川东南地区五峰-龙马溪组海相页岩有机质与粘土矿物吸附能力表征研究

储亦睿 张婷婷 刘玉霞 范小俊 程 伟

(中国石油化工股份有限公司华东油气分公司实验研究中心,江苏 225007)

1 页岩等温吸附实验

影响页岩等温吸附的因素很多，温度和压力是两个较为明显的外界因素，国内外学者已做过大量的研究，也取得了较为一致的认识，即在相同压力下，随温度的升高吸附量降低，在相同的温度下，吸附量随压力的升高而升高。页岩的储集空间类型及其引起的气体赋存状态的差异也是重要的影响因素，但对吸附能力的影响主要体现在有机质和粘土矿物的含量上。

本文选取川东南龙马溪组四口井(图1)的页岩样品进行X衍射全岩和总有机碳实验。4口页岩样品的全岩结果表明，岩石的矿物组合类型基本一致，主要为粘土矿物和石英，还含有长石、碳酸盐矿物和黄铁矿等，其中粘土矿物平均含量均大于30%，有机碳含量均大于2%(图2)，均属于优质的黑色页岩，是理想的等温吸附实验样品。等温吸附仪器型号为HPVA200高压等温吸附仪，吸附气为甲烷，吸附气浓度为99.99%，实验条件所有样品实验温度均为30℃(图3)，样品信息见表1。

图1 区域地质背景图

图2 川东南龙马溪组4口页岩气井样品全岩、TOC及等温吸附柱状图

表1 等温吸附实验样品基本信息

图3 川东南龙马溪组4口页岩气井样品等温吸附散点图

2 吸附能力定量表征

(1)吸附模型

为对页岩主要组分的吸附能力进行评价，尤其是对有机质和粘土矿物的吸附能力进行定量表征，本文将页岩主要组分简化成有机质、粘土矿物和其它矿物“三组分模型”(表2)。

表2 不同页岩气井TOC及矿物成分含量统计

续表

①建立模型的原因：除了有机质和粘土矿物外，页岩中其他矿物组分的吸附能力较弱且差别不大，因此可将页岩主要组分简化成“三组分”。

②模型的应用条件：只适用于单井的同一套地层样品，在此前提下样品的温度、压力和湿度等条件基本一致，能够最大排除外界其他因素的干扰。

(2)吸附量

根据下面的“三组分模型”计算公式：

VL1=M有机质1·Q有机质+M粘土矿物1·Q粘土矿物+M其它矿物1·Q其它矿物

VL2=M有机质2·Q有机质+M粘土矿物2·Q粘土矿物+M其它矿物2·Q其它矿物

… … … … …

VLn=M有机质n·Q有机质+M粘土矿物n·Q粘土矿物+M其它矿物n·Q其它矿物

Q有机质>0, Q粘土矿物﹥0 ,Q其它矿物>0

式中，M为实验测得各成分的含量；Q为各成分(单位质量)吸附气体能力。

由此得到的有机质和粘土矿物的吸附量见表3。

表3 有机质和粘土矿物的吸附量结果

3 吸附量影响因素分析

(1)有机质吸附量的差异

有机质吸附量的差异主要由有机质孔隙发育程度以及孔隙孔径分布大小决定(图4)。有机质孔隙发育程度以及孔隙孔径分布大小主要受有机质类型、成熟度及孔隙的保存条件影响。PY1井有机质孔隙类型主要为固体沥青孔为主，少量生物化石孔，SY1、LY1井均以固体沥青和无定形干酪根孔隙为主。三口井成熟度相当，因而对有机质孔隙发育程度以及孔隙孔径分布大小影响不大。三口井虽均为常压页岩气井，但压力系数略有不同，PY1压力系数为0.96，SY1压力系数为1.30，LY1压力系数为1.08。因而影响三口井有机质吸附量的主要为有机质类型及其保存条件。

图4 有机质吸附量 孔隙度及表面积

有机孔是页岩储集空间中最主要的贡献者，有机质孔隙的发育程度直接影响了孔隙度的大小，统计结果孔隙度与最大吸附量有着较明显的正相关性；孔径分布的差异会直接导致比表面积的不同，因而比表面积与最大吸附量也有明显的正相关性。

(2)粘土矿物吸附量的差异

粘土矿物吸附量的差异由粘土矿物亚类含量上的差异造成的(图5)，三口井中伊蒙混层的混层比均小于10，在这种情况下伊蒙混层与伊利石的吸附能力基本相当。因此，当伊蒙混层+伊利石含量之和增加时，单位体积下的粘土矿物吸附量随之增加，即绿泥石含量越低，单位体积下的粘土矿物吸附量越高(图6)。

图5 60℃时不同种类粘土矿物的甲烷等温吸附曲线

图6 粘土矿物吸附量、及粘土矿物组合类型