达式为：

式中：V吸为页岩吸附气含量(m3/t)；VL为Langmuir体积(m3/t)；b为吸附系数；P为实验压力(MPa)；PL为Langmuir压力(MPa)。

根据Y2井岩样的等温吸附实验结果，由图2可知，当压力较小，小于10 MPa时，吸附较弱，不同岩性的页岩甲烷吸附气含量与实验压力呈非线性关系，随压力的增加显著加大；当页岩甲烷吸附压力大于15 MPa，吸附较强，吸附达到饱和，此时吸附量基本不再随压力明显增加。其中，页岩岩样的甲烷最大吸附量在1.99～2.57 cm3/g之间，变化不大。含粉砂质较多的页岩岩样，气体吸附量越小，甲烷最大吸附气量在0.81～1.52 cm3/g之间，变化范围较大。

根据等温吸附实验可获得表征泥页岩吸附特性的吸附常数：VL和PL，结合实际地层压力，利用上式可以预测出地层条件下实际岩层的最大吸附气含量。通过等温吸附所得到的吸附气含量数值可能会比实际含气量数值偏，需再根据页岩气的具体保存条件校正结果。

4吸附气含量的影响因素

以上基于等温吸附实验的吸附气含量预测方法，是将页岩地层视为均质地层对待得到的评价模型。但下寺湾地区张家滩陆相页岩的岩性非均质性非常强，吸附作用作为页岩气聚集成藏的重要作用，其吸附能力实际受控于多种地质因素，因此通过分别建立吸附气含量与页岩地化、储层等相关地质因素的关系，开展分析研究可以明确张家滩页岩吸附能力的主要影响因素，可为有效预测强非均质性陆相页岩地层的吸附气含量提供依据。

4.1吸附气含量与有机碳的关系

页岩中的分散有机质富含纳米级微孔隙，是甲烷吸附的主要空间之一[11]。而页岩有机质与有机碳含量密切相关。从图3可以看出，在相同温度和压力条件下，Y2井长7段张家滩页岩随着有机碳含量的增大，甲烷吸附量呈线性增大，相关性很好，相关系数为0.624 1，显示吸附能力与有机质含量关系密切。

4.2吸附气含量与成熟度的关系

由于Y2井等温吸附样品中，仅一个样测试了成熟度的光学指标-镜质体反射率R0，因此无法客观研究两者的相关性。但根据平行样的热解数据，利用成熟度的化学指标-热解最高峰温Tmax，可间接研究两者的关系。等温吸附试验样品的Tmax分布在430℃～457℃，属于已成熟。从Tmax与吸附气含量相关性研究结果(图4)来看，吸附气含量受成熟度影响并不明显，两者相关性很弱。

图4　下寺湾地区张家滩页岩吸附气量与热解最高峰温的关系

4.3吸附气含量与矿物组成的关系

通过Y2井页岩等温吸附试验岩样的平行样XRD测试，可见随着粘土矿物含量的增加，吸附气含量增多，相关性很强，相关系数为0.655 2(图5)，因为粘土矿物的比表面积较大[12]，而与之相反，石英、长石等矿物的比表面积较小，因此随着其含量增加，吸附气含量减少。

4.4吸附气含量与孔隙度的关系

从图6可以看出，Y2井长7段张家滩页岩吸附气含量与孔隙度之间具有较好的正相关关系，相关系数为0.668 4。这是因为页岩中较高的孔隙度，提供了较大的比表面，提高了岩样吸附气体的能力。

图5　下寺湾地区张家滩页岩吸附气量与粘土矿物的关系

图6　下寺湾地区张家滩页岩吸附气量与孔隙度的关系

图7　下寺湾地区张家滩页岩吸附气量与粘土矿物含量的关系

图8　下寺湾地区张家滩页岩吸附气量与粘土矿物含量的关系

4.5吸附气含量与密度的关系

从图7可以看出，Y2井长7段张家滩页岩的吸附气含量与密度之间呈负相关关系，相关系数为0.501 6。由于页岩中有机质属于轻组分，密度小于岩石骨架，认为岩样密度减小，可能是由于页岩的有机质含量和孔隙度越大引起，因而吸附气含量越大。

4.6吸附量与湿度的关系

国外页岩气的勘探开发实践表明，页岩气产量较高的区域页岩的含水饱和度通常较小。Y2井长7段张家滩页岩的实验结果分析也印证了这一点，由图8可见，页岩的吸附气量与岩样的含水饱和度呈负相关，相关系数为0.246 2。

通过以上30℃条件下，Y2井张家滩页岩等温吸附实验获得的吸附气含量与各地质因素之间的相关性分析可以初步得出下寺湾地区页岩吸附气含量的主要影响因素为有机碳含量、粘土矿物含量、孔隙度。

5结语

(1)张家滩陆相页岩的等温吸附实验表明，在温度一定的条件下，当压力较小时，吸附较弱，吸附能力随着压力增加显著加大；当压力较大时，吸附较强，吸附量基本不再随压力变化。

(2)张家滩陆相页岩的甲烷最大吸附量在1.99～2.57 cm3/g之间，含粉砂质较多的页岩，甲烷最大吸附气量在0.81～1.52cm3/g之间，随着粉砂含量增加，气体吸附能力减小。

(3)吸附气含量预测模型的关键是对页岩吸附能力进行评价，影响泥页岩吸附能力的因素很多，其中较为重要的影响因素为有机碳含量、粘土矿物含量和孔隙度。

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[收稿日期]2016-02-24

[作者简介]秦晓艳(1984-)，女，贵州思南人，在读博士研究生，主要从事油气藏储层地质研究。

[中图分类号]P641.2

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0261-03