页岩粘土孔隙含水饱和度分布及其对甲烷吸附的影响

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1、第卷第期力学学报Vol.No.年月ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanics，页岩粘土孔隙含水饱和度分布及其对甲烷吸附的影响11213111李靖，李相方*，王香增，辛一男，韩俊峰，石军太，孙政，王蕊*(1.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室北京102249；2.延长石油集团有限责任公司，陕西西安710075；3.陆梁油田作业区，新疆，克拉玛依，834000)摘要：考虑储层原始含水特征，甲烷在页岩的吸附特征属于气-液-固三相复杂作用结果，水分在很大程度上影响页岩吸附能力，将成为制约页岩气资源量评估可靠性的主要原

2、因之一。鉴于页岩水分主要分布于粘土等无机矿物孔隙内部，本研究主要分析了甲烷-水膜-页岩粘土三相作用特征，结果表明：甲烷在干燥粘土表面吸附满足气-固界面Langmuir吸附特征，在粘土水膜表面吸附满足气-液界面Gibbs吸附特征，在气-液-固三相作用下满足“气-固”与“气-液”界面混合吸附特征；同时本研究发现：不同尺度孔隙内含水饱和度分布特征存在差异，部分小孔隙可以被水分充满，而大孔隙仅吸附一定厚度水膜。因此，水分对甲烷吸附能力的影响主要表现为两个方面：小孔隙被水分阻塞而失去吸附能力；大孔隙表面水膜改变甲烷吸附特征(气-固界面吸附转变为气-液界面吸附)，以本研究粘土样品

3、为例，两者综合效应可以致使甲烷吸附能力降低约90%。本研究从微观角度揭示了水分对页岩吸附能力的影响机理，将为建立合理评价页岩吸附气含量的方法奠定理论基础。关键词：页岩粘土；气-液-固三相；甲烷吸附；水膜；含水饱和度分布中图分类号：TE37文献标识码：Adoi：10.6052/0459-1879-15-452(红色部分为稿号最后6位，如稿号为lxxb2012-345)引言能力测试结果表明：与干燥情况相比，在平衡水条件下甲烷在泥质页岩吸附能力降低65%~90%；在富页岩气是当今油气勘探的前沿领域，也是新近有机质页岩吸附能力降低20%~60%。不论对于泥质油气研究的热点，其

4、资源量的评估是整个气田开发页岩或富有机质页岩，水分对其吸附能力影响显著，方案制定及开发潜力评价的基础。在页岩储层中，两种不同的实验方法将导致页岩吸附气含量评估结天然气主要以游离态、吸附态及少量的溶解态赋存果存在巨大的差异；且在原始条件下，实际页岩储[1]于整个页岩孔隙-裂缝系统中，由于页岩储层微孔[15-17]层往往具有一定含水饱和度，储层含水特征将[2]隙发育，其吸附态天然气可达总储量50%以上；为气藏资源量评估及预测带来一定困难。为合理评同时，页岩储层吸附气的解吸-扩散行为会在很大程价储层含水条件下页岩的吸附能力，水分影响页岩[3-6]度上影响气井产能预测。因此吸

5、附气含量评估的吸附能力机理需要被研究，而明确与认识原始条件[7]准确性对整个页岩气藏的开发及评价非常重要。下储层气水分布特征是开展该研究的基础。目前，吸附气含量的评价主要基于室内等温吸[18]页岩矿物组成复杂且各类矿物(有机质与无附实验，大多数学者利用干燥页岩样品进行甲烷吸机质)亲水能力不同，导致页岩有机质孔隙与无机矿[8-11][12]附实验，部分学者在吸附甲烷之前依据ASTM物孔隙含水特征存在显著差异。对于生烃过程中形[13]标准对岩样进行平衡水分处理，Rose(2007)、成的有机质孔隙(如干酪根孔)而言，通常认为表现[14]Gasparik(2014)等对加拿

6、大WCSB区域38块页[19]为油湿特征，且孔隙几乎不含水。而对于无机质岩、美国Barnett及欧洲Alum区域40块页岩吸附——收到第1稿，——收到修改稿.1）基金项目：国家重大自然基金项目(51490654)；国家科技重大专项(2016ZX05039与2016ZX05042).2）第一作者简介：李靖，中国石油大学（北京）在读博士研究生，主要研究方向：非常规油气田开发。LiLing,PHDofCUP(Beijing),researchinterests:developmentandrecoveryofunconventionaloilandgasreservoir.

7、E-mail：lijingsuc@163.com*通讯作者简介：李相方，中国石油大学（北京）教授，博士生导师，主要研究方向：油气田开发理论及系统工程。LiXiangfang,professorofCUP(Beijing),researchinterests:developmentandengineeringofoilandgasreservoir.Email：lixf2013@vip.163.com引用格式：李靖,李相方,王香增,等.页岩粘土孔隙含水饱和度分布及其对甲烷吸附的影响.力学学报,2016,X(X):XXX-XXXLiJing,LiXian