考慮干酪根中溶解氣的頁巖氣藏儲(chǔ)量計(jì)算方法

楊　龍，梅海燕，張茂林，袁　恩

考慮干酪根中溶解氣的頁巖氣藏儲(chǔ)量計(jì)算方法

楊龍，梅海燕，張茂林，袁恩

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都610500）

前人在計(jì)算頁巖氣儲(chǔ)量時(shí)未考慮干酪根中溶解的頁巖氣，但已有學(xué)者證明，干酪根中也溶解大量的頁巖氣，在進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)不能忽略。不考慮干酪根中溶解氣的儲(chǔ)量計(jì)算方法，不能真實(shí)、準(zhǔn)確地計(jì)算頁巖氣藏的儲(chǔ)量。在前人關(guān)于頁巖氣儲(chǔ)量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，建立了同時(shí)考慮吸附相密度、基質(zhì)和裂縫孔隙體積隨壓力變化、吸附相體積隨壓力變化以及儲(chǔ)存在干酪根中溶解氣的物質(zhì)平衡方程。通過實(shí)例計(jì)算可知，溶解氣占據(jù)總儲(chǔ)量的4.69%左右，不考慮溶解氣計(jì)算出來的自由氣儲(chǔ)量、吸附氣儲(chǔ)量和總儲(chǔ)量都偏大。因此，為了確保儲(chǔ)量計(jì)算的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)必須將溶解氣考慮在內(nèi)。

干酪根；頁巖氣；基質(zhì)；裂縫；溶解氣；孔隙度；物質(zhì)平衡方程；儲(chǔ)量計(jì)算

頁巖氣是一種連續(xù)生成的生物化學(xué)作用氣、熱裂解作用氣或兩者混合而成的天然氣，具有運(yùn)移距離短、多種封閉機(jī)理、成藏隱蔽、地層飽和氣等成藏特點(diǎn)［1］。頁巖氣賦存方式有3種：第一種是以游離狀態(tài)存在于頁巖孔隙和天然裂縫中；第二種是以吸附狀態(tài)存在干酪根和黏土顆粒表面；第三種是以溶解狀態(tài)存在干酪根和瀝青質(zhì)中。前人研究認(rèn)為，溶解氣含量較少，進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)可以不考慮溶解氣的影響［2-4］。而文獻(xiàn)［5］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干酪根中的溶解氣也是氣體的重要儲(chǔ)存方式，忽略溶解氣會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果不符合實(shí)際。

在頁巖氣資源勘探開發(fā)過程中，儲(chǔ)量評(píng)價(jià)十分重要［6］，物質(zhì)平衡法是目前評(píng)價(jià)頁巖氣藏儲(chǔ)量的常用方法［7］。文獻(xiàn)［7］考慮吸附氣的影響建立了頁巖氣藏的物質(zhì)平衡方程，提出Z*計(jì)算方法；文獻(xiàn)［8］重新定義了Z因子，簡(jiǎn)化了頁巖氣藏物質(zhì)平衡方程，但是卻沒有考慮裂縫系統(tǒng)；文獻(xiàn)［2］同時(shí)考慮基質(zhì)孔隙體積和裂縫孔隙體積隨地層壓力變化，建立了封閉性頁巖氣藏物質(zhì)平衡方程；文獻(xiàn)［3］建立了同時(shí)考慮有效應(yīng)力和基質(zhì)收縮對(duì)孔隙度影響的物質(zhì)平衡方程；文獻(xiàn)［4］在計(jì)算游離氣體積時(shí)，考慮了吸附相所占有的孔隙體積；文獻(xiàn)［9］建立了考慮吸附相密度變化的物質(zhì)平衡方程；文獻(xiàn)［10］建立了同時(shí)考慮基質(zhì)孔隙體積和裂縫孔隙體積隨地層壓力變化，以及吸附氣所占體積的物質(zhì)平衡方程。但是，上述方法均沒有考慮干酪根中的溶解氣對(duì)儲(chǔ)量計(jì)算的影響，本文在前人的研究基礎(chǔ)上，提出了考慮干酪根中溶解氣的頁巖氣藏物質(zhì)平衡方程。

1　頁巖氣藏物質(zhì)平衡方程的建立

由于頁巖氣和煤層氣的吸附機(jī)理相似，因此采用Langmuir吸附等溫式作為頁巖氣藏中吸附氣量的表達(dá)式。假設(shè)頁巖氣藏開發(fā)處于等溫狀態(tài)，則頁巖氣等溫吸附式［11］為

基質(zhì)總體積為

地面條件下吸附氣體積為

由質(zhì)量守恒定律可得，ρ1V1=ρ2V2.因此，地層條件下吸附相的體積為

吸附相的體積變化量為

吸附氣的解吸量為

隨著地層壓力的下降，巖石顆粒變形和束縛水發(fā)生彈性膨脹，則基質(zhì)和裂縫中孔隙體積的變化值為

瀝青質(zhì)中甲烷溶解度的經(jīng)驗(yàn)公式可由（9）式來計(jì)算，為了避免在壓力較低時(shí)溶解度出現(xiàn)負(fù)值，在地層溫度為25～100℃、壓力為0時(shí)，溶解度也為0。

式中b1=-0.018 931；b2=-0.850 480；

b3=827.260；b4=-635.260.

甲烷在干酪根中的溶解度和在瀝青質(zhì)中一樣，則溶解氣體積的計(jì)算公式為［13-14］

又因?yàn)榭偢衫腋蓟|(zhì)的體積分?jǐn)?shù)Vtker可以表示為［15］

因此，干酪根的總體積

Vtker的計(jì)算式為［16］

則溶解氣的儲(chǔ)量為

當(dāng)?shù)貙訅毫ο陆档絧時(shí)，在地層條件下，溶解氣的擴(kuò)散量可由下式計(jì)算：

根據(jù)體積守恒定律可得到

累計(jì)產(chǎn)氣量=基質(zhì)內(nèi)自由氣膨脹體積+顆粒巖石變形和束縛水的膨脹量+解吸的吸附氣體積+擴(kuò)散的溶解氣體積-吸附相變化體積+裂縫內(nèi)自由氣的膨脹體積+裂縫內(nèi)孔隙體積減小和束縛水膨脹體積

因此可以得到：

令，代入（18）式，可以簡(jiǎn)化得

2　模型求解

令Y=VPBg，M=Bg-Bgi+CcfBgiΔp，

整理（19）式可以得到

兩邊同時(shí)除以M可以得到

3　實(shí)例分析

某頁巖氣藏的基本參數(shù)如下：pi=24.13 MPa，Bgi=4.82×10-3m3/m3，Smwi=0.25，Cm=4.35×10-4MPa-1，Cf= 2.0×10-2MPa-1，Cw=4.35×10-4MPa-1，Sfwi=0，φmt=0.112，VL= 11.32m3/t，pL=2.41MPa，ρsc=7.7×10-4g/cm3，ρs=0.34g/cm3，ρb=2.65 g/cm3，T=366.49 K，CTOC=5%，φorg=0.012，φads= 0.002 3，ρko=1.325 g/cm3，生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1.

表1　某頁巖氣藏生產(chǎn)數(shù)據(jù)

利用上述數(shù)據(jù)，使用本文中推導(dǎo)的物質(zhì)平衡方程來計(jì)算頁巖氣藏儲(chǔ)量，結(jié)果見圖1和表2.

圖1　本文推導(dǎo)物質(zhì)平衡方程的儲(chǔ)量回歸

表2　不同方法計(jì)算儲(chǔ)量結(jié)果對(duì)比108m3

由計(jì)算結(jié)果可知，考慮溶解氣計(jì)算的基質(zhì)中自由氣的儲(chǔ)量比不考慮溶解氣的計(jì)算結(jié)果要少6.36%，裂縫中自由氣的儲(chǔ)量少9.26%，吸附氣儲(chǔ)量少6.36%，總儲(chǔ)量少2.30%，考慮溶解氣計(jì)算的溶解氣儲(chǔ)量為0.984 7×108m3，占據(jù)總儲(chǔ)量的4.69%.

忽略溶解氣的影響會(huì)導(dǎo)致累計(jì)產(chǎn)氣量中自由氣的貢獻(xiàn)率偏大，導(dǎo)致計(jì)算出來的自由氣、吸附氣儲(chǔ)量偏大，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算出來的總儲(chǔ)量偏大。由此可見，估算頁巖氣藏儲(chǔ)量的時(shí)候，考慮溶解氣會(huì)更加精確。

4　結(jié)論

本文建立同時(shí)考慮吸附相密度、基質(zhì)和裂縫中孔隙體積隨壓力變化、吸附相體積隨壓力變化和儲(chǔ)存在干酪根中溶解氣等多因素影響的物質(zhì)平衡方程。

通過實(shí)例計(jì)算發(fā)現(xiàn)，忽略溶解氣的影響會(huì)導(dǎo)致累計(jì)產(chǎn)氣量中自由氣的貢獻(xiàn)率偏大，導(dǎo)致計(jì)算出來的自由氣、吸附氣儲(chǔ)量偏大，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算出來的總儲(chǔ)量偏大。而且，溶解氣的儲(chǔ)量占據(jù)總儲(chǔ)量的4.69%，在進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)不可忽略溶解氣的影響。

符號(hào)注釋

Bg——當(dāng)前地層壓力下氣體的體積系數(shù)，m3/m3；

Bgi——頁巖氣的體積系數(shù)，m3/m3；

Cf——裂縫壓縮系數(shù)，MPa-1；

Cm——基質(zhì)巖石的壓縮系數(shù)，MPa-1；

Cw——地層水壓縮系數(shù)，MPa-1；

CTOC——總有機(jī)碳含量，%；

c（p）——干酪根中甲烷的溶解度，m3/m3；

Va——地層條件下吸附相體積，108m3；

Vasc——地面條件下吸附氣體積，108m3；

Vdsc（p）——在地面條件下溶解氣的體積，10m；

Vdsk（p）——干酪根中溶解氣體積，108m3；

Vf——裂縫中游離氣儲(chǔ)量，108m3；

Vm——基質(zhì)中自由氣的體積，108m3；

ΔVa——解吸氣在地層條件下的體積，108m3；

ΔVd——溶解氣的擴(kuò)散量在地層條件下的體積，108m3；

ΔVf——裂縫中孔隙體積的變化量，108m3；

ΔVm——基質(zhì)中孔隙體積的變化量，108m3；

p——?dú)獠貕毫Γ琈Pa；

pi——?dú)獠卦級(jí)毫?，MPa；

pL——蘭氏壓力，MPa；

Sfwi——裂縫中束縛水飽和度，f；

Smwi——基質(zhì)中束縛水飽和度，f；

T——?dú)獠販囟龋琄；

Vdiff——固體干酪根占基質(zhì)總體積的體積分?jǐn)?shù)，f；

VE——地層壓力p下的等溫吸附量，m3/t；

VL——蘭氏體積，m3/t；

Vrock——基質(zhì)總體積，108m3；

Vsk——干酪根總體積，108m3；

Vtker——總干酪根占?xì)獠乜傮w積的體積分?jǐn)?shù)，f；

ΔVa——吸附相體積的變化量，108m3；

φads——吸附相的孔隙度，f；

φorg——有機(jī)質(zhì)中自由氣所占據(jù)的孔隙度，f；

φmt——基質(zhì)孔隙度，f；

ρb——巖石密度，g/cm3；

ρko——干酪根密度，g/cm3；

ρr——干酪根的相對(duì)密度，無量綱；

ρs——地層條件下的吸附相密度，g/cm3；

ρsc——地面條件下的頁巖氣密度，g/cm3.

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（編輯曹元婷）

A New Method to Calculate Shale Gas Reserves Considering Dissolved Gas in Kerogen

YANG Long，MEI Haiyan，ZHANG Maolin，YUAN En
（School of Petroleum and Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

Predecessors did not consider the dissolved shale gas in kerogen when calculating the shale gas reserves.But it has been proved by some researchers that large amount of shale gas dissolved in kerogen can not be ignored in the calculation.The reserves calculation method ignoring the dissolved gas in kerogen can’t be used to truly and accurately calculate the reserves in shale gas reservoirs.Based on the previous calculation methods for shale gas reserves，a new material balance equation is established considering adsorbed phase density，volumetric variations of matrix and fracture pores with pressure，changes of adsorbed phase volume with pressure and dissolved gas in kerogen.Case study shows that dissolved gas accounts for about 4.69%of the total reserves.Reserves of free gas，adsorbed gas and total gas will be overestimated if dissolved gas is not taken into consideration.Therefore，in order to ensure the accuracy of reserves calculation，dissolved gas must be taken into account in the reserves calculation.

kerogen；shale gas；matrix；fracture；dissolved gas；porosity；material balance equation；reserves calculation

TE15

A

1001-3873（2016）05-0602-04DOI：10.7657/XJPG20160520

2016-03-08

2016-06-23

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2016ZX05027004，2016ZX05060006）

楊龍（1992-），男，湖北襄陽人，碩士研究生，油氣藏?cái)?shù)值模擬與動(dòng)態(tài)分析，（Tel）18190837618（E-mail）1137171129@ qq.com