頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)研究

習(xí)傳學(xué)，孫 沖，方 帆，舒向偉，汪 慶，張 磊

(1.中國(guó)石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124； 2.中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，武漢 430223)

頁(yè)巖含氣量是計(jì)算原地氣量的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)含氣性評(píng)價(jià)和資源儲(chǔ)量預(yù)測(cè)均具有重要意義。目前頁(yè)巖含氣量測(cè)試方法有現(xiàn)場(chǎng)解吸法、等溫吸附法和測(cè)井解釋法[1-9]。本文主要研究現(xiàn)場(chǎng)解吸法測(cè)頁(yè)巖含氣量，參考“SY/T 6940-2013頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法”[10]，其測(cè)試方法是將巖心裝入密閉的解吸罐，使用計(jì)量裝置直接測(cè)量解吸氣量，通過(guò)對(duì)初期解吸氣量的數(shù)據(jù)使用USBM法進(jìn)行擬合計(jì)算損失氣量，解吸測(cè)試結(jié)束后粉碎巖心測(cè)量殘余氣量。該方法是含氣量測(cè)試最直接的方法，也是國(guó)內(nèi)測(cè)試含氣量的主要方法之一。本文中常規(guī)解吸方法指的是上述標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)解吸溫度的規(guī)定，在頁(yè)巖解吸時(shí)采用二階解吸溫度測(cè)試，前3 h為第一階解吸，采用泥漿循環(huán)溫度，3 h后為二階解吸，采用儲(chǔ)層溫度進(jìn)行解吸。目前現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試的主要關(guān)注點(diǎn)有2個(gè)方面：解吸溫度和損失氣計(jì)算[11-17]。本文分析了在涪陵頁(yè)巖氣田進(jìn)行的大量現(xiàn)場(chǎng)含氣量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合取心現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)提出幾點(diǎn)改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

研究所用儀器是由中國(guó)石化江漢油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院自行研發(fā)的智能化頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)解吸系統(tǒng)。主要原理為排水集氣法，儀器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)不受氣體多組分影響，能可靠地進(jìn)行體積計(jì)量。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分為解吸罐和解吸氣計(jì)量?jī)x兩大部分。解吸罐自帶溫控系統(tǒng)，能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要調(diào)節(jié)罐內(nèi)溫度；測(cè)試時(shí)解吸氣進(jìn)入計(jì)量?jī)x的玻璃集氣管，引起液面變化產(chǎn)生壓差，聯(lián)動(dòng)的電機(jī)帶動(dòng)平衡水罐沿絲杠上下移動(dòng)，保持液面壓力平衡，從集氣管上即可獲得解吸氣體積。每個(gè)解吸罐對(duì)應(yīng)一個(gè)解吸氣計(jì)量?jī)x，方便獲取集氣管內(nèi)的氣樣，用于開(kāi)展同位素及氣體組分分析。

2 測(cè)試技術(shù)研究

2.1 解吸罐改進(jìn)和設(shè)置二階解吸溫度的方法優(yōu)化

2.1.1 解吸罐改進(jìn)

在進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)人員一般會(huì)提前2 h將解吸罐加熱到泥漿循環(huán)溫度，即一階解吸溫度，而巖心在入罐之前經(jīng)歷了儲(chǔ)層溫度、提鉆時(shí)泥漿循環(huán)溫度、井口暴露溫度等溫度過(guò)程，最終接近環(huán)境溫度，巖心封罐后解吸罐內(nèi)的氣體會(huì)出現(xiàn)一段溫度的變化期(涪陵頁(yè)巖氣田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯示泥漿循環(huán)溫度普遍在45 ℃左右，高于環(huán)境溫度)。溫度變化必然帶來(lái)罐內(nèi)解吸氣體積的變化，因而在解吸罐的內(nèi)部加裝了高精度的溫度傳感器，記錄下罐內(nèi)氣體的溫度。

圖1為頁(yè)巖樣品解吸過(guò)程中解吸罐內(nèi)溫度—時(shí)間的關(guān)系曲線。解吸過(guò)程中一階解吸溫度設(shè)定為泥漿循環(huán)溫度42 ℃，解吸3 h后升溫至90 ℃，直到解吸終止。從溫度變化情況來(lái)看，解吸罐內(nèi)溫度在封罐之后1.5 h才基本達(dá)到溫度的設(shè)定值，在1.5 h內(nèi)解吸罐內(nèi)溫度不等于溫度設(shè)定值，而是會(huì)經(jīng)過(guò)迅速下降、迅速上升和趨于設(shè)定值3個(gè)階段。這個(gè)過(guò)程中，如果認(rèn)為罐內(nèi)溫度是設(shè)定值，必然會(huì)使解吸氣體積的計(jì)量產(chǎn)生偏差。因此我們對(duì)頁(yè)巖樣品的現(xiàn)場(chǎng)含氣量數(shù)據(jù)分2種情況進(jìn)行計(jì)算，一是考慮罐溫影響得到解吸氣體積，二是不考慮罐溫影響始終認(rèn)為罐內(nèi)氣體溫度為設(shè)定值(圖2)。

圖1 頁(yè)巖樣品解吸罐內(nèi)溫度變化

圖2 罐內(nèi)溫度對(duì)解吸氣體積計(jì)量的影響

結(jié)果顯示，未考慮罐溫影響時(shí)解吸氣體積明顯偏高。用2種方法得到的解吸氣量數(shù)據(jù)，分別擬合計(jì)算損失氣量，考慮罐溫影響時(shí)損失氣量為0.981 m3/t；未考慮罐溫影響時(shí)損失氣量為1.20 m3/t，差異十分明顯。因此，加裝罐內(nèi)溫度傳感器有利于提高含氣量測(cè)試精度。

2.1.2 設(shè)置二階解吸溫度的方法優(yōu)化

常規(guī)解吸方法解吸速度緩慢，測(cè)試周期長(zhǎng)，但現(xiàn)場(chǎng)卻要求密集取心測(cè)試，重點(diǎn)目的層1 m取1塊樣品更是常態(tài)，且隨著涪陵頁(yè)巖氣田取心技術(shù)的不斷完善，井場(chǎng)取心基本都使用雙筒連續(xù)取心，連續(xù)2次的取心間隔時(shí)間正在不斷縮短。常規(guī)解吸方法已無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)高密度快節(jié)奏的取心現(xiàn)狀，因此對(duì)頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)也提出了更高、更快的要求。

綜合考慮測(cè)試技術(shù)的適應(yīng)性、安全性以及前人的研究成果[18-24]，提出了將常規(guī)解吸方法中二階解吸溫度設(shè)為90 ℃或者110 ℃。

圖3，4中每組2塊頁(yè)巖樣品取樣位置均相鄰，損失氣量均采用前1 h的解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合。110 ℃高溫解吸的樣品測(cè)試時(shí)間16 h，測(cè)試到12 h左右時(shí)解吸曲線基本呈水平，解吸氣量0.365 m3/t，損失氣量0.637 m3/t，含氣量1.00 m3/t；常規(guī)方法解吸的樣品測(cè)試時(shí)間44h，測(cè)試到40h左右時(shí)解吸曲線基本呈水平，解吸氣量0.355 m3/t，損失氣量0.670 m3/t，含氣量1.02 m3/t。圖4為該井10組樣品的結(jié)果比對(duì)。

圖4 四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田焦頁(yè)A井110 ℃高溫解吸與常規(guī)解吸結(jié)果比對(duì)

圖5 四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田焦頁(yè)B井6號(hào)組樣品110 ℃高溫解吸與90 ℃高溫解吸過(guò)程

圖6 四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田焦頁(yè)B井110 ℃高溫解吸與90 ℃高溫解吸結(jié)果比對(duì)

圖5，6中每組2塊頁(yè)巖樣品取樣位置均相鄰，損失氣量均采用前1h的解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合。110 ℃高溫解吸的樣品測(cè)試時(shí)間16 h，測(cè)試到12 h左右時(shí)解吸曲線基本呈水平，解吸氣量0.486 m3/t，損失氣量0.860 m3/t，含氣量1.35 m3/t；90 ℃高溫解吸的樣品測(cè)試時(shí)間25 h，測(cè)試到21 h左右時(shí)解吸曲線基本呈水平，解吸氣量0.474 m3/t，損失氣量0.830 m3/t，含氣量1.30 m3/t。圖6為焦頁(yè)B井20組樣品的比對(duì)結(jié)果。

從比對(duì)的解吸過(guò)程來(lái)看，常規(guī)方法解吸測(cè)試周期一般在40 h以上，90 ℃高溫解吸測(cè)試周期為25 h左右，110 ℃高溫解吸測(cè)試周期為16 h左右。而涪陵頁(yè)巖氣田取心現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)2次取心的間隔時(shí)間最短18 h，平均28 h，提高溫度后可以使上一次取心的解吸實(shí)驗(yàn)在下一次取心前完成。從比對(duì)的結(jié)果來(lái)看，沒(méi)有出現(xiàn)某個(gè)方法得到的數(shù)值明顯偏高或偏低的現(xiàn)象，各組比對(duì)樣品間的含氣量數(shù)據(jù)的差異最高為0.15 m3/t，分析認(rèn)為盡管頁(yè)巖均一性較好，但均一性是相對(duì)的。因此上述比對(duì)表明，90 ℃或者110 ℃高溫解吸法均可提高測(cè)試效率縮短測(cè)試周期，且能夠保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 損失氣量擬合計(jì)算時(shí)的數(shù)據(jù)段選取優(yōu)化

頁(yè)巖含氣量中，損失氣量是通過(guò)解吸初期的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的，涪陵頁(yè)巖氣田頁(yè)巖損失氣量在含氣量中約占20%～65 %，對(duì)頁(yè)巖含氣性的評(píng)價(jià)影響較大。前人對(duì)損失氣量計(jì)算的研究焦點(diǎn)基本都集中在擬合方法的優(yōu)化上，通過(guò)采用不同的線性、非線性模型進(jìn)行擬合計(jì)算。擬合方法的選取固然重要，但是擬合時(shí)需要依賴解吸數(shù)據(jù)，因此解吸數(shù)據(jù)特別是解吸初期的數(shù)據(jù)應(yīng)該受到更多的關(guān)注。

本文以解吸初期1.5 h的數(shù)據(jù)為例，通過(guò)對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田大量現(xiàn)場(chǎng)含氣量解吸測(cè)試發(fā)現(xiàn)，解吸速率具有一定的規(guī)律性。圖7是頁(yè)巖1和頁(yè)巖2封罐之后1.5 h的解吸速率變化圖，2個(gè)樣品一階解吸溫度45 ℃，解吸數(shù)據(jù)每30 s記錄一個(gè)，可以看到初期解吸速率普遍較高，分別在4.8 min和4.4 min出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之后解吸速率迅速降低且趨于平緩。

分析認(rèn)為，頁(yè)巖的一階解吸溫度一般都高于環(huán)境溫度，而巖心在經(jīng)歷了提心和空氣暴露的過(guò)程后溫度已降至環(huán)境溫度。取心封罐之后，金屬制的解吸罐內(nèi)氣體開(kāi)始急劇升溫，罐內(nèi)氣體體積膨脹、巖心開(kāi)始迅速解吸。但是由于裝罐、封罐、連接氣路、啟動(dòng)儀器這段時(shí)間內(nèi)，巖心在解吸罐內(nèi)是一直在迅速解吸的，這些解吸氣量直接導(dǎo)致了頁(yè)巖樣品初期解吸速率異常偏高。異常高的解吸速率也會(huì)使得相應(yīng)時(shí)間的解吸氣量數(shù)據(jù)異常高，因而損失氣量擬合時(shí)選取到這些數(shù)據(jù)后，必然導(dǎo)致?lián)p失氣量的數(shù)值出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響含氣量的準(zhǔn)確性。因此，本文認(rèn)為應(yīng)在損失氣量擬合計(jì)算時(shí)將封罐之后5 min的數(shù)據(jù)點(diǎn)視為擬合的初始點(diǎn)，作為一種修正方法來(lái)消除裝罐等操作給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的影響。

圖7 涪陵頁(yè)巖氣田現(xiàn)場(chǎng)1.5 h內(nèi)頁(yè)巖解吸速率的變化

圖8 損失氣量擬合修正前后對(duì)比

對(duì)頁(yè)巖1和頁(yè)巖2分別使用這種修正方法進(jìn)行損失氣量擬合計(jì)算(圖8)，擬合方法使用USBM直線法。2塊樣品損失氣量計(jì)算修正后，公式的相關(guān)系數(shù)均有明顯提高，說(shuō)明選取的數(shù)據(jù)段更符合理論模型，數(shù)值更接近真實(shí)值，能提高擬合計(jì)算精度。

3 結(jié)論

(1)實(shí)測(cè)解吸罐內(nèi)氣體的溫度，能消除升溫過(guò)程中氣體膨脹對(duì)解吸氣體積計(jì)量的影響，有助于提高測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

(2)提高二階解吸溫度的方法在保證了數(shù)據(jù)可靠性的同時(shí)，能使頁(yè)巖解吸實(shí)驗(yàn)的測(cè)試周期大幅度縮短。

(3)損失氣量擬合時(shí)，可將封罐之后5 min的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為擬合的起始點(diǎn)，能提高損失氣量計(jì)算的精度。

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