1、Vol.42 No.10Oct.2023石油化工应用PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION第42 卷第10 期2023年10 月鄂尔多斯盆地富县地区页岩吸附性研究陈展12,刘友南1,2（1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安7 10 0 6 5；2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西西安7 10 0 6 5）【摘要 随着中国页岩气勘探开发的力度不断加大，为提高页岩气产量降低勘探开发成本，适用于国内页岩的吸附理论函待完善。以鄂尔多斯盆地富县地区页岩等温吸附实验为依托,在Langmuir模型基础上建立了四参数Langmuir扩展模型，研究发现，页岩
2、对CH4的吸附量受TOC、温度、压力、Tmx共同控制，以此建立的四参数Langmuir扩展模型能够定量预测研究区页岩对CH4的吸附量，精度与Langmuir模型相当，适用范围比Langmuir模型更广。另外，从等量吸附热角度分析可知，研究区页岩对CH4、CO 2、N2 的吸附量满足CO2CHN2,主要是由分子间作用力差距大导致的，与初始等量吸附热大小关系不明显。该研究不仅为研究区页岩对气体吸附量的定量计算提供了新方法，还深入分析了研究区页岩对气体吸附量存在差异的原因，丰富了研究区页岩吸附理论。【关键词 鄂尔多斯盆地；等温吸附;Langmuir扩展模型；等量吸附热中图分类号 TE122.2D0I
3、:10.3969/j.issn.1673-5285.2023.10.017【文献标识码 A文章编号 16 7 3-5 2 8 5(2 0 2 3)10-0 0 8 3-0 8Study on shale adsorption in Fuxian area of Ordos BasinCHEN Zhan2,LIU Younanl-2(1.School of Earth Science and Engineering,Xian Shiyou University,Xian Shaanxi 710065,China;2.Shaanxi Key Lab of Petroleum Accumulatio
4、nGeology,Xian Shiyou University,Xian Shaanxi 710065,China)Abstract JAs Chinas shale gas exploration and development efforts continue to increase,inorder to increase shale gas production and reduce exploration and development costs,the ad-sorption theory applicable to domestic shale needs to be impro
5、ved.Based on the isothermaladsorption experiment of shale in the Fuxian area of the Ordos Basin,a four parameterLangmuir extended model is established on the basis of the Langmuir model.The study findthat the adsorption amount of CH4 by shale is jointly controlled by TOC,temperature,pres-sure and Tm
6、ax.The four parameter Langmuir extended model can quantitatively predict theadsorption amount of CH4 by shale in the study area,with accuracy comparable to the Lang-muir model,the scope of application is wider than the Langmuir model.In addition,from theperspective of equal heat of adsorption,it can
7、 be seen that the adsorption capacity of shalein the study area for CH4,CO2,and N2 meets the requirements of CO2CH4N2,mainly*收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 4作者简介：陈展（19 9 8），男，硕士研究生，研究方向为非常规油气地质勘探与评价。E-mail:84caused by the large difference in intermolecular forces,and is not significantly related to theinitial e
8、qual heat of adsorption.This study not only provides a new method for the quantita-tive calculation of shale gas adsorption capacity in the study area,but also deeply analyzesthe reasons for the difference of shale gas adsorption capacity in the study area,enrichingthe shale adsorption theory in the
9、 study area.Key words JOrdos Basin;isothermal adsorption;Langmuir extended model;isosteric heat石油化工应用2 0 2 3 年第42 卷为满足未来几十年日益增长的全球能源需求，天然气的合理开发利用起到关键作用。页岩气作为最大的天然气资源之一，其主要成分为甲烷和乙烷，燃烧产物仅为水和二氧化碳，不含原油和煤伴生的硫和一氧化氮。鉴于减少碳排放的愿望，页岩气被认为是传统化石燃料和可再生清洁能源之间的桥梁燃料，合理加快勘探开发页岩气的步伐符合中国能源的发展趋势叫。页岩气在中国境内广泛发育，但页岩气产区地质构造复
10、杂多变,开采难度大，尚未形成普遍适用的勘探开发理论。近年来随着科技水平的不断攀升，页岩气勘探开发也迎来新模式，产量屡创新高，目前，页岩气已经成为中国天然气增储上产的重要组成部分3。据相关研究成果统计，页岩气中吸附气含量达到20%80%4,因此，完善页岩吸附理论有助于对页岩吸附量进行定量描述，从而实现页岩气储量的精确预测及提高页岩气产量5。目前页岩吸附理论的研究通常借助室内等温吸附实验获取等温吸附线来刻画页岩吸附特征，推断页岩吸附量演化规律。同时，等温吸附实验也是推导和验证等温吸附模型适用性的重要支撑,而等温吸附模型的建立则是预测和分析页岩吸附量变化的重要方法。现以Langmuir模型为基础,针
11、对鄂尔多斯盆地富县地区页岩吸附性开展研究，为研究区页岩气的勘探开发提供理论指导。1研究区地质背景现今鄂尔多斯盆地呈东宽西窄的不对称形态，被划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西褶皱带、伊陕斜坡、天环凹陷、西缘冲断带六个次级构造单元。在晚三叠世样品井号1号XF52号XF63号JH60时期，鄂尔多斯盆地为一持续沉降的大型陆相坳陷湖盆，主要发育冲积扇、河流、三角洲、湖泊等沉积相类型,沉积了一套厚度为10 0 0 15 0 0 m的陆源碎屑岩，延长组发育较完整8，自上而下可划分为长1至长10共10 个段，而长7 段以半深湖-深湖亚相为主，整体发育泥质岩类沉积9。富县地区区域构造隶属鄂尔多斯盆地伊陕斜坡构造单元
12、的东南部，构造形态表现为西倾的单斜，区内地层平缓，构造活动相对较弱，断层发育较少，在单斜主体构造格架上，从深层到浅层均发育了一些低缓的鼻状隆起。由于位于湖盆的东部沉积中心，区内张家滩页岩最大厚度可达6 0 m，埋深13001500m，这套泥页岩层系为页岩油气的规模生烃成藏奠定了物质基础 1-1。12实验样品与原理实验样品选自鄂尔多斯盆地富县地区，首先将岩心钻取成标准岩心柱，并且将两端切平，然后在高温下干燥，最后取出冷却，称重。样品的取样井号、层位、深度、TOC（总有机碳）、Tmx（干酪根裂解产生最大含量烃对应的温度)等信息见表1。样品准备完成后，将岩心装入岩心夹持器内进行等温吸附解吸实验测试。
13、根据页岩气藏的温度压力，选择实验压力不超过16 MPa，在3 0、45、6 0 条件下进行等温吸附实验，首先进行纯甲院吸附实验，然后分别进行纯二氧化碳和氮气吸附实验。目前对于页岩气的等温吸附实验主要沿用煤层气的等温吸附实验方法，实验原理：在一定的温度下，测定待吸附气体的压力和体积，利用理想气体状态方程表1样品信息 13 1层位深度/m长7773.79长7747.35长71 220.21干重/g66.340 961.290240.385.5TOC/%2.994.121.93Tm/432451455第10 期计算气体的量，然后使吸附气体与吸附剂接触，使其达到吸附平衡后,再测定该气体的压力和体积，并
14、利用理想气体状态方程计算吸附剩余气体的量，两次测定的气体的量之差即为吸附量5。张键13 于2 0 13 年按照此实验原理完成了一系列等温吸附实验，在其研究基础上,重新构建吸附模型,以期取得新的研究成果。3页岩吸附模型及吸附特征分析3.1Langmuir模型目前，在气体吸附研究领域，基于单分子层吸附假设的Langmuir模型被广泛运用4。该模型是2 0 世纪初,由美国科学家 Langmuir 提出15,其数学表达式为：(1)P.+P式中:V-吸附体积,cm/g;P-压力,MPa;VL-Langmuir体积,反映吸附剂的最大吸附能力,取决于吸附剂和吸附质的性质，cm/g;PL-Langmuir压力
15、，代表吸附量达到Langmuir体积一半时所对应的气体压力，MPall0。通过对式(1)变换后得：2.01.81.6(%/,u)/鲁期1.41.21.00.80.60.40.20024681012141618压力/MPa(a)1号页岩样品0.70.60.5(8/,u0)/鲁期0.40.30.20.100246810121416 18压力/MPa（c）3 号页岩样品图1样品实测数据与Langmuir模型拟合结果陈展等鄂尔多斯盆地富县地区页岩吸附性研究P=PV式中：V和P具体数值的大小可按照式(2)形式将等温吸附实验过程中吸附量和压力关系作图，根据斜率和截距即可求得V和PL,再代人式(1)便可得到
16、Langmuir模型拟合结果,见表2。表2 页岩样品不同温度下等温吸附甲烷数据Langmuir模型拟合结果样品温度/301号456030ViP2号V3号3个页岩样品各自在不同温度下吸附CH4实测值及Langmuir模型拟合结果见图1。实验结果表明,对于同一页岩样品在吸附压力相同时,页岩吸附CH4的能2.82.4(8/,u0)/鲁期2.01.61.230实测值30CLangmuir模型45实测值45CLangmuir模型60实测值60CLangmuir模型85(2)Langmuir方程拟合结果R2V=3.270P/(12.001+P)0.959 11V=1.704P/(8.241+P)0.973
17、.60V=1.430P/(8.166+P)0.931 12V=3.556P/(4.753+P)0.993 8945V=2.157P/(3.885+P)60V=1.383P/(3.920+P)30V=0.713P/(2.147+P)45V=0.583P/(2.239+P)60V=0.516P/(3.044+P)30实测值0.830CLangmuir模型45实测值0.445CLangmuir模型60实测值060CLangmuir 模型024681012141618压力/MPa(b)2号页岩样品30实测值30CLangmuir模型45实测值45CLangmuir模型60实测值60.CLangmuir
18、 模型0.995 890.998 910.953 640.957 770.995 4386力随着温度的升高而减弱，且同等温差条件下，温度越高吸附量差值越小，即吸附压力相同的情况下页岩吸附CH4能力减弱的趋势随温度的升高变缓。表2 中Langmuir模型的拟合结果则表明，实测值与Langmuir模型拟合值契合度较高（R均在0.9 0 0 0 0 以上）,即Langmuir模型用来模拟预测页岩对CH4的吸附行为具有较高的可行性。同时从Langmuir模型拟合结果还可以看出,在相同温度下,页岩对 CH4的吸附量随压力的增大而增大，但增幅越来越小,吸附量趋于定值。3.2四参数Langmuir扩展模型通
19、过上述Langmuir模型对实测值拟合分析可知，温度、压力对吸附量的影响较大，且不同页岩样品在相同温度、压力条件下吸附量也有差异，此时用Langmuir模型便无法解释。造成这种差异的原因是页岩的吸附能力不仅与外在施加的温度、压力有关，还与页岩本身其他的(如孔隙结构、TOC等)物理、化学性质有关。表2拟合结果也表明，页岩样品的等温吸附曲线符合Langmuir方程,且其中V,和P,的大小取决于页岩的性质，同时也受温度、压力等地质条件的影响。由于影响页岩吸附的因素较多，要建立表征页岩4.03.53.0(8/,u0)/A2.52.0石油化工应用2023年吸附量的数学模型,需要对影响V和P较大的因素进行
20、分析,在Langmuir模型的基础上，本文将针对TOC、温度、压力、T这四个参数对页岩吸附能力的综合影响进行研究,研究中尝试建立基于Langmuir模型的四参数Langmuir扩展模型来预测页岩对气体的吸附量。3.2.1单因素分析根据表1中页岩样品参数及表2中的吸附参数作图，发现TOC与V.呈指数正相关关系，温度与V呈指数负相关关系，Tmx与VL无明显正相关或负相关关系(图2)。而TOC与 P,无明显正相关或负相关关系,温度与 P,呈线性负相关关系,Tmx与PL也呈线性负相关关系（图3）。因此,利用指数数学模型可以回归TOC、温度与V,的公式,利用一次函数数学模型可以回归温度、Tmx与P,的公
21、式。3.2.2多因素拟合分析根据单因素分析结果分别建立V,的两种双参数指数模型,如式(3)所示;同时也建立P的两种双参数线性函数模型,如式(4)所示。利用Origin软件进行样品数据拟合，得到具体的V和P.的公式，选取相关性高的拟合公式，最后代人式(1)得到四参数Langmuir扩展模型16 。4.03.53.0(8/,u0)/2.52.0上第42 卷1.51.00.52.01.51.00.52.53.0TOC/%(a)Vi,与 TOC 的关系4.03.53.0(3/u0)/A2.52.01.51.00.5430图2 V分别与TOC、温度、Tmx的关系3.54.0435440Tm/(c)V,与
22、 Tmux 的关系4.54452045030(b)V与温度的关系45546040温度/506070第10 期陈展等鄂尔多斯盆地富县地区页岩吸附性研究87(5)12108BdN/6422.0I:Vi=aebTII:Vi=a:e+c:e I:P,=aT Tmx+b(II:P,=a T+b Tmx+cmax式中a、b、c、d-待定系数。经拟合分析可知,V与温度、TOC的关系更符合式(3)中的模型I,此时a=1.66108,b=-0.030 74,c=0.42215,R=0.79595,见图4(a)。而P与温度、Tmx的3.53.0(8/,u0)A2.52.01.51.00.56050T/4030(a
23、)V,与温度、TOC 的关系12108P6422.53.0TOC/%(a)P,与 TOC 的关系12108P642430图3 P.分别与TOC、温度、Tm的关系(bT+cTOC)dTOC(-0.03074T+0.42215TOC)V,=1.661 08eR-0.795.953.53.02.54.0TOC/%图4VL、PL 多因素拟合结果3.54.0435440Tm/(c)P,与 Tmx的关系关系更符合式(4)中的模型,此时a=-0.04190,b=(3)-0.295 86,c=139.217 79,R2=0.904 31,见图 4(b)。再将所得的VL、P.的函数关系代人式(1)可得到以下四参
24、(4)数Langmuir扩展模型：1.661 08eV=(-0.04190T-0.295 86Tmx+139.217 79)+P3.2.3模型适用性检验为检验建立的四参数Langmuir扩展模型是否适用于研究区页岩吸附特征，现选取2 号页岩样品吸附数据，用四参数Langmuir扩12P,=0.04190T0.295 86T+139.2177910864260502.0T/4030455450445440T/(b)P,与温度、Tmx的关系4.54452045030(b)P,与温度的关系455460(-0.030 74T+0.422 15TOC)R=0.904.3143543040温度/5060P
25、7088展模型进行预测分析，结果见图5。由图5可知，四参数Langmuir扩展模型预测的吸附量能够与实测值保持高度一致(R0.90000)。该模型不仅继承了Langmuir模型的准确性,在一定范围内还能预测除等温吸附实验设定的温度以外其他温度条件下的页岩样品的吸附量，拓宽了Langmuir模型的适用范围。但是，四参数Langmuir扩展模型的建立需要比Langmuir模型更丰富的数据支撑,且数据越全面模型越精确。2.82.42.0(8/,u0)/鲁期1.61.20.80.40024681012141618压力/MPa图52号页岩样品四参数Langmuir扩展模型预测吸附量与实测值比较6.05.
26、0(8/,0)/鲁期4.03.02.01.000246810121416压力/MPa(a)30等温吸附4.03.53.0(8/,u0)/吾期i2.52.01.51.00.500246810121416 18压力/MPa(c)60 等温吸附图6 2 号页岩样品在不同温度下对不同吸附质吸附作用比较石油化工应用2023年综上所述，在研究区页岩等温吸附实验未能做到全覆盖的情况下，考虑到节约实验成本的需要，在一定范围内，只需知道岩样TOC、T m x 的值，利用四参数Langmuir扩展模型便可实现对页岩任意温度和压力条件下吸附量的定量预测。4页岩吸附不同气体差异性分析页岩对气体的吸附量不仅与温度、压力
27、、TOC等因素有关，还与吸附质的种类有很大关系，2 号页岩样品R=0.991 88在不同温度下分别用CO2、CH 4、N2 作为吸附质时页岩吸附量在不同压力下的变化见图6。R-0.987 28由图6 可知，同一温度下页岩对三种气体的吸附量都随着压力的增大而增大，且逐渐趋于定值；随着温R-0.993 21度升高，页岩对三种气体的吸附量都会变小；但同等吸30实测值30CLangmuir扩展模型45实测值45CLangmuir扩展模型60实测值60.CLangmuir扩展模型CO,实测值Co,Langmuir模型CH4实测值CH,Langmuir 模型N实测值N,Langmuir模型第42 卷附条件
28、下，页岩对三种气体的吸附量有明显差异，满足:CO,CHN2的关系。关于页岩吸附不同气体所表现出的吸附量的差异，下文将从等量吸附热角度进行分析。4.1等量吸附热计算等量吸附热(Qs)定义为在恒温、恒压和恒定吸附4.03.53.0(8/u0)/吾期2.52.01.51.00.500 24 681012141618压力/MPa(b)45 等温吸附CO,实测值CO,Langmuir模型CH4实测值CH,Langmuir 模型N,实测值N,Langmuir模型CO,实测值Co,Langmuir模型CH4实测值CH,Langmuir模型N实测值N,Langmuir模型第10 期剂表面积(A)上吸附Nmol
29、气体的恰变AH,即为H的偏摩尔量，由Clapeyon-Clausius方程可推出压力、温度和Q的关系式(6)17-8。由式(6)可得式(7),再按照式(7)中1/T和lnP的关系作图,根据斜率可以得到等量吸附热Q1。HQ.=RTaNT,P,AInP=-RT式中：AH-页岩表面吸附气体的恰变,J/mol;T-吸附体系的温度,K;R-理想气体常数,8.3 145J/(molK)；C-常数。4.2等量吸附热分析按照上述计算过程结合CO2、CH 4、Nz 三种气体在不同温度下的吸附数据可得三种气体吸附过程中在页岩表面的等量吸附热变化情况（图7）。40000CO,等量吸附热CO,等量吸附热拟合CH等量吸
30、附热35000CH等量吸附热拟合(1ou/L)/洋明M鲁素N等量吸附热N,等量吸附热拟合3000025000200000图7 吸附过程中气体在页岩表面的等量吸附热变化由图7 可知,研究区页岩吸附CO2、C H 4、N2 的等量吸附热均小于40 kJ/mol,这表明研究区页岩对这三种气体的等量吸附热大小属于物理吸附范畴,同时等量吸附热与吸附量均满足线性正相关关系2 0(R30.97000)。根据RUTHVEN2的理解,吸附过程中等量吸附热随吸附量的增加而增大是因为被吸附气体分子间存在作用力,并且随着吸附量或吸附剂表面覆盖度增加，气体分子之间的作用力逐渐增强。另外，在相同吸附体系下，初始等量吸附热
31、Qs可反映吸附剂和吸附质分子间的直接作用关系，Qsl越大则吸附剂表面与气体分子的作用力越大2 2 。由图7 拟合函数外推可知,吸附量为零时，页岩吸附CO2、CH 4、Nz 的初始等量吸附热满足Qsto（CH 4)Q s o（CO 2)Q s t o（N2),说明研究区页岩对CH4的吸附作用力比CO2N2大,其中对N吸附作用力最小,但三者差距不大。而随着吸附量的增大,N,等量吸附热增大趋势远大于CH4和CO2，其中CO,等量吸附陈展等鄂尔多斯盆地富县地区页岩吸附性研究势满足:N2CHCO20在页岩样品对这三种气体吸附作用力差距不大的情况下，随着吸附作用的进行，分子间作用力差异明alnPalnP=
32、-RaTNQ+CQ.=39832.72727N+16257.40000R=0.979.30Q,=5 027.030 30N+20 892.66667R=0.998 40Q,=1 186.545 45N+18 704.600 00一R-0.999.95一10.10.2吸附量/mmol89热增大趋势最为缓慢，说明研究区页岩在等温吸附实验中随着吸附量的增加，分子间作用力增加，且增加趋(6)显，导致最终吸附量的大小主要受分子间作用力影响，(1/T)所以研究区页岩对三种气体的吸附量满足:COzCH4(7)N205结论(1)Langmuir模型对研究区页岩等温吸附数据具有很好的拟合效果，拟合结果表明温度和
33、压力对页岩的吸附量有很大影响，一定范围内，温度越高吸附量越小，压力越大吸附量增大，并趋于定值。(2)在Langmuir模型基础上建立的四参数 Langmuir扩展模型既继承了Langmuir模型的准确性，又能定量表征温度、压力、TOC、T m x 这四个参数对页岩吸附能力的综合影响,拓宽了Langmuir模型的适用范围。(3)等温吸附实验表明研究区页岩对CO2、CH 4、N2三种气体吸附量满足：CO2CHN2。从等量吸附热角度分析可知,页岩对三种气体的吸附属于物理吸附范畴，初始等量吸附热满足Qsto（CH 4)Qs l o（CO2)Qs o（N2),而随着吸附作用的进行，分子间作用力差异明显，
34、使得吸附量的大小主要受到分子间作用力的影响，最终页0.30.40.5岩对三种气体的吸附量呈现COCHNz的关系。参考文献：1吕连宏，张型芳，庞卫科，等.实施页岩气发展规划（2 0 16一2 0 2 0 年）的环境影响研究J.天然气工业，2 0 17,3 7(3)：132-138.2张金川，姜生玲，唐玄，等.我国页岩气富集类型及资源特点J.天然气工业,2 0 0 9,2 9(12)：10 9-114.3张金川，李振，王东升，等.中国页岩气成藏模式J.天然气工业,2 0 2 2,42(8):7 8-9 5.4CURTIS J B.Fractured shale-gas systemsJJ.AAPG
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41、究内容之一一“油藏渗流地球物物理表征4大难题开展技术攻关。从工作实际、数学模理技术研究”,取得阶段性成果。型、求解角度等方面三维联合阐述油藏渗流场的多相近年来,东部老油区进人“双高”开采阶段,老油区性和时变性。紧跟油田勘探部署,持续开展系统协同创的稳产上产成为持续保障能源安全的关键。“油藏渗流新。科研团队在数学模型重建、计算方法研究及实现、地球物理技术研究”旨在通过对老油区稳产上产开展与实际结合的模型测算上持续攻关；根据从油藏到地基础性、前瞻性研究，提高油气采收率。大港分院自震、从地震到油藏、从数学理论到实际应用、用实际模2020年承担该项目以来，组建了由东方物探公司首席型验证数学理论4大思路
42、，进阶攻关。专家及9 名技术骨干组成的技术攻关团队，按照任务据项目有关负责人介绍，目前已初步形成油藏渗领域分成理论基础研究、数据资料处理和数据资料解流场地球物理表征新方法、新理论,其研究成果在多个释3 个攻关小组，采取分别研究、定期研讨的方式开展埋深较浅的油田得到初步应用，并见到一定成效；同科研攻关，为老油区增储上产提供技术支撑。时，在国内外重要会议及期刊上发表论文6 篇，申报发立足基础性和前瞻性两个思路，扎实推进科研攻明专利5项。关。科研团队致力于油藏渗流场地球物理表征方法的（摘自中国石油新闻中心2 0 2 3-10-0 8）探索与实践,针对非一致性时移地震处理、一致性时移地震解释、地震驱动油藏静动态建模、油藏渗流场地球
