圖1.頁岩在60℃下甲烷的吸附能力與TOC關係, 擬合直線斜率代表有機質的吸附能力.
圖2.頁岩中有機質甲烷最大吸附能力隨地質溫度的變化特徵. 乾燥頁岩的吸附能力要高於含水頁岩, 含水條件下甲烷主要吸附於有機質中.
頁岩氣是以游離態, 吸附態或溶解態儲集於頁岩中的天然氣. 對我國南方高過成熟下古生界頁岩而言, 頁岩氣的主要賦存狀態為游離氣和吸附氣. 對常規儲層而言, 游離氣的計算主要基於頁岩孔隙度, 儲層溫壓及含氣飽和度等參數; 然而, 對以納米級孔隙為主且具有較大比表面積的頁岩儲層而言, 吸附氣的體積不可忽視, 吸附氣的存在會降低游離氣的可用儲集空間. 因此, 準確評估頁岩的吸附能力不僅涉及吸附氣本身的含量, 也涉及游離氣的含量, 對頁岩氣的資源評價具有重要意義. 下寒武統黑色頁岩是我國南方頁岩氣勘探的重要層位之一, 但一直沒有工業突破. 與獲得工業突破的下志留統頁岩相比, 下寒武統頁岩具有獨特的地質與地球化學特徵: (1) 富有機質層段更發育, 分布範圍更廣, 有機碳含量總體高於下志留統; (2) 熱成熟度更高, 經曆的壓實作用更強, 保留下來的孔隙度總體偏低. 迄今為止, 國內學者開展了大量關於下寒武統頁岩儲集物性等方面的研究工作, 但對其在高溫高壓條件下甲烷的吸附能力與機理等方面的認識尚不清楚, 這在一定程度上制約了我國高過成熟深層頁岩氣的資源評價與勘探部署.
近年來, 中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室肖賢明學科組, 以貴州地區下寒武統牛蹄塘組黑色頁岩為研究對象, 開展了一系列高溫高壓甲烷超臨界吸附研究, 評價了該套頁岩的甲烷吸附能力及其主控因素, 取得了以下進展:
(1) 下寒武統牛蹄塘組頁岩在60℃條件下的最大甲烷絕對吸附量介於1.8-5.85m3/t rock, 顯示具有良好的頁岩氣儲集能力; 最大甲烷絕對吸附量與TOC含量呈正相關性, 表明對很高成熟度的下寒武統頁岩而言 (如EqVRo≈4.0%) , TOC含量仍是決定甲烷吸附能力的主要因素 (圖1) .
(2) 在一定的熱成熟範圍內, 頁岩的甲烷吸附能力受熱成熟度的影響較小, 當熱成熟度過高時 (如EqVRo≈4.0%) , 頁岩的甲烷吸附能力會有所降低, 但下寒武統頁岩較高的TOC含量會補償其吸附能力的降低. 熱成熟度的增加會降低頁岩的Langmuir壓力, 使頁岩在地質條件下的解吸附難度變大 (圖1) .
(3) 與已有認識不同的是, 研究發現, 頁岩中甲烷的最大能力及甲烷吸附相密度均與溫度負相關, 這與高溫下吸附態分子間距的增大有關. 利用這些關係式, 可更準確地評估高溫深層頁岩氣的賦存狀態及其原地氣量 (圖2) .
研究工作得到了國家自然科學基金委員會優秀青年科學基金和中科院戰略性先導科技專項的資助, 相關研究成果發表在Marine and Petroleum Geology上.
