页岩气的赋存机理分析

1)页岩气吸附机理

(1)吸附的定义

两种相互接触的物质,在其界面处形成一个与两者内部性质和组成不同的区域,即吸附,这是一种力与物质的综合反映(加路,1988)。 吸附可发生在不同或相同相态的物质界面上,主要包括气-固界面、液-固界面、气-液界面、液-液界面等。 其中,气-固界面吸附现象最为广泛(崔永君,2003)。 在气-固界面吸附中,固体一般称为吸附剂,气体称为吸附质,而被吸附的气体分子称为吸附相或吸附态。

(2)吸附方式

按照吸附作用力的不同,可以将吸附划分为化学吸附和物理吸附两种类型(朱步瑶等,1996;顾惕人等,2001)。

物理吸附作用即范德华力吸附作用,通过吸附质与吸附分子之间的相互作用力产生的,这种力即为范德华力,它包括色散力、静电力和诱导力。 一般来说,吸附质与吸附剂都有一定的极性,当这种极性不大时,彼此间相互作用主要表现为色散力;另外,当极性较大时,即极性分子与吸附剂表面上的静电荷相互作用时,这两者内部的电子结构产生了变化,这一变化产生了偶极矩,那么这两者之间的相互作用即表现为定向力和诱导力。 物理吸附为页岩气主要的吸附方式,其具有吸附时间短、普遍性、无选择性、可逆性的特征。

另一种吸附作用为化学吸附,它是物理吸附的继续,当达到某一条件时就可以发生化学作用(包括化学键的形成和断裂)。 化学吸附所需的活化能也比较大,所以在常温下吸附速度比较慢。 页岩气的化学吸附具有吸附时间长、不可逆性、不连续性、有选择性(屈策计,2013)。

两者共同作用使页岩完成对CH4 气的吸附,但两者所处占主导优势的地位随成藏条件以及页岩和气体分子等改变而发生变化。 吸附作用开始很快,越后越慢,由于是表面作用,被吸附到的气体分子容易从页岩颗粒表面解吸下来,进入溶解相和游离相,在吸附和解吸速度达到相等时,吸附达到动态平衡。

2)游离态页岩气赋存机理

游离状态的页岩气存在于泥页岩内部较大的粒间孔、晶间孔或层理缝、节理缝及构造裂缝中,其数量的多少决定于页岩内自由的空间。 由于这些游离状态的天然气受到的分子间力相对较小,在孔隙喉道发育状态允许、持续生烃增压出现压差的情况下,可以发生一定程度的移动(马东民,2003;张雪芬等,2010)。

泥页岩中通过生物作用或热成熟作用所产生的天然气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要。 当吸附气量与溶解的逃逸气量达到饱和时,富裕的页岩气解吸进入基质孔隙。 随着天然气的大量生成,页岩内压力升高,出现造隙及排出,游离状天然气进入页岩裂缝中并聚积(张金川等,2003;王祥等,2010)。

游离态页岩气遵循理想气体状态方程:

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式中,V 为气体体积;cm3;M 为气体质量,kg;μ 为摩尔质量,kg/mol;T 为绝对温度,K;P为气体压力,MPa。

式中,Z 为压缩因子,表示实际气体偏离理想气体行为的程度;B 为气体体积系数:地面标准状态(20 ℃,0.101 MPa)下单位体积天然气在地层条件下的体积。

从以上式子中看出,游离气量的多少主要受到孔隙体积、气体压力、温度、压缩因子以及体积系数的影响(屈策计等,2013)。

3)页岩气溶解机理

页岩中溶解状态的天然气多存在于地层水、沥青及干酪根中。 尽管天然气的溶解度相对较小(胡文宣等,1996),但在不同环境中也存在一定差异。 了解天然气在页岩中的溶解机理及其影响因素可以更准确地预测页岩气资源潜力。 当天然气分子从满足吸附后很可能进入液态物质中发生溶解作用。 溶解机理主要以间隙充填和水合作用的形式表现出来。

(1)间隙充填

页岩气体分子与页岩层中液体烃相接触时,页岩气分子通过扩散作用进入液体烃类分子间的空隙中,这一过程叫作间隙充填,其中地层的温度和压力对这一过程的进行影响较大。

(2)水合作用

页岩中气体分子和水分子相互作用结合或分解的过程为水合作用。 这是一个可逆过程,当结合和分解的速度相等时,它们达到了一种动态平衡。

在温度较低的情况下,甲烷分子与水可以发生水合作用,即形成可燃冰,基于化学平衡原理,当温度逐渐升高时,分子的运动就会加快,这样甲烷分子与水直接的相互结合就会减弱。