页岩气赋存状态及其分子模拟研究进展与展望

　第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１　　２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ.２０１８　页岩气赋存状态及其分子模拟研究进展与展望陈尚斌１ꎬ２ꎬ张　楚２ꎬ刘　宇２(１.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室ꎬ江苏徐州　２２１１１６ꎻ２.中国矿业大学资源与地球科学学院ꎬ江苏徐州　２２１１１６)摘　要:页岩气赋存是页岩气成藏的核心ꎬ页岩气主体赋存形式及赋存相态之间的转化、吸附载体的判断及各载体对页岩气吸附的贡献程度尚存争议ꎬ特别是黏土矿物在页岩气储层中的吸附特征不明确ꎬ给页岩气资源的精确评价带来诸多不确定性ꎮ阐述了页岩气赋存相态的转换特征和页岩气吸附载体的吸附性能ꎬ指出分子模拟是当前研究页岩气储层中不同吸附载体及其吸附机理的重要方法ꎮ未来研究应注重页岩气赋存富集的地质过程ꎬ重点在于揭示地质条件上的富气性特征ꎬ提高开发技术上的增渗性效率ꎻ地质条件上的富气性与页岩气赋存密切相关ꎬ其核心在于“甲烷气”和“储集孔”的耦合特性ꎻ开发技术上的增渗性与储层本身的渗透性和可改造性密切相关ꎬ关键在于“连通性”和“可改造性”的适配ꎮ分子模拟技术可以从分子层面解释页岩气吸附机理ꎬ对页岩气的赋存与富集特征进行本质性揭示ꎬ可以弥补试验方法对页岩气储层吸附研究的不足ꎬ为完善页岩气地质理论提供一种有效方法ꎮ关键词:页岩气赋存ꎻ分子模拟ꎻ吸附载体ꎻ黏土矿物中图分类号:ＴＥ１２２.２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－００３６－０９ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｓｈａｌｅｇａｓｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅａｎｄｉｔｓｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＣＨＥＮＳｈａｎｇｂｉｎ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＣｈｕ２ꎬＬＩＵＹｕ２(１.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌｂｅｄＭｅｔｈａｎｅＲｅｓｏｕｒｃｅ＆ＲｅｓｅｒｖｏｉｒＦｏｒｍａｔｉｏｎＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ　２２１１１６ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ　２２１１１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆｓｈａｌｅｇａｓｉｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｓｈａｌｅｇａｓａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｒｅａｒｅａｓｅｒｉｅｓｏｆｐｒｏｂｌｅｍｓｗｉｔｈｓｈａｌｅｇａｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｔｈｅｍａｉｎｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｆｏｒｍꎬｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｊｕｄｇｍｅｎｔｏｆｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｒｒｉｅｒꎬａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｃａｒｒｉｅｒｔｏｓｈａｌｅｇａｓａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ.Ｉｔｉｓｎｏｔｃｌｅａｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌｓｉｎｔｈｅｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒ.Ａｌｌｏｆｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓｂｒｉｎｇａｌｏｔｏｆｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙｔｏｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｏｕｒｃｅｓ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒ￣ｉｓｔｉｃｓｏｆｓｈａｌｅｇａｓａｎｄｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ.Ｉｔｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｖｅｃｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｉｒａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｉｎｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒ.Ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｓｔｕｄｙｓｈｏｕｌｄｆｏｃｕｓｏｎｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｈａｌｅｇａｓｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ.Ａｎｄｔｈｅｋｅｙｓｔｕｄｙｗｏｕｌｄｂｅｏｎｔｈｅｇａｓｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆｓｈａｌｅｇａｓ.Ｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｉｓｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｅｔｈ￣ａｎｅｇａｓａｎｄｒｅｓｅｒｖｏｉｒｐｏｒｅ.Ｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｉｔｓｅｌｆａｎｄｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒ.Ｔｈｅｇｏｏｄｒｅｓｅｒｖｏｉｒｋｅｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｌｉｅｓｉｎｔｈｅａｄａｐｔａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ.Ｍｏ￣ｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｎｅｘｐｌａｉｎｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｈａｌｅｇａｓａｔｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｅｖｅｌꎬａｎｄｃａｎｒｅｖｅａｌｔｈｅｎａｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｏｃｃｕｒ￣ｒｅｎｃｅａｎｄｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔｏｆｓｈａｌｅｇａｓ.Ｉｔｃａｎｗｅｌｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｆｏｒｔｈｅｌａｃｋｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒａｄｓｏｒｐ￣ｔｉｏｎꎬａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｔｏｍａｋｅｓｈａｌｅｇａｓｇｅｏｌｏｇｙｔｈｅｏｒｙｐｅｒｆｅｃｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｈａｌｅｇａｓｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅꎻｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｒｒｉｅｒꎻｃｌａｙｍｉｎｅｒａｌ收稿日期:２０１７－１２－１５ꎻ责任编辑:代艳玲　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０１􀆰００５基金项目:国家自然科学基金资助项目(４１７７２１４１ꎬ４１４０２１２４)作者简介:陈尚斌(１９８３—)ꎬ男ꎬ甘肃通渭人ꎬ副教授ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:陈尚斌ꎬ张　楚ꎬ刘　宇􀆰页岩气赋存状态及其分子模拟研究进展与展望[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):３６－４４􀆰ＣＨＥＮＳｈａｎｇｂｉｎꎬＺＨＡＮＧＣｈｕꎬＬＩＵＹｕ􀆰Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｓｈａｌｅｇａｓｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅａｎｄｉｔｓｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):３６－４４􀆰６３陈尚斌等:页岩气赋存状态及其分子模拟研究进展与展望２０１８年第１期０　引　　言中国已跻身全球第３个页岩气商业化开发国家ꎬ在涪陵、长宁、威远、昭通等地区实现了初步商业化开采ꎬ中国南方海相页岩气勘探开发逐步向规模化发展[１－２]ꎻ中国海陆过渡相和陆相页岩也取得了一定的进展ꎬ尤其是煤系页岩气取得较大进展ꎬ成为重要的勘探新领域ꎬ相继在鄂尔多斯盆地、南华北盆地太原组和山西组压裂产气ꎬ表现出良好的发展势头[３－４]ꎮ但总体而言ꎬ中国页岩气的商业化程度不够ꎬ产气区域局限ꎮ国家能源局下调２０２０年页岩气计划产量ꎬ也反映出我国页岩气发展中仍存在一些问题ꎮ页岩气赋存存在２个瓶颈ꎬ对页岩气赋存相态认识不清及吸附载体的判断不准确ꎮ页岩气赋存方式以吸附态和游离态为主ꎬ其中吸附气含量所占比例为２０％~８５％ꎬ主要吸附在有机质或黏土颗粒表面[５－６]ꎮ但吸附的本质性和系统性研究尚显不足ꎬ对于吸附态与游离态的动态转化、吸附载体的判断以及赋存载体与赋存相态有机的结合均存在认识差异ꎻ对于不同地区、不同层位、不同类型页岩气储层的孔隙结构精细表征存在不足ꎬ导致不同研究者对有利区优选、含气量评价上存在较大差异ꎬ储量估算结果精度有限ꎬ甚至出现部分区块储量满足甜点区要求产量却很低的情况[７－８]ꎮ储层孔隙作为页岩气赋存空间ꎬ是控制含气性的关键因素ꎬ现阶段孔隙与甲烷的耦合关系认识不足ꎮ近年来ꎬ计算机分子模拟作为一种理论研究方法在吸附性能研究方面受到重视ꎬ可以从分子层面研究多孔材料与流体分子间的吸附作用机理ꎮ从微观层面运用分子模拟技术建立页岩储层吸附模型ꎬ研究有机质与黏土矿物各类物质地质历史时期的动态变化ꎬ在符合实际储层条件下揭示页岩气储层吸附性能的本质ꎬ为含气量评价等勘探开发提供科学依据ꎮ１　页岩气赋存１.１　页岩气赋存相态页岩气赋存方式是页岩气成藏的核心ꎬ以吸附态和游离态为主ꎮ吸附气主要通过物理化学作用吸附于有机质和黏土矿物颗粒表面ꎬ游离气则游离于孔隙中或游离于因构造作用或成岩作用所形成的裂缝中ꎮ吸附态和游离态所占比例的认识目前仍存在很大争议ꎮＣＵＲＴＩＳ[６]研究美国五大页岩盆地的气藏赋存相态时认为页岩气储层中吸附气含量所占比例为２０％~８５％ꎻ蒲泊伶等[９]与李新景等[１０]认为吸附态是页岩气的主体赋存形式ꎬ所占比例可超过４０％或者至少占页岩气总量的４０％ꎬＢＯＷＫＥＲ[１１]与ＭＡＶＯＲ[１２]认为游离态页岩气占总含气量的比例能达到５０％或者超过了５０％ꎻＭＯＮＴＧＯＭＥＲＹ等[１３]研究Ｂａｒｎｅｔ页岩认为吸附气含量在６０％左右ꎻＭＡＲＴＩＮＩ等[１４]认为Ａｎｔｒｉｍ游离态页岩气仅占总含气量的２５％~３０％ꎻ孔德涛等[１５]通过总结前人一系列研究认为吸附气含量占总气量的２０％~８０％(图１)ꎮ总体上ꎬ页岩气以吸附态和游离态２种形式为主ꎬ并表现出赋存相态变化范围较广的特征ꎮ吸附态页岩气是页岩气的重要组成部分ꎬ吸附作用是页岩气成藏的重要机理ꎬ在一定程度上决定了页岩气的富集特征[１８]ꎮ图１　页岩气藏吸附气所占比例Ｆｉｇ.１　Ｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆａｄｓｏｒｂｅｄｓｔａｔｅｇａｓｉｎｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ吸附态和游离态赋存的页岩气在不同储层条件下可以转换ꎬ但二者相态转换的埋深差异较大ꎮ页岩地层处于正常流体压力状态下ꎬ在１１５０ｍ以浅ꎬ特别是在７００ｍ以浅ꎬ页岩气中的吸附气含量随着深度增加而明显增加ꎬ在１１５０ｍ以深ꎬ吸附气含量增加缓慢ꎬ在２０００ｍ以深ꎬ吸附气增加量已不明显ꎬ游离气随着埋深的增加平稳增加[１９]ꎻ李玉喜等[２０]也有类似认识ꎬ在１１５０ｍ左右ꎬ游离气和吸附气的含量基本相等ꎬ之后ꎬ随着埋深的增加ꎬ游离气含量逐步增加ꎬ在埋深达到２８００ｍ左右时ꎬ游离气达到吸附气的２倍以上ꎻ俞凌杰等[２１]基于质量法等温吸附试验ꎬ研究处于实际埋藏条件下的赋存相态特征ꎬ厘定出吸附态与游离态的比例ꎬ揭示两相态随埋深变化关系(图２)ꎮ可见ꎬ在约１１５０ｍ以深ꎬ７３２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷页岩气的赋存状态主要以游离气为主ꎬ储层不同埋深条件下吸附态和游离态页岩气可以转换ꎬ应针对具体的储层条件予以考虑ꎮ图２　页岩气赋存相态随埋深的变化情况Ｆｉｇ.２　Ｃｈａｎｇｅｓｏｆｓｈａｌｅｇａｓｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｐｈａｓｅｗｉｔｈｂｕｒｉａｌｄｅｐｔｈ１.２　页岩气吸附载体按照载体性质ꎬ页岩气吸附载体可以分为有机质与无机质２类ꎮ有机质既是重要的生烃母质ꎬ储层产气的基础ꎬ又是大量纳米级孔隙的集合体ꎬ页岩气赋存的主要空间ꎮ国内外学者已进行了大量有机质吸附性能的研究[２２－２３]ꎬ主要认为有机质含量与含气量呈正相关关系ꎬ且有机质是影响含气性的重要因素ꎮ尽管有机质对吸附甲烷起主导作用已达成共识ꎬ但有机质载体的孔隙成因、孔隙尺度和孔隙类型尚存有争议ꎮ有机质孔是固体干酪根转化为烃类流体而在干酪根内部形成的孔隙ꎬ主要受热演化程度的控制[２２]ꎻ有机质孔发育随演化程度升高ꎬ是