郭秋田 向祖平 李志軍 馬 群 劉 陽 劉先山 梁洪彬

(1. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2. 中國石油塔里木油田公司， 新疆 庫爾勒 841000； 3. 中國石油冀東油田， 河北 唐山 063004)

高溫、高壓條件下的頁巖氣吸附規(guī)律研究

郭秋田1向祖平1李志軍1馬 群2劉 陽3劉先山1梁洪彬1

(1. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2. 中國石油塔里木油田公司， 新疆 庫爾勒 841000； 3. 中國石油冀東油田， 河北 唐山 063004)

為了研究高溫、高壓條件下的頁巖氣吸附規(guī)律，設(shè)計(jì)了頁巖氣吸附裝置。取四川某油田的巖樣與甲烷氣體進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同壓力條件下，溫度越高，頁巖對甲烷氣體的吸附量越小。當(dāng)溫度較高時(shí)，頁巖對甲烷的吸附量隨著溫度的升高而緩慢減小; 當(dāng)溫度恒定且壓力小于5 MPa時(shí)，頁巖對甲烷氣體的吸附量隨著壓力增加而逐漸增大。當(dāng)壓力較大時(shí)，頁巖對甲烷氣體的吸附量增幅變緩；頁巖顆粒的目數(shù)對頁巖吸附的影響不顯著。利用Langmuir方程對此吸附規(guī)律進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果較好。

頁巖氣； 高溫； 高壓； 吸附量； Langmuir方程

頁巖氣藏是具有自生、自儲、自保等特點(diǎn)的一種非常規(guī)天然氣藏，儲層富含大量有機(jī)質(zhì)，具有基質(zhì)孔隙和裂縫雙重孔隙結(jié)構(gòu)[1]。其特珠的成藏過程及復(fù)雜的儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)，決定了頁巖氣賦存狀態(tài)的多樣性，以游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)等形式存在于儲層中，其中吸附態(tài)頁巖氣占頁巖氣總量的20%～85%[2]。由于頁巖孔隙的比表面積對頁巖氣具有較強(qiáng)的吸附能力[3]，所以吸附態(tài)頁巖氣主要儲集在比表面積巨大的有機(jī)質(zhì)孔隙中。頁巖氣儲層的實(shí)際溫度和壓力一般高于實(shí)驗(yàn)條件下的溫度和壓力[4]。在高溫高壓儲層中，頁巖氣是否符合等溫吸附的變化規(guī)律，仍需進(jìn)一步深入了解。

目前學(xué)界并未給出明確的頁巖氣吸附、解吸附實(shí)驗(yàn)裝置使用規(guī)范。采用煤層氣高壓容量法吸附裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往誤差較大[5]。本次研究在國內(nèi)外頁巖氣吸附量測試實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)之上，根據(jù)物質(zhì)狀態(tài)平衡原理，自行設(shè)計(jì)頁巖氣吸附實(shí)驗(yàn)裝置，模擬儲層高溫、高壓環(huán)境，探討頁巖氣的吸附規(guī)律。

1 頁巖氣吸附-解吸附實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

根據(jù)物質(zhì)狀態(tài)平衡原理，設(shè)計(jì)了頁巖氣吸附-解吸附實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置所有部件可承受的實(shí)驗(yàn)壓力為0～60 MPa，溫度為0～100 ℃。該實(shí)驗(yàn)裝置的壓力計(jì)量精度為0.001 MPa，溫度計(jì)量精度為0.1 ℃。吸附罐、充氣罐、增壓罐與各部分的連接采用不銹鋼裝置，吸附罐、充氣罐的容積分別為37.147 1、21.531 8 cm3。該裝置配備了數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，可連續(xù)記錄體系的溫度和壓力，以確保數(shù)據(jù)監(jiān)測和記量的準(zhǔn)確性。圖1所示為頁巖氣吸附-解吸附實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

頁巖氣吸附-解吸附原理是：當(dāng)充氣罐中充滿被測氣體時(shí)，在穩(wěn)定的充氣罐初始壓力p1下，根據(jù)氣體狀態(tài)方程pV=ZnRT，計(jì)算進(jìn)入充氣罐內(nèi)的氣體總物質(zhì)量n1；打開充氣罐和吸附罐之間的連通閥，此時(shí)的平衡壓力為p平;分別計(jì)算此時(shí)充氣罐和吸附罐體系中的物質(zhì)量n2、n3，氣體在此壓力下的吸附量為na=n1-(n2+n3)。

1 — 真空電阻表；2 — 壓力表；3 — 真空泵；4 — 閥門；5 — 充氣罐；6 — 樣品罐；7 — 壓力敏感器；8 — 溫度敏感器；9 — 恒溫箱。

圖1 頁巖氣吸附-解吸附實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品包括：頁巖，來自四川盆地某探井；高純甲烷，純度為99.99%；高純度氦氣，純度為99.99%。頁巖樣品有機(jī)碳及泥質(zhì)含量見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品信息

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-煤巖中甲烷等溫吸附量測定容量法》的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，步驟如下：

(1) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，檢查裝置的氣密性。

(2) 將巖樣粉碎，篩分，制得60～200目的粉末，并在105 ℃高溫下烘90 min，取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱重后放入吸附罐中，抽真空至真空度達(dá)到4 MPa。

(3) 利用氦氣標(biāo)定充氣罐體積和吸附罐自由空間體積。

(4) 將甲烷氣體充入到已知體積的充氣罐中，當(dāng)氣體壓力穩(wěn)定時(shí)，記錄充氣罐的壓力。緩慢打開吸附罐閥門，當(dāng)充氣罐和吸附罐壓力平衡后，記錄平衡壓力和溫度，計(jì)算此時(shí)體系中氣體吸附量。重復(fù)此步驟，逐步升高實(shí)驗(yàn)壓力，完成吸附測試實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別在30、60、90 ℃及不同壓力條件下，記錄頁巖對甲烷氣體的吸附量和解吸附量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖2、圖3所示等溫吸附曲線。

圖2 不同溫度下等溫吸附曲線

圖3 不同目數(shù)下的等溫吸附曲線

可以看出：

(1) 同一壓力條件下，溫度越高，頁巖對甲烷氣體的吸附量越小。當(dāng)溫度較高時(shí)，隨著壓力的增加，頁巖對甲烷的吸附量增幅減小。

(2) 當(dāng)溫度恒定且壓力小于5 MPa時(shí)，隨著壓力的增加，頁巖對甲烷氣體的吸附量逐漸增大。當(dāng)壓力大于5 MPa時(shí)，頁巖對甲烷氣體的吸附量增幅變小。

(3) 頁巖顆粒的目數(shù)(60～200目)對頁巖吸附的影響不大。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)吸附裝置，選用120目顆粒用于吸附實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 模型擬合

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該巖樣對甲烷吸附量與壓力的變化曲線與I型等溫吸附曲線相吻合，故可確定該巖樣儲層對頁巖氣的吸附為Ⅰ型等溫吸附，其吸附規(guī)律可用Langmuir方程進(jìn)行描述。各巖樣擬合曲線如圖4 — 圖9所示，巖樣擬合參數(shù)如表2所示。

圖4 30 ℃下巖樣YY-1擬合曲線

圖5 30 ℃下巖樣YY-2擬合曲線

圖6 30 ℃下巖樣YY-3擬合曲線

圖7 60 ℃下巖樣YY-3擬合曲線

圖8 60 ℃下巖樣YY-2擬合曲線

圖9 90 ℃下巖樣YY-1擬合曲線

利用Langmuir吸附方程對頁巖氣高溫高壓下吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。這說明該區(qū)域頁巖氣吸附規(guī)律服從Langmuir等溫吸附規(guī)律，其吸附過程可用Langmuir方程進(jìn)行描述。

(1) 當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，該區(qū)域頁巖平均吸附體積為0.873 m3t；當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，平均吸附體積為0.583 m3t。該巖樣深度為1 485 m，該區(qū)域頁巖的吸附能力較低。

表2 巖樣擬合方程參數(shù)

(2) 當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃時(shí)，平均平衡壓力pL為3.913 MPa；當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，平均平衡壓力pL為4.108 MPa。這表明該區(qū)域頁巖在高壓條件下等溫吸附曲線的曲率較小，隨著壓力的增加，頁巖氣的吸附量增幅逐漸減小。

3 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出以下吸附規(guī)律：

(1) 從總體上看，該區(qū)域頁巖氣吸附量相對較小。當(dāng)溫度恒定時(shí)，頁巖氣吸附量隨著壓力的增大而增加；當(dāng)壓力恒定時(shí)，頁巖氣吸附量隨溫度的升高而減小。

(2) 頁巖巖樣顆粒目數(shù)對頁巖氣吸附量的影響不大。

(3) 該區(qū)域頁巖高壓條件下的吸附規(guī)律可用Langmuir等溫吸附方程描述。應(yīng)用Langmuir方程對頁巖氣吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99以上。通過Langmuir變形方程可知，該區(qū)域高壓條件下等溫吸附曲線的曲率較小，隨著壓力的增加，頁巖氣的吸附量增幅逐漸變小。

[1] ZHANG L H，LI J C，TANG H M，et al.Fractal pore structure model and multiplayer fractal adsorption in shale[J].Fractals，2014，22(3)：100-102.

[2] 張烈輝，郭晶晶，唐洪明.頁巖氣藏開發(fā)基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2014：15-18.

[3] 楊峰，寧正福，劉慧卿，等.頁巖對甲烷的等溫吸附特性研究[J]，特種油氣藏，2013(5):133-136.

[4] THOMAS R，MICHAEL B，ANDREW C A，et al.Methane adsorption on shale under simulated geological temperature and pressure conditions[J].Energy Fuels，2013，27 (6)：3099-3109.

[5] 楊盛波.頁巖氣吸附解吸實(shí)驗(yàn)研究[J].特種油氣藏，2013(5):133-136.

Research on Shale Gas Adsorption Law Under High Temperature and High Pressure

GUOQiutian1XIANGZuping1LIZhijun1MAQun2LIUYang3LIUXianshan1LIANGHongbin1

(1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China;2.PertoChina Tarim Oilfield Company, Korla Xinjiang 841000, China; 3.PertoChina Jidong Oilfield, Tangshan Hebei 063004, China)

To study the shale gas adsorption law under the condition of high temperature and high pressure, adsorption device is designed for the shale gas. The adsorption experiments of rock samples and methane gas from a basin in Sichuan are carried out with this device, in different temperature and under the condition of different pressure. The experimental results show that under the condition of the same pressure, the higher the temperature, shale on methane gas adsorption quantity decreases. When the temperature is high, with the increase of temperature, shale of methane adsorption quantity reduces gradually. When a constant temperature and pressure is less than 5 MPa, with the increase of pressure, shale of methane gas adsorption capacity increases gradually. When pressure is high, shale gas adsorption of methane increases at a slow speed; the effect of shale particle mesh on the absorption of shale is not significant. The adsorption law is fitted with Langmuir equation, and fitting results are good.

shale gas; high temperature; high pressure; adsorption capacity; Langmuir equation

2017-01-20

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”(CSTC2015JCYJA90014);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規(guī)律研究”(2015D-5006-0207);重慶科技學(xué)院校內(nèi)科研基金“頁巖氣數(shù)值試井理論研究”(CK2015B10);重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“頁巖氣高溫高壓下解吸附模型研究”(YKJCX2015023)，“蘇里格致密氣藏氣井產(chǎn)量遞減規(guī)律分析方法研究”(YKJCX1620141)

郭秋田(1992 — )，女，黑龍江七臺河人，重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜油氣藏開發(fā)理論及數(shù)值模擬。

TE311

A

1673-1980(2017)04-0001-04