页岩气赋存的影响因素分析

1)吸附气赋存影响因素

吸附是指固体或者液体表面黏着的一层极薄的分子层(如固体、液体或气体分子),且它们与固体或液体表面处于接触状态(傅雪海等,2007)。 与煤层气的吸附过程相同,页岩气的吸附作用又分为物理吸附和化学吸附,以物理吸附为主。 物理吸附是由范德华力引起的可逆反应,需要消耗的吸附热量较少。 当被吸附时,气体失去三个自由度中的一个,运动能量的损失转换成与吸附作用有关的热量。 而化学吸附作用更强,主要以离子键吸附,反应更慢,也不可逆,一般只限在单层,需要很大的能量才能把离子键打开而使甲烷解吸。

页岩的吸附能力与有机碳含量、矿物成分、储层温度、地层压力、页岩含水量、天然气组分、页岩密度和孔隙结构等因素有关。

图3.6　压力与含气量关系图

(1)地层压力对吸附作用的影响

压力与页岩气吸附能力呈正相关关系。 Raut 等(2007)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,气体的吸附量增加速度随之降低。 Lu 等(1993)利用Langmuir 等温吸附模型通过实验研究了美国多个盆地泥盆系页岩的吸附作用和温度压力之间的关系,证实吸附能力随着压力增高而增高,随着温度升高而降低。 值得注意的是,压力在一个临界值以下,吸附气含量随压力增加的幅度很明显,而在其之上,增加的幅度不太明显,类似于常规的致密气藏。 当然,不同地区由于有机质含量和周围围岩封存能力的不同,压力梯度也会产生差异(图3.6)。

(2)地层温度对吸附作用的影响

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(图3.7)。Ross 等(2007)研究了加拿大东北部上侏罗统Gordondale 地层的页岩气地质储量,指出压力为60 MPa、温度为30 ℃时,样品的甲烷吸附能力为0.05 ~2.00 cm3/g。 而Besa River 和Mattson 地层的储层温度为127 ~150 ℃,严重制约了甲烷的吸附,故其甲烷的吸附能力均小于0.01 cm3/g,只有储层温度小于81 ℃、有机质含量在0.44wt% ~3.67wt%、埋藏深度在1 539 ~2 013 m 的Musskwa 地层的甲烷吸附能力较大,最高可达0.70 cm3/g(Ross et al.,2008)。

图3.7　温度与吸附气量关系图

(3)页岩气成因对吸附作用的影响

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,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;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;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。 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(2005)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 ℃、充气压力3.5 MPa、放气压力0.1 MPa 条件下,对混合气体(CH4:89.49%,C2H6:4.30%,C3H8:4.96%,CO2:0.91%,N2:1.83%,O2:0.51%)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,由于生物成因气的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,如美国盆地的Antrim 页岩产生物成因气,其吸附态页岩气占气体总量的70% ~75%(Martini,2003)。

(4)有机碳含量对吸附作用的影响

在相同压力下,总有机碳含量较高的页岩中甲烷吸附量明显要高。 页岩的有机碳含量(TOC)越高,则页岩气的吸附能力就越大。 其原因主要有两方面:一方面是TOC 值高,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。 Lu 等(1995)和Hill 等(2002)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。 Ross 等(2007)和Chalmers 等(2008)研究了加拿大Gordondale 页岩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。 另外,气态烃在无定形和无结构基质的沥青体中的溶解作用,也对气体吸附有着不可忽视的贡献。

(5)黏土矿物对吸附作用的影响

黏土矿物由于具有较高的微孔隙体积和较大的比表面积,对页岩气的吸附有重要作用(图3.8)。 Cheng 等(2004)研究了气体在吸附过程中对黏土矿物和干酪根的优先选择性问题,实验结果证实虽然在吸附载体的选择上不存在优先性,但干酪根的吸附能力要强于黏土;而黏土的吸附能力虽然相对较弱,但仍然占有很大比例而不可忽视。

图3.8　黏土矿物与吸附气含量关系图

页岩的矿物成分比较复杂,除黏土矿物以外,常含有石英、方解石、长石、云母等碎屑矿物和自生矿物,矿物组分相对含量的变化会影响岩石对气体的吸附能力。 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。 此外,伊利石、蒙脱石、高岭石等黏土矿物由于自身结构不同,对气体的吸附能力也不相同,吸附能力表现为蒙脱石＞伊蒙混层＞高岭石＞绿泥石＞伊利石(吉利明等,2012)(图3.9)。

图3.9　伊利石、蒙脱石和高岭石与吸附气量关系图(吉利明等,2012)

(6)页岩密度的影响(www.xing528.com)

页岩的密度也与吸附气量有着密切的关系,随着页岩密度的增加,吸附气含量随之而减小,二者呈现出较好的负相关关系(图3.10)。

图3.10　页岩密度与吸附气量关系图

(7)含水量对吸附作用的影响

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页岩,其气体吸附能力较小。

Ross 等(2007)发现仅在含水量较大(大于4%)时,页岩对气体的吸附能力才有显著的降低(图3.11),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(Ross et al.,2008)。

图3.11　含水量与吸附气量关系图

(8)孔隙结构和孔隙度对吸附作用的影响

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,可分为宏孔(＞50 nm)、中孔(2 ~50 nm)、微孔(＜2 nm)。 相对于宏孔和中孔而言,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,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。 张晓东等(2005)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。

除了上述影响因素之外,有机质类型、成熟度、页岩密度等也会影响页岩含气性。

研究页岩气的吸附特征具有重要的意义。 首先,它可以评价页岩对气体的吸附能力,估算页岩气的地质储量;其次,评价在生产过程中随压力降低时释放的解吸气体积(评价时还要考虑吸附气和游离气的关系);最后,可以确定临界解吸压力,这对生产开发具有指导作用。

2)游离气赋存影响因素

游离态的页岩气存储机理与常规油气藏相似,这部分气体服从一般气体方程,其含量的大小取决于孔隙体积、温度、气体压力和气体压缩系数,在页岩气中占到高达15%~80%的比例,因此游离气的定量描述对页岩气也是十分重要的(Lewis et al.,2004)。

页岩的孔隙度和孔径大小决定着其内游离气的含量。 当页岩孔隙的孔径较大时,气体分子就以游离态存储于孔隙中。 孔隙容积越大,则所含游离态气体含量就越高。 Ross 等(2007)发现当孔隙度从0.5%增加到4.2%时,游离态气体的含量从原来的5%上升到50%(图3.12)。

图3.12　孔隙度与含气量关系图

页岩内微裂隙的发育也常常使游离气富集。 微裂隙是游离气的另一种主要储集空间(Jarvie et al.,2007),长度为微米级至纳米级。 由于页岩的低孔低渗特征,大量的游离态气体的聚集往往依赖于页岩中大量存在的微裂隙。 微裂隙的成因多种多样,页岩在生烃过程中,随着烃类生成量的增加,内压增大,当达到突破压力后,会形成大量的微裂隙,为烃类排除提供通道,同时也会形成新的储集空间。 在成岩过程中,矿物相的变化也会使微裂隙形成,同时在构造运动过程中也会形成大量的微裂隙。

游离气的储存与压力温度关系密切。 游离气随着压力的增加表现出平稳增加的趋势,而吸附气在低压范围内随压力增高含量增加明显。 由于压力往往与页岩的埋深有关,因此随着埋深的增加游离气含量逐步增加。

3)溶解气赋存影响因素

溶解气的含量取决于地层水的含量和矿化度、地层中残留烃的类型和含量、温度、压力以及气体类型。 温度对气体溶解度的影响较复杂,一般温度小于80 ℃时,随温度升高溶解度降低;当温度大于80 ℃时,溶解度对温度升高而增加。 当压力增大时,溶解度会逐渐增大。 另外,实验研究还表明在相同的压力的温度下,甲烷的溶解度随地层水矿化度的增加而逐渐降低。

当页岩成熟度较低时,地层中往往有大量残余液态烃类残留,如沥青等,在特定条件下会溶解部分气体。 残余烃类的种类和数量取决于页岩的成熟度和烃类转化率,进而会影响溶解气含量。