一種頁巖原位含氣量的定量評價方法

1.目的

原位含氣量和吸附氣含量/游離氣含量比值是頁巖氣資源潛力評估和儲集層甜點預測不可或缺的兩個重要參數。其中含氣量評價普遍采用USBM法，該方法理論上更適用于取心時間較短、吸附氣含量比例較高的煤層氣樣品，而應用于深層頁巖氣樣品時則通常會存在著較大的誤差。吸附氣含量評價常用等溫吸附法，但由于等溫吸附實驗難以模擬地層原位條件，其評價結果的可信度同樣也存在著較大的爭議。頁巖氣現場解吸過程的同位素分餾特征與頁巖含氣量和吸附氣含量/游離氣含量比值密切相關，因而借助于建立頁巖氣解吸過程同位素分餾定量表征模型，有可能為準確評價頁巖原位含氣性參數提供全新的方法，進而以此破解上述難題。

2.方法

以川南上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組海相頁巖氣為研究對象，分別對龍一1亞段不同小層實施常規取心和保壓取心。對于常規取心頁巖樣品，在出筒后及時開展現場解吸實驗，解吸過程中計量、采集氣樣并測試同位素比值。對于保壓取心頁巖樣品，先后開展降壓排采實驗和常壓解吸實驗，獲取準確的含氣量數據，降壓排采和常壓解吸過程中計量、采集氣樣并測試同位素組成。開展現場解吸實驗后，通過室內測試分析獲取樣品的物質組成和孔隙結構參數。結合對應頁巖樣品解吸氣量和同位素分餾特征，明確頁巖氣解吸過程同位素分餾影響因素及機理，建立定量表征模型，并通過標定實測解吸數據獲取準確的含氣量和吸附氣比例。

建立定量表征模型的步驟包括：①建立綜合考慮游離氣擴散作用和吸附氣吸附—解吸作用的控制方程[公式（1）]；②根據儲層原始壓力設置模型的初始條件，根據取心過程設置模型的內、外邊界條件；③標定實測解吸氣量和同位素數據，優化獲取公式（1）中的D、D*、VL、PL等參數；④將優化參數重新代入模型中計算獲取頁巖原位含氣量和吸附氣含量/游離氣含量比值[公式（2）]。

控制方程：

求解p和p*后，可由下式計算任意解吸時刻的解析氣量和吸附氣含量比例：

式中φ表示孔隙度；p、p*分別表示12CH4和13CH4的氣體壓力，Pa；t表示解吸時間，s；x表示距離，m；m表示形狀因子；D、D*分別表示12CH4和13CH4的擴散系數，m2/s；θ表示吸附氣覆蓋率；c表示質量平衡系數，Pa；ρ表示巖石視密度，g/cm3；VL表示朗格繆爾體積，cm3/g；R表示摩爾氣體常數，8.314J/(mol·K)；T表示溫度，K；Vm表示氣體摩爾體積，22.4 L/mol；PL表示朗格繆爾壓力，Pa；α表示吸附相與游離相平衡分餾因子；Qfree、Qads、Qtotal、Rads分別表示游離氣量、吸附氣量、總含氣量、吸附氣比例；r表示巖心半徑，m；z表示壓縮因子。

3.應用及效果

實際應用效果表明，基于同位素分餾模型計算的累計解吸氣量和所反映出的同位素分餾特征，均與現場實測數據具有良好的擬合效果（圖1-a、b），表明該模型在表征頁巖氣解吸過程具有很好的適用性。該模型計算得出的含氣量結果與保壓取心數據最為接近，體現了其較之于傳統方法具有更高的準確性（圖1-c、d）。此外，同位素分餾模型還能有效地評價吸附氣含量比例這一項關鍵參數。該技術目前已在四川盆地南部瀘州、長寧地區數十口井進行了推廣應用，取得了較好的評價效果，為瀘州地區深層頁巖氣原位含氣量和吸附氣含量/游離氣含量比值的準確評估提供了理論和技術支撐，也為我國頁巖氣資源潛力評估、有利區/層位優選及高效開發提供了幫助和指導。

圖1 同位素分餾模型評價結果分析與對比圖