四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组解吸气特征及影响因素分析

李 凯，孟志勇，吉 婧，郑晓薇，张 谦，邹 威

(1．中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，武汉 430223； 2．中国石油大学(北京)，北京 102249)

21世纪初，美国Barnett页岩气成功实现商业开发，掀起了全球页岩气勘探开发的热潮。页岩气的赋存形式多样，随着页岩研究的不断深入，人们对页岩气赋存状态的认识逐渐加深。Curtis[1]指出吸附态在页岩气赋存形式中占一定主导地位(占页岩气量的20%～85%)；张金川等[2]认为，页岩气以游离态和吸附态赋存方式为主，气体优先满足岩石颗粒表面(有机质、黏土矿物等)与孔隙表面的吸附，饱和后，再以游离态形式出现。另外,页岩气可以以溶解态的形式赋存于泥页岩有机质、沥青质、孔隙水中，胡文瑄等[3]通过对CH4-CO2-H2O三元体系进行了实验，表明溶解状态的气体只有1%。

页岩气既能赋存在页岩层系内部的有机孔、层理缝、构造缝等储集空间，也会吸附在以有机质和黏土矿物为载体的表面，大量烃类聚集成藏[4-6]。作为资源量计算的关键参数，含气量也是含气性评价、资源储量预测等的重要参数。针对页岩气的含气量测定及计算，目前主要采用现场解吸法、等温吸附法、测井解释法等，其中，现场解吸法是最直接有效的测定方法[7]。近年来已经在页岩气勘探开发中得到广泛应用，其实验原理主要是参照煤层气现场解吸法[7-9]。在页岩气含气量的现场测试过程中，测得的岩心含气量主要包括了损失气、解吸气、残余气，其中损失气指的是钻头钻遇地层后到样品装入解吸罐密封好这一过程中的气体，无法直接测得，需要通过模型计算获得；解吸气是指大气压或者负压下岩心样品自然解吸出来的气体，这部分可采用现场解吸装置来实施；残余气指的是岩心样品经充分自然解吸后仍然残留在岩样中的气体[8]。

研究区位于川东隔挡式褶皱向隔槽式褶皱的过渡地区，为万县负向斜内的正向构造，表现为箱状断背斜形态，紧邻川东边界齐岳山断裂。奥陶系五峰组和志留系龙马溪组为研究区最重要的页岩勘探开发目的层系，为一套黑色富有机质的页岩，产气层的厚度约40 m，分布稳定，气层底的埋深主要介于2 250～3 500 m之间。

1 样品采集及测试

为了研究页岩的解吸气特征及影响因素，对涪陵地区以五峰—龙马溪组页岩气为目标的A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、A-6、A-7、B-1、C-1和D-1等井的岩心进行了现场解吸气的系统采集；样品为黑色页岩，主要分析了这些井的现场解吸气量数据。

目前，针对研究区内的导眼取心井，在开展现场含气量测试工作时，主要采用的仪器是由中国石化无锡石油地质研究所和江汉油田分公司自主研发的含气量解吸仪，可同时开展多个气样的测试工作，解吸过程中各个气样罐可独立完成解吸过程。解吸流程主要从以下几方面开展：实验前准备(仪器准备、气密性检查等)、岩心采样及装罐、参数记录(地质参数、钻井参数、样品参数等)、解吸实验、解吸终止。其中，解吸实验时，要求样品装罐后以间隔不大于5 min测满1 h，然后以不大于10 min间隔测满1 h，以不大于15 min间隔测满1 h，以不大于30 min间隔测满5 h，累计测满8 h后，再每间隔一定时间采集相关数据，直至解吸终止限。实验过程中需求出气量随时间的变化规律，并结合一些基础数据计算解吸气量。

2 典型井的解吸气特征

页岩气的解吸过程是页岩气在微孔介质中的扩散作用，在解吸过程中，页岩孔隙中游离气优先被解吸出来；被页岩中的有机质、矿物吸附的气体随着温度和时间的变化，也会随之被解吸出来。由于解吸过程与吸附作用是在温度和压力等条件相反的条件下进行，现场解吸实验中，解吸气有不同的地化特征，通过解吸气量的大小、解吸速率的快慢及解吸气的同位素变化等特征，能更好地刻画页岩气在不同赋存状态下的特征[10-16]。

2.1 解吸气量的大小

在现场解吸实验中，主要测定解吸气的含量，损失气的恢复方法主要采用解吸前一个小时数据直线拟合求取，即可求得总含气量。通过涪陵地区的现场解吸气量数据(表1)，在龙马溪组下部的页岩层段，解吸气量随着深度的增加整体呈现变大的趋势(表1中①～⑨小层为五峰—龙马溪组一段页岩段划分的9个小层，由深至浅)。不同小层的解吸气量大小不同，不同的井测试得到的解吸气量也有明显差异。

2.2 解吸速率的变化

以研究区A-7井和D-1井为例(图1)，现场解吸过程中，一阶解吸(循环温度37～45 ℃)时间大约为3 h，之后升温至65～80 ℃直至解吸完成，整个解吸过程在27 h内完成。

当在一阶解吸阶段过程(大约从解吸刚开始的3 h)中，解吸气的速率随解吸时间的增加会逐渐降低；当过了一阶解吸阶段，随着解吸温度的增加，解吸速率快速增加，达到峰值(大约4 h)后缓慢降低。

表1 四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组一段现场解吸气量数据

图1 四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组现场解吸速率变化特征

2.3 解吸气的气组分

研究区内解吸气的组分以CH4为主，含量(体积分数)为84.06%～97.20%，平均值93.84%。此外，还含有少量的C2H6、C3H8和CO2、N2、H2等，C2H6含量为0.68%～5.08%，平均值1.84%；C3H8为0～0.12%，平均值0.03%；CO2为0.22%～3.33%，平均值1.24%；N2为1.07%～13.42%，平均值3.02%(图2)；H2为0～0.21%，平均值0.03%。

CH4含量随解吸时间的变化，在一阶解吸时间的前1 h急剧增加，后略微平稳，过了一阶解吸阶段后，含量随时间增加缓慢减少；C2H6含量随解吸时间变化，在一阶解吸阶段的前3 h几乎保持不变，过了一阶解吸阶段后，含量随解吸时间增加缓慢增加；CO2含量随解吸时间变化，在一阶解吸阶段有先减少后保持不变的趋势，过了一阶解吸阶段后，含量随解吸时间的增加缓慢增加；N2含量随解吸时间的变化，有先快速减少后缓慢减少的趋势(图2)。

2.4 同位素分馏组分

研究区内多口井气体组分分析结果表明，其甲烷含量大于84%。同位素分馏主要考虑了甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素含量变化，解吸气的甲烷碳同位素为-33.3‰～-5.4‰，平均-24.9‰；乙烷碳同位素为-38.9‰～-36.3‰，平均-37.6‰；丙烷碳同位素为-39.8～-37.4‰，平均-39.0‰。

图2 四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组不同解吸气组分含量与解吸时间的变化特征

图3 四川盆地涪陵地区A-2井解吸过程中甲烷、乙烷、丙烷碳同位素变化特征

由A-2井的甲烷、乙烷、丙烷碳同位素随时间变化特征(图3)可知，随着解吸时间的增加，甲烷碳同位素值逐步增加，而乙烷和丙烷的碳同位素值几乎不变。在现场解吸实验中，随着解吸时间的增加及温度的变化，在不同深度测得的甲烷碳同位素值不同，样品深度变化为样品1<样品2<样品3<样品4，整体上随深度增加，碳同位素加重。在一阶解吸的前3 h，温度变化为40～50 ℃，甲烷碳同位素变化有加重趋势，但是变化不明显；在二阶解吸过程中，温度快速升到了110 ℃，甲烷碳同位素明显加重。

3 影响解吸气的主控因素

在现场解吸实验过程中，由于现场钻井过程中的提钻、封罐等影响，页岩地层中的部分游离气已慢慢散失掉。为了提高页岩气含气量测定的准确性，在现场工作中，应该尽量减少提钻时间和封罐的准备时间，解吸罐需要放置在恒定的温度下，且温度与储层温度相等；全程记录好气体体积、压力、罐温、空气温度等环境参数；气体体积需要进行标准化；校正自由空间的体积等[17-18]。除了环境因素、解吸装置本身数据采集的精准度等影响因素外，页岩的品质也会直接影响解吸气量。

解吸气量主要包括了页岩中的吸附气数量及部分游离气量。游离气是页岩生烃—排烃后，残留在页岩中呈现自由态的页岩气，它主要存在于页岩中较大孔隙中，主要受储集空间、含气饱和度、温度、压力等影响[19-20]；吸附气是主要吸附在有机质和黏土矿物表面的页岩气，由于有机质的亲油性和黏土矿物的亲水性，在选择吸附剂载体时，气体优先吸附在有机质表面上，主要与有机碳含量、矿物成分、孔隙度、孔隙结构、温压等因素有关。

3.1 有机碳含量

有机质是油气生成的物质基础，在热演化过程中它直接关系到页岩的生烃量多少，并且它可以作为页岩气的吸附载体，有机碳的含量多少决定吸附气的数量。HILL等[21]通过研究北美地区的Antrim页岩和New Albany页岩认为，有机碳含量达到25%，在相同压力条件下，页岩的吸附气量与有机碳含量呈现比较好的正相关性。CHALMERS等[22]认为由于页岩中的有机碳含量与微孔孔隙度成正比，有机微孔增多，则使得页岩吸附的比表面积变大，就会使得页岩的吸附气含量增多，所以高有机碳含量可以增加页岩气的吸附量。徐旭辉等[23]认为，页岩气在高演化阶段，只要原始页岩有机质聚集体的含量适中，就可为页岩中页岩气的赋存提供有利场所。因此，甲烷的吸附能力与有机碳含量关系紧密。

表2 四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组一段页岩段各小层解吸气量与页岩地质参数对比

图4 四川盆地涪陵地区A-5井现场解吸气量及实测TOC随深度变化关系

笔者通过涪陵地区现场解吸气量和有机碳含量的比较(表2和图4)认为，解吸气量随有机碳含量的增大呈增大趋势，在五峰—龙马溪组的最下部①～③小层，TOC含量均在3%～4%之间，而解吸气量也是最多的，表明解吸气量与有机碳含量呈正相关性。有机质含量的多少，直接关系到页岩的生烃量，进而影响游离气的富集与成藏。

3.2 矿物组分

涪陵地区五峰—龙马溪组矿物组分中，脆性矿物含量主要集中在50%～70%，黏土矿物在30%～50%，且在不同的位置矿物组分含量差别较大；下段①～③小层中脆性矿物含量为65%～75%，黏土含量为25%～35%，测得的解吸气含量最多(表2)。由表2可知，解吸气含量与脆性矿物含量呈一定的正相关性，而与黏土含量呈一定的负相关性。

黏土矿物具有吸附甲烷分子的空间，可作为气体分子的吸附载体，其具有吸附甲烷的能力。Roger等通过对Barnett页岩和Woodford页岩电镜扫描发现，黏土矿物在沉积过程中由于絮凝作用而形成孔隙。通过A-6井中黏土矿物含量与现场解吸气量的对比，表明解吸气量与伊蒙混层含量具有一定的正相关性，与伊利石含量相关性不大，与绿泥石含量具备一定的负相关性(图5)。

3.3 孔隙度

通过分析涪陵地区页岩孔隙度和解吸气数据(表2)，多口井较大孔隙度值主要集中在五峰—龙马溪组下段的①～③小层，对应的解吸气含量也最高，但是①～③小层的有机碳含量也最高，这就不能保证解吸气含量一定与孔隙度有关，且由A-7井数据来看(图6)，解吸气量与孔隙度相关性不是很明确。分析可能的原因在于，解吸气量反映的是部分游离气和吸附气，如果在现场施工中，从提钻到岩样进解吸罐的持续时间过长，大量游离气会逸散掉，进解吸罐的游离气就会减少，而储集空间的大小直接影响游离气的聚集，对吸附气影响不大，所以此时测得的解吸气以吸附气为主，就与孔隙度相关性不明显。

图5 四川盆地涪陵地区A-6井现场解吸气量及黏土矿物成分随深度变化关系

图6 四川盆地涪陵地区A-7井现场解吸气量及孔隙度随深度变化关系

3.4 孔隙结构及比表面积

岩石的孔隙结构及表面性质是决定页岩吸附能力的直接因素[24]，张志平等[25]认为页岩中局部硅质含量高及多期的复杂构造作用，导致岩石结构致密，易于形成微小孔隙和喉道，有利于气体保存，会影响气体的解吸效率。根据IUPAC(国际理论和应用化学联合会)的分类，以孔隙直径为分类依据，孔隙可分为大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)3种类型。大孔主要发生气体的层流渗透，介孔发生气体毛细管凝聚现象。大孔和介孔有利于游离态页岩气的存储，微孔对页岩吸附气的存储具有重要的影响[24]。

研究区内五峰—龙马溪组页岩储层孔隙介质的主要成分为纳米级孔隙，进而影响了解吸气的气量大小。通过对A-6井孔隙结构分析，大孔的孔容较少，以微孔和介孔为主。对比现场解吸气量的结果，解吸气量与微孔的孔容具备一定正相关性，与介孔的孔容具备较好的正相关性，与大孔的孔容不具备相关性(图7)。

图7 四川盆地涪陵地区A-6井现场解吸气量及不同孔宽的孔容随深度变化关系

3.5 温度和压力

温度和压力影响页岩的吸附量以及解吸量，页岩对气体的吸附实质是温度和压力共同作用的结果，随着页岩埋深的增加，温度和压力增大，从而引起页岩吸附能力变化。由于甲烷在孔隙表面的吸附属于物理吸附过程，与分子间的范德华力密切相关，温度和压力条件对甲烷吸附起着极为重要的作用。页岩甲烷吸附性能随压力增大逐渐增加，当温度保持不变时，压力越大，页岩吸附气含量越大，且低压下吸附气含量快速增加，在高压端，开始变得平缓，压力效力开始降低。表明压力对页岩吸附性的影响应分阶段而论[26]。随着温度增加，气体分子的运动速率加快，增大了分子吸附在孔隙表面的难度，从而降低了页岩吸附气量[27]。

4 结论

(1)现场解吸法是测量页岩含气量最直接的也是相对较为可靠的方法，解吸的不同阶段，解吸速率有差异。当在一阶解吸阶段过程(大约从解吸刚开始的3 h)中，解吸气的速率随解吸时间的增加会逐渐降低；当过了一阶解吸阶段，随着解吸温度的增加，解吸速率快速增加，达到峰值(大约4 h)后缓慢降低。解吸气量大小与现场钻井气测值的大小变化具有一致性；随着解吸时间的增加，解吸气的甲烷碳同位素含量逐步增加，而乙烷和丙烷的碳同位素含量几乎不变。

(2)通过与页岩自身品质的比较分析，解吸气量与总有机碳含量呈正相关性，与脆性矿物含量呈正相关性，与黏土含量呈负相关性；与黏土矿物中的伊蒙混层含量具有一定的正相关性，与伊利石含量相关性不大，与绿泥石含量具备一定的负相关性。解吸气量与微孔的孔容具备一定正相关性，与介孔的孔容具备较好的正相关性，与大孔的孔容不具备相关性。

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