秦曉艷

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安710069)

頁巖氣是主體上以吸附或游離態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中的天然氣聚集，僅發(fā)生了初次運移或非常有限的二次運移，為典型的“原地”成藏。隨著北美頁巖氣的成功開采[1]～[3]，國內(nèi)眾多學(xué)者(鄒才能，2010;李玉喜等，2011;張金川等，2012)通過與北美頁巖氣盆地成藏機理、地質(zhì)條件及關(guān)鍵性要素的對比分析開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究，對國內(nèi)含油氣盆地的頁巖氣資源潛力進行評估，認為我國南方局部及西北和華北的古、中生界地層均具有頁巖氣成藏地質(zhì)條件[4]～[6]，并在部分重點地區(qū)開展了頁巖氣藏潛力評價和區(qū)帶優(yōu)選工作。經(jīng)過初步評估，我國頁巖氣資源潛力與美國相當(dāng)，資源量變化范圍:23～100×1012m3。目前頁巖氣勘探評價面臨很多與常規(guī)油氣評價完全不同的科學(xué)問題，其中含氣量作為評價其富集程度的一個重要參數(shù)，如何準(zhǔn)確確定頁巖含氣量，仍然是頁巖氣儲層研究和資源評價中的重點和難點問題。

1 頁巖含氣量確定方法

目前，頁巖含氣量的測定尚缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實驗技術(shù)。常用到的頁巖含氣量測量方法可以分為直接測定法和間接獲得法兩類。

因頁巖氣具有和煤層氣較強的相似性，直接法測定含氣量主要參照的是煤層氣行業(yè)中的測定方法，再結(jié)合頁巖的特性對實驗方法和參數(shù)做相應(yīng)的修改，即通過現(xiàn)場鉆井巖心和有代表性的巖屑密閉封存于金屬解析罐中，后在實驗室利用水浴加熱的方法，模擬真實地層條件，采用排水集氣法進行解吸測定其實際含氣量(見圖1)。間接法獲得含氣量主要為通過等溫吸附實驗擬合或通過建立測井解釋含氣模型間接得到。其中，等溫吸附法通常評價的是頁巖的最大含氣能力，測井解釋法目前尚處于探索階段，準(zhǔn)確性難以把握。因此，直接解吸是目前獲得頁巖含氣量的主要方法。

圖1 直接解吸法測量含氣量流程

根據(jù)直接解吸法測定含氣量的原理和方法過程，其氣量由三部分組成分別為損失氣量、解吸氣量和粉碎后的殘余氣量(見圖2)，各部分氣量的確定方法為:

圖2 解吸法含氣量構(gòu)成圖

1.1 損失氣量確定方法

損失氣量是指鉆遇頁巖層系后在取心過程中，巖心提離井筒取出，至現(xiàn)場封入解吸罐之前，由于溫度、壓力不斷降低，發(fā)生自然解吸而逸散的氣體體積。

該部分氣體無法測定，可根據(jù)損失時間的長短及實測解吸氣量的變化速率并結(jié)合氣體逸散理論模型來進行理論估算。

1.2 解吸氣量確定方法

解吸氣量是指巖心裝入解吸罐之后解吸脫出的氣體總量。直接測定含氣量的解吸方式有自然解吸和快速解吸兩種。自然解吸時間長，但測量結(jié)果比較準(zhǔn)確，根據(jù)解吸氣量的大小，解吸時間通常延續(xù)2周至2個月，在1周內(nèi)平均解吸速度小于10 cm3/d時可終止解吸，測定其總解吸氣量。因自然解吸耗時長，測定過程中可通過適當(dāng)提高解吸溫度和連續(xù)觀測，并選擇匹配的終止限，可以合理而有效地縮短測定周期。快速解吸時間短，主要在野外現(xiàn)場使用。

1.3 殘余氣量確定方法

殘余氣量是指解吸罐中終止解吸后仍殘留在巖樣中的氣體。一般將巖樣裝入密閉的球磨罐中粉碎至細于60目的粉末，水浴加熱后放入恒溫裝置中，待恢復(fù)到儲層溫度后，在大氣壓力下按規(guī)定的時間間隔反復(fù)進行氣體解吸，直至連續(xù)1周解吸的氣體量小于10 cm3/d時終止解吸，測定其總殘余氣量。

2 損失氣計算方法及存在問題

因解吸氣和殘余氣都可通過實驗直接測得數(shù)據(jù)，而損失氣需通過理論模型估算，因此，該部分氣體的估算誤差是影響直接法測定含氣量準(zhǔn)確性的一大因素。取心耗費的時間、設(shè)計的測定實驗方法及估算理論模型的差異，結(jié)果都不盡相同，如何準(zhǔn)確估算損失氣量是一個值得關(guān)注的問題。

估算損失氣含量的方法很多[7]～[10]，Bertard、Kissell、Ulery和 Hyman、Yee、Smith William、Mavor等對此開展了大量工作，其中著名的有 USBM直線回歸法、Smith William法、曲線擬合法等，其中USBM直線回歸法在業(yè)界應(yīng)用最為廣泛。由美國礦務(wù)局(United States Bureau of Mines)制定的USBM直線回歸法估算損失氣量的基本假設(shè)為:巖樣為均質(zhì)圓柱型模型;基于氣體擴散過程中溫度、擴散速率恒定不變，擴散開始時表面濃度為零;氣體濃度從顆粒中心擴散到表面的變化是瞬時的。該模型數(shù)值解表明:解吸初期累計解吸氣量與解吸時間的平方根近似成正比，可利用解吸過程前4小時的線性解吸速率數(shù)據(jù)來反推損失時間段的損失氣量。其數(shù)學(xué)表達式為:

式中:V損為損失氣量，cm3;V測為實測解吸氣量，cm3;T0為損失時間，min;T為實測解吸時間，min;a為根據(jù)實測解吸數(shù)據(jù)擬合出的常數(shù)。

可見，實測解吸數(shù)據(jù)擬合出的比例常數(shù) a是USBM直線回歸法計算損失氣的關(guān)鍵參數(shù)。據(jù)范章群(2010)模擬實驗，煤層氣在提心、地面暴露的損失階段的解吸速率明顯大于解吸罐中早期的解吸速率。其中提心階段解吸曲線的斜率a1最大，呈指數(shù)變化，地面暴露階段的 a2為中間過渡型，呈線性變化，解吸罐中早期解析速率 a最小，亦呈線性變化。因此，USBM算法中利用較小的線性解吸速率 a代替 a1和 a2，估算較大的非線性和線性段的解吸量，必然導(dǎo)致估算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。劉洪林(2010)、趙群(2013)等學(xué)者通過實踐研究也認為USBM法在損失時間很短，損失氣量不大(含量＜20%)時，估算結(jié)果較為準(zhǔn)確，其他情況下，該方法估算結(jié)果存在較大偏差[12]、[13]。

3 頁巖損失氣量估算方法的改進建議

頁巖氣與煤層氣在形成機理和儲層屬性上有很多類似，因此煤層氣解吸損失氣量的相關(guān)討論在一定意義上可為頁巖氣提供借鑒。而頁巖埋深普遍較煤層深，并發(fā)育不均勻裂縫，巖性更加致密具有較強非均質(zhì)性，含氣量明顯小于煤層氣。因此，其在損失過程中，解吸速率也應(yīng)不直接等同于單一解吸時間段內(nèi)的解析速率。

同時考慮到頁巖中存在溶解氣，其總含氣量還需在損失氣基礎(chǔ)上做進一步校正。

直接解吸是獲得頁巖含氣量最直接的方法，在測定的過程中，測量結(jié)果受取心時間、測定方法、實驗技術(shù)，損失氣量估算模型、解吸溫度等綜合因素的影響，想要正確估算頁巖氣損失氣量，我們尚需找到一種方法，結(jié)合頁巖氣的實驗數(shù)據(jù)，正確認識頁巖解析速率隨時間，溫壓條件改變的規(guī)律，對理想擴散模型進行校正，在USBM法的基礎(chǔ)上，區(qū)分不同階段解吸速率的變化，利用分段回歸逐步擬合，靠近真實的解析過程以準(zhǔn)確估算損失氣量。因此，準(zhǔn)確估算頁巖損失氣量的研究工作需重點集中在估算模型的改進、優(yōu)化外在因素－設(shè)計更高分辨率的解吸測試儀器、緊密銜接實驗過程等方面上，盡量設(shè)計密閉取心，減少影響損失氣量的變化因素，同時可利用頁巖不同溫壓條件下的吸附實驗反演解吸的過程，研究其不同解吸時間段的解吸速率，為校正USBM模型提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4 結(jié)語

頁巖氣的勘探開發(fā)過程中含氣量的準(zhǔn)確確定至關(guān)重要，其中損失氣含量是影響含氣量精度的最主要部分。其確定方法的研究還處于探索階段，目前估算損失氣量的方法很多，本文只是在USBM法的基礎(chǔ)上，借鑒之前學(xué)者發(fā)現(xiàn)的煤層氣損失氣量估算過程時長期存在的問題，針對頁巖氣提出了改進建議。即在正確認識頁巖解吸速率隨時間，溫壓條件改變的規(guī)律的前提下，在USBM法的基礎(chǔ)上，區(qū)分不同階段解吸速率的變化，利用分段回歸逐步擬合，靠近真實的解析過程以準(zhǔn)確估算損失氣量。而研究過程中如何將更先進分辨率更高的測試技術(shù)應(yīng)用于頁巖氣解吸實驗中，提高測試數(shù)據(jù)的精度，如何建立準(zhǔn)確的回歸模型，為頁巖氣的勘探提供重要的技術(shù)支撐，是一項急待解決的課題。

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