低解吸气量页岩气组分校正方法探讨

赵立鹏

(贵州省煤田地质局实验室，贵阳 550008)



低解吸气量页岩气组分校正方法探讨

赵立鹏

(贵州省煤田地质局实验室，贵阳 550008)

通过现场解吸试验，采用气相色谱等测试方法，对低解吸气量页岩气组分测定结果校正方法进行了研究。在常规现场解吸试验操作基础上增加校正实验，结合理想气体状态方程，总结归纳出校正参数及适用性研究。结果显示，当解析气量较少时，解吸罐内残留空气对组分测定结果的影响较大，排除解吸罐中空气的影响后，解吸气组分甲烷体积分数普遍增加12.23%～54.44%。研究表明，对低解吸气量页岩气组分结果进行校正十分必要。

解吸； 页岩气； 组分； 校正

0 引言

页岩气是一种资源潜力巨大的新型非常规油气资源[1-3]，且受到高度重视[4]。现场解吸法是页岩气含气量获取方法之一[5-7]。结合气相色谱解吸气组分测定，可直接可靠地了解泥页岩储层中页岩气含量及组分信息。煤层气在解吸方法及解吸数据处理方面已形成比较完善的体系，而页岩气主要集中于解吸方法及解吸数据处理方法优化等方面[7-9]。页岩气含量测定多采用煤层气行业的标准，但页岩含气量、气体扩散机制与煤不同，尤其某些盆外常压页岩气资料井、参数井解吸气量并不大。同时由于岩心直径及填充材料的局限，解吸罐中往往会残余部分空气，这必然会影响解吸气组分测定结果[10-13]。但国内外尚未有此问题的有效解决方法。笔者结合工程实践及理想气体状态方程，对低解吸气量页岩气组分测定修正方法及其适用性进行探讨，以提高页岩气组分评价的准确度，这对页岩气测试方法及评价具有重要意义。

1 实验方法

1.1 实验设备及材料

实验采用常规解吸罐(h300 mm、φ89 mm)、计量器(量程0～600 mL，最小刻度为1 mL)、恒温水浴锅(温控在±1 ℃，量程为0～100 ℃)、温度计、气压计(分度值0.1 kPa)、电子称、软管、气样瓶、石英砂、宽胶带、止水夹、固定夹、塑胶手套、脱脂棉等。

1.2 实验方法

按照图1所示连接好实验设备。

图1 现场解析装置Fig.1 Field desorption device for shale gas

1.2.1 试验准备及气密性检验

试验前应对解吸罐进行气密性检测，向罐内注空气至表压0.3 MPa以上，关闭后搁置12 h，压力不降即可用。计量器装满水并调至初始状态，观察液面是否下降以检测解析装置密闭性能。将恒温装置温度调至储层温度，解吸罐洗净、干燥。

1.2.2 样品采集

岩心提升至井口所用时间不超过2 min/100 m。到达地面后，尽快剔除夹矸及杂物，称重后迅速装入解吸罐。岩心质量不少于800 g。样品装至距解吸罐口1 cm处，空隙用填料充填，密封。上述过程应控制在10 min内。

1.2.3 自然解吸

将解吸罐迅速置于已达储层温度的恒温水浴锅中，用软管将解吸罐与计量器连接，调整计量器液面使罐中的解吸气进入计量器。读数时锥形瓶与量筒水面对齐，记录气体体积，同时记录环境温度、大气压力。按规定时间重复多次测定。连续3 d 平均解吸量不大于5 cm3，结束解吸测定。如量筒不能再容纳下次测定气体时，应排出气体，调节计量器至初始状态，关闭阀门重复上述步骤。解吸气测定时采用排水集气法采集气样进行气成分分析。

1.2.4 校正实验

为保证准确性，实验应在页岩气解析速率较低或解吸终止后进行。记录大气温度T1、气压P1、水浴锅温度t1、计量器读数V′; 将充分解吸后的解吸罐移出水浴锅，冷却至室温; 待计量器读数稳定后，读取V″，并记录此时大气温度T2、气压P2。

1.2.5 气相色谱组分测定

组分分析采用美国安捷伦GC7890气相色谱仪，检测器为氢焰检测器。测试前用0.000 1%、0.1%、0.5%、1%、5%、10%、20%、50%、100%等浓度的甲烷标样对色谱仪进行标定。实验氢气输出压力0.4 MPa，柱箱初始温度50 ℃，初始时间10 min，升温速率5 ℃/min，终止温度250 ℃，终止时间10 min，进样器和检测器温度均为250 ℃。实验完毕待柱箱初始温度、检测器温度及进样器温度降至设置温度后，关闭色谱仪电源，结束实验。

2 数据处理

2.1 去除空气影响的解吸气体积及解吸罐内空气体积

理想气体状态方程为

PV=nRT,

(1)

式中：P为理想气体气压，Pa；V为气体体积，m3； R为摩尔气体常数，831 J/(mol·K)；T为体系温度，K；n为气体物质的量，mol。

考虑到解吸罐内空气的影响，设温度tn、气压Pn下，解吸罐内气体体积为Vn，则

(2)

式中:P1为大气温度T1时的气压，Pa；t1为水浴锅温度，K；V1为温度t1时解吸罐内气体体积，m3；P2为大气温度T2时的气压，Pa；V2为大气温度为T2时解吸罐内气体体积，m3；V′为解吸终止时计量器读数，m3；V″为解吸罐冷却至室温时计量器读数，m3； ΔV为V′、V″ 两者之差，m3。

大气温度T2、气压P2时，解吸罐内气体体积为

(3)

2.2 气体组分校正

由上述分析可知，解吸气体积V累积应为通常认为的累计体积V与ΔV之差。解吸罐中残留的空气对解吸气组分存在一定的稀释效应。

假设组分测定中某组分体积分数为a； 而实际体积分数为b，则

(4)

式中：V为解析气体累计体积，m3。

同样的方法可以对各组分及同位素进行校正。

3 适用性分析

相关研究均未见对解吸罐中空气对解析实验结果影响的分析。当解吸气量较大或不做组分分析时，空气对实验结果影响较小，但当解析气量小且仍要做组分分析时，空气的影响不容忽视。

3.1 理论空隙体积

解吸罐内体积求解公式为

v=πr2h,

(5)

式中：v为解吸罐容积，m3；r为解析罐内半径，m；h为解析罐内腔高度，m。

按照现有现场解吸相关标准要求，解吸罐中空隙体积最大不超过解吸罐容积的1/4，填料采用石英砂。石英砂粒半径r石英砂远小于解吸罐内半径r，其在解吸罐内的堆积可以视为等径球体堆积问题。因此理论上其最大空间利用率为0.74，孔隙率为0.26。

综上，解吸罐内空隙体积为

v空隙=0.26 πr2h。

(6)

3.2 解吸罐空隙体积对测试结果的影响程度

据上述分析可知，影响程度主要与空隙体积和解吸气量体积有关，且与空隙体积呈正相关，与解析气量呈负相关。现引入参数α，量纲为1，并令

(7)

式中ρ为解吸罐中空隙体积分数，ρ<0.25。

(8)

可见解吸罐越大及装样后罐中空隙体积越大，空气对测试结果的影响程度越大。为使解吸罐空隙体积对测试结果的影响程度较低，应选用内径与岩心直径相当的解吸罐，同时尽可能多装样品及压实填料，以压缩解吸罐中空隙体积。

3.3 校正幅度

校正幅度即校正后组分含量较校正前组分含量的增幅，量纲为1。即

(9)

3.4 应用实例

贵州省下寒武统牛蹄塘组主要分布于黔北、黔中及黔东—黔东南地区[10,14-15]，属台地边缘斜坡深水陆棚相。牛蹄塘组底部为黑色炭质页岩与硅质岩韵律互层，夹磷结核； 下部普遍发育一套黑色炭质页岩，黄铁矿丰富，有机质含量高； 上部为深灰、灰绿色泥页岩夹粉砂岩条带。BD-1井是贵州省页岩气地质调查井，完钻井深1 048 m，钻遇地层主要有娄山关组、明心寺组、牛蹄塘组、灯影组等，完井层位为灯影组上部白云岩。目标层位为牛蹄塘组，黑色泥页岩段位于牛蹄塘组下部，厚约56 m。岩性以含粉砂—粉砂质、炭质泥页岩为主。有机质类型以腐泥型和偏腐泥混合型为主。有机质丰度较高，介于0.7%～14.6%。有机质成熟度，普遍处于过成熟阶段。脆性矿物及碳酸盐矿物含量高(平均79.7%)，黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主。页岩孔隙度中等(平均2.73%)，渗透率极低(平均0.01 mD)。现场解吸测试中解吸样品11个(表1)，解吸气量0.06～0.12 mL/g，属低解吸气量泥页岩储层。在气相色谱组分测定中，普遍存在甲烷含量偏低的现象。在解吸终止时进行了校正实验，即有V′=V。排除解吸罐中空气影响后，甲烷体积分数普遍增加12.23%～54.44%(表2)。可见，解吸罐内残留空气对组分测定结果影响较大，这是解吸气甲烷含量偏低现象的重要原因之一。

表1 BD-1井现场解吸结果Tab.1 Shale gas desorption result of well BD-1

表2 BD-1井现场解吸组分校正结果Tab.2 Correction results for shale gas desorption components of BD-1

4 结论

解吸罐内残留空气对组分测定结果的影响较大，排除解吸罐中空气的影响后，解吸气组分甲烷体积分数普遍增加12.23%～54.44%。可见，有必要对低解吸气量页岩气组分结果进行校正。利用理想气体状态方程，对低解吸气量页岩气组分测定结果进行校正的方法简单易操作、计算量小，且提高了页岩气组分测定的准确度。

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(责任编辑： 常艳)

Discussion on components content correction of shale gas with low desorption gas quantity

ZHAO Lipeng

(LaboratoryofCoalMineExplorationofGuizhouProvince,Guiyang550008,China)

With the method of field desorption and gas chromatography, the components content correction of shale gas with low desorption gas quantity was studied. Correction experiment was added besides normal field desorption experiments, and ideal gas state equation was also used to seek the correction parameters and their suitability. The results showed that the residual air within the desorption canister had a great effect on components content when desorption gas content is low. Volume fraction of methane will increase about 12.23%-54.44% generally if the residual air can be excluded. It is thus necessary that the components content of shale gas with low desorption gas quantity should be corrected.

desorption; shale gas; components; correction

赵立鹏.低解吸气量页岩气组分校正方法探讨[J].中国地质调查,2016,3(6): 75-78.

2016-04-25；

2016-05-11。

江苏省自然科学基金“下扬子高演化页岩储层孔隙结构特征对储层微观非均质性的影响(编号： BK20150176)”项目资助。

赵立鹏(1988—)，男，硕士，助理工程师，主要从事非常规油气研究工作。Email： zhaolp1029@163.com。

TE132.2

A

2095-8706(2016)06-0075-04