何家歡,謝邦華,鐘 磊,李 莉
(1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院,四川成都 610051; 2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610051; 3.西南石油大學(xué)研究生院,四川成都 610500; 4.中海油田服務(wù)股份有限公司,廣東深圳 518067)
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),準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量是一份十分重要的工作。由于頁(yè)巖氣部分以吸附氣為賦存形式,因此,頁(yè)巖含氣量不能像常規(guī)儲(chǔ)層那樣通過測(cè)定有效孔隙度來確定儲(chǔ)量多少,而是要通過現(xiàn)場(chǎng)含氣量試驗(yàn)測(cè)試。頁(yè)巖含氣量是指每噸巖石中折算到標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下所含的天然氣量,其中最為常用的是“直接法”[1]:將出筒后的巖心立即封罐,分別加熱到鉆井液循環(huán)溫度、儲(chǔ)層溫度讓其解吸,解吸出的氣量稱為“解吸氣”;剩下的樣品取部分磨碎,加熱到儲(chǔ)層溫度下計(jì)量的氣量稱為“粉碎氣”,也稱“殘余氣”;通過“解吸氣”試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸計(jì)算得到的部分稱為“損失氣”。三部分氣量求和得到頁(yè)巖含氣量。特別要指出的是,上述“損失氣”“解吸氣”和“粉碎氣”是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)含氣量試驗(yàn)測(cè)試過程的不同階段命名的,與依據(jù)頁(yè)巖不同賦存狀態(tài)命名的“游離氣”“吸附氣”“溶解氣”并不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
解吸氣和粉碎氣的實(shí)測(cè)并無太大爭(zhēng)議,問題主要集中在“損失氣”中。國(guó)外常用損失氣量回歸方法[2-4]包括USBM(美國(guó)聯(lián)邦礦務(wù)局)直接法、史密斯-威廉斯法和曲線擬合法等,隨著我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)形勢(shì)不斷升溫[5-14],我國(guó)學(xué)者也提出了包括Arps遞減法、改進(jìn)的USBM法等損失氣量回歸方法。但是,我國(guó)各大油氣田進(jìn)行頁(yè)巖含氣量測(cè)定時(shí)均參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),因此,計(jì)算損失氣量最為廣泛采用的方法還是直線回歸法和曲線回歸法。
根據(jù)現(xiàn)行石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6940—2013《頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法》,損失氣量計(jì)算采用USBM直接法,“以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下累積解吸量為縱坐標(biāo),時(shí)間的平方根為橫坐標(biāo)作圖。在解吸氣量與時(shí)間的平方根的圖中,反向延長(zhǎng)線與縱坐標(biāo)軸的截距的絕對(duì)值為損失氣量,USBM直接法損失氣量計(jì)算圖參見C.1和C.2?!盵1]其中,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中“參見C.1”的計(jì)算方法便是國(guó)內(nèi)外常用的直線回歸法,而“C.2”便是俗稱的曲線回歸法。直線回歸法、曲線回歸法的主要差別在于前者是以直線延長(zhǎng)與縱坐標(biāo)軸的截距的絕對(duì)值為損失氣量,后者則是以多項(xiàng)式回歸的曲線與縱坐標(biāo)軸的截距的絕對(duì)值為損失氣量。
現(xiàn)行石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6940—2013《頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法》的制定是在2012年,當(dāng)時(shí)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)仍處于起步階段,標(biāo)準(zhǔn)的制定更多地借鑒了當(dāng)時(shí)已經(jīng)比較成熟的煤層氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19559—2008《煤層氣含量測(cè)定方法》[15],后者中對(duì)“直接法”的解釋如下:“直接法是指解吸初期解吸量與時(shí)間平方根的正比關(guān)系進(jìn)行確定。以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下累計(jì)解吸量為縱坐標(biāo),損失氣時(shí)間與解吸時(shí)間之和的平方根為橫坐標(biāo)作圖,將最初解吸的呈直接關(guān)系的各點(diǎn)連線,延長(zhǎng)直線與縱坐標(biāo)軸相交,則直線在縱坐標(biāo)的截距為損失氣量”。由此可見,直接法推薦的損失氣量回歸方法是“直線回歸法”,并不包含曲線回歸法在內(nèi)的其他回歸方法。
直線回歸法是從煤層氣借鑒而來,那么曲線回歸法的出處又在哪?為了回答這一問題,本文將對(duì)目前廣泛使用的直線回歸法、曲線回歸法分別進(jìn)行討論。
USBM法的技術(shù)思路最早由Bertard、Bruyet和Gunther在1968年[16]提出,該模型的提出是基于無煙煤作為研究對(duì)象,通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,該模型認(rèn)為解吸量與解吸時(shí)間的平方根近似直線關(guān)系,滿足式中Q——巖心從儲(chǔ)層到井口的損失氣量,cm3;
(1)
t——損失時(shí)間,min;
k——解吸系數(shù),cm3·min-0.5,用來表征解吸速度的快慢。
由于煤的有機(jī)質(zhì)含量相比頁(yè)巖更豐富,該模型的假設(shè)條件中認(rèn)為巖心從儲(chǔ)層到井口過程的解吸速度保持不變。根據(jù)不斷的實(shí)踐摸索,通常對(duì)于清水或泥漿取心,損失時(shí)間為地面暴露時(shí)間加上井下時(shí)間(起鉆至巖心到達(dá)井口時(shí)間)的一半。鉆井循環(huán)介質(zhì)為泡沫或空氣條件下,損失時(shí)間為鉆遇地層到巖心封罐的時(shí)間。
前文提到,直線回歸法借鑒于煤層氣,該方法建立之初蘊(yùn)含了以下3個(gè)基本條件:①巖心埋深不太深;②巖心為碎塊狀的無煙煤,提心過程到某個(gè)井深時(shí),壓力瞬時(shí)達(dá)到平衡;③取心過程中無鉆井液等液柱包圍。經(jīng)過研究,國(guó)內(nèi)部分學(xué)者認(rèn)為[3],直線回歸法計(jì)算的損失氣量往往比實(shí)際損失氣量偏大,該方法主要應(yīng)用在損失氣量本身不大的情況下。雖然直線回歸法在基本假設(shè)條件上與頁(yè)巖取心過程有一定差異,但是該方法因?yàn)楹?jiǎn)便實(shí)用,仍舊在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中廣泛適用。
損失氣量是頁(yè)巖含氣量的重要組成部分,其占總含氣量的比例較大。以長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣藏某井頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試結(jié)果為例,如圖2所示,藍(lán)色部分為通過直線回歸法得到的損失氣量,在該井底部損失氣量所占總含氣量的比例超過了50%。因此,頁(yè)巖含氣量測(cè)試(直接法)過程中,有關(guān)損失氣量的計(jì)算對(duì)于評(píng)價(jià)頁(yè)巖含氣量有著十分重要的意義,將直接決定頁(yè)巖儲(chǔ)量的評(píng)價(jià)是否合理。
圖1 某頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試結(jié)果Fig.1 Shale gas content composition
如前文所述,該方法不屬于USBM推薦的計(jì)算損失氣量的方法。按照SY/T 6940—2013《頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法》,如果在回歸圖版上采用“損失氣時(shí)間與解吸時(shí)間之和的平方根為橫坐標(biāo)作圖”,必須滿足一個(gè)基本假設(shè),即巖心從儲(chǔ)層到井口的損失氣量與損失時(shí)間的平方根呈如下的多項(xiàng)式關(guān)系
(2)
式中,An,An-1,…,A0均為實(shí)數(shù)。
圖2 N3井龍馬溪頁(yè)巖TOC與蘭氏體積相關(guān)性分析Fig.2 TOC vs Langmuir volume of shale
筆者調(diào)研了大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[1-25],卻未調(diào)研到SY/T 6940—2013《頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法》中提到的這種“曲線回歸法”的理論基礎(chǔ),因此,該方法更像是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)損失氣量直接用曲線擬合損失氣量的方法[17-25]并不多,Dan Yee等人在1993年提出過一種“曲線擬合法”,該方法的擬合公式如下:
(3)
式中VDt——t時(shí)刻的實(shí)測(cè)解吸氣量,m3/t;
VLD——總解吸氣量,m3/t;
VL——損失氣量,m3/t;
t——解吸時(shí)間,min;
通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)式(3)進(jìn)行曲線擬合求解,即可求得總解吸氣量VLD和損失氣量VL。但是,該方法與石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6940—2013《頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法》中提到的“曲線回歸法”的主要區(qū)別在于:①Dan Yee的“曲線擬合法”擬合函數(shù)中包含指數(shù)函數(shù),而標(biāo)準(zhǔn)上用的“曲線回歸法”擬合函數(shù)用的是多項(xiàng)式;②Dan Yee的“曲線擬合法”作圖用的橫坐標(biāo)為時(shí)間,標(biāo)準(zhǔn)上用的“曲線回歸法”作圖用的橫坐標(biāo)為時(shí)間的平方根;③Dan Yee的“曲線擬合法”所作曲線擬合要用到解吸氣量的所有數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)上用的“曲線回歸法”擬合只用巖心加熱到鉆井液循環(huán)溫度時(shí)的解吸氣量數(shù)據(jù)。因此,標(biāo)準(zhǔn)上的“曲線回歸法”并非Dan Yee的“曲線擬合法”,不符合適用Dan Yee的假定條件,也不滿足“直線回歸法”的理論基礎(chǔ),缺乏適當(dāng)?shù)睦碚摶A(chǔ),不符合頁(yè)巖解吸的客觀事實(shí)。
采用“曲線回歸法”得到的損失氣量通常比“直線回歸法”更大。以四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣藏的NX2井的頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)含氣量數(shù)據(jù)為例,取剛出筒巖心4號(hào)樣品6 030 g,封罐后加熱到鉆井液循環(huán)溫度60 ℃,再加熱到儲(chǔ)層流體溫度90.9 ℃,累計(jì)10 h共解吸出氣體1 373 mL。根據(jù)加熱到鉆井液循環(huán)溫度的數(shù)據(jù),通過“直線回歸法”可計(jì)算出損失氣量1 345mL,與實(shí)測(cè)的解吸氣量大致相當(dāng);若采用二項(xiàng)式的“曲線回歸法”可計(jì)算出損失氣量7 026 mL,是實(shí)測(cè)解吸氣量的5倍以上。由此可知,不同損失氣量方法計(jì)算出來的損失氣量差距很大。
圖3 NX2頁(yè)巖氣井損失氣量回歸對(duì)比Fig.3 Comparison of lost gas of shale gas NX2 using different regression methods
損失氣量不可能比解吸氣量大太多的主要原因有以下3點(diǎn):①雖然NX2井的4號(hào)巖心從提心過程開始由儲(chǔ)層到井底歷時(shí)約20 h,但是在井筒中巖心表面均覆蓋了較之清水黏度較大的鉆井液,能夠一定程度上阻止氣體從巖心逸散出。②取心筒提升過程中在到達(dá)井口之前一直有一個(gè)靜液柱的壓力,在儲(chǔ)層中部時(shí)巖心中的氣體壓力通常不高于靜液柱壓力,此時(shí)解吸速度幾乎為0;巖心中部與外表面的壓差是一個(gè)逐漸增大的過程,直到巖心出筒后外表面才直接通大氣,而解吸氣測(cè)試過程中巖心罐計(jì)量氣體出口時(shí)則一直通著大氣,因此,實(shí)際的損失氣量未必比解吸氣量大。③從儲(chǔ)層到井底的過程中,溫度不斷降低,根據(jù)熱脹冷縮的原理,也會(huì)一定程度抑制氣體的不斷逸散。
以NX2井的頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)含氣量數(shù)據(jù)為例,按照“曲線回歸法”得到的損失氣量竟然是實(shí)測(cè)解吸氣量的5倍以上,與上述分析的事實(shí)不符。因此,按照“曲線回歸法”得到的損失氣量將占據(jù)總頁(yè)巖含氣量的絕大部分,可能較大限度地夸大頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣量,導(dǎo)致勘探開發(fā)工作者對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量抱有過分樂觀的態(tài)度,從而影響對(duì)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)形勢(shì)的正確判斷。
(1)“曲線回歸法”并非是USBM直接法損失氣量的計(jì)算方法,缺乏較為可靠的理論基礎(chǔ),使用“曲線回歸法”得到損失氣量時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。該方法計(jì)算出的損失氣量較大,可能較大限度地夸大頁(yè)巖含氣量,影響頁(yè)巖儲(chǔ)量評(píng)估的準(zhǔn)確性。應(yīng)對(duì)SY/T 6940—2013《頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法》中有關(guān)“曲線回歸法”的相關(guān)部分做適當(dāng)?shù)男薷暮蛣h減——?jiǎng)h除現(xiàn)有“曲線回歸法”相關(guān)內(nèi)容。
(2)由于各種損失氣量的計(jì)算方法大多借用于煤層氣,計(jì)算模型未能充分考慮頁(yè)巖取心過程中與之的差異。應(yīng)開展頁(yè)巖含氣量損失氣試驗(yàn)?zāi)M研究,通過試驗(yàn)結(jié)果建立適合頁(yè)巖的損失氣量的計(jì)算方法。