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《錄井工程雜志》2015年第一期

1等溫吸附法測量研究與實例

頁巖氣的等溫吸附原理主要參考煤層氣的吸附原理，實驗研究則是在恒溫條件下采用靜態吸附體積法。根據吸附質在吸附前后的壓力、體積和溫度等條件變化，通過質量平衡方程、靜態氣體平衡和壓力測定來模擬吸附過程，計算不同壓力下的吸附氣量，建立吸附氣量與壓力和溫度的關系模型［1，3－4］。實驗過程是在恒溫條件下，測試不同壓力（p）下氣體的吸附量（V）并繪制等溫吸附線，根據朗格繆爾（Langmuir，1916）方程計算等溫飽和吸附氣量和朗氏壓力。朗氏體積代表頁巖最大吸附能力，其物理意義是在給定的溫度下頁巖吸附甲烷達到飽和時的最大吸附氣含量。朗氏壓力是朗氏體積一半所對應的壓力。在低壓條件下，氣體吸附量隨著壓力的增大而增加，在趨近飽和時增加速率逐漸變慢，達到12MPa后吸附量達到飽和，VL成為一條平滑的直線。北美地區的頁巖氣勘探實踐表明，頁巖吸附氣大多服從朗格繆爾方程［1］。頁巖氣層溫度與解析試驗溫度接近時，不需要進行壓力校正。朗格繆爾方程適用于估算存在游離氣的頁巖層飽和吸附氣量平均值。在F頁巖氣田JY1井現場，利用ISO200等溫吸附儀進行7組實驗測量（表1），相近瀝青反射率A、鏡質體反射率Ro，頁巖吸附含氣量隨Cto增大而增大（圖1），這主要是與頁巖中的干酪根和黏土結構造成的顆粒比表面積增大有關。30℃條件下等溫飽和吸附氣量（VL）平均為3．17m3／t，朗氏壓力（pL）平均為2．62MPa。80℃地層溫度條件下頁巖吸附氣量平均為1．28m3／t，溫度升高頁巖吸附能力明顯下降。樣品B取自志留系龍馬溪組下部地層，巖性為黑色碳質頁巖（表2），通過p／V－p等溫吸附線回歸方程（圖2）得到30℃條件下VL為2．7567m3／t，約為2．76m3／t。樣品H取自奧陶系五峰組地層，巖性為灰黑色碳質頁巖。國內外實驗室模擬試驗均顯示，在相同的壓力下，溫度升高一倍，頁巖吸附能力下降到原吸附能力的一半［1］。在不同溫度下頁巖的朗氏壓力和解吸所需的啟動壓力沒有明顯變化。當地層壓力達到約12．0MPa時，游離氣和吸附氣含量基本相等，吸附氣達到飽和狀態。之后，隨著埋深的增加和地層壓力的增大，游離氣含量逐步增加。地層壓力達到29．4MPa左右時，游離氣含量是吸附氣含量的2倍以上，并且溫度的變化對頁巖達到最大吸附氣量所需的壓力沒有影響。因此，F頁巖氣田實驗室30℃等溫吸附法測量結果需要溫度校正，氣藏中部地層溫度80℃、壓力36．5MPa，校正后的總吸附氣含量為1．28m3／t，基本遵循在相同的壓力下，溫度升高一倍，頁巖吸附能力下降到原吸附能力的一半這一規律。氣藏壓力遠遠超過了啟動壓力（12．0MPa）和朗氏壓力（3．59MPa），頁巖已達到最大飽和吸附氣量。

2解吸法測量研究與實例

解吸法測量的頁巖含氣量主要由損失氣量、解吸氣量和殘余氣量3部分組成。損失氣量是在快速取出巖心后，現場直接裝入解吸罐之前所釋放出的氣量。這部分氣體無法測量，只能通過氣體損失時間和實測的解吸氣量的變化速率進行理論計算，沒有充分考慮鉆井過程中擴散到鉆井液中的部分氣量。解吸氣量是巖心裝入解吸罐后解吸出的氣體總量，一般要延續2周至4個月，由解吸氣量大小而定。通常1周內平均解吸速度小于10cm3／d時便可終止解吸。殘余氣量是終止解吸后仍留在樣品中的那部分氣體。需將巖樣裝入密閉的球磨罐中破碎，然后放入恒溫裝置中，待恢復到儲集層溫度后按規定的時間間隔反復進行氣體解吸，直至連續1周解吸的氣體量小于或等于10cm3／d，測定其殘余氣量［6］。對JY1井奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組取心段進行了現場解吸法含氣量測試，30塊樣品解吸實驗顯示，總含氣量介于0．44～5．19m3／t，平均為1．97m3／t，主要以損失氣與解吸氣為主，殘余氣含量低。損失氣含量介于0．11～3．9m3／t，平均為1．14m3／t；解吸氣含量介于0．31～1．4m3／t，平均值為0．79m3／t；殘余氣含量介于0．01～0．07m3／t，平均為0．04m3／t。對比JY1井巖心飽和吸附氣量測量實驗發現，溫度30℃、壓力0．1013MPa時，巖心飽和吸附氣量與巖心解吸后獲得的總含氣量較大值基本接近。通過對比分析后可以這樣認為：頁巖總含氣量由吸附氣量和游離氣量組成，JY1井現場頁巖解吸獲得的總含氣量主要為頁巖層吸附氣含量，游離氣含量比例較小，現場評價可以忽略不計。儲集層孔隙與裂縫游離氣充足，游離氣與吸附氣處于動態平衡。這里可以認為，JY1井解吸氣量代表的是頁巖吸附氣量，與Cto關系方程為：Qgt＝0．78Cto。

3主要認識

①頁巖吸附法實驗是鉆井現場快速獲得朗氏體積（VL）和朗氏壓力（pL）的有效途徑，VL和pL宜取實驗測量的平均值，可以利用VL評估井場快速解吸獲得的吸附氣與游離氣含量比例關系。②F頁巖氣田井場頁巖等溫吸附與快速解吸實驗表明，JY1井現場頁巖解吸所獲得的總含氣量主要為吸附氣量，游離氣量所占比例較小。③頁巖吸附氣量（Qgt）與樣品有機碳含量（Cto）成正相關，并遵循“在相同壓力情況下，溫度升高一倍，頁巖吸附能力下降到原吸附能力的一半”規律，F頁巖氣田五峰組—龍馬溪組下部頁巖層Qgt＝0．78Cto。

作者：石文睿郭美瑜張建平馮愛國趙紅燕葉應貴石元會單位：長江大學地球物理與石油資源學院香港中文大學中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司