页岩含气量测定及计算方法研究

万金彬, 何羽飞, 刘淼, 王志月, 朱满宏, 黄科, 袁野

(1.中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077; 2.西安石油大学石油工程学院, 陕西 西安 710065; 3.中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249)

0 引 言

页岩气是指以吸附态和游离态赋存于富有机质页岩层段的天然气聚集,具有自生自储、源内成藏、大面积分布等基本特征,通常没有自然产能,必须经过大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采获得商业气流。富有机质页岩既是气源岩又是天然气储集层。天然气可以游离态储存在页岩天然裂缝和粒间孔隙中,也可吸附于干酪根和黏土颗粒表面[1-2]。页岩气开采是游离气释放—吸附气解吸—游离气释放的动态过程。

页岩含气量是页岩气勘探开发中确定资源量的一项关键参数,它关系到单井产气量的预测,决定着页岩气藏资源前景的好坏以及是否具有开采的经济价值,因此,对页岩气储层评价以及开采方案制定及其长期、稳定产出有着重要的意义。中国对页岩含气量的研究还比较薄弱,给页岩气资源评价工作带来困难[3-4],正确选取影响页岩含气量合理的评价参数,综合考虑各影响参数并建立适当的含气量的计算方法并对页岩含气量作出准确评价,是页岩气研究的内容之一。

1 页岩含气量实验测试方法

根据页岩赋存状态,页岩气可分为吸附气、游离气和溶解气3部分。由于溶解气在页岩含气量中所占比例十分微小,可以忽略不计,故页岩含气量估算公式为

V总≈V吸+V游

(1)

式中,V总为总含气量,为单位质量岩石中所含天然气在标准状态下的体积,m3/t;V吸为吸附含气量,m3/t;V游为游离含气量,m3/t。

国内外没有专门针对页岩含气量测量的行业标准和方法技术,页岩气与煤层气具有相似的吸附机理,主要参照煤层气行业中的测量方法,再结合页岩特征对实验方法以及参数做相应的修改,可以分为2类:直接法和间接法。直接法是指利用现场钻井岩心和有代表性岩屑直接解析测定其实际总含气量,按照测定过程可以分为损失气、解吸气和残余气3部分;间接法是指通过等温吸附模拟实验计算出吸附气含量,利用高精度室内实验和测井解释等方法推测出游离气含量[5-6]。

1.1 现场解吸法

解吸法是测量页岩总含气量最直接的方法,能够在模拟地层实际环境的条件下反映页岩的含气性特征,是页岩气含量测量的基本方法,通常在取心现场完成。用解吸法测定的含气量由3部分组成,即损失气量、解吸气量和残余气量。解吸气量是指岩心装入解吸罐之后解吸出的气体总量,一般在1周内平均解吸量小于10 cm3/d时可终止解吸;残余气量是指终止解吸后仍留在样品中的那部分气体,需将岩样装入密闭的球磨罐中破碎,然后放入恒温装置中,待恢复到储层温度后按规定的时间间隔反复进行气体解吸,直至连续1周解吸的气体量小于10 cm3/d,测定其残余气量;损失气量是指岩心快速取出,现场直接装入解吸罐之前,由于压力不断降低而释放出的气量,这部分气体无法测量,必须根据损失时间的长短及实测解吸气量的数据并结合气体逸散理论模型[7-8]估算。通常基于USBM方法原理,利用最小二乘法把直线上的解吸点进行回归即可求出V0及b,估算结果能够基本满足勘探阶段的要求(见图1)。

USBM方法认为在解吸初期,解吸量与解吸时间的平方根近似直线关系,数学表达式为

V=V0+bt0+t

(2)

式中,V为解吸气量,cm3;V0为损失气量,cm3;t0为损失时间,min;t为实测解吸时间,min;b为直线段斜率。

综上分析,损失气量、解吸气量和残余气量之和为现场解吸最终页岩总气量。

图1 解吸法测定页岩含气量流程图

解吸法测量页岩含气量时其准确性主要取决于2个方面。①设法减少损失气量。在提钻取心及采样的过程中,应尽量加快速度缩短损失时间,损失时间越短,所得损失气量越准。②解吸时应模拟地层条件,尤其是地温条件,由于季节及昼夜温差的变化会影响解吸速率,给实验结果带来误差,所以应尽量消除温差变化对解吸的影响。实测解吸气时,应置解吸样品罐于恒温池中,温度应模拟地层温度[9]。

1.2 等温吸附实验法

吸附气量由页岩样品等温吸附实验确定。等温吸附法通过页岩样品的等温吸附实验模拟页岩的吸附过程,主要借鉴煤层气中吸附气的测试方法和理论。页岩吸附气大多服从Langmuir等温吸附公式。等温吸附模拟实验主要作用:①评价页岩的吸附能力,在持续生产或压力释放造成的气藏压力不断下降时,评价无束缚气体资源;②确定临界解吸压力;③建立吸附气含量与压力、温度的关系模型[10]。

实验过程在恒温条件下进行,通过测定页岩样品在同一温度、不同压力条件下达到吸附平衡时所吸附的甲烷气的体积,根据Langmuir单分子层吸附理论,计算出表征页岩储层吸附特征的吸附常数Langmuir体积和Langmuir压力,由压力和吸附量绘制出吸附等温线,结合地层压力条件,根据Langmuir模型计算出页岩储层的吸附气含量(见图2)。

V′=VLppL+p

(3)

式中,V′为吸附量,m3/t;p为气体压力,MPa;VL为Langmuir体积,即页岩吸附甲烷达到饱和时的最大吸附气含量;pL为Langmuir压力,即Langmuir体积的1/2所对应的压力。

图2 等温吸附曲线

页岩对甲烷气体的吸附特征是在低压下吸附气量随着压力的增大快速增加,达到一定压力值后吸附量达到饱和,成为1条几乎不变的平滑直线。因无法真实模拟地层的实际环境,因此,需要对含气量结果进行温度和压力的校正。

1.3 游离气量确定方法

游离气是指以游离状态赋存于基质孔隙、裂缝等空间中的天然气,其变化范围较宽,约占总含气量的20%～80%。游离气很难直接测定,可间接地采用常规天然气容积法计算

V游=φSgρZ

(4)

式中,V游为游离气含量,表示单位质量页岩中所含游离气在标准状态下的体积;φ为有效孔隙度,%;Sg为含气饱和度,%;ρ为岩石密度,g/cm3;Z为气体体积压缩因子,无量纲。

用该方法计算的关键是通过实验测试确定游离气的有效孔隙度和含气饱和度。利用声波、中子、密度和核磁共振等测井资料可以测得较为可靠的基质孔隙度;利用双侧向测井资料可以计算出较为精确的裂缝孔隙度。含气饱和度直接获取较为困难,在建立岩石实验的基础上,可利用阿尔奇公式计算获得[10]。由于受页岩特殊岩石特征限制,目前研究区页岩岩电实验很难进行,相关资料几乎没有,并且区域电阻率曲线受黄铁矿影响严重,无法采用这种方法计算游离气含量,而是通过先测定总含气量和吸附气含量,两者相减获得游离气含量。

2 构建含气量计算模型

2.1 页岩含气量主控因素

页岩的含气性除受沉积环境影响外,还受到埋藏史、热演化史等多种因素影响。研究页岩含气性的影响因素,对确定页岩气赋存机理、预测含气量、页岩气目标区优选及页岩气开发的商业前景评估等具有指导意义。根据页岩气的聚集机理和聚集特征,可将影响含气量大小的众多因素分为内部因素和外部因素,反映内部因素主要包括页岩有机碳含量、矿物组分含量、孔隙结构和物性参数等;外部因素主要包括深度、温度和压力等[11-12]。不同地质沉积背景下,导致不同的研究区域各个控制因素对含气量影响程度有所不同,需要结合区域页岩储层特征,因地制宜,针对性优选研究。

2.1.1 有机碳含量

页岩的有机碳含量(TOC)是影响页岩吸附气体能力的主要因素之一。页岩的TOC越高,则页岩气的吸附能力就越大。有机碳含量较高的页岩对吸附态页岩气具有更高的存储能力。一方面,TOC值高则页岩的生气潜力大,单位体积页岩的含气率高;另一方面,由于干酪根中微孔隙的发育,其表面具有亲油性,对甲烷有较强的吸附能力。

2.1.2 矿物成分

页岩的矿物成分比较复杂,除含有伊利石、蒙脱石、高岭石等黏土矿物以外,常含有石英、方解石、长石等碎屑矿物以及自生矿物,其成分的变化影响了页岩对气体的吸附能力。黏土矿物往往具有较高的微孔隙体积和较大的比表面积,吸附性能较强。碳酸盐矿物和石英等碎屑矿物含量的增加,会减弱对页岩气的吸附能力,同时还会降低页岩的孔隙度,使游离态页岩气的储集空间相应地减少。但是,随着碳酸盐等脆性矿物含量的增加,岩石的脆性有所提高,使页岩在外力的作用下,极易形成天然裂隙和渗导裂缝,有利于形成页岩气的渗流通道。

2.1.3 页岩物性参数

页岩的物性参数主要包括孔隙度、渗透率、含水饱和度和密度等,均影响着页岩的含气量。常规储层研究中,物性参数是评价储层特征的主要参数,这对于页岩储层也同样适用。孔隙是页岩中气体的储集空间,很大程度上决定着页岩的储能,主要控制着页岩游离气的含量;含水饱和度的增大导致游离气含量降低;随密度的增大,吸附气含量和游离气含量都减小[12-13]。

(1) 孔隙度和孔隙结构。页岩气主要以游离态蕴藏在泥页岩孔隙空间及裂隙内或吸附在有机物的活性表面,孔隙度是页岩气重要的储存空间和确定游离气量的关键参数,同时对吸附气量也有一定的影响。借鉴煤层孔隙研究的成果,按孔径大小,可分为大孔(>50 nm)、过渡孔(2～50 nm)、微孔(<2 nm)。大孔和过渡孔主要发生气体的层流渗透,有利于游离态页岩气的储存。相对于大孔和过渡孔,微孔对吸附态页岩气的存储具有重要的影响,微孔总体积越大,比表面积越大,对气体分子的吸附能力也就越强,气体吸附能力与微孔比表面积总体上有正相关性,但同时又受孔径分布的影响。总之,孔隙度与页岩的气体总含量之间呈正相关关系,也就是说页岩的气体总含量随页岩孔隙度的增大而增大。

(2) 含水饱和度。含水饱和度在很大程度上影响着页岩气的含气量,其原因主要有2个方面:一方面是页岩层中含水量越高,则水占据孔隙空间越大,可供游离气储集的空间变小;另一方面,由于水比气更易吸附于页岩表面,当岩石润湿后,水占据了页岩中矿物的比表面,减少了可供页岩气吸附的赋存场所,大大降低了吸附态页岩气的存储空间。因此,含水量高不但降低含气量还会降低气体的生产速度,导致处理产出水的麻烦,所以有利的页岩气区应是产水较少的区域。

(3) 密度。密度不但影响游离气含量而且影响吸附气含量,无论吸附气含量还是游离气含量均随密度的增大而减小。主要原因是随着密度的增加,有机碳含量减小,而有机碳含量和吸附气含量呈很好的正相关关系,因此,随着密度的增大,吸附气含量减小,游离气含量和密度呈很好的负相关关系,主要原因是随密度的增大孔隙度减小,而孔隙度是控制游离气含量的主要因素,因此总含气量也减小[13-14]。

2.1.4 地层温度和压力

地层温度和压力是通过影响页岩气的赋存状态影响其含气量。由于页岩的吸附过程是一个放热过程,随着温度的升高,页岩气的吸附能力迅速降低,温度与页岩气吸附能力呈负幂指数关系。在温度较高时,吸附态气体可以忽略不计,以游离态气体为主;随着温度的升高,热膨胀导致页岩气分子运动速度加快,很可能同时降低了游离态气体的赋存,从而使含气量下降。一般情况下,在一定范围内压力与页岩气的含气量呈正相关关系,随压力的增大,无论何种方式赋存的气体其含气量都是增大的,但压力增大到一定程度,吸附曲线趋于平缓,因为孔隙和孔隙比表面是一定的,孔隙度控制游离气含量,孔隙比表面控制吸附气含量[15]。总之,在盆地内部,压力系数一般较高,保存条件好,总含气量高;反之,压力系数一般较低,保存条件差,总含气量不高。

2.2 含气量关键指标优选及模型构建

尽可能多地利用各影响参数对页岩含气量进行预测,参数越多拟合回归计算的含气量越接近实测值,对页岩气藏评价越准确。但由于同一区块温度和深度变化不大,因此,在进行参数筛选时,并不将其列入考虑。结合研究区页岩气储层特征和实际条件允许情况下,对各个影响参数分别与实验测试的总含气量和吸附气量进行单因素相关性拟合,获得不同影响参数之间的相关系数,优选拟合相关系数较高的参数,剔除拟合相关系数较低的参数。

从内部和外部等各个影响指标与总含气量的相关关系图可知总含气量与地层压力、孔隙度呈一定的正相关,与密度、含水饱和度呈一定的负相关,且拟合相关系数较高,最终优选为研究区总含气量评价指标(见图3)。各影响指标与吸附气量的相关关系图分析可知,吸附气与TOC、比表面具有一定的正相关性,与密度和脆性矿物碳酸盐含量具体一定的负相关性(见图4),最终优选为研究区吸附气量的评价指标。

图3 优选的评价指标与总含气量的相关关系

图4 优选的评价指标与吸附气含量的相关关系

基于以上研究,本文优选影响总含气量的地层压力、孔隙度、密度、含水饱和度作为最终评价关键指标参数,采用多元线性回归的方法,对页岩气总含气量进行统计分析;优选影响吸附气量的TOC、比表面积、密度、碳酸盐含量等关键指标参数,采用多元线性回归的方法,对页岩气吸附气量进行统计分析。通过模型计算出总含气量和吸附气含量,两者相减可获得游离气含量。最终达到预测页岩含气量的目的。

V总=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总-V吸

(6)

式中,V总、V吸、V游分别为页岩总含气量、页岩吸附气含量和游离气含量,m3/t;α1、α2、α3、α4、α5、β1、β2、β3、β4、β5为系数,通过多元线性回归获得;pp为地层压力系数;ρ为页岩密度,g/cm3;φ为孔隙度,%;Sw为含水饱和度,%;TOC为有机碳含量,%;S为比表面积,m2/g;C为碳酸盐含量,%。

在条件允许的情况下,尽可能多地利用从与含气量回归拟合结果相关系数较高的关键指标对页岩含气量进行预测,以达到更好的预测效果。通过对优选的含气量关键指标参数分别与总含气量和吸附气量进行多元线性回归,得出计算页岩含气量的计算公式。对×1井含气量计算应用,计算结果与页岩实验测试含气量进行了对比分析,拟合公式计算的总含气量和吸附气量与实验测试值吻合良好(见图5),说明能起到预测页岩含气量的效果,为页岩气资源评价和有利区优选提供关键性参数。

图5 ×1井计算含气量和实验测试含气量对比效果

0.0020Sw+0.8558

(7)

V吸=-4.9829ρ+2.714 lnTOC+0.0163S-

0.0448 lnC+13.1864

(8)

3 结 论

(1) 对页岩含气量的获取方法进行了介绍和探讨,通过解吸法分别测量解吸气、残余气和损失气得到页岩总含气量;利用等温吸附实验确定页岩吸附气量。由于受条件限制,游离气无法直接获取,可通过先测定总含气量和吸附气含量,两者相减获得游离气含量。

(2) 页岩含气量是页岩气藏勘探开发区块优选的重要指标之一,其影响因素较多,综合考虑关键影响参数对页岩含气量进行预测,以达到更好的预测效果。最终分别优选影响总含气量的地层压力、孔隙度、密度、含水饱和度作为关键指标优选;优选影响吸附气量的地层压力、孔隙度、密度、含气饱和度作为关键指标参数。

(3) 通过对优选的含气量关键指标参数分别与总含气量和吸附气量进行多元线性回归,得出计算页岩含气量的统计公式,根据拟合公式计算的总含气量和吸附气量与实验测试值吻合较好,说明达到预测页岩含气量的良好效果。

参考文献:

[1] John B Curtis. Fractured Shale-gas Systems [J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11): 1921-1938.

[2] 张金川, 金之钧, 袁明生. 页岩气成藏机理和分布 [J]. 天然气工业, 2004, 24(7): 15-18.

[3] 李武广, 杨胜来, 殷丹丹, 等. 页岩气开发技术与策略综述 [J]. 天然气与石油, 2011, 29(1): 34-37.

[4] 李世臻, 乔德武, 冯志刚, 等. 世界页岩气勘探开发现状及对中国的启示 [J]. 地质通报, 2010, 29(6): 918-924.

[5] 李静, 李小彦, 杨利君, 等. 煤层含气量预测方法 [J]. 煤田地质与勘探, 1998, 26(1): 31-33.

[6] 徐成法, 周胜国, 郭淑敏. 煤层含气量测定方法讨论 [J]. 河南理工大学学报: 自然科学版, 2005, 24(2): 23-25.

[7] 唐颖, 张金川, 刘珠江, 等. 解吸法测量页岩含气量及其方法的改进 [J]. 天然气工业, 2011, 31(10): 108-128.

[8] 刘洪林, 邓泽, 刘德勋, 等. 页岩含气量测试中有关损失气量估算方法 [J]. 石油钻采工艺, 2010, 32(增刊): 156-158.

[9] 薛晓辉, 岳小金, 韦巍. 页岩含气量测定过程中的几点建议 [J]. 中国煤炭地质, 2013, 25(4): 27-29.

[10] 董谦, 刘小平, 李武广, 等. 关于页岩含气量确定方法的探讨 [J]. 天然气与石油, 2012, 30(5): 34-37.

[11] 毕赫, 姜振学, 李鹏. 页岩含气量主控因素及定量预测方法 [J]. 大庆石油地质与开发, 2014, 33(1): 160-164.

[12] 聂海宽, 张金川. 页岩气聚集条件及含气量计算 [J]. 地质学报, 2012, 86(2): 349-359.

[13] 李玉喜, 乔德武, 姜文利, 等. 页岩气含气量和页岩气地质评价综述 [J]. 地质通报, 2011, 30(2/3): 308-317.

[14] 武景淑, 于炳松, 李玉喜. 渝东南渝页1井页岩气吸附能力及其主控因素 [J]. 西南石油大学学报: 自然科学版, 2012, 34(4): 40-48.

[15] 刘洪林, 王红岩. 中国南方海相页岩吸附特征及其影响因素 [J]. 天然气工业, 2012, 32(9): 5-9.