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本博士论文仔细分析了中国南方古生界寒武系、志留系和二叠系海相页岩及其干酪根的吸附容量及其与有机质丰度、可溶有机质、成熟度及吸温度、粘土矿物含量等的相关性,并结合页岩孔隙结构和比表面积分析,综合研究了南方古生界页岩吸附性能及其控制因素和相关的吸附机制。论文取得主要认识和结论如下:
1、南方古生界页岩的甲烷吸附量在0.7~2.7cm3/gSTP之间,不同时代、不同地区样品吸附量相差很大;但总体上南方古生代页岩的吸附容量与美国页岩气产区页岩具有可比性。
2、南方古生界页岩甲烷吸附容量与有机碳含量之间整体具有正相关性,显示有机质是页岩吸附能力的主要影响控制因素,但相关系数随地层时代及分布区域有显著变化。
3、可溶有机质吸附及对页岩吸附容量的影响与地层时代与成熟度有很大的关联,高过成熟的寒武系页岩中可溶有机质提升了页岩吸附能力,而较低成熟度的二叠系页岩可溶有机质则对页岩的吸附具有一定的抑制作用;与此同时,高成熟度的志留系页岩中可溶有机质则呈现抑制和促进页岩吸附能力两种情形。
4、古生界页岩干酪根具有较强的吸附能力,吸附容量在9~35cm3/gSTP之间,并明显受干酪根类型影响,其中Ⅲ型干酪根比Ⅱ型干酪根的吸附量要大;不同时代的干酪根吸附能力相差较大的原因,可能是成熟度的原因,即不同成熟度的干酪根孔隙发育程度不同。
5、粘土矿物种类及含量对页岩吸附能力的影响作用比较复杂,尽管蒙脱石具有较强的吸附能力,吸附量可达5.8cm3/gSTP,但总体上粘土矿物含量与页岩吸附容量之间无明显相关性,显示粘土矿物不是页岩吸附作用的主要载体。
6、页岩的比表面积和孔体积都与甲烷吸附量具有正相关关系,且平均孔径越小,比表面积越大,越利于页岩甲烷的吸附。
7、吸附温度是控制页岩甲烷吸附容量的重要因素之一,温度越高页岩吸附量越小,但页岩的吸附热和标准吸附熵不随温度改变。寒武系和志留系页岩吸附热分别为8.46和4.29kJmol-1,标准吸附熵分别为-37.39和-21.74Jmol-1K-1;它们的干酪根吸附热分别为9.69和8.86kJmol-1,标准吸附熵分别为-38.50和-34.06Jmol-1K-1。
8、自行开发研制了超高压气体吸附解吸附分析仪,设计最大压力为高达70MPa,并设计编写了仪器操作和数据分析软件,并显示出积极的科学研究与工业用途。