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页岩吸附与解吸气量探讨

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《录井工程杂志》2015年第一期

1等温吸附法测量研究与实例

页岩气的等温吸附原理主要参考煤层气的吸附原理,实验研究则是在恒温条件下采用静态吸附体积法。根据吸附质在吸附前后的压力、体积和温度等条件变化,通过质量平衡方程、静态气体平衡和压力测定来模拟吸附过程,计算不同压力下的吸附气量,建立吸附气量与压力和温度的关系模型[1,3-4]。实验过程是在恒温条件下,测试不同压力(p)下气体的吸附量(V)并绘制等温吸附线,根据朗格缪尔(Langmuir,1916)方程计算等温饱和吸附气量和朗氏压力。朗氏体积代表页岩最大吸附能力,其物理意义是在给定的温度下页岩吸附甲烷达到饱和时的最大吸附气含量。朗氏压力是朗氏体积一半所对应的压力。在低压条件下,气体吸附量随着压力的增大而增加,在趋近饱和时增加速率逐渐变慢,达到12MPa后吸附量达到饱和,VL成为一条平滑的直线。北美地区的页岩气勘探实践表明,页岩吸附气大多服从朗格缪尔方程[1]。页岩气层温度与解析试验温度接近时,不需要进行压力校正。朗格缪尔方程适用于估算存在游离气的页岩层饱和吸附气量平均值。在F页岩气田JY1井现场,利用ISO200等温吸附仪进行7组实验测量(表1),相近沥青反射率A、镜质体反射率Ro,页岩吸附含气量随Cto增大而增大(图1),这主要是与页岩中的干酪根和黏土结构造成的颗粒比表面积增大有关。30℃条件下等温饱和吸附气量(VL)平均为3.17m3/t,朗氏压力(pL)平均为2.62MPa。80℃地层温度条件下页岩吸附气量平均为1.28m3/t,温度升高页岩吸附能力明显下降。样品B取自志留系龙马溪组下部地层,岩性为黑色碳质页岩(表2),通过p/V-p等温吸附线回归方程(图2)得到30℃条件下VL为2.7567m3/t,约为2.76m3/t。样品H取自奥陶系五峰组地层,岩性为灰黑色碳质页岩。国内外实验室模拟试验均显示,在相同的压力下,温度升高一倍,页岩吸附能力下降到原吸附能力的一半[1]。在不同温度下页岩的朗氏压力和解吸所需的启动压力没有明显变化。当地层压力达到约12.0MPa时,游离气和吸附气含量基本相等,吸附气达到饱和状态。之后,随着埋深的增加和地层压力的增大,游离气含量逐步增加。地层压力达到29.4MPa左右时,游离气含量是吸附气含量的2倍以上,并且温度的变化对页岩达到最大吸附气量所需的压力没有影响。因此,F页岩气田实验室30℃等温吸附法测量结果需要温度校正,气藏中部地层温度80℃、压力36.5MPa,校正后的总吸附气含量为1.28m3/t,基本遵循在相同的压力下,温度升高一倍,页岩吸附能力下降到原吸附能力的一半这一规律。气藏压力远远超过了启动压力(12.0MPa)和朗氏压力(3.59MPa),页岩已达到最大饱和吸附气量。

2解吸法测量研究与实例

解吸法测量的页岩含气量主要由损失气量、解吸气量和残余气量3部分组成。损失气量是在快速取出岩心后,现场直接装入解吸罐之前所释放出的气量。这部分气体无法测量,只能通过气体损失时间和实测的解吸气量的变化速率进行理论计算,没有充分考虑钻井过程中扩散到钻井液中的部分气量。解吸气量是岩心装入解吸罐后解吸出的气体总量,一般要延续2周至4个月,由解吸气量大小而定。通常1周内平均解吸速度小于10cm3/d时便可终止解吸。残余气量是终止解吸后仍留在样品中的那部分气体。需将岩样装入密闭的球磨罐中破碎,然后放入恒温装置中,待恢复到储集层温度后按规定的时间间隔反复进行气体解吸,直至连续1周解吸的气体量小于或等于10cm3/d,测定其残余气量[6]。对JY1井奥陶系五峰组—志留系龙马溪组取心段进行了现场解吸法含气量测试,30块样品解吸实验显示,总含气量介于0.44~5.19m3/t,平均为1.97m3/t,主要以损失气与解吸气为主,残余气含量低。损失气含量介于0.11~3.9m3/t,平均为1.14m3/t;解吸气含量介于0.31~1.4m3/t,平均值为0.79m3/t;残余气含量介于0.01~0.07m3/t,平均为0.04m3/t。对比JY1井岩心饱和吸附气量测量实验发现,温度30℃、压力0.1013MPa时,岩心饱和吸附气量与岩心解吸后获得的总含气量较大值基本接近。通过对比分析后可以这样认为:页岩总含气量由吸附气量和游离气量组成,JY1井现场页岩解吸获得的总含气量主要为页岩层吸附气含量,游离气含量比例较小,现场评价可以忽略不计。储集层孔隙与裂缝游离气充足,游离气与吸附气处于动态平衡。这里可以认为,JY1井解吸气量代表的是页岩吸附气量,与Cto关系方程为:Qgt=0.78Cto。

3主要认识

①页岩吸附法实验是钻井现场快速获得朗氏体积(VL)和朗氏压力(pL)的有效途径,VL和pL宜取实验测量的平均值,可以利用VL评估井场快速解吸获得的吸附气与游离气含量比例关系。②F页岩气田井场页岩等温吸附与快速解吸实验表明,JY1井现场页岩解吸所获得的总含气量主要为吸附气量,游离气量所占比例较小。③页岩吸附气量(Qgt)与样品有机碳含量(Cto)成正相关,并遵循“在相同压力情况下,温度升高一倍,页岩吸附能力下降到原吸附能力的一半”规律,F页岩气田五峰组—龙马溪组下部页岩层Qgt=0.78Cto。

作者:石文睿郭美瑜张建平冯爱国赵红燕叶应贵石元会单位:长江大学地球物理与石油资源学院香港中文大学中石化江汉石油工程有限公司测录井公司

录井工程杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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