页岩等温吸附曲线SLD-PR模拟方法及应用

页岩气主要由吸附气和游离气组成,吸附气体的含量直接影响页岩气藏的地质储量和页岩气井的产量。为了准确得到页岩的吸附气含量,以川南地区龙马溪组页岩为研究对象,设计了实验测量了温度在25～45 ℃,压力在0～8 MPa范围内页岩吸附甲烷的等温吸附曲线,发现页岩的吸附气量随着温度的升高而减少。通过简化局部密度函数（SLD-PR）理论计算了不同温度下页岩的等温吸附曲线并且与实验结果作对比,结果表明该方法可以用来计算页岩等温吸附曲线。利用SLD-PR方法预测了页岩气藏储层温度和压力条件下等温吸附曲线,弥补了高温高压下实验测量页岩等温吸附曲线误差大的不足。同时对比了利用SLD-PR方法和Langmuir方法计算的吸附气量,发现利用Langmuir方程计算得到的吸附气含量偏大,利用SLD-PR方法计算得到的页岩吸附气含量更加可靠。     

四川盆地焦石坝地区页岩吸附特征室内实验

页岩含气量对页岩气田储量计算至关重要,直接关系到页岩气的产量、递减规律等。页岩气以游离气和吸附气形式赋存,有重量法等温吸附、容量法等温吸附、现场含气量测试等不同方法测试吸附气、游离气。通过测试页岩气降压解吸过程中气体体积变化来测量吸附气量,首次建立了同时测试页岩吸附气、游离气的方法。该方法采用柱状页岩岩心,模拟不同温度、压力、含水、真实孔隙结构等条件,消除了等温吸附曲线的负吸附异常;分析了有机质含量、压力、温度、含水、气体组成等因素对页岩吸附量的影响。实验结果表明,页岩的甲烷吸附量随压力增加而增加,压力大于12MPa后达到吸附/解吸动态平衡,吸附量不再增加;有机质含量TOC增加时吸附量增加;温度增加时吸附量降低;页岩含水后吸附量降低;甲烷吸附量高于氮气吸附量;焦石坝龙马溪组主力层页岩在温度20℃、压力30MPa下页岩气吸附气量介于1.8~3.1m~3/t之间,总含气量介于5.1~6.5m~3/t之间,吸附气占总气量40%左右。     

页岩气超临界吸附实验数据处理新方法

吸附是页岩气的主要赋存形式之一,页岩吸附气量的测试及评价对页岩气藏储量评估和生产开发具有重要意义。本文基于体积法测试气体吸附量的基本原理,推导了页岩气超临界吸附实验数据校正方法,通过对比校正前后吸附量偏差,深入分析了页岩气超临界等温吸附曲线特征。     

页岩吸附与解吸气量实验研究

页岩气主要以游离气和吸附气形式存在于富含有机质页岩中,含气量的大小受页岩储集层压力、温度等多种因素影响。页岩吸附气量是评价页岩气资源量的关键性参数,也是评价页岩气是否具有开采价值的一项重要标准。在分析页岩气吸附与解吸机理的基础上,开展F页岩气田龙马溪组-五峰组岩心等温吸附、解吸实验研究,实验结果表明:利用等温吸附线法是获得朗氏体积(VL)和朗氏压力(pL)的有效途径;钻井现场页岩快速解吸获得的总含气量主要为吸附气量,游离气量占比较小;页岩朗氏体积(VL)与样品的有机碳含量(Cto)成正相关,达到饱和吸附后温度升高,吸附能力明显下降。     

涪陵地区五峰-龙马溪组页岩流动特征

涪陵页岩气田是我国第一个实现商业化开发的页岩气田,上奥陶统五峰-龙马溪组为该区主力产气层。通过开展核磁共振实验、高温高压等温吸附实验、分子动力学模拟、扩散实验、低速渗流实验,同时结合理论计算,初步揭示了目的含气页岩层页岩气流动特征。研究表明,涪陵地区五峰-龙马溪组页岩孔径以小于10nm为主,占比80%以上;气体分子主要以单层吸附为主。涪陵地区页岩地层压力低于10~15MPa时,页岩气开始大量解吸;扩散系数随孔隙压力、含水饱和度增大而减小,随温度增加而增大;甲烷气体在孔隙压力小于5MPa时,滑脱效应显著;在地层温度和压力条件下,页岩气在孔径大于200nm孔隙中,流态为达西流,在孔径介于2~200nm孔隙中,页岩气流态以扩散和滑脱流为主。     

应用核磁共振在线检测技术研究不同赋存状态下的页岩气动用规律

要合理制订页岩气井生产制度,进而优化页岩气田开发技术政策,弄清不同赋存状态下的页岩气产出规律是前提和基础。为了避免间接测试的不确定性,研发了适用于高温高压条件下的核磁共振在线检测系统,选取四川盆地长宁地区N203井下志留统龙马溪组龙一11层页岩岩心,以甲烷气体为实验流体,测量在页岩气开采过程中游离态和吸附态甲烷产出量的变化情况,并且结合页岩气衰竭式开发物理模拟实验,对不同赋存状态下的页岩气动用特征和产出变化规律进行了研究。研究结果表明:(1)饱和甲烷气体的页岩核磁共振T2谱图具有明显的双峰特征,吸附态甲烷主要赋存于页岩纳米孔隙表面,弛豫时间较短(0.1～1.0 ms),而游离态甲烷则赋存于较大的页岩孔隙中,弛豫时间较长(1～100 ms);(2)采用核磁共振测量的甲烷总含气量及吸附态/游离态甲烷气量与采用间接方法计算的结果较为接近;(3)基于页岩气开发物理模拟实验,在开发初期,产出气以游离态甲烷为主,吸附态甲烷的阶段贡献率低于5%,随着生产的持续,吸附态甲烷的阶段贡献率逐渐增加,尤其是当压力低于15 MPa以后,吸附态甲烷的阶段贡献率迅速上升,至生产后期,吸附态甲烷的阶段贡献率超过50%,累计贡献率达到30%;(4)把实验结果换算为矿场条件下气井的生产动态数据,生产前5年,吸附气对气井累计产气量的贡献率不足5%,至生产末期,吸附气对累计产气量的贡献率可以达到25%。结论认为,核磁共振在线监测技术可以定量表征不同赋存状态下甲烷气体的动用规律,为后续开展页岩气气水两相渗吸、CO_2/CH_4吸附置换等研究提供了新的方法。     

涪陵焦石坝地区页岩气吸附规律研究

为研究礁石坝页岩气在产层超临界条件下的吸附规律,利用页岩气等温吸附仪,以礁石坝露头页岩及产层页岩为吸附剂,以甲烷气模拟页岩气作吸附质,测试了不同温度(60℃、70℃、80℃)时,甲烷气吸附量随其压力(2~30 MPa)的变化规律。以过剩吸附量修正亚临界吸附模型(Langmuir、Freundlich、Expand-Langmuir,Langmuir-Freundlich,Toth,B-BET,T-BET,D-R,D-A)为超临界吸附模型,并利用相关系数法优选甲烷气超临界等温吸附最佳模型,阐述了页岩气吸附特征及温度、页岩类型对超临界吸附量的影响。实验结果显示,超临界条件下(温度:60℃~80℃、压力2~30 MPa),产层及露头页岩对甲烷气吸附规律均可用超临界D-A方程进行描述,在实验温度范围60℃~80℃,甲烷气在页岩上的超临界饱和吸附量随温度增高而下降,随页岩中黏土、斜长石含量升高而增大。可知,采用超临界D-A模型描述涪陵礁石坝地区页岩气吸附规律具有较好的准确性。     

四川盆地页岩气储层含气量的测井评价方法

含气量是页岩气储层评价的一项重要参数指标,其值的高低直接影响着页岩气区块是否具有工业开采价值。而页岩气含气量主要由吸附气和游离气组成,其影响因素较多,包括孔隙度、含气饱和度、地层压力、地层温度、总有机碳含量等。为此,针对四川盆地蜀南地区下志留统龙马溪组页岩气储层开展综合研究,形成了一套系统的页岩气储层含气量测井评价方法 :(1)通过页岩岩心等温吸附实验,建立了兰格缪尔方程关键参数计算模型,并对吸附气含量主要影响因素地层温度、地层压力、有机碳含量进行分析及校正,提高了吸附气含量计算精度;(2)开展页岩储层孔隙度和含水饱和度精细评价,为精确计算游离气含量奠定了基础;(3)由于吸附态甲烷占据一定孔隙空间,扣除吸附气体积影响后,总含气量计算精度较高,与岩心分析数据具有较好的一致性。通过实验与理论的结合,所形成的四川盆地页岩气储层含气量评价方法在该区块具有较好的适应性,为现场试油层位的优选和区块资源潜力评价提供有效的技术支撑。     

考虑地层温度和压力的页岩吸附气含量计算新模型

页岩气在页岩储层中的赋存方式主要以吸附和游离为主,页岩吸附气含量是页岩气资源评价和目标区优选的关键性参数,也是评价页岩是否具有开采价值的一个重要标准。通过室内不同温度下的等温吸附实验,获得页岩等温吸附特征曲线及Langmuir体积和Langmuir压力值,分析温度对页岩吸附气含量的影响程度,利用Langmuir模型计算地层压力条件下的吸附气含量。根据温度、压力、TOC值、R_O值与吸附气含量之间的关系,建立考虑地层温度、压力、有机碳含量和成熟度4个因素的页岩吸附气含量计算新模型。新模型可计算任意埋藏深度下的页岩吸附气含量,埋藏深度越大,页岩吸附气含量越小。最后应用某一页岩气藏基础资料进行实例分析,建立得到的温度、压力、TOC值、R_O值与页岩吸附气含量的复相关系数可达0.9以上。通过新模型计算未知页岩吸附气含量的页岩,计算结果准确可靠,能正确评价页岩气资源量,可以作为一种计算页岩吸附气含量的新方法。同时采用新的页岩吸附气含量计算模型,弥补了目前普遍采用没有考虑地层温度的等温吸附实验方法所获取吸附气含量的不足,具有重要的现实意义。     

页岩过剩吸附量与绝对吸附量的差异及页岩气储量计算新方法

页岩吸附气含量的准确测试对于储量评价及开发方案编制等具有重要的意义,但过去在计算地层压力条件下的吸附气含量时,未考虑过剩吸附量和绝对吸附量之间的差异。为此,基于重量法等温吸附实验,得出了以下认识:①当考虑吸附相体积的存在时,等温吸附实验并不能直接测得甲烷的实际吸附量(绝对吸附量),实验测得的应为过剩吸附量;②当压力在10 MPa左右时,过剩吸附量达到最大值,此后随着压力的增大而减小,这一现象是超临界甲烷过剩吸附量的本质特征。为了将过剩吸附量转换为绝对吸附量,提出了计算甲烷吸附相密度的改进方法。改进后的方法对吸附实验数据的拟合效果更好,吸附相密度的计算结果也更加合理。进而对绝对吸附量进行校正,发现绝对吸附量与过剩吸附量的差值随着压力的增大而增大,如果采用低压条件下的实验吸附曲线直接进行页岩吸附能力的评价,将严重低估页岩气储层的实际吸附能力,由此提出了应用过剩吸附量和游离气量计算页岩气地质储量的新方法。结论认为:过去用老方法计算得到的页岩含气量明显大于新方法,有可能高估了页岩气藏的地质储量。     

页岩中甲烷等温吸附量计算问题及方法改进

研究页岩中甲烷气体的等温吸附规律,是页岩气勘探开发研究的基础工作,近年来的相关研究已经取得了一定成果。然而在众多的吸附曲线实验结果中,异常曲线的数量却占据了相当的比例,部分岩心的等温吸附曲线在高压段下拐,甚至出现负吸附值现象。通过多组等温吸附实验结果分析,认为曲线在高压段下拐是正常现象,但也存在不合适的计算及实验方法,其主要问题包括:计算过程中没有区分绝对吸附量和过剩吸附量的差别,实验中没有考虑吸附相体积的影响,不适当的甲烷自由体积测定方法,以及设备系统误差的影响等。利用Langmuir等温吸附模型,建立了三元Langmuir方程,该模型在给定吸附相密度的情况下,选取甲烷自由体积作为未知参数;利用迭代法或Matlab软件计算自由体积、Langmuir体积和Langmuir压力。基于三元Langmuir模型所计算的甲烷自由体积,与氦气所测自由体积具有良好的可比性,采用该方法能更好地修正以前的曲线异常现象。      

川南地区龙马溪组页岩高压甲烷等温吸附特征

准确测定页岩吸附气含量对于页岩气储层的评价和开发都具有重要的意义,但目前国内外学者在页岩甲烷等温吸附实验中对模型选择、吸附模式及吸附特征参数的认识上存在着差异,并且对于高压等温甲烷吸附特性的研究较少。为此,在利用N_2/CO_2气体低压等温吸附实验对四川盆地南部地区下志留统龙马溪组页岩孔隙结构特征进行分析的基础上,采用重量法高压甲烷等温吸附实验,选取SDR、Langmuir、BET等3种不同的吸附模型对吸附态甲烷含量进行计算,并对样品甲烷吸附特征进行研究。研究结果表明:①页岩在0～50 nm孔径区间内比表面积分布具有双峰特征,孔体积分布具有三峰特征,较之于中孔,微孔比表面积发育较好,而其孔体积和非均质性均弱于中孔(D_1D_2);②3种模型中SDR和Langmuir模型的计算结果与实测值平均误差均小于6%,甲烷分子主要以单分子层与微孔充填吸附模式共存于页岩孔隙内;③在高压深埋藏情况下,温度是影响吸附态甲烷吸附量和密度值的主要因素,但热力学参数、孔隙结构、非均质性等也会对吸附态甲烷密度造成一定的影响;④低压阶段甲烷分子优先以单分子层形式吸附于吸附能较高、比表面积较大的孔径介于0.4～0.8 nm的微孔中,随后大部分甲烷分子以微孔充填与单分子层共存的形式吸附于孔径介于1.4～8.0 nm的微孔与中孔中,高压阶段极少部分甲烷以多分子层形式吸附于中孔及宏孔中。     

预加压测试页岩含气量新方法

页岩含气量是页岩气藏储量计算的重要参数,对气藏评价和开发指标计算有重要意义。现场解吸是测试页岩含气量的主要方法,但由于损失气量占含气量的40%~80%,使传统方法的测试结果饱受质疑。结合国内外新的测试方法,提出了一种预加压测试页岩含气量的新方法,可以规避损失气量的计算,大幅度提高测试精度。在井场,将岩心置于高压罐内,用增压泵将甲烷注入岩心直至压力达到预定压力,在储层温度下,待压力稳定后解吸测试页岩含气量。该方法对于是否已知储层压力的不同情况,采取不同的测试流程。如果已知储层压力,预加压使岩心压力达到储层压力,解吸结果就是页岩含气量;如果储层压力未知,则可通过建立页岩含气量计算理论公式求解。测试流程为先对1个岩心开展超过吸附饱和压力的2次加压(压力均超过20 MPa)及解吸测试,然后利用理论公式和2次加压解吸结果,得到单位质量页岩内的吸附气量和任意压力下的游离气量计算公式。在后期测试出储层压力后,根据游离气计算公式,计算出该压力下的游离气量,游离气量与吸附气量之和即为页岩的含气量。     

页岩柱塞脉冲衰减测试的渗流机理再认识

在采用柱塞脉冲衰减法测试页岩渗透率时,对影响测试和分析精度的各种因素进行综合分析,有助于提高测试结果的准确性。由于页岩中发育大量的纳米级孔隙,测试压力越低,越容易出现非达西渗流。为了确保测试过程中气体呈达西渗流,根据克鲁得森数的定义,提出了孔隙中达西渗流的压力下限;针对柱塞脉冲衰减测试中的气体渗流过程,考虑气体在有机孔隙中吸附作用的影响,建立了气体解吸—渗流耦合模型;完成偏微分方程组的求解推导后,提出了相应的渗透率计算方法 ;柱塞脉冲衰减测试后,对页岩样品进行了配套的氮气等温吸附测试和甲烷等温吸附测试。实例分析结果表明:①在柱塞样脉冲衰减测试中,气体在岩样中作一维线性渗流,在构建渗流方程时,可以采用气体压力代替气体拟压力,简化计算难度;②氮气在页岩中的吸附性远弱于甲烷,上下游压差的变化在初始孔隙压力的5%范围之内时,氮气解吸对渗流的影响可以忽略。结论认为,现有的行业标准虽然没有考虑气体吸附的影响,但所得到的页岩渗透率仍然可以满足精度要求。     

南华北盆地中牟—温县区块上古生界页岩气吸附特性

为研究南华北盆地中牟-温县地区上古生界山西组-太原组页岩气吸附特征及其主控因素,开展了等温吸附实验,并建立了温-压吸附综合预测模型。结果表明：①上古生界太原组页岩兰氏体积高,吸附能力强,但山西组页岩兰氏压力高,更有利于页岩气脱附解吸;②页岩吸附气量与埋深呈正相关关系,与含水率呈负相关关系,主要受控于深埋作用下的温压条件及相态传质作用;③温度对页岩吸附能力影响显著,温度升高可导致吸附气质量体积和兰氏体积衰减系数下降,但当埋深大于3 731 m时,温度对吸附量的控制作用明显减弱,而深埋条件下兰氏压力较大,使得降压解吸过程中高压段更利于甲烷解吸。因此,研究区北部深层（埋深> 3 500 m）页岩气仍然具有较大的开采潜力。该研究成果对深层页岩气勘探具有一定的指导意义。     

页岩中基于孔隙度和有机碳含量的甲烷吸附量计算

根据四川盆地页岩气勘探开发经验,页岩气在地下的赋存状态为吸附态和游离态,以及少量溶解态,其中游离态的含量可达20%~85%。因此,研究地层高压条件下页岩中甲烷吸附特征对页岩储层的准确评价以及储量预测具有重要意义。以四川地区页岩气储层为对象进行等温吸附实验,分析实验结果后发现,甲烷在页岩孔隙中随压力增加其吸附量逐渐增加,但吸附量的增加率呈逐渐下降的特性。通过分析常用吸附量计算模型,发现甲烷在页岩中的吸附量受孔隙度和有机碳含量的影响。通过与实验结果的拟合,引入由孔隙度与有机碳含量决定的计算因数,进而得到新的等温吸附量计算方法,平均相对误差为8%左右。该研究对简化页岩吸附量计算方法,准确预测页岩层储量具有重要意义。      

扬子地区古生界泥页岩吸附性及控制机理

扬子地区古生界地层为富气泥页岩层系,是我国页岩气勘探开发的主战场。吸附态是页岩气最主要的赋存方式之一,该区泥页岩吸附性及控制机理的研究较为重要。采集了扬子地区古生界泥页岩样品,对其进行TOC测试、Rock-Eval、XRD及含水量分析、等温吸附实验、超高压等温吸附实验。结果表明,不同地区、不同时代泥页岩吸附性能产生差异的原因是有机碳含量、矿物成分及组成等主要因素综合作用的结果。实验过程中TOC含量与泥页岩甲烷吸附量并未呈现前人提出的正相关关系,这与泥页岩样品数量有限、且处于高-过成熟阶段的影响因素较多有关。古生界干酪根甲烷吸附曲线显示出时代越老的干酪根甲烷吸附能力越强的特征。去除有机质丰度和成熟度的影响,Ⅲ型干酪根的吸附量要高于Ⅱ型干酪根。在有机质丰度及类型相同的情况下,高成熟干酪根比低成熟干酪根具有更高的甲烷吸附量。可溶有机质具有较强的溶解吸附特征,能够增强原岩对甲烷的吸附能力。黏土矿物含量与经TOC含量归一化后的甲烷吸附量的相关关系并不明显,这主要与样品中普遍含水有关,同时样品的成熟度、孔隙度、渗透率等对其最大甲烷吸附量可能也会有影响。高压范围内的甲烷吸附特征与低压相比具有一定的延续性,影响因素较多,需要更深入的研究工作来揭示各单一因素对页岩高压吸附特性的影响。      

页岩气与煤层气吸附特征对比实验研究

煤层气的吸附特征决定了煤层气的开采特征,对比分析煤层气和页岩气的吸附特征对页岩气的开采具有重要的指导作用。通过页岩和煤层的等温吸附实验分别分析了不同温度下煤层和页岩的吸附特征,页岩有机质含量和有机质成熟度对页岩吸附的影响,以及不同煤阶等温吸附特征。研究表明随着温度的升高,页岩和煤层对甲烷的吸附量呈下降趋势,但是温度对页岩的吸附影响比煤层对甲烷吸附的影响更加明显;随着R_O值的逐渐增大,煤层的P_L值逐渐减小,V_L值逐渐增加,页岩的P_L值和V_L值都逐渐减小;随着煤有机质含量的增加,煤层的P_L值逐渐增加,V_L值逐渐减小。随着页岩有机质含量的增高,页岩的P_L值和V_L值都逐渐增大;煤层对甲烷的最大吸附量比页岩多,采用降压解吸的方式对煤层吸附特征影响较大,但是对页岩气的吸附特征影响较小。     

基于重量法的页岩气高压等温吸附研究

基于重量法等温吸附仪,开展了页岩气的高压等温吸附测试。实验结果表明,低压下页岩气吸附特征符合Langmuir模型,在实验压力超过10~12 MPa后,页岩吸附表现出了明显的过剩吸附。高压下,样品桶体积以指数形式逐渐降低,这与高压下样品桶的压缩性有关。页岩样品的体积则呈指数形式增加,并在较小的压力范围内趋于平衡,这与页岩对氦气的微量吸附有关。基于最大过剩吸附后页岩过剩吸附量与气相甲烷密度拟合得到的吸附相甲烷密度在不同最大测试压力下呈现动态变化,以最大过剩吸附量后连续2个压力点测得的过剩吸附量与气相甲烷密度拟合获得的吸附相甲烷密度,最接近页岩表面吸附平衡时吸附相甲烷密度。综合考虑样品桶体积、样品体积及最大过剩吸附前后吸附相甲烷体积的动态变化,能够对页岩气绝对吸附量进行准确校正,实现页岩高压等温吸附特征的精细描述,且页岩高压绝对吸附特征符合Langmuir吸附模型。