端祥剛 胡志明 顧兆斌 常 進(jìn) 沈 瑞 孫 威 穆 英 周廣照

1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 2.國(guó)家能源頁(yè)巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)滲流流體力學(xué)研究所

0 引言

目前，頁(yè)巖油氣已經(jīng)成為我國(guó)重要的能源戰(zhàn)略接替資源[1-2]。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，主要儲(chǔ)滲空間為微米—納米孔，并且孔隙連通性差，氣體賦存狀態(tài)和流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和滲流理論/方法難以準(zhǔn)確描述頁(yè)巖氣解吸、擴(kuò)散、滲流的傳質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程[3-4]，導(dǎo)致頁(yè)巖氣井產(chǎn)氣量的預(yù)測(cè)困難，難以有效支撐頁(yè)巖氣井生產(chǎn)制度的優(yōu)化。

頁(yè)巖氣以吸附態(tài)和游離態(tài)的形式賦存于頁(yè)巖儲(chǔ)層中，不同賦存狀態(tài)下的頁(yè)巖氣產(chǎn)出特征明顯不同。在有機(jī)質(zhì)和黏土礦物中賦存著大量的吸附氣，其占比介于20%～80%[5-6]。美國(guó)Michigan盆地Antrim頁(yè)巖氣田，吸附氣占比介于70%～75%，具有儲(chǔ)層壓力低，氣水同產(chǎn)的特點(diǎn)，開發(fā)方式以降壓開采吸附氣為主；阿巴拉契亞盆地Ohio頁(yè)巖氣田的吸附氣占比約為50%，在開采過(guò)程中游離氣與吸附氣一起動(dòng)用，頁(yè)巖氣井氣產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)；而Barnett頁(yè)巖氣田則以游離氣為主，其吸附氣占比一般小于40%，氣藏壓力和氣井初期氣產(chǎn)量較高，但是產(chǎn)量遞減快，產(chǎn)出的頁(yè)巖氣前期以游離氣為主，后期由吸附氣提供補(bǔ)給[7-9]。我國(guó)四川盆地長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)等頁(yè)巖氣田的吸附氣占比一般介于20%～50%，在頁(yè)巖氣井生產(chǎn)初期，主要?jiǎng)佑玫氖怯坞x氣，在生產(chǎn)中后期，解吸的吸附氣為頁(yè)巖氣井持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供了重要的支撐[10-12]。因此，定量分析游離氣與吸附氣的產(chǎn)出規(guī)律，是制訂頁(yè)巖氣井合理生產(chǎn)制度的前提和基礎(chǔ)。

作為一種可以直接監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法，核磁共振技術(shù)（NMR）在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域被高度重視，并且快速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于錄井、測(cè)井，以及低滲透儲(chǔ)層的物性評(píng)價(jià)當(dāng)中[13-14]。NMR可以直接檢測(cè)頁(yè)巖氣中氫原子核的信號(hào)，并且通過(guò)弛豫時(shí)間來(lái)確定頁(yè)巖氣的賦存狀態(tài)，具有快速、準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[15]。李軍等[16]針對(duì)頁(yè)巖巖心，采用NMR和等溫吸附實(shí)驗(yàn)，證實(shí)在確定游離氣和吸附氣的含量時(shí)采用NMR是可靠的。由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，前人的研究均聚焦于低壓條件下頁(yè)巖中原始含氣量的計(jì)算，而未形成高溫高壓條件下頁(yè)巖氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[17]。為了避免間接測(cè)試的不確定性，筆者研發(fā)了適用于高溫高壓條件下的核磁共振在線檢測(cè)系統(tǒng)，選取四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)N203井下志留統(tǒng)龍馬溪組龍一11層頁(yè)巖巖心，以甲烷氣體為實(shí)驗(yàn)流體，測(cè)量頁(yè)巖氣在開采過(guò)程中游離態(tài)和吸附態(tài)甲烷產(chǎn)出量的變化情況，并且結(jié)合頁(yè)巖氣衰竭式開發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同賦存狀態(tài)下頁(yè)巖氣的動(dòng)用特征和產(chǎn)出變化規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為頁(yè)巖氣井科學(xué)合理生產(chǎn)制度的確定和頁(yè)巖氣田開發(fā)技術(shù)政策的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 核磁共振實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)含油氣/水樣品處于均勻靜磁場(chǎng)中時(shí)，流體中所含的氫原子核（1H核）會(huì)被磁場(chǎng)極化，宏觀上表現(xiàn)為一個(gè)磁化矢量。此時(shí)對(duì)樣品施加一定頻率（拉莫頻率）的射頻場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生核磁共振，隨后撤掉射頻場(chǎng)，可以接收到一個(gè)隨著時(shí)間以指數(shù)函數(shù)衰減的信號(hào)，可以用兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述該信號(hào)的衰減速度，即縱向弛豫時(shí)間（T1）和橫向弛豫時(shí)間（T2）[18-19]。針對(duì)巖石的核磁共振測(cè)量，一般采用T2測(cè)量法。對(duì)于含氫原子的氣體來(lái)說(shuō)，核磁共振信號(hào)強(qiáng)度與核磁共振譜儀檢測(cè)線圈內(nèi)氣體分子的總量成正比，因而測(cè)量的NMR信號(hào)可以用于表征氣體分子的含量。同時(shí)，NMR還可以區(qū)分不同類型氣體（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等）吸附質(zhì)，對(duì)于相同類型吸附質(zhì)的不同狀態(tài)（游離態(tài)或吸附態(tài)），其核磁共振信號(hào)也不同[20-21]。因此，基于NMR弛豫時(shí)間，可以進(jìn)行流體分子動(dòng)力學(xué)研究，并且明確流體的賦存狀態(tài)，弛豫時(shí)間與流體相態(tài)、孔隙類型及尺寸有關(guān)[22]。由于頁(yè)巖孔隙極其致密，常規(guī)實(shí)驗(yàn)流體（水）難以注入，而NMR信號(hào)量直接與1H核有關(guān)系。因此使用甲烷氣體作為實(shí)驗(yàn)流體具有很大優(yōu)勢(shì)，不僅對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)沒有破壞，能夠進(jìn)入水無(wú)法進(jìn)入的孔隙，還可以模擬頁(yè)巖氣原始的賦存狀態(tài)，包括吸附態(tài)和游離態(tài)。

核磁共振T2測(cè)量采集到的基本數(shù)據(jù)是回波串，即橫向弛豫過(guò)程中總核磁信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線，對(duì)回波串進(jìn)行多指數(shù)擬合，得到T2的分布（T2譜），總的核磁共振弛豫信號(hào)量是不同類型孔隙的核磁共振弛豫信號(hào)量的疊加[23]，即

式中S(t)表示不同類型孔隙的核磁共振弛豫信號(hào)量；Ai表示第i類孔隙的占比；t表示時(shí)間，ms；T2i表示第i類孔隙的橫向弛豫時(shí)間，ms。

對(duì)于頁(yè)巖氣，T2與體積弛豫（T2B），表面弛豫（T2S）和擴(kuò)散弛豫（T2D）有關(guān)[24]，即

式中T2B、T2S、T2D分別表示體積弛豫時(shí)間、表面弛豫時(shí)間和擴(kuò)散弛豫時(shí)間，ms。

體積弛豫是含1H核流體的固有屬性，主要受流體溫度，壓力和物理性質(zhì)的影響，體積弛豫時(shí)間代表自由態(tài)頁(yè)巖氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在密閉容器內(nèi)自由態(tài)甲烷氣體的T2介于100～1 000 ms。需要注意的是，容器內(nèi)的自由態(tài)甲烷氣體與頁(yè)巖孔隙中的游離氣還是有一定區(qū)別，前者的T2值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，頁(yè)巖孔隙中游離氣T2一般介于1～100 ms[25]。

表面弛豫發(fā)生在流體—固體交界面，T2S與孔隙特征有關(guān)[26]。在頁(yè)巖孔隙壁面固體分子吸附勢(shì)的作用下，被束縛在孔隙壁面上的吸附態(tài)氣體分子的T2S一般介于0.01～1.00 ms。T2S計(jì)算式為：

式中ρ2表示表面弛豫強(qiáng)度，μm/s；Spore表示含1H核流體充填的孔隙表面積，nm2；Vpore表示含1H核流體充填的孔隙體積，nm3。

擴(kuò)散弛豫是孔隙流體在磁場(chǎng)中擴(kuò)散而產(chǎn)生的弛豫[27]。對(duì)于式（2）中擴(kuò)散弛豫項(xiàng)，當(dāng)采用較小的回波間隔（如0.1 ms）進(jìn)行核磁共振響應(yīng)觀測(cè)時(shí)，該項(xiàng)可以忽略。因此，式（2）簡(jiǎn)化為：

頁(yè)巖中含有大量含1H核的物質(zhì)，因而也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的核磁信號(hào)，如頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)中的干酪根，無(wú)機(jī)質(zhì)中的黏土礦物，黃鐵礦等。有機(jī)質(zhì)影響NMR信號(hào)的方式有以下兩種：①其中含有可以被直接測(cè)量的氫原子；②通過(guò)影響有機(jī)質(zhì)孔中與孔隙表面接觸的流體的弛豫時(shí)間，進(jìn)而間接影響NMR信號(hào)。無(wú)機(jī)質(zhì)中黏土礦物包括高嶺石、綠泥石、伊利石、蒙脫石及伊蒙混層等。這些礦物除本身含有1H核以外，還含有部分層間水和結(jié)晶水等[28]。另外，頁(yè)巖中存在的最常見的順磁離子是鐵離子和錳離子，通常，若巖心內(nèi)順磁性雜質(zhì)的含量較高，則表面弛豫較強(qiáng)。然而，頁(yè)巖中鐵離子含量大部分與黃鐵礦相關(guān)，少量作為雜質(zhì)分散在孔隙表面上，在有機(jī)質(zhì)中含量較少[29]。核磁信號(hào)對(duì)水分子比較敏感，頁(yè)巖基質(zhì)中的水包括黏土礦物中的水、孔隙中束縛水和自由水，頁(yè)巖含水飽和度一般較低[29]，并且絕大部分水在溫度高于110 ℃時(shí)被排出[30]。因此，在實(shí)驗(yàn)中將巖心放置于110 ℃恒溫箱內(nèi)徹底烘干，以排除自由水的影響。然后，將干燥樣品的初始信號(hào)作為基底信號(hào)來(lái)處理，進(jìn)而獲得甲烷氣體在注入頁(yè)巖樣品和產(chǎn)出的過(guò)程中信號(hào)量的變化，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)甲烷氣體實(shí)際注入量和產(chǎn)出量，對(duì)吸附態(tài)和游離態(tài)甲烷進(jìn)行定量表征。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、流程及巖心

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與流程

高溫高壓核磁共振在線檢測(cè)系統(tǒng)由Rec-Core-2515型核磁共振巖樣分析儀和頁(yè)巖氣衰竭開發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置組成，具有加熱、加壓、驅(qū)替及核磁共振在線檢測(cè)等功能，最高實(shí)驗(yàn)溫度與壓力分別為120 ℃、30 MPa，能夠?qū)?chǔ)層條件下有機(jī)氣體的產(chǎn)出動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為室內(nèi)研究地層狀態(tài)下流體的滲流機(jī)理提供了新的技術(shù)手段。

RecCore-2515型核磁共振巖樣分析儀包括控制系統(tǒng)、全直徑磁體、高溫高壓探頭及溫控系統(tǒng)（圖1）。高溫高壓探頭采用鈦鋼材料作為承壓外殼以提高承壓能力，核磁探頭置于承壓外殼內(nèi)部，探頭線圈靠近被測(cè)樣品，進(jìn)而提高儀器檢測(cè)微弱信號(hào)的能力。頁(yè)巖氣衰竭開發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置由ISCO泵、氣體流量計(jì)、高精度壓力傳感器、巖心夾持器及中間容器等組成，其中巖心夾持器的材質(zhì)為鈦金屬，施加圍壓所用的液體為氟油，均不會(huì)產(chǎn)生核磁信號(hào)。采用共振頻率為4.520 MHz、直徑為25 mm的核磁探頭，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的內(nèi)部磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)如下：回波間隔時(shí)間為140.000 μs，回波個(gè)數(shù)（NECH）為1 024個(gè)，掃描次數(shù)為64次，恢復(fù)時(shí)間為1 000 ms，T2譜擬合點(diǎn)數(shù)為128。實(shí)驗(yàn)氣體為純度99.99%的CH4，實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃。

圖1 高溫高壓核磁共振在線檢測(cè)裝置示意圖

具體實(shí)驗(yàn)流程如下：①連接實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行氣密性檢查，利用AJP-100氦孔隙度測(cè)量?jī)x測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置各部分的自由空間體積；將樣品缸抽真空后注入甲烷氣體，分別測(cè)量不同壓力下甲烷信號(hào)量，根據(jù)甲烷實(shí)際氣量（體積），對(duì)甲烷信號(hào)進(jìn)行定標(biāo)；②將頁(yè)巖巖心徹底干燥后，放入特制的巖心夾持器，置于核磁共振檢測(cè)系統(tǒng)中, 加圍壓至設(shè)定壓力值，密封后抽真空24 h以上；③利用CPMG脈沖序列對(duì)頁(yè)巖巖心進(jìn)行核磁共振測(cè)量，反演得到干燥頁(yè)巖樣品的T2譜，并且作為基底信號(hào)；④將甲烷氣體注入巖心中，加壓至20 MPa，充分飽和24 d以模擬甲烷吸附氣的原始賦存狀態(tài)，飽和過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)巖心中甲烷氣體信號(hào)量的變化；⑤打開巖心夾持器的出口，進(jìn)行頁(yè)巖氣衰竭式開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)，記錄入口壓力和出口流量。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頁(yè)巖巖心中甲烷氣體信號(hào)量的變化。

2.2 實(shí)驗(yàn)巖心

實(shí)驗(yàn)巖心選自四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)N203井下志留統(tǒng)龍馬溪組龍一11層，取樣深度為2 384.86 m，巖性為黑色頁(yè)巖，巖心TOC為2.3%，有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型；礦物成分以黏土礦物為主，其含量為31.6%，并且以伊/蒙混層為主，石英含量為23.9%，方解石含量為39.2%，不含黃鐵礦、菱鐵礦；巖心孔隙度為3.82%，克氏滲透率為0.025 mD（表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)參數(shù)表

分別采用超高壓壓汞法、氣體吸附法來(lái)求取頁(yè)巖巖心的孔徑分布，然后對(duì)置信區(qū)間采用拼接方式來(lái)獲得頁(yè)巖巖心全尺度孔徑分布曲線。如圖2所示，頁(yè)巖孔徑的分布范圍較大，從幾納米到幾百納米均有分布，主要以微孔（孔徑小于2 nm）和介孔（孔徑介于2～50 nm）為主，其中孔徑在2 nm以下的微孔占比約為15%，介孔占比為75%，孔徑大于50 nm的宏孔占比小于10%。

圖2 頁(yè)巖巖心孔徑分布頻率統(tǒng)計(jì)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 甲烷氣量的計(jì)算

在樣品缸中注入甲烷氣體后，通過(guò)核磁共振巖樣分析儀測(cè)得不同弛豫時(shí)間下1H核信號(hào)量，將其累加，即可近似求得不同壓力下樣品缸內(nèi)甲烷總信號(hào)量；根據(jù)Redlich-Kwong方程計(jì)算不同壓力下樣品缸內(nèi)甲烷氣量（體積）；對(duì)比不同壓力下樣品缸內(nèi)甲烷產(chǎn)生的核磁信號(hào)量，獲取甲烷氣量與核磁信號(hào)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖3）。甲烷總信號(hào)量與甲烷氣量的關(guān)系式為：

圖3 甲烷總信號(hào)量與甲烷氣量對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

式中Q表示轉(zhuǎn)換成標(biāo)況下的甲烷氣量，mL；T表示甲烷總信號(hào)量。

3.2 飽和階段吸附態(tài)/游離態(tài)甲烷氣量的計(jì)算

以恒壓模式向頁(yè)巖巖心中注入甲烷氣體，甲烷飽和頁(yè)巖的核磁共振T2譜圖具有明顯的雙峰特征（圖4）；吸附態(tài)甲烷主要賦存于頁(yè)巖納米孔隙的表面，由于主要受到表面弛豫控制，弛豫時(shí)間較短，對(duì)應(yīng)T2譜上的左峰，弛豫時(shí)間介于0.1～1.0 ms，主峰位于0.4 ms；游離態(tài)甲烷則賦存于較大的頁(yè)巖孔隙中，不受孔隙壁面的束縛，弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)T2譜上的右峰，弛豫時(shí)間介于1～100 ms，主峰位于10 ms。利用T2譜圖可以確定頁(yè)巖中甲烷氣體的吸附/游離態(tài)的信號(hào)量。

圖4 甲烷飽和頁(yè)巖巖心核磁共振T2譜圖

在甲烷氣體進(jìn)入頁(yè)巖巖心后，游離態(tài)甲烷氣量迅速增加，并在1 h后即到達(dá)340 mL，與游離態(tài)甲烷氣量的最大值（440 mL）較接近（圖5）；24 h后，吸附態(tài)/游離態(tài)甲烷氣量逐漸增大，并且于20 d后均趨于穩(wěn)定。吸附態(tài)甲烷核磁共振T2譜峰的中心位置不變，表明吸附態(tài)甲烷在微米—納米孔表面發(fā)生弛豫的速度很快，并且以表面弛豫為主。

圖5 甲烷飽和頁(yè)巖巖心階段吸附態(tài)/游離態(tài)甲烷氣量變化曲線圖

基于式（5），計(jì)算得到吸附氣量為216.5 mL，游離氣量為440.5 mL，總含氣量為657.0 mL。另外，采用測(cè)試的等溫吸附曲線計(jì)算吸附氣量，采用孔隙度和孔隙壓力計(jì)算游離氣量，計(jì)算得到總含氣量為684.7 mL，該數(shù)值略大于核磁共振的測(cè)量結(jié)果?？傮w看來(lái)，采用間接方法計(jì)算得到的總含氣量和核磁共振測(cè)量結(jié)果較接近，兩者相對(duì)誤差小于5%，并且吸附氣占比也接近，采用間接方法、核磁共振方法計(jì)算的吸附氣占比分別為34.1%、33.0%。可以認(rèn)為，基于核磁共振技術(shù)測(cè)量的甲烷總含氣量及吸附態(tài)/游離態(tài)甲烷氣量，其結(jié)果是準(zhǔn)確、可靠的。

3.3 吸附氣/游離氣的產(chǎn)出規(guī)律

在甲烷氣體充分飽和頁(yè)巖巖心以后，打開巖心夾持器出口進(jìn)行頁(yè)巖氣衰竭式開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)，采用氣體質(zhì)量流量計(jì)實(shí)時(shí)、精確地計(jì)量產(chǎn)氣量。如圖6所示，隨著甲烷氣體被采出，頁(yè)巖巖心中壓力逐漸降低，甲烷信號(hào)量也逐漸減少，游離態(tài)甲烷對(duì)應(yīng)的T2譜峰一直在下降，而吸附態(tài)甲烷對(duì)應(yīng)的T2譜峰在前期基本不變，這與甲烷氣體飽和頁(yè)巖巖心的過(guò)程正好相反。在模擬開發(fā)16 d以后（巖心入口壓力低于12.6 MPa），吸附態(tài)甲烷對(duì)應(yīng)的T2譜峰才明顯下降，表明在頁(yè)巖氣井生產(chǎn)初期，主要產(chǎn)出游離氣，而吸附氣基本未動(dòng)用，直至生產(chǎn)后期（壓力較低時(shí)）吸附氣才產(chǎn)出。核磁共振測(cè)量的甲烷產(chǎn)氣量和出口端實(shí)測(cè)的甲烷產(chǎn)氣量基本一致（圖7），并且通過(guò)核磁共振技術(shù)，還能夠區(qū)分吸附態(tài)和游離態(tài)甲烷，進(jìn)而得到不同賦存狀態(tài)甲烷的采出程度隨壓力的變化。

圖6 頁(yè)巖氣衰竭式開發(fā)模擬過(guò)程中核磁共振T2譜圖

圖7 核磁共振甲烷（含吸附態(tài)/游離態(tài)）產(chǎn)氣量與出口端實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

如圖8所示，隨著壓力降低，游離態(tài)甲烷采出程度呈近線性增加，而吸附態(tài)甲烷則需要壓力降至一定范圍值，才開始大量解吸并且產(chǎn)出，此時(shí)甲烷采出程度與壓力的關(guān)系曲線開始偏離早期的線性關(guān)系。在高壓下測(cè)試的等溫吸附曲線表明，在加壓吸附過(guò)程中，當(dāng)壓力超過(guò)15 MPa以后，吸附氣已接近于飽和狀態(tài)，吸附相密度也趨于平穩(wěn)[30]。因此，在解吸過(guò)程中，當(dāng)?shù)貙訅毫Ω哂谠摂?shù)值時(shí)，吸附氣仍接近于飽和狀態(tài)，基本不產(chǎn)出。通過(guò)進(jìn)行頁(yè)巖氣開發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在開發(fā)初期，產(chǎn)出以游離態(tài)甲烷為主，吸附態(tài)甲烷的階段貢獻(xiàn)率（某時(shí)間段吸附態(tài)甲烷產(chǎn)氣量在甲烷產(chǎn)氣量中的占比）低于5%；隨著生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行，巖心壓力降低，吸附態(tài)甲烷的階段貢獻(xiàn)率逐漸增加，尤其是當(dāng)壓力低于15 MPa以后，吸附態(tài)甲烷的階段貢獻(xiàn)率迅速上升；至生產(chǎn)后期，吸附態(tài)甲烷的階段貢獻(xiàn)率超過(guò)50%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率（吸附態(tài)甲烷累計(jì)產(chǎn)氣量在甲烷累計(jì)產(chǎn)氣量中的占比）達(dá)到30%（圖9）。

圖8 甲烷（含吸附態(tài)/游離態(tài)）采出程度與壓力關(guān)系曲線圖

圖9 吸附態(tài)甲烷階段貢獻(xiàn)率與累計(jì)貢獻(xiàn)率變化曲線圖

3.4 氣井模擬與產(chǎn)量分析

根據(jù)頁(yè)巖氣開發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用相似準(zhǔn)則，把實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算為礦場(chǎng)條件下氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析不同生產(chǎn)階段吸附氣對(duì)氣井產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)，可以獲取實(shí)驗(yàn)巖心入口壓力、出口壓力、累計(jì)產(chǎn)氣量、采出程度等數(shù)據(jù)，根據(jù)相似準(zhǔn)則，由巖心產(chǎn)氣速度來(lái)計(jì)算氣井產(chǎn)氣量[31-32]。

以長(zhǎng)寧地區(qū)某頁(yè)巖氣井為例，如圖10所示，隨著生產(chǎn)時(shí)間增加，該井日產(chǎn)氣量迅速降低，第1年平均為10.8×104m3，第2年則遞減為4.8×104m3，生產(chǎn)3年以后進(jìn)入低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期，20年末該井的日產(chǎn)氣量約為0.4×104m3；該井第1年主要產(chǎn)出游離氣，吸附氣產(chǎn)出量很低，在累計(jì)產(chǎn)出氣量中的占比低于5%；隨著生產(chǎn)時(shí)間增加，地層壓力降低，游離氣被大量采出，吸附氣產(chǎn)量逐漸上升，第8年吸附氣日產(chǎn)量達(dá)到0.78×104m3，吸附氣對(duì)氣井日產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)率超過(guò)50%，并且越往后，貢獻(xiàn)率越高；該氣井生產(chǎn)前5年，吸附氣對(duì)氣井累計(jì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)率不足5%，至生產(chǎn)末期，其對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)率可以達(dá)到25%。

圖10 頁(yè)巖氣井日產(chǎn)氣量與吸附氣貢獻(xiàn)率變化曲線圖

由于頁(yè)巖氣的賦存狀態(tài)不同，其動(dòng)用順序有先后。對(duì)于以游離氣為主的頁(yè)巖氣藏，儲(chǔ)層壓力系數(shù)高，產(chǎn)出氣也以游離氣為主，并且游離氣占比越高，單井產(chǎn)氣量和短期頁(yè)巖氣的采出程度越高，只有當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至低壓，吸附氣才產(chǎn)出，而后吸附氣的貢獻(xiàn)逐漸增大。對(duì)于以吸附氣為主的頁(yè)巖氣藏，主要采用降壓開發(fā)，單井產(chǎn)氣量雖然較低，但是穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)產(chǎn)期可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年[15]。因此，在確定區(qū)塊或?qū)游坏拈_發(fā)順序時(shí)，游離氣和吸附氣的占比也是需要重點(diǎn)考慮的指標(biāo)。

4 結(jié)論

1）飽和甲烷氣體的頁(yè)巖核磁共振T2譜圖具有明顯的雙峰特征，吸附態(tài)甲烷主要賦存于頁(yè)巖納米孔隙表面，弛豫時(shí)間較短，介于0.1～1.0 ms，游離態(tài)甲烷則賦存于較大的頁(yè)巖孔隙中，弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，介于1～100 ms；采用核磁共振測(cè)量的甲烷總含氣量及吸附態(tài)/游離態(tài)甲烷氣量與采用間接方法計(jì)算的結(jié)果較接近。

2）基于頁(yè)巖氣開發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)，在開發(fā)初期，產(chǎn)出氣以游離態(tài)甲烷為主，吸附態(tài)甲烷的階段貢獻(xiàn)率低于5%；隨著生產(chǎn)持續(xù)進(jìn)行，吸附態(tài)甲烷的階段貢獻(xiàn)率逐漸增加，尤其是當(dāng)壓力低于15 MPa以后，吸附態(tài)甲烷的階段貢獻(xiàn)率迅速上升；至生產(chǎn)后期，吸附態(tài)甲烷的階段貢獻(xiàn)率超過(guò)50%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到30%。

3）把實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算為礦場(chǎng)條件下氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)前5年，吸附氣對(duì)氣井累計(jì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)率不足5%，至生產(chǎn)末期，其對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)率可以達(dá)到25%。

4）核磁共振在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以定量表征不同賦存狀態(tài)甲烷氣體的動(dòng)用規(guī)律，為后續(xù)開展頁(yè)巖氣氣水兩相滲吸、CO2/CH4吸附置換等研究提供了新方法。