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页岩气的赋存形式研究及其石油地质意义_张雪芬

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页岩 形式 研究 及其 石油 地质 意义 张雪芬
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第 25卷   第 6期2010年 6月地 球 科 学 进 展N C 25  6, 2010文 章 编 号 : 100128166 (2010) 0620597208页 岩 气 的 赋 存 形 式 研 究 及 其 石 油 地 质 意 义①张 雪 芬 1 ,陆 现 彩 13 ,张 林 晔 2 ,刘   庆 2(1. 内 生 金 属 矿 床 成 矿 机 制 国 家 重 点 实 验 室 ,南 京 大 学 地 球 科 学 与 工 程 学 院 ,江 苏   南 京   210093;2. 胜 利 油 田 地 质 科 学 研 究 院 , 山 东   东 营   257015)摘   要 :页 岩 气 是 以 游 离 、 吸 附 和 溶 解 状 态 赋 存 于 暗 色 泥 页 岩 中 的 天 然 气 ,其 赋 存 形 式 具 有 多 样 性 ,但 以 游 离 态 和 吸 附 态 为 主 ,溶 解 态 仅 少 量 存 在 。 综 述 了 页 岩 气 的 赋 存 形 式 及 其 影 响 因 素 ,包 括 页 岩气 成 因 、 页 岩 的 物 质 组 成 (有 机 碳 含 量 、 矿 物 成 分 、 岩 石 含 水 量 )、 岩 石 结 构 (孔 隙 度 、 渗 透 率 )和 温度 、 压 力 等 。 认 识 影 响 不 同 形 式 页 岩 气 赋 存 量 的 地 质 因 素 ,有 助 于 利 用 容 积 法 评 估 页 岩 气 地 质 储 量的 水 平 ,因 为 游 离 态 页 岩 气 的 含 量 取 决 于 页 岩 的 有 效 孔 隙 度 和 含 气 饱 和 度 ,而 吸 附 态 页 岩 气 的 含 量则 受 页 岩 的 气 体 吸 附 能 力 影 响 。 认 为 发 展 页 岩 孔 隙 结 构 表 征 技 术 ,研 究 页 岩 气 在 粘 土 矿 物 表 面 和纳 米 孔 隙 中 的 吸 附 行 为 ,可 以 进 一 步 了 解 不 同 地 质 条 件 下 页 岩 气 的 赋 存 形 式 ,并 为 页 岩 气 的 资 源 评价 提 供 更 为 准 确 的 参 数 ,因 此 它 们 将 是 页 岩 气 下 一 步 研 究 的 重 点 之 一 。关   键   词 :页 岩 气 ;赋 存 形 式 ;地 质 储 量 ;粘 土 矿 物 ;纳 米 孔 隙中 图 分 类 号 : 13; 3      文 献 标 志 码 : 引   言21世 纪 中 叶 将 是 以 天 然 气 为 主 的 能 源 时 代 ,但是 随 着 天 然 气 工 业 的 发 展 ,我 国 的 天 然 气 勘 探 开 发已 处 于 中 期 阶 段 ,那 些 规 模 大 、 储 量 大 、 资 源 丰 度 高 、易 勘 探 、 好 开 采 的 天 然 气 资 源 越 来 越 少 ,这 使 得 人 们不 得 不 将 勘 探 发 展 的 重 心 逐 渐 转 移 到 以 前 不 被 重 视的 、 开 发 效 益 相 对 较 差 的 、 勘 探 开 发 技 术 要 求 高 的 天然 气 资 源 [ 1~ 3 ]。 页 岩 气 、 致 密 砂 岩 气 、 煤 成 气 等 非 常规 天 然 气 资 源 成 为 了 首 要 的 资 源 接 替 者 [ 4 ]。 页 岩气 是 指 以 游 离 、 吸 附 和 溶 解 状 态 赋 存 于 暗 色 泥 页 岩中 的 天 然 气 ,是 典 型 的 “ 自 生 自 储 ” 系 统 。 早 在 1976年 ,美 国 能 源 部 就 对 东 部 页 岩 气 进 行 了 地 质 、 地 球 化学 和 石 油 工 程 的 研 究 ,发 现 了 、 、 和 等 五大 页 岩 气 系 统 ,并 进 行 了 工 业 开 采 [ 5 ]。 近 年 来 加 拿大 也 加 强 了 对 页 岩 气 的 勘 探 及 实 验 研 究 ,对 泥 盆 系 、石 炭 系 和 侏 罗 系 页 岩 气 的 勘 探 潜 力 进 行 了 评估 [ 6, 7 ]。 我 国 页 岩 气 勘 探 处 于 刚 刚 起 步 阶 段 ,目 前研 究 主 要 集 中 在 页 岩 气 有 利 区 评 价 方 面 ,认 为 上 扬子 地 区 特 别 是 四 川 盆 地 志 留 系 地 层 具 有 页 岩 气 的 勘探 潜 力 [ 8 ]。5 ]定 义 了 现 代 页 岩 气 的 概 念 ,认 为 页 岩 气可 以 是 储 存 在 天 然 裂 隙 和 粒 间 孔 隙 中 的 游 离 气 ,也可 以 是 干 酪 根 和 页 岩 颗 粒 表 面 的 吸 附 气 或 是 干 酪 根和 沥 青 中 的 溶 解 气 ,指 出 吸 附 作 用 是 页 岩 气 聚 集 的基 本 方 式 之 一 ,吸 附 气 含 量 可 占 页 岩 气 总 含 量 的20% ~ 85%。 此 后 ,国 内 学 者 张 金 川 等 [ 9 ]将 页 岩 气概 括 为 :主 体 上 以 吸 附 和 游 离 状 态 赋 存 于 泥 页 岩 地层 中 的 天 然 气 聚 集 ,其 中 吸 附 作 用 是 页 岩 气 成 藏 的重 要 机 理 之 一 。 页 岩 气 的 吸 附 作 用 主 要 体 现 在 岩 层对 甲 烷 气 体 的 吸 附 能 力 之 上 。 6 ]研 究 了 加①   收 稿 日 期 : 2009210220;修 回 日 期 : 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 “ 泥 质 烃 源 岩 中 纳 米 孔 隙 的 成 岩 演 化 特 征 及 其 排 烃 意 义 ” (编 号 : 40673041)和 “ 泥 质 烃 源 岩 中 粘 土 矿物 — 典 型 油 气 分 子 相 互 作 用 的 微 观 机 制 及 其 油 气 地 质 学 意 义 ” (编 号 : 40973029)资 助 简 介 :张 雪 芬 (19822) ,女 ,浙 江 诸 暨 人 ,博 士 研 究 生 ,主 要 从 事 石 油 地 质 学 研 究 . 26. 讯 作 者 :陆 现 彩 (19722) ,男 ,山 东 嘉 祥 人 ,教 授 ,主 要 从 事 含 油 气 系 统 的 地 球 化 学 过 程 以 及 表 面 矿 物 学 研 究 东 北 部 上 侏 罗 统 的 页 岩 气 地 质储 量 ,指 出 在 压 力 为 6. 0 温 度 为 30℃ 时 ,样 品的 甲 烷 吸 附 能 力 为 0. 05~ 2. 00 g。 储 层 温 度 对甲 烷 吸 附 能 力 具 有 很 大 的 影 响 ,温 度 越 高 ,甲 烷 吸 附能 力 越 小 。 的 储 层 温 度为 127~ 150℃ ,严 重 制 约 了 甲 烷 的 吸 附 ,故 其 甲 烷吸 附 能 力 均 小 于 0. 01 g,只 有 储 层 温 度 小 于81℃ 、 有 机 质 含 量 在 0. 44% ~ 3. 67%、 埋 藏 深 度 在1 539~ 2 013 的 甲 烷 吸 附 能 力 较大 ,最 高 可 达 0. 70 g[ 7 ]。页 岩 气 赋 存 形 式 具 有 多 样 性 和 特 殊 性 ,受 到 多种 因 素 的 制 约 ,在 很 大 程 度 上 将 影 响 到 页 岩 气 藏 的地 质 储 量 评 估 。 但 是 ,尽 管 国 内 外 学 者 针 对 页 岩 气的 赋 存 形 式 开 展 了 一 些 实 验 研 究 和 地 质 调 查 ,但 对页 岩 中 不 同 赋 存 形 式 天 然 气 的 影 响 因 素 的 认 识 还 不够 系 统 ,本 文 在 分 析 前 人 研 究 成 果 的 基 础 上 ,分 析 总结 了 页 岩 成 分 、 结 构 和 地 质 条 件 对 页 岩 气 的 赋 存 形式 和 相 对 含 量 的 影 响 ,以 期 对 正 确 评 估 页 岩 气 藏 地质 储 量 以 及 我 国 刚 刚 起 步 的 页 岩 气 勘 探 和 评 价 提 供借 鉴 。2  页 岩 气 的 赋 存 形 式页 岩 气 的 赋 存 形 式 具 有 多 样 性 ,包 括 游 离 态(大 量 存 在 于 岩 石 孔 隙 与 裂 隙 中 )、 吸 附 态 (大 量 吸附 于 有 机 质 颗 粒 、 粘 土 矿 物 颗 粒 、 干 酪 根 颗 粒 以 及 孔隙 表 面 之 上 )及 溶 解 态 (少 量 溶 解 于 干 酪 根 、 沥 青质 、 残 留 水 以 及 液 态 原 油 中 ) ,但 以 游 离 态 和 吸 附 态为 主 ,溶 解 态 仅 少 量 存 在 [ 10 ]。 早 在 1996年 ,胡 文 瑄等 [ 11 ]就 指 出 ,在 三 元 体 系 中 ,作 为 天然 气 主 要 成 分 的 其 溶 解 态 含 量 仅 占 总 含 量 的0. 1%。 气 体 在 页 岩 层 中 以 何 种 相 态 存 在 ,主 要 取 决于 它 们 在 流 体 体 系 中 溶 解 度 的 大 小 。 当 气 体 的 量 小于 其 在 流 体 体 系 中 的 溶 解 度 ,即 未 饱 和 时 ,只 存 在 吸附 态 和 溶 解 态 ;而 一 旦 达 到 饱 和 ,就 会 出 现 游 离 态 。张 金 川 等 [ 12 ]和 薛 会 等 [ 13 ]也 指 出 ,生 成 的 页 岩 气 首先 满 足 有 机 质 和 岩 石 表 面 吸 附 的 需 要 ,当 吸 附 气 量与 溶 解 气 量 达 到 饱 和 时 ,富 裕 的 天 然 气 才 以 游 离 态进 行 运 移 和 聚 集 。据 5 ]统 计 ,吸 附 态 页 岩 气 含 量 占 页 岩 气总 含 量 的 20% ~ 85%。 其 中 , 密 西西 比 亚 系 岩 的 吸 附 态 页 岩 气 占 原 始 页岩 气 总 量 的 20% ,是 所 占 比 例 最 少 的 ,但 是 ,随 着 实验 研 究 和 开 发 的 深 入 ,发 现 20%的 评 估 值 明 显 偏低 。 14 ]指 出 岩 吸 附 态 页 岩 气 应占 原 始 页 岩 气 地 质 储 量 的 61%。 李 新 景 等 [ 15 ]认 为吸 附 态 页 岩 气 的 含 量 可 能 至 少 占 页 岩 气 总 量 的40%。 聂 海 宽 等 [ 16 ]总 结 分 析 了 的 大 量研 究 资 料 ,认 为 40% ~ 60%的 天 然 气 以 吸 附 态 赋 存于 页 岩 中 ,比 早 期 研 究 的 数 据 大 很 多 。 由 此 可 见 ,吸附 态 页 岩 气 含 量 至 少 占 页 岩 气 总 含 量 的 40%。游 离 态 页 岩 气 主 要 储 存 于 岩 石 孔 隙 与 裂 隙 之中 ,其 含 量 的 高 低 与 构 造 保 存 条 件 密 切 相 关 。 17 ]认 为 M 的 以 吸 附 态页 岩 气 为 主 ,游 离 态 页 岩 气 仅 占 页 岩 气 总 含 量 的25% ~ 30%。 但 是 , 18 ]、 19 ]和 20 ]根 据 气 特 征 认 为 存 储 在 基质 孔 隙 中 的 页 岩 气 占 天 然 气 总 产 量 的 50%以 上 。3  页 岩 气 及 甲 烷 的 赋 存 形 式 的 影 响 因 素3. 1  页 岩 气 成 因 的 影 响页 岩 气 的 成 因 不 同 ,赋 存 形 式 也 会 有 差 异 。 页岩 气 的 组 分 随 成 因 的 不 同 而 发 生 改 变 ,从 微 生 物 降解 成 因 气 到 混 合 成 因 气 ,再 到 热 裂 解 成 因 气 [ 21 ] ,组分 中 的 高 碳 链 烷 烃 (乙 烷 、 丙 烷 )逐 渐 增 加 。 微 生 物降 解 成 因 气 多 产 于 成 熟 度 较 低 ,水 动 力 活 跃 的 盆 地边 缘 ,以 甲 烷 和 二 氧 化 碳 为 主 ,M 的 气 是 典 型 的 微 生 物 降 解 成 因 气 ,其 主 要 成分 为 甲 烷 和 二 氧 化 碳 ,甲 烷 含 量 高 达 85%以 上 [ 17 ] ;热 裂 解 成 因 气 则 主 要 集 中 于 成 熟 度 较 高 的 盆 地 中心 ,由 甲 烷 和 部 分 高 碳 链 烷 烃 组 成 ,如 西 西 比 亚 系 气 ,其 甲 烷 含 量 仅 占 页岩 气 的 45% ~ 50% ,而 乙 烷 和 丙 烷 含 量 则 高 达 20%以 上 [ 22 ] ;混 合 成 因 气 兼 具 微 生 物 降 解 成 因 气 和 热 裂解 成 因 气 的 特 点 ,分 布 最 为 广 泛 ,最 典 型 的 是 的 气 [ 22 ]。页 岩 气 的 组 成 影 响 其 在 页 岩 内 的 吸 附 行 为 。 傅国 旗 等 [ 23, 24 ]通 过 实 验 研 究 发 现 乙 烷 、 丙 烷 等 碳 氢 化合 物 对 活 性 炭 吸 附 存 储 甲 烷 能 力 有 显 著 的 影 响 ,当混 合 气 体 中 含 有 乙 烷 (4. 1% )和 丙 烷 (2% )时 ,甲 烷的 吸 附 能 力 分 别 下 降 了 25%和 27%。 张 淮 浩 等 [ 25 ]也 发 现 乙 烷 和 丙 烷 等 气 体 能 导 致 吸 附 剂 吸 附 甲 烷 能力 降 低 ,利 用 体 积 吸 附 评 价 装 置 ,在 20° C、 充 气 压 力3. 5 放 气 压 力 0. 1 下 ,对 混 合 气 体( 7. 49% , 6 4. 30% , 8 4. 96% ,. 91% , . 83% , . 51% )进 行 连 续 12次 循环 充 放 气 实 验 ,发 现 甲 烷 的 吸 附 容 量 下 降 了 27. 5%。由 此 可 见 ,微 生 物 降 解 成 因 气 由 于 乙 烷 和 丙 烷 等 高碳 链 烷 烃 含 量 较 少 ,岩 石 对 其 吸 附 能 力 较 强 ,如895                                   地 球 科 学 进 展                                         第 25卷M 的 降 解 成 因 气 ,其 吸 附 态页 岩 气 占 气 体 总 量 的 70% ~ 75% [ 17 ]。3. 2  岩 石 物 质 组 成 的 影 响3. 2. 1  有 机 碳 含 量页 岩 的 有 机 碳 含 量 是 影 响 页 岩 吸 附 气 体 能 力 的主 要 因 素 之 一 。 页 岩 的 有 机 碳 含 量 ( 高 ,则页 岩 气 的 吸 附 能 力 就 越 大 。 26 ]对 加 拿 大 东北 部 侏 罗 系 层 和 H [ 27 ] 对M T. P. 的 研 究 ,均 发现 有 机 碳 含 量 较 高 的 钙 质 或 硅 质 页 岩 对 吸 附 态 页 岩气 具 有 更 高 的 存 储 能 力 。 其 原 因 主 要 有 2方 面 ,一方 面 是 ,页 岩 的 生 气 潜 力 就 大 ,则 单 位 体积 页 岩 的 含 气 率 就 高 ;另 一 方 面 ,由 于 干 酪 根 中 微 孔隙 发 育 ,且 表 面 具 亲 油 性 ,对 气 态 烃 有 较 强 的 吸 附 能力 ,同 时 气 态 烃 在 无 定 形 和 无 结 构 基 质 沥 青 体 中 的溶 解 作 用 也 有 不 可 忽 视 的 贡 献 [ 28 ]。 29 ]和 H 30 ]通 过 实 验 研 究 得 出 有 机 碳 含 量 与 甲 烷 吸 附 能力 之 间 存 在 良 好 的 正 相 关 线 性 关 系 。 6 ]和 31 ]研 究 了 加 拿 大 得 到了 和 实 验 结 果 相 同 的 结 论 ,即 有 机 碳 含 量 越 高 ,页 岩吸 附 气 体 的 能 力 就 越 强 (图 1)。图 1  甲 烷 吸 附 量 和 有 机 碳 含 量 的 关 系 图 [ 6, 31]1  of OC 6, 31]3. 2. 2  矿 物 成 分页 岩 的 矿 物 成 分 比 较 复 杂 ,除 伊 利 石 、 蒙 脱 石 、高 岭 石 等 粘 土 矿 物 以 外 ,常 含 有 石 英 、 方 解 石 、 长 石 、云 母 等 碎 屑 矿 物 和 自 生 矿 物 ,其 成 分 的 变 化 影 响 了页 岩 对 气 体 的 吸 附 能 力 。 粘 土 矿 物 往 往 具 有 较 高 的微 孔 隙 体 积 和 较 大 的 比 表 面 积 ,吸 附 性 能 较 强 [ 7 ]。 32 ]认 为 页 岩 中 的 吸 附 态 甲 烷 主 要 分 布在 伊 利 石 表 面 ,其 次 吸 附 于 干 酪 根 之 中 。 29 ]则 认 为 在 有 机 碳 较 低 的 页 岩 中 ,伊 利 石 的 吸 附 作 用至 关 重 要 。 碳 酸 盐 矿 物 和 石 英 碎 屑 含 量 的 增 加 ,会减 弱 岩 层 对 页 岩 气 的 吸 附 能 力 [ 33 ] ,同 时 还 会 降 低 页岩 的 孔 隙 度 ,使 游 离 态 页 岩 气 的 储 集 空 间 减 少 [ 6 ] ,但 是 ,随 着 石 英 、 碳 酸 盐 矿 物 含 量 增 加 ,岩 石 的 脆 性提 高 ,使 页 岩 在 外 力 的 作 用 下 ,极 易 形 成 天 然 裂 隙 和渗 导 裂 缝 ,有 利 于 页 岩 气 的 渗 流 ,并 增 大 了 游 离 态 页岩 气 的 储 集 空 间 [ 34 ]。3. 2. 3  含 水 量 的 影 响含 水 量 的 变 化 对 页 岩 气 的 吸 附 能 力 有 很 大 的 影响 。 前 人 对 煤 层 气 的 研 究 对 于 认 识 页 岩 气 有 一 定 的参 考 价 值 ,田 永 东 等 [ 35 ]认 为 煤 的 内 表 面 上 可 供 气 体分 子 “ 滞 留 ” 的 有 效 吸 附 点 位 是 一 定 的 ,煤 中 水 分 越高 ,可 能 占 据 的 有 效 吸 附 点 位 就 越 多 ,相 对 留 给 气 体分 子 “ 滞 留 ” 的 有 效 点 位 就 会 减 少 ,从 而 降 低 了 煤 层气 的 吸 附 量 。 与 此 相 似 ,在 页 岩 层 中 ,含 水 量 越 高 ,水 占 据 的 孔 隙 空 间 就 越 大 ,从 而 减 少 了 游 离 态 烃 类气 体 的 容 留 体 积 和 矿 物 表 面 吸 附 气 体 的 表 面 位 置 ,因 此 含 水 量 相 对 较 高 的 样 品 ,其 气 体 吸 附 能 力 就 较小 。 6, 7 ]发 现 仅 在 含 水 量 较 大 ( > 4% )时 ,页岩 对 气 体 的 吸 附 能 力 才 有 显 著 的 降 低 (图 2) ,饱 和水 的 样 品 的 气 体 吸 附 量 比 干 燥 样 品 低 40%。 此 外 ,页 岩 层 中 含 水 量 的 增 加 ,可 能 会 导 致 天 然 气 相 态 的改 变 ,因 为 当 页 岩 层 中 孔 隙 水 增 加 时 ,天 然 气 溶 解 于孔 隙 水 中 的 量 就 会 增 加 ,从 而 使 一 定 数 量 的 游 离 态和 吸 附 态 页 岩 气 溶 于 水 ,呈 溶 解 态 存 在 [ 36 ]。图 2  甲 烷 吸 附 量 与 含 水 量 的 关 系 图 [ 6, 7]F 2  m o 6, 7]3. 3  岩 石 结 构 的 影 响3. 3. 1  孔 隙 结 构 和 孔 隙 度岩 石 孔 隙 的 容 积 和 孔 径 分 布 能 显 著 影 响 页 岩 气的 赋 存 形 式 。 一 般 来 说 ,按 孔 的 平 均 宽 度 来 分 类 ,可995第 6期                         张 雪 芬 等 :页 岩 气 的 赋 存 形 式 研 究 及 其 石 油 地 质 意 义                分 为 大 孔 ( > 50 、 介 孔 ( 2~ 50 、 微 孔 ( < 2[ 37 ]。 大 孔 和 介 孔 主 要 发 生 气 体 的 层 流 渗 透 和毛 细 管 凝 聚 ,有 利 于 游 离 态 页 岩 气 的 储 存 。 胡 爱 军等 [ 38 ]和 39 ]认 为 当 孔 径 较 大 时 ,气 体 分 子 存储 于 孔 隙 之 中 ,此 时 游 离 态 气 体 的 含 量 增 加 。 孔 隙容 积 越 大 ,则 所 含 游 离 态 气 体 含 量 就 越 高 。 6 ]发 现 当 孔 隙 度 从 0. 5%增 大 到 4. 2%时 ,游 离 态气 体 的 含 量 从 原 来 的 5%上 升 到 50%。 40 ]认 为 孔 隙 度 与 页 岩 的 气 体 总 含 量 之 间 呈 正 相关 关 系 ,也 就 是 说 页 岩 的 气 体 总 含 量 随 页 岩 孔 隙 度的 增 大 而 增 大 (图 3)。 相 对 于 大 孔 和 介 孔 而 言 ,微孔 对 吸 附 态 页 岩 气 的 存 储 具 有 重 要 的 影 响 。 微 孔 总体 积 越 大 ,比 表 面 积 越 大 [ 41, 42 ] ,对 气 体 分 子 的 吸 附能 力 也 就 越 强 ,主 要 是 由 于 微 孔 孔 道 的 孔 壁 间 距 非常 小 ,吸 附 能 要 比 更 宽 的 孔 高 ,因 此 表 面 与 吸 附 质 分子 间 的 相 互 作 用 更 加 强 烈 [ 43 ]。 张 晓 东 等 [ 44 ]也 认 为气 体 吸 附 能 力 与 微 孔 比 表 面 积 总 体 上 有 正 相 关 性 ,但 同 时 又 受 孔 径 分 布 的 影 响 。图 3  总 气 体 含 量 与 岩 石 孔 隙 度 的 关 系 图 [ 40]F 3  of l ga s 40]3. 3. 2  渗 透 率渗 透 率 在 一 定 程 度 上 影 响 页 岩 气 的 赋 存 形 式 。渗 透 率 是 指 在 一 定 压 差 下 ,岩 石 允 许 流 体 通 过 其 连通 孔 隙 的 能 力 ,它 主 要 影 响 页 岩 层 中 游 离 态 气 体 的存 储 。 页 岩 层 渗 透 率 越 大 ,游 离 态 气 体 的 储 集 空 间就 越 大 。 通 常 ,页 岩 层 属 于 低 渗 透 性 储 层 ,其 渗 透 率多 在 0. 0002 ~ 0. 0363 间 , 一 般 小 于 0. 017 ]。 但 渗 透 率 随 裂 隙 发 育 程 度 的 不 同 而 有 较 大的 变 化 ,裂 隙 能 够 大 大 增 加 页 岩 层 的 渗 透 率 ,聚 集 相当 数 量 的 游 离 态 页 岩 气 。 此 外 ,后 期 的 水 力 压 裂 作用 也 会 形 成 诱 发 裂 隙 ,增 大 页 岩 层 的 渗 透 率 ,使 游 离态 页 岩 气 的 储 集 空 间 增 大 , 就 是 典 型 的例 子 。 的 天 然 裂 隙 多 数 被 碳 酸 盐 (特 别是 方 解 石 )所 胶 结 ,但 因 胶 结 而 封 闭 的 天 然 裂 隙 却是 力 学 上 的 薄 弱 环 节 ,极 易 在 水 力 压 裂 过 程 中 再 次作 用 ,有 效 增 大 岩 层 的 裂 隙 ,从 而 使 渗 透 率 得 到 很 好的 改 善 [ 18, 45, 46 ]。3. 4  温 度 和 压 力 的 影 响3. 4. 1  温 度温 度 是 影 响 页 岩 气 赋 存 形 式 的 因 素 之 一 。 气 体吸 附 过 程 是 一 个 放 热 的 过 程 ,随 着 温 度 的 增 加 ,气 体吸 附 能 力 降 低 。 29 ]模 拟 了 不 同 温 度 下 的 气 体 吸 附 能 力 ,当 温 度 从 25 ° 60 ° 气 体 吸 附 能 力 依 次 递 减 。 40 ]发 现 温度 与 气 体 吸 附 能 力 成 负 幂 指 数 关 系 ,随 着 温 度 的 升高 ,气 体 吸 附 能 力 迅 速 降 低 ,其 影 响 远 大 于 有 机 碳 含量 的 影 响 ,在 温 度 低 于 30° 有 机 碳 含 量 的 影 响 几乎 可 以 忽 略 。 7 ]在 研 究 了 加 拿 大 西 部 的 泥 盆系 — 密 西 西 比 亚 系 页 岩 地 层 后 发 现 ,在 温 度 较 高 时 ,吸 附 态 气 体 可 以 忽 略 不 计 ,以 游 离 态 气 体 为 主 。3. 4. 2  压 力压 力 与 页 岩 气 吸 附 能 力 呈 正 相 关 关 系 。 39 ]指 出 在 压 力 较 低 的 情 况 下 ,气 体 吸 附 需 达 到 较高 的 结 合 能 ,当 压 力 不 断 增 大 ,所 需 结 合 能 不 断 减小 ,气 体 吸 附 的 量 随 之 增 加 。 40 ]研 究 了 岩 芯 样 品 在 不 同 储 层 压 力 下 的 气 体吸 附 能 力 ,发 现 储 层 压 力 越 大 ,吸 附 气 体 的 能 力 就 越大 ,当 储 层 压 力 从 2. 9 到 17. 6 页岩 的 气 体 吸 附 能 力 从 0. 03 到 了 1. 86g。 47 ]也 指 出 ,随 着 压 力 的 增 大 ,气体 的 压 缩 率 增 大 ,从 而 增 加 了 游 离 态 气 体 的 储 存能 力 。4  研 究 展 望4. 1  土 矿 物 表 面 的 吸 附 岩 气 的 主 要 成 分 ,可 以 存 储 于 页 岩 的基 质 孔 隙 和 裂 隙 之 中 ,也 可 以 吸 附 于 有 机 质 和 粘 土矿 物 表 面 。 由 于 粘 土 矿 物 表 面 的 电 化 学 特 征 的 差 异性 较 强 ,因 此 甲 烷 在 粘 土 矿 物 表 面 的 吸 附 作 用 异 常复 杂 。 矿 物 表 面 往 往 存 在 一 层 紧 密 排 列 的 水 膜 ,厚约 3 ! ,这 层 水 膜 对 甲 烷 的 吸 附 有 着 重 要 的 影 响 。早 在 1988年 , 48 ]发 现 被 粘 土 吸 附 的 水 分 子和 甲 烷 分 子 更 容 易 形 成 甲 烷 水 合 物 ; 后 来 , 49 ]在 实 验 中 发 现 在 蒙 脱 石 表 面 甲 烷 水 合 物 在 温度 高 至 294 K、 压 力 低 至 5. 49 × 106 形 成 , 50 ]研 究 了 粘 土 结 构 层 间 甲 烷 水 合 物 形006                                   地 球 科 学 进 展                                         第 25卷成 的 温 压 条 件 ,发 现 在 290 K、 2. 73 × 106 件下 就 存 在 水 合 物 ; 51 ]、 52 ]利 用 分 子模 拟 方 法 ,发 现 在 更 高 的 温 度 ( 300 K)和 更 低 的 压力 (1. 01 × 106 件 下 ,甲 烷 水 合 物 就 可 以 在 粘土 矿 物 表 面 形 成 ,表 明 粘 土 矿 物 的 确 对 甲 烷 水 合 物形 成 具 有 “ 热 力 学 促 进 效 应 ” 。 53 ]研 究 发现 形 成 甲 烷 水 合 物 的 甲 烷 既 可 以 是 游 离 态 的 ,也 可以 为 溶 解 态 。 在 粘 土 矿 物 表 面 ,水 合 物 中 的 甲 烷 被约 12~ 13个 水 分 子 氧 和 蒙 脱 石 表 面 的 六 元 环 氧 原子 包 围 [ 51 ] ,此 时 ,甲 烷 分 子 陷 在 粘 土 表 面 氧 六 元 环中 ,形 成 合 物 结 构 [ 52, 54 ]。查 明 土 矿 物 表 面 的 赋 存 形 式 ,能 够 让我 们 更 好 地 认 识 页 岩 气 的 赋 存 形 式 ,有 利 于 对 页 岩气 地 质 储 量 做 更 为 准 确 的 评 估 。4. 2  页 岩 中 纳 米 孔 隙 的 孔 径 分 布 研 究孔 径 分 布 是 影 响 岩 石 纳 米 孔 隙 吸 附 性 能 的 关 键参 数 之 一 。 页 岩 具 有 低 孔 隙 度 和 低 渗 透 率 的 特 性 ,其 孔 径 大 小 一 般 都 很 小 ,其 中 孔 径 在 10 的微 孔 含 量 丰 富 [ 6 ]。 在 这 些 纳 米 尺 度 的 孔 隙 中 ,孔 壁间 距 非 常 小 ,吸 附 能 相 对 较 高 ,使 得 其 表 面 与 吸 附 质分 子 间 的 相 互 作 用 非 常 强 烈 ,因 此 对 气 体 具 有 很 强的 吸 附 能 力 。 因 此 ,表 征 页 岩 的 孔 径 分 布 有 着 重 要的 意 义 ,基 于 探 针 气 体 吸 附 等 温 线 可 以 计 算 出 样 品的 表 面 积 、 孔 径 分 布 和 表 面 分 形 维 数 值 等 表 面 性 质 ,选 用 适 合 的 方 法 表 征 岩 石 样 品 ,能 够 得 到 更 为 可 靠的 结 果 [ 55 ] ,从 而 有 利 于 对 页 岩 纳 米 孔 隙 吸 附 性 能 有更 全 面 的 认 识 。4. 3  页 岩 气 赋 存 形 式 研 究 与 地 质 储 量 评 估页 岩 气 藏 储 层 连 续 分 布 ,具 有 较 强 的 非 均 质 性 ,包 括 多 种 气 体 富 集 机 制 、 控 制 产 能 的 多 样 性 。 因 此 ,页 岩 气 地 质 储 量 评 估 有 多 种 方 法 ,不 同 的 方 法 选 取的 关 键 参 数 不 同 ,取 得 的 页 岩 气 地 质 储 量 预 算 结 果也 有 较 大 的 差 异 [ 56, 57 ]。 容 积 法 是 用 于 获 得 原 始 页岩 气 地 质 储 量 值 的 最 常 用 方 法 ,它 估 算 的 是 页 岩 孔隙 、 裂 隙 空 间 内 的 游 离 态 页 岩 气 与 有 机 质 、 粘 土 矿 物和 干 酪 根 颗 粒 表 面 的 吸 附 态 页 岩 气 体 积 总 和 。页 岩 气 的 赋 存 形 式 研 究 对 容 积 法 评 价 页 岩 气 地质 储 量 有 重 要 意 义 ,因 为 页 岩 气 总 含 量 是 游 离 态 页岩 气 和 吸 附 态 页 岩 气 之 和 。 对 于 以 游 离 态 形 式 存 在的 页 岩 气 ,关 键 是 确 定 页 岩 的 有 效 孔 隙 度 和 含 气 饱和 度 ,因 为 页 岩 气 含 量 是 页 岩 含 气 孔 隙 度 的 函 数 。页 岩 气 藏 的 有 效 孔 隙 度 包 括 基 质 孔 隙 度 和 裂 缝 孔 隙度 [ 56 ]。 利 用 声 波 、 中 子 、 密 度 和 核 磁 共 振 等 测 井 资料 可 以 测 得 较 为 可 靠 的 基 质 孔 隙 度 [ 58 ] ;通 过 双 侧 向测 井 资 料 则 可 以 计 算 出 较 为 精 确 的 裂 缝 孔 隙 度 [ 59 ]。含 气 饱 和 度 是 在 建 立 岩 石 电 阻 率 、 泥 质 水 电 阻 率 、 有效 孔 隙 度 同 地 层 混 合 水 电 阻 率 关 系 式 的 基 础 上 ,利用 阿 尔 奇 公 式 计 算 得 到 的 。 对 于 吸 附 态 页 岩 气 ,在资 源 评 价 时 需 要 确 定 的 是 页 岩 的 气 体 吸 附 能 力 ,往往 是 通 过 等 温 吸 附 实 验 得 到 ,但 是 它 通 常 受 到 多 种因 素 的 影 响 ,如 有 机 碳 含 量 、 矿 物 成 分 、 含 水 量 、 孔 隙结 构 、 温 度 和 压 力 等 [ 6, 7, 31, 40 ]。 研 究 页 岩 气 在 粘 土 矿物 表 面 的 赋 存 形 式 和 纳 米 孔 隙 的 孔 径 分 布 对 页 岩 吸附 性 能 的 影 响 ,可 以 更 精 确 的 确 定 页 岩 的 气 体 吸 附能 力 ,有 利 于 吸 附 态 页 岩 气 含 量 的 计 算 。 容 积 法 中关 键 参 数 选 择 不 同 ,计 算 出 的 页 岩 气 地 质 储 量 值 会有 较 大 的 差 异 ,因 此 选 择 正 确 的 评 价 参 数 ,才 能 得 到更 全 面 、 更 准 确 的 页 岩 气 地 质 储 量 数 据 。参 考 文 献 ( :[ 1 ]  in of J ]. 2009, 24 ( 8) : 8542864. [张 志 强 ,郑 军卫 . 低 渗 透 油 气 资 源 勘 探 开 发 技 术 进 展 [ J ]. 地 球 科 学 进 展 ,2009, 24 (8) : 8542864. ][ 2 ]  L W ongy
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本文标题:页岩气的赋存形式研究及其石油地质意义_张雪芬
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