李郭琴，李宜真，吳 斌

（1.油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500；3.重慶能源頁巖氣有限公司，重慶 400060）

頁巖含氣性分析是頁巖儲層評價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選的關(guān)鍵步驟，而頁巖含氣量是計(jì)算頁巖氣藏地質(zhì)儲量的關(guān)鍵參數(shù)。頁巖中天然氣賦存相態(tài)包括游離態(tài)（大量存在于頁巖孔隙和裂縫中）、吸附態(tài)（吸附于粘土礦物、有機(jī)質(zhì)、干酪根顆粒及孔隙表面上）、溶解態(tài)（微量存在于干酪根、瀝青質(zhì)、殘留水以及液態(tài)原油中）以及其他可能相態(tài)，其中吸附相存在的天然氣可占賦存總量的20 %～85 %[1-2]。因此，泥頁巖儲層的含氣量是頁巖氣富集的體現(xiàn)，同樣也是決定頁巖氣有無經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的重要參數(shù)。

目前國內(nèi)外還沒有專門針對頁巖含氣量測試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和方法技術(shù)，主要還是參照煤層氣行業(yè)中提出的測量方法，再結(jié)合頁巖的特性對實(shí)驗(yàn)方法及參數(shù)做修改應(yīng)用于頁巖含氣量測試[3]。頁巖含氣量測定方法可分為兩類：直接法（解吸法）和間接法（等溫吸附以及測井解釋法）。

1 直接法確定頁巖含氣量

目前直接測試含氣量是國內(nèi)頁巖氣含氣量測量的主要方法，又稱解吸氣法，該方法首先是在鉆井過程中，將所取頁巖巖樣密閉保存于金屬解析罐中運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室，利用水浴加熱的方法，模擬實(shí)際地層條件，對巖心進(jìn)行解析測試分析。解吸法所測量的含氣量是解吸氣量、損失氣量和粉碎氣量之和，即頁巖的含氣量=解吸氣量+損失氣量+粉碎氣量。測試的一般流程（見圖1）。

圖1 頁巖含氣量測試流程（據(jù)唐穎等，2011，有修改）

根據(jù)川南地區(qū)龍馬溪組A1 井和A2 井共24 個(gè)泥頁巖巖心的含氣量實(shí)驗(yàn)分析知，龍馬溪組泥頁巖含氣量為0.287～5.009 m3/t；其中解吸氣量為0.047～1.089 m3/t；損失氣量0.22～1.698 m3/t；粉碎氣量0.081～2.209 m3/t。區(qū)內(nèi)單井含氣量平均值范圍為1.657～3.86 m3/t，與北美主要的5 大頁巖氣盆地含氣量相對比（見圖2），區(qū)內(nèi)龍馬溪組含氣量適中，有利于頁巖氣的開發(fā)。因此，單從含氣量分析看，區(qū)內(nèi)龍馬溪組頁巖氣的勘探前景較為樂觀，并且從單井縱向上含氣量分析（見圖3），可知龍馬溪組下部近40 m 的黑色頁巖段含氣量明顯相對較高，測試含氣量都在2.0 m3/t 以上。

圖2 川南地區(qū)頁巖氣單井含氣量與北美頁巖氣含量對比圖

圖3 川南地區(qū)A1 井含氣量縱向分布圖

2 間接法確定頁巖含氣量

由于解吸法測量的是釋放出來的總含氣量，而不能確定吸附氣及游離氣所占比例，也不能對吸附能力與壓力之間依賴關(guān)系進(jìn)行評價(jià)，因而還要采用間接法測量吸附氣含量和游離氣含量，等溫吸附法用于測定頁巖的吸附氣含量，測井解釋的方法確定游離氣含量，頁巖含氣量即為吸附氣含量和游離氣含量之和。

2.1 等溫吸附法計(jì)算吸附氣量

由于泥頁巖與煤層對天然氣具有相似的吸附機(jī)理，因而目前在評價(jià)頁巖的吸附能力時(shí)主要是借鑒評價(jià)煤層對天然氣吸附能力的評價(jià)方法和模型。在煤層氣勘探與開發(fā)過程中，某一溫度下煤巖的等溫吸附曲線可以很好的評價(jià)煤層的最大吸附能力、預(yù)測煤層的含氣量、判別煤層吸附煤層氣的難易程度等。

蘭格繆爾等溫吸附方程是1916 年法國化學(xué)家Langmuir 從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，提出了單分子層吸附理論，建立的物質(zhì)吸附氣體的經(jīng)典公式[4]。其基本假設(shè)條件是：（1）吸附平衡是動(dòng)態(tài)平衡；（2）固體表面是均勻的；（3）被吸附分子間無相互作用力；（4）吸附作用僅形成單分子層。對于煤層氣及頁巖氣等在物質(zhì)表面的吸附均適用。

其公式為：

式中，V-吸附體積（cm3/g）；VL-蘭氏（Langmuir）體積（cm3/g）；P-平 衡 氣 體 壓 力（MPa）；PL-蘭 氏（Langmuir）壓力（MPa）。

從A2 井蘭格繆爾曲線可以看到以下特點(diǎn)（見圖4）：（1）壓力增大，吸附氣含量呈指數(shù)關(guān)系增大；（2）吸附氣含量與總有機(jī)碳含量正相關(guān)；（3）同一口井同一套地層相鄰井段，其蘭格繆爾壓力并不相同。

圖4 川南地區(qū)A2 井2 523.07～2 523.13 m 等溫吸附曲線圖

2.2 測井解釋計(jì)算游離氣量

相對于吸附氣而言，游離氣含量的計(jì)算較為簡單，主要與有效孔隙度、含氣飽和度、地層壓力、溫度有關(guān)，與常規(guī)儲層的評價(jià)相似。當(dāng)然，由于頁巖氣儲層要計(jì)算含氣量，這種含氣量是每噸巖石從井下儲層條件換算到地面標(biāo)準(zhǔn)條件下（一個(gè)大氣壓、25 °C），故與地層的壓力和溫度以及天然氣的壓縮因子等有關(guān)。

（1）計(jì)算地層壓力和地層溫度：區(qū)域上地層的壓力系數(shù)和地溫梯度已知后，近似的計(jì)算出解釋井段的地層壓力和井溫，另外，從測井資料也可以知道儲層的溫度。

（2）計(jì)算頁巖儲層的游離氣含量[5-6]：

其中：Gf為游離氣含量（m3/t）；Φ 為孔隙度（%）；Sw為含水飽和度（%）；ρ 為地層測井密度（t/m3）；Bg為氣體體積系數(shù)。

2.3 總含氣量的計(jì)算

由于溶解氣含量在頁巖儲層含量相對較小，因此在計(jì)算頁巖儲層含氣量時(shí)通常忽略不計(jì)，因此，頁巖氣儲層某一深度點(diǎn)的總含氣量公式如下：

其中：Gt為總的含氣量（m3/t）；Gf為游離氣含量（m3/t）；Gs為測井評價(jià)吸附氣含量（m3/t）。

根據(jù)以上頁巖氣含量的計(jì)算方法，對川南地區(qū)頁巖氣儲層的吸附氣含量、游離氣含量進(jìn)行了計(jì)算（見圖5）。整體來說，長寧地區(qū)含氣量較高，威遠(yuǎn)和瀘州地區(qū)含氣量相對較低，游離氣含量一般大于吸附氣量。

圖5 川南地區(qū)龍馬溪組單井含氣量分布圖

3 結(jié)論

頁巖含氣量的研究方法主要有直接法和間接法兩種。通過直接法和間接法對川南地區(qū)龍馬溪組含氣量的分析知，直接法和間接法對確定頁巖含氣量都有各自的優(yōu)勢，可以互為補(bǔ)充。

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