泥页岩吸附/解析天然气的主控因素及其组分和同位素分馏作用研究

Adsorption phase is one of the major phase states of shale gas, the source potential of adsorbed gas determines the exploration-exploitation value of shale gas reservoir to a great extent. It is favorable for determining the potential area to systematically resarch the controlling factors affecting the enrichment of adsorbed gas. The composition of shale gas is varied, it may contain heavy hydrocarbon gas (C2-C6) and non-hydrocarbon gas (CO2, N2) besides methane. Competitive adsorption will inevitably occur while multiple gases coexist. Consequently, not only the adsorption capacity, but also the gas composition and isotopic composition will be effcted. The study of competitive adsorption can help us to make an accurate assessment of the shale gas resource potential and acquire the origin and migration and accumulation history from the gas composition and isotopic composition. At the same time, it can direct the gas drive exploitation of shale gas. In this study we plan to carry out the experiments under different conditions (including temperature, pressure, humidity, properties of shale and gas composition) to research the main controlling factors affecting adsorption/desorption and the component and isotopic fractionation of in this process. According to the plan, a all-sided method for determining the potential area and mathematic models describing the component and isotopic fractionation during adsorption/desorption will be established.

吸附相是页岩气赋存的主要相态之一，吸附气的资源潜力在很大程度上决定了页岩气藏的勘探开发价值，对其富集主控因素的系统研究有助于确定页岩气勘探的有利区。页岩气成分多样，除含甲烷外，还可能含有重烃（C2-C6）及非烃（CO2、N2）气体，多种气体的共存不可避免地会发生竞争性吸附作用，在影响天然气吸附量的同时还会对其组分和同位素组成产生影响。因此，对竞争性吸附作用的研究有助于对页岩气资源前景做出准确评价，解析页岩气组分和同位素组成所蕴涵的成因和成藏信息，指导页岩气的气驱开采。本次研究计划借助不同条件（温压、湿度、泥页岩性质和天然气组分）下的实验对泥页岩吸附/解析天然气过程的主控因素以及该过程中产生的组分和同位素分馏作用进行研究，建立确定泥页岩吸附气勘探有利区的综合判别方法，实现对泥页岩吸附/解析天然气过程中的组分和同位素分馏的定量模拟研究。

采用聚焦离子束扫描电镜、低温N2吸附、高压压汞和核磁共振联合的方法对泥页岩孔隙特征进行了刻画，揭示了各方法的优缺点，指出核磁共振与低温N2吸附实验在揭示泥页岩孔径分布方面具有良好的吻合性、相互依赖性和补充性，它们的结合是揭示泥页岩孔径分布的理想方式。通过系列平行实验和数值模拟揭示了泥页岩吸附能力影响的因素。有机质是吸附天然气的核心载体，机质热演化过程中会产生大量的微孔，增大吸附能力；温压共同作用下泥页岩吸附能力随埋深增加呈先增大后减小的趋势，而游离气储存能力随深度增加则呈逐渐增大的趋势；无水与含水条件下泥页岩吸附性具有很大差别，但当其含水时湿度大小的影响较小。利用巨正则蒙特卡罗法研究了页岩气在伊利石上的吸附机理。以单位表面积表示的伊利石过量吸附量模拟结果与实验结果基本一致。微孔中吸附势重叠会导致低压阶段随孔隙尺寸的增加过剩吸附量的减少，高压呈反向趋势。过量吸附量随着压力的增大而增大到一个最大值，然后随压力的进一步增大而减小，减小量随着孔径的增大而增大。建立了页岩吸附天然气的兰氏体积和兰氏压力的多因素综合模拟及预测方法。兰氏体积主要受控于温度、页岩总有机碳、残留烃量和粘土矿物含量，兰氏压力主要受控于粘土、碳酸盐、伊利石和长石含量。考虑到页岩气的资源量、易解吸性和页岩可压裂性，页岩气勘探开发有利区应是有机质丰度高，粘土矿物含量低，成岩作用较强，碳酸盐含量高的地区。开展了页岩气吸附解吸过程中的组分和同位素分馏作用实验和数值模拟研究。CO2相对CH4具有优先吸附，滞后解吸的特点，CO2在驱替甲烷的同时自身会在页岩中得到很好的存储。甲烷吸附解吸过程中13CH4优先吸附，滞后解吸，从而造成吸附过程中游离态甲烷碳同位素值逐渐变轻，解吸过程中逐渐变重。不同组分间吸附能力的差异远大于不同同位素组成的同一组分间吸附能力的差异。吸附势模型对吸附量和同位素值均能进行良好的拟合。