王海洲 ，劉鵬，李孝甫，張揚 ，張紫東

1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249

2 中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院， 北京 102249

3 西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710054

4 西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動力學(xué)國家重點實驗室， 西安 710069

0 引言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，頁巖氣作為一種清潔能源受到能源工業(yè)界廣泛關(guān)注。頁巖氣勘探與開發(fā)最早源于美國[1-2]。近年來，我國頁巖氣勘探也相繼取得了重要進展。其中，在四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖氣勘探取得了重要突破[3-5]，發(fā)現(xiàn)了長寧、威遠、涪陵等多個探明地質(zhì)儲量超1000×108m3的大氣田[6]；中上揚子地區(qū)的下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣勘探也取得了突破[7-11]。頁巖氣是指泥巖或頁巖進入了排烴門限但尚未完全排出的、以吸附、游離和溶解共三種賦存形式殘留于泥頁巖內(nèi)部的天然氣資源[12]。與常規(guī)天然氣不同，頁巖氣最顯著的特征是其具有源、儲一體的特征。在頁巖氣的三種賦存狀態(tài)中，吸附氣主要存在于孔隙以及有機質(zhì)和礦物表面，游離氣主要存在于孔隙與裂隙中，而溶解氣主要存在于已經(jīng)生成的液態(tài)烴中。其中，吸附氣含量占比可達20%～85%，是頁巖氣最重要的賦存形式[13]。因此，研究甲烷吸附能力及其影響因素是準確評價頁巖氣資源潛力的關(guān)鍵[14]。

目前，相關(guān)研究主要采用室內(nèi)等溫吸附實驗來測定及評價頁巖的甲烷吸附性能[15-18]。等溫吸附實驗分為容量法(體積法)和重量法兩種，二者的區(qū)別主要在于容量法是通過樣品室中充入甲烷的起始壓力和最終壓力的差值，結(jié)合吸附平衡狀態(tài)方程獲得樣品在給定壓力下的甲烷吸附量；而重量法則是直接測定樣品室中被吸附的甲烷質(zhì)量[19]。需要指出的是，受吸附相體積的影響，兩種實驗測得的均是甲烷過剩吸附量，需通過校正才能獲得樣品的實際吸附量。容量法測試誤差受自由空間體積標定、平衡狀態(tài)方程的求取以及壓力傳感器的精度等影響，而重量法測試精度僅受磁懸浮天平的精度影響[20]。不少學(xué)者就這兩種方法開展了對比研究，結(jié)果表明在使用體積法對煤這種高吸附性能的樣品進行低壓、低溫等溫吸附測量時，相對誤差較小，結(jié)果可靠，而對頁巖這種吸附性能相比煤較低的樣品進行高溫、高壓甲烷吸附實驗時會出現(xiàn)等溫線異常和負吸附等現(xiàn)象，使測量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差[21-23]，而重量法在吸附量較低的泥頁巖高溫、高壓甲烷吸附測試中引起的誤差較容量法更小，使實驗結(jié)果更加可信[24，19]，因此，重量法成為目前頁巖高溫、高壓甲烷等溫吸附測試的主要方法。同時，甲烷吸附性能與礦物組成、有機質(zhì)含量(TOC)、熱演化程度(Ro)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。同時，不同地區(qū)頁巖甲烷吸附能力的主控因素有所差異。五峰組-龍馬溪組頁巖有機孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，甲烷吸附能力與TOC之間有明顯相關(guān)性，說明有機質(zhì)含量是影響五峰組-龍馬溪組頁巖甲烷吸附能力的首要因素[25]。鄂爾多斯盆地延長組陸相頁巖的甲烷吸附量的研究結(jié)果表明鄂爾多斯盆地延長組頁巖甲烷最大絕對吸附量與TOC之間也具有良好的正相關(guān)性[26]。但是，對于華北盆地南部海陸過渡相頁巖而言，孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與TOC含量無明顯對應(yīng)關(guān)系，無機孔是孔隙結(jié)構(gòu)的重要組成部分且黏土礦物是影響頁巖甲烷吸附的首要因素[27-28]。

桂北地區(qū)長期以來一直屬于油氣勘探低程度區(qū)，近期石炭系鹿寨組頁巖氣獲得重要發(fā)現(xiàn)表明該區(qū)域雖然經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動的疊加和改造，仍具備良好的頁巖氣資源潛力[29]。桂北地區(qū)除了石炭系鹿寨組泥頁巖之外，還推測其廣泛發(fā)育一套與下寒武統(tǒng)牛蹄塘組時代相當?shù)纳钏璧叵喑练e—清溪組泥頁巖，可能具有頁巖氣資源勘探的潛力[30]。然而，目前對桂北地區(qū)清溪組泥頁巖的研究僅關(guān)注了其有機地球化學(xué)特征[30]，對甲烷吸附特征及其主控因素研究尚未開展，影響了對清溪組頁巖氣勘探開發(fā)潛力的客觀評價。本文通過對桂北清溪組頁巖樣品的有機質(zhì)含量、全巖礦物組成與高壓甲烷吸附特征的研究，重點闡明桂北地區(qū)清溪組頁巖甲烷吸附特征及其影響因素，以期為準確評價桂北地區(qū)清溪組頁巖的頁巖氣的資源潛力提供重要理論依據(jù)和相關(guān)參數(shù)。

1 地質(zhì)背景

廣西北部(桂北地區(qū))大地構(gòu)造位置位于江南造山帶西南部，楊子板塊構(gòu)造帶東南方。新元古代晉寧運動時期，揚子地塊與華夏地塊相結(jié)合，形成了相對穩(wěn)定的揚子板塊。桂北地區(qū)當時處于這兩個地塊的接合地帶，之后逐漸演化為南華裂谷盆地[31-33]。早寒武世，桂北地區(qū)繼承了晚震旦世的海侵過程，南華裂谷盆地進一步加深，在研究區(qū)形成了一套廣泛發(fā)育的寒武系清溪組下部的黑色碳質(zhì)頁巖，連續(xù)沉積且厚度超過100 m，是良好的頁巖氣潛在勘探對象，即為我們關(guān)注的研究目標。

清溪組地層根據(jù)出現(xiàn)的古海綿化石Protospongia sp.及上、下層位關(guān)系確定為寒武紀是比較可靠的，但由于該地層中缺乏其他標志性古生物化石及同位素測年數(shù)據(jù)，具體層位尚不清楚。由于其與四川盆地及其鄰近地區(qū)的下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖具有相似的巖性特征推測層位相當。

區(qū)域上，清溪組地層廣泛分布于桂北融水、羅城、永福、全州等地區(qū)，巖性變化多樣，橫向上從東往西，砂質(zhì)頁巖增加，泥質(zhì)和碳質(zhì)頁巖減少；從南向北，砂巖、硅質(zhì)巖減少，頁巖、碳質(zhì)頁巖增加[30]?？v向上由下往上，泥質(zhì)和碳質(zhì)頁巖減少，砂質(zhì)頁巖和砂巖增加，頂部為厚層的碳酸鹽巖[30]。本次研究選取的貓兒山剖面位于桂北地區(qū)的東北部，發(fā)育有桂北區(qū)較好、較厚的清溪組碳質(zhì)頁巖(圖1)。

該研究區(qū)出露最老的地層為元古界板溪群上亞群，其經(jīng)多次構(gòu)造運動影響，普遍變質(zhì)，由變質(zhì)砂巖和頁巖組成。上覆南沱組與板溪群呈平行不整合接觸，主要為含礫石泥質(zhì)砂巖及砂巖夾少量頁巖，中部含鐵礦條帶及透鏡狀白云巖。南沱組之上為燈影組，與南沱組整合接觸，主要為頁巖和硅質(zhì)巖夾透鏡狀白云巖，分為陡山沱段(下段)和老堡段(上段)。其中下部的陡山沱段為變質(zhì)頁巖及砂質(zhì)頁巖組成，中部夾透鏡狀白云巖，上部含碳質(zhì)頁巖。上部的老堡段由硅質(zhì)巖組成。燈影組之上為寒武系，兩者整合接觸，寒武系主要由淺海相砂巖和頁巖組成，輕微變質(zhì)，下部多頁巖，上部多砂巖，中部夾灰?guī)r。按巖性由下至上可分為：清溪組和邊溪組，兩者整合接觸。其中清溪組下段主要為灰至黑色碳質(zhì)頁巖，含有海綿骨針Protospongia sp.，厚約600 m，為本次主要研究層位。清溪組上段為灰?guī)r，厚約10～40 m。邊溪組則主要由砂巖及頁巖組成，厚約1000 m。邊溪組上覆地層據(jù)筆石為奧陶系底部，主要由海相砂巖與頁巖組成，夾有灰?guī)r，與下伏寒武系為整合接觸。

2 樣品與實驗

2.1 樣品采集

本次研究樣品采自桂北地區(qū)下寒武統(tǒng)清溪組貓兒山野外剖面(圖1)，分別為6 個頁巖和2 個粉砂質(zhì)泥巖樣品。采樣時選取剖面上清溪組地層未遭受風化、蝕變、交代的新鮮巖石，無包體與脈體。

圖1 桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組樣品采樣位置Fig. 1 Geological map displaying the sampling location of the Maoershan section in the Lower Cambrian Qingxi Formation，Guangxi Province， Southwest China

2.2 實驗分析

2.2.1總有機碳(TOC)分析

本次研究中，TOC測試依照石油地質(zhì)勘探專業(yè)標準化委員會制定的《沉積巖中總有機碳的測定(GB/T 19145-2003)》標準進行。首先，樣品粉碎至100 目以上并進行準確稱重，本次實驗中稱取0.1 g左右樣品待用，稱重的精度為0.0001 g。在此基礎(chǔ)上，將稱重好的樣品放置于坩堝中并緩慢加入過量5%鹽酸溶液，反應(yīng)溫度為60～80 ℃并保持2 h用于完成除去樣品中的無機碳，避免無機碳對TOC值的影響。待反應(yīng)無氣泡產(chǎn)生后，用蒸餾水將反應(yīng)溶液洗至中性后烘干，對殘留巖石樣品上機進行TOC測試。儀器為LECO CS230 型碳硫分析儀，采用高頻感應(yīng)磁場加熱紅外吸收的方法進行檢測，其原理為高溫燃燒樣品生成CO2，根據(jù)產(chǎn)生的CO2峰面積來計算所測樣品的總有機碳含量(TOC)，單位為%。

2.2.2礦物組成分析

本次研究中，礦物組成分析測試依照《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法(SY/T5163-2018)》進行。將樣品粉粹至200 目以上并進行干燥，應(yīng)用多晶X射線衍射儀(Bruker D8 Advance型)進行X射線衍射分析，Cu靶X光管電壓≤40 kV，電流≤40 mA，測角儀工作方式為θ/θ方式，掃描范圍為0～140°，測角儀精度為0.0001°，準確度≤0.02°。

2.2.3高壓甲烷等溫吸附

本次研究中，高壓甲烷等溫吸附實驗依照《頁巖甲烷等溫吸附測定重量法(NBT 10117-2018)》進行，本次實驗最高壓力為30 MPa，實驗溫度為60 ℃，采用ISOSORP-HP Static II磁性懸浮天平(Rubotherm GmbH， Germany)高壓氣體重量法等溫吸附儀進行，儀器的精度為 0.000 01 g。實驗過程包括4 個步驟：①空白實驗：60 ℃恒溫條件下，通入高純氮氣，在0～10 MPa內(nèi)測試 10 個壓力點并記錄天平讀數(shù)，擬合獲得樣品倉的質(zhì)量和體積；②前處理實驗：將樣品粉粹至60～80 目，在105 ℃、真空條件下進行4～8 h烘干處理；③浮力實驗：60 ℃恒溫條件下，在0～10 MPa 壓力范圍內(nèi)通入高純氦氣，測試 10 個壓力點并記錄天平讀數(shù)，擬合得到樣品的質(zhì)量和體積；④吸附實驗：60 ℃恒溫條件下，在0～30 MPa壓力范圍內(nèi)通入高純甲烷(99.995%)測試 15 個壓力點并記錄天平讀數(shù)，其中每個壓力下的平衡時間為不少于2 h。最終得到溫度為60 ℃、壓力范圍為0～30 MPa下的實測甲烷過剩吸附量。

3 結(jié)果與討論

3.1 總有機碳含量與全巖礦物組成特征

桂北地區(qū)貓兒山剖面清溪組樣品的巖性特征、TOC含量如表1 所示?？傮w而言，本次研究中采集的樣品TOC含量分布范圍為0.09%～16.01%，平均值為4.97%。但是粉砂質(zhì)泥巖與頁巖兩種不同巖性的樣品中TOC含量具有明顯差異。其中，粉砂質(zhì)泥巖樣品TOC含量較低(0.09%～0.22%)，平均值0.16%。相較于該地區(qū)清溪組粉砂質(zhì)泥巖樣品，清溪組頁巖樣品整體具有較高的TOC值，其分布范圍為1.25%～16.01%，平均TOC含量為6.57%。

根據(jù)X衍射分析結(jié)果計算得到的桂北地區(qū)貓兒山剖面清溪組泥頁巖樣品的礦物含量結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，桂北地區(qū)下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖樣品的礦物組成主要為石英、黏土礦物，含有少量的鉀長石、斜長石、云母和菱鐵礦。其中，泥頁巖樣品的石英含量相對較高，其分布范圍為42.3%～69.1%，是其主要組分。同時，清溪組泥頁巖樣品也具有較高的黏土礦物含量，其分布范圍在12.4%～32.7%之間，平均值為20.8%，但不同巖性的樣品之間黏土礦物含量存在較大差異，其中粉砂質(zhì)泥巖樣品黏土礦物平均29.5%，而頁巖樣品黏土礦物含量較低，平均值為17.9%。除QX-7 外，清溪組泥頁巖樣品整體具有較低的鉀長石含量，平均值為2.4%。同時研究區(qū)樣品也具有較低的斜長石含量，平均值為4.1%。清溪組泥頁巖樣品云母含量較低，分布范圍為1.9%～11.5%，平均值為6.7%。研究區(qū)泥頁巖樣品輝石含量較低，分布范圍為1.0%～5.7%，平均值為2.3%。赤鐵礦、方解石、白云石在研究區(qū)泥頁巖樣品中含量較低，僅在QX-1、QX-7 少量檢出，其他樣品均未檢出。

3.2 頁巖甲烷過剩吸附量與等溫吸附模型

在進行頁巖樣品的甲烷等溫吸附實驗的過程中，甲烷分子受到的吸附作用隨著壓力的不斷提高而逐漸增強，在孔隙內(nèi)表面形成高密度的吸附相，由于其占據(jù)一定體積，目前實驗過程無法準確識別吸附相與游離相的界面，造成在甲烷等溫吸附實驗中無法直接獲得甲烷的絕對吸附量，僅能獲得不同壓力條件下的過剩吸附量[34-35]。對不同壓力的過剩吸附量應(yīng)用不同吸附模型進行擬合并進行校正，則可獲取頁巖樣品的絕對吸附量，目前常見的甲烷吸附模型包括Langmuir模型、Dubinin-Radushkevich(D-R)模型等。本次研究中，應(yīng)用基于單分子層吸附的Langmuir模型進行實驗實測數(shù)據(jù)的擬合與絕對吸附量的校正[36-37]。實測數(shù)據(jù)的Langmuir模型擬合與校正過程如下：

式1 中，P為壓力，單位MPa；為過剩吸附量；nL為Langmuir吸附量(最大/極限吸附量)；PL為Langmuir壓力，其為對應(yīng)吸附量為最大吸附量一半時的壓力；ρg(P，T)為氣體(游離相)在P、T條件下的密度；ρads為吸附相的密度，為一定值。在上述模型中為已知值，nL、PL、ρads為3 個未知值，由Langmuir吸附模型擬合獲取。本次實驗中，桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖樣品在不同壓力下的實測過剩吸附量與Langmuir模型擬合過剩吸附量為圖2 中所示，其中點為本次實驗中實測的過剩吸附量值，而曲線為不同壓力下Langmuir模型擬合過剩吸附量。從實驗結(jié)果可知，在實驗溫度下，研究區(qū)清溪組樣品的過剩吸附量隨著壓力的增加，呈現(xiàn)出先增加后減少的特征。甲烷在較低壓力下，游離氣密度較低，過剩吸附量隨著壓力的增加不斷升高。當壓力較高時，游離氣密度迅速增加，造成過剩吸附量隨著壓力的增加不斷降低。同時，研究區(qū)泥頁巖樣品的甲烷過剩吸附量的實測值與擬合結(jié)果基本吻合，說明Langmuir模型能夠較好的描述的研究區(qū)樣品的甲烷吸附特征。

圖2 桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖樣品實測與擬合過剩甲烷吸附量Fig. 2 Comparison of Measured and fitted methane excess adsorption isotherms for samples from the Maoershan Section in the Qingxi Formation， Guangxi Province， Southwest China

通過對實測值應(yīng)用Langmuir模型擬合，由公式2則可進行泥頁巖樣品的絕對吸附量的校正。式2 中，為絕對吸附量。桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖的絕對吸附量與壓力的關(guān)系如圖3 所示。對于樣品QX-1、2、3、7，由于其具有較低的PL，造成絕對吸附量在低壓階段(0～10 MPa)顯著增大，在中高壓階段(10～30 MPa)則增加較為緩慢；而對于樣品QX-4、5、6、8，由于其具有較高的PL，使得其絕對吸附量在整個壓力階段(0～30 MPa)呈現(xiàn)較為平穩(wěn)地增加，逐漸趨于極限吸附量nL。樣品的Langmuir吸附量與Langmuir壓力如表2 所示?？傮w而言，粉砂質(zhì)泥巖樣品的甲烷絕對吸附量比頁巖樣品的甲烷絕對吸附量低。所有樣品QX-1、2、3、4、5、6、7、8 的極限吸附量值分別為0.039 85， 0.052 68， 0.056 67， 0.120 80，0.099 86， 0.136 28， 0.071 47 與0.221 29 mmol/g。

表2 桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖樣品的Langmuir吸附量與Langmuir壓力Table 2 The Langmuir absorption isotherms and the Langmuir pressure for samples from Lower Cambrian Qingxi Formation，Guangxi Province， Southwest China

圖3 桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖樣品的甲烷絕對吸附量隨著壓力變化的特征Fig. 3 Methane absolute adsorption isotherms under different pressures for samples from the Maoershan Section in the Qingxi Formation， Guangxi Province， Southwest China

3.3 清溪組頁巖甲烷吸附性能的影響因素分析

3.3.1有機質(zhì)含量

研究區(qū)清溪組頁巖的甲烷最大絕對吸附量與有機質(zhì)含量之間的關(guān)系如圖4a所示，結(jié)果表明清溪組頁巖甲烷最大絕對吸附量與TOC含量之間存在較好的正相關(guān)性。通過線性擬合可知，研究區(qū)清溪組頁巖甲烷最大絕對吸附量與TOC含量之間線性回歸方程擬合的R2為0.8328，表明研究區(qū)頁巖樣品的TOC對甲烷最大絕對吸附量有著直接影響。本次研究結(jié)果與四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖的相關(guān)研究結(jié)果基本相同。四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖的最大甲烷絕對吸附量與樣品TOC之間有著明顯的正相關(guān)性[38-39]。而通過氬離子拋光后的場發(fā)射掃描電鏡對四川盆地龍馬溪組頁巖進行觀察，表明龍馬溪組頁巖廣泛發(fā)育有機質(zhì)孔[40]，孔隙呈蜂窩狀、圓形以及橢圓形，上述不同形態(tài)的有機質(zhì)孔可以為甲烷提供大量吸附點位。同時，前人詳細研究了頁巖中有機質(zhì)的賦存狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)一般以液態(tài)吸附烴和干酪根的形式存在[41]。有機質(zhì)孔隙形成于干酪根熱裂解時期，隨著干酪根向烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化而在干酪根內(nèi)部產(chǎn)生的大量次生孔隙。因此，頁巖樣品中干酪根有機質(zhì)中發(fā)育的大量有機孔對甲烷吸附量有直接貢獻，隨著頁巖樣品有機質(zhì)含量的增加，有機孔增多，從而提髙了頁巖的甲烷吸附能力。

圖4 (a) 清溪組泥頁巖最大絕對吸附量與TOC含量的關(guān)系；(b) 清溪組泥頁巖Langmuir壓力與TOC含量的關(guān)系Fig. 4 (a) The relationship of TOC contents and maximum absolute adsorption (nL); (b) The relationship of TOC contents and Langmuir pressure (PL)

此外，研究區(qū)清溪組頁巖的Langmuir壓力與有機質(zhì)含量之間的關(guān)系如圖4b所示，結(jié)果表明Langmuir壓力與TOC含量也具有正相關(guān)性。通過對其進行線性擬合，其R2為0.6120，整體呈現(xiàn)出Langmuir壓力與TOC含量之間存在較弱的正相關(guān)關(guān)系，說明在高壓條件下，TOC高的頁巖其有機質(zhì)能夠吸附更多的甲烷分子。

3.3.2礦物組成

海相頁巖的礦物組成特征通常差異較大[42]，主要的礦物包括石英、長石、碳酸鹽礦物等脆性礦物以及伊利石、 蒙脫石、 伊/蒙混層、高嶺石和綠泥石等黏土礦物。

作為頁巖的重要組成部分之一，黏土礦物常呈層狀、針狀、鱗片狀集合體，廣泛發(fā)育孔隙，從而能夠提供較多連通性較好的儲集空間[15，42]。因此，頁巖中的黏土礦物具有一定的吸附能力。同時，由于不同類型的黏土礦物的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等物理化學(xué)特征存在差異，造成不同類型的黏土礦物的吸附能力存在差異。不同黏土礦物其吸附能力由高到低依次為蒙脫石＞伊-蒙混層＞高嶺石＞綠泥石＞伊利石[43]。本次研究中，清溪組頁巖黏土礦物含量與甲烷最大絕對吸附量的關(guān)系如圖5a所示，結(jié)果表明研究區(qū)清溪組泥頁巖樣品的黏土礦物含量與甲烷最大絕對吸附量之間并沒有明顯的相關(guān)性。由于在研究區(qū)清溪組頁巖樣品的甲烷最大絕對吸附量與TOC之間具有明顯的正相關(guān)性(圖4a)。因此，本次研究中對甲烷最大絕對吸附量與總有機碳含量進行標準化處理，標準化處理后的甲烷最大絕對吸附量與黏土礦物之間的關(guān)系如圖5b所示。結(jié)果表明，標準化處理后的甲烷最大絕對吸附量與黏土礦物之間存在較好的正相關(guān)性。隨著黏土礦物含量的升高，TOC標準化處理后的甲烷最大絕對吸附量隨之升高。因此，研究區(qū)清溪組頁巖的甲烷最大絕對吸附量也受控于黏土礦物含量。同時，TOC標準化處理后的甲烷最大絕對吸附量在黏土礦物含量為10%～25%范圍時保持相對穩(wěn)定。但在黏土礦物含量較高時(25%～35%)，TOC標準化處理后的甲烷最大絕對吸附量迅速上升，表明了雖然研究區(qū)清溪組頁巖的甲烷最大絕對吸附量也受控于頁巖黏土礦物含量。但是相比較于TOC而言，黏土礦物對甲烷吸附量的影響相對較弱。

圖5 (a)清溪組泥頁巖黏土礦物含量與甲烷最大絕對吸附量的關(guān)系；(b)清溪組泥頁巖黏土礦物含量與TOC標準化的甲烷最大絕對吸附量的關(guān)系Fig. 5 (a) The relationship of clay content and maximum absolute adsorption (nL); (b) The relationship of clay content and TOC-normalized maximum absolute adsorption (nL)

對于頁巖中存在的脆性礦物而言。一般認為，頁巖中常見的石英、長石與碳酸鹽礦物等脆性礦物孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)育，對甲烷具有較弱的吸附能力。因此，隨著石英含量的增加，頁巖甲烷最大絕對吸附量將降低。同時，對四川盆地龍馬溪組頁巖的研究表明頁巖甲烷吸附能力與石英負相關(guān)[44]。本次研究中，選擇研究區(qū)泥頁巖樣品中含量最高的石英，對甲烷最大絕對吸附量與石英含量進行研究，結(jié)果如圖6 所示。結(jié)果表明，甲烷最大絕對吸附量與石英含量之間并沒有明顯的相關(guān)性，這說明研究區(qū)清溪組泥頁巖樣品中石英含量對甲烷吸附量沒有明顯的影響。

圖6 清溪組泥頁巖石英含量與甲烷最大絕對吸附量的關(guān)系Fig. 6 The relationship of quartz contents and maximum absolute adsorption

3.4 清溪組頁巖甲烷吸附特征的地質(zhì)意義

我國海相富有機質(zhì)頁巖主要沉積于早古生代，沉積地層主要為寒武系筇竹寺組(牛蹄塘組)深水陸棚頁巖、奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組深水陸棚頁巖，主要分布在四川盆地周緣等廣大南方地區(qū)及塔里木盆地、羌塘盆地等西部地區(qū)，總面積為(60～90)×104km2[45]。目前四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組海相頁巖氣勘探開發(fā)已取得重大突破，形成了工業(yè)產(chǎn)能。日產(chǎn)量在3×103m3～500×103m3[46]。對五峰組-龍馬溪組頁巖氣的研究表明，TOC越高，頁巖有機孔越發(fā)育，納米級有機孔的發(fā)育會吸附大量甲烷，致使頁巖具有較高的甲烷最大吸附量[25]。同時，筇竹寺組(牛蹄塘組)頁巖也具有相似的特征[47]。對鄂爾多斯盆地延長組陸相頁巖的甲烷吸附量的研究也表明，鄂爾多斯盆地延長組頁巖甲烷最大絕對吸附量與TOC之間也具有良好的正相關(guān)性[26，48]。然而，南華北盆地海陸過度相頁巖則具有不同的特征，對南華北盆地海陸過度相頁巖的儲層特性與甲烷吸附特征的研究表明，南華北盆地海陸過度相頁巖有機質(zhì)孔不發(fā)育，頁巖的比表面積主要由黏土礦物提供[28]。因此，對于海陸過度相頁巖而言，黏土礦物含量可能是影響甲烷吸附的重要因素。而本次對桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖進行的研究表明，其甲烷吸附的主控因素為TOC含量，這與前人對四川盆地龍馬溪組頁巖的研究結(jié)果相似。表明了對于海相頁巖而言，頁巖有機質(zhì)含量是決定甲烷吸附的首要因素。同時，本次研究也發(fā)現(xiàn)了黏度礦物含量對頁巖甲烷吸附的影響不能忽略。

同時，將研究區(qū)清溪組海相頁巖的甲烷最大絕對吸附量與TOC的關(guān)系與四川盆地龍馬溪組海相頁巖的甲烷最大絕對吸附量與TOC的關(guān)系進行對比，結(jié)果如圖7 所示，其中龍馬溪組頁巖的甲烷最大絕對吸附量數(shù)據(jù)來自于前人研究[38]。結(jié)果表明，在溫壓條件和TOC含量均相同的條件下，清溪組頁巖的甲烷最大絕對吸附量與龍馬溪組頁巖的甲烷最大絕對吸附量基本一致，表明研究區(qū)清溪組頁巖具有與龍馬溪組頁巖具有相似的甲烷吸附性能。

圖7 四川盆地龍馬溪組頁巖與桂北地區(qū)下寒武統(tǒng)清溪組頁巖甲烷最大吸附量的比較Fig. 7 The comparison of maximum absolute adsorption(nL) between the Longmaxi shale of Sichuan Basin and the Lower Cambrian Qingxi Formation shale， Guangxi Province，Southwest China

4 結(jié)論

本次研究中，共采集桂北地區(qū)下寒武統(tǒng)清溪組貓兒山野外剖面中6 個頁巖和2 個粉砂質(zhì)泥巖樣品進行總有機碳含量、全巖礦物組成、高壓甲烷等溫吸附實驗，對桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組泥頁巖樣品的甲烷吸附特征及其主控因素進行研究，主要結(jié)論如下：

(1)桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組頁巖樣品TOC含量較高(平均值6.57%)，石英為其主要礦物，黏土礦物含量次之，含有少量的鉀長石、斜長石、云母和菱鐵礦。

(2)桂北地區(qū)貓兒山剖面清溪組頁巖甲烷最大絕對吸附量與TOC含量之間存在較好的正相關(guān)性，標準化處理后的甲烷最大絕對吸附量與黏土礦物之間存在較好的正相關(guān)性。TOC含量為影響桂北地區(qū)貓兒山剖面下寒武統(tǒng)清溪組頁巖甲烷吸附能力的主要因素，黏土礦物次之，影響相對較弱。

(3)相同TOC含量的條件下，研究區(qū)清溪組頁巖的甲烷最大絕對吸附量與四川盆地龍馬溪組頁巖的甲烷最大絕對吸附量基本一致，表明研究區(qū)清溪組頁巖具有與四川盆地龍馬溪組頁巖具有相似的甲烷吸附性能。