向祖平　李志軍　陳朝剛　劉林清　黃小亮肖前華梁洪彬郭秋田

頁巖氣容量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)氣體狀態(tài)方程優(yōu)選

向祖平1李志軍1陳朝剛2劉林清3黃小亮1肖前華1梁洪彬1郭秋田1

1. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院 2. 重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司3. 中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

向祖平等.頁巖氣容量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)氣體狀態(tài)方程優(yōu)選. 天然氣工業(yè),2016, 36(8): 73-78.

頁巖氣藏資源評價(jià)和開發(fā)的關(guān)鍵基礎(chǔ)資料--等溫吸附曲線,通常是通過容量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲取的,決定其準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵是選擇合適的氣體狀態(tài)方程來計(jì)算吸附/解吸氣量.為此,針對不同氣體狀態(tài)方程對頁巖氣相態(tài)描述差異較大的情況,設(shè)計(jì)了簡易、方便的氣體狀態(tài)方程優(yōu)選評價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案,該方法避開了對氣體體積的頻繁計(jì)算所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差,僅通過測試不同狀態(tài)下的壓力即可評價(jià)氣體狀態(tài)方程的適用性,其原理和設(shè)備操作簡單,計(jì)算方便.對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析結(jié)論表明:①不同氣體狀態(tài)方程對甲烷的相態(tài)描述均有不同程度偏差,且壓力越高偏差越大,頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)中必須優(yōu)選合適的氣體狀態(tài)方程來計(jì)算吸附氣量和解析氣量;②低壓下(小于10 MPa)宜選用SRK方程、高壓下(大于10 MPa)宜采用RK方程來計(jì)算甲烷氣田相態(tài)變化;③總體上,結(jié)合我國頁巖氣藏埋藏較深、壓力多在20 MPa以上的實(shí)際情況,RK方程能更好地計(jì)算出甲烷氣田的相態(tài)變化特征,從而滿足頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)的需要.

頁巖氣 容量法 等溫吸附 狀態(tài)方程 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 測試 優(yōu)選

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.73-78, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

等溫吸附曲線是頁巖氣藏資源評價(jià)和開發(fā)的關(guān)鍵基礎(chǔ)資料[1-2],其通常由等溫吸附實(shí)驗(yàn)測定不同壓力下的吸附氣含量來獲取.已有國內(nèi)外學(xué)者開展了頁巖儲(chǔ)層的等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法研究[3-5],主要有容量法[6]和重量法[7].目前,容量法因其工藝流程簡單、測試儀器價(jià)格便宜而應(yīng)用最為廣泛.

但是,目前的容量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)測定吸附氣含量還存在兩個(gè)方面的難題.①測定中需要通過狀態(tài)方程計(jì)算不同壓力下的氣體壓縮因子,再來計(jì)算吸附氣含量[8-9],因不同狀態(tài)方程計(jì)算的壓縮因子有較大差別[10-11],再加上頁巖儲(chǔ)層本身對頁巖氣的吸附量非常低[12-13],因此,壓縮因子的微小誤差將會(huì)帶來較大的實(shí)驗(yàn)誤差,而現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)中并未有給出適合計(jì)算壓縮因子的狀態(tài)方程;②目前的吸附實(shí)驗(yàn)研究主要集中在中低壓條件(小于12 MPa),而我國四川盆地海相頁巖氣藏埋藏較深、溫度高、壓力高(涪陵礁石壩頁巖氣藏,2 400 m、85℃、37.69 MPa)[14-16].因此,更需要根據(jù)頁巖氣的高溫、高壓相態(tài)特征優(yōu)選頁巖吸附實(shí)驗(yàn)的氣體狀態(tài)方程,以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高精度和對后續(xù)相關(guān)研究的正確指導(dǎo).

1　頁巖氣等溫吸附實(shí)驗(yàn)原理

頁巖氣容量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)裝置主要由參考釜、樣品釜、標(biāo)定釜、增壓機(jī)組、真空機(jī)組、恒溫箱和計(jì)算機(jī)等組成(圖1).其原理是:利用溫度、壓力傳感器,通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄參考釜、樣品釜的溫度、壓力變化,采用實(shí)際氣體狀態(tài)方程計(jì)算吸附前、后的氣體質(zhì)量變化,利用物質(zhì)平衡原理計(jì)算出吸附氣量[7].即需要記錄一系列的注入壓力點(diǎn)pj(j=1,3,5,…)和吸附平衡壓力點(diǎn)pj(j=2,4,6,…),根據(jù)質(zhì)量守恒原理,樣品釜中頁巖吸附量(n吸)等于注入氣量(n注)減去吸附平衡后未被吸附的氣量(n未),即

由于是連續(xù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測試不同壓力下的吸附/解吸氣量,則第i次吸附平衡時(shí)的吸附增量為:

由實(shí)際氣體的狀態(tài)方程(pV=nZRT)計(jì)算出n吸(i)和n未(i)并帶入式(2),可得:

則第i次吸附平衡的吸附量總量為:

分析吸附氣量的計(jì)算公式可知,在實(shí)驗(yàn)儀器測量相關(guān)溫度、壓力、體積等參數(shù)計(jì)量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確計(jì)算出每個(gè)壓力點(diǎn)所對應(yīng)的氣體壓縮因子是獲得精確吸附氣量的關(guān)鍵,而壓縮因子是溫度和壓力的函數(shù),一般通過氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到.

2　氣體狀體方程數(shù)學(xué)模型

氣體狀態(tài)方程是描述宏觀氣體PVT行為的解析式方程,在科學(xué)研究及工業(yè)生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要的作用.從1873年范德華狀態(tài)方程被提出以來,目前已經(jīng)有100余種各式各樣的氣體狀態(tài)方程,它們在理論研究與實(shí)際應(yīng)用中都發(fā)揮著重要作用,但還沒有任何一個(gè)狀態(tài)方程能夠滿足所有的工程分析.其中,在石油天然氣工業(yè)中應(yīng)用廣泛、形式簡單、參數(shù)宜求取(由臨界參數(shù)和偏心因子計(jì)算)的狀態(tài)方程有Van der Waals方程、RK方程、SRK方程、PR方程、SHBWR方程等.

2.1Van der Waals狀態(tài)方程[17]

Van der Waals方程是在硬球分子模型基礎(chǔ)上,考慮分子間存在斥力和引力作用而提出來的,方程形式為:

2.2RK狀態(tài)方程[17]

雷德利奇和鄺(華裔學(xué)者)于1949年對立方型狀態(tài)方程進(jìn)行了改進(jìn),提出了Van der Waals方程的修正方程:

2.3SRK狀態(tài)方程[17]

在RK方程基礎(chǔ)上,Soave將偏心因子(ω)作為第3個(gè)參數(shù)引入狀態(tài)方程,用1個(gè)一般化意義的溫度函數(shù)a(T)來改善烴類等實(shí)際復(fù)雜分子體系對PVT相態(tài)特征的影響,進(jìn)一步對立方型狀態(tài)進(jìn)行了改進(jìn). SRK方程的形式為:

2.4PR狀態(tài)方程[17]

考慮到SRK方程在預(yù)測含較強(qiáng)極性組分體系物性和液相容積特性方面精度欠佳的問題,1976年彭和羅賓遜對SRK方程作了進(jìn)一步改進(jìn),提出了PR狀態(tài)方程:

2.5SHBWR狀態(tài)方程[18]

經(jīng)Starling-Han改進(jìn)的BWR狀態(tài)方程形式如下:

SHBWR狀態(tài)方程同時(shí)適用于氣相和液相.利用式(20)求算到的p、ρ、T之間的關(guān)系時(shí),應(yīng)先確定狀態(tài)方程中的11個(gè)參數(shù)值--A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ.對于純組分和混合物有不同的參數(shù)計(jì)算公式來確定這11個(gè)參數(shù)值,由于本次實(shí)驗(yàn)是用單組分甲烷來進(jìn)行測試,故采用單組分參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,即將純組分i的11個(gè)參數(shù)表示成該組分偏心因子(ωi)、臨界溫度(Tci)和臨界密度(ρci)的函數(shù),其相應(yīng)公式為:

3　實(shí)驗(yàn)評價(jià)與結(jié)果探討

3.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為評價(jià)上述5個(gè)狀態(tài)方程描述甲烷氣體相態(tài)的穩(wěn)定性,采用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方法,選取兩個(gè)固定容積的壓力釜,根據(jù)兩個(gè)壓力釜本身的體積不隨壓力釜內(nèi)氣體的溫度、壓力變化而改變這一事實(shí),由狀態(tài)方程計(jì)算不同測試溫度、壓力下的兩個(gè)壓力釜體積比,若體積比趨于恒定者,則為最優(yōu)的氣體狀態(tài)方程.實(shí)驗(yàn)裝置主要壓力釜1(體積V1)、壓力釜2(體積V2)、球閥、壓力計(jì)、溫度計(jì)和真空機(jī)組組成,其實(shí)驗(yàn)流程為:

①實(shí)驗(yàn)前將系統(tǒng)抽成真空,關(guān)閉壓力閥1和壓力釜2之間的球閥.

②將高純甲烷(99.99%)注入壓力釜1中,記錄穩(wěn)定壓力(p1).

③打開兩壓力釜之間的球閥,使壓力釜1中的甲烷注入壓力釜2內(nèi),記錄平衡后壓力(p2).

④關(guān)閉球閥,將壓力釜2抽真空.

⑤依次改變壓力釜1中的氣體壓力,重復(fù)第②、③、④步驟,測出一系列p1(i)和p2(i)(i=1,2,3,…).

⑥用測出的pi值計(jì)算各自壓力下的V2(i)/V1(i)值.

p1(i)對應(yīng)的摩爾體積為Vm1(i),p2(i)對應(yīng)的摩爾體積為Vm2(i),由物質(zhì)平衡原理可知:

由此可得到:

⑦通過不同壓力下的V2/V1值的變化情況,評價(jià)所對應(yīng)狀態(tài)方程的穩(wěn)定性.

3.2實(shí)驗(yàn)測試與計(jì)算結(jié)果討論

采用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置,根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案,在1～45 MPa范圍內(nèi)測試不同壓力釜1的壓力p1和壓力釜1與壓力釜2的平衡壓力p2,然后分別計(jì)算上述狀態(tài)方程對于的V2/V1值和V2/V1值相對真實(shí)值(0.43)的相對偏差.計(jì)算中,甲烷的臨界溫度(Tc)取 190.564 K,甲烷的臨界壓力(pc)取4.598 MPa,偏心因子(ω)取0.011 55.由不同狀態(tài)方程計(jì)算的體積比隨壓力的變化曲線(圖2)及其相對偏差隨壓力的變化曲線(圖3)可知:

1)不同氣體狀態(tài)方程對甲烷的相態(tài)描述偏差均有不同程度偏差,特別是在高壓下,必須優(yōu)選合適的甲烷氣體的狀態(tài)方程.無論是在低壓還是高壓條件下,理想氣體狀態(tài)方程均嚴(yán)重偏離實(shí)際情況.5種實(shí)際氣體狀態(tài)方程中,Van der Waals方程計(jì)算偏差較大,另外4種狀態(tài)方程計(jì)算在低壓下(小于10 MPa)計(jì)算偏差相對較小,均在4%以內(nèi),但在高壓下(大于10 MPa),偏差均逐漸增大,其中SHBWR方程偏差最大,達(dá)到98.23%,完全不能用于壓力超過20 MPa時(shí)的甲烷相態(tài)計(jì)算(相對偏差大于5%).RK、SRK、PR方程的相對偏差相對較小,其中相對偏差最小的RK方程,最大偏差3.49%(41.42 MPa),其次是SRK方程,最大偏差6.21%(41.42 MPa).

圖2　不同狀態(tài)方程計(jì)算的體積比隨壓力的變化曲線圖

圖3　不同狀態(tài)方程計(jì)算的體積比相對偏差隨壓力的變化曲線圖

2)整個(gè)實(shí)驗(yàn)壓力范圍來看,RK狀體方程能夠很好描述甲烷氣體的相態(tài)變化.從計(jì)算的V2/V1隨壓力變化曲線看,RK方程和SRK方程均在真實(shí)值上下波動(dòng),平均相對偏差相對較小,其中RK方程平均相對偏差最低為1.17%,SRK方程為1.43%.盡管PR方程計(jì)算的平均相對偏差低于4%,但其計(jì)算值一直偏高于真實(shí)值,且隨壓力增加,偏差逐漸增大,最大達(dá)到6.21%(41.42 MPa).

3)分不同壓力范圍看,低壓下宜采用SRK方程、高壓下宜采用RK方程來分別描述甲烷氣體的相態(tài)變化.低壓下(小于10 MPa),SRK方程計(jì)算的相對偏差均低于1%,平均為0.36%,而RK方程計(jì)算的相對偏差平均為0.98%.高壓下(大于10 MPa),RK方程計(jì)算的平均相對偏差為1.32%,而SRK方程計(jì)算的平均相對偏差為2.27%.

4　結(jié)論

1)根據(jù)頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)中對甲烷氣體相態(tài)計(jì)算需要,設(shè)計(jì)了氣體狀態(tài)方程優(yōu)選評價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案,該方法避開了對氣體體積的頻繁計(jì)算所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差,僅通過測試不同狀態(tài)下的壓力即可評價(jià)氣體狀態(tài)方程的適用性,原理和設(shè)備操作簡單,計(jì)算方便.

2)不同氣體狀態(tài)方程對甲烷的相態(tài)描述均有不同程度偏差,壓力越高偏差越大,針對我國頁巖氣藏埋藏較深、壓力多在20 MPa以上的情況,頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)中必須優(yōu)選合適的甲烷氣體的狀態(tài)方程來計(jì)算吸附氣量和解析氣量.

3)低壓下(小于10 MPa)宜選用SRK方程、高壓下(大于10 MPa)宜采用RK方程來計(jì)算甲烷氣田相態(tài)變化.總體上,RK方程能很好計(jì)算甲烷氣田的相態(tài)變化特征,結(jié)合我國頁巖氣藏壓力的實(shí)際情況,采用RK方程能滿足頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)需要.

符 號 說 明

p表示壓力,Pa;Vref表示參考釜的摩爾體積,m3/mol;Vvoid表示樣品釜空白空間的摩爾體積,m3/mol;T表示溫度,K;n表示氣體摩爾數(shù),mol;R表示摩爾氣體常數(shù),其值為8.314 J/(mol.K); Vm表示摩爾體積,m3/mol;a、b分別表示分子引力和斥力系數(shù); ω表示偏心因子;prs表示對比壓力,無因次;Tr表示對比溫度,無因次;A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ分別表示狀態(tài)方程的11個(gè)參數(shù);Tci表示臨界溫度,K;ρci表示臨界密度,kg/ m3;Aj、Bj(j=1,2,…,11)分別表示通用常數(shù),由正烷烴的PVT實(shí)驗(yàn)值、焓和蒸汽壓數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到.

[1] 董大忠, 高世葵, 黃金亮, 管全中, 王淑芳, 王玉滿. 論四川盆地頁巖氣資源勘探開發(fā)前景[J]. 天然氣工業(yè), 2014, 34(12): 1-15.

Dong Dazhong, Gao Shikui, Huang Jinliang, Guan Quanzhong, Wang Shufang, Wang Yuman. A discussion on the shale gas exploration & development prospect in the Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2014, 34(12): 1-15.

[2] 王社教, 李登華, 李建忠, 董大忠, 張文正, 馬軍. 鄂爾多斯盆地頁巖氣勘探潛力分析[J]. 天然氣工業(yè), 2011, 31(12): 40-46.

Wang Shejiao, Li Denghua, Li Jianzhong, Dong Dazhong, Zhang Wenzheng, Ma Jun. Exploration potential of shale gas in the Ordos Basin[J]. Natural Gas Industry, 2011, 31(12):40-46.

[3] 何斌, 寧正福, 楊峰, 趙天逸. 頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)誤差分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2015, 40(增刊1): 177-184.

He Bin, Ning Zhengfu, Yang Feng, Zhao Tianyi. Shale isothermal adsorption experiment and experimental error analysis[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(S1): 177-184.

[4] Rexre TFT, Benham MJ, Aplin AC, Thomas KM. Methane adsorption on shale under simulated geological temperature and pressure conditions[J]. Energy & Fuels, 2013, 27(6): 3099-3109.

[5] 張志英, 楊盛波. 頁巖氣吸附解吸規(guī)律研究[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2012, 27(4): 492-497.

Zhang Zhiying, Yang Shengbo. On the adsorption and desorption trend of shale gas[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2012, 27(4): 492-497.

[6] 張慶玲. 頁巖容量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)中異?，F(xiàn)象分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2015, 43(5): 31-38.

Zhang Qingling. The analysis of abnormal phenomena in shale isothermal absorption volumetry test[J]. Coal Geology & Exploration, 2015, 43(5): 31-38.

[7] 俞凌杰, 范明, 陳紅宇, 劉偉新, 張文濤, 徐二社. 富有機(jī)質(zhì)頁巖高溫高壓重量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)[J]. 石油學(xué)報(bào), 2015, 36(5): 558-563.

Yu Lingjie, Fan Ming, Chen Hongyu, Liu Weixin, Zhang Wentao, Xu Ershe. Isothermal adsorption experiment of organic-rich shale under high temperature and pressure using gravimetric method[J]. Acta Petrolei Sinica, 2015, 36(5): 558-563.

[8] 國家能源局. 煤巖中甲烷等溫吸附量測定--干燥基容量法[S]. SY/T 6132-2013, 2014.

National Energy Administration. Determination of methane isothermal adsorption quantity of coal-based drying capacity method[S].SY/T6132-2013, 2014.

[9] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法[S]. GB/T 19560-2008, 2009.

The Standardization Management Committee of People's Republic of China. The high-pressure isothermal adsorption test method of coal[S]. GB/T19560-2008, 2009.

[10] 賈錚, 黎海波, 于振興, 王鵬, 范雪蕾. 甲烷吸附儲(chǔ)存條件下狀態(tài)方程的選用[J]. 油氣儲(chǔ)存, 2011, 30(7): 517-519.

Jia Zheng, Li Haibo, Yu Zhenxing, Wang Peng, Fan Xuelei. Selecting the equation of state in the case of methane adsorption storage[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2011, 30(7): 517-519.

[11] 何斌, 寧正福, 楊峰, 孔德濤, 彭攀. 狀態(tài)方程對頁巖吸附甲烷等溫曲線的影響[J]. 新疆石油地質(zhì), 2014, 35(4): 442-446.

He Bin, Ning Zhengfu,Yang Feng, Kong Detao, Peng Pan. Impact of equations of state on methane adsorption isotherms of shales[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2014, 35(4): 442-446.

[12] 熊偉, 郭為, 劉洪林, 高樹生, 胡志明, 楊發(fā)榮. 頁巖的儲(chǔ)層特征以及等溫吸附特征[J]. 天然氣工業(yè), 2012, 32(1): 113-116.

Xiong Wei, Guo Wei, Liu Honglin, Gao Shusheng, Hu Zhiming, Yang Farong. Shale reservoir characteristics and isothermal adsorption properties[J]. Natural Gas Industry, 2012, 32(1): 113-116.

[13] 劉洪林, 王紅巖. 中國南方海相頁巖吸附特征及其影響因素[J]. 天然氣工業(yè), 2012, 32(9): 5-9.

Liu Honglin, Wang Hongyan. Adsorptivity and influential factors of marine shales in South China[J]. Natural Gas Industry, 2012, 32(9): 5-9.

[14] 王志剛. 涪陵頁巖氣勘探開發(fā)重大突破與啟示[J]. 石油與天然氣地質(zhì), 2015, 36(1): 1-6.

Wang Zhigang. Breakthrough of Fuling Shale gas exploration and development and its inspiration[J]. Oil & Gas Geology, 2015, 36(1): 1-6.

[15] 張士萬, 孟志勇, 郭戰(zhàn)峰, 張夢吟, 韓馳宇. 涪陵地區(qū)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層特征及其發(fā)育主控因素[J]. 天然氣工業(yè), 2014, 34(12): 16-24.

Zhang Shiwan, Meng Zhiyong, Guo Zhanfeng, Zhang Mengyin, Han Chiyu. Characteristics and major controlling factors of shale reservoirs in the Longmaxi Fm, Fuling area, Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2014, 34(12): 16-24.

[16] 王志剛. 涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣水平井壓裂改造實(shí)踐與認(rèn)識[J]. 石油與天然氣地質(zhì), 2014, 35(3): 425-430.

Wang Zhigang. Practice and cognition of shale gas horizontal well fracturing stimulation in Jiaoshiba of Fuling area[J]. Oil & Gas Geology, 2014, 35(3): 425-430.

[17] 李士倫. 天然氣工程[M]. 2版. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2008: 60-65.

Li Shilun. Natural gas engineering[M]. 2nded. Beijing: Petroleum Industry Press, 2008: 60-65.

[18] 熊昕東, 袁宗明. SHBWR狀態(tài)方程及活度系數(shù)模型在輕烴回收模擬中的應(yīng)用[J]. 新疆石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 16(3): 67-69.

Xiong Xindong, Yuan Zongming. The application of SHBWR state equation and activity coefficient model in the simulation of lighter hydrocarbon recovery[J]. Journal of Xinjiang Petroleum Institute, 2004, 16(3): 67-69.

(修改回稿日期 2016-05-13 編 輯 韓曉渝)

Selection of shale gas state equation for volumetric isothermal adsorption experiments

Xiang Zuping1, Li Zhijun1, Chen Chaogang2, Liu Linqing3, Huang Xiaoliang1, Xiao Qianhua1, Liang Hongbin1, Guo Qiutian1
(1. School of Petroleum Engineering, Chongqing Uniνersity of Science & Technology, Chongqing 401331, China; 2. Chongqing Shale Gas Exploration and Deνelopment Co., Ltd., Chongqing 401121, China; 3. Research Institute of Exploration and Deνelopment, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 610041, China)

The absorption isotherm, as the critical basic data for the evaluation and development of shale gas resources, is usually acquired by means of volumetric isothermal adsorption experiments, so it is critical to select the suitable gas state equation for gas adsorption/desorption volume calculation. When different gas state equations are used to describe the phase state of shale gas, the description is discrepant. In view of this, simple and convenient experiment devices and programs were designed for gas state equation selection and evaluation. Based on this new method, the experimental errors caused by frequent gas volume calculation is evaded and the adaptability of gas state equation can be evaluated only by testing the pressure in different states. This method is characterized by simple theory and operation and convenient calculation. The analysis on experimental results shows that the description of phase state of methane by different gas state equations is different, and the higher the pressure is, the more obvious the difference is. Therefore, it's extremely indispensable to select the suitable gas state equation for gas adsorption/desorption volume calculation when the isothermal adsorption experiments are performed. Besides, when the phase change of methane is calculated, it is proper to adopt the Soave-Redlich-Kwong (SRK) equation of state for low pressures (<10 MPa) and the Redlich-Kwong (RK) equation of state for high pressures (>10 MPa). Finally, given the fact that the shale gas reservoirs in China are generally buried deep with higher formation pressures (mostly >20 MPa), the RK equation can better reflect the phase change characteristics of methane fields and meet the requirements of shale isothermal adsorption experiments.

Shale gas; Volumetric method; Isothermal adsorption; Equation of state; Laboratory test; Testing; Selection

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.010

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目"頁巖氣藏體積壓裂水平井非線性滲流理論及流-固耦合綜合模型研究"(編號: cstc2015jcyjA90014)、重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目"頁巖氣藏體積壓裂水平井流-固耦合流動(dòng)規(guī)律及數(shù)值試井方法研究"(編號: KJ1501315)、中國石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目"基于裂縫變形機(jī)理的頁巖氣藏體積壓裂水平井流體流動(dòng)規(guī)律研究"(編號:2015D-5006-0207).

向祖平,1978年生,教授級高級工程師,博士;主要從事復(fù)雜油氣藏滲流理論及數(shù)值模擬研究工作.地址: (401331)重慶市沙坪壩區(qū)大學(xué)城東路20號.電話:(023)65023890.ORCID: 0000-0001-8598-5846.E-mail: xzuping@qq.com

李志軍,1977年生,教授,博士;主要從事油氣開發(fā)地質(zhì)、儲(chǔ)層預(yù)測等方面的教學(xué)和科研工作.E-mail: lzjykj@126.com