页岩的储层特征以及等温吸附特征

第３２卷第１期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　新　能　源　　　　　　　　　　　　　　　 １

页岩的储层特征以及等温吸附特征

熊伟１，２，３　郭为２，３　刘洪林３　高树生２，３　胡志明２，３　杨发荣４

１．北京大学地球与空间学院　２．中国科学院渗流流体力学研究所　３．中国石油勘探开发研究院廊坊分院

４．中国石油大港油田公司勘探开发研究院实验中心

　　熊伟等．页岩的储层特征以及等温吸附特征．天然气工业，２０１２，３２（１）：１１３‐１１６．

　　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０．００００１～１０ｍＤ，孔隙直径主要分布在４～６ｎｍ；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Ｒｏ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Ｒｏ密切相关，随着页岩ＴＯＣ以及Ｒｏ的提高，页岩的吸附能力增加；当页岩的ＴＯＣ相近时，页岩的Ｒｏ越高，吸附能力越强；当页岩的Ｒｏ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　Ｒｏ　　ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００‐０９７６．２０１２．０１．０２５

　　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

１２３［１］

算，我国页岩气可采资源量大约为３１×１０ｍ。　　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

［２‐４］

气藏。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；在存储空间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

［５］

游离气和吸附气。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。

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０．００００１～１０ｍＤ，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１ｍＤ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２０％～５０％，黄铁矿和斜长石的相对平均含量最低，介于１％～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　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

　　作者简介：熊伟，１９７１年生，高级工程师，硕士研究生导师；现在北京大学地球与空间学院博士后工作站，主要从事低渗透油藏储集层评价、渗流理论和油藏工程研究工作。地址：（０６５００７）河北省廊坊市４４号信箱中国科学院渗流流体力学研究所。电话：（０１０）６９２１３３６９。Ｅ‐ｍａｉｌ：ｘｉｏｎｇｗｅｉ６９＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ

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１．３　页岩孔隙结构特征

　　孔隙按大小可分为大孔（直径大于５０ｎｍ），介孔（直径介于２～５０ｎｍ）、微孔（直径小于２ｎｍ）。利用气体在页岩孔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，则发生毛细管凝聚，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７７Ｋ时，Ｋｅｌｖｉｎ方程可表述如下：

图１　页岩孔隙度与渗透率半对数关系图

表１　页岩黏土矿物分析数据表

岩心号码

１２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５

Ｋ

Ｃ

黏土矿物相对含量

ＩＳＩ／Ｓ

３０％２４％３１％５０％５０％６０％６６％５５％５２％４７％４７％４６％４８％４５％３８％

％Ｓ

Ｃ／Ｓ

黏土总量３０％３６％４１％３４％３７％６３％７５％４６％４２％１３％２２％１８％３０％２６％２１％

石英３３％３０％３５％３５％４０％２２％１８％３６％４２％３７％３０％３５％２８％３７％２６％

７％７％１％１％５％２％

全岩定量分析

钾长石斜长石方解石８％６％９％８％３％

７％８％１０％６％９％６％３％２％５％４％３％６％５％１％３％

１６％１３％５％１４％８％５％３％１０％６％２８％２２％２４％２５％２０％２７％

１％２％４％１％６％２％１６％１３％８％１０％１２％１６％

１％２％３％２％１％３％２％２％１％

白云石３％６％

黄铁矿３％１％

２２％２２％２５％２０％１５％１２％８％１５％１６％１５％２２％２４％２０％２３％３２％

４８％４２％４４％３０％３５％２８％２６％３０％３２％３８％３１％３０％３２％３２％３０％

８％５％

１０％１２％１６％８％８％１２％５％２２％１８％２１％３２％４５％５８％

　　注：Ｋ—高岭石；Ｃ—绿泥石；Ｉ—伊利石；Ｓ—蒙皂石；Ｉ／Ｓ—伊／蒙间层；Ｃ／Ｓ—绿／蒙间层；％Ｓ—间层比。

ｒＫ＝－

式中ｒＫ为凝聚在空隙中吸附气体的曲率半径，ｐ为氮气的吸附平衡压力，ｐ０为液氮温度下氮气的饱和蒸汽压。通过上面的方程与脱附曲线就可以计算孔隙大小的分布。通过Ｖ‐Ｓｏｒｂ２８００Ｐ比表面积及孔径分析仪对页岩的孔隙大小进行研究，发现页岩的孔隙直径主要分布在４～６ｎｍ（图２）。

０．９５３ｌｎ（ｐ／ｐ０）

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

图２　页岩孔隙大小分布半对数图

含量是影响页岩气富集的一个根本因素，决定着页岩

［６］

生气量的多少，有机质中含有大量的微孔隙，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入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Ｒｏ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Ｒｏ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Ｒｏ值不一样，作为一组进行比较；３号、４号岩心的Ｒｏ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１．５％～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（Ｒｏ）值为０．４％～３．０％。该页岩气藏的Ｒｏ值范围为２．７５％～３．９２％，Ｒｏ值超过３％说明处于过成熟范围，会影

响页岩气体的吸附量。

图３

　页岩的孔隙度与总解析气量的关系图

图４　页岩ＴＯＣ与总解析气量关系图的吸附遵循Ｌａｎｇｍｕｉｒ（１９１６）等温吸附关系：

ＶＥ＝

ｐＶＬｐ

Ｌ式中ｍＶＥ为在压力ｐ下单位体积储层里吸附气的体积＋ｐ

，３

／ｔ；ＶＬ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；ＭＰａ　　图，此时吸附气体积５为１、２和６号岩心的等温吸附曲线图（ＶｐＬＥ）为Ｌａｎｇｍｕｉｒ为Ｌａｎｇｍｕｉｒ体积的１／２压力，图中。，实线为Ｌａｎｇｍｕｉｒ公式计算出的拟合曲线，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Ｒｏ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，Ｒｏ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Ｒｏ相近的两块岩心，ＴＯＣ

越高吸附能力越强。

图５　３０℃，不同ＴＯＣ与Ｒ

ｏ值页岩甲烷等温吸附特征图

图６　３０℃，ＴＯＣ相近、Ｒｏ不同页岩甲烷等温吸附特征图

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５％，渗透率主要分布在０．００００１～１０ｍＤ，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４～６ｎｍ。

　　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；Ｒｏ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Ｒｏ共同影响着页岩的吸附能力。影响图７　３０℃，Ｒｏ相近、ＴＯＣ不同页岩甲烷等温吸附特征图

从以上的分析可以知道，ＴＯＣ与Ｒｏ共同影响着页岩的吸附能力。

　　从表２中计算得到的ＶＬ值和ｐＬｐＬ大吸附气体的能力值并无明显的相关关系，而ｐＬ，ＶＬ值能描述页岩最值可以看出，ＶＬ

值和的难易程度。有机质中的微孔隙为气体的吸附提供了则可以描述页岩吸附气体场所，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Ｒｏ共同影响着页岩的吸附能力。

　　除了ＴＯＣ与Ｒｏ会影响页岩的吸附能力外，Ｌｕ温度的升高页岩的气体吸附能力减弱Ｘｉａｏ‐ｃｈｕｎ等

［７］

对美国泥盆系页岩吸附研究发现随着

，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。

表２　３０℃，页岩甲烷等温吸附实验样品数据表岩心号码

ＴＯＣＲｏＶＬ／ｍ３

ｔ

－１

ｐＬ／ＭＰａ１

２．３６％３

．８４％３

．７８２

．８８２０．７０％２．９４％２．７０２．４６３０．６９％３．８８％１．７７１．８５４０．４６％３．９２％１．９９４．０３５０．６１％３．５２％１．５６２．４３６

０．６４％

２．７５％

１．３２

６．６８

３　结论

　　１）所研究页岩气藏的孔隙度主要分布在０．５％～

页岩吸附能力的其他因素还有待进一步的研究。

参　考　文　献

［１］张大伟．加快中国页岩气勘探开发和利用的主要路径［Ｊ］．

天然气工业，２０１１，３１（５）：１‐５．

［２］ＪＡＲＶＩＥＤ，ＨＩＬＬＲＪ，ＲＵＢＬＥＴＥ，ｅｔａｌ．Ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ

ｓｈａｌｅｎｏｒｔｈ‐‐ｇｃｅｎｔｒａｌａｓｓｙｓｔｅｍｓＴｅｘａｓ：ａｓｔｈｅｏｎｅＭｉｓｓｉｓｓｉｐｐｉａｎｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｒｍｏｇｅｎｉｃＢａｒｎｅｔｔｓｈａｌｅｓｈａｌｅ‐ｇｏｆａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ［Ｊ］．ＡＡＰＧＢｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，ｅｔ，９１（４）ａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ：４７５‐４９９ｏｆ．ａｓ［３］ＨＩＬＬＲＪ，ＺＨＡＮＧＥ，ＫＡＴＺＢＪｇａｓ

ｇ［ｅｎｅｒａｔｉｏｎＪ］．ＡＡＰＧｆｒｏｍＢｕｌｌｅｔｉｎｔｈｅＢａｒｎｅｔｔ，２００７，９１（４）Ｓｈａｌｅ：５０１‐５２１，ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ．

Ｂａｓｉｎ，Ｔｅｘａｓ［４］ＲＯＳＳＤＪ，ＢＵＳＴＩＮＲＭ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇｔｈｅｓｈａｌｅｇａｓｒｅ‐

ＷｅｓｔｅｒｎｓｏｕｒｃｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆＤｅｖｏｎｉａｎ‐Ｍｉｓｓｉｓｓｉｐｐｉａｎｓｔｒａｔａｉｎｔｈｅ

ｇ（１）ｒａｔｅｄ：８７‐１２５ｆｏｒｍａｔｉｏｎＣａｎａｄａｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ．

ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ［Ｊｂａｓｉｎ］．ＡＡＰＧ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆ，２００８ａｎｉｎｔｅ，９２‐［５］ＢＵＳＴＩＮＲＭ．Ｇａｓｓｈａｌｅｔａｐｐｅｄｆｏｒｂｉｇｐｌａｙ［Ｊ］．ＡＡＰＧＥｘ‐［６］ｐＥＬＧＭｌｏｒ，

２００５ＡＴＩ，２６（２）Ｍ，ＺＨＡＮＧ：５‐７．Ｈ，ＢＡＩＢ，ｅｔａｌ．Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ‐ｐｏｒｅ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｐｏｆｓｈａｌｅｇａｓｐｌａｙｓ［ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｒｅｓｅｎｔｅｄａｔａｎｄｔｈｅＳＰＥＣ］∥ｐａｐｅｒ１４４０５０‐ＭＳＴｅｘａｓ，ＵＳＡ．ＮｅｗＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎＮｏｒｔｈＹｏｒｋ：ＳＰＥ，１４‐１６Ａｍｅｒｉｃａｎ，２０１１ＪｕｎｅＵｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ．

２０１１，ＷｏｏｄｌａｎｄｓＧａｓ

，［７］ＬＵＸｉａｏｃｈｕｎ，ＬＩＦａｎｃｈａｎｇ，ＷＡＴＳＯＮＡＴ．Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ

５９９‐６０３ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．

ｉｎＤｅｖｏｎｉａｎｓｈａｌｅｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ，１９９５，７４（４）：［８］ＲＯＳＳＤＪＫ，ＢＵＳＴＩＮＲＭ．Ｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｓｈａｌｅｃｏｍ‐

ｐｓｈａｌｅｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｐｏｎｇａｓｓｔｏｒａｇｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆ

２００９，２６（６）ｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ：９１６‐９２７［．Ｊ］．ＭａｒｉｎｅａｎｄＰｅｔｒｏｌｅｕｍＧｅｏｌｏｇｙ，

［９］马东民．煤层气吸附解吸机理研究［Ｄ］．西安：西安科技大

学，２００８．

（修改回稿日期　２０１１‐１１‐１８　编辑　罗冬梅）