萬金彬, 何羽飛, 劉淼, 王志月, 朱滿宏, 黃科, 袁野

(1.中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710077; 2.西安石油大學石油工程學院, 陜西 西安 710065; 3.中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249)

0 引 言

頁巖氣是指以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于富有機質(zhì)頁巖層段的天然氣聚集,具有自生自儲、源內(nèi)成藏、大面積分布等基本特征,通常沒有自然產(chǎn)能,必須經(jīng)過大型水力壓裂和水平井技術才能進行經(jīng)濟開采獲得商業(yè)氣流。富有機質(zhì)頁巖既是氣源巖又是天然氣儲集層。天然氣可以游離態(tài)儲存在頁巖天然裂縫和粒間孔隙中,也可吸附于干酪根和黏土顆粒表面[1-2]。頁巖氣開采是游離氣釋放—吸附氣解吸—游離氣釋放的動態(tài)過程。

頁巖含氣量是頁巖氣勘探開發(fā)中確定資源量的一項關鍵參數(shù),它關系到單井產(chǎn)氣量的預測,決定著頁巖氣藏資源前景的好壞以及是否具有開采的經(jīng)濟價值,因此,對頁巖氣儲層評價以及開采方案制定及其長期、穩(wěn)定產(chǎn)出有著重要的意義。中國對頁巖含氣量的研究還比較薄弱,給頁巖氣資源評價工作帶來困難[3-4],正確選取影響頁巖含氣量合理的評價參數(shù),綜合考慮各影響參數(shù)并建立適當?shù)暮瑲饬康挠嬎惴椒ú搸r含氣量作出準確評價,是頁巖氣研究的內(nèi)容之一。

1 頁巖含氣量實驗測試方法

根據(jù)頁巖賦存狀態(tài),頁巖氣可分為吸附氣、游離氣和溶解氣3部分。由于溶解氣在頁巖含氣量中所占比例十分微小,可以忽略不計,故頁巖含氣量估算公式為

V總≈V吸+V游

(1)

式中,V總為總含氣量,為單位質(zhì)量巖石中所含天然氣在標準狀態(tài)下的體積,m3/t;V吸為吸附含氣量,m3/t;V游為游離含氣量,m3/t。

國內(nèi)外沒有專門針對頁巖含氣量測量的行業(yè)標準和方法技術,頁巖氣與煤層氣具有相似的吸附機理,主要參照煤層氣行業(yè)中的測量方法,再結合頁巖特征對實驗方法以及參數(shù)做相應的修改,可以分為2類:直接法和間接法。直接法是指利用現(xiàn)場鉆井巖心和有代表性巖屑直接解析測定其實際總含氣量,按照測定過程可以分為損失氣、解吸氣和殘余氣3部分;間接法是指通過等溫吸附模擬實驗計算出吸附氣含量,利用高精度室內(nèi)實驗和測井解釋等方法推測出游離氣含量[5-6]。

1.1 現(xiàn)場解吸法

解吸法是測量頁巖總含氣量最直接的方法,能夠在模擬地層實際環(huán)境的條件下反映頁巖的含氣性特征,是頁巖氣含量測量的基本方法,通常在取心現(xiàn)場完成。用解吸法測定的含氣量由3部分組成,即損失氣量、解吸氣量和殘余氣量。解吸氣量是指巖心裝入解吸罐之后解吸出的氣體總量,一般在1周內(nèi)平均解吸量小于10 cm3/d時可終止解吸;殘余氣量是指終止解吸后仍留在樣品中的那部分氣體,需將巖樣裝入密閉的球磨罐中破碎,然后放入恒溫裝置中,待恢復到儲層溫度后按規(guī)定的時間間隔反復進行氣體解吸,直至連續(xù)1周解吸的氣體量小于10 cm3/d,測定其殘余氣量;損失氣量是指巖心快速取出,現(xiàn)場直接裝入解吸罐之前,由于壓力不斷降低而釋放出的氣量,這部分氣體無法測量,必須根據(jù)損失時間的長短及實測解吸氣量的數(shù)據(jù)并結合氣體逸散理論模型[7-8]估算。通?；赨SBM方法原理,利用最小二乘法把直線上的解吸點進行回歸即可求出V0及b,估算結果能夠基本滿足勘探階段的要求(見圖1)。

USBM方法認為在解吸初期,解吸量與解吸時間的平方根近似直線關系,數(shù)學表達式為

V=V0+bt0+t

(2)

式中,V為解吸氣量,cm3;V0為損失氣量,cm3;t0為損失時間,min;t為實測解吸時間,min;b為直線段斜率。

綜上分析,損失氣量、解吸氣量和殘余氣量之和為現(xiàn)場解吸最終頁巖總氣量。

圖1 解吸法測定頁巖含氣量流程圖

解吸法測量頁巖含氣量時其準確性主要取決于2個方面。①設法減少損失氣量。在提鉆取心及采樣的過程中,應盡量加快速度縮短損失時間,損失時間越短,所得損失氣量越準。②解吸時應模擬地層條件,尤其是地溫條件,由于季節(jié)及晝夜溫差的變化會影響解吸速率,給實驗結果帶來誤差,所以應盡量消除溫差變化對解吸的影響。實測解吸氣時,應置解吸樣品罐于恒溫池中,溫度應模擬地層溫度[9]。

1.2 等溫吸附實驗法

吸附氣量由頁巖樣品等溫吸附實驗確定。等溫吸附法通過頁巖樣品的等溫吸附實驗模擬頁巖的吸附過程,主要借鑒煤層氣中吸附氣的測試方法和理論。頁巖吸附氣大多服從Langmuir等溫吸附公式。等溫吸附模擬實驗主要作用:①評價頁巖的吸附能力,在持續(xù)生產(chǎn)或壓力釋放造成的氣藏壓力不斷下降時,評價無束縛氣體資源;②確定臨界解吸壓力;③建立吸附氣含量與壓力、溫度的關系模型[10]。

實驗過程在恒溫條件下進行,通過測定頁巖樣品在同一溫度、不同壓力條件下達到吸附平衡時所吸附的甲烷氣的體積,根據(jù)Langmuir單分子層吸附理論,計算出表征頁巖儲層吸附特征的吸附常數(shù)Langmuir體積和Langmuir壓力,由壓力和吸附量繪制出吸附等溫線,結合地層壓力條件,根據(jù)Langmuir模型計算出頁巖儲層的吸附氣含量(見圖2)。

V′=VLppL+p

(3)

式中,V′為吸附量,m3/t;p為氣體壓力,MPa;VL為Langmuir體積,即頁巖吸附甲烷達到飽和時的最大吸附氣含量;pL為Langmuir壓力,即Langmuir體積的1/2所對應的壓力。

圖2 等溫吸附曲線

頁巖對甲烷氣體的吸附特征是在低壓下吸附氣量隨著壓力的增大快速增加,達到一定壓力值后吸附量達到飽和,成為1條幾乎不變的平滑直線。因無法真實模擬地層的實際環(huán)境,因此,需要對含氣量結果進行溫度和壓力的校正。

1.3 游離氣量確定方法

游離氣是指以游離狀態(tài)賦存于基質(zhì)孔隙、裂縫等空間中的天然氣,其變化范圍較寬,約占總含氣量的20%～80%。游離氣很難直接測定,可間接地采用常規(guī)天然氣容積法計算

V游=φSgρZ

(4)

式中,V游為游離氣含量,表示單位質(zhì)量頁巖中所含游離氣在標準狀態(tài)下的體積;φ為有效孔隙度,%;Sg為含氣飽和度,%;ρ為巖石密度,g/cm3;Z為氣體體積壓縮因子,無量綱。

用該方法計算的關鍵是通過實驗測試確定游離氣的有效孔隙度和含氣飽和度。利用聲波、中子、密度和核磁共振等測井資料可以測得較為可靠的基質(zhì)孔隙度;利用雙側向測井資料可以計算出較為精確的裂縫孔隙度。含氣飽和度直接獲取較為困難,在建立巖石實驗的基礎上,可利用阿爾奇公式計算獲得[10]。由于受頁巖特殊巖石特征限制,目前研究區(qū)頁巖巖電實驗很難進行,相關資料幾乎沒有,并且區(qū)域電阻率曲線受黃鐵礦影響嚴重,無法采用這種方法計算游離氣含量,而是通過先測定總含氣量和吸附氣含量,兩者相減獲得游離氣含量。

2 構建含氣量計算模型

2.1 頁巖含氣量主控因素

頁巖的含氣性除受沉積環(huán)境影響外,還受到埋藏史、熱演化史等多種因素影響。研究頁巖含氣性的影響因素,對確定頁巖氣賦存機理、預測含氣量、頁巖氣目標區(qū)優(yōu)選及頁巖氣開發(fā)的商業(yè)前景評估等具有指導意義。根據(jù)頁巖氣的聚集機理和聚集特征,可將影響含氣量大小的眾多因素分為內(nèi)部因素和外部因素,反映內(nèi)部因素主要包括頁巖有機碳含量、礦物組分含量、孔隙結構和物性參數(shù)等;外部因素主要包括深度、溫度和壓力等[11-12]。不同地質(zhì)沉積背景下,導致不同的研究區(qū)域各個控制因素對含氣量影響程度有所不同,需要結合區(qū)域頁巖儲層特征,因地制宜,針對性優(yōu)選研究。

2.1.1 有機碳含量

頁巖的有機碳含量(TOC)是影響頁巖吸附氣體能力的主要因素之一。頁巖的TOC越高,則頁巖氣的吸附能力就越大。有機碳含量較高的頁巖對吸附態(tài)頁巖氣具有更高的存儲能力。一方面,TOC值高則頁巖的生氣潛力大,單位體積頁巖的含氣率高;另一方面,由于干酪根中微孔隙的發(fā)育,其表面具有親油性,對甲烷有較強的吸附能力。

2.1.2 礦物成分

頁巖的礦物成分比較復雜,除含有伊利石、蒙脫石、高嶺石等黏土礦物以外,常含有石英、方解石、長石等碎屑礦物以及自生礦物,其成分的變化影響了頁巖對氣體的吸附能力。黏土礦物往往具有較高的微孔隙體積和較大的比表面積,吸附性能較強。碳酸鹽礦物和石英等碎屑礦物含量的增加,會減弱對頁巖氣的吸附能力,同時還會降低頁巖的孔隙度,使游離態(tài)頁巖氣的儲集空間相應地減少。但是,隨著碳酸鹽等脆性礦物含量的增加,巖石的脆性有所提高,使頁巖在外力的作用下,極易形成天然裂隙和滲導裂縫,有利于形成頁巖氣的滲流通道。

2.1.3 頁巖物性參數(shù)

頁巖的物性參數(shù)主要包括孔隙度、滲透率、含水飽和度和密度等,均影響著頁巖的含氣量。常規(guī)儲層研究中,物性參數(shù)是評價儲層特征的主要參數(shù),這對于頁巖儲層也同樣適用?？紫妒琼搸r中氣體的儲集空間,很大程度上決定著頁巖的儲能,主要控制著頁巖游離氣的含量;含水飽和度的增大導致游離氣含量降低;隨密度的增大,吸附氣含量和游離氣含量都減小[12-13]。

(1) 孔隙度和孔隙結構。頁巖氣主要以游離態(tài)蘊藏在泥頁巖孔隙空間及裂隙內(nèi)或吸附在有機物的活性表面,孔隙度是頁巖氣重要的儲存空間和確定游離氣量的關鍵參數(shù),同時對吸附氣量也有一定的影響。借鑒煤層孔隙研究的成果,按孔徑大小,可分為大孔(>50 nm)、過渡孔(2～50 nm)、微孔(<2 nm)。大孔和過渡孔主要發(fā)生氣體的層流滲透,有利于游離態(tài)頁巖氣的儲存。相對于大孔和過渡孔,微孔對吸附態(tài)頁巖氣的存儲具有重要的影響,微孔總體積越大,比表面積越大,對氣體分子的吸附能力也就越強,氣體吸附能力與微孔比表面積總體上有正相關性,但同時又受孔徑分布的影響?？傊?孔隙度與頁巖的氣體總含量之間呈正相關關系,也就是說頁巖的氣體總含量隨頁巖孔隙度的增大而增大。

(2) 含水飽和度。含水飽和度在很大程度上影響著頁巖氣的含氣量,其原因主要有2個方面:一方面是頁巖層中含水量越高,則水占據(jù)孔隙空間越大,可供游離氣儲集的空間變小;另一方面,由于水比氣更易吸附于頁巖表面,當巖石潤濕后,水占據(jù)了頁巖中礦物的比表面,減少了可供頁巖氣吸附的賦存場所,大大降低了吸附態(tài)頁巖氣的存儲空間。因此,含水量高不但降低含氣量還會降低氣體的生產(chǎn)速度,導致處理產(chǎn)出水的麻煩,所以有利的頁巖氣區(qū)應是產(chǎn)水較少的區(qū)域。

(3) 密度。密度不但影響游離氣含量而且影響吸附氣含量,無論吸附氣含量還是游離氣含量均隨密度的增大而減小。主要原因是隨著密度的增加,有機碳含量減小,而有機碳含量和吸附氣含量呈很好的正相關關系,因此,隨著密度的增大,吸附氣含量減小,游離氣含量和密度呈很好的負相關關系,主要原因是隨密度的增大孔隙度減小,而孔隙度是控制游離氣含量的主要因素,因此總含氣量也減小[13-14]。

2.1.4 地層溫度和壓力

地層溫度和壓力是通過影響頁巖氣的賦存狀態(tài)影響其含氣量。由于頁巖的吸附過程是一個放熱過程,隨著溫度的升高,頁巖氣的吸附能力迅速降低,溫度與頁巖氣吸附能力呈負冪指數(shù)關系。在溫度較高時,吸附態(tài)氣體可以忽略不計,以游離態(tài)氣體為主;隨著溫度的升高,熱膨脹導致頁巖氣分子運動速度加快,很可能同時降低了游離態(tài)氣體的賦存,從而使含氣量下降。一般情況下,在一定范圍內(nèi)壓力與頁巖氣的含氣量呈正相關關系,隨壓力的增大,無論何種方式賦存的氣體其含氣量都是增大的,但壓力增大到一定程度,吸附曲線趨于平緩,因為孔隙和孔隙比表面是一定的,孔隙度控制游離氣含量,孔隙比表面控制吸附氣含量[15]?？傊?在盆地內(nèi)部,壓力系數(shù)一般較高,保存條件好,總含氣量高;反之,壓力系數(shù)一般較低,保存條件差,總含氣量不高。

2.2 含氣量關鍵指標優(yōu)選及模型構建

盡可能多地利用各影響參數(shù)對頁巖含氣量進行預測,參數(shù)越多擬合回歸計算的含氣量越接近實測值,對頁巖氣藏評價越準確。但由于同一區(qū)塊溫度和深度變化不大,因此,在進行參數(shù)篩選時,并不將其列入考慮。結合研究區(qū)頁巖氣儲層特征和實際條件允許情況下,對各個影響參數(shù)分別與實驗測試的總含氣量和吸附氣量進行單因素相關性擬合,獲得不同影響參數(shù)之間的相關系數(shù),優(yōu)選擬合相關系數(shù)較高的參數(shù),剔除擬合相關系數(shù)較低的參數(shù)。

從內(nèi)部和外部等各個影響指標與總含氣量的相關關系圖可知總含氣量與地層壓力、孔隙度呈一定的正相關,與密度、含水飽和度呈一定的負相關,且擬合相關系數(shù)較高,最終優(yōu)選為研究區(qū)總含氣量評價指標(見圖3)。各影響指標與吸附氣量的相關關系圖分析可知,吸附氣與TOC、比表面具有一定的正相關性,與密度和脆性礦物碳酸鹽含量具體一定的負相關性(見圖4),最終優(yōu)選為研究區(qū)吸附氣量的評價指標。

圖3 優(yōu)選的評價指標與總含氣量的相關關系

圖4 優(yōu)選的評價指標與吸附氣含量的相關關系

基于以上研究,本文優(yōu)選影響總含氣量的地層壓力、孔隙度、密度、含水飽和度作為最終評價關鍵指標參數(shù),采用多元線性回歸的方法,對頁巖氣總含氣量進行統(tǒng)計分析;優(yōu)選影響吸附氣量的TOC、比表面積、密度、碳酸鹽含量等關鍵指標參數(shù),采用多元線性回歸的方法,對頁巖氣吸附氣量進行統(tǒng)計分析。通過模型計算出總含氣量和吸附氣含量,兩者相減可獲得游離氣含量。最終達到預測頁巖含氣量的目的。

V總=α1×pp+α2×ρ+α3×lnφ+α4×Sw+α5

(4)

V吸=β1×ρ+β2×lnTOC+β3×S+β4×lnC+β5

(5)

V游=V總-V吸

(6)

式中,V總、V吸、V游分別為頁巖總含氣量、頁巖吸附氣含量和游離氣含量,m3/t;α1、α2、α3、α4、α5、β1、β2、β3、β4、β5為系數(shù),通過多元線性回歸獲得;pp為地層壓力系數(shù);ρ為頁巖密度,g/cm3;φ為孔隙度,%;Sw為含水飽和度,%;TOC為有機碳含量,%;S為比表面積,m2/g;C為碳酸鹽含量,%。

在條件允許的情況下,盡可能多地利用從與含氣量回歸擬合結果相關系數(shù)較高的關鍵指標對頁巖含氣量進行預測,以達到更好的預測效果。通過對優(yōu)選的含氣量關鍵指標參數(shù)分別與總含氣量和吸附氣量進行多元線性回歸,得出計算頁巖含氣量的計算公式。對×1井含氣量計算應用,計算結果與頁巖實驗測試含氣量進行了對比分析,擬合公式計算的總含氣量和吸附氣量與實驗測試值吻合良好(見圖5),說明能起到預測頁巖含氣量的效果,為頁巖氣資源評價和有利區(qū)優(yōu)選提供關鍵性參數(shù)。

圖5 ×1井計算含氣量和實驗測試含氣量對比效果

0.0020Sw+0.8558

(7)

V吸=-4.9829ρ+2.714 lnTOC+0.0163S-

0.0448 lnC+13.1864

(8)

3 結 論

(1) 對頁巖含氣量的獲取方法進行了介紹和探討,通過解吸法分別測量解吸氣、殘余氣和損失氣得到頁巖總含氣量;利用等溫吸附實驗確定頁巖吸附氣量。由于受條件限制,游離氣無法直接獲取,可通過先測定總含氣量和吸附氣含量,兩者相減獲得游離氣含量。

(2) 頁巖含氣量是頁巖氣藏勘探開發(fā)區(qū)塊優(yōu)選的重要指標之一,其影響因素較多,綜合考慮關鍵影響參數(shù)對頁巖含氣量進行預測,以達到更好的預測效果。最終分別優(yōu)選影響總含氣量的地層壓力、孔隙度、密度、含水飽和度作為關鍵指標優(yōu)選;優(yōu)選影響吸附氣量的地層壓力、孔隙度、密度、含氣飽和度作為關鍵指標參數(shù)。

(3) 通過對優(yōu)選的含氣量關鍵指標參數(shù)分別與總含氣量和吸附氣量進行多元線性回歸,得出計算頁巖含氣量的統(tǒng)計公式,根據(jù)擬合公式計算的總含氣量和吸附氣量與實驗測試值吻合較好,說明達到預測頁巖含氣量的良好效果。

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