不同温度条件下泥页岩性质对甲烷高压吸附行为的控制机理

Gases in shale are mainly stored in the adsorbed state. Generally, Langmuir adsorption isotherm are used to determine the adsorbed gas capacity, but adsorption isotherms of gases in shale are not completely same with the standard types according to latest research. This kind of adsorption behavior that extrapolated to reservoir adsorption capacity can result in significant forecast of favorable adsorbed gas depth. The study to shale properties and its control mechanism to gas adsorption is important theoretical and practical significance to the exploration and development of shale gas.. A series of methane adsorption experiments on different types of shales,such as shales with different metamorphic grade, shales with different material compositions, organic and inorganic matter by organic extraction,synthetic organic clay, and shale with different aquosity, will be conducted at different tempreture. Based on the experiments to analyze surface physical properties, physical and chemical structure of these shale, the effects of different of shale on adsorption capacity will be analyzed, the relationship will be set up between adsorption capacity and specific surface area, particle size, coarse, pore structure, mineral composition, surface chemical composition, etc. The essence of gas high-pressure adsorption on shale will be dicused. Then formation mechanism of high-pressure adsorption phenomenon will be found out, the high pressure adsorption model will be established, and the change of shale adsorption capacity with the burial depth of shale will be predicted by coupling temperature and pressure according to the adsorption model. Those will provide the basis for the selection of favorable exploration areas.

吸附态是页岩气的主要赋存状态之一，以往研究表明甲烷在泥页岩中的高压吸附行为并不完全服从于兰氏方程。开展泥页岩性质及其对甲烷高压吸附行为的控制机理研究，对预测储层条件下吸附气赋存的有利深度范围、指导页岩气勘探开发具有重要的理论意义和实践价值。. 项目拟以不同变质程度、不同物质组成、不同含水性的泥页岩，有机地球化学方法分离后的无机组分和有机质，人工合成的有机粘土复合物为主要研究对象，通过等温吸附、表面物理结构、成分分析等实验手段和方法，分析吸附能力与泥页岩比表面积、颗粒粒径、粗糙性、孔隙结构、矿物成分、晶体结构、表面化学成分等特征之间的耦合关系；探讨不同性质泥页岩高压吸附行为的本质；揭示泥页岩高压吸附行为的形成机理；构建泥页岩的高压吸附数值模型；耦合温度和压力，应用该模型对泥页岩吸附性进行预测；建立泥页岩吸附量随深度变化剖面。研究成果将为泥页岩有利勘探选区评价提供理论依据和实践指导。

吸附态是页岩气的主要赋存状态之一，开展泥页岩高压吸附行为的研究，对预测储层条件下吸附气赋存的有利深度、指导页岩气勘探开发具有重要的理论意义和实践价值。项目以不同地区不同性质泥页岩和黏土矿物为主要研究对象，通过等温吸附、表面物理结构、成分测试等方法，从内在因素（物质组成、孔隙结构）和外在因素两个方面揭示了高压吸附行为的形成机理；构建了泥页岩的高压吸附模型；耦合温度和压力，应用该模型对预测了泥页岩吸附量随深度变化剖面。研究结果表明：影响页岩吸附的主要内在因素有有机质丰度、可溶有机质、矿物及黏土矿物、孔隙结构及比表面积等。一般来说机质含量越高、有机质成熟度越高吸附能力越大，且III型干酪根的吸附能力大于II型大于I型，但三者存在差异的条件下，有机质含量起控制作用。可溶有机质的溶出导致泥页岩吸附能力降低，且溶出的脂肪烃含量越高吸附能力降低的越大，暗示了有机质吸附甲烷的相似相容性。不同类型的黏土矿物蒙脱石吸附能力>伊利石>高岭石，与水相互作用后，蒙脱石吸附能力降低的最大，高岭石最小；与有机质相互作用后吸附能力增强，其中高岭石变化最明显，蒙脱石最小。这主要在于不同黏土矿物晶体结构的不同，蒙脱石层间结构更易与水分子和有机质结合，减少了甲烷的吸附空间。孔隙为泥页岩吸附提供了空间，随比表面积的增加气体吸附能力并不完全增加，受物质组成和比表面积的共同影响，物质组成的差异导致了表面能的差异。随着温度的降低，吸附能力降低；随着压力的降低，吸附曲线呈两种变化形式，一是服从兰氏方程；二是倒U字型单峰分布。这主要是由于超临界等温吸附实验过程中所得的结果为吸附相中超过气相密度的过剩量所致。在此基础上结合微孔充填理论建立了高压吸附模型，耦合温度变化预测了泥页岩吸附量随深度变化剖面，结果显示随着深度的增加吸附量在800-1600m左右达到最大，随后随深度增加逐渐减少。这一研究成果将为泥页岩有利勘探选区评价提供理论依据和实践指导。