页岩的储层特征以及等温吸附特征

摘 要

摘 要 页岩的储层特征以及吸附特征是评价页岩气是否具有开采价值的一个重要标准，为此，以某页岩气藏为例，测量其岩心的孔隙度与渗透率，并进行x射线衍射全岩分析和黏土矿物测定，以
摘 要 页岩的储层特征以及吸附特征是评价页岩气是否具有开采价值的一个重要标准，为此，以某页岩气藏为例，测量其岩心的孔隙度与渗透率，并进行x射线衍射全岩分析和黏土矿物测定，以分析其储层特征。结果表明：该页岩的孔隙度主要分布在0.01%～5%，渗透率主要分布在0.000 01～10 mD，孔隙直径主要分布在4～6 nm；页岩的孔隙度与渗透率没有明显的相关关系，黏土矿物主要为绿泥石、伊利石、蒙皂石以及伊蒙混层。挑选了6块岩心进行等温吸附试验，以确定TOC以及R。对页岩吸附能力的影响，结果表明：①页岩的气体吸附遵循Langmuir等温吸附曲线，其总解析气量与页岩的TOC成正相关，但与孔隙度没有明显的关系；②不同成熟度、不同TOC页岩的吸附特征研究表明，页岩的吸附能力与页岩的TOC和R。，密切相关，随着页岩TOC以及R。的提高，页岩的吸附能力增加；当页岩的TOC相近时，页岩的尺。越高，吸附能力越强；当页岩的R。相近时，页岩的TOC越高，页岩的吸附能力越强。
关键词 页岩 储层特征 等温吸附 含气量 孔隙度 渗透率TOC R。
 
随着页岩气在美国的大力开发，我国也致力于页岩气研究。中国页岩气资源类型多、分布广、潜力大，据估算，我国页岩气可采资源量大约为31×l012M3[1]。
页岩气藏具有不同于常规气藏的特殊性，它既是烃源岩又是储层，是生物成因、热成因或者生物 热成因的连续型聚集，运移距离较短，基本属于自生自储型气藏[2-4]。其天然气赋存状态多种多样，具有独特的存储特征。主要表现为：在形式上游离气和吸附气并存；在存储空问上基质孔隙和次生裂缝并存。页岩气藏中天然气由3部分组成：裂缝中的游离气、基质孔隙中的游离气和吸附气[5]。页岩气的储层特征以及吸附特征是评价页岩是否具有开采价值的一个重要标准。为此，以某一页岩气藏为例，对此进行研究。
1页岩的储层特征
1.1 页岩的孔隙度与渗透率特征
利用PoroPerm 200型孔渗仪对该页岩气藏的岩心进行孔隙度与渗透率测量，实验中渗透率的测试方法为脉冲测试法，发现该页岩的孔隙度主要分布在0.01%～5%，渗透率主要分布在0.000 01～10 mD，页岩的孔隙度与渗透率没有明显的相关关系(见图1)。渗透率大于l mD的页岩岩心中存在着明显的天然裂缝或取心诱导裂缝。
1.2页岩矿物特征
对所研究的页岩气藏的岩心进行X射线衍射全岩分析和黏土矿物测定(表1)，发现黏土矿物的总含量主要介于20%～70%，黏土矿物主要为绿泥石、伊利石、蒙皂石以及伊蒙混层，这些黏土矿物中伊利石和伊蒙混层的含量较高，伊利石相对含量主要介于20%～50%，伊蒙混层相对含量主要介于20%～70%.而蒙皂石和绿泥石的含量平均相对偏低。非黏土矿物主要为石英、钾长石、方解石、白云石、斜长石、黄铁矿等，其中石英的含量最高，相对平均含量在2()%～5()%，黄铁矿和斜长石的相对平均含量最低，介于l%～5%。石英含量越多说明岩石的脆性越好，天然裂缝越容易发育，越有利于人工压裂。
1.3 页岩孔隙结构特征
孔隙按大小可分为大孔(直径大于50 nm)，介孔(直径介于2～50 rim)、微孑L(直径小于2 nm)。利用气体在页岩孑L隙中的吸附与解吸可以测量其孔隙大小及其分布情况，当压力低于气体的临界压力时，对于介孔与大孔，首先发生多层吸附，相对压力更高时，则发牛毛细管凝聚，形成类似液体的弯液面。介孔孔径分布一般用Kelvin方程进行计算。以氮气作为吸附气体时，当液氮温度为77 K时，Kelvin方程可表述如下：
 
 
 
2 页岩总解析气量以及等温吸附特征
2.1页岩总解析气量
气体在页岩中主要以两种方式存在；在天然裂缝以及大孔隙中以游离气的方式存在；在有机质中的微孔及岩石固体颗粒表面以吸附气的形式存在。有机质含量是影响页岩气富集的一个根本因素，决定着贞岩生气量的多少，有机质中含有大量的微孔隙[6]，它们为气体在页岩上的吸附提供了场所。页岩中的游离气与吸附气含量是随着页岩气藏的储层物性而变的。
页岩总解析气量测定主要为罐解气测试。罐解气测试可以在钻井过程中，将所取得的页岩样品密闭保存于金属解析罐中，在钻井现场利用水浴加热到储层温度，对岩心进行解析测试分析，测试过程中将对岩心中释放出来的气体进行体积和组分测量，直到气体释放的速度为零，再开罐将页岩放入密闭容器内粉碎释放残留气体。页岩解析并测定残留气体后，还要估算页岩从井底到放人解析罐中所损失的气体体积，将解析出来的气体加上残留气体以及取样中的损失气体体积，便能得到页岩的总解析气量。
图3是页岩气的总解析气量与页岩的孔隙度的关系图，从图中可以看到该页岩气藏的孔隙度与总解析气量并没有明显关系。图4是页岩的总解析气量与TOC关系图，从图中可以看到两者存在着明显的正相关关系，随着页岩的有机质含量的增加，页岩的总解析气量也是增加的。美国5大页岩具有丰富的有机质含量，其TOC大多介于l.5%～20%，通常认为总有机质含量超过0.5%的页岩是具有潜力的烃源岩。通过对该页岩气藏岩心的有机地化分析，其TOC介于0.5%～5%，其TOC使其可能成为具有潜力的烃源岩。根据美国和加拿大的勘探开发结果，对于热成因的页岩气藏，形成页岩气的页岩有机质成熟度(R。，)值为0.4%～3.o%。陔页岩气藏的R。值范围为2.75%～3.92%，R。值超过3%说明处于过成熟范围，会影响页岩气体的吸附量。
2.2页岩等温吸附特征
页岩等温吸附曲线是描述页岩储存气体能力的曲线，在恒温下页岩吸附气量是压力的函数。为了弄清楚TOC以及R。对页岩吸附能力的影响，挑选了6块岩心进行等温吸附试验，6块岩心的TOC以及R。，如表1所示。其中1号、2号以及6号岩心的TOC与成熟度相差都比较大作为一组进行比较；5号、6号岩心的TOC相近而R。值不一样，作为一组进行比较；3号、4号岩心的R。相近而TOC不一样，作为一组进行研究。通过对6块岩心进行等温吸附实验，发现页岩的吸附遵循I.angmuir(1916)等温吸附关系：
 
 
式中K为在压力P下单位体积储层里吸附气的体积，m3/t；V。.为Langmuir体积，表示吸附剂的最大吸附体积，M3/t；P为气体压力，MPa；pl，为Langmuir压力，MPa，此时吸附气体积(VE)为Langmuir体积的1/2。
图5为1、2和6号岩心的等温吸附曲线图，图中实线为Langmuir公式计算的拟合曲线，图中的点为试验数据点(下同)，实验数据与Langmuir公式计算得到的数据非常吻合。从图中可以看到随着TOC的增加以及R。的增加，页岩的吸附能力增加；图6是5号、6号岩心的等温吸附曲线，从图中可以看出TOC相近的两块岩心，R。值越高吸附能力越强；图7为3号岩心与4号岩心的等温吸附曲线，从图中可以看到R0相近的两块岩心，TOC越高吸附能力越强。
  
 
从以上的分析可以知道，TOC与R。共同影响着页岩的吸附能力。
从表2中计算得到的VL值和PL值可以看出，VL值和PL值并无明显的相关关系，VL值能描述页岩最大吸附气体的能力，而PL则可以描述页岩吸附气体的难易程度。有机质中的微孔隙为气体的吸附提供了场所，而页岩的成熟度会改变页岩的孔隙结构从而影响页岩的吸附能力，因此TOC与R0共同影响着页岩的吸附能力。
除了TOC与R0会影响页岩的吸附能力外，LuXia0—chun等[7]对美国泥盆系页岩吸附研究发现随着温度的升高页岩的气体吸附能力减弱，黏土矿物类型及含量对气体的吸附也有影响；Daniel等(2007)指出白垩系页岩随着微孔体积的增加页岩的甲烷吸附能力增加，页岩的孔隙结构对其吸附能力也有影响[8]；页岩气的吸附作用与煤的吸附作用相似，煤中水分增高，吸附能力降低，由于水分子同时可以被煤吸附，必定占据一定的表面积，使得甲烷的吸附量减少，马东民[9]对煤的吸附特征进行了系统研究，发现水对煤的吸附和解吸时都有影响，关于水分对页岩的吸附能力的影响还没见相关报道，其对页岩吸附能力的影响有待进一步研究。
  
3 结论
1)所研究页岩气藏的孔隙度主要分布在0.5%～5%，渗透率主要分布在0.000 01～10 mD，黏土矿物主要为绿泥石、伊利石、蒙皂石以及伊蒙混层，页岩的孔隙主要分布在4～6 nm。
2)该页岩气藏的TOC介于0.01%～5%，该页岩气藏是具有潜力的烃源岩；R0值范围为2.75%～3.92%，处于过成熟范围，会影响页岩气体的吸附量；页岩气藏的孔隙度与总解析气量并没有明显的关系，页岩的总解析气量与TOC存在着明显的正相关的
关系。
3)TOC与R0共同影响着页岩的吸附能力。影响页岩吸附能力的其他因素还有待进一步的研究。
 
参 考 文 献
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