含气性是页岩气勘探评价的一个关键参数，富有机质泥页岩中广泛含气，但只有在一定条件下才具有工业勘探开发价值。目前国内外越来越多的研究人员^[1-2]认为，页岩气的赋存状态以吸附态为主，且吸附气含量达到40%~85%。对于页岩吸附性能的研究，林腊梅等^[3]、聂海宽等^[4]主要采用类似煤的高压等温吸附实验方法，并用Langmuir方程来表征吸附能力与压力变化的关系，但由于页岩与煤系地层性质有较大差异，等温吸附实验方法尚且存在许多争议，各实验室作出的结果也不尽相同，如常见的负吸附、饱和吸附压力及吸附气量差异太大、吸附曲线异常等现象。页岩吸附性能的影响因素较复杂，主要包括页岩的有机质含量、有机质成熟度(R_o)、矿物成分、孔隙结构、温度、湿度和压力等，但哪几种因素起决定性作用以及各因素之间的相互影响关系，不同学者^[5-7]认识并不统一。目前大多数等温吸附实验所设定的温度和压力均较低(温度 < 100 ℃，压力 < 20 MPa)，对于处于深埋(> 2 500 m)、高温、高压状态下页岩的吸附能力、动态变化与主控因素等的研究还有所欠缺。

渝东北地区处于四川盆地东北部边缘大巴山冲断带，经历的构造演化、热演化极其复杂，下志留统龙马溪组页岩达到生气高峰后遭受了长期构造抬升^[8]，聂海宽等^[9]认为这种构造运动将导致页岩气的大量散失。渝东北地区下志留统龙马溪组页岩含气性一直是该区页岩气勘探的一个瓶颈，地层抬升过程中页岩吸附性能的变化在很大程度上决定了页岩后期的含气性，因此，构造抬升作用导致的温压条件变化对于页岩吸附性能的影响值得深究。以渝东北地区下志留统龙马溪组富有机质页岩为例，以实验分析为基础，来探讨页岩吸附性能及其主控因素，以期为该区页岩气勘探提供指导。

本次研究选取了渝东北地区WQ2井、WQ1井及露头剖面等13块下志留统龙马溪组富有机质页岩样品进行分析(图 1)，WQ2井和WQ1井处于镇巴断裂南部安里坝向斜南翼。下志留统页岩沉积后经历了强烈的构造改造，对于研究复杂构造区页岩吸附性能具有很好的代表性。为了综合分析页岩吸附性能，本次研究选择改进型高压等温吸附实验仪，优化实验方案，进行页岩吸附能力测试，并配合总有机碳含量(TOC)、孔隙度、全岩分析、比表面积、含气量现场解吸、扫描电镜等，对页岩吸附性能的主控因素进行分析。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 渝东北地区构造位置示意图 Fig. 1 Structural location of northeastern Chongqing

本次页岩吸附性实验采用德国Rubotherm公司生产的Isosorp HP Static型磁悬浮天平高压气体等温吸附/解吸仪，最高工作温度和最高工作压力分别为200 ℃(低于35 MPa时)和70 MPa(低于150 ℃时)。实验仪器本质上是一台带温度和压力控制系统的天平，实验过程分为空白测试、样品预处理、浮力测试、吸附测试等4个步骤。仪器的核基本原理在于它可在室温、常压下测量(不接触测量)样品的重量变化，从而可有效去除电子天平固有的零点漂移带来的负作用，使得高精度测量成为可能，并可通过浮力测试校正由实验误差导致的负吸附现象。

在构造抬升/沉降作用下，地层温压条件会随着埋深的变化而发生变化。为了模拟地层在不同埋深、温度和压力等条件下，页岩吸附性能的变化，本次研究采用变等温吸附实验，根据WQ2井现场测试1 250~1 280 m井段的地层温度约为36 ℃，估算该区现今地温梯度约为1.8~2.0 ℃/100 m。依据川东北地区五科1井埋藏史和生烃演化史图可知，该区龙马溪组埋深曾超过6 000 m，后经历了快速抬升^[10]。根据川东北地区古地温梯度模拟结果可知，该区古地温梯度为2.2~3.0 ℃/100 m，据此可推算出相应的压力梯度^[11-12]。本次实验对3个样品分别模拟在埋深1 250 m(36 ℃，12 MPa)、2 500 m (60 ℃，20 MPa)和4 500 m (120 ℃，35 MPa)等条件下页岩对甲烷气体吸附性能的变化，但每次等温吸附实验的最高压力均达到35 MPa。

通过等温吸附实验分别模拟在相同温度条件和不同温度条件下，页岩吸附性能随压力的变化，获得了页岩等温吸附曲线，吸附曲线基本满足Langmuir方程，并得到不同埋深和温压条件下页岩对甲烷的吸附量(表 1)。13个样品的吸附气质量体积为1.82~3.46 m³/t，表明渝东北地区下志留统龙马溪组页岩吸附能力较强，但同一层位不同位置的样品吸附能力差异较大。由此说明页岩吸附性能受岩石性质影响较大。

表 1(Table 1)

表 1 渝东北地区龙马溪组页岩样品吸附实验结果 样品编号 采样位置 w（TOC）/% Ro/% 比表面积/（m2·g-1） 有效孔隙度/% w（石英）/% w（黏土矿物）/% v（现场解吸气）/（m·t-1） 模拟不同埋深和温压条件下页岩的吸附气质量体积/（m·t-1） 1 250 m（36 ℃，12 MPa） 2 500 m（60 ℃，20 MPa） 4 500 m（120 ℃，35 MPa） Y-1 WQ2井 2.31 2.59 10.30 2.31 40.60 40.60 0.31 1.85 Y-2 WQ2井 2.44 2.61 10.96 3.14 44.00 38.30 0.52 2.02 Y-3 WQ2井 2.49 2.61 10.94 2.17 49.80 35.30 0.25 1.90 1.97 1.58 Y-4 WQ2井 5.56 2.57 18.88 2.02 61.20 15.40 0.46 2.86 2.98 2.53 Y-5 WQ2井 8.46 2.63 25.06 2.75 61.10 19.50 0.83 3.46 3.25 2.77 Y-6 WQ1井 1.83 2.72 9.65 1.30 48.47 39.05 0.45 2.12 Y-7 WQ1井 4.74 2.53 15.50 1.85 59.85 21.15 0.38 2.98 Y-8 白鹿剖面 4.30 2.42 12.15 6.80 56.90 20.93 2.55 Y-9 白鹿剖面 3.24 2.23 11.85 2.00 54.55 24.02 2.50 Y-10 田坝剖面 3.15 2.42 12.68 4.40 55.71 22.32 2.74 Y-11 田坝剖面 1.33 2.94 8.56 5.20 40.56 50.44 1.82 Y-12 大岩门剖面 5.92 1.98 20.12 1.50 58.36 20.18 3.26 Y-13 中心村剖面 3.84 2.12 11.36 1.90 54.12 32.23 2.45

下载CSV 表 1 渝东北地区龙马溪组页岩样品吸附实验结果

本次研究将影响页岩吸附性能的因素分为内在因素和外在因素：内在因素指页岩固有的岩石矿物性质对页岩吸附性能的影响；外在因素则指地层因构造活动、埋深变化等引起的温压条件变化对页岩吸附性能的影响。

对于页岩气的赋存状态目前并无确切定义，邹才能等^[13]通过研究致密储层临界孔隙半径认为，孔径较小的页岩吸附能力比孔径较大的页岩吸附能力要强，甲烷气体能被稳定吸附的临界孔喉半径是20~40 nm。陈铭等^[14]认为游离气为赋存于页岩孔隙和裂缝内的气体，吸附气为赋存于岩石骨架表面的气体。

本次研究通过对比分析13个实验样品的吸附能力(一定温压条件下)与页岩孔隙结构参数的关系，结果显示，页岩吸附气量与比表面积具有很好的正相关性[图 2 (a)]，而与页岩有效孔隙度无相关性[图 2(b)]。众多学者^[15-17]研究表明，页岩孔比表面积主体是由孔径小于50 nm的微孔和中孔提供的，这也证实了页岩吸附能力主要受控于页岩内微孔隙和中孔隙的发育程度。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 渝东北地区龙马溪组页岩样品吸附能力与比表面积（a）和有效孔隙度（b）相关性 Fig. 2 Relationships of adsorption capacity with specific surface area(a)and porosity(b)of Longmaxi shale in northeastern Chongqing

页岩储层孔隙空间主要为矿物质粒间孔、粒内孔、有机质孔、溶蚀孔等，但孔隙结构细小致密，以纳米级孔隙为主^[18]。通过扫描电镜图像可发现，龙马溪组富有机质页岩内发育最普遍的是有机质(沥青或干酪根)内部的网状孔隙，有机质孔呈片、呈团集中分布，孔径一般小于100 nm(图 3)，虽然黏土矿物层间也发育一些细小孔隙，但发育数量较少。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 渝东北地区龙马溪组页岩内有机质孔扫描电镜图像 （a）Y-2号样品，WQ2井，1 255 m；（b）Y-3号样品，WQ2井，1 261 m；（c）Y-4号样品，WQ2井，1 268 m；（d）Y-5号样品，WQ2井，1 276 m Fig. 3 SEM images of organic matter of Longmaxi shale in northeastern Chongqing

渝东北地区龙马溪组页岩R_o普遍达到2.0%以上(参见表 1)，均处于高—过成熟演化阶段，页岩有机质已发生了充分生烃膨胀作用。对比分析龙马溪组页岩样品孔比表面积与TOC含量、R_o、石英含量和黏土矿物含量等的相关性(图 4)可知，页岩孔比表面积与TOC呈正相关性[图 4(a)]。由此表明，有机质孔提供了大部分具有吸附性的孔比表面，是富有机质页岩内发育最普遍的孔隙类型，是吸附态页岩气赋存的主要孔隙空间。由于同一地区同一层段页岩热演化程度差别较小，所以页岩孔比表面积与R_o相关性并不明显[图 4(b)]。虽然页岩比表面积与石英含量具有一定正相关性[图 4 (c)]，与黏土矿物含量具有一定负相关性[图 4 (d)]，但这并不能反映它们对页岩吸附性孔隙发育的直接贡献，这是由于深水还原环境发育的富有机质页岩TOC含量较高，相应的石英含量也相对富集。目前研究已证实龙马溪组下部深水陆棚相页岩有机质丰度及石英含量均较高，黏土矿物含量相对较低^[19-20]。因此，有机质富集程度是控制该区龙马溪组页岩吸附性能的最主要内在因素。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 渝东北地区龙马溪组页岩样品比表面积与TOC含量（a）、Ro（b）、石英含量（c）和黏土矿物含量（d）的相关性 Fig. 4 Relationships of specific surface area with TOC content(a), Ro(b), quartz content(c)and clay mineral content(d)of Longmaxi shale in northeastern Chongqing

由图 5(a)可见，当温度不变时，页岩吸附气量先随着压力的增大迅速增大，当压力进一步增大时，页岩吸附气量增加缓慢，直到吸附气量达到一种近饱和状态，则不再随压力增加而增加。不同样品在相同温度条件下的饱和吸附气量和吸附压力均不同，TOC含量较高的样品饱和吸附气量更大，Y-3号样品饱和吸附气质量体积为2.06 m³/t，饱和吸附压力为18 MPa；Y-4号样品饱和吸附气质量体积为3.33 m³/t，饱和吸附压力为24 MPa；Y-5号样品饱和吸附气质量体积为3.84 m³/t，饱和吸附压力为20 MPa。同一样品在不同温度条件下的饱和吸附气量和饱和吸附压力也不同，同一样品在相对较低的温度条件下，页岩的饱和吸附气量更大，而达到饱和吸附所需的压力更小[图 5 (b)~(d)]。由此表明，温压条件对页岩吸附性能的影响较大，温度对于页岩吸附性能具有抑制作用，而压力具有促进作用，当压力相同时，温度越低，页岩吸附能力越强。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 渝东北地区龙马溪组页岩样品变等 Fig. 5 Heterothermal adsorption curves of Longmaxi shale in northeastern Chongqing

渝东北地区下志留统龙马溪组地层沉积后经历了多期构造抬升作用，使得地层埋深发生变化。通常情况下，埋深变化将导致地层温度和压力同时发生变化。通过模拟地层温压变化条件下页岩吸附曲线的变化(图 5)可知，页岩吸附性能由A点(36 ℃，12 MPa)到B点(60 ℃，20 MPa)再到C点(120 ℃，35 MPa)，随着温度和压力的升高，页岩吸附气量初始逐渐升高，当升高到一定程度时又逐渐下降，吸附气量随温度和压力的升高呈现类似“抛物线”的变化轨迹[图 5 (b)~(d)]。由此说明，页岩吸附能力随地层埋深和温压的变化呈现出复杂的变化趋势，这是由于温度和压力对页岩吸附性能均具有相互抑制的作用，在埋深较浅，温度和压力均相对较低时，压力起主导作用；在埋深较深，压力和温度均相对较高时，温度起主导作用。因此，页岩吸附能力若要达到最佳，则需达到一种合适的温压匹配状态。

实验模拟结果显示：由A点(埋深1 250 m)到B点(埋深2 500 m)，Y-3号样品和Y-4号样品的吸附能力是增加的，Y-5号样品的吸附能力则有所降低；由B点(埋深2 500 m)到C点(埋深4 500 m)，3个样品的吸附能力均降低[参见图 5(b)~(d)]。由此表明，页岩吸附能力随着地层抬升和温压下降具有先增大后减小的变化趋势，据此可以推测渝东北地区龙马溪组页岩的最佳理论吸附状态应处于1 000~4 500 m的埋深条件下。这也正是目前页岩气经济开采的深度范围，和已取得页岩气商业开发的焦石坝页岩气田龙马溪组的埋深条件是吻合的^[21]，但不同页岩由于岩石本身性质的差异，这种最佳温压匹配状态也是有差异的。

本此研究从实验模拟的角度探讨了页岩吸附能力在不同地层温压条件下的变化规律，然而在实际地层条件下，不同地区、不同埋深、不同温压条件的变化非常复杂，页岩实际含气性及赋存状态也差异明显。如：对于同一套页岩在相同埋深条件下，具有较高地层压力梯度的地区(异常高压地层)，页岩吸附能力相对较强，有利于吸附气的赋存；具有较高地温梯度的地区，页岩吸附能力相对较弱，不利于吸附气的赋存。随着地层的构造抬升，当页岩吸附能力降低时会导致吸附气的排出而转化为游离气或散失，使得页岩处于欠饱和吸附状态；当页岩吸附能力增强时会导致游离气转化为吸附气，但如果没有外来气态烃的充注，页岩的总含气量也不会有所增加，因此，构造抬升作用对于页岩气的富集较为不利。强烈的构造抬升作用还会导致地层保存条件变差，比如通天大断裂的发育、区域盖层和顶底板条件的破坏，都会导致吸附气逐渐转换为游离气而沿构造薄弱通道散失。渝东北地区处于盆缘复杂构造区，较盆内构造抬升幅度大、构造变形强烈，WQ2井5个样品现场实测解吸含气质量体积为0.25~0.83 m³/t，远小于实验模拟的页岩吸附能力(吸附气质量体积为1.85~3.46 m³/t)(参见表 1)，这正反映了渝东北地区构造抬升作用对于龙马溪组页岩气的富集与保存具有破坏作用。

(1) 有机质孔隙是渝东北地区龙马溪组页岩内发育最普遍的孔隙类型，提供了大部分具有吸附性的孔比表面积，是吸附态页岩气赋存的主要孔隙空间，TOC与页岩吸附能力具有很好的正相关性。

(2) 地层温压条件对于页岩吸附性影响较大，压力起促进作用，温度起抑制作用。温度越低，页岩达到的饱和吸附气量越大，而饱和吸附压力越小。随着温度和压力的升高，页岩吸附能力呈现出类似“抛物线”(先增大后减小)的变化轨迹，在温度和压力均相对较低时，压力起主导作用；在温度和压力均相对较高时，温度起主导作用。因此页岩吸附能力若要达到最佳状态，则需要埋深、温度和压力三者达到一个合适的匹配状态。

(3) 渝东北地区龙马溪组页岩随地层抬升吸附能力具有先增大后减小的趋势，理论最佳吸附状态应处于1 000~4 500 m的埋深条件下，但构造抬升作用及导致的保存条件变差，对于页岩气的富集较为不利。