與常規油氣藏相比，頁巖氣的賦存形式主要以游離態和吸附態為主，且頁巖氣層巖石致密，發育大量的納米級孔隙，具有極低孔隙度和滲透率的特點，且滲透率范圍一般小于10-3mD。頁巖孔隙結構對頁巖的吸附性能、滲流性能等有重要的影響。因此，頁巖孔隙結構特征的研究具有重要的意義。以海相頁巖和陸相頁巖為研究對象，借助多種實驗（低壓氮氣吸附測試、氬離子拋光-場發射掃描電鏡、CT掃描技術等）手段，研究了海相頁巖、陸相頁巖等富有機質頁巖的孔隙結構表征方法及其特征，揭示了富有機質頁巖孔隙結構的礦物學控制因素及其對頁巖吸附性能的影響機制，也揭示了海相頁巖、陸相頁巖之間的孔隙結構特征差異以及礦物學控制因素的差異。
富有機質頁巖孔隙結構特征
在此基礎上，進一步研究了甲烷在頁巖孔隙中微觀吸附機理。基于分子模擬方法，構建了甲烷分子在頁巖不同類型的納米級孔隙中吸附過程，甲烷分子在頁巖孔壁面附近區域聚集從而形成吸附層，其為吸附相，而遠離孔壁區域，甲烷分子分散于孔中，其為游離相；隨著孔徑增大或壓力增大，甲烷分子在頁巖孔隙中由單層吸附向多層吸附轉變，揭示了甲烷分子在頁巖孔隙中的賦存微觀結構。從微觀角度構建了頁巖孔隙中甲烷含氣量計算方法，揭示了頁巖氣微觀吸附機理以及頁巖孔隙中甲烷的吸附氣量所占的比例的變化規律，顯示出頁巖中有機質孔對吸附氣量貢獻大，黏土礦物孔中存在少量吸附氣量，而非黏土礦物孔對吸附氣量貢獻可被忽略；在此基礎上，進一步研究了溫度、水分及不同組分對甲烷在頁巖孔隙中吸附行為的影響，并揭示了溫度、水分及不同組分的微觀作用機制。
a2 MPa |
b6 MPa |
c10 MPa |
d14 MPa |
甲烷分子在孔隙中部分壓力的瞬間構型圖（T=333K）
不同類型孔隙中甲烷的吸附氣量所占的比例的變化規律
我院劉向君教授、熊健副研究員在國家自然科學基金項目（U1262209、41602155、41872167）和西南石油大學非常規地層巖石物理青年科技創新團隊（2018CXTD11）經費資助下，在頁巖氣巖石物理基礎研究方面發表了多篇SCI/EI論文。截至目前，劉向君教授領銜的研究團隊在相關研究領域已有3篇論文入選ESI高倍引論文：
(1)Liu X, Xiong J, Liang L. Investigation of pore structure and fractal characteristics of organic-rich Yanchang formation shale in central China by nitrogen adsorption/desorption analysis[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, 22: 62-72.
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187551001400362X
(2)Xiong J, Liu X, Liang L. Experimental study on the pore structure characteristics of the Upper Ordovician Wufeng Formation shale in the southwest portion of the Sichuan Basin, China[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, 22: 530-539.
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1875510015000050
(3)Xiong J, Liu X, Liang L, et al. Adsorption of methane in organic-rich shale nanopores: An experimental and molecular simulation study[J]. Fuel, 2017, 200: 299-315.
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236117303599
