煤岩吸附氢气特征及其地质意义

氢气有望成为接替化石能源的重要清洁能源类型,可以减少全球温室气体排放,但是规模化的氢气产业需要大型的储库来储存氢气,利用地下储层储集大量氢气已成为一条新的思路。以中国鄂尔多斯盆地、沁水盆地及宁武盆地石炭—二叠系山西组及太原组11个不同变质程度煤岩样品为研究对象,利用氢气等温吸附实验,结合朗格缪尔模型、比表面积和总孔体积评价了煤岩吸附氢气量,结合煤岩煤质、有机地化、矿物及孔隙结构特征对煤岩吸附氢气机理进行了探讨。研究表明:朗格缪尔模型适用于模拟煤岩吸附氢气潜力计算与评价,不同变质程度煤岩均具有较高的氢气吸附量,且变质程度越高、有机质丰度越高、微孔越为发育的煤岩,其氢气吸附量越高。煤岩中的氢气主要通过范德华力被物理吸附在煤岩表面,随着煤岩变质程度升高,有机质参与形成的微孔越多,提供的孔体积及总比表面积逐渐增加,提高了氢气吸附量,且较高的孔隙连通性可以提高氢气进入孔隙并被吸附的效率。煤岩吸附氢气量会随压力增大而增大,但由于分子间斥力等原因,吸附速率逐渐下降,氢气储存逐渐达到饱和。中国深部煤层较为发育,为煤层储氢提供了良好的基础,但由于化学反应、竞争吸附等问题,氢气在煤岩储层中会发生损耗和散失。利用高压进行氢气封存或采出氢气会对煤岩储层结构产生不可逆破坏,这对于通过煤岩储层进行氢气的一次或多次储存都存在不利影响。变质程度较高的深部煤层作为储氢层位具备一定潜力,但仍需进一步研究以克服氢气损耗和储层破坏等关键问题。

基于激光拉曼和傅里叶变换质谱实验的高—过成熟有机质特征评价

如何准确评价沉积有机质特征是油气资源勘探开发工作的关键问题之一,勘探开发实践证实高—过成熟有机质特征评价尤其困难。为此,以松辽盆地下白垩统沙河子组、四川盆地下志留统龙马溪组和下寒武统筇竹寺组烃源岩为研究对象,运用激光拉曼和傅里叶变换质谱等方法对烃源岩样品进行了有机质特征评价,开展了超高分辨率的傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)实验,并从分子角度讨论了有机质热演化特征,计算了烃源岩样品的成熟度评价指标(MAT),表征了有机质分子化合物相对含量动态变化规律,实现了可连续量化的有机质成熟度评价。研究结果表明:①松辽盆地沙河子组、四川盆地龙马溪组和筇竹寺组烃源岩的有机质具有良好的生油气潜力,镜质体反射率(R_(o))大于1.30%,有机质的热演化程度为高—过成熟;②松辽盆地沙河子组烃源岩有机质化合物以碳氢类型为主,四川盆地龙马溪组和筇竹寺组以硫化合物和氧化合物为主,碳氢化合物、N_(1)、O_(1)、S_(1)化合物的单同位素离子总丰度呈现出随成熟度的增加而降低的趋势;③在R_(o)=0~2.50%、岩石热解高峰温度(T_(max))介于420~600℃时,烃源岩的MAT与成熟度正相关,而当R_(o)>2.50%、T_(max)>600℃时,MAT出现逐渐下降的现象,该现象可能与有机质分子化合物的热稳定性和沥青、石墨的生成有关;④激光拉曼光谱实验结果证实了基于FT-ICR MS的成熟度指标化合物中芳香环增加的现象。结论认为,激光拉曼和傅里叶变换质谱从不同角度揭示了热演化过程中有机质的结构变化,为高—过成熟烃源岩的有机质特征评价提供了启示。

基于傅里叶变换质谱的烃源岩成熟度评价方法及地质意义

伴随非常规油气资源的勘探开发,油气资源开采的广度和深度进一步扩大,一定程度上缓解了我国油气供需矛盾、保障了我国能源安全,同时有力推动了能源结构战略转型。但同时也对能源地质研究工作提出了新的挑战。有机质成熟度是油气评价的重要参数之一,不同成熟阶段的有机质会对应产出不同成因、不同性质、不同质量的油气,如何准确评价沉积有机质成熟度是当前油气资源勘探开发工作的关键问题之一。前人在科研实践工作中从光学、化学、谱学等角度提出了适用条件各异的成熟度评价方法,在部分地质环境中获得了良好的应用效果,但已有的成熟度指标多受测定方法原理的制约导致其适用性不同程度受限(肖贤明等,2020),制约了油气资源的高质量勘探开发。

Pore Connectivity of Deep Lacustrine Shale and its Effect on Gas-bearing Characteristics in the Songliao Basin:Implications from Continental Scientific Drilling

The lacustrine shale of deep Shahezi Formation in the Songliao basin has great gas potential,but its pore evolution,heterogeneity,and connectivity characteristics remain unclear.In this work,total organic carbon analysis,rock pyrolysis,X-ray diffraction field emission scanning electron microscopy,the particle and crack analysis system software,low-temperature nitrogen adsorption experiment,fractal theory,high-pressure mercury injection experiment and nuclear magnetic resonance experiment were used to study the Shahezi shale from Well SK-2.The result indicated that the organic pores in Shahezi shale are not developed,and the intergranular and intragranular pores are mainly formed by illitedominated clay.As the burial depth increases,the pore size and slit-shaped pores formed by clay decrease,and dissolved pores in the feldspar and carbonate minerals and dissolved fractures in the quartz increase.The pore evolution is affected by clay,compaction,and high-temperature corrosion.Based on the pore structure characteristics reflected by the pore size distribution and pore structure parameters obtained by multiple experimental methods,the pore development and evolution are divided into three stages.During stageⅠandⅡ,the pore heterogeneity of the shale reservoirs increases with the depth,the physical properties and pore connectivity deteriorate,but the gas-bearing property is good.In stageⅢ,the pore heterogeneity is the highest,its gas generation and storage capacity are low,but the increase of micro-fractures makes pore connectivity and gas-bearing better.

元素俘获能谱在深层致密储层评价中的应用:以松科2井为例

松辽盆地沙河子组存在多段气测异常,显示了该地层具有致密气勘探潜力,但研究区深层致密储层非均质性强、厚度薄、互层发育且类型多样。在松科2井常规测井曲线分析基础上,利用元素俘获能谱精细反演矿物组分含量,对地层岩性进行准确识别,并建立了元素交汇图识别出5种类型储层。结合岩石物理实验资料,得到地层的变骨架孔隙度、脆性指数、有机碳含量等储层评价参数,依据气测资料及综合评价指数将储层分为三大类。研究结果表明:沙河子组地层(3730~4500 m)孔隙度主要分布在5%~9%,脆性指数主要分布在45%~60%,临近烃源岩TOC含量普遍较高且累计厚度较大,识别出3798~3831 m、3950~3990 m、4150~4200 m是具有勘探开发潜力的有利致密气层段。利用元素俘获能谱评价致密气储层结果准确,能为深层致密气储层优选及压裂改造提供参考依据。

松辽盆地深层陆相页岩储层测井评价:以国际大陆科学钻探为例

松辽盆地大陆科学钻探松科2井在深层沙河子组气测异常层段较多,累计厚度大,含气特征明显,揭示了松辽盆地深层陆相页岩层系具有广阔的勘探前景。采用常规和特殊测井方法,结合岩心测试数据,对沙河子组3700~4500 m层段的页岩储层进行评价,运用测井曲线叠合法和交会图法识别页岩含气储层,定量分析页岩储层总有机碳质量分数((w(TOC))、孔隙度、渗透率、脆性以及总含气量等参数,建立相应的解释模型和计算方法。研究结果表明:深层陆相沙河子组页岩含气储层表现出自然伽马高、电阻率高、铀(U)质量分数低、声波时差低、密度低、补偿中子低等特征;3700~4500 m页岩储层w(TOC)局部呈高值,部分层段平均w(TOC)在2%以上;孔隙度分布在0.28%~8.45%之间;渗透率分布在(0.002~0.509)×10^(−3)μm^(2)之间;脆性指数分布范围为19.86%~67.87%;总含气量为1.79~2.57 m^(3)/t;松辽盆地深层陆相页岩储层整体上呈低孔低渗的特征,含气层段较多,3722~3762 m层段、3820~3860 m层段、4100~4150 m层段以及4400~4460 m层段为Ⅰ类含气储层,3890~3940 m层段、4220~4280 m层段和4320~4360 m层段为II类含气储层,具有页岩气资源开发潜力。

非常规天然气含量解析法实验教学实践

面向工程教育和新工科培养目标要求,以提高学生实际动手操作能力和逻辑思维认知水平为核心,启发学生思考并深入探讨含气量解析规律是资源勘查工程专业非常规天然气方向的重要教学内容。为了让学生直观地掌握非常规储层含气量理论知识,培养学生专业兴趣和实操能力,引入非常规天然气含量解析测试系统,阐明了实验思路、测试原理、操作步骤及数据分析方法,同时设计了虚拟仿真实验软件,开展了真实实验与虚拟测试相结合的研究性教学实践,为学生创新性学习提供了平台,提升了实验教学水平和学生专业素质。

天然气中氢气成因及能源意义

长期以来,随着油气成因理论的不断拓展和全球对清洁能源需求的日益扩大,氢气作为连接无机与有机生烃学说的重要纽带,同时也作为一种极具前景的清洁能源,逐渐引发了学术界的广泛关注。天然气中氢气的成因相对复杂多样,根据其反应机理分为无机、有机成因两大类,无机成因以地球脱气、水岩反应及水辐射分解为主,而有机成因以生物作用和有机质热解为主。目前主要利用氢同位素和伴生气体地球化学特征等方法判识氢气成因,但是由于氢气本身复杂多样的来源及其活泼的化学性质,目前尚不能系统地准确判识氢气成因。由于氢气成因的广泛性,全球各地不同地质条件下均发现了不同氢浓度的天然气,且氢气含量变化极大(0.1%~99%)。氢气既可以作为还原剂在费托合成中参与生烃,又可以作为氢源在有机质热演化过程中提高烃类物质产率,因此氢气的存在将可能延伸深层天然气勘探开发的深度下限。在系统总结氢气成因机理和分布规律的基础上,探讨了天然气中氢气的能源意义,为未来富含氢气天然气资源的研究提供了参考。