从煤层含气量测定技术发展看页岩含气性评价的发展方向

鲍云杰

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214151)

从煤层含气量测定技术发展看页岩含气性评价的发展方向

鲍云杰

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214151)

介绍了煤层含气量测定技术的发展历程，以及煤心中甲烷的逸散、解吸模拟实验研究成果，剖析了现用煤层含气量测定标准的适用范围及其约束条件。指出页岩岩心在提心、大气暴露和密封解吸三个阶段具有不同的气体逸散、解吸条件和机制，煤心损失气量估算方法应用于页岩存在着不确定性和风险。提出应重视页岩岩心涵盖“三个阶段”的全过程气体逸散、解吸实验及其规律的基础性研究。将页岩气分为钻井液气、暴露散失气和岩心残留气三部分。开发钻井液气检测装置，结合综合录井资料，建立钻井液气量的快速检测技术及计算方法；完善现有岩心解吸气和残余气测定技术，形成岩心残留气量快速测定方法；探索建立探测或利用解吸气测试数据确定暴露散失气量的方法，从而构建新的页岩含气量测定技术方法体系。

约束条件；气体逸散；解吸实验；煤层气含量；页岩含气量

页岩气是赋存于页岩地层中的一种非常规天然气资源，页岩的含气性评价是一项重要的基础性工作。准确、客观地分析和评价页岩地层的含气性，对于页岩气资源潜力分析以及勘探开发部署都具有重要指导意义。页岩含气性评价研究在我国尚处于起步、发展阶段，行业标准SY/T6940-2013《页岩含气量测定方法》借鉴和引用了煤层气含量测定方法，页岩含气性评价尚未形成技术、方法和理论相配套的体系。在这一背景下，分析煤层含气性评价技术的发展历程、适用范围及其约束条件，汲取其成功经验，探讨构建新的页岩气含量检测技术方法体系，对于提高页岩含气性评价水平具有指导意义。

1 煤层含气性分析评价技术

1.1 测试方法与设备发展历程

就煤田地质勘探阶段而言，煤层含气量测试方法与设备经历了3个阶段[1]。

第一阶段：1930—1950年代。利用真空罐法进行煤样含气量测定，最早是将新鲜煤样放置到密闭容器内，送到实验室进行加热、抽真空脱气，实现含气量的测定。

第二阶段：1950年代中期—1970年代。开发应用了密闭式、集气式及冷冻式岩心采取器等钻孔中采样的专用仪器。其中，密闭式岩心采取器利用煤心管上下两端的活门及附属机构，钻取煤心后将其密封在煤心管中，钻具提升至井口后，将煤心管送至实验室对煤心进行真空脱气。集气式岩心采取器是在煤心采取器上设计有带阀门的集气室，用于收集煤心上提过程中逸散的气体，待钻具提升到地面后，将煤心采取器送至实验室进行含气分析。

第三阶段：1970年代以后。煤炭科学研究院抚顺分院在1978—1981年期间经过煤田试验后，开发应用了解吸仪，利用解吸仪测定煤样瓦斯解吸量随时间变化的规律，确定解吸气量，根据煤样暴露时间，计算逸散损失的瓦斯量，煤样解吸后再测定残余瓦斯量。将解吸量、逸散气量和残余瓦斯量之和称为煤层含气量。研制了高精度自动化气体解吸仪，仪器主要由煤样罐、集气仪、数据处理机(CPU)、传感器和打印机等组成。AMG-1型仪器可连续测定解吸气量，并采用最小二乘法自动计算损失气量[2]。气体解吸量测定，是通过安装在集气瓶顶端的差压传感器测定集气瓶内部水压与大气压的差压变化实现的(图1)，通过下式计算解吸气体量。

式中：Q为集气瓶中解吸的气体量；C为仪器读值常数，取决于集气瓶的内截面积；H0为常数，为基准水面到水装满集气瓶时的水位高度；H1为集气瓶内水面高度；H为集气瓶内解吸气体所占有的高度。

1.2 测定标准的发展及适用约束条件

煤层气含量确定的难点在于损失气量。以解吸法为基础的确定煤层气含量的方法得到了广泛的应用，在应用过程中经过不断的改进上升到测定标准，先后推出的标准版本有：MT/T77-94、GB/T19559-2004、AQ1046-2007、GB/T19559-2008等。GB/T19559-2008是煤层气勘探中进行煤层含气量测定的最新标准，2009年5月1日实施[3]。其适用范围为烟煤和无烟煤煤心，褐煤煤心样品的煤层气含量测定时参考执行。其理论依据主要是1970年代法国学者提出的“煤心解吸初期解吸量与时间平方根成正比”，通过外推解吸初期数据估算损失气量。

图1 瓦斯解吸量计算原理示意

众多学者的共识是，在煤层含气量确定过程中，误差主要来源是逸散气量的求取。周胜国[4]建立了煤层气含气量模拟实验方法，可以全过程模拟煤层气取心提钻到解吸结束。徐成法等[5]开展了室内煤层含气量解吸模型实验，发现煤样全过程解吸特征曲线为不对称的“S”型，修正了“煤样在解吸初期，气体解吸与解吸时间的平方根呈线性关系”的传统观念，并比较了直线回归、多项式回归、史威法和曲线拟合计算方法的优缺点。张群等[6]利用高压解吸试验装置，开展了煤心在提心、地面暴露、密闭罐中3个阶段解吸试验研究，发现3个阶段的解吸速率存在巨大差异(图2)。反映直接法估算的损失气量不准确，损失气量确定方法需进一步完善。

煤层气研究学者对含气量确定方法的适用性开展了深入的研究，张新民等[7]研究指出，褐煤基质中的游离气含量通常占总含气量的50%以上，传统的煤层气含量确定方法不适用于褐煤。贾晓亮等[8]研究认为，用地勘解吸法测定的瓦斯含量数值普遍偏低，根本原因是瓦斯在空气介质和泥浆介质中解吸规律截然不同。从适用对象来看，该标准中只适用于烟煤和无烟煤，而对于褐煤则参考执行。因此，煤层含气量测定的最新标准本身具有一定的适用范围和约束条件。而对于页岩气而言，由于页岩的性质与煤岩不同，其适用性受到一定的限制[9]。

图2 煤样的气体解吸量曲线

2 页岩含气性评价存在问题与发展方向

2.1 页岩含气性评价存在问题

页岩含气性评价主要依赖于气测录井、测井以及页岩岩心含气量测试等资料。在页岩岩心含气量测试实践中，引用、借鉴煤层含气量测定方法和标准，将解吸气量、逸散气(损失气)量及残余气量之和称为总含气量。在技术方法研究中，主要围绕建立岩心解吸气量、残余气量检测方法，以及损失气量的计算方法开展工作，虽然取得一些进展，但其中的关键性参数——损失气量的计算仍然是一个令技术人员困扰的难题，亟待针对页岩着手建立新的技术方法体系。归纳起来，页岩含气性评价主要存在以下问题和不足。

2.1.1 页岩岩心气体逸散—解吸规律机制不清

页岩岩心自井底提心到装入密封罐解吸大体经历3个阶段：第一个阶段为岩心自井底提升到井口，此阶段岩心所处介质为泥浆，在上提过程中经历了降压、降温，压力的降低使气体脱离岩心，扩散到钻井液中；第二个阶段为大气暴露阶段，岩心所处介质为大气，在常温常压的背景下，岩心中气体逸散到大气中；第三个阶段为岩心装入密封罐的解吸阶段，岩心处于常压、高温(近似地层温度)环境，气体解吸并通过计量单元计量体积。可见，在上述的3个阶段岩心所处介质、温度压力等环境条件差异很大，气体逸散机制、逸散气体在岩心中的赋存状态也不尽相同，但目前尚缺乏这方面的系统研究。

2.1.2 取心难以满足含气量测定方法的约束条件

煤层含气量测定标准有以下规定：(1)采样时间为钻遇煤层或起钻开始到煤样装入解吸罐所用的时间，要尽量缩短采样时间，井深每100 m，提心时间不得超过2 min，样品到达地面后，10 min内装入解吸罐；(2)损失气时间为从零时间到封罐的时间，在钻井介质为清水和泥浆时，取心筒提至井筒深度一半时的时间为零时间。这些约束性要求与获取页岩岩心的工程条件有巨大的差异，文献数据显示，页岩岩心提心时间、暴露时间分别约为煤层气的8倍和3倍[10]。页岩气钻探施工难以满足约束条件的要求[9]，在这种条件下应用煤层含气量测定标准与方法存在较大风险。

2.1.3 实测含气量与气测井数据相关关系复杂

当前，用于页岩含气性评价的实测数据主要是基于解吸法的现场含气量数据和气测录井资料。从有限的几口井资料来看，解吸法的实测含气量数据与相应井段的气测井数据关系呈现多样性、复杂性和不确定性(图3)。从图3来看，A井2 205～2 215 m气测全烃值与实测含气量具一定程度的正相关关系，但从2 205～2 245 m井段总体上看，两者的正相关关系薄弱，甚至在气测井全烃值最高的井段2 220～2 225 m岩心实测含气量几乎为最低值，显示两者关系的复杂性和不确定性。从C井观察来看也存在类似情况。B井则显示岩心实测含气量数据与相应井段的气测井数据关系呈现良好的正相关关系。

由此看来，理清两者的关系，对于正确评价页岩含气性尤为重要。而事实上，气测井资料与实测含气量数据虽然均为地层含气性的反映，但由于气测井的分析对象为钻井液，而实测含气量数据来自于岩心测试，钻井液含气情况与岩心气体逸散、解吸特性关系具有多样性和复杂性，有待深入研究。

2.2 页岩含气性评价技术发展方向

2.2.1 加强页岩气逸散解吸规律研究

页岩岩心的气体逸散具有“三段性”，在各个阶段岩心所处介质环境、温度、压力条件具有很大差异，而且因页岩岩石孔隙结构等不同具有不同的气体逸散机制。借鉴前人的经验[4-6,11-12]，以适当的模拟实验装置，模拟不同类型页岩岩心从井底提升到井口、直至装入密封罐中解吸这一全过程的气体逸散、解吸规律，对于气体赋存状态分析、气测井响应机制分析，以及建立新的页岩含气量测定方法具有理论和实践意义。

图3 实测含气量与相应井段的气测井数据对比

图4 新技术方法体系与现有技术方法体系比较

2.2.2 建立新的页岩含气量测定技术方法体系

在近平衡钻井取心条件下，在钻井取心、提心直至将岩心装入密封罐的过程中，气体主要由三部分组成：一是地层破碎气、岩心中的游离气及部分吸附气将进入到钻井液中，这部分气体可称为钻井液气；二是岩心提心到井口后，总要在大气中暴露一段时间，这部分气体可称为暴露散失气；三是将岩心装入密封罐中后，此时岩心所含的气体可称为岩心残留气。可见，页岩地层含气量为钻井液气量、暴露散失气量和岩心残留气量之和。

这三部分气体可以由下述方法获得，钻井液气可以通过钻井液取样进行全脱的方式获得，但要经过钻井液排量、钻时的校正，并折算到标准状态下的含气量。由于暴露散失气是在岩心到地面后产生的，温度、压力条件与解吸条件有一定的相似性，故可以利用解吸数据进行计算。暴露散失气量的大小与暴露时间长短、岩心的完整程度有关，操作得当的条件下，其量较小，甚至小到可以忽略的程度。岩心残留气可以细分为两部分：一是解吸气，可以利用现有的气体解吸仪进行解吸获得；二是残余气，可以利用现有的岩心破碎残余气测定方法获得。这样，即可以构建新的页岩含气量测定技术方法体系，与现有的技术体系具有明显的差异(图4)。

2.2.3 开展气测井评价方法校正技术平台研究

气测井资料具有可以实时、快速、连续获取的特点，在多种钻进方式下均能够获取地层含气性的信息，较依赖于岩心的含气性测定方法具有更广泛的应用范围，在页岩含气性评价中具有不可替代的作用。但气测井资料的获取受钻进方式、钻井液密度、黏度等工程参数影响较大，不同的录井仪器也会存在一定的差异。因此，通过开展系统的实验工作，建立区域性气测井资料校正平台，增强气测井资料的可比性是一项重要的基础性研究工作。

2.2.4 开展多参数综合评价方法研究

以往的研究工作表明[13]，岩屑气分析评价方法具有不受钻进方式影响、可实时测试、获取信息快速的特点。在页岩气勘探开发工作中，开展岩屑气分析评价工作，丰富页岩含气性分析评价信息，对于精细描述页岩纵向含气性变化具有积极意义。

气测井、地质录井、测井、岩心含气量现场解吸分析均能从不同角度、以不同方式获取页岩含气性的信息，各有所长，不能相互替代，建立集多参数于一体的页岩含气性综合评价方法是今后的发展方向之一。

3 结论

(1)煤层含气量测定技术与方法在页岩含气性评价中具有重要的参考和借鉴价值，解吸气和残余气测定方法可以用于页岩气含气性分析。但由于在页岩与煤岩的性质、取心条件等方面存在较大差异性，损失气估算方法应用于页岩有较多的不确定性和风险。

(2)煤心气体逸散和解吸的“三段性”在页岩岩心可能更为突出，开展页岩岩心涵盖提心、大气暴露和密封解吸3个阶段的全过程气体逸散解吸实验及其规律研究，对于页岩气赋存状态分析和含气性评价是一项重要的基础性研究工作。

(3)将页岩气按照其赋存载体分为钻井液气、暴露散失气和岩心残留气三部分。利用综合录井资料，开发钻井液气量检测技术并建立计算方法；完善现有岩心解吸气和残余气测定方法，形成岩心残留气量快速测定方法；探索暴露散失气量检测方法，从而构建新的页岩含气性评价技术方法体系，是当前重要的研究方向。

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(编辑 徐文明)

Prospect of shale gas evaluation in view of measurement techniques development of coal seam gas content

Bao Yunjie

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214151,China)

It was introduced in this paper the development process of coal seam gas content measurement techniques, the experimental modeling results of methane escaping and desorption in coal cores, as well as the application conditions and constraints for the present coal seam gas content measurement standards. During the sampling, atmospheric exposure and sealing desorption phases of coal cores, the conditions and mechanisms for gas escaping and desorption were various. Uncertainty and risk remained when coal core gas loss estimation method was applied in shales. The basic studies of gas escaping and desorption in shale cores during the above-mentioned three phases should be focused on. Shale gas was classified into three types: gas in drilling fluids, gas exposed and escaped, and gas remained in cores. Some proposals were made as followed to set up a new measurement techniques standard of gas content in shales: developing detection devices for gas in drilling fluids, and establishing rapid detection and calculation methods for gas in drilling fluids combined with comprehensive logging data; improving the existing core desorption gas and residual gas measurement technology, and establishing a rapid determination method for core residual gas; exploring for the detection or calculation method for exposed and escaped gas based on desorbed gas tests.

constraining conditions; gas escape; desorption experiment; gas content in coal seam; gas content in shale

1001-6112(2014)06-0762-05

10.11781/sysydz201406762

2013-09-22；

2014-09-28。

鲍云杰(1963—)，男，高级工程师，从事储盖层测试技术及页岩油气评价研究。E-mail:baoyj.syky@sinopec.com。

TE155

A