第六届非常规油气地质评价暨新能源学术研讨会
6th Symposium on Unconventional Oil and Gas Geological Evaluation and New Energy

42 / 2021-05-24 16:48:52

龙马溪组富有机质页岩水蒸汽吸附特征、影响因素及其地质意义

龙马溪组

页岩油气理论与技术

上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组黑色页岩是我国南方页岩气勘探与开发的重点层系，其巨大的资源潜力已得到证实。富有机质页岩普遍含有一定量的水，水的含量和赋存规律对页岩气储层的储集空间、气体吸附能力以及运移规律均会产生显著影响，因此，了解页岩气储层中水的吸附特征及其影响因素对优化五峰组和龙马溪组黑色页岩的天然气产能至关重要。本文采用重量法研究了四川盆地五峰组和龙马溪组富有机质页岩在不同相对湿度（5~95%RH）下的水蒸气吸附特征，定量评价了水蒸汽滞后环发育程度，讨论了水蒸汽吸附的关键影响因素及其地质意义。另外，为了描述和预测页岩中水的吸附行为，分别利用五个典型模型，包括Guggenheim-Anderson-de-Boer（GAB）模型、DLP模型、Oswin模型、Freundlich模型和Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型拟合WVA等温线，并进行对比分析，探讨了不同模型中的重要参数的物理意义。

研究发现，结果表明：不同岩相富有机质页岩的水蒸汽吸附曲线形态较为相似（均为Ⅱ类吸附曲线），即富有机质页岩的水蒸汽吸附行为较为一致，但不同岩相页岩的吸附量存在差异。页岩水蒸汽吸附/脱附曲线之间的滞后环在70%~80%RH范围内显著增加，对应的滞后环面积指数（AHI）达到最大值，特别是高有机碳含量页岩的AHI值更大，这可能与高有机碳含量页岩中大量发育的有机质纳米孔隙对吸附水的滞留作用有关。此外，干酪根水蒸汽吸附实验也显示有机质孔隙同样能提供一定量的吸附位（受控于含氧官能团含量、类型和分布），这些吸附位也能吸附一定量的水，也是导致高有机碳含量页岩中水的滞留的原因之一。基于水蒸汽吸附实验获得的孔径分布曲线整体呈单峰分布，与通过低温氮气吸附实验确定的孔径分布形态具有较强的可比性。不同岩相页岩对比发现，五峰组-龙马溪组页岩水蒸汽吸附特征的差异主要受页岩矿物组成、有机碳含量和孔隙结构（孔隙类型、孔径大小、孔体积和比表面积）的共同制约，与有机质热演化程度无关，其中矿物组分和孔隙结构主要影响了水蒸汽吸附的点位数量和吸附空间，而页岩有机碳含量则影响了有机质孔隙含氧官能团的类型和含量。页岩水蒸汽吸附特征进一步表明，当相对湿度RH较低时，水分子最初主要占据页岩的一级吸附位（主要包括亲水孔隙和部分含氧官能团等），随着相对湿度RH进一步增加，水分子逐渐占据二级吸附位（包括一级吸附位上部和部分亲油孔隙），而当相对湿度达到最大时，水分子则在页岩微观孔隙中发生凝聚现象。因此，受页岩中水-甲烷竞争吸附影响，甲烷吸附量会经历快速下降、中等程度下降和缓慢下降等不同阶段，最终完全水分平衡页岩达到最小的甲烷吸附量。不同模型的拟合均能较好的拟合效果（R²均大于0.95），但将非线性等温线方程进行线性形式的转变过程中，极有可能改变了误差结构，导致误差方差和正态性假设不再成立。为此，本次研究同时计算了其他6个重要的统计参数来评估不同模型拟合效果，对比发现利用DLP模型预测五峰组-龙马溪组页岩水蒸汽吸附等温线能得到最优效果，而不是文献中最通用的GAB模型。基于水蒸汽吸附的特征，进一步探讨了水（自由水和吸附水）在页岩疏水孔和亲水孔中的微观赋存规律，以及水的赋存对气体赋存空间和吸附能力的影响，为进一步揭示页岩中水的流动和滞留、气体富集规律提供了参考。