何家歡 李農(nóng) 王蘭生 張鑒 杜堅(jiān) 靳濤

1.中國石油西南油氣田分公司；2.四川省頁巖氣評價與開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3.西南石油大學(xué)

頁巖含氣量是計(jì)算頁巖原地儲量的一個關(guān)鍵參數(shù)。由于頁巖氣有游離氣、吸附氣兩種賦存形式，而賦存形式受壓力、溫度的影響，因此，頁巖儲層不能像常規(guī)儲層那樣直接用容積法來確定儲量多少，而是要通過實(shí)驗(yàn)測定頁巖含氣量。頁巖含氣量測定方法有直接法和間接法。間接法主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室樣品的等溫吸附曲線，在已知儲層壓力和溫度的情況下分析頁巖的含氣量；直接法［1］則是將出筒后的巖心盡快裝罐，先后將其加熱至地層流體溫度、井底溫度，使用計(jì)量裝置獲得解吸氣量，通過解吸氣量與時間的關(guān)系曲線回歸出巖心從井底到井口的損失氣量，然后粉碎樣品得到井底溫度下的殘余氣量，最后將損失氣量、解吸氣量、殘余氣量三者相加，得到儲層頁巖含氣量。解吸氣量可通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)得到，通常“現(xiàn)場頁巖含氣量”是指解吸氣量。

雖然國內(nèi)外學(xué)者［2-3］均認(rèn)為損失氣量的計(jì)算受理論假設(shè)條件與實(shí)際情況不符的影響，但鑒于直接法具有實(shí)驗(yàn)過程快速簡便、能夠現(xiàn)場拿到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、能第一時間為勘探開發(fā)決策提供數(shù)據(jù)支撐等特點(diǎn)，在頁巖氣勘探開發(fā)過程中仍扮演著重要角色。國內(nèi)外針對直接法的研究［4-16］主要集中于損失氣量計(jì)算、頁巖含氣量的控制因素等方面，但是如何通過改進(jìn)硬件設(shè)備來準(zhǔn)確測定解吸過程中的含氣量方面同樣至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)頁巖含氣量現(xiàn)場測定方法［17-19］主要有手動排水集氣法、氣體流量計(jì)法、PVT定容法、燃燒法等4種方法，其中現(xiàn)場使用最為廣泛的方法為手動排水集氣法和氣體流量計(jì)法。氣體流量計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備體積小、自動化程度高，缺點(diǎn)則是由于體積計(jì)量受組分影響大，容易產(chǎn)生誤差。手動排水采氣法只需水瓶、計(jì)量管與U型管相連，水瓶頂端接大氣，打開進(jìn)氣閥待液面下降，待穩(wěn)定后手動移動水瓶待其內(nèi)液面與計(jì)量管液面齊平，記錄下此液面對應(yīng)的計(jì)量管上的刻度。該方法測定原理簡單，設(shè)備成本較低，但是該測定方法連續(xù)操作時間較長，勞動強(qiáng)度過大，誤差大。此外，隨著頁巖氣藏勘探開發(fā)的深入［20-24］，為準(zhǔn)確評價頁巖儲層的含氣量，取樣密度已由國內(nèi)頁巖氣探索期的1 樣/5 m增至1 樣/2 m，此舉增加了手動排水集氣法的測試難度。頁巖含氣量現(xiàn)場測定方法的特殊性就在于只能在巖心出筒后迅速完成，且不能重復(fù)操作，如果不能在取心后完成對所有巖樣的測定，那么經(jīng)過較高成本的取心作業(yè)取得的巖心將再也無法用于有效地評價其含氣性，會造成極大的浪費(fèi)。為此，研制了頁巖現(xiàn)場含氣量自動測定裝置。

1 頁巖含氣量自動測定裝置

Automatic shale gas content measurement device

該設(shè)備的基本原理基于排水采氣法，但是運(yùn)用光電原理實(shí)現(xiàn)了自動計(jì)量。

1.1 結(jié)構(gòu)

Structure

測定裝置主要由集氣量筒、平衡量筒、儲液罐、漂浮片、升降裝置、光電液位傳感器、導(dǎo)氣管、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)、上位機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頁巖含氣量現(xiàn)場自動測定儀示意圖Fig. 1 Sketch of on-site automatic shale gas content measurement device

1.2 工作原理

Working principle

該裝置依據(jù)U型管內(nèi)的液體（通常是水）在同等大氣壓條件下液位等高的等壓液位平衡原理，采用光電非接觸式閉環(huán)測控方法，實(shí)現(xiàn)對頁巖儲層含氣量的恒壓等容自動連續(xù)測定。使用兩個光電液位傳感器分別測定集氣量筒和平衡量筒中的液位高度，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集及程序?qū)﹄姍C(jī)等機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等調(diào)節(jié)集氣量筒和平衡量筒與儲液罐的相對位置，從而實(shí)現(xiàn)對兩個量筒液位的再次平衡及含氣量的計(jì)算，往復(fù)此定容測定過程直至完成儲層樣品的含氣量測定。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

Technical characteristics

（1）測定結(jié)果不受集氣筒內(nèi)壁因表面張力引起的人為讀數(shù)和操作誤差等的影響，測定精度遠(yuǎn)高于手動排水集氣法、氣體流量計(jì)法，同時節(jié)約了大量人力資源成本。

（2）該設(shè)備將光電傳感技術(shù)、計(jì)量筒內(nèi)液體閉環(huán)測控和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)綜合用于頁巖儲層含氣量現(xiàn)場測定，還可用于包括煤的含氣量或者其他工業(yè)領(lǐng)域的氣體容量的連續(xù)定容計(jì)量測定。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

Field application

2.1 測定步驟

Measurement procedure

（1）測定前，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)驅(qū)動儲液罐上升，使集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的液體上升，光電位移傳感器將液面參數(shù)傳輸至上位機(jī)。當(dāng)集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的液面達(dá)到設(shè)定的液體上限值后，控制升降裝置的驅(qū)動裝置將停止工作。

（2）將現(xiàn)場出筒的頁巖儲層樣品放置于解吸罐內(nèi)，并將解吸罐放于恒溫水浴鍋中。

（3）頁巖儲層樣品在模擬井口溫度或儲層流體溫度時不斷解吸出天然氣，天然氣通過導(dǎo)氣管進(jìn)入集氣量筒內(nèi)，使集氣筒內(nèi)液面下降，同時也使平衡量筒和儲液罐內(nèi)的液面隨之上升，集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的漂浮片均隨液位變化而移動，光電液位傳感器實(shí)時將液面參數(shù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)液位差，控制升降裝置使儲液罐液位下降，使平衡量筒的液位逐漸降低，直至集氣量筒內(nèi)的氣壓與外界大氣壓相等。集氣量筒此時的液位相對于初始液位對應(yīng)的量筒容積差即為儲層樣品的出氣量，上位機(jī)根據(jù)測定和記錄的集氣筒內(nèi)的液位變化位，完成一次含氣量計(jì)量。

（4）完成一次計(jì)量后，通過控制升降裝置驅(qū)動儲液罐液位上升，使集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的液位上升，當(dāng)集氣量筒和平衡量筒內(nèi)的液位達(dá)到設(shè)定的液位上限值后，驅(qū)動裝置停止工作。

（5）重復(fù)步驟（3）、（4），即可開始下一次計(jì)量。

（6）上位機(jī)自動累積計(jì)算出頁巖儲層樣品的現(xiàn)場解吸氣量。

2.2 實(shí)例分析

Case analysis

為證實(shí)頁巖現(xiàn)場含氣量自動測定技術(shù)的可靠性，在NX202井相鄰井深處選取兩塊全直徑樣品，記為1號和4號，巖心出筒后分別迅速裝入巖心罐并置于恒溫水浴鍋中，先按照井口流體溫度加熱到60 ℃，4 h后按照儲層溫度加熱到90.9 ℃，直到巖心罐無氣體溢出。

1號樣品質(zhì)量為5.8 kg，4號樣品質(zhì)量為6.0 kg，其中1號樣品采用頁巖含氣量現(xiàn)場自動測定儀測定，4號樣品采用手動排水采氣法人工記錄數(shù)據(jù)。NX202井1號樣品和4號樣品的頁巖累積測定氣量曲線圖如圖2所示，經(jīng)過測定，通過頁巖含氣量現(xiàn)場自動測定儀測定的1號樣品解吸氣量為1 526 mL，解吸氣含量為0.26 m3/t；通過手動排水采氣法人工記錄的4號樣品解吸氣量為1 374 mL，解吸氣含量為0.23 m3/t。對比發(fā)現(xiàn)，相鄰井深的樣品分別采用自動、人工計(jì)量方式的測量結(jié)果僅相差0.03 m3/t，證實(shí)頁巖含氣量現(xiàn)場自動測定技術(shù)能夠代替手動排水采氣法，能滿足頁巖含氣量現(xiàn)場測定的需要。

圖2 NX202井頁巖累積測定氣量曲線圖（1號、4號樣品）Fig. 2 Cumulative gas measurement curve of Well NX202 (No.1 and No.4 samples)

頁巖含氣量現(xiàn)場自動測定技術(shù)在國家級頁巖氣示范區(qū)（長寧、威遠(yuǎn)）應(yīng)用十分廣泛。以長寧、威遠(yuǎn)地區(qū)的10口井?dāng)?shù)據(jù)為例，頁巖含氣量與每米產(chǎn)層貢獻(xiàn)的產(chǎn)量呈正比關(guān)系，如圖3所示。實(shí)踐證明，含氣量大于或等于2.0 m3/t則是頁巖氣藏經(jīng)濟(jì)可采的必要條件。根據(jù)國家級頁巖氣示范區(qū)（長寧、威遠(yuǎn)）的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，由于頁巖氣井的產(chǎn)量受多種因素控制，并非所有含氣量大于或等于2.0 m3/t的頁巖儲層都經(jīng)濟(jì)可采，但是對于含氣量小于2.0 m3/t的儲層尚未發(fā)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)可采價值的實(shí)例。如長寧、威遠(yuǎn)地區(qū)G井的含氣量測定為1.60 m3/t，測試產(chǎn)量僅為0.12×104m3/d，難以達(dá)到工業(yè)氣流，而同一區(qū)塊的A井含氣量為5.05 m3/t，測試產(chǎn)量為1.72×104m3/d，在該井層段鉆取水平井，獲得巨大成功。因此，頁巖含氣量第一時間為勘探開發(fā)決策提供了數(shù)據(jù)支撐，該數(shù)據(jù)成為預(yù)測儲層“甜點(diǎn)”的重要指標(biāo)，而頁巖含氣量現(xiàn)場自動測定技術(shù)則保證了該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。

圖3 長寧、威遠(yuǎn)地區(qū)10口井頁巖含氣量與每米產(chǎn)層貢獻(xiàn)產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between shale gas content and production contribution a meter of pay zone of 10 wells in Channing and Weiyuan areas

3 結(jié)論及建議

Conclusions and proposals

（1）頁巖含氣量自動測定裝置利用U型管的原理對頁巖含氣量進(jìn)行自動計(jì)量，有效減輕了現(xiàn)場工作人員的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了頁巖現(xiàn)場含氣量自動、精準(zhǔn)測定，已成功應(yīng)用于20余口井的頁巖含氣量現(xiàn)場測定。

（2）頁巖儲層含氣性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效指導(dǎo)了頁巖氣現(xiàn)場射孔作業(yè)、有利層段的劃分，為國家級頁巖氣示范區(qū)（長寧、威遠(yuǎn)）的建設(shè)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

（3）因受現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件所限，應(yīng)提高頁巖含氣量自動測定儀的便攜性和穩(wěn)定性，以適用于更復(fù)雜的工作環(huán)境中。

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