解吸法测量页岩含气量及改进方法

解吸法测量页岩含气量及改进方法

唐颖1,2，张金川2，刘珠江2，李乐忠1

1.中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京，100027

2.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083

摘要：页岩含气量是计算原始含气量的关键参数，对页岩含气性评价、资源储量预测具有重要的意义。介绍了页岩含气量测试的三种基本方法，包括解吸法、等温吸附法及测井解释法。解吸法是页岩含气量测试最直接方法，重点讨论了解吸法的测试原理及实验方法。损失气含量是解吸法中误差较大的部分，提高损失气量估算精度能提高含气量测试精度。研究认为，直线回归法估算损失气量误差大，利用直线回归与多项式回归的加权平均或者采用非线性回归估算损失气量更为合理，对目前通用的解吸实验设备提出高精度的改进方案，减小实验系统误差。

关键词：页岩气；含气量测试；解吸法；损失气；非线性回归

页岩气作为一种非常规天然气，资源储量巨大。2010年，美国页岩气产量达1379亿方，约占美国天然气产量的23%，中国页岩气开发也开始起步并取得了明显的进步。页岩含气量是计算原始含气量（OGIP）的关键参数，对页岩含气性评价，资源储量预测具有重要的意义。

1、页岩含气量及测试方法

页岩含气量是指每吨页岩中所含天然气在标准状态（0℃，101.325KPa）下的体积。根据赋存状态，页岩含气量由吸附气、游离气和溶解气三部分构成。吸附气是指吸附在干酪根和粘土颗粒表面的天然气，当页岩中压力较小时，吸附机理是页岩气赋存的非常有效的机理。吸附气含量受有机碳含量、压力、成熟度、温度等因素控制[1-3]。游离气主要指储存在天然裂缝和粒间孔隙中的天然气，其含量主要受地层压力、孔隙度、含气饱和度、温度等因素控制[1-3]。溶解气是指溶解在页岩有机质、液态烃和沥青等物质中的天然气。溶解气在页岩含气量构成[基金项目]国土资源部《中国重点海相地区页岩气资源潜力及有利区优选》(编号：2009GYXQ15)和国家自然科学基金项目《页岩气聚集机理和成藏条件》(批准号：40672087)。

中所占比例十分微小，在计算含气量时可以忽略不计。

页岩含气量测试是页岩储层评价、有利区优选的重要实验，测试方法有解吸法、等温吸附法、测井解释法[4]等，其中解吸法是页岩含气量测试的直接方法，也是最常用的方法，等温吸附和测井解释是页岩含气量测试的间接方法。

1.1 解吸法

解吸法包括USBM法、改进的直接法、Smith-Williams法和曲线拟合法等，其基本原理都是USBM法。USBM法最早由Bertard（1970）提出，后经美国矿业局（US Bureau of Mines）改进和完善，成为美国煤层含气量测试的工业标准，其操作方法简单，测试精度基本能够满足勘探阶段的要求。

解吸法测量页岩含气量时，其准确性主要取决于两点：一是设法减少损失气量。保压取心被认为是最准确的方法，但价格昂贵，绳索取心可以缩短取心时间，是国内含气量测试常用的取心方式，在技术和资金都具备的条件下，可以采用密闭取心、二次取心的方式，在深井或含有多套层系的井中，旋转式井壁取心能够取得很好的效果[5-7]；二是解吸时应模拟地层条件，尤其是地温条件。这样既能反映页岩中气体在地层原始条件下的解吸速率，又能使损失气量的估算更加准确。

1.2 等温吸附和测井解释法

等温吸附法是通过页岩样品的等温吸附实验来模拟样品的吸附过程，从而获得页岩的含气量。等温吸附反映了页岩对甲烷气体的吸附能力，其结果往往比页岩的实际含气量大，一般用来评价页岩的吸附能力，确定含气饱和度的等级，在求取页岩含气量大小时一般不用，只有缺少现场解吸实验时才用来定性的比较不同页岩含气量的大小。

测井解释法是通过测井资料解释获得页岩含气量的方法。通过现代测井技术手段能够获得页岩的物性、含气性、地化、矿物组成等参数[9-11]，测井解释法求取页岩含气量可以通过测井解释获得页岩的孔隙度、含气饱和度、有机碳含量等参数，利用储层孔隙度及含气饱和度求取页岩游离气含量，利用有机碳含量和

吸附气的经验关系获得页岩的吸附气含量，页岩含气量即为游离气和吸附气之和。

2、解吸法测量页岩含气量

解吸法是测量页岩含气量最直接的方法，它能够在模拟地层实际环境的条件下反映页岩的含气性特征，因此被用来作为页岩气含量测量的基本方法。解吸法中页岩含气量由解吸气含量V d、损失气含量V l和残余气含量V r三部分构成，测试基本流程如图所示（图1）。

图1解吸法测量页岩含气量流程

2.1 解吸气测量

解吸气量是指页岩岩心装入解吸罐后在大气压力下自然解吸出的气体体积。现在广泛使用的页岩解吸气量测量装置主要分为解吸罐、集气量筒和恒温设备三部分，其基本构成如图2所示。解吸气测量主要在钻井取心现场完成，在钻井过程中准确记录启钻、提钻，岩心到达井口及装罐结束时刻，当岩心取出井口后，迅速装入解吸罐中，并使用细粒石英砂填满解吸罐空隙后密封，然后放入模拟地层温度的恒温设备，让岩心在解吸罐中自然解吸，并按时记录不同时刻的解吸气体积，直到解吸结束。

图2解吸实验装置基本模式[12-14]图

a.Bertard,1970

b. TRW,1981

c. Camp,1992

页岩样品解吸有自然解吸和快速解吸两种方式，自然解吸时间长，但测量结果更准确，快速解吸时间短，方便野外现场使用。自然解吸法中，装罐结束后5min内测定第一次，以后每10min、15min、30min、60min间隔各测定1小时，然后120min测定2次，累计满8小时后可视解吸罐的压力表确定适当的解吸时间间隔，最长为24小时，持续到连续7天每天平均解吸量小于或等于10cm3，或在一周内每克样品的解吸量平均小于0.05cm3/d，自然解吸结束[15,16]。快速解吸时间为8小时，参照自然解吸的时间间隔记录不同时刻的解吸气体积，8小时后自然解吸结束。另外，快速解吸还可以通过适当提高解吸温度和连续观测，并择匹配的终止限，在煤层气中应用的准确率一般大于90%[17,18]。

将现场解吸得到的解吸气总量V m代入公式（1）校正成标准状态下的体积

V s，然后除以样品质量即为岩心的解析气含量V d。

V s=273.15×P m×V m

(1)

101.325×（273.15+T m）

式中，V s为标准状态的解吸气体积，cm3；P m为现场大气压力，kPa；T m为现场大气温度，℃；V m为实测解吸气体积，cm3。

2.2 损失气估算

损失气量是指钻头钻遇岩层到岩心取出井口装入解吸罐之前释放出的气体体积。页岩损失气量通常通过USBM法直线回归获得，USBM法估算页岩损失气量基于以下假设：岩样为圆柱型模型；扩散过程中温度、扩散速率恒定；扩散