曲占慶，林珊珊，張 杰，張 東，蘇 程

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

多組分和吸附對頁巖氣儲量計算的影響

曲占慶，林珊珊，張 杰，張 東，蘇 程

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

頁巖氣藏是1種非常規(guī)氣藏，因其特殊性導(dǎo)致儲量計算方法有別于常規(guī)氣藏。為此，首先探討了頁巖氣藏的特殊性，分析了計算頁巖氣儲量的幾種方法，在此基礎(chǔ)上考慮多組分與吸附的影響，利用EL模型和IAS理論計算頁巖氣儲量，并與不考慮組分和吸附時計算的儲量進(jìn)行對比。結(jié)果表明，多組分和吸附對頁巖氣儲量計算影響較大，同時壓力也是影響頁巖氣儲量的重要因素。因此，兩模型為頁巖氣的儲量計算提供了依據(jù)。

頁巖氣儲量;多組分;吸附;EL模型;IAS理論

引言

隨著頁巖氣資源勘探開發(fā)的不斷深入，頁巖氣藏的儲量評價成為重要問題之一［1］。根據(jù)頁巖氣藏的自身特點(diǎn)，可用于頁巖氣藏儲量計算的方法有3種:類比法、靜態(tài)法和動態(tài)法［2］。但類比法的精確度不高，靜態(tài)法沒有考慮吸附對氣體儲量的影響，動態(tài)法要求生產(chǎn)數(shù)據(jù)足夠多，因此需要對以前的儲量計算方法進(jìn)行完善。頁巖氣藏中的天然氣由3部分組成:裂縫中的游離氣、基質(zhì)孔隙中的游離氣和吸附氣［3－4］。研究表明，確定頁巖氣儲量時需要考慮吸附氣和游離氣的體積［5］。以前測定游離氣和吸附層占據(jù)的孔隙體積時基于單組分Langmuir吸附模型，現(xiàn)在多采用多組分吸附模型來計算頁巖氣儲量，其中 EL吸附模型(Extended－Langmuir model)應(yīng)用最廣泛［6］，同時其他吸附模型例如IAS理論(Ideal Adsorbed Solution)也被應(yīng)用。本文考慮多組分以及吸附的作用，運(yùn)用EL模型和IAS理論計算儲量，使得預(yù)測的儲量更準(zhǔn)確。

1 頁巖氣藏儲量計算

天然氣儲量可用下式表示:

式中:Gst為氣體總量，cm3/g;Gf為游離氣量，cm3/g;Ga為吸附氣量，cm3/g;Gso為油中溶解的氣體量，cm3/g;Gsw為水中溶解的氣體量，cm3/g。

在氣體儲量計算中，一般忽略Gso和Gsw，單組分頁巖氣體的儲量計算方程為:

式中:φ為頁巖總孔隙度;Sw為含水飽和度;ρb為頁巖基質(zhì)密度，g/cm3;ρs為吸附相密度，g/cm3;Bg為氣體體積系數(shù);M為純組分氣體分子質(zhì)量，g/mol;GsL為 Langmuir吸附體積，cm3/g;p為地層壓力，MPa;pL為Langmuir壓力，MPa。

2 模型應(yīng)用

2.1 EL模型

采用EL模型進(jìn)行計算時假設(shè):單組分甲烷吸附符合Langmuir吸附等溫線，多組分氣體吸附符合EL模型;儲量計算中使用儲層條件下的超臨界氣體。

2.1.1 混合物吸附相氣體含量的估算

對于多組分吸附模型，頁巖氣儲量表示為［7］:

式中:GsLi為每種組分的Langmuir吸附體積，cm3/g;pLi為每種組分的Langmuir壓力，MPa;yi為氣相每種組分的摩爾分?jǐn)?shù)。

吸附相混合物的氣體含量利用公式(3)計算。頁巖氣氣相和吸附相摩爾分?jǐn)?shù)見表1，用于計算吸附相分子量和吸附相密度。頁巖氣藏的物性參數(shù)見表2。表3為單組分Langmuir等溫吸附模型參數(shù)值，利用各組分等溫線計算EL模型吸附等溫線。室內(nèi)測定了單組分甲烷和EL模型吸附等溫線，結(jié)果顯示，EL模型氣體吸附量比單組分甲烷吸附量高37個百分點(diǎn)。頁巖氣藏有多種氣體，EL吸附模型可以更準(zhǔn)確的計算氣體儲量。

表1 頁巖氣的摩爾分?jǐn)?shù)

表2 計算頁巖氣儲量所需的物性參數(shù)

表3 各碳數(shù)的Langmuir參數(shù)值

2.1.2 混合物吸附相密度的計算

范德華狀態(tài)方程［8］可以預(yù)測實(shí)際氣體的吸附相密度，方程為:

式中:V代表真實(shí)氣體的摩爾體積，cm3/mol;R為通用氣體常數(shù)，值為8.314 J/mol·K;T為油藏溫度，K;a為范德華常數(shù)，m3·MPa·mol，與分子間作用力有關(guān);b為綜合體積常數(shù)，cm3/mol。

實(shí)驗(yàn)證明在臨界點(diǎn)(pc，Tc)壓力與氣體摩爾體積的一階和二階偏導(dǎo)數(shù)為零［8］，2個偏導(dǎo)數(shù)方程聯(lián)立可以求得a和b，即:

式中:Tc為臨界溫度，℃;pc為臨界壓力，MPa。

通過公式(6)計算b值，然后計算吸附相各組分和混合氣體的密度如式(7)所示:

表4為計算氣體吸附相密度所需參數(shù)值和計算結(jié)果，計算得吸附相密度為0.434 g/cm3。

表4 純組分熱力學(xué)參數(shù)和吸附參數(shù)

表5 計算結(jié)果數(shù)據(jù)

自由氣量、吸附氣量和總氣量計算結(jié)果見表5。

表5中Ga，mix為混合氣體吸附量，cm3/g;Gf，mix為混合氣體自由氣量，cm3/g;Gst，mix為混合氣體總量，cm3/g。表5數(shù)據(jù)表明，不考慮吸附時計算的頁巖氣儲量與使用EL模型時計算的頁巖氣儲量相差30個百分點(diǎn)，只考慮單組分甲烷計算的頁巖氣儲量與使用EL模型時計算的頁巖氣儲量相差近20個百分點(diǎn)，說明氣體吸附和多組分對頁巖氣儲量計算影響較大，計算時必須考慮其作用。

2.2 IAS模型

IAS理論假設(shè)吸附相的活度系數(shù)統(tǒng)一，類似于拉烏爾定律。氣態(tài)和各吸附組分之間的平衡關(guān)系如式(7)所示，純組分的壓力要通過吉布斯吸附等溫線和純組分蒸氣壓來確定?；旌衔餁怏w吸附量如式(8)、(9)所示［9］:

式中:是在相同溫度和傳播壓力的純吸附組分蒸氣壓力，MPa;nt為總吸附量，mol/g;xi為氣體摩爾分?jǐn)?shù);no

i為與混合物具有相同壓力和溫度時的純組分吸附量，mol/g。

2.3 EL模型和IAS模型的比較

采用IAS理論和EL模型分別對二元混合物模型進(jìn)行預(yù)測。二元混合物模型包括甲烷/乙烷、甲烷/二氧化碳、甲烷/丙烷、甲烷/丁烷這4種混合物模型。利用IAS理論計算了壓力為6.9、27.6 MPa時的吸附量。結(jié)果顯示，EL模型計算的甲烷吸附量比IAS理論計算的甲烷吸附量大。

用分離因子表示組分的相對吸附，對于二元吸附系統(tǒng)可表示為aij=(xy)i/(xy)j。對于EL模型，單組分等溫線分離因子只是純組分吸附平衡常數(shù)的比值，與濃度和壓力無關(guān)，計算每種混合物的EL分離因子，C3+、C4H10、CO2和CH4的分離因子分別為18.3、6.0、5.1、3.1，其中C3+的分離因子最大，說明其吸附性最強(qiáng)［10］。IAS理論計算的分離因子取決于頁巖氣的壓力和各種組分含量，壓力越高，甲烷含量越低，甲烷的相對吸附能力越強(qiáng)。EL模型和IAS理論對多組分吸附的影響通過不同氣體成分和不同壓力之間的差異進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示:2種模型預(yù)測的總吸附量相差不大，但相同條件下IAS理論預(yù)測值偏大;2種模型都顯示高壓比低壓時總吸附量高;自由氣中甲烷濃度越高，則總吸附量越低。

分別運(yùn)用IAS模型和EL模型計算頁巖氣儲量，結(jié)果見表6。

表6 IAS模型和EL模型各數(shù)據(jù)對比

可以看出，相同條件下2個模型的預(yù)測值差別不大，但受壓力影響較大。EL模型吸附氣的密度不隨壓力變化，而IAS理論有變化，高壓比低壓時計算的自由氣量和氣體儲量明顯高，高壓大約是低壓的3～4倍，因此，壓力是影響氣體儲量的重要因素。

3 結(jié)論

(1)采用EL模型與不考慮吸附和多組分時計算的頁巖氣儲量相差較大，最大相差30個百分點(diǎn)，而EL模型和IAS理論計算的頁巖氣儲量相差不大。因此計算時必須考慮吸附和組分的影響，否則預(yù)測的頁巖氣儲量是不準(zhǔn)確的。

(2)壓力是影響頁巖氣儲量的重要因素，壓力越大氣體儲量越大，壓力變化會對計算的儲量造成影響，即計算時所用地層壓力數(shù)據(jù)要盡量準(zhǔn)確。

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Impacts of multi－component and adsorption on shale gas reserve estimation

QU Zhan－qing，LIN Shan－shan，ZHANG Jie，ZHANG Dong，SU Cheng
(China University of Petroleum，Qingdao，Shandong266580，China)

Shale gas reservoirs are unconventional and use distinct method to estimate reserves.This paper discusses the distinctness of shale gas reservoir，analyzes several methods of shale gas reserve estimation.Shale gas reserves are calculated by employing EL model and IAS theory with consideration of multi－component and adsorption，and compared with the reserves calculated without such consideration.The result shows that multi－component and adsorption have great impacts on shale gas reserve estimation，and pressure is also an important affecting factor.

shale gas reserve;multi－component;adsorption;EL model;IAS theory

TE155

A

1006－6535(2012)03－0114－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.030

20110920;改回日期:20120306

國家重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2011ZX05051)

曲占慶(1963－)，男，教授，博士，1986年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事采油工程技術(shù)研究工作。

編輯王 昱