李東暉，聶海寬

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 2.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 3.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司 頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

頁(yè)巖氣作為一種重要的天然氣資源，開(kāi)發(fā)利用在國(guó)內(nèi)受到高度重視[1]。含氣量是頁(yè)巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)、儲(chǔ)量計(jì)算、產(chǎn)能預(yù)測(cè)和頁(yè)巖氣藏評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，也是決定頁(yè)巖氣藏是否具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的主要因素之一[2-4]，是頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的最重要的參數(shù)。目前獲得頁(yè)巖含氣量的途徑主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解吸、等溫吸附+孔隙度測(cè)試和測(cè)井計(jì)算等方法[5]，其中等溫吸附主要測(cè)定頁(yè)巖的吸附能力、孔隙度主要測(cè)定游離氣的賦存能力，并不代表真實(shí)的含氣量；測(cè)井計(jì)算獲得含氣量需要依據(jù)測(cè)井曲線和實(shí)測(cè)含氣量建立某種關(guān)系，擬合出計(jì)算含氣量的公式，其計(jì)算精度主要依據(jù)實(shí)測(cè)含氣量的精度而定。本文重點(diǎn)討論頁(yè)巖的現(xiàn)場(chǎng)解吸、尤其是損失氣含量的計(jì)算問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)解吸是通過(guò)將鉆井巖心放入解吸裝置獲得解析氣含量的一種方法，能較準(zhǔn)確刻畫(huà)頁(yè)巖的地下含氣量，其總含氣量由解吸氣、損失氣和殘余氣3部分構(gòu)成[6]，解吸氣含量是巖心裝入解吸罐后利用解吸儀測(cè)定的氣量，殘余氣含量是解吸終止后把巖心磨碎測(cè)定的無(wú)法解吸出的殘留氣體量，損失氣含量是巖心提鉆和地面暴露過(guò)程中逸散的氣量。目前頁(yè)巖氣解吸測(cè)試直接借鑒煤層氣解吸測(cè)試方法，其中解吸氣量與殘余氣量均是通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，誤差相對(duì)較小。損失氣量主要基于取心到裝入解吸罐的損失時(shí)間和實(shí)測(cè)解吸數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)計(jì)算求取。目前對(duì)損失氣量的計(jì)算包括USBM法、Smith-Williams法、下降曲線法、Amoco法、改進(jìn)的直接法等多種解吸數(shù)據(jù)處理方法[7]，比較常用的是USBM(United States Bureau of Mine)方法及其改進(jìn)方法[8-11]。

在早期頁(yè)巖含氣量評(píng)價(jià)中，這種計(jì)算方法起了積極作用，隨著頁(yè)巖氣生產(chǎn)井增多，該方法獲得的含氣量與井的實(shí)際產(chǎn)能逐漸出現(xiàn)矛盾。如截至2017年12月，焦石壩累產(chǎn)量最高的頁(yè)巖氣井產(chǎn)氣超過(guò)2.5×108m3，已超過(guò)按照目前所認(rèn)識(shí)的含氣量、壓裂可動(dòng)用體積計(jì)算的可采儲(chǔ)量，說(shuō)明目前對(duì)頁(yè)巖氣賦存機(jī)理的認(rèn)識(shí)有待深入，對(duì)含氣量、尤其是損失氣含量的計(jì)算認(rèn)識(shí)不足，頁(yè)巖的含氣量可能遠(yuǎn)大于我們目前的認(rèn)識(shí)。由于煤層氣和頁(yè)巖氣的差異性，煤層氣損失氣量估算方法應(yīng)用于頁(yè)巖氣存在不確定性[12-16]，目前采用的USBM方法及其改進(jìn)方法不適應(yīng)中國(guó)頁(yè)巖埋藏較深的特點(diǎn)，不能客觀計(jì)算損失氣量及地下頁(yè)巖的真實(shí)含氣量，因此有必要研究適合中國(guó)頁(yè)巖氣特點(diǎn)的含氣量測(cè)試方法[17]。進(jìn)一步，姚光華等[18]提出了一種預(yù)加壓測(cè)試頁(yè)巖含氣量的新方法，可以規(guī)避損失氣量的計(jì)算，大幅度提高測(cè)試精度。此種方法需要已知地層壓力和儲(chǔ)層溫度，并采用反演的辦法模擬地下頁(yè)巖的含氣量。

考慮到頁(yè)巖氣藏壓力較大、巖心損失時(shí)間較長(zhǎng)，損失氣量較大，約占總氣量的40%～80%，因此計(jì)算方法的適用性對(duì)損失氣量的求取至關(guān)重要，同時(shí)也對(duì)提高頁(yè)巖含氣量測(cè)試精度具有重要意義。鑒于“密閉取心”方法較高的價(jià)格和取心過(guò)程中的不確定性(容易漏氣)，獲得非密閉取心并在解吸裝置解吸仍然是目前主要采用的技術(shù)方法，取心過(guò)程中的損失氣永遠(yuǎn)是計(jì)算的難點(diǎn)，這就要求基于頁(yè)巖氣藏特征、損失氣散失特點(diǎn)，探索新的損失氣量的計(jì)算模型。

1 頁(yè)巖氣逸散特征及損失氣量計(jì)算新方法

1.1 頁(yè)巖氣瞬間逸散特征

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試頁(yè)巖含氣量時(shí)，實(shí)際的損失氣量包括兩部分，一是在鉆頭鉆遇頁(yè)巖氣層的瞬間由于壓力平衡的破壞，迅速散失的大量游離態(tài)天然氣；二是巖心在提鉆過(guò)程中因溫度和壓力的改變而從巖心中逐漸逸散的天然氣。USBM法等方法計(jì)算頁(yè)巖損失氣量時(shí)，多通過(guò)數(shù)學(xué)回歸方法計(jì)算提鉆過(guò)程中的損失氣量，而忽略了鉆遇巖心瞬間散失的天然氣，實(shí)際上在頁(yè)巖氣藏尤其是高溫高壓頁(yè)巖氣藏中，這部分損失氣量是不可忽視的。

本文對(duì)鉆遇巖心瞬間的頁(yè)巖氣逸散特征進(jìn)行分析，并根據(jù)頁(yè)巖巖心中天然氣的受力機(jī)理來(lái)研究瞬間散失氣量的計(jì)算方法。研究過(guò)程中，頁(yè)巖巖心的基本屬性仍基于USBM法基本假設(shè)，即①巖樣為圓柱形；②擴(kuò)散過(guò)程中溫度恒定；③擴(kuò)散速率恒定；④擴(kuò)散時(shí)表面濃度為零；⑤從巖石表面到孔隙的擴(kuò)散過(guò)程瞬間完成。在鉆遇氣層的瞬間，頁(yè)巖氣藏的壓力平衡被破壞，此時(shí)孔隙內(nèi)的游離氣是否瞬間逸散主要取決于兩個(gè)力的作用：①孔隙壓力(pa)，來(lái)源于孔隙內(nèi)天然氣分子的壓縮，使得天然氣有逸出巖心表面、進(jìn)入井筒的動(dòng)力；②毛細(xì)管壓力(pc)，其在鉆井過(guò)程中泥漿接觸巖心表面，泥漿中的油/水在喉道中形成兩相彎液面，產(chǎn)生毛細(xì)管壓力(圖1)。

由于相對(duì)于天然氣，鉆井泥漿屬于潤(rùn)濕性流體，天然氣屬于非潤(rùn)濕性流體，即毛細(xì)管壓力屬于阻力，阻止天然氣逸出。因此，鉆遇頁(yè)巖氣藏時(shí)天然氣瞬間逸出必須滿足孔隙壓力大于毛細(xì)管壓力的條件，即pa>pc。其中巖心的孔隙壓力pa即頁(yè)巖氣藏壓力，毛細(xì)管壓力pc的大小則與毛細(xì)管半徑、天然氣、泥漿(水)的表面張力和接觸角的大小相關(guān)，公式為：

(1)

式中:r表示毛細(xì)管半徑，m；σ表示氣液表面張力，N/m；θ表示接觸角,(°)。

對(duì)于1 nm的喉道，毛細(xì)管壓力達(dá)到104 MPa；對(duì)于500 nm喉道，毛細(xì)管壓力為0.208 MPa[17]。根據(jù)受力機(jī)理分析，毛細(xì)管力小于孔隙壓力(氣藏壓力)的喉道內(nèi)，天然氣將在鉆遇巖心的瞬間散失；而毛細(xì)管力大于孔隙壓力的喉道內(nèi)，氣體將被封存在頁(yè)巖氣藏中。因此，可以根據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)層中孔喉的比例定量計(jì)算鉆遇巖心時(shí)天然氣的瞬時(shí)散失量。根據(jù)毛細(xì)管力公式可知，游離氣可瞬間逸散的最小毛細(xì)管半徑為：

(2)

式中:rins表示游離氣可瞬間逸散的最小毛細(xì)管半徑，m。

瞬間逸散氣量為：

Vins=V0Φ(rins,∞)

(3)

式中:Vins表示地面條件下瞬間逸散氣體積，m3/t；V0表示地面條件下游離氣體積，m3/t；Φ(rins,∞)表示頁(yè)巖巖心中孔喉半徑大于r0的孔隙體積所占比例，%。

游離氣含量的計(jì)算主要是基于壓力、頁(yè)巖總孔隙體積等參數(shù)，游離氣量V0是壓力和偏差因子的函數(shù)，假設(shè)單位質(zhì)量頁(yè)巖的總孔隙體積為VP，儲(chǔ)層壓力p0，由于地下頁(yè)巖氣藏均有一定程度的水和其它雜質(zhì)，游離氣并沒(méi)有充滿孔隙空間，而是有一定的飽和度Sg,則單位質(zhì)量頁(yè)巖內(nèi)的游離氣在地面溫度和壓力狀況下體積為:

圖1 頁(yè)巖氣藏孔隙內(nèi)的壓力平衡示意圖Fig.1 A schematic diagram of pressure balance in the pores of the shale gas reservoirr.毛細(xì)管半徑；pc.毛細(xì)管壓力；pa.孔隙壓力;θ.接觸角

(4)

因此，對(duì)于頁(yè)巖氣藏而言，瞬間逸散氣量與頁(yè)巖的儲(chǔ)層壓力和孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)，其公式為：

(5)

式中:Vp表示頁(yè)巖巖心中的孔隙總體積，m3/t；Sg表示頁(yè)巖含氣飽和度，%；Z0表示地面溫度和壓力下甲烷偏差因子；Zi表示儲(chǔ)層溫度和壓力下甲烷偏差因子；T0表示地面溫度，K；Ti表示儲(chǔ)層溫度，K；P0表示大氣壓，MPa；Pi表示儲(chǔ)層壓力，MPa。

1.2 含氣量計(jì)算新方法

本方法通過(guò)鉆完井?dāng)?shù)據(jù)及巖心測(cè)試得到頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)層壓力、孔隙結(jié)構(gòu)、頁(yè)巖取心時(shí)間、解吸巖心質(zhì)量、解吸氣含量和解吸時(shí)間等數(shù)據(jù)，根據(jù)上節(jié)所述方法計(jì)算瞬間逸散的損失氣量，由解吸氣含量和解吸時(shí)間等數(shù)據(jù)計(jì)算巖心的解吸速率，進(jìn)而確定提鉆過(guò)程中的損失氣量。其中解吸速率由解吸含氣量和解吸時(shí)間算出，取總含氣量和總解吸時(shí)間計(jì)算平均的解析速率，假設(shè)提鉆過(guò)程中勻速提鉆，泥漿比重不變，壓降呈線性，頁(yè)巖的解吸速率一定，則可以根據(jù)起鉆時(shí)間(含地面裝樣時(shí)間)，算出提鉆過(guò)程中的損失氣含量。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型復(fù)雜，根據(jù)頁(yè)巖氣賦存機(jī)理，頁(yè)巖氣藏中在孔徑小于2 nm的孔隙中，頁(yè)巖氣主要以微孔充填的形式存在[19-20]，因此這部分頁(yè)巖氣不會(huì)在鉆遇瞬間迅速散失，是起鉆過(guò)程和解吸過(guò)程中解吸氣體的主要組成部分。

損失氣量包括瞬間散失量、起鉆過(guò)程中散失量(含地面裝樣時(shí)間)。總含量為損失氣量、解吸氣量和殘余氣量之和。具體計(jì)算方法為：

1) 確定頁(yè)巖氣藏壓力(可通過(guò)測(cè)井、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和聲波時(shí)差等算法獲得)、埋深、巖心提鉆時(shí)間和解吸氣含量等數(shù)據(jù)。

2) 基于解吸氣含量和巖心提鉆時(shí)間計(jì)算氣體解吸速率。

巖心放入解吸罐以后，基于現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量和解吸時(shí)間計(jì)算解吸速率：

qdes=Qdes/t

(6)

式中:qdes表示頁(yè)巖氣解吸速率，cm3/min；Qdes表示頁(yè)巖巖心累積解吸氣量，cm3；t表示累積解吸時(shí)間，min。

3) 提鉆和地面裝樣過(guò)程中的巖心損失氣量采用解吸速率乘以對(duì)應(yīng)時(shí)間獲得，其計(jì)算公式為：

(7)

式中:Vris表示提鉆過(guò)程中的損失氣量，m3/t；m表示頁(yè)巖巖心的質(zhì)量，g；Tris表示提鉆時(shí)間，min；Texp表示地面暴露時(shí)間，min。

4) 計(jì)算巖心的總損失氣量

頁(yè)巖的總損失氣量即為瞬間逸散的損失氣量和提鉆過(guò)程中的損失氣量之和，計(jì)算公式為：

(8)

式中:Vlos表示地面條件下頁(yè)巖損失氣含量，m3/t。

5) 總含氣量計(jì)算

如上文所述，頁(yè)巖的總含氣量為解吸氣量、損失氣量及殘余氣量之和，其中解吸氣量和殘余氣量均可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得，其計(jì)算公式為：

Vtot=Vlos+Vdes+Vres

(9)

式中:Vres表示地面條件下頁(yè)巖殘余氣含量，m3/t；Vdes表示地面條件下頁(yè)巖解吸氣含量，m3/t；Vtot表示地面條件下頁(yè)巖總含氣量，m3/t。

1.3 含氣量計(jì)算實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文提出的損失氣量的新算法，以四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田超壓頁(yè)巖氣藏JY1井和渝東地區(qū)桑柘坪向斜彭水常壓頁(yè)巖氣藏PY1井為例，在現(xiàn)場(chǎng)解吸的基礎(chǔ)上，對(duì)含氣量進(jìn)行計(jì)算并與傳統(tǒng)算法進(jìn)行比較。

1.3.1 超壓頁(yè)巖氣藏

涪陵氣田焦石壩區(qū)塊埋藏深度約2 400～2 600 m，原始?xì)獠貕毫ο禂?shù)為1.35～1.55，為高含氣飽和度的超壓頁(yè)巖氣藏[21]，儲(chǔ)層可分為下部頁(yè)巖和上部頁(yè)巖，其中下部是優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段，為區(qū)塊的頁(yè)巖氣主力產(chǎn)層[22]。JY1井的儲(chǔ)層溫度為80 ℃，初始地層壓力38 MPa，壓力系數(shù)為1.55，共取樣品31個(gè)，單個(gè)樣品重量約為6 000 g，巖心的提鉆時(shí)間為8 h，地面暴露時(shí)間為1 h，取樣深度為2 330～2 415 m，其中2 330～2 378 m為上部頁(yè)巖，解吸速率為20 cm3/(g·min)，2 378～2 415 m為下部頁(yè)巖，解吸速率為40 cm3/(g·min)。依據(jù)毛細(xì)管力公式(2)可知，JY1井游離氣瞬間逸散的最小毛細(xì)管半徑為2.7 nm。根據(jù)該井5個(gè)檢測(cè)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)可知，JY1井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖心的喉道半徑大于3 nm的孔隙約占總孔隙的31.4%～61.0%，平均為40.5%，基于本方法的假設(shè)，鉆遇巖心的瞬間游離氣的瞬間散失比例為31.4%～61.0%(圖2)。

焦石壩頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層條件(80 ℃，38 MPa)下甲烷的偏差因子為1.046，頁(yè)巖密度為2.5 t/m3,下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段(2 378～2 415 m)孔隙度約為6%，上部頁(yè)巖層段的(2 330～2 378 m)孔隙度約為4%。地層巖石均含有束縛水[23]，根據(jù)對(duì)焦石壩氣田含氣飽和度的研究，下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖段的含氣飽和度為80%～90%，上部頁(yè)巖段的含氣飽和度為50%～60%，因此由式(4)計(jì)算可知，下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的游離氣量約為6.70 m3/t，上部頁(yè)巖段的游離氣量約為2.98 m3/t。根據(jù)公式(5)計(jì)算，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段巖心瞬間逸散的損失氣量Vins為2.10～4.09 m3/t，平均2.71 m3/t；上部頁(yè)巖層段巖心瞬間逸散的損失氣量Vins為0.94～1.82 m3/t，平均1.21 m3/t?？倱p失氣量可依據(jù)式(8)計(jì)算，JY1井下部頁(yè)巖層段的總損失氣量為5.90～7.84 m3/t，平均約為6.38 m3/t，上部頁(yè)巖層段的總損失氣量為2.92～3.09 m3/t，平均約為3.0 m3/t?？偤瑲饬扛鶕?jù)公式(9)計(jì)算，JY1井下部頁(yè)巖層段的總含氣量為6.87～9.02 m3/t，平均7.47 m3/t，上部頁(yè)巖層的總含氣量為3.25～3.82 m3/t，平均3.64 m3/t(圖3)，明顯高于常用算法計(jì)算的總含氣量(下部層段總含氣量3.55～5.19 m3/t，平均4.42 m3/t；上部層段總含氣量0.44～2.83 m3/t，平均1.12 m3/t)。

需要說(shuō)明的是，計(jì)算采用的JY1井游離氣瞬間逸散的最小毛細(xì)管半徑為2.7 nm，但在孔徑測(cè)試時(shí)，受壓汞和氣體聯(lián)合測(cè)試的手段和時(shí)間的限制，僅有3 nm的孔徑數(shù)據(jù)，很難估計(jì)2.7～3 nm的孔喉半徑的孔隙占總孔隙的比例，因此，實(shí)際上的瞬間損失氣量比文中計(jì)算的略大。

圖2 四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田JY1井檢測(cè)樣品孔隙結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)對(duì)比Fig.2 The statistical comparison of pore structures of samples from Well JY 1 in Fuling shale gas field in Sichuan Basin

圖3 四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田JY1井五峰組-龍馬溪組常規(guī)計(jì)算含氣量與考慮氣藏特征計(jì)算含氣量對(duì)比Fig. The comparison of the gas content of conventional desorption method and that considering gas veservoir characteristics from Well JY1 in Wufeng-Longmaxi Formations in Fuling shale gas field in Sichuan Basin

1.3.2 常壓頁(yè)巖氣藏

PY1井的儲(chǔ)層溫度為80 ℃，初始地層壓力21 MPa，壓力系數(shù)為0.9，共取樣品25個(gè)，單個(gè)樣品重量約為4 000 g,巖心的提鉆時(shí)間為7 h，地面暴露時(shí)間為1 h，取樣深度為2 080～2 157 m，其中2 080～2 138 m為上部頁(yè)巖，解吸速率為10 cm3/(g·min)，2 138～2 157 m為下部頁(yè)巖，解吸速率為20 cm3/(g·min)。依據(jù)毛細(xì)管力公式(2)可知，PY1井游離氣瞬間逸散的最小毛細(xì)管半徑為4.9 nm。根據(jù)3個(gè)檢測(cè)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)圖可知，彭水區(qū)塊巖心的吼道半徑大于5 nm的孔徑占總孔隙的比例在8.5%～18.6%，平均14.0%。即PY1井頁(yè)巖取心過(guò)程中游離氣的瞬間散失比例為8.5%～18.6%，平均14.0%，明顯低于超壓頁(yè)巖氣藏(圖4)。

在彭水區(qū)塊儲(chǔ)層條件(80 ℃，21 MPa)下甲烷的偏差因子為0.923，頁(yè)巖密度為2.5 t/m3，下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段(2 138～2 160 m)的孔隙度約為4.5%，上部頁(yè)巖層段(2 080～2 138 m)的孔隙度約為4%。根據(jù)對(duì)彭水區(qū)塊含氣飽和度的研究，下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖段的含氣飽和度為50%～60%，上部頁(yè)巖段的含氣飽和度為30%～40%，因此由式(4)計(jì)算可知，下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的游離氣量約為2.18 m3/t，上部頁(yè)巖層段的游離氣量約為1.29 m3/t。根據(jù)公式(5)計(jì)算，下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段巖心瞬間逸散的損失氣量Vins為0.19～0.41 m3/t，平均0.31 m3/t；上部頁(yè)巖層段巖心瞬間逸散的損失氣量Vins為0.11～0.24 m3/t，平均0.18 m3/t?？倱p失氣量可依據(jù)式(8)計(jì)算，PY1井下部頁(yè)巖層段的總損失氣量為2.64～2.88 m3/t，平均2.75 m3/t，上部頁(yè)巖層段的總損失氣量為1.33～1.45 m3/t，平均1.38 m3/t?？偤瑲饬扛鶕?jù)公式(9)計(jì)算，PY1井下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段計(jì)算的總含氣量為3.18～4.29 m3/t，平均3.83 m3/t，上部頁(yè)巖層段計(jì)算的總含氣量為1.67～2.28 m3/t，平均1.94 m3/t(圖5)，明顯高于常用算法計(jì)算的總含氣量(下部層段總含氣量0.90 m3/t～2.46 m3/t，平均1.82 m3/t；上部層段總含氣量0.47 m3/t～1.70 m3/t，平均0.89 m3/t。

圖4 渝東地區(qū)桑柘坪向斜P(pán)Y1井檢測(cè)樣品孔隙結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)對(duì)比Fig.4 The statistical comparison of pore structures of samples from Well PY 1 in Sangzhiping syncline in eastern Chongqing area

2 方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的“考慮氣藏壓力的頁(yè)巖含氣量計(jì)算方法”可行性，采用理論計(jì)算頁(yè)巖含氣量法和依據(jù)頁(yè)巖氣井生產(chǎn)特征計(jì)算法兩種方法驗(yàn)證損失氣量和總含氣量計(jì)算方法的可靠性。

2.1 理論計(jì)算驗(yàn)證

根據(jù)頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)，頁(yè)巖含氣量包括吸附氣、游離氣和溶解氣三部分[24-25]，通常情況下這三部分含氣量很難測(cè)試和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)?？紤]到溶解氣在頁(yè)巖含氣量構(gòu)成中所占比例十分微小，在計(jì)算含氣量時(shí)可以忽略不計(jì)，頁(yè)巖含氣量可近視認(rèn)為吸附氣含量和游離氣含量之和[26]。

受目前等溫吸附實(shí)驗(yàn)條件的限制，最高測(cè)試壓力僅為30 MPa左右，不能模擬焦石壩地下38 MPa的壓力下等溫吸附能力，因此，只能目前最大壓力下測(cè)試的等溫吸附能力近似之[27-28]。等溫吸附試驗(yàn)表明JY1井下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖在近似地層條件下(27 MPa，80 ℃，TOC含量4.52%)頁(yè)巖吸附氣量約為2.28 m3/t，按照焦石壩氣田下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖段的含氣飽和度為80%～90%，根據(jù)公式(4)計(jì)算可知，下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的游離氣含量為5.95～6.70 m3/t，則理論總含氣量為8.23～8.97 m3/t，與本文采用新方法計(jì)算的下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的含氣量值(6.87～9.02 m3/t，平均7.47 m3/t)處于可對(duì)比的區(qū)間范圍。上部頁(yè)巖層段的含氣飽和度為50%～60%，根據(jù)公式(4)計(jì)算可知，上部頁(yè)巖層段的游離氣含量為2.48～2.98 m3/t，由于上部氣層頁(yè)巖的有機(jī)碳含量明顯降低，平均只有下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的一半，即2%左右，按照有機(jī)碳和吸附氣含量的關(guān)系，類(lèi)比計(jì)算上部頁(yè)巖的吸附氣量約為1.14 m3/t，則上部頁(yè)巖層段的理論總含氣量為3.62～4.12 m3/t，與本文采用新方法計(jì)算的上部頁(yè)巖層段含氣量值(3.25～3.82 m3/t，平均3.64 m3/t)相當(dāng)，說(shuō)明本文提出的新方法與理論計(jì)算的總含氣量吻合良好。

圖5 渝東地區(qū)桑柘坪向斜P(pán)Y1井五峰組-龍馬溪組常規(guī)計(jì)算含氣量與考慮氣藏特征計(jì)算含氣量對(duì)比Fig.5 The comparison of gas content obtained by conventional desorption method and that considering gas reserveir characteristics in Well PY1 in Wufeng-Longmaxi Formations in Sangzhiping syncline in eastern Chongqing area

彭水區(qū)塊屬于常壓頁(yè)巖氣藏，在近似地層條件下(20 MPa，80 ℃，TOC含量4.52%)頁(yè)巖吸附氣量約為2.19 m3/t[22]，按照彭水地區(qū)下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖段的含氣飽和度為40%～50%，根據(jù)公式(4)計(jì)算可知，下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖的游離氣含量為1.45～1.82 m3/t，理論計(jì)算的總含氣為3.64～4.01 m3/t，與本文采用新方法計(jì)算的下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段含氣量值(3.18～4.29 m3/t，平均3.83 m3/t)處于可對(duì)比的區(qū)間范圍。上部氣層頁(yè)巖的含氣飽和度為30%～40%，根據(jù)公式(4)計(jì)算可知，上部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的游離氣含量為0.97～1.29 m3/t，PY1井上部氣層頁(yè)巖的有機(jī)碳含量明顯降低，平均只有下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的一半，即2%左右，按照有機(jī)碳和吸附氣含量的關(guān)系，類(lèi)比計(jì)算上部頁(yè)巖的吸附氣量約為1.09 m3/t，因此，上部頁(yè)巖層段理論計(jì)算的含氣為2.06～2.39 m3/t，與本文采用新方法計(jì)算的上部頁(yè)巖層段含氣量值(1.67～2.28 m3/t，平均1.94 m3/t)具有一定的可比性，說(shuō)明本文提出的新方法與理論計(jì)算的總含氣量吻合良好。

2.2 頁(yè)巖氣井生產(chǎn)特征驗(yàn)證

根據(jù)焦石壩頁(yè)巖氣田氣井生產(chǎn)特征，對(duì)于試采超過(guò)2年以上的頁(yè)巖氣井，其動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量的計(jì)算較為準(zhǔn)確。我們對(duì)焦石壩區(qū)塊當(dāng)前累產(chǎn)氣量最高的JYA井和一口重復(fù)壓裂井JYB井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、儲(chǔ)量動(dòng)用進(jìn)行分析，計(jì)算頁(yè)巖含氣量，并驗(yàn)證損失氣量和總含氣量計(jì)算方法的可靠性。JYA井和JYB井均位于焦石壩頁(yè)巖氣田核心區(qū)，基本地質(zhì)條件和含氣量與JY1井具有一致性。

考慮到頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征和壓裂工藝等因素的影響，在壓裂過(guò)程中井控范圍內(nèi)的儲(chǔ)層并不能全部被壓開(kāi)改造，這會(huì)影響井間儲(chǔ)層動(dòng)用狀況，一般認(rèn)為氣井的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量約占SRV(Stimulated Reservoir Volume儲(chǔ)層改造體積)區(qū)內(nèi)頁(yè)巖總含氣量的60%(圖6)，即SRV改造區(qū)內(nèi)的頁(yè)巖氣采收率η為0.6[29]。因此，根據(jù)頁(yè)巖氣井的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量G0、巖石密度ρ、水平段長(zhǎng)度Le、壓裂裂縫半長(zhǎng)Xf和縫高H可大致估算SRV區(qū)內(nèi)的頁(yè)巖總含氣量Vtot，公式為：

(10)

式中:G0表示動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量，108m3；ρ表示巖石密度，t/m3；Le表示水平段長(zhǎng)度，m；Xf表示壓裂裂縫半長(zhǎng)，m；H表示壓裂裂縫縫高，m。

式中水平段長(zhǎng)Le已知，壓裂裂縫半長(zhǎng)Xf可根據(jù)壓裂施工參數(shù)、試采井動(dòng)態(tài)分析結(jié)果和微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用RTA擬合和試井解釋等不同方法評(píng)價(jià)獲得；根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、上部層段頁(yè)巖氣井氣藏壓力與未投產(chǎn)前的下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的壓力相近(說(shuō)明下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣井生產(chǎn)并未動(dòng)用上部氣藏，也即裂縫未溝通上部頁(yè)巖層段氣藏)可以確定焦石壩區(qū)塊縫長(zhǎng)約為200 m，縫高分布在20～40 m。

2.2.1 JY A井

JYA井水平段長(zhǎng)度為1 900 m，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層穿行率為100%，已累產(chǎn)頁(yè)巖氣2.5×108m3。利用RTA軟件對(duì)氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖7)，預(yù)測(cè)其可采儲(chǔ)量為3.2×108m3，根據(jù)壓裂施工參數(shù)和微地震檢測(cè)結(jié)果，該井取半縫長(zhǎng)200 m，縫高30 m。根據(jù)公式(10)可知，SRV改造區(qū)范圍內(nèi)的頁(yè)巖含氣量約為9.35 m3/t，與按本文提出的考慮氣藏壓力的頁(yè)巖含氣量計(jì)算方法計(jì)算的JY1井下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段含氣量上限9.02 m3/t接近，說(shuō)明本方法計(jì)算結(jié)果與頁(yè)巖氣井生產(chǎn)特征基本相符。

2.2.2 JY B井

JYB井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層穿行率為93%，初次壓裂施工6段，試氣長(zhǎng)度為381.5 m。利用RTA軟件對(duì)氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)其可采儲(chǔ)量為0.49×108m3，同樣取半縫長(zhǎng)200 m，縫高30 m。根據(jù)公式(10)可知，該井SRV改造區(qū)范圍內(nèi)的頁(yè)巖總含氣量約為7.3 m3/t，與按本文提出的考慮氣藏壓力的頁(yè)巖含氣量計(jì)算方法計(jì)算的JY1井下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段含氣量平均值7.47 m3/t接近，說(shuō)明本方法計(jì)算結(jié)果與頁(yè)巖氣井生產(chǎn)特征基本相符。截至該井準(zhǔn)備重復(fù)壓裂關(guān)井，累產(chǎn)天然氣達(dá)到2 888×104m3。該井在重復(fù)壓裂施工工程中未射新孔，重壓后45天內(nèi)井口壓力下降至與輸壓持平，并關(guān)井，累計(jì)產(chǎn)氣334×104m3，氣井重復(fù)壓裂后穩(wěn)產(chǎn)能力差，效果不佳。說(shuō)明初始SRV改造區(qū)內(nèi)的所剩天然氣，大部分為吸附氣和賦存在孔徑小于2 nm孔隙的充填氣，只能依靠關(guān)井壓力恢復(fù)、吸附氣解吸的方式生產(chǎn)。分析認(rèn)為本次重復(fù)壓裂施工欲堵老縫、壓新縫的目的未能達(dá)到，建議后續(xù)重復(fù)壓裂的施工應(yīng)考慮重新射孔工藝，針對(duì)初次壓裂未波及區(qū)域，重新進(jìn)行壓裂。

圖6 頁(yè)巖氣水平井SRV改造區(qū)示意圖Fig.6 The SRV area of shale gas horizontal wellρ.巖石密度； Le.水平段長(zhǎng)度；Xf壓裂裂縫半長(zhǎng)

圖7 四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田A井生產(chǎn)特征擬合曲線Fig. Production feature fitting curve of Well A in Fuling shale gas field in Sichuan Basin

綜上所述，采用本文提出的含氣量計(jì)算方法計(jì)算的JY1井下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段損失氣量為5.90～7.84 m3/t，平均為6.38 m3/t，總含氣量6.87～9.02 m3/t(平均7.47 m3/t)和PY1井下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段損失氣量為2.64～2.88 m3/t，平均2.75 m3/t，總含氣量3.18～4.29 m3/t (平均3.83 m3/t)，明顯高于傳統(tǒng)算法計(jì)算的損失氣量和總含氣量的數(shù)值，并且與理論計(jì)算結(jié)果、依據(jù)焦石壩頁(yè)巖氣井生產(chǎn)特征計(jì)算的頁(yè)巖含氣量基本相符。本方法在考慮地層壓力的條件下計(jì)算損失氣含量，從而保證了損失氣量獲取的可靠性和精確性，為頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)量計(jì)算、產(chǎn)能預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供可靠保障，適合不同壓力條件的頁(yè)巖氣藏，尤其適用于高壓頁(yè)巖氣藏?fù)p失氣量的恢復(fù)計(jì)算。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) 綜合考慮頁(yè)巖氣藏特征、儲(chǔ)層類(lèi)型及特征、孔隙結(jié)構(gòu)、孔喉大小、氣藏壓力、取心時(shí)間、解吸氣含量和解吸時(shí)間的損失氣含量等因素，重點(diǎn)考慮了鉆遇巖心時(shí)的瞬間散失氣量和解吸速率，提出了一種計(jì)算損失氣含量和含氣量的新方法，可有效提高異常高壓頁(yè)巖氣藏?fù)p失氣含量的計(jì)算準(zhǔn)確度。

2) 采用本文所提出計(jì)算方法，JY1井下部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的損失氣量為5.90～7.84 m3/t，平均為6.38 m3/t，總含氣量范圍為6.87～9.02 m3/t，平均7.47 m3/t;上部頁(yè)巖層段的損失氣量為2.92～3.09 m3/t，平均3.00 m3/t，總含氣量為3.25～3.82 m3/t，平均3.64 m3/t。

3) 采用本文所提出計(jì)算方法，PY1井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段的損失氣量為2.64～2.88 m3/t，平均2.75 m3/t，總含氣量為3.18～4.29 m3/t，平均3.83 m3/t；上部頁(yè)巖層段的損失氣量為1.33～1.45 m3/t，平均1.38 m3/t，總含氣量范圍為1.67～2.28 m3/t，平均1.94 m3/t。

4) 采用本文提出的含氣量計(jì)算方法計(jì)算的JY1井和PY1井的含氣量，明顯高于傳統(tǒng)算法計(jì)算的損失氣量和總含氣量的數(shù)值，并且與理論計(jì)算法和依據(jù)焦石壩頁(yè)巖氣井生產(chǎn)特征計(jì)算法兩種方法對(duì)本文提出的計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證，吻合度較好，說(shuō)明本計(jì)算方法能夠獲得比較接近地質(zhì)實(shí)際的總含氣量數(shù)據(jù)，能有效提高頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)量計(jì)算的可靠性。