柴达木盆地北缘中侏罗统泥页岩吸附特征及影响因素分析

裴明明，邵龙义，李永红，文怀军，张文龙

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.青海煤炭地质105勘探队，西宁810007；3.青海煤炭地质局，西宁810007）

柴达木盆地北缘中侏罗统泥页岩吸附特征及影响因素分析

裴明明1，邵龙义1，李永红2，文怀军3，张文龙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.青海煤炭地质105勘探队，西宁810007；3.青海煤炭地质局，西宁810007）

柴达木盆地北缘中侏罗统具有较好的页岩气勘探前景，深入研究该地区暗色泥页岩吸附特征及影响因素对分析区内页岩气聚集规律有一定参考意义。以柴达木盆地北缘鱼卡地区为例，对中侏罗统泥页岩岩心样品进行X射线衍射全岩矿物组成及黏土矿物相对含量、总有机碳（TOC）含量和等温吸附等分析测试。结果表明：区内泥页岩TOC含量4.76%～25.30%，平均含量为12.05%；矿物组成以黏土矿物和石英为主，黏土矿物又以伊/蒙间层矿物和高岭石为主；泥页岩最大吸附量（VL）为1.19～8.46 cm3/g，平均值3.88 cm3/g；兰氏压力（PL）为1.72～4.98 MPa，平均3.13 MPa；泥页岩的总有机碳含量与吸附能力之间存在一定的正相关关系；黏土矿物总量与吸附能力之间具有明显的正相关性，不同类型的黏土矿物对吸附能力具有不同的影响，黏土矿物中以伊/蒙间层矿物+高岭石总量对吸附能力的影响较为显著。

中侏罗统；泥页岩；吸附能力；有机碳含量；矿物组成；影响因素

0　引言

页岩气指赋存于富含有机质的暗色或炭质泥页岩中，吸附于有机质和黏土矿物表面，或游离于泥页岩基质孔隙和天然裂缝中，具有商业开采价值的生物成因或热成因的非常规天然气［1］。吸附气和游离气被认为是页岩气的主要存在形式，而页岩气中吸附气的含量占到总气量的20%～85%，一般可达到总含气量的40%以上［2-4］。因此泥页岩的吸附能力是页岩气富集规律研究的重要方面之一。柴达木盆地北缘（以下简称“柴北缘”）中侏罗统泥页岩具有较好的页岩气资源潜力，存在潜西、鱼卡、大煤沟等多个页岩气勘探有利区［5-7］。通过对鱼卡地区中侏罗统泥页岩样品进行TOC含量、全岩及黏土矿物和等温吸附测试，并对其甲烷吸附特征及影响因素进行分析，对柴北缘页岩气的勘探和开发具有重要的理论和实际意义。

1　区域地质背景

柴达木盆地处于青藏高原东北部，是青藏高原北部东西向构造带里面的一个大致呈NW向展布的含油气盆地，它南邻昆仑山、北接祁连山、西北界为阿尔金山，在大地构造位置上柴达木盆地属于特提斯构造域的东部［8］。依据基地特征、现今构造形态、盆地演化等将柴达木盆地划分为北部断块带、茫崖坳陷和东部的德令哈坳陷、三湖坳陷，并由多个相间分布的二级构造带、凹陷和凸起组成［9-10］。研究区柴北缘构造分区包括北部断块带和东部的德令哈坳陷（图1）。柴北缘中侏罗统沉积类型主要有河流相、三角洲相、滨浅湖相和半深湖—深湖相，中侏罗世气候温暖湿润，泥炭沼泽广泛发育，为研究区主要的成煤期［5］。中侏罗统暗色泥页岩在柴北缘发育较好，主要包括石门沟组上段的半深湖—深湖相泥页岩，石门沟下段及大煤沟组的煤系泥岩（图2）。

图1　柴达木盆地北缘构造位置与构造单元划分图［9-10］Figure1　North margin of Qaidam Basin tectonic setting and tectonic elements partitioning［9-10］

2　样品采集及测试

对采自柴北缘鱼卡地区YQ-1井不同深度和层位的泥页岩样品进行等温吸附实验、并进行相应的有机碳含量、X射线衍射全岩矿物和黏土矿物含量分析等测试，采样位置如图2所示。

本次等温吸附实验采用的仪器设备为Terratek IS—300型自动等温吸附仪，实验参考《煤的高压等温吸附实验方法》标准，测定一定粒度（60～80目）泥页岩样品在恒定温度（30℃）、不同压力条件下达到吸附平衡时所吸附甲烷气体的体积，试验样品均测定8个平衡压力点，每个压力点达到平衡的时间为12 h，然后增大压力到下一个压力点，甲烷气体浓度大于99.99%，油浴锅温度控制精度为0.1℃，压力测量精度为6.91×10-4MPa。根据Langmuir单分子层吸附理论，计算出吸附常数VL、PL。有机碳含量实验设备采用力可CS244型碳硫测定仪；全岩矿物组成及黏土矿物相对含量采用D8 Diffractometer X-射线衍射分析仪测定，样品测试均在华北石油勘探开发研究院完成。

3　实验结果

3.1等温吸附特征

等温吸附测试结果显示，柴北缘中侏罗统泥页岩样品具有I类等温吸附曲线的特征，符合单分子层吸附理论模型［11］。温度恒定的条件下，初始阶段（压力小于3 MPa）样品的吸附量随压力的增大快速增加，当压力增加到一定程度后，吸附量缓慢增加至趋于饱和（图3（a））。根据不同压力条件下吸附量的对应关系拟合得到Langmuir等温吸附线。结果显示拟合度较高，相关系数平均0.9521，最大可达0.9975。样品的兰氏体积VL为1.19～8.46 cm3/g，平均为3.88 cm3/g；兰氏压力PL为1.72～4.98 MPa，平均为3.13 MPa。对比渝东南下志留统龙马溪组海相黑色页岩的等温吸附特征（VL为1.36～2.67 cm3/g，PL为1.90～3.84 MPa）［12］（图3（b）），可以看出两者兰氏体积VL、兰氏压力PL等吸附常数存在着较大的差异，柴北缘研究区不同泥页岩样品之间等温吸附曲线差异明显。这主要由于陆相泥页岩形成于较为动荡的水体环境中，沉积相变较大，无法在较长时期内保持稳定的沉积，形成的泥页岩非均质性较强，故等温吸附性能变化较大［13］。

3.2泥页岩有机质丰度及矿物组成特征

样品TOC含量及矿物组成特征如表2所示，泥页岩样品有机质丰度变化范围较大，TOC值为4.76%～25.3%，平均为12.05%，总体上有机质丰度较高。

图2　柴北缘鱼卡地区YQ-1井地层柱状图Figure2　Stratigraphic column of well YQ-1 inIqe area，north margin of Qaidam Basin

泥页岩矿物组成以石英和黏土矿物为主。黏土矿物含量为42%～82%，平均为57.3%；石英含量为17%～43%，平均为30.5%；长石含量较低，为1%～6%，并含有少量的方解石。黏土矿物的X-衍射定量分析结果显示，黏土矿物以伊/蒙间层矿物为主，相对含量为28%～63%，平均43.3%；高岭石相对含量为18%～60%，平均38.7%；伊利石相对含量为10%～15%，平均12%；绿泥石平均相对含量低于10%，不含蒙皂石。

图3　泥页岩甲烷等温吸附线Figure3　Argillutite methane isothermal adsorption curves

表1　泥页岩样品甲烷吸附常数Table1　Argillutite sample methane adsorption constants

表2　泥页岩样品有机地化与矿物组成特征Table2　Argillutite sample organic geochemical and mineral composition features

4　等温吸附特征控制因素分析

除温度、压力和湿度等外界环境因素外，有机质丰度、成熟度等地球化学特征以及孔隙结构、矿物组成等储层特征也会对泥页岩吸附能力产生影响［14］。本次研究从泥页岩总有机碳、矿物组成方面分析其对泥页岩吸附性能的影响。

4.1有机质丰度

北美页岩气的研究结果表明，泥页岩的吸附性能在一定程度上受到有机碳含量的影响，有机碳含量越高，泥页岩的吸附性能越大［1，15］。由图4a可见，在总有机碳含量＜15%时，随总有机碳含量的增加，泥页岩最大吸附量有逐渐增大的趋势，具正相关关系，这一结果与前人关于泥页岩甲烷吸附特征的结论基本一致［16］（图4b）。与鄂尔多斯盆地延长组的泥页岩相比，柴北缘中侏罗统泥页岩的总有机碳与最大吸附量之间拟合相关系数较低、离散度较大，正线性相关关系表现不明显。这一结果与区内有机质热演化程度总体处于未熟-低熟阶段有关（表2），有机质未经历主要生排烃过程，导致有机质微孔隙不发育或极少发育，因此总有机碳与最大吸附量之间正线性相关性较低。

4.2矿物组成

矿物组成在一定程度上控制着泥页岩的储集特性，对泥页岩吸附特征具有重要的影响［17］。黏土矿物由于层间结构而具有可观的比表面积，可以把甲烷分子吸附到其表面。Passey等［18］研究认为，黏土矿物是甲烷分子重要的吸附载体。研究区泥页岩样品黏土矿物总量与最大吸附量之间存在显著的正相关性（图5a），总体上随黏土矿物含量的增加，样品的最大吸附量逐渐增大。这主要是由于与其它组成矿物相比，黏土矿物内部发育大量纳米孔隙，有效增加了泥页岩储层的比表面积。

图4　泥页岩最大吸附量与总有机碳相关关系图Figure4　Correlation between argillutite maximum adsorbance and TOC

图5　柴北缘中侏罗统泥页岩矿物组成与最大吸附气量Figure5　North margin of Qaidam Basin middle Jurassic mineral composition and maximum adsorbance

不同的黏土矿物在化学组成、晶体结构和岩石物理性质等方面存在较大的差异，发育的晶间、层间及颗粒之间孔隙的大小、形态和表面积不同，对甲烷的吸附能力不同［19］。所分析样品的最大吸附量与伊/蒙间层+高岭石含量之间具有较强的正相关关系（图5b），与伊利石含量相关关系不明显（图5c）。魏祥峰等研究认为［20］，随伊/蒙间层矿物含量的增加，泥页岩的孔体积和比表面积增大，黏土矿物的比表面积特征比较复杂，伊/蒙间层矿物、蒙脱石矿物具有很大的内表面积（晶体内部的），而伊利石矿物仅有外表面积。吉利明等［21］研究泥页岩中不同黏土矿物的吸附能力时认为，黏土矿物吸附能力由大到小依次为伊/蒙间层、高岭石、绿泥石、伊利石。对比样品YQ-1-13、YQ-1-17和YQ-1-25，绿泥石、伊利石含量大致相当，伊/蒙间层矿物含量YQ-1-13大于YQ-1-17，两者高岭石含量相近，最大吸附量YQ-1-13大于YQ-1-17；高岭石矿物含量YQ-1-25大于YQ-1-17，伊蒙间层矿物含量相当，而最大吸附量相近，变化较小。说明伊/蒙间层矿物对泥页岩吸附性能的影响要大于高岭石。由此可见，在以高岭石和伊/蒙间层矿物为主要黏土矿物类型的泥页岩中，伊/蒙间层矿物含量高的样品吸附性能较好，这与Gasparik M等［22］的研究结果基本一致。

脆性矿物含量与泥页岩最大吸附量之间呈负相关关系（图5d）。脆性矿物与黏土矿物相比，孔隙、比表面积不发育，吸附页岩气的能力较差。脆性矿物含量的增加会相对减弱泥页岩的吸附能力，主要是由于其含量的增加必然会导致黏土矿物含量相对减少所致，这一结果与前人研究结论相一致［17］。

5　结论

（1）柴北缘中侏罗统暗色泥页岩最大吸附量（VL）为1.19～8.46 cm3/g，平均3.88 cm3/g；兰氏压力（PL）为1.72～4.98 MPa，平均3.13 MPa。

（2）总有机碳含量＜15%时，有机碳含量与最大吸附量呈正相关关系，但总体相关度较低；黏土矿物总量与泥页岩的吸附能力之间具有明显的正相关性，成为影响柴北缘中侏罗统泥页岩吸附能力的主要影响因素，其中高岭石+伊/蒙间层矿物含量对泥页岩吸附能力的影响较为显著；脆性矿物含量的增加会降低泥页岩对甲烷的吸附能力。

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Analysis of Middle Jurassic Argillutite Adsorptive Features and Impacting Factors at North Margin of Qaidam Basin

Pei Mingming1，Shao Longyi1，Li Yonghong2，Wen Huaijun3and Zhang Wenlong2
（1.School of Geosciences and Surveying Engineering，CUMTB，Beijing 100083；2.No.105 Exploration Team，Qinghai Bureau of Coal Geological Exploration，Xining，Qinghai 810007；3.Qinghai Bureau of Coal Geological Exploration，Xining，Qinghai 810007）

The middle Jurassic strata at the north margin of Qaidam Basin have better shale gas exploration prospect.Detailed study on dark argillutite adsorptive features and impacting factors has certain reference significance to analyze shale gas accumulation pattern in the area.Taking the Iqe area as an example，carried out core samples X-ray diffraction mineral composition，clay minerals relative con⁃tent，TOC and isothermal adsorption analytical tests.The result has shown that the TOC of argillutite in the area is 4.76%～25.30%，av⁃erage 12.05%；mineral composition is mainly quartz，and the clay minerals have mainly interstratified illite/montmorillonite and kaolin⁃ite；argillutite maximum adsorbance（VL）is between 1.19～8.46 cm3/g，average 3.88 cm3/g；Langmuir pressure（PL）is between 1.72～4.98 MPa，average 3.13 MPa.Between TOC of argillutite and adsorptivity has certain positive correlation；between total clay minerals and ad⁃sorptivity has obvious positive correlation.Different clay mineral types have different impacts on adsorptivity，among them the total in⁃terstratified illite/montmorillonite plus kaolinite have more significant impact on adsorptivity.

Middle Jurassic Series；argillutite；adsorptivity；organic carbon content；mineral composition；impacting factor

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.05

1674-1803（2016）10-0019-05

中国地质调查局项目（121201114019501）资助

裴明明（1991—），男，硕士，从事沉积学及煤田地质学研究。

邵龙义（1964—），男，教授，从事沉积学及煤田地质学研究。

2016-05-23

责任编辑：宋博辇