与常规油气藏相比，页岩气的赋存形式主要以游离态和吸附态为主，且页岩气层岩石致密，发育大量的纳米级孔隙，具有极低孔隙度和渗透率的特点，且渗透率范围一般小于10^-3mD。页岩孔隙结构对页岩的吸附性能、渗流性能等有重要的影响。因此，页岩孔隙结构特征的研究具有重要的意义。以海相页岩和陆相页岩为研究对象，借助多种实验（低压氮气吸附测试、氩离子抛光-场发射扫描电镜、CT扫描技术等）手段，研究了海相页岩、陆相页岩等富有机质页岩的孔隙结构表征方法及其特征，揭示了富有机质页岩孔隙结构的矿物学控制因素及其对页岩吸附性能的影响机制，也揭示了海相页岩、陆相页岩之间的孔隙结构特征差异以及矿物学控制因素的差异。

富有机质页岩孔隙结构特征

在此基础上，进一步研究了甲烷在页岩孔隙中微观吸附机理。基于分子模拟方法，构建了甲烷分子在页岩不同类型的纳米级孔隙中吸附过程，甲烷分子在页岩孔壁面附近区域聚集从而形成吸附层，其为吸附相，而远离孔壁区域，甲烷分子分散于孔中，其为游离相；随着孔径增大或压力增大，甲烷分子在页岩孔隙中由单层吸附向多层吸附转变，揭示了甲烷分子在页岩孔隙中的赋存微观结构。从微观角度构建了页岩孔隙中甲烷含气量计算方法，揭示了页岩气微观吸附机理以及页岩孔隙中甲烷的吸附气量所占的比例的变化规律，显示出页岩中有机质孔对吸附气量贡献大，黏土矿物孔中存在少量吸附气量，而非黏土矿物孔对吸附气量贡献可被忽略；在此基础上，进一步研究了温度、水分及不同组分对甲烷在页岩孔隙中吸附行为的影响，并揭示了温度、水分及不同组分的微观作用机制。

甲烷分子在孔隙中部分压力的瞬间构型图（T=333K）

不同类型孔隙中甲烷的吸附气量所占的比例的变化规律

我院刘向君教授、熊健副研究员在国家自然科学基金项目（U1262209、41602155、41872167）和红宝石官方网站hbs123非常规地层岩石物理青年科技创新团队（2018CXTD11）经费资助下，在页岩气岩石物理基础研究方面发表了多篇SCI/EI论文。截至目前，刘向君教授领衔的研究团队在相关研究领域已有3篇论文入选ESI高倍引论文：

(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.

全文链接：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.

全文链接：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.

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236117303599