富有機質頁巖-水蒸氣吸附熱力學與動力學特性——以鄂爾多斯盆地二疊系山西組頁巖為例

作者：黨偉,張金川,王鳳琴,李沛,單長安,王睿婧

摘要：吸附是頁巖儲層原生水賦存、外來水滯留的關鍵機理之一,而明確水在富有機質頁巖中的吸附特性則對于進一步探討頁巖儲層微觀氣水分布、深化頁巖氣富集成藏機理以及提高頁巖氣采收率等地質和工程問題具有重要的理論和實踐意義。采用實驗測試(頁巖-水蒸氣等溫吸附)和理論模型(7種吸附熱力學模型和4種吸附動力學模型)相結合的研究方法,對頁巖-水蒸氣吸附特性展開基礎理論研究。結果表明:頁巖-水蒸氣吸/脫附等溫線為典型的Ⅱ型曲線且吸/脫附滯后環一直延伸至極低相對壓力區,而這與粘土礦物層間水難以脫出有關;GAB與Dent模型是描述頁巖-水蒸氣等溫吸附曲線的最佳模型,反映水分子從單分子層吸附到多分子層吸附再到毛細凝聚的物理過程且存在兩級吸附點位。當p/p 0<0.1,水分子主要吸附在基質孔隙表面的一級吸附點位上,形成單分子層吸附。隨著相對壓力繼續增加(0.1<p/p 0<0.8),一級吸附點位開始逐漸吸附飽和,而水分子在二級吸附點位上的吸附量開始迅速增加,形成多分子層吸附。當p/p 0>0.8,一級吸附點位已基本達到飽和,而二級吸附點位對水分子吸附的貢獻則繼續增加,出現毛細凝聚現象;此外,頁巖-水蒸氣吸附的吉布斯自由能變、焓變以及熵變均為負值,表明吸附是一個自發、放熱、熵減的過程;雙一階動力學模型是描述頁巖-水蒸氣吸附動力學過程的最佳理論模型,表明頁巖-水蒸氣吸附過程可劃分為初期外擴散主導的表面吸附和后期內擴散所主導的孔隙吸附,并且內擴散是控制水蒸氣吸附的速率控制步驟。

發文機構：西安石油大學地球科學與工程學院 全國石油和化工行業致密油氣地質學重點實驗室 中國地質大學（武漢）構造與油氣資源教育部重點實驗室 中國地質大學（北京）能源學院

關鍵詞：吸熱熱力學吸附動力學吸附機理水蒸氣吸附富有機質頁巖山西組二疊系鄂爾多斯盆地thermodynamicsadsorption kineticsadsorption mechanismwater vapor adsorptionorganic-rich shaleShanxi FormationPermianOrdos Basin

分類號： TE122.2[石油與天然氣工程—油氣勘探]