頁巖氣含氣量測試方法應(yīng)用研究

張明波

(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，山西 030001)

頁巖氣含氣量不僅是頁巖氣資源量計(jì)算時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，還關(guān)系到勘探開發(fā)過程中單井產(chǎn)氣量的預(yù)測，對頁巖氣藏資源開發(fā)前景以及開采的經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有決定性作用。

目前，國內(nèi)外尚未確立頁巖氣含氣量測試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，頁巖氣含量測試技術(shù)方法主要參照煤層氣測試方法，結(jié)合頁巖氣的特性對實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。測試方法通常采用等溫吸附法、測井解釋法和直接解吸法等，等溫吸附法是利用等溫吸附曲線以及地層溫度、壓力計(jì)算頁巖儲(chǔ)層含氣量；測井解釋法是通過現(xiàn)代測井技術(shù)手段獲得頁巖儲(chǔ)層的孔隙度、含氣飽和度、礦物組成、地層溫度、地層壓力等參數(shù)計(jì)算游離氣含量求取頁巖含氣量；解吸法通過模擬儲(chǔ)層溫度直接解吸測試頁巖的氣體體積求取頁巖氣含量。等溫吸附法和測井解釋法是基于數(shù)學(xué)模型的間接頁巖含氣量測試方法，而解吸法是直接的頁巖含氣量測試方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際含氣量最接近。

直接解吸法測定頁巖含氣量的方法引用自煤層氣含氣量測定方法，其基本原理都是USBM法。根據(jù)賦存狀態(tài)、頁巖氣由吸附氣、游離氣和溶解氣三部分構(gòu)成，溶解氣在頁巖含氣量構(gòu)成中所占比例十分微小，在計(jì)算含氣量時(shí)可以忽略不計(jì)。解吸法中損失氣量是從鉆頭遇巖層到巖心從井口取出，裝入解吸罐的過程中釋放出的氣體體積，損失氣量的估算有直線回歸法、多項(xiàng)式回歸法以及非線性回歸法。國內(nèi)對損失氣量估算多采用直線回歸法，既將最初幾個(gè)小時(shí)解吸作用的讀數(shù)外推至計(jì)時(shí)起點(diǎn)，運(yùn)用直線擬合可以推出損失氣量(VL)；解吸氣量是頁巖巖心裝入解吸罐后在大氣壓力下模擬儲(chǔ)層溫度自然解吸出的氣體含量(VD)；頁巖殘余氣量是樣品在解吸罐中解吸終止后仍留在巖心中的氣體體積，采用球磨法將樣品粉碎后解吸出來的氣體體積(VR)。其中，損失氣含量是解吸法中誤差較大的部分，提高損失氣量估算精度可以使含氣量測試結(jié)果更加準(zhǔn)確，在測試解吸氣含量、殘余氣含量時(shí)，控制解吸溫度，提高含氣量測量數(shù)據(jù)采集精度，也是解吸法準(zhǔn)確測試頁巖氣含量的關(guān)鍵因素之一。

1 解吸實(shí)驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)

頁巖氣含氣量測試尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基本參照煤層氣含氣量測試方法，該法所使用的設(shè)備測試頁巖氣含氣量存在以下缺點(diǎn)：解吸設(shè)備中使用了多段一定長度的導(dǎo)管連接解吸罐和量筒，導(dǎo)管與裝樣后解吸罐中余存空間在測試前充滿的空氣，由于頁巖解吸氣含量較煤層氣小很多，會(huì)導(dǎo)致測試氣體成分出現(xiàn)空氣比例過高導(dǎo)致比較大的誤差，當(dāng)解吸氣量微小時(shí)，收集到的解吸氣體中甲烷含量很可能為零。因此，頁巖氣含氣量測試時(shí)采用的測試設(shè)備需要盡量減少導(dǎo)管長度，最好使測試設(shè)備與解吸罐、量管直接連接，避免空氣混入，數(shù)據(jù)讀取采用更高分辨率的設(shè)備。

為提高頁巖氣含氣量測試精度，本文提出一種改進(jìn)的解吸氣測量設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備(圖1)主要部件包括PID控溫實(shí)驗(yàn)箱、平衡瓶、連接閥、集氣量筒、解吸罐、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、液位傳感器和溫度壓力傳感器。其中解吸罐底蓋中部設(shè)有周邊凸起中心內(nèi)凹設(shè)置，如樣品裝不滿罐時(shí)，加一定的惰性填料，在裝樣時(shí)能夠排除空氣，頂蓋中部與頂蓋外緣之間為斜面，便于收集微量的解吸氣；解吸罐利用直管快速鏈接扣與集氣量筒相連，減少管路長度，最大限度避免了殘余的空氣體積；液位傳感器型號DT-HYB900-ZN2000，精度0.25%F.S、測量范圍0～1m、信號輸出4～20mA輸出、供電24V供電、材質(zhì)選用304不銹鋼、測量解吸氣體積時(shí)，移動(dòng)平衡瓶，使量筒內(nèi)部與罐內(nèi)壓力保持平衡，利用液位傳感器進(jìn)行計(jì)量，實(shí)時(shí)顯示樣品解吸氣體體積；實(shí)驗(yàn)箱通過PID溫控元件保持在恒定的溫度下，控溫精度±0.5℃，在進(jìn)行樣品解吸實(shí)驗(yàn)時(shí)用循環(huán)加熱水保證解吸罐恒溫；溫度大氣壓力傳感器采用DWSP-T5傳感器記錄測點(diǎn)大氣壓力和環(huán)境溫度，測量范圍：溫度范圍-40～120℃，壓力范圍0～1100kPa，精度±0.25%F.S，分度值0.1kPa，響應(yīng)時(shí)間小于3s，滿足國標(biāo)壓力范圍 80～106kPa，分度值0.1kPa，溫度范圍-30～50℃的要求；數(shù)據(jù)采集采用智能數(shù)字顯示調(diào)節(jié)DT-XMTA-900系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)傳顯示液位功能(4～20mA輸出、24V供電)，在測點(diǎn)量筒內(nèi)部與罐內(nèi)壓力平衡時(shí)，自動(dòng)采集、記錄存儲(chǔ)、顯示測點(diǎn)氣體體積、環(huán)境溫度、大氣壓力，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還具有計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示解吸氣體瞬時(shí)工況和標(biāo)準(zhǔn)狀況體積及累計(jì)工況和累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)狀況體積功能。

圖1 改進(jìn)后頁巖氣測試裝置

2 解吸測試裝置應(yīng)用

頁巖含氣量包括損失氣含量、解吸氣、殘余氣三部分組成，其中損失氣量通過USBM法直線回歸計(jì)算，解吸氣量、殘余氣量由實(shí)際解吸測得。

2.1 測試井概況

SX-Y1井位于山西省沁水煤田中部，是一口頁巖氣參數(shù)井，該井泥頁巖層12號樣品，深度為1452.10～1452.40m，儲(chǔ)層溫度44.0℃(表1)；利用自主研發(fā)的頁巖氣測試裝置進(jìn)行自然解吸測試和殘余氣解吸測試。

表1 測試層段數(shù)據(jù)簡表

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

按設(shè)計(jì)要求采集泥頁巖巖芯解吸樣品，裝入解吸罐，將裝有樣品并密封好的解吸罐迅速置于已達(dá)44.0℃儲(chǔ)層溫度的恒溫裝置中，連接好自主研制的解吸儀，在5min內(nèi)進(jìn)行氣體解吸體積測量，當(dāng)量管與樣罐內(nèi)壓力平衡時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動(dòng)采集氣體解吸體積數(shù)據(jù)，同時(shí)采集現(xiàn)場環(huán)境溫度、大氣壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算瞬時(shí)和累計(jì)氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積；結(jié)束第一個(gè)測點(diǎn)測試后，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟以10min間隔測滿1小時(shí)，以15min間隔測滿1小時(shí)，以30min間隔測滿1小時(shí)，以60min間隔測滿1小時(shí)，以間隔120min測定2次，累計(jì)測滿8小時(shí)后，視解吸罐的壓力表確定適當(dāng)?shù)慕馕鼤r(shí)間間隔，最長不超過24小時(shí)的測試時(shí)間間隔進(jìn)行解吸測試，直至連續(xù)7天平均每天解吸量不大于10cm3，結(jié)束解吸測定。

3 結(jié)果與討論

按照上述實(shí)驗(yàn)步驟對SX-Y1井進(jìn)行解吸測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明樣品重為2278g，自然解吸持續(xù)時(shí)間為23.41天，解吸氣氣體體積(VD)為1205cm3，自然解析氣體體積與解析時(shí)間關(guān)系如下圖(圖2)。

圖2 頁巖氣含量自然解吸圖

殘余氣含量，稱取自然解析結(jié)束粉碎后樣品491g，參照上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行解吸，殘余氣解吸體積(VR)為124cm3。

損失氣量為提芯和裝罐過程樣品解析氣量，無法計(jì)量，采用USBM法直線回歸計(jì)算，取初始自然解吸前八個(gè)點(diǎn)通過USBM法直線回歸，將最初幾個(gè)小時(shí)解吸作用的讀數(shù)外推至計(jì)時(shí)起點(diǎn)，運(yùn)用直線擬合可以推出損失氣量(VL)為104.3206cm3(圖3)。

圖3 頁巖損失氣量直線回歸計(jì)算圖

綜上，頁巖氣含量包括損失氣、解吸氣和殘余氣含量三部分組成，頁巖氣含量成果(表2)。

表2 頁巖氣氣含量測定成果

整個(gè)解吸測試過程采用自主研制解吸測試裝置測量樣品的氣體解吸體積，解吸測試裝置計(jì)量所使用的液位傳感器測量精度達(dá)到0.25%F.S，遠(yuǎn)高于國標(biāo)GB/T 19559—2008《煤層氣含量測定方法》規(guī)定要求，極大提高了測試精度，解吸初期，提前加熱恒溫箱到儲(chǔ)層溫度，取芯罐密封后立即采取保溫措施，也有效保證了損失量估算準(zhǔn)確度，由USBM法直線回歸看，線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)99.20%(圖3)。解吸法測量頁巖含氣量時(shí)，由于頁巖氣吸附氣含量較小，測量結(jié)果容易受到取芯方式、測定方法、氣體解吸溫度、含氣量測試數(shù)據(jù)讀取及采集方法等因素的影響；保證測試條件、提高數(shù)據(jù)讀取精度是提高頁巖含氣含量測量精度和準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

(1)損失氣含量是影響含氣量測試精度的最主要部分，保證了頁巖測試時(shí)快速使巖樣穩(wěn)定到儲(chǔ)層溫度，減少裝罐時(shí)間，提高了損失氣量估算精確度。

(2)改進(jìn)的解吸設(shè)備解吸罐與量筒利用直管連接用，最大限度減少管路體積，減少了系統(tǒng)誤差，同時(shí)采用液位傳感器計(jì)量采集數(shù)據(jù)，減少了人為讀數(shù)造成的誤差，提高了實(shí)驗(yàn)測試精度。

(3)采用同時(shí)采用液位傳感器計(jì)量采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算解吸氣瞬時(shí)及累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)狀況氣體體積，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測試效率。