非常規天然氣含量解析法實驗教學實踐

韓雙彪， 張金川

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083；2.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083）

0 引 言

已投入工業性開發生產的非常規天然氣包括煤層氣、頁巖氣及致密砂巖氣，近年來的發展速度異常迅猛，已經成為我國現代油氣工業和清潔能源發展的重要領域和方向，其勘探開發評價將是我國相當長一段時間內的重要工作內容。但是非常規天然氣地質理論抽象且地質過程不可親身經歷，給學生的學習和理解帶來了較大的挑戰。因此實驗教學在專業教學中發揮著越來越重要的作用和價值［1-6］。非常規儲層中每噸巖石所含天然氣在標準狀態下的總體積稱為含氣量，是反映非常規儲層含氣能力的重要標準，結合非常規天然氣含量實驗教學，有助于學生建立相應的地質概念和邏輯認識，是加強課堂教學效果不可或缺的有效手段和方法。

作為能源類高校，我校資源勘查工程專業通過了全國工程教育認證，在新時代新工科建設背景要求下，資源勘查工程專業新開設了非常規天然氣勘查本科生學習方向，重點圍繞頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣開展教學工作，設立了非常規天然氣勘查與開發、非常規天然氣地質學和非常規儲層物理等主干特色課程，并建立了非常規天然氣本科教學實驗室，結合專業方向，設置了匹配對應的實驗教學實踐。

與此同時，為了培養學生的學習興趣，充分調動學生的主觀能動性，提升實驗教學效果，非常規天然氣方向課程有針對性地設計了虛擬仿真實驗。通過非常規天然氣含量解析法虛擬仿真實驗教學，重點解決非常規天然氣含量真實實驗不可逆操作和綜合訓練問題，采用現代信息技術，通過虛擬交互式的教學應用，提供生動活潑的直觀形象，展現學生不能直接觀察到的事物，讓學生更直觀、更形象地理解和學習到知識點［7-11］。

1 實驗原理及測試系統

非常規天然氣含量是勘探開發工程實踐與評價研究中的核心參數，也是有利（甜點）區預測、資源評價、儲量計算、開發方案、工程實施、經濟評價等決策分析過程中貫穿始終的關鍵依據。理論上，非常規儲層的含氣量是吸附態、游離態及少量溶解態天然氣的總和，但實際上，這一概念和方法只能用于理論估算和分析。在實際測試過程中，非常規儲層總含氣量可被分解為解吸氣、殘余氣及損失氣三者之和［12-14］。盡管含氣量參數的獲得有地質類比、理論計算、測井解釋、等溫吸附等方法，但均為間接手段，不同程度地存在精度不足、數據難以獲取等問題。因此作為一種直接的測試方法，解析法已經逐漸成為非常規儲層含氣性評價的最佳選擇。

為了獲取更為準確的含氣量分析參數，在實驗教學中使用基于毛細管力原理的非常規天然氣含量解析法儀器設備［14］。當解析罐中的巖樣無氣體解析時，毛細管力與大氣壓力相互作用平衡，集氣量筒中的水無法通孔溢出，且排水孔內外壓力相當；當有解析氣體進入集氣量筒時，集氣量筒中壓力增加且大于毛細管力時，筒體內的水就會被排出，且排出水的體積與收集氣體體積一致。通過調節限流孔大小調節排水速度，可實現解析過程的準確、高精度計量，該實驗教學儀器主要由5 個功能構件組成（見圖1）。

圖1 非常規天然氣含量解析法實驗教學系統

（1）恒溫實驗箱。恒溫實驗箱內固定有加熱元件、溫度傳感器、溫控儀、數據轉換模塊、控制按鈕等，實驗箱內設有3 個可單獨控溫的恒溫腔，以滿足解析實驗需求。

（2）密封解析罐。包括罐體、頂蓋、底蓋和轉接頭等，頂蓋與罐體使用壓緊螺釘實現快速密封，底蓋與罐體使用絲扣密封，配備Φ80 和Φ125 兩種規格解析罐可對直徑120 mm以下所有巖樣進行解析實驗。頂蓋裝有單向閥母端，可實現與壓力平衡調節器快速對接。

（3）壓力平衡調節器。主要包括固定螺栓、防護罩、調節輪盤、泄水孔、單向快速接頭等。設定為5 級調節，可根據實驗條件進行靈敏度調節。

（4）可燃式集氣量筒。主體為標帶有刻度的透明筒體，其開口部位可通過金屬法蘭與壓力平衡調節器密封快速相連，在滿足解析過程可視化的同時也滿足集氣后的點火實驗要求。

（5）支撐架。用于固定和提取解析罐，同時可通過絲扣調節高度，用來支撐壓力平衡調節器和量筒，準確讀取數據。

2 解析法實驗內容

2.1 實驗步驟

（1）開機準備。正式開始實驗前，做好實驗前待機準備工作。使用控制電纜連接恒溫實驗箱與控制箱，將控制箱電源線與220 V 插座連接，插座能滿足10 A的工作電流。集氣量筒注滿飽和食鹽水后與壓力平衡調節器對接完好，確認“OFF”刻度線與中心線對齊，確認密封完好備用。

（2）裝入樣品。將巖樣放入樣品解析罐，再用石英砂將腔體內部填滿，將密封蓋與罐體對接，旋緊壓緊螺釘確保密封完好（密封蓋與罐體斷面密封處可能會有少量石英砂，需擦拭干凈確保不影響密封）。將密封樣品罐放入恒溫腔，放上支撐架，將準備好的集氣筒與解析罐對接，調節支撐架至合適高度，將引水導管與壓力平衡調節器出水孔連接。

（3）預設及數據采集。將總開關旋至“1”開啟狀態儀器通電，按下加熱按鈕，溫控儀表正常亮起。預設溫控儀上的SV 值，設備將顯示SV 設定溫度值和PV當前溫度值。通過溫控儀表面板上的增減鍵設定SV溫度設定值，然后按“ENT”鍵使設定值生效。當設定值高于當前溫度值PV 時，則溫控表控制加熱器加熱（OUT狀態顯示為綠色），使溫度達到設定值SV。根據出氣量調節壓力平衡調節器輪盤至合適孔徑，確保孔徑刻度線與中心線對齊。實驗過程中按要求做好實驗數據的記錄工作。

（4）結束實驗。實驗結束后切斷電源，先將帶水部件移除，避免水進入恒溫腔，儀器開蓋放置自然冷卻，解析罐放于不易碰觸的地方待自然冷卻。

2.2 參數計算

將地表-地層溫度和加高溫階段收集的實測氣量分別代入

式中：Vs為標準狀態的氣體積，L；pm為現場大氣壓力，kPa；Vm為實測氣體積，L；Tm為地表大氣溫度，°C。校正成標準狀態下的體積，然后除以樣品質量即為巖樣的解吸氣含量（Vd）和殘余氣含量（Vr）（見圖2）。

圖2 解析法實驗曲線

損失氣量的恢復通常使用回歸法，巖樣中的天然氣通過孔隙和裂縫釋放，根據擴散理論方程，在解析過程的初期，解析氣量與時間的平方根呈線性關系［15-16］，即：

式中：a、b為常數，t0為暴露散失時間，t1為解析累計時間，以Vl為縱坐標，為橫坐標，將早期呈線性關系的各點回歸擬合，即可求出損失氣量。

由于發育不同類型的孔隙和裂縫，巖樣非均質性和天然氣擴散特征影響著差異解析過程。在不同解析時間段，非常規天然氣的解析速率不同，解析速率與時間關系曲線顯示解析過程與實際氣井生產具有一定的相似性，只是在規模尺度上有所差異，解析速率隨時間有減小的趨勢（見圖3）。通過解析參數處理和解釋，進一步啟發學生分析規律成因，培養學生的探索性和主動性思維，促進理論教學與實驗教學的深入融合。

圖3 實驗解析速率變化

3 虛擬仿真實驗設計

虛擬仿真實驗在專業教學中的應用價值日漸凸顯，解決了大型儀器難以走進課堂教學現場、難以多機同步實驗等困難，在很大程度上解決了實驗教學資源緊張問題，極大地拓寬了實驗物理空間和時間范圍［7-8］。同時，虛擬仿真將實驗過程變得可望又可及，可為學生提供形象化、直觀化、多樣化的實驗教學效果。以C#為開發工具，設計了非常規天然氣含量解析法虛擬儀器仿真軟件，在虛擬儀器模擬系統中，虛擬實驗與真實實驗一樣，能供學生自己動手配置、連接、調節并使用儀器設備進行實驗（見圖4）。

圖4 解析法虛擬仿真實驗教學軟件

通過該平臺，教師既可搭建典型實驗或調取實驗案例，方便布置實驗任務，還可在實驗結束后查看實驗結果，給出實驗成績和評價。虛擬仿真實驗為自由搭建任意合理的實驗模型提供了可能，能滿足教師對各層次實驗教學的需求，學生既可通過該平臺動手操作，又可自主設計實驗，有利于培養學生的創新意識和能力，同時可提高實驗教學水平和學生培養質量。

4 結 語

為了能夠引導學生深入分析非常規天然氣含量并主動探索參數變化規律，讓學生使用解析法對非常規儲層含氣量進行測試，既能調動學生主觀能動性，使得課堂教學內容不再抽象難懂，還可直接為學生呈現實際解析曲線及速率變化趨勢，有助于學生清晰地掌握非常規天然氣含量的解析方法，進而提升教學水平和學生專業素質。

非常規天然氣含量虛擬仿真實驗可解決實驗儀器數量和教學空間有限等一系列實際問題，能夠極大地拓展教學功能，強化實驗教學效果，在學生能力培養方面也可取得顯著成效。通過模塊組合、場景設定和要求配置，能夠滿足不同方面虛擬仿真實驗的需求。在實踐教學過程中，學生們踴躍參與，形成了濃厚的主動學習意識，產生了積極反響。