頁巖含氣量自動測定技術

何家歡 李農 王蘭生 張鑒 杜堅 靳濤

1.中國石油西南油氣田分公司；2.四川省頁巖氣評價與開采重點實驗室； 3.西南石油大學

頁巖含氣量是計算頁巖原地儲量的一個關鍵參數。由于頁巖氣有游離氣、吸附氣兩種賦存形式，而賦存形式受壓力、溫度的影響，因此，頁巖儲層不能像常規儲層那樣直接用容積法來確定儲量多少，而是要通過實驗測定頁巖含氣量。頁巖含氣量測定方法有直接法和間接法。間接法主要是根據實驗室樣品的等溫吸附曲線，在已知儲層壓力和溫度的情況下分析頁巖的含氣量；直接法［1］則是將出筒后的巖心盡快裝罐，先后將其加熱至地層流體溫度、井底溫度，使用計量裝置獲得解吸氣量，通過解吸氣量與時間的關系曲線回歸出巖心從井底到井口的損失氣量，然后粉碎樣品得到井底溫度下的殘余氣量，最后將損失氣量、解吸氣量、殘余氣量三者相加，得到儲層頁巖含氣量。解吸氣量可通過現場實測數據得到，通常“現場頁巖含氣量”是指解吸氣量。

雖然國內外學者［2-3］均認為損失氣量的計算受理論假設條件與實際情況不符的影響，但鑒于直接法具有實驗過程快速簡便、能夠現場拿到實驗數據、能第一時間為勘探開發決策提供數據支撐等特點，在頁巖氣勘探開發過程中仍扮演著重要角色。國內外針對直接法的研究［4-16］主要集中于損失氣量計算、頁巖含氣量的控制因素等方面，但是如何通過改進硬件設備來準確測定解吸過程中的含氣量方面同樣至關重要。

目前，國內頁巖含氣量現場測定方法［17-19］主要有手動排水集氣法、氣體流量計法、PVT定容法、燃燒法等4種方法，其中現場使用最為廣泛的方法為手動排水集氣法和氣體流量計法。氣體流量計法的優點在于設備體積小、自動化程度高，缺點則是由于體積計量受組分影響大，容易產生誤差。手動排水采氣法只需水瓶、計量管與U型管相連，水瓶頂端接大氣，打開進氣閥待液面下降，待穩定后手動移動水瓶待其內液面與計量管液面齊平，記錄下此液面對應的計量管上的刻度。該方法測定原理簡單，設備成本較低，但是該測定方法連續操作時間較長，勞動強度過大，誤差大。此外，隨著頁巖氣藏勘探開發的深入［20-24］，為準確評價頁巖儲層的含氣量，取樣密度已由國內頁巖氣探索期的1 樣/5 m增至1 樣/2 m，此舉增加了手動排水集氣法的測試難度。頁巖含氣量現場測定方法的特殊性就在于只能在巖心出筒后迅速完成，且不能重復操作，如果不能在取心后完成對所有巖樣的測定，那么經過較高成本的取心作業取得的巖心將再也無法用于有效地評價其含氣性，會造成極大的浪費。為此，研制了頁巖現場含氣量自動測定裝置。

1 頁巖含氣量自動測定裝置

Automatic shale gas content measurement device

該設備的基本原理基于排水采氣法，但是運用光電原理實現了自動計量。

1.1 結構

Structure

測定裝置主要由集氣量筒、平衡量筒、儲液罐、漂浮片、升降裝置、光電液位傳感器、導氣管、數據采集及控制系統、上位機等組成，結構如圖1所示。

圖1 頁巖含氣量現場自動測定儀示意圖Fig. 1 Sketch of on-site automatic shale gas content measurement device

1.2 工作原理

Working principle

該裝置依據U型管內的液體（通常是水）在同等大氣壓條件下液位等高的等壓液位平衡原理，采用光電非接觸式閉環測控方法，實現對頁巖儲層含氣量的恒壓等容自動連續測定。使用兩個光電液位傳感器分別測定集氣量筒和平衡量筒中的液位高度，通過計算機數據采集及程序對電機等機構進行控制和調節，由蝸輪蝸桿機構等調節集氣量筒和平衡量筒與儲液罐的相對位置，從而實現對兩個量筒液位的再次平衡及含氣量的計算，往復此定容測定過程直至完成儲層樣品的含氣量測定。

1.3 技術特點

Technical characteristics

（1）測定結果不受集氣筒內壁因表面張力引起的人為讀數和操作誤差等的影響，測定精度遠高于手動排水集氣法、氣體流量計法，同時節約了大量人力資源成本。

（2）該設備將光電傳感技術、計量筒內液體閉環測控和計算機軟件技術綜合用于頁巖儲層含氣量現場測定，還可用于包括煤的含氣量或者其他工業領域的氣體容量的連續定容計量測定。

2 現場應用

Field application

2.1 測定步驟

Measurement procedure

（1）測定前，上位機通過數據采集及控制系統驅動儲液罐上升，使集氣量筒和平衡量筒內的液體上升，光電位移傳感器將液面參數傳輸至上位機。當集氣量筒和平衡量筒內的液面達到設定的液體上限值后，控制升降裝置的驅動裝置將停止工作。

（2）將現場出筒的頁巖儲層樣品放置于解吸罐內，并將解吸罐放于恒溫水浴鍋中。

（3）頁巖儲層樣品在模擬井口溫度或儲層流體溫度時不斷解吸出天然氣，天然氣通過導氣管進入集氣量筒內，使集氣筒內液面下降，同時也使平衡量筒和儲液罐內的液面隨之上升，集氣量筒和平衡量筒內的漂浮片均隨液位變化而移動，光電液位傳感器實時將液面參數傳輸至上位機。上位機根據液位差，控制升降裝置使儲液罐液位下降，使平衡量筒的液位逐漸降低，直至集氣量筒內的氣壓與外界大氣壓相等。集氣量筒此時的液位相對于初始液位對應的量筒容積差即為儲層樣品的出氣量，上位機根據測定和記錄的集氣筒內的液位變化位，完成一次含氣量計量。

（4）完成一次計量后，通過控制升降裝置驅動儲液罐液位上升，使集氣量筒和平衡量筒內的液位上升，當集氣量筒和平衡量筒內的液位達到設定的液位上限值后，驅動裝置停止工作。

（5）重復步驟（3）、（4），即可開始下一次計量。

（6）上位機自動累積計算出頁巖儲層樣品的現場解吸氣量。

2.2 實例分析

Case analysis

為證實頁巖現場含氣量自動測定技術的可靠性，在NX202井相鄰井深處選取兩塊全直徑樣品，記為1號和4號，巖心出筒后分別迅速裝入巖心罐并置于恒溫水浴鍋中，先按照井口流體溫度加熱到60 ℃，4 h后按照儲層溫度加熱到90.9 ℃，直到巖心罐無氣體溢出。

1號樣品質量為5.8 kg，4號樣品質量為6.0 kg，其中1號樣品采用頁巖含氣量現場自動測定儀測定，4號樣品采用手動排水采氣法人工記錄數據。NX202井1號樣品和4號樣品的頁巖累積測定氣量曲線圖如圖2所示，經過測定，通過頁巖含氣量現場自動測定儀測定的1號樣品解吸氣量為1 526 mL，解吸氣含量為0.26 m3/t；通過手動排水采氣法人工記錄的4號樣品解吸氣量為1 374 mL，解吸氣含量為0.23 m3/t。對比發現，相鄰井深的樣品分別采用自動、人工計量方式的測量結果僅相差0.03 m3/t，證實頁巖含氣量現場自動測定技術能夠代替手動排水采氣法，能滿足頁巖含氣量現場測定的需要。

圖2 NX202井頁巖累積測定氣量曲線圖（1號、4號樣品）Fig. 2 Cumulative gas measurement curve of Well NX202 (No.1 and No.4 samples)

頁巖含氣量現場自動測定技術在國家級頁巖氣示范區（長寧、威遠）應用十分廣泛。以長寧、威遠地區的10口井數據為例，頁巖含氣量與每米產層貢獻的產量呈正比關系，如圖3所示。實踐證明，含氣量大于或等于2.0 m3/t則是頁巖氣藏經濟可采的必要條件。根據國家級頁巖氣示范區（長寧、威遠）的實踐經驗，由于頁巖氣井的產量受多種因素控制，并非所有含氣量大于或等于2.0 m3/t的頁巖儲層都經濟可采，但是對于含氣量小于2.0 m3/t的儲層尚未發現具有經濟可采價值的實例。如長寧、威遠地區G井的含氣量測定為1.60 m3/t，測試產量僅為0.12×104m3/d，難以達到工業氣流，而同一區塊的A井含氣量為5.05 m3/t，測試產量為1.72×104m3/d，在該井層段鉆取水平井，獲得巨大成功。因此，頁巖含氣量第一時間為勘探開發決策提供了數據支撐，該數據成為預測儲層“甜點”的重要指標，而頁巖含氣量現場自動測定技術則保證了該實驗數據的準確、可靠。

圖3 長寧、威遠地區10口井頁巖含氣量與每米產層貢獻產量的關系Fig. 3 Relationship between shale gas content and production contribution a meter of pay zone of 10 wells in Channing and Weiyuan areas

3 結論及建議

Conclusions and proposals

（1）頁巖含氣量自動測定裝置利用U型管的原理對頁巖含氣量進行自動計量，有效減輕了現場工作人員的勞動強度，實現了頁巖現場含氣量自動、精準測定，已成功應用于20余口井的頁巖含氣量現場測定。

（2）頁巖儲層含氣性實驗數據有效指導了頁巖氣現場射孔作業、有利層段的劃分，為國家級頁巖氣示范區（長寧、威遠）的建設提供了強有力的數據支撐。

（3）因受現場實驗條件所限，應提高頁巖含氣量自動測定儀的便攜性和穩定性，以適用于更復雜的工作環境中。

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