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摘 要： 摘 要 研究頁巖氣的散失過程、散失能力及其控制因素對于揭示頁巖氣的成藏機理、指導頁巖氣的勘探選區等都具有重要的現實意義。為此，以四川盆地東南部及其盆緣轉換帶(以下簡稱渝東南盆緣轉換帶)下志留統龍馬溪組頁巖為例，通過現場解吸實驗模擬頁巖氣散失過
摘 要 研究頁巖氣的散失過程、散失能力及其控制因素對于揭示頁巖氣的成藏機理、指導頁巖氣的勘探選區等都具有重要的現實意義。為此，以四川盆地東南部及其盆緣轉換帶(以下簡稱渝東南盆緣轉換帶)下志留統龍馬溪組頁巖為例，通過現場解吸實驗模擬頁巖氣散失過程，并借助X射線衍射分析、有機碳含量測試、低溫氮氣吸附實驗、等溫吸附實驗、掃描電鏡觀察等室內研究手段，定性分析頁巖氣的散失過程，定量評價頁巖氣的散失能力，并在此基礎上探討影響頁巖氣散失能力的主控因素。研究結果表明：①該轉換帶龍馬溪組上、下段頁巖的頁巖氣散失過程存在著明顯的差異，后者的散失能力明顯低于前者;②頁巖氣散失能力主要由溫度、壓力及巖石屬性等決定，其中溫度、壓力是最主要的外在因素;③有機質含量是決定頁巖氣散失能力的最主要內在控制因素，隨有機質含量的增加，頁巖比表面積增大、吸附能力增強，頁巖氣散失能力降低;④頁巖氣散失能力在一定程度上受到巖石礦物成分和孔隙結構的影響，石英含量、黃鐵礦含量與散失能力呈負相關關系，長石含量與散失能力呈正相關關系，碳酸鹽礦物含量和黏土礦物含量與散失能力之間的相關性不明顯。
關鍵詞 四川盆地東南部 盆緣轉換帶 早志留世 頁巖氣 散失過程 散失能力 主控因素 有機碳含量
0 引言
在頁巖氣勘探開發過程中，頁巖含氣量是儲量計算和評價頁巖氣開發方案的關鍵參數，含氣量的高低決定勘探的成功與否。因此，頁巖含氣量成為地質工作者最為關注的指標[1-2]。中國頁巖氣資源豐富，分布廣泛，其中四川盆地頁巖氣的勘探開發成效最為顯著，國家級示范區涪陵頁巖氣田2017年底已建成100×108m3的年產能，表明我國海相頁巖氣資源潛力巨大[3-4]。但是與美國海相頁巖氣明顯不同的是，四川盆地頁巖地層時代老，熱演化程度高，成藏過程中經歷了多期復雜構造運動，復雜構造區頁巖氣藏破壞嚴重，導致頁巖氣散失量巨大，造成盆地現今含氣量差異極大[5-7]。比如，焦石壩區塊下志留統龍馬溪組底部頁巖平均總有機碳含量(TOC)為3.56%，其含氣量高達5.85m3/t[6]，而其他地區如盆地邊緣的彭水區塊龍馬溪組底部頁巖(TOC為2.24%)含氣量只有3.90m3/t[7]，盆地外緣的酉陽地區龍馬溪組底部頁巖(TOC為2.38%)含氣量僅為2.81m3/t[8]。無論是常規氣藏還是頁巖氣藏，天然氣的散失都普遍存在，對于四川盆地而言，受構造演化的影響，盆地周緣的頁巖氣的散失尤為嚴重[9-12]。因此，研究頁巖氣的散失機理，明確頁巖氣的散失過程、散失能力及其控制因素，對于尋找頁巖氣藏保存條件較好的有利區，進而指導頁巖氣勘探和開發具有十分重要的意義。
以往頁巖地層作為油氣藏的烴源巖或蓋層，只關注了頁巖的封閉能力(擴散系數、突破壓力等)，不把頁巖當作儲集層來研究[13]。隨著非常規油氣理論的不斷突破和鉆井技術的不斷提高，人們對頁巖含氣性的認識發生了改變，認識到頁巖氣由吸附氣、游離氣和少部分溶解氣組成[14-15]。四川盆地不同構造帶頁巖氣富集程度存在明顯差異，主要原因之一是頁巖氣保存條件存在較大差別，因此頁巖氣的散失是制約四川盆地頁巖氣成功勘探開發的關鍵因素之一[5,16-17]。前人對頁巖氣的保存條件研究較多，主要影響因素包括頁巖的自封閉性、超壓和頂底板條件[18]，但是對頁巖氣的散失研究較少，沒有明確指出頁巖氣的散失過程、散失能力以及影響因素;以往的研究更多的關注了頁巖氣散失過程中氣體組分和同位素的分餾效應[19-21]。
針對頁巖氣散失過程不清楚、散失能力未做定量表征以及影響因素不明確等問題，筆者選取了四川盆地東南部及其盆緣轉換帶(以下簡稱渝東南盆緣轉換帶)龍馬溪組頁巖樣品，設計了頁巖氣散失物理模擬實驗，通過模擬頁巖氣的高溫快速散失過程，分析頁巖氣的散失能力，定量評價頁巖氣的散失能力，并結合有機碳含量測試、礦物組成成分分析、低溫氮氣吸附實驗、等溫吸附實驗、掃描電鏡觀察以及氣體組分分析，研究頁巖氣散失的影響因素。通過該項研究，在頁巖氣的勘探過程中，可以明確頁巖氣散失過程的控制因素，更好的評價頁巖氣資源量，優選出有利成藏區帶。同時，也有利于揭示頁巖氣的散失微觀機理。
1 地質背景
渝東南盆緣轉換帶位于四川盆地東南部及其外緣。研究區構造活動強烈，歷經了4期構造運動，發育4個四級構造單元，多為中生代燕山期水平擠壓作用所形成[8]。由于構造剝蝕作用強烈，研究區出露寒武系、奧陶系、志留系及二疊系，其他層系缺失。該區主要發育2套海相富有機質頁巖，分別是下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組，其中龍馬溪組頁巖廣泛分布，最大埋深為4900m，大部分地區埋藏深度小于3400m，局部地區甚至抬至地表[8]。龍馬溪組頁巖以碳質頁巖、泥質頁巖和粉砂質頁巖為主，富含筆石，局部見放射蟲、骨針等硅質生屑。龍馬溪組頁巖下段為深水陸棚相沉積，沉積速率極慢，為缺氧滯留環境，有機碳含量較高，多大于2.0%，向上逐漸過渡為淺水陸棚相—潮坪相沉積，有機碳含量一般小于2.0%[8]。
2 樣品及實驗方法
實驗樣品選自渝東南盆緣轉換帶濯河壩向斜東北緣YQ1井龍馬溪組頁巖，共25塊樣品，樣品埋藏深度介于1085～1166m，取樣間隔介于1～6m。取心采用密閉取心方式，在取心工具的內筒裝有特制凝膠密閉液，能夠有效阻止頁巖氣在取心抬升過程中的散失。
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頁巖氣散失物理模擬實驗是通過現場解吸完成。巖石屬性分析測試包括有機碳含量測試、礦物組成成分測試、低溫氮氣吸附實驗、等溫吸附實驗、掃描電鏡觀測以及氣體組分測試。其中，頁巖氣散失過程物理模擬實驗是在鉆井現場通過解吸實驗完成的，掃描電鏡觀測是由中國科學院地質與地球物理研究所完成，其余實驗均由中國石油大學(北京)油氣資源探測與工程國家重點實驗室完成。
2.1頁巖氣散失物理模擬實驗
頁巖氣含氣量測量是在鉆井取心現場完成，原位含氣量獲取方法是在井場用密閉取心工具鉆取巖心，當巖心提出井口后，立即放入密封罐，利用解吸儀測定巖樣中氣體隨時間的變化規律，求出解吸含氣量。頁巖氣散失實驗采用水浴鍋進行解吸，采用排水法收集、計量氣體。所需的材料和工具主要包括密封罐、鹽水槽、質量傳感器、樣品解吸罐、液壓密封循環泵和氣路閥門、恒溫設備等，實驗裝置如圖1所示。實驗采用50℃和98℃兩個實驗溫度，其中50℃為頁巖儲層溫度。巖心重量超過1.5kg，從獲得巖心到裝入罐中時間小于3min，以減小測量誤差。
測試過程為：①實驗準備，記錄當地井口現場實測溫度和大氣壓力，將常溫水中加入過量的食鹽保證鹽水飽和并有大量未溶解;②儀器調整，對儀器進行組裝和密閉性檢測，主要方法是讓密封罐充注一定量的過飽和食鹽水，測試10min質量傳感器的數值變化在0.5g以內，認為儀器密封效果好;③質量校正，對空的密封罐進行質量校正，質量歸零;④樣品處理，將井口頁巖樣品提出迅速裝入飽和鹽水的解吸罐中密封，記錄時間和相關樣品信息，如鉆遇時間、提鉆時間、到達井口時間和樣品深度等;⑤頁巖氣散失模擬實驗，將解吸罐迅速放置在儲層溫度的水浴恒溫裝置中，快速接上井口實驗儀器進行實測。
2.2巖石屬性分析測試
有機碳含量測試在CM250型有機碳含量測定儀上測定，稱取200目的粉末樣品約100mg，加5%的鹽酸于樣品池中約到2/3的位置，放置12h后，在80℃水浴條件下反應1h除去碳酸鹽礦物后進行分析。頁巖X射線衍射礦物成分分析通過德國BrukerD8Advance型X射線衍射儀測定。測試條件：單色光輻射，工作電壓為40kV，工作電流為30mA，狹縫寬為1mm，以4°/min的速率在3°～85°(2θ)范圍內進行掃描。頁巖孔隙結構采用雙束聚焦離子掃描電鏡進行觀察，雙束聚焦離子掃描電鏡最大像素分辨率為0.8nm，用來觀察礦物中發育的孔隙。頁巖比表面積采用美國康塔儀器公司NOVA4000e全自動比表面測試儀，精度為0.01m2/g，最小可分辨相對壓力(p/p0)為0.004～0.995，比表面積采用多點BET(Brunauer-Emmett-Teller)方法計算得到。頁巖甲烷最大吸附量采用自主研發的等溫吸附實驗儀獲得，測試樣品為粉末。天然氣組分采用VarianCP-3800氣相色譜儀分析。
3 測試結果
3.1 頁巖含氣量及氣體組分特征
研究區龍馬溪組頁巖整體含氣量較高，介于0.06～1.52m3/t，平均值為0.60m3/t(表1和圖2)。根據含氣量在地層垂向上的變化將龍馬溪組頁巖分為上、下兩段。如圖2所示，上段(樣品號為1～15號)頁巖含氣量普遍低于下段(樣品號為16～25號)頁巖含氣量。上段頁巖含氣量介于0.06～0.35m3/t，平均值為0.20m3/t;下段頁巖含氣量介于0.90～1.52m3/t，平均值為1.19m3/t。筆者主要通過上、下段頁巖對比來分析頁巖的含氣性特征和散失特征。
從龍馬溪組頁巖氣的組分分析可以看出(表1)，整體來說，CH4平均含量為91.07%，N2含量為7.32%，CO2、C2H6和C3H8含量較低。上段頁巖氣的CH4平均含量明顯低于下段頁巖氣的CH4平均含量，但N2平均含量高于下段;CO2、C2H6和C3H8含量，上、下段相差不大。
3.2頁巖巖石屬性特征
龍馬溪組下段頁巖TOC介于3.12%～5.18%，平均值為3.96%;上段頁巖TOC介于0.33%～2.11%，平均值為0.75%。總體表現為下段頁巖TOC明顯高于上段。下段頁巖的比表面積平均值為16.51m2/g，上段頁巖的比表面積平均值為6.22m2/g，下段明顯高于上段，且呈現出從下到上逐漸降低的趨勢。下段頁巖甲烷的最大吸附量高于上段，平均值分別為3.36m3/t和0.98m3/t(圖2)。
龍馬溪組頁巖礦物成分以石英為主，含量平均值為47.0%。其次是黏土礦物、長石，平均值分別為22.9%和15.8%;碳酸鹽礦物和黃鐵礦含量較低，平均值分別為9.8%和2.5%(圖2)。上段頁巖石英含量為33.7%～52.5%，平均值為43.1%，下段頁巖石英含量為45.2%～65.2%，平均值為52.9%，上段頁巖石英含量明顯低于下段。上段頁巖長石含量明顯高于下段頁巖，平均值分別為20.0%和9.4%。上段頁巖碳酸鹽礦物含量變化較大，下段較為平緩。上、下段頁巖黏土礦物含量相差不大，分別為24.4%和20.7%。上段頁巖黃鐵礦含量平均值為1.7%，下段為3.6%，黃鐵礦含量明顯高于上段(圖2)。上段頁巖巖相主要為硅質頁巖和含黏土硅質頁巖，下段頁巖為硅質頁巖。
3.3頁巖氣散失過程特征
根據頁巖含氣量隨解吸時間的變化曲線(圖3)，整個散失過程(圖3-a、b)可以分成3個階段：儲層溫度50℃下的緩慢散失階段(圖3-c、e)、高溫98℃下的快速散失階段以及高溫緩慢散失階段(圖3-d、f)。在儲層溫度50℃下，頁巖氣的散失過程比較緩慢，散失曲線基本呈現出平直的特點，該階段散失量比較小(圖3-c、e);當溫度處于98℃時，頁巖氣過程散失較快，散失曲線呈現出急劇下降的特點，這個階段散失量較大(圖3-d、f);當頁巖中的氣體散失殆盡的時候，含氣量呈現緩慢散失的特點。
3中25個樣品都呈現出3個階段，但每個樣品的散失過程有所差異。上段1～15號頁巖樣品的含氣量相對較低，散失時間普遍較短，在3000min內散失完，下段16～25號頁巖樣品的含氣量相對較高，散失完需要更長的時間，通常在4000min內。由此可見，盡管下段頁巖的含氣量是上段頁巖的幾倍甚至幾十倍，但散失的時間卻相差不大。例如1號樣品的含氣量為0.31m3/t，散失完需要2400min，而23號樣品的含氣量為1.45m3/t，完全散失需要3480min。高含氣量的頁巖(16～25號)在散失初期，散失速度很快，可以在較短的時間內散失掉大部分氣體，如24號樣品在前1000min內就散失掉81.30%。此外，溫度對散失的影響十分明顯。多數樣品在50℃的散失量遠遠低于在98℃的散失量。上段頁巖在50℃的散失量占總含氣量的1.7%～66.8%，平均值為31.1%;在98℃的散失量占總含氣量的33.2%～98.2%，平均值為68.9%。下段頁巖在50℃的散失量占總含氣量的1.0%～35.2%，平均值為9.1%;在98℃的散失量占總含氣量的64.7%～98.9%，平均值為90.9%。可見，溫度是頁巖氣散失的主要外界因素之一(表1)。
4 討論
4.1頁巖散失能力特征
上述頁巖氣散失模擬實驗中，25個樣品的散失曲線都存在差異，產生差異的原因是頁巖具有不同的散失能力。因此，有必要對頁巖氣散失能力進行定義。頁巖氣的散失能力是由地層溫度、壓力和巖石屬性共同決定的。實驗結果表明，98℃的散失量是頁巖氣散失量的主要部分。因此，筆者對98℃狀態下頁巖氣散失能力進行分析。在實驗中，壓力隨巖石含氣量的變化而變化，且符合理想氣體狀態方程(式1)。根據式1可以知道，實驗樣品的孔隙體積V不變，實驗溫度為98℃，R為理想氣體常數。故壓力p和含氣量n為線性正相關關系。因此，在實驗的限定條件下，頁巖的散失速率受含氣量的控制。因此，筆者定義散失能力為散失速率與含氣量的函數(式2)。
首先，根據散失量隨時間的變化，求取頁巖在不同含氣量時的散失速率(圖4-a)。以23號樣品為例，頁巖氣散失速率初期高，可達0.013m3(/t·min)。隨著含氣量的降低(等效于頁巖內部氣體濃度或壓力的降低)，散失速率逐漸降低，最終頁巖氣散失殆盡。
其次，對散失速率取對數，與頁巖含氣量作散點圖(圖4-b)。可發現在98℃條件下頁巖氣散失速率對數與含氣量具有較好的線性關系，相關系數高達0.97，且散失速率對數與含氣量的斜率是一恒定值。因此，該線性關系的斜率是一個代表巖石的固有屬性，是含氣量和散失速率的綜合反映。因此，可以用該斜率表示頁巖的散失能力。如圖4-b所示，23號樣品頁巖的散失能力為4.61。
通過該方法計算25個樣品的散失能力(表1)，相關系數大多超過0.80，表明散失能力參數是一個相對穩定的可靠值。分析發現，龍馬溪組頁巖的散失能力具有明顯的差異性，下段頁巖散失能力較低，一般小于10;上段頁巖的散失能力較強，多大于10，這可能是下段頁巖含氣量高于上段頁巖含氣量一個重要原因(圖5)。在油氣生成條件相近的情況下，頁巖散失能力越低，相對含氣量就越高。渝東南盆緣轉換帶龍馬溪組頁巖成熟度介于1.56%～3.68%，平均值為2.51%[22]，處于高—過成熟階段，且地層處于抬升階段，頁巖已不再生氣，目前頁巖氣藏處于持續散失的過程中。下段頁巖含氣量高于上段，原因之一是下段頁巖的封存能力較強，有效阻止了頁巖氣擴散運移到其他地層，或者說下段頁巖氣擴散運移到其他地層中的量低于上段頁巖氣擴散運移到其他地層中的量，從而導致在整個散失過程中，上段頁巖的含氣量低于下段。