页岩气解吸

　　页岩气解吸是一种确定页岩含气量的方法，是指通过测定现场钻井岩心或有代表性岩屑的解吸行为获取实际含气量。页岩含气量是计算页岩气资源潜力、储量预测的重要参数，并对页岩气勘探开发具有重要的意义。页岩含气量是指每吨页岩中所含天然气在标准状态（0℃，101．325kPa）下的体积，包括游离气、吸附气和溶解气。

　　简介

　　页岩含气量是计算页岩气资源潜力、储量预测的重要参数，并对页岩气勘探开发具有重要的意义。页岩含气量是指每吨页岩中所含天然气在标准状态（0℃，101．325kPa）下的体积，包括游离气、吸附气和溶解气。页岩含气量的确定目前缺乏专门的行业标准，主要参照煤层气行业的技术方法。含气量的确定方法大致可分为直接法和间接法2个大类。直接法即解吸法，是指通过测定现场钻井岩心或有代表性岩屑的解吸行为获取实际含气量。间接法则是通过等温吸附实验模拟以及测井解释等方法分别获取吸附气和游离气的含量。由于吸附和解吸过程并不完全可逆，等温吸附实验模拟方法完全依赖于理论计算，获得的结果往往比页岩的实际含气量大，一般只有缺少现场解吸数据时才用来定性地评价页岩含气量。而解吸法能够在模拟地层实际环境的条件下直接测定页岩的含气数量，较为可靠，因此被作为页岩含气量测定的最基本方法。

　　岩心解吸方式包括快速解吸和慢速解吸2种方法。快速解吸的时间短，一般在8～24h之间，总解吸气量包括损失气、解吸气和残留气3部分；慢速解吸的时间长达45d以上，总解吸气量包括损失气量和解吸气量2部分。其中，损失气为岩心地层钻开后到装罐前散失的气量，损失气的起算时间为岩心提至钻井液压力等于页岩层流体压力的时间，或采用提钻到井深一半的时间。解吸气包括岩心装罐解吸获得的天然气和为获取残留气在碎样过程中释放的天然气2部分；残留气为样品粉碎到一定目数后解吸获得的天然气量。解吸气和残留气都可以通过直接测定，而损失气却是通过各种数值方法，进行回归获得。因此，准确获取损失气的含量成为了解吸法测定页岩气含气量的关键之一。解吸数据的处理方法主要借鉴煤层气的经验，包括USBM法、修正的直接法、Smith－Williams法、下降曲线法和Amoco法等。不同方法有不同的适用性，而在实地解吸过程中，环境因素等控制条件也对正确拟合损失气含量存在一定影响。1

　　解吸装置及发展

　　对于煤层气的解吸过程研究，最早应用于煤矿矿井安全。此后，由于解吸法可直接获取样品的储存气量，逐渐被认为是煤层气含量评价的最可靠方法。由于页岩气和煤层气在赋存状态和理化特性上有一定相似性，页岩含气量的直接测定法也延用了煤层气含量直接测定法的基本思路。20世纪70年代，Bertard等首先提出了对煤层气含量的直接测定法。其后，美国矿务局对直接法进行修正和标准化，提出了USBM法。该方法采用排水集气的原理，测定解吸气和残余气量，用直线回归法估算损失气。也是目前直接测定页岩含气量的基本方法。

　　USBM法解吸装置主要由解吸罐和收集量筒2部分组成。如概述图所示。样品装到解吸罐后，通过导管将气体导入装水的倒置量筒中，通过记录不同时刻的排水量换算成解吸气量。其后的20多年里，针对解吸数据的处理，先后衍生了下降曲线法、改进的直接法、Smith－Williams法、Amoco法等方法。20世纪90年代，澳大利亚研究人员对USBM法的解吸装置进行优化，采用多个气缸串联的方法收集气体，当一个气缸收集满后，解吸气会自动开始填充下一个气缸。同时，该方法提出用酸化卤水作为排空液，以减小CO2等气体在水中的溶解。SCI－RO－CET快速解吸法则在解吸罐中加入了不锈钢珠，用USBM法获得损失气后，直接在解吸罐中将样品破碎，获取解吸气和残余气的总量，以此提高解吸效率。美国天然气研究所（GRI）指出，含气量最大的误差来源于在地表温度下进行解吸，因此GRI法采用水浴后达到地层温度的解吸数据来恢复损失气。同时，GRI法对USBM法的解吸时间零点进行了修正，USBM法将提钻到一半时定为解吸时间的零点，而GRI将零点定为钻井液的静水压力与储层压力相等时，因而需要测量取心过程中的压力变化史。

　　我国煤层气的行业标准仍采用排液集气的方法，并采用USBM直接法拟合损失气含量。解吸罐要求体积1　000cm3以上，样品要求不少于800g。样品装罐后第一次5min以内测定，然后以10min间隔测满1h，以15min间隔测满1h，以30min间隔测满1h，以60min间隔测满1h，以120min间隔测试2次，其后根据解吸罐压力表数值确定适当的间隔时间，最长不超过24h。自然解吸持续到连续7d平均每天解吸量不超过10cm3，结束解吸测定。随着煤层气和页岩气在我国的迅速发展，国内近年来也对解吸装置进行了不断的优化，并在这方面取得了一定数量的专利成果。从专利的发展历程不难看出，页岩气解吸装置基本由解吸罐和收集端2部分组成，但通过检测手段的不断更新，解吸气的测量在朝向小体积、少样品、高精度及多组分在线测定的方向发展。

　　由于损失气的不可测量性，通过解吸装置获取解吸数据仅仅是第一步。根据解吸规律以及理论假设的不同，需要对解吸数据进行回归分析等相应的处理，方能获得损失气的含量，从而得到页岩样品的含气量数据。

　　解吸过程中影响因素

　　一般来说，为了提高页岩含气量测量的准确性，实地解吸工作中需要满足以下条件：最大化岩心恢复率，尽量减小提钻、封罐等准备工作的时间；解吸罐需要放置在恒定的温度下，且温度与储层温度相等；全程记录好气体体积、压力、罐温、空气温度等环境参数；气体体积需要进行标准化；校正自由空间的体积。

　　从上述要求不难看出，解吸装置本身数据采集的精准度是关键的影响因素。不同解吸装置对于解吸过程的处理也使得结果存在差别。例如，解吸罐中加入钢珠的快速解吸法可对样品进行球磨，从而较早进入残余气解吸阶段，相对传统方法可提高测试效率，并且避免了常规方法中多次开闭解吸罐造成的误差；采用饱和食盐水可有效减少CO2等气体的溶解；电子天平称液法、压力传感器、气体流量计、氢火焰离子化检测器等量气法相对传统排液量气法有更高的测量精度；空气浴相对水浴可避免水浴加热存在100℃上限的问题。

　　环境因素和取心过程对解吸结果会有一定的影响。当地面温度明显低于储层温度，煤样中气体解吸速率明显偏低。页岩样品从取心到封罐解吸，温度会经过一个先降低后升高的过程。在解吸初期，解吸罐中岩样在水浴里不能立刻平衡到储层温度，因此其前几个测量点的解吸速率会偏低，并不能正确地反映解吸规律。在计算损失气量时，如果使用了未平衡的测量点，会造成计算结果偏小。而取心时间或者暴露时间过长，同样会导致损失时间的过长，从而造成损失气计算结果偏小。2

　　页岩气解吸分析存在的问题

　　虽然页岩气的解吸分析中大多沿用煤层气的处理方法，但页岩气的解吸行为并不完全与煤层气相同。Javadpour等的研究结果表明，甲烷等气体从页岩样品中溢出需要依次经过4个阶段：①在微孔中的扩散，符合菲克扩散定律；②在纳米孔中的扩散，符合努森扩散定律；③从干酪根和黏土矿物的表面向孔隙网络中的扩散；④从干酪根和黏土的内部向其表面的扩散。陈强等认为，在页岩多尺度孔隙中，页岩气的传质方式为无滑脱渗流、存在滑脱渗流、过渡流动以及分子扩散等。吴剑等则采用微元法分析了自由气体滑脱流动、克努森扩散、孔隙壁面气体解吸和溶解气体从干酪根扩散等过程，推导出了页岩气在基质孔隙中的渗流模型。因此，页岩气的解吸规律可能不同于煤层气解吸速率不变的球形扩散模型。由于页岩的物性结构并不符合单孔隙模型的假设，在解吸过程中，解吸速率会随时间而变化。对于页岩气的解吸来说，高斯分布模型要优于常规煤层气的球形扩散模型。2

　　本词条内容贡献者为:

　　张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院