基于保壓取心的頁巖含氣量測試新方法

2022-05-27 09:46:24周尚文張介輝朱千千焦鵬飛

煤炭學報 2022年4期

周尚文，張介輝，鄒辰，田沖，羅軍，朱千千,焦鵬飛

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油非常規油氣重點實驗室，河北廊坊 065007； 3.中國石油浙江油田分公司，浙江杭州 311100；4.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川成都 610051；5.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦 124010)

頁巖氣具有自生自儲、大面積連續聚集等特征，主要以游離態和吸附態賦存于裂縫和孔隙中。隨著我國油氣對外依存度不斷升高，常規油氣資源勘探開發的難度不斷加大，需加大非常規油氣資源的開發力度。作為一種典型的非常規天然氣資源，中淺層海相頁巖氣在我國已實現規模效益開發。頁巖氣已成為我國天然氣產量增長的重要領域，目前全國累計探明地質儲量超過20 000×10m，2020年我國頁巖氣產量達到200×10m。

含氣量是頁巖氣儲層地質評價的關鍵參數之一，對于確定頁巖含氣能力、計算地質儲量及編制開發方案均具有重要意義。頁巖含氣量的測試方法主要可以分為：直接法和間接法。直接法是指通過現場取心及自然(加熱)解吸的方法，直接測試頁巖中的氣體含量。將現場測試得到的解吸氣量、殘余氣量和回歸計算得到的損失氣量相加得到其總含氣量。間接法是指通過等溫吸附實驗確定頁巖的吸附氣含量，并通過實驗或測井的方法確定其游離氣含量，將游離氣量與吸附氣量相加得到其總含氣量。與間接法相比，頁巖氣含氣量現場測試法更為快速、便捷，已成為目前頁巖氣評價井現場工作的重要一環，但也存在很多問題亟需解決。

對于直接法測試中的解吸氣量和殘余氣量，均可通過提高設備精度對其準確測試，但其中的損失氣量僅能通過回歸計算得到。損失氣量是指在鉆取巖心到巖心封罐之間，從巖心中散失的氣體量。由于該部分氣量無法測定，只能通過數學方法來進行估計。目前常用的頁巖損失氣量計算方法包括：USBM直線法、多項式法、Smith-Williams方法及Amoco曲線擬合方法等。為了確定這些方法的適用性與準確性，前人已進行了大量對比研究，均認為不同計算方法得到的損失氣量差異較大。大量頁巖氣井測試結果顯示，損失氣量占到總含氣量的50%～80%，損失氣的準確計算成為總含氣量確定的關鍵。但不同研究機構和油田單位采用的損失氣計算方法不盡相同，測試結果之間亦較難對比，導致目前現場含氣量測試結果在行業內存在較大爭議。

為了有效解決該問題，浙江油田公司率先采用了保壓取心技術開展頁巖氣評價井的取心作業。保壓取心技術可以使取出的巖心保持在原始地層壓力狀態，能最大限度地減少巖心中油氣等組分的散失，進而準確求取地層條件下儲層含氣量和流體飽和度等重要地層參數。在保壓取心的基礎上，開展現場含氣量測試即可直接得到頁巖總含氣量，無需再計算損失氣量，可有效解決上述問題。為了實現頁巖氣保壓取心和含氣量測試的有機結合，筆者采用自主研發的保壓取心現場含氣量測試儀，通過不斷優化測試方法和技術，取得了較好的應用效果。此外，筆者還對比分析了常規取心井和保壓取心井含氣量測試結果，建立了頁巖氣保壓取心井現場含氣量測試作業流程和方法，以期為我國頁巖含氣量測試方法和標準做出一定指導。

1 實驗材料與方法

1.1 地質背景

選取四川盆地南部昭通頁巖氣示范區一口中淺層評價井進行了保壓取心技術現場試驗，Y151井位于四川臺坳川南低陡褶帶南緣，南與滇黔北坳陷相鄰(圖1)。該井設計取心層位為志留系龍馬溪組—奧陶系五峰組，在龍馬溪組上部開展常規取心，在龍馬溪組下部和五峰組開展保壓取心。Y151井保壓取心段深度為1 727.07～1 764.96 m，井底壓力為28.26～29.14 MPa，平均收獲率97.02%，保壓成功率81.38%～90.06%。在常規取心段和保壓取心段，共選取了30個樣品開展現場含氣量測試(圖1)。

圖1 實驗樣品選取地理位置及層段Fig.1 Location and layer of experimental shale samples

所選樣品TOC質量分數介于0.50%～6.22%，平均為2.03%，保壓取心段樣品TOC質量分數較高，平均達2.97%(表1)。樣品礦物組成以石英和黏土礦物為主，石英質量分數為16.3%～54.8%，平均為34.76%；黏土礦物質量分數為19.5%～44.0%，平均為31.0%。龍馬溪組底部，石英質量分數增大，黏土礦物質量分數降低；進入五峰組后，石英質量分數降低，黏土礦物質量分數增大。

表1 樣品的基本巖石物理性質

1.2 保壓取心工具

保壓取心工具由長城鉆探工程院根據頁巖氣井特點專門研制，該工具主要由液壓差動總成、上部密封機構、測量總成、保壓內筒總成、外筒、取心鉆頭和球閥密封裝置等部分組成，其結構如圖2所示。其取心和保壓的基本原理為：取心鉆進時，球閥處于打開狀態，巖心通過球閥進入保壓內筒。巖心鉆取完成后，差動總成可在液壓作用下進行差動，并帶動內筒相對外筒做反向抬升運動，在此過程中，上部密封機構和球閥密封裝置同時被關閉，完成內筒的保壓密封。附帶測量總成可以對內筒中的溫度和壓力進行連續測量和存儲，記錄巖心在起鉆過程中的溫壓變化。

圖2 頁巖氣井保壓取心工具組成[30-31]Fig.2 Structure of pressure-holding coring tools for shale gas wells[30-31]

頁巖氣井保壓取心過程中，單次可取巖心長度最長為6.0 m，額定保壓能力可達60 MPa，取心鉆頭尺寸為215.9 mm，巖心直徑可達80 mm，采用液力加壓和自鎖相結合方式進行割心。取心完成后，打開保壓外筒，將保壓內筒與測試設備直接相連，無需將樣品取出。該技術目前僅在含氣性較好的層段(龍馬溪組底部—五峰組)開展相關試驗，待技術成熟和成本降低后可推廣至全井段取心工作。

1.3 含氣量測試設備及流程

對于頁巖氣常規取心井，目前主要根據SY/T 6940—2013《頁巖含氣量測定方法》進行現場含氣量測試。主要是將樣品取出裝入解吸罐后，采用排水法或流量計來計量解吸氣量，但其所使用含氣量設備無法與保壓取心筒適配，并且不能承受高壓。因此，需針對保壓取心工具進行相適應的設備和技術研發。保壓取心與常規取心的不同之處主要有2點：① 取心筒內含有高壓氣體，氣體需減壓后進入計量裝置；② 取心筒內存有大量泥漿，氣體釋放時，泥漿會同時噴出。因此，針對這2項特點進行了設備研制，設備構成及測試流程，如圖3所示。采用該設備進行頁巖含氣量現場測試的主要過程：

(1)打開注水口和排水口使分離裝置內部和外部氣壓相同，通過注水口向分離裝置內部注水直至注滿，關閉注水口和排水口。將保壓取心筒通過連接管與分離裝置相連。

(2)打開排水口，再緩慢擰開放氣閥門和連接閥門，大量氣體與泥漿通過導流管流入導氣筒內，泥漿與水混合達到氣體與泥漿分離的目的。

(3)保壓筒中釋放的氣體將泥漿水從排水口壓出，當導氣筒內的泥漿水下降至1/3左右時，關閉排水口，同時打開單向止回閥，導氣筒內收集的氣體通過連接管流出。

(4)氣體流經干燥裝置進行干燥，通過減壓裝置控制氣體流速，最終通過計量裝置進行流量測試。盡量延長測試時間，直到流量連續3 min不大于5 mL/s時，停止測試，關閉取心筒放氣閥門。

(5)打開注水口注水，直至導氣筒內的氣體完全排出被計量裝置計量，此時計量裝置所計量的總氣體體積為。

(6)保壓筒內壓力完全釋放后，打開保壓筒，敲取一段短巖心，按照常規取心測試方式進行進一步的加熱解吸，加熱溫度為地層溫度，計量的總氣體體積為。

圖3 頁巖氣保壓取心現場含氣量測試設備Fig.3 Field gas content testing equipment for pressure-holding coring of gas shale

因此，頁巖巖心的總含氣量可采用式(1)進行計算：

(1)

(2)

式中，為頁巖總含氣量，m/t；為保壓筒直接解吸測試總氣體體積，mL；為巖心加熱解吸測試總氣體體積，mL；為保壓筒內巖心的總質量，g，無法直接稱量，筆者假設巖心密度相等，采用式(2)進行其質量計算；為所取短巖心的質量，g；為保壓筒內巖心的直徑，cm；為所取短巖心的直徑，cm，=；為保壓筒內巖心的總長度，cm；為所取短巖心的長度，cm。

2 實驗結果及討論

2.1 常規取心段測試結果

對常規取心段樣品需快速裝罐后進行加熱解吸，其解吸曲線如圖4(a)所示。由圖4(a)可以看出，在前2 h，氣體解吸速率較快，氣量快速增加，然后解吸速率開始降低，直至解吸氣量基本保持不變，符合氣體擴散的基本特征。在測試24 h后，所有樣品解吸量均變化較小，達到最大值。這主要是因為，樣品解吸時的溫度為地層溫度，溫度升高后，氣體解吸速度加快，可實現在氣井現場對頁巖樣品的快速測試。

圖4 常規取心段代表樣品加熱解吸曲線和損失氣量計算Fig.4 Desorption curves of representative sample in conventionalcoring section and calculation of lost gas content

基于解吸氣曲線，可進行損失氣量回歸計算，其計算過程如圖4(b)所示(圖中為加熱解吸時間，為取心的損失時間)。由于直線法與二項式擬合法的計算步驟較為簡單，是目前工程實際中常用的2種方法。從圖4(b)可以看出，直線法對開始段的解吸曲線擬合效果很好，當氣體解吸量大于最大解吸量一半時，解吸量與時間的1/2次方將偏離直線關系，而二項式擬合法可以對全周期的解吸數據進行完全的擬合。從擬合的曲線形態來看，二項式法擬合得到的損失氣量均大于直線法計算的損失氣量。由于直線法主要適用于煤層氣井等損失時間較短的取心作業，筆者主要采用二項式法的計算結果進行后續的對比分析。

常規取心段含氣量測試結果如圖5所示，解吸氣量分布在0.18～0.52 m/t，平均為0.33 m/t；損失氣量分布在0.45～1.35 m/t，平均為0.84 m/t；殘余氣量較小，平均為0.10 m/t。隨深度增加，總含氣量有增大趨勢，這主要與層位有關。從3部分所占比例來看，損失氣所占比例最高，平均為65.9%。與姚光華、趙群等論文數據相比，該比例相對較低，這主要是因為該井深度較淺，取心過程中損失時間較短，氣體散失量相對較少。另一方面，損失氣所占比例也表明采用該方法測試總含氣量的不確定性高，因為該部分的氣量并不是直接測試得到的，而是通過擬合計算得到的。而目前采用的二項式法在計算模型、損失時間確定等方面均存在一定問題，需要深入研究，這也是試驗保壓取心技術的重要目的之一。

圖5 常規取心段樣品含氣量測試結果及所占比例Fig.5 Gas content test results and percentage ofconventional coring section samples

2.2 保壓取心段測試結果

與常規取心測試流程不同，基于保壓取心的含氣量測試方法和流程，在此之前無章可循。基于現場實踐與探索，逐漸形成了一套安全、可靠、快速的測試方法。由于頁巖中游離氣和吸附氣共存，游離氣的大量賦存是地層高壓的重要原因。保壓內筒直接降壓解吸測試過程時間較短，在1 h左右，保壓筒內壓力會完全釋放，可假設認為巖心內的吸附氣與游離氣2種氣體賦存狀態之間還未轉化。在現場測試中，可認為保壓筒內直接降壓釋放出的氣體為游離氣，而取小樣后加熱解吸釋放出的氣體為吸附氣，如圖6所示。因此，采用該方法可以初步直接確定頁巖中的吸附氣量和游離氣量。在目前常用的測試方法中，主要是采用等溫吸附實驗確定頁巖地層條件下吸附氣量，采用孔隙度、含水飽和度等參數確定頁巖地層條件下的游離氣量。但在室內實驗中，各項實驗條件是較難恢復到地層狀態的，地層條件下各項參數的獲取還存在一定問題。與之相比，基于保壓取心的現場含氣量測試方法，是一種直接、快速、有效的可同時確定吸附氣和游離氣量的新方法。

圖6 保壓取心段樣品游離氣和吸附氣測試方法示意Fig.6 Schematic diagram of test methods for free gas and adsorbed gas of samples by pressure-holding coring technology

采用上述方法，保壓取心段測試結果如圖7所示。直接放壓測試的游離氣量達1.26 ～3.27 m/t，平均為2.43 m/t；吸附氣量達0.46 ～2.81 m/t，平均為1.34 m/t。可以看出，隨著深度增加，龍馬溪組頁巖總含氣量有一定的增加趨勢，底部15 m總含氣量為3.73～5.36 m/t，在五峰組又有所降低。此外，在整個測試段，游離氣量均大于吸附氣量，游離氣所占比例平均為64.48%，特別是對于龍馬溪組底部的一小層，其中游離氣量所占比例可達75%左右。通過區塊申報地質儲量關鍵參數可大致估算其含氣量，該地區龍馬溪組底部優質頁巖孔隙度()為4.8%，含氣飽和度()為59.8%，巖石密度()為2.59 g/cm，體積系數()為0.004 35，吸附氣含量()平均為2.10 m/t。因此，計算其游離氣含量為

(3)

計算其總含氣量為

=+=465 m/t

(4)

圖7 保壓取心段樣品吸附氣和游離氣含量測試結果及所占比例Fig.7 Test results and percentages of adsorbed gasand free gas in pressure-holding coring section

上述通過間接法計算的頁巖總含氣量可大致反映該井龍馬溪組底部層段的含氣量，可以看出，與保壓取心的測試結果是相近的，也證明了保壓取心的測試結果是合理的。

對于我國四川盆地龍馬溪組海相頁巖氣藏，明確其氣體賦存特征和含氣量是一直以來研究的難點與熱點。俞凌杰等通過結合多種實驗，研究認為埋藏條件下該套儲層游離氣比例平均為65.7%；李新景等認為產量、可采儲量豐富的頁巖儲集層，吸附氣含量可能至少占天然氣總產量的 40%左右；李玉喜等認為隨著埋深的增加，游離氣含量逐步增加，在埋深達到2 800 m左右時，游離氣達到吸附氣的2倍以上。總之，從現今的開發效果來看，該套頁巖氣儲層是以游離氣為主的超壓氣層，控壓生產過程中，初期產量高但遞減較快，這主要是游離氣產出階段；之后氣井會達到一定程度的穩產，表明吸附氣開始解吸補充了地層能量。筆者提出的方法和測試結果與儲層地質條件和生產效果相吻合，也進一步證明了該方法的可靠性和準確性。

2.3 與常規取心井測試結果對比

為了進一步論證保壓取心段含氣量測試結果的準確性和可靠性，選取鄰井Y138井的含氣量測試結果進行對比分析。Y138井與Y151井地理位置相近、構造位置相同、地層參數特征類似，Y138井龍馬溪組頁巖儲層埋藏稍深，位于1 900～1 990 m。該評價井采用的是常規取心方式進行取心作業，現場測試人員采用上述加熱解吸測試設備進行了現場含氣量測試，現場測試的解吸氣量如圖8(a)所示。該井解吸氣量分布為0.03～0.91 m/t，平均為0.27 m/t，在龍馬溪組底部解吸氣量有明顯增加，含氣性明顯變好。采用二項式法計算了其損失氣量，求和得到總含氣量(殘余氣量較小)如圖8(a)所示。在龍馬溪組底部，總含氣量最高為3.34 m/t。與前述保壓取心井Y151井龍馬溪組下部頁巖含氣量進行對比，結果如圖8(b)所示。由圖8(b)可以看出，Y151井總含氣量明顯高于同層位的Y138井總含氣量，這表明在常規取心井的含氣量測試和計算過程中，嚴重低估了頁巖的含氣性。可能原因有以下2個方面：

(1)取心方式和作業流程的不同。常規取心過程中，在割心的那一瞬間可能就有大量氣體散失，但該部分氣體并未納入損失氣計算中。在提鉆過程中，時間較長，游離氣大量散失，吸附氣可能轉化成游離氣也一并散失，導致測試得到的解吸氣量明顯降低。保壓取心井樣品加熱解吸測得的含氣量還能達到2 m/t，而常規取心井樣品加熱解吸測得的含氣量一般僅能達到1 m/t左右，這說明頁巖中大量的吸附氣在提鉆過程中已經散失，導致解吸氣量測試結果偏低。

(2)損失氣計算方法存在問題。目前常用的損失氣計算模型均來源于“單孔”氣體擴散方程的簡化，頁巖孔隙結構非均質性強、裂縫發育，氣體散失過程復雜，損失氣計算模型均不能準確刻畫取心過程中氣體散失的全過程。提鉆過程中巖心受力情況復雜，井下和地面條件下氣體散失邊界條件不同，需分段建立氣體損失氣計算新模型。此外，還應根據地層壓力和泥漿密度來確定氣體損失時間“零點”，目前采用的“零點”確定方法(井下取心作業時間的一半)低估了損失時間。由于計算模型的不準確和損失時間的低估，導致了損失氣量計算結果偏低。

圖8 鄰井Y138井龍馬溪組頁巖現場含氣量測試結果及與保壓取心井Y151井龍馬溪組下部頁巖總含氣量對比Fig.8 Gas content test results of Longmaxi Formation shale in adjacent Well Y138 with conventional coring andcomparison with total gas content of lower part of Longmaxi Formation of Well Y151 with pressure-holding coring

因此，在建立新的損失氣計算方法的基礎上，采用保壓取心結果去進行標定和方法驗證，然后推廣至常規取心井的測試及應用中，這是下一步的重要研究方向。

2.4 保壓取心的重要意義

保壓取心技術目前主要應用于油氣田勘探開發、海洋資源勘探和地質勘查等領域。近年來，我國自主研發的保壓取心技術取得了較大的進展，并逐漸形成了海上繩索式保壓取心和陸上起鉆式保壓取心兩大技術系列。2017年就已實現了天然氣水合物的保壓取心，2019年開始試驗海相頁巖氣井的保壓取心。我國南方海相頁巖氣井普遍超壓，地層壓力較高，保壓難度更大。針對頁巖氣井的特點，設計了專用的取心工具，目的就是為了獲取地層條件下的頁巖巖心，本文所述的含氣量測試僅是結合保壓取心進行現場應用的一個方面。在保壓取心的基礎上，還可以測試地層條件下頁巖孔隙度、含水飽和度、氣體組分和同位素等關鍵參數，這是未來進行頁巖氣地質和開發綜合評價的重要研究方向，還亟待進一步深入研究。

與常規取心技術相比，保壓取心技術目前在頁巖氣勘探領域的應用還較少。從本文所建立的含氣量測試方法和結果來看，保壓取心確實能獲取“保留地層壓力”的巖心，“保氣”效果顯著。建議在頁巖氣評價井的取心和現場測試中，增加保壓取心井的試驗井次，進一步明確頁巖氣儲層的真實含氣能力和儲集能力。試驗結果還可用于標定常規取心井的測試結果，對已取心井和已申報儲量區塊進行重新評價。特別是對于深層頁巖氣、海陸過渡相頁巖氣等新區新領域的勘探，可優先試驗保壓取心，這對于明確儲層特征、深化儲層認識和指導地質勘探均具有重要意義。