一種頁巖原位含氣量的定量評價方法

1.目的

原位含氣量和吸附氣含量/游離氣含量比值是頁巖氣資源潛力評估和儲集層甜點預(yù)測不可或缺的兩個重要參數(shù)。其中含氣量評價普遍采用USBM法，該方法理論上更適用于取心時間較短、吸附氣含量比例較高的煤層氣樣品，而應(yīng)用于深層頁巖氣樣品時則通常會存在著較大的誤差。吸附氣含量評價常用等溫吸附法，但由于等溫吸附實驗難以模擬地層原位條件，其評價結(jié)果的可信度同樣也存在著較大的爭議。頁巖氣現(xiàn)場解吸過程的同位素分餾特征與頁巖含氣量和吸附氣含量/游離氣含量比值密切相關(guān)，因而借助于建立頁巖氣解吸過程同位素分餾定量表征模型，有可能為準(zhǔn)確評價頁巖原位含氣性參數(shù)提供全新的方法，進而以此破解上述難題。

2.方法

以川南上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖氣為研究對象，分別對龍一1亞段不同小層實施常規(guī)取心和保壓取心。對于常規(guī)取心頁巖樣品，在出筒后及時開展現(xiàn)場解吸實驗，解吸過程中計量、采集氣樣并測試同位素比值。對于保壓取心頁巖樣品，先后開展降壓排采實驗和常壓解吸實驗，獲取準(zhǔn)確的含氣量數(shù)據(jù)，降壓排采和常壓解吸過程中計量、采集氣樣并測試同位素組成。開展現(xiàn)場解吸實驗后，通過室內(nèi)測試分析獲取樣品的物質(zhì)組成和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合對應(yīng)頁巖樣品解吸氣量和同位素分餾特征，明確頁巖氣解吸過程同位素分餾影響因素及機理，建立定量表征模型，并通過標(biāo)定實測解吸數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確的含氣量和吸附氣比例。

建立定量表征模型的步驟包括：①建立綜合考慮游離氣擴散作用和吸附氣吸附—解吸作用的控制方程[公式（1）]；②根據(jù)儲層原始壓力設(shè)置模型的初始條件，根據(jù)取心過程設(shè)置模型的內(nèi)、外邊界條件；③標(biāo)定實測解吸氣量和同位素數(shù)據(jù)，優(yōu)化獲取公式（1）中的D、D*、VL、PL等參數(shù)；④將優(yōu)化參數(shù)重新代入模型中計算獲取頁巖原位含氣量和吸附氣含量/游離氣含量比值[公式（2）]。

控制方程：

求解p和p*后，可由下式計算任意解吸時刻的解析氣量和吸附氣含量比例：

式中φ表示孔隙度；p、p*分別表示12CH4和13CH4的氣體壓力，Pa；t表示解吸時間，s；x表示距離，m；m表示形狀因子；D、D*分別表示12CH4和13CH4的擴散系數(shù)，m2/s；θ表示吸附氣覆蓋率；c表示質(zhì)量平衡系數(shù)，Pa；ρ表示巖石視密度，g/cm3；VL表示朗格繆爾體積，cm3/g；R表示摩爾氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)；T表示溫度，K；Vm表示氣體摩爾體積，22.4 L/mol；PL表示朗格繆爾壓力，Pa；α表示吸附相與游離相平衡分餾因子；Qfree、Qads、Qtotal、Rads分別表示游離氣量、吸附氣量、總含氣量、吸附氣比例；r表示巖心半徑，m；z表示壓縮因子。

3.應(yīng)用及效果

實際應(yīng)用效果表明，基于同位素分餾模型計算的累計解吸氣量和所反映出的同位素分餾特征，均與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)具有良好的擬合效果（圖1-a、b），表明該模型在表征頁巖氣解吸過程具有很好的適用性。該模型計算得出的含氣量結(jié)果與保壓取心數(shù)據(jù)最為接近，體現(xiàn)了其較之于傳統(tǒng)方法具有更高的準(zhǔn)確性（圖1-c、d）。此外，同位素分餾模型還能有效地評價吸附氣含量比例這一項關(guān)鍵參數(shù)。該技術(shù)目前已在四川盆地南部瀘州、長寧地區(qū)數(shù)十口井進行了推廣應(yīng)用，取得了較好的評價效果，為瀘州地區(qū)深層頁巖氣原位含氣量和吸附氣含量/游離氣含量比值的準(zhǔn)確評估提供了理論和技術(shù)支撐，也為我國頁巖氣資源潛力評估、有利區(qū)/層位優(yōu)選及高效開發(fā)提供了幫助和指導(dǎo)。

圖1 同位素分餾模型評價結(jié)果分析與對比圖