頁(yè)巖含氣量自動(dòng)測(cè)定技術(shù)

何家歡 李農(nóng) 王蘭生 張鑒 杜堅(jiān) 靳濤

1.中國(guó)石油西南油氣田分公司；2.四川省頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3.西南石油大學(xué)

頁(yè)巖含氣量是計(jì)算頁(yè)巖原地儲(chǔ)量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。由于頁(yè)巖氣有游離氣、吸附氣兩種賦存形式，而賦存形式受壓力、溫度的影響，因此，頁(yè)巖儲(chǔ)層不能像常規(guī)儲(chǔ)層那樣直接用容積法來(lái)確定儲(chǔ)量多少，而是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定頁(yè)巖含氣量。頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法有直接法和間接法。間接法主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室樣品的等溫吸附曲線，在已知儲(chǔ)層壓力和溫度的情況下分析頁(yè)巖的含氣量；直接法［1］則是將出筒后的巖心盡快裝罐，先后將其加熱至地層流體溫度、井底溫度，使用計(jì)量裝置獲得解吸氣量，通過(guò)解吸氣量與時(shí)間的關(guān)系曲線回歸出巖心從井底到井口的損失氣量，然后粉碎樣品得到井底溫度下的殘余氣量，最后將損失氣量、解吸氣量、殘余氣量三者相加，得到儲(chǔ)層頁(yè)巖含氣量。解吸氣量可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到，通?！艾F(xiàn)場(chǎng)頁(yè)巖含氣量”是指解吸氣量。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者［2-3］均認(rèn)為損失氣量的計(jì)算受理論假設(shè)條件與實(shí)際情況不符的影響，但鑒于直接法具有實(shí)驗(yàn)過(guò)程快速簡(jiǎn)便、能夠現(xiàn)場(chǎng)拿到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、能第一時(shí)間為勘探開發(fā)決策提供數(shù)據(jù)支撐等特點(diǎn)，在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)過(guò)程中仍扮演著重要角色。國(guó)內(nèi)外針對(duì)直接法的研究［4-16］主要集中于損失氣量計(jì)算、頁(yè)巖含氣量的控制因素等方面，但是如何通過(guò)改進(jìn)硬件設(shè)備來(lái)準(zhǔn)確測(cè)定解吸過(guò)程中的含氣量方面同樣至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法［17-19］主要有手動(dòng)排水集氣法、氣體流量計(jì)法、PVT定容法、燃燒法等4種方法，其中現(xiàn)場(chǎng)使用最為廣泛的方法為手動(dòng)排水集氣法和氣體流量計(jì)法。氣體流量計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備體積小、自動(dòng)化程度高，缺點(diǎn)則是由于體積計(jì)量受組分影響大，容易產(chǎn)生誤差。手動(dòng)排水采氣法只需水瓶、計(jì)量管與U型管相連，水瓶頂端接大氣，打開進(jìn)氣閥待液面下降，待穩(wěn)定后手動(dòng)移動(dòng)水瓶待其內(nèi)液面與計(jì)量管液面齊平，記錄下此液面對(duì)應(yīng)的計(jì)量管上的刻度。該方法測(cè)定原理簡(jiǎn)單，設(shè)備成本較低，但是該測(cè)定方法連續(xù)操作時(shí)間較長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，誤差大。此外，隨著頁(yè)巖氣藏勘探開發(fā)的深入［20-24］，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣量，取樣密度已由國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣探索期的1 樣/5 m增至1 樣/2 m，此舉增加了手動(dòng)排水集氣法的測(cè)試難度。頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法的特殊性就在于只能在巖心出筒后迅速完成，且不能重復(fù)操作，如果不能在取心后完成對(duì)所有巖樣的測(cè)定，那么經(jīng)過(guò)較高成本的取心作業(yè)取得的巖心將再也無(wú)法用于有效地評(píng)價(jià)其含氣性，會(huì)造成極大的浪費(fèi)。為此，研制了頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)含氣量自動(dòng)測(cè)定裝置。

1 頁(yè)巖含氣量自動(dòng)測(cè)定裝置

Automatic shale gas content measurement device

該設(shè)備的基本原理基于排水采氣法，但是運(yùn)用光電原理實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)量。

1.1 結(jié)構(gòu)

Structure

測(cè)定裝置主要由集氣量筒、平衡量筒、儲(chǔ)液罐、漂浮片、升降裝置、光電液位傳感器、導(dǎo)氣管、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)、上位機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)定儀示意圖Fig. 1 Sketch of on-site automatic shale gas content measurement device

1.2 工作原理

Working principle

該裝置依據(jù)U型管內(nèi)的液體（通常是水）在同等大氣壓條件下液位等高的等壓液位平衡原理，采用光電非接觸式閉環(huán)測(cè)控方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣量的恒壓等容自動(dòng)連續(xù)測(cè)定。使用兩個(gè)光電液位傳感器分別測(cè)定集氣量筒和平衡量筒中的液位高度，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集及程序?qū)﹄姍C(jī)等機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等調(diào)節(jié)集氣量筒和平衡量筒與儲(chǔ)液罐的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)量筒液位的再次平衡及含氣量的計(jì)算，往復(fù)此定容測(cè)定過(guò)程直至完成儲(chǔ)層樣品的含氣量測(cè)定。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

Technical characteristics

（1）測(cè)定結(jié)果不受集氣筒內(nèi)壁因表面張力引起的人為讀數(shù)和操作誤差等的影響，測(cè)定精度遠(yuǎn)高于手動(dòng)排水集氣法、氣體流量計(jì)法，同時(shí)節(jié)約了大量人力資源成本。

（2）該設(shè)備將光電傳感技術(shù)、計(jì)量筒內(nèi)液體閉環(huán)測(cè)控和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)綜合用于頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，還可用于包括煤的含氣量或者其他工業(yè)領(lǐng)域的氣體容量的連續(xù)定容計(jì)量測(cè)定。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

Field application

2.1 測(cè)定步驟

Measurement procedure

（1）測(cè)定前，上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)液罐上升，使集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的液體上升，光電位移傳感器將液面參數(shù)傳輸至上位機(jī)。當(dāng)集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的液面達(dá)到設(shè)定的液體上限值后，控制升降裝置的驅(qū)動(dòng)裝置將停止工作。

（2）將現(xiàn)場(chǎng)出筒的頁(yè)巖儲(chǔ)層樣品放置于解吸罐內(nèi)，并將解吸罐放于恒溫水浴鍋中。

（3）頁(yè)巖儲(chǔ)層樣品在模擬井口溫度或儲(chǔ)層流體溫度時(shí)不斷解吸出天然氣，天然氣通過(guò)導(dǎo)氣管進(jìn)入集氣量筒內(nèi)，使集氣筒內(nèi)液面下降，同時(shí)也使平衡量筒和儲(chǔ)液罐內(nèi)的液面隨之上升，集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的漂浮片均隨液位變化而移動(dòng)，光電液位傳感器實(shí)時(shí)將液面參數(shù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)液位差，控制升降裝置使儲(chǔ)液罐液位下降，使平衡量筒的液位逐漸降低，直至集氣量筒內(nèi)的氣壓與外界大氣壓相等。集氣量筒此時(shí)的液位相對(duì)于初始液位對(duì)應(yīng)的量筒容積差即為儲(chǔ)層樣品的出氣量，上位機(jī)根據(jù)測(cè)定和記錄的集氣筒內(nèi)的液位變化位，完成一次含氣量計(jì)量。

（4）完成一次計(jì)量后，通過(guò)控制升降裝置驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)液罐液位上升，使集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的液位上升，當(dāng)集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的液位達(dá)到設(shè)定的液位上限值后，驅(qū)動(dòng)裝置停止工作。

（5）重復(fù)步驟（3）、（4），即可開始下一次計(jì)量。

（6）上位機(jī)自動(dòng)累積計(jì)算出頁(yè)巖儲(chǔ)層樣品的現(xiàn)場(chǎng)解吸氣量。

2.2 實(shí)例分析

Case analysis

為證實(shí)頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)含氣量自動(dòng)測(cè)定技術(shù)的可靠性，在NX202井相鄰井深處選取兩塊全直徑樣品，記為1號(hào)和4號(hào)，巖心出筒后分別迅速裝入巖心罐并置于恒溫水浴鍋中，先按照井口流體溫度加熱到60 ℃，4 h后按照儲(chǔ)層溫度加熱到90.9 ℃，直到巖心罐無(wú)氣體溢出。

1號(hào)樣品質(zhì)量為5.8 kg，4號(hào)樣品質(zhì)量為6.0 kg，其中1號(hào)樣品采用頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)定儀測(cè)定，4號(hào)樣品采用手動(dòng)排水采氣法人工記錄數(shù)據(jù)。NX202井1號(hào)樣品和4號(hào)樣品的頁(yè)巖累積測(cè)定氣量曲線圖如圖2所示，經(jīng)過(guò)測(cè)定，通過(guò)頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)定儀測(cè)定的1號(hào)樣品解吸氣量為1 526 mL，解吸氣含量為0.26 m3/t；通過(guò)手動(dòng)排水采氣法人工記錄的4號(hào)樣品解吸氣量為1 374 mL，解吸氣含量為0.23 m3/t。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相鄰井深的樣品分別采用自動(dòng)、人工計(jì)量方式的測(cè)量結(jié)果僅相差0.03 m3/t，證實(shí)頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)定技術(shù)能夠代替手動(dòng)排水采氣法，能滿足頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的需要。

圖2 NX202井頁(yè)巖累積測(cè)定氣量曲線圖（1號(hào)、4號(hào)樣品）Fig. 2 Cumulative gas measurement curve of Well NX202 (No.1 and No.4 samples)

頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)定技術(shù)在國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)（長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)）應(yīng)用十分廣泛。以長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)地區(qū)的10口井?dāng)?shù)據(jù)為例，頁(yè)巖含氣量與每米產(chǎn)層貢獻(xiàn)的產(chǎn)量呈正比關(guān)系，如圖3所示。實(shí)踐證明，含氣量大于或等于2.0 m3/t則是頁(yè)巖氣藏經(jīng)濟(jì)可采的必要條件。根據(jù)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)（長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)）的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，由于頁(yè)巖氣井的產(chǎn)量受多種因素控制，并非所有含氣量大于或等于2.0 m3/t的頁(yè)巖儲(chǔ)層都經(jīng)濟(jì)可采，但是對(duì)于含氣量小于2.0 m3/t的儲(chǔ)層尚未發(fā)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)可采價(jià)值的實(shí)例。如長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)地區(qū)G井的含氣量測(cè)定為1.60 m3/t，測(cè)試產(chǎn)量?jī)H為0.12×104m3/d，難以達(dá)到工業(yè)氣流，而同一區(qū)塊的A井含氣量為5.05 m3/t，測(cè)試產(chǎn)量為1.72×104m3/d，在該井層段鉆取水平井，獲得巨大成功。因此，頁(yè)巖含氣量第一時(shí)間為勘探開發(fā)決策提供了數(shù)據(jù)支撐，該數(shù)據(jù)成為預(yù)測(cè)儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的重要指標(biāo)，而頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)定技術(shù)則保證了該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。

圖3 長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)地區(qū)10口井頁(yè)巖含氣量與每米產(chǎn)層貢獻(xiàn)產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between shale gas content and production contribution a meter of pay zone of 10 wells in Channing and Weiyuan areas

3 結(jié)論及建議

Conclusions and proposals

（1）頁(yè)巖含氣量自動(dòng)測(cè)定裝置利用U型管的原理對(duì)頁(yè)巖含氣量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量，有效減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)含氣量自動(dòng)、精準(zhǔn)測(cè)定，已成功應(yīng)用于20余口井的頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

（2）頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效指導(dǎo)了頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)射孔作業(yè)、有利層段的劃分，為國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)（長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)）的建設(shè)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

（3）因受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件所限，應(yīng)提高頁(yè)巖含氣量自動(dòng)測(cè)定儀的便攜性和穩(wěn)定性，以適用于更復(fù)雜的工作環(huán)境中。

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