張 錚

（山西晉興能源公司斜溝煤礦，山西 太原 030000）

1 概述

頁巖作為一種具有薄片狀層理結(jié)構(gòu)的粘土礦，具有良好的頁巖氣貯存能力［1］。頁巖氣的吸附能力是頁巖氣資源開采價值評價和目標(biāo)區(qū)域選中的關(guān)鍵因素［2］。對于頁巖氣吸附能力的研究，頁巖復(fù)雜的納米級孔隙結(jié)構(gòu)是決定吸附量的重要因素［3］。通過電鏡掃描、低溫氮?dú)馕胶蛪汗ㄌ骄苛隧搸r儲層的孔隙結(jié)構(gòu)，微孔和中孔是頁巖儲層納米量級孔隙的主體孔隙，孔隙發(fā)育程度決定頁巖氣吸附存儲能力［4］。上述研究主要集中于頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的表征，但在不同方向取樣的頁巖孔隙差異研究較少。因此，筆者以四川長寧縣龍馬溪組頁巖為研究對象，在大塊頁巖試樣上分別沿平行層理和垂直層理的方向進(jìn)行取樣，利用低溫氮?dú)馕椒ㄟM(jìn)行孔隙差異分析，該結(jié)果為頁巖實(shí)驗(yàn)研究的取樣方式以及頁巖氣開采儲層勘探提供了一定的參考。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)樣品及方法

此次實(shí)驗(yàn)所用頁巖樣品來自四川長寧縣龍馬溪。在大塊頁巖原樣上選取層理明顯、無裂隙破損的三個部分，分別編號為1組、2組、3組，然后在每一個部分分別平行和垂直層理鉆取Φ6 mm×5 mm的圓柱試樣；在1組、2組、3組中，平行層理鉆取的試樣為水平樣，分別編號為1SP、2SP、3SP；同理垂直樣的編號為1CZ、2CZ、3CZ。

鉆取試樣完成后，小心去除試樣表面的浮塵，將試樣在90℃恒溫下干燥5h，待試樣降至常溫送檢，進(jìn)行低溫氮?dú)馕綔y試（直接使用圓柱試樣實(shí)驗(yàn)）。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用Micromeritics Instrument Corporation公司的ASAP 2020 HD88儀器。實(shí)驗(yàn)原理是溫度（77K）恒定條件下以高純度氮?dú)庾鳛槲劫|(zhì)在多孔介質(zhì)表面發(fā)生物理吸附和毛管凝結(jié)，通過逐步增大/降低氮?dú)獾南鄬毫Γ╬/p0，其中p為氮?dú)夥謮?，p0為飽和溫度下的氮?dú)獾娘柡驼羝麎海┑玫蕉嗫捉橘|(zhì)中的氮?dú)馕?脫附量。并利用儀器配套計算機(jī)中內(nèi)置的BET、BJH模型準(zhǔn)確表征被測材料孔隙的孔徑分布和結(jié)構(gòu)特征?？讖椒秶?～300 nm，比表面積最低為0.001 m2/g，孔體積最低為0.000 1 cm3/g。

3 結(jié)果分析

3.1 吸附-脫附曲線

圖1分別為三組試樣的等溫吸附—脫附曲線。從圖1中可以觀察到不同組之間的吸附曲線形態(tài)稍有區(qū)別，但整體上呈反“S”型。表明頁巖試樣中微孔到大孔階段孔隙均有發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的連通性。同組內(nèi)吸附曲線形態(tài)接近一致，但水平樣的吸附量明顯高于垂直樣。在相對壓力為1時，試樣1SP、1CZ、2SP、2CZ、3SP、3CZ的氮?dú)馕搅糠謩e為12.77 cm3/g、10.64 cm3/g、11.61 cm3/g、10.03 cm3/g、8.02 cm3/g、6.70 cm3/g，六個試樣的吸附量順序?yàn)?SP＞2SP＞1CZ＞2CZ＞3SP＞3CZ，整體上并沒有明顯的規(guī)律；1、2、3組中水平樣的吸附量比垂直樣分別高出19.3%、15.7%、19.7%。綜上所述，水平樣中總的孔隙含量及吸附能力均高于垂直樣。

圖1 低溫氮?dú)馕?脫附曲線

3.2 BET孔容、BJH孔比表面積

六個試樣的孔隙孔徑在3.135 7～3.523 3 nm，平均值3.357 9 nm，平均孔徑分布較為均勻，表明頁巖屬于中孔材料。

在表1中，六個頁巖試樣的BJH孔隙體積、BET比表面積大小順序?yàn)?SP＞2SP＞1CZ＞1CZ＞3SP＞3CZ。1組中1SP的孔體積為0.019 359 cm3/g，1CZ 為0.016 098 cm3/g，1SP 的比表面積為24.694 6 m2/g，1CZ為18.276 7 m2/g，水平樣的孔體積、比表面積相比垂直樣分別高出20%、35%。同理，2組和3組中水平樣的孔體積、比表面積比垂直樣分別高出17%、14%和39%、43%。綜上所述，同一組內(nèi)平行樣的孔體積和比表面積明顯高于垂直樣。

表1 低溫氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 結(jié)語

在對頁巖儲層勘探及頁巖氣開發(fā)過程中，選取合適的開采方式角度同樣有利于提高頁巖氣的開采效率。通過上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水平層理樣品的孔裂隙連通性、孔裂隙含量、頁巖氣的吸附貯存能力均明顯強(qiáng)于垂直層理樣品。故在垂直于水平層理方向開采頁巖氣時，可以大幅提高頁巖氣的產(chǎn)量及開采效率。本次成果為頁巖儲層的勘探以及頁巖氣的開采提供了一定參考。