低解吸氣量頁巖氣組分校正方法探討

趙立鵬

(貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550008)

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低解吸氣量頁巖氣組分校正方法探討

趙立鵬

(貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550008)

通過現(xiàn)場解吸試驗(yàn)，采用氣相色譜等測試方法，對低解吸氣量頁巖氣組分測定結(jié)果校正方法進(jìn)行了研究。在常規(guī)現(xiàn)場解吸試驗(yàn)操作基礎(chǔ)上增加校正實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程，總結(jié)歸納出校正參數(shù)及適用性研究。結(jié)果顯示，當(dāng)解析氣量較少時，解吸罐內(nèi)殘留空氣對組分測定結(jié)果的影響較大，排除解吸罐中空氣的影響后，解吸氣組分甲烷體積分?jǐn)?shù)普遍增加12.23%～54.44%。研究表明，對低解吸氣量頁巖氣組分結(jié)果進(jìn)行校正十分必要。

解吸； 頁巖氣； 組分； 校正

0 引言

頁巖氣是一種資源潛力巨大的新型非常規(guī)油氣資源[1-3]，且受到高度重視[4]。現(xiàn)場解吸法是頁巖氣含氣量獲取方法之一[5-7]。結(jié)合氣相色譜解吸氣組分測定，可直接可靠地了解泥頁巖儲層中頁巖氣含量及組分信息。煤層氣在解吸方法及解吸數(shù)據(jù)處理方面已形成比較完善的體系，而頁巖氣主要集中于解吸方法及解吸數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化等方面[7-9]。頁巖氣含量測定多采用煤層氣行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，但頁巖含氣量、氣體擴(kuò)散機(jī)制與煤不同，尤其某些盆外常壓頁巖氣資料井、參數(shù)井解吸氣量并不大。同時由于巖心直徑及填充材料的局限，解吸罐中往往會殘余部分空氣，這必然會影響解吸氣組分測定結(jié)果[10-13]。但國內(nèi)外尚未有此問題的有效解決方法。筆者結(jié)合工程實(shí)踐及理想氣體狀態(tài)方程，對低解吸氣量頁巖氣組分測定修正方法及其適用性進(jìn)行探討，以提高頁巖氣組分評價的準(zhǔn)確度，這對頁巖氣測試方法及評價具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)解吸罐(h300 mm、φ89 mm)、計(jì)量器(量程0～600 mL，最小刻度為1 mL)、恒溫水浴鍋(溫控在±1 ℃，量程為0～100 ℃)、溫度計(jì)、氣壓計(jì)(分度值0.1 kPa)、電子稱、軟管、氣樣瓶、石英砂、寬膠帶、止水夾、固定夾、塑膠手套、脫脂棉等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按照圖1所示連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

圖1 現(xiàn)場解析裝置Fig.1 Field desorption device for shale gas

1.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及氣密性檢驗(yàn)

試驗(yàn)前應(yīng)對解吸罐進(jìn)行氣密性檢測，向罐內(nèi)注空氣至表壓0.3 MPa以上，關(guān)閉后擱置12 h，壓力不降即可用。計(jì)量器裝滿水并調(diào)至初始狀態(tài)，觀察液面是否下降以檢測解析裝置密閉性能。將恒溫裝置溫度調(diào)至儲層溫度，解吸罐洗凈、干燥。

1.2.2 樣品采集

巖心提升至井口所用時間不超過2 min/100 m。到達(dá)地面后，盡快剔除夾矸及雜物，稱重后迅速裝入解吸罐。巖心質(zhì)量不少于800 g。樣品裝至距解吸罐口1 cm處，空隙用填料充填，密封。上述過程應(yīng)控制在10 min內(nèi)。

1.2.3 自然解吸

將解吸罐迅速置于已達(dá)儲層溫度的恒溫水浴鍋中，用軟管將解吸罐與計(jì)量器連接，調(diào)整計(jì)量器液面使罐中的解吸氣進(jìn)入計(jì)量器。讀數(shù)時錐形瓶與量筒水面對齊，記錄氣體體積，同時記錄環(huán)境溫度、大氣壓力。按規(guī)定時間重復(fù)多次測定。連續(xù)3 d 平均解吸量不大于5 cm3，結(jié)束解吸測定。如量筒不能再容納下次測定氣體時，應(yīng)排出氣體，調(diào)節(jié)計(jì)量器至初始狀態(tài)，關(guān)閉閥門重復(fù)上述步驟。解吸氣測定時采用排水集氣法采集氣樣進(jìn)行氣成分分析。

1.2.4 校正實(shí)驗(yàn)

為保證準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)應(yīng)在頁巖氣解析速率較低或解吸終止后進(jìn)行。記錄大氣溫度T1、氣壓P1、水浴鍋溫度t1、計(jì)量器讀數(shù)V′; 將充分解吸后的解吸罐移出水浴鍋，冷卻至室溫; 待計(jì)量器讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取V″，并記錄此時大氣溫度T2、氣壓P2。

1.2.5 氣相色譜組分測定

組分分析采用美國安捷倫GC7890氣相色譜儀，檢測器為氫焰檢測器。測試前用0.000 1%、0.1%、0.5%、1%、5%、10%、20%、50%、100%等濃度的甲烷標(biāo)樣對色譜儀進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)氫氣輸出壓力0.4 MPa，柱箱初始溫度50 ℃，初始時間10 min，升溫速率5 ℃/min，終止溫度250 ℃，終止時間10 min，進(jìn)樣器和檢測器溫度均為250 ℃。實(shí)驗(yàn)完畢待柱箱初始溫度、檢測器溫度及進(jìn)樣器溫度降至設(shè)置溫度后，關(guān)閉色譜儀電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 去除空氣影響的解吸氣體積及解吸罐內(nèi)空氣體積

理想氣體狀態(tài)方程為

PV=nRT,

(1)

式中：P為理想氣體氣壓，Pa；V為氣體體積，m3； R為摩爾氣體常數(shù)，831 J/(mol·K)；T為體系溫度，K；n為氣體物質(zhì)的量，mol。

考慮到解吸罐內(nèi)空氣的影響，設(shè)溫度tn、氣壓Pn下，解吸罐內(nèi)氣體體積為Vn，則

(2)

式中:P1為大氣溫度T1時的氣壓，Pa；t1為水浴鍋溫度，K；V1為溫度t1時解吸罐內(nèi)氣體體積，m3；P2為大氣溫度T2時的氣壓，Pa；V2為大氣溫度為T2時解吸罐內(nèi)氣體體積，m3；V′為解吸終止時計(jì)量器讀數(shù)，m3；V″為解吸罐冷卻至室溫時計(jì)量器讀數(shù)，m3； ΔV為V′、V″ 兩者之差，m3。

大氣溫度T2、氣壓P2時，解吸罐內(nèi)氣體體積為

(3)

2.2 氣體組分校正

由上述分析可知，解吸氣體積V累積應(yīng)為通常認(rèn)為的累計(jì)體積V與ΔV之差。解吸罐中殘留的空氣對解吸氣組分存在一定的稀釋效應(yīng)。

假設(shè)組分測定中某組分體積分?jǐn)?shù)為a； 而實(shí)際體積分?jǐn)?shù)為b，則

(4)

式中：V為解析氣體累計(jì)體積，m3。

同樣的方法可以對各組分及同位素進(jìn)行校正。

3 適用性分析

相關(guān)研究均未見對解吸罐中空氣對解析實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的分析。當(dāng)解吸氣量較大或不做組分分析時，空氣對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較小，但當(dāng)解析氣量小且仍要做組分分析時，空氣的影響不容忽視。

3.1 理論空隙體積

解吸罐內(nèi)體積求解公式為

v=πr2h,

(5)

式中：v為解吸罐容積，m3；r為解析罐內(nèi)半徑，m；h為解析罐內(nèi)腔高度，m。

按照現(xiàn)有現(xiàn)場解吸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，解吸罐中空隙體積最大不超過解吸罐容積的1/4，填料采用石英砂。石英砂粒半徑r石英砂遠(yuǎn)小于解吸罐內(nèi)半徑r，其在解吸罐內(nèi)的堆積可以視為等徑球體堆積問題。因此理論上其最大空間利用率為0.74，孔隙率為0.26。

綜上，解吸罐內(nèi)空隙體積為

v空隙=0.26 πr2h。

(6)

3.2 解吸罐空隙體積對測試結(jié)果的影響程度

據(jù)上述分析可知，影響程度主要與空隙體積和解吸氣量體積有關(guān)，且與空隙體積呈正相關(guān)，與解析氣量呈負(fù)相關(guān)?，F(xiàn)引入?yún)?shù)α，量綱為1，并令

(7)

式中ρ為解吸罐中空隙體積分?jǐn)?shù)，ρ<0.25。

(8)

可見解吸罐越大及裝樣后罐中空隙體積越大，空氣對測試結(jié)果的影響程度越大。為使解吸罐空隙體積對測試結(jié)果的影響程度較低，應(yīng)選用內(nèi)徑與巖心直徑相當(dāng)?shù)慕馕?，同時盡可能多裝樣品及壓實(shí)填料，以壓縮解吸罐中空隙體積。

3.3 校正幅度

校正幅度即校正后組分含量較校正前組分含量的增幅，量綱為1。即

(9)

3.4 應(yīng)用實(shí)例

貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要分布于黔北、黔中及黔東—黔東南地區(qū)[10,14-15]，屬臺地邊緣斜坡深水陸棚相。牛蹄塘組底部為黑色炭質(zhì)頁巖與硅質(zhì)巖韻律互層，夾磷結(jié)核； 下部普遍發(fā)育一套黑色炭質(zhì)頁巖，黃鐵礦豐富，有機(jī)質(zhì)含量高； 上部為深灰、灰綠色泥頁巖夾粉砂巖條帶。BD-1井是貴州省頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，完鉆井深1 048 m，鉆遇地層主要有婁山關(guān)組、明心寺組、牛蹄塘組、燈影組等，完井層位為燈影組上部白云巖。目標(biāo)層位為牛蹄塘組，黑色泥頁巖段位于牛蹄塘組下部，厚約56 m。巖性以含粉砂—粉砂質(zhì)、炭質(zhì)泥頁巖為主。有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型和偏腐泥混合型為主。有機(jī)質(zhì)豐度較高，介于0.7%～14.6%。有機(jī)質(zhì)成熟度，普遍處于過成熟階段。脆性礦物及碳酸鹽礦物含量高(平均79.7%)，黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主。頁巖孔隙度中等(平均2.73%)，滲透率極低(平均0.01 mD)?，F(xiàn)場解吸測試中解吸樣品11個(表1)，解吸氣量0.06～0.12 mL/g，屬低解吸氣量泥頁巖儲層。在氣相色譜組分測定中，普遍存在甲烷含量偏低的現(xiàn)象。在解吸終止時進(jìn)行了校正實(shí)驗(yàn)，即有V′=V。排除解吸罐中空氣影響后，甲烷體積分?jǐn)?shù)普遍增加12.23%～54.44%(表2)?？梢?，解吸罐內(nèi)殘留空氣對組分測定結(jié)果影響較大，這是解吸氣甲烷含量偏低現(xiàn)象的重要原因之一。

表1 BD-1井現(xiàn)場解吸結(jié)果Tab.1 Shale gas desorption result of well BD-1

表2 BD-1井現(xiàn)場解吸組分校正結(jié)果Tab.2 Correction results for shale gas desorption components of BD-1

4 結(jié)論

解吸罐內(nèi)殘留空氣對組分測定結(jié)果的影響較大，排除解吸罐中空氣的影響后，解吸氣組分甲烷體積分?jǐn)?shù)普遍增加12.23%～54.44%?？梢姡斜匾獙Φ徒馕鼩饬宽搸r氣組分結(jié)果進(jìn)行校正。利用理想氣體狀態(tài)方程，對低解吸氣量頁巖氣組分測定結(jié)果進(jìn)行校正的方法簡單易操作、計(jì)算量小，且提高了頁巖氣組分測定的準(zhǔn)確度。

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(責(zé)任編輯： 常艷)

Discussion on components content correction of shale gas with low desorption gas quantity

ZHAO Lipeng

(LaboratoryofCoalMineExplorationofGuizhouProvince,Guiyang550008,China)

With the method of field desorption and gas chromatography, the components content correction of shale gas with low desorption gas quantity was studied. Correction experiment was added besides normal field desorption experiments, and ideal gas state equation was also used to seek the correction parameters and their suitability. The results showed that the residual air within the desorption canister had a great effect on components content when desorption gas content is low. Volume fraction of methane will increase about 12.23%-54.44% generally if the residual air can be excluded. It is thus necessary that the components content of shale gas with low desorption gas quantity should be corrected.

desorption; shale gas; components; correction

趙立鵬.低解吸氣量頁巖氣組分校正方法探討[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2016,3(6): 75-78.

2016-04-25；

2016-05-11。

江蘇省自然科學(xué)基金“下?lián)P子高演化頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征對儲層微觀非均質(zhì)性的影響(編號： BK20150176)”項(xiàng)目資助。

趙立鵬(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要從事非常規(guī)油氣研究工作。Email： zhaolp1029@163.com。

TE132.2

A

2095-8706(2016)06-0075-04