力学所在深层页岩吸附气与游离气量化表征研究中取得进展

加快深层页岩气勘探开发力度，对于保障国家能源安全和助力实现“双碳”目标具有重要的战略意义。深层（埋深大于3500m）页岩储层高温高压，纳米孔隙发育，限域空间内的气体将以“类固态密堆积”形式存在，密度远大于游离态气体的密度，甲烷气体的热力学参数发生了变化，不同页岩孔隙中赋存的甲烷相态特征差异很大。如何准确描述和定量表征深层页岩储层中吸附气和游离气是深层页岩气勘探开发中的难点问题，直接关系到深层页岩气资源潜力评估计算、有利目标区筛选和开发方案制定等问题，也是实现深层页岩气藏科学高效开发的基础。

近期，流固耦合系统力学重点实验室“深部资源与环境力学”研究团队与中石化工程院、中国矿业大学等单位在深层页岩吸附气与游离气量化表征方面开展了相关合作研究，以中国四川盆地志留系龙马溪组页岩为研究对象，开展了深层页岩气高压等温吸附实验，揭示了深层页岩气高压吸附特征，建立了深层页岩吸附气和游离气定量表征模型，分析了温度、压力、水分和游离气密度对吸附气和游离气的影响规律。研究表明，随着压力的增加，深层页岩中甲烷的过剩吸附量先增加后减少，修正的朗缪尔模型可用于描述深层页岩气吸附行为；当压力达到50MPa时，页岩吸附气和游离气的占比在23%-74%之间。研究工作对准确地评估深层页岩气的赋存状态及其含气量具有重要的理论和现实指导意义。


图1 深层页岩高压吸附实验和模拟拟合结果


图2 深层页岩吸附气和游离气体积模型和不同压力条件下含气量关系


图3 不同压力下吸附气和游离气之比关系

相关研究成果以“Quantitative studies on the characterization and evaluation of adsorbed gas and free gas in deep shale reservoirs”为题发表在能源领域重要期刊Energy & Fuels (2023, 37: 3752-3759)，力学所沈伟军副研究员为论文第一作者和通讯作者，论文合作者来自中石化工程院、中国矿业大学和大连理工大学等单位。研究工作得到了国家自然科学基金（12172362）、中石油创新基金（2021DQ02-0204）和中科院青促会人才项目等资助。