考虑干酪根中溶解气的页岩气藏储量计算方法

杨　龙，梅海燕，张茂林，袁　恩

考虑干酪根中溶解气的页岩气藏储量计算方法

杨龙，梅海燕，张茂林，袁恩

（西南石油大学石油与天然气工程学院，成都610500）

前人在计算页岩气储量时未考虑干酪根中溶解的页岩气，但已有学者证明，干酪根中也溶解大量的页岩气，在进行储量计算时不能忽略。不考虑干酪根中溶解气的储量计算方法，不能真实、准确地计算页岩气藏的储量。在前人关于页岩气储量计算方法的基础上，建立了同时考虑吸附相密度、基质和裂缝孔隙体积随压力变化、吸附相体积随压力变化以及储存在干酪根中溶解气的物质平衡方程。通过实例计算可知，溶解气占据总储量的4.69%左右，不考虑溶解气计算出来的自由气储量、吸附气储量和总储量都偏大。因此，为了确保储量计算的准确性，在进行储量计算时必须将溶解气考虑在内。

干酪根；页岩气；基质；裂缝；溶解气；孔隙度；物质平衡方程；储量计算

页岩气是一种连续生成的生物化学作用气、热裂解作用气或两者混合而成的天然气，具有运移距离短、多种封闭机理、成藏隐蔽、地层饱和气等成藏特点［1］。页岩气赋存方式有3种：第一种是以游离状态存在于页岩孔隙和天然裂缝中；第二种是以吸附状态存在干酪根和黏土颗粒表面；第三种是以溶解状态存在干酪根和沥青质中。前人研究认为，溶解气含量较少，进行储量计算时可以不考虑溶解气的影响［2-4］。而文献［5］通过实验发现，干酪根中的溶解气也是气体的重要储存方式，忽略溶解气会导致储量计算结果不符合实际。

在页岩气资源勘探开发过程中，储量评价十分重要［6］，物质平衡法是目前评价页岩气藏储量的常用方法［7］。文献［7］考虑吸附气的影响建立了页岩气藏的物质平衡方程，提出Z*计算方法；文献［8］重新定义了Z因子，简化了页岩气藏物质平衡方程，但是却没有考虑裂缝系统；文献［2］同时考虑基质孔隙体积和裂缝孔隙体积随地层压力变化，建立了封闭性页岩气藏物质平衡方程；文献［3］建立了同时考虑有效应力和基质收缩对孔隙度影响的物质平衡方程；文献［4］在计算游离气体积时，考虑了吸附相所占有的孔隙体积；文献［9］建立了考虑吸附相密度变化的物质平衡方程；文献［10］建立了同时考虑基质孔隙体积和裂缝孔隙体积随地层压力变化，以及吸附气所占体积的物质平衡方程。但是，上述方法均没有考虑干酪根中的溶解气对储量计算的影响，本文在前人的研究基础上，提出了考虑干酪根中溶解气的页岩气藏物质平衡方程。

1　页岩气藏物质平衡方程的建立

由于页岩气和煤层气的吸附机理相似，因此采用Langmuir吸附等温式作为页岩气藏中吸附气量的表达式。假设页岩气藏开发处于等温状态，则页岩气等温吸附式［11］为

基质总体积为

地面条件下吸附气体积为

由质量守恒定律可得，ρ1V1=ρ2V2.因此，地层条件下吸附相的体积为

吸附相的体积变化量为

吸附气的解吸量为

随着地层压力的下降，岩石颗粒变形和束缚水发生弹性膨胀，则基质和裂缝中孔隙体积的变化值为

沥青质中甲烷溶解度的经验公式可由（9）式来计算，为了避免在压力较低时溶解度出现负值，在地层温度为25～100℃、压力为0时，溶解度也为0。

式中b1=-0.018 931；b2=-0.850 480；

b3=827.260；b4=-635.260.

甲烷在干酪根中的溶解度和在沥青质中一样，则溶解气体积的计算公式为［13-14］

又因为总干酪根占基质的体积分数Vtker可以表示为［15］

因此，干酪根的总体积

Vtker的计算式为［16］

则溶解气的储量为

当地层压力下降到p时，在地层条件下，溶解气的扩散量可由下式计算：

根据体积守恒定律可得到

累计产气量=基质内自由气膨胀体积+颗粒岩石变形和束缚水的膨胀量+解吸的吸附气体积+扩散的溶解气体积-吸附相变化体积+裂缝内自由气的膨胀体积+裂缝内孔隙体积减小和束缚水膨胀体积

因此可以得到：

令，代入（18）式，可以简化得

2　模型求解

令Y=VPBg，M=Bg-Bgi+CcfBgiΔp，

整理（19）式可以得到

两边同时除以M可以得到

3　实例分析

某页岩气藏的基本参数如下：pi=24.13 MPa，Bgi=4.82×10-3m3/m3，Smwi=0.25，Cm=4.35×10-4MPa-1，Cf= 2.0×10-2MPa-1，Cw=4.35×10-4MPa-1，Sfwi=0，φmt=0.112，VL= 11.32m3/t，pL=2.41MPa，ρsc=7.7×10-4g/cm3，ρs=0.34g/cm3，ρb=2.65 g/cm3，T=366.49 K，CTOC=5%，φorg=0.012，φads= 0.002 3，ρko=1.325 g/cm3，生产数据如表1.

表1　某页岩气藏生产数据

利用上述数据，使用本文中推导的物质平衡方程来计算页岩气藏储量，结果见图1和表2.

图1　本文推导物质平衡方程的储量回归

表2　不同方法计算储量结果对比108m3

由计算结果可知，考虑溶解气计算的基质中自由气的储量比不考虑溶解气的计算结果要少6.36%，裂缝中自由气的储量少9.26%，吸附气储量少6.36%，总储量少2.30%，考虑溶解气计算的溶解气储量为0.984 7×108m3，占据总储量的4.69%.

忽略溶解气的影响会导致累计产气量中自由气的贡献率偏大，导致计算出来的自由气、吸附气储量偏大，进而导致计算出来的总储量偏大。由此可见，估算页岩气藏储量的时候，考虑溶解气会更加精确。

4　结论

本文建立同时考虑吸附相密度、基质和裂缝中孔隙体积随压力变化、吸附相体积随压力变化和储存在干酪根中溶解气等多因素影响的物质平衡方程。

通过实例计算发现，忽略溶解气的影响会导致累计产气量中自由气的贡献率偏大，导致计算出来的自由气、吸附气储量偏大，进而导致计算出来的总储量偏大。而且，溶解气的储量占据总储量的4.69%，在进行储量计算时不可忽略溶解气的影响。

符号注释

Bg——当前地层压力下气体的体积系数，m3/m3；

Bgi——页岩气的体积系数，m3/m3；

Cf——裂缝压缩系数，MPa-1；

Cm——基质岩石的压缩系数，MPa-1；

Cw——地层水压缩系数，MPa-1；

CTOC——总有机碳含量，%；

c（p）——干酪根中甲烷的溶解度，m3/m3；

Va——地层条件下吸附相体积，108m3；

Vasc——地面条件下吸附气体积，108m3；

Vdsc（p）——在地面条件下溶解气的体积，10m；

Vdsk（p）——干酪根中溶解气体积，108m3；

Vf——裂缝中游离气储量，108m3；

Vm——基质中自由气的体积，108m3；

ΔVa——解吸气在地层条件下的体积，108m3；

ΔVd——溶解气的扩散量在地层条件下的体积，108m3；

ΔVf——裂缝中孔隙体积的变化量，108m3；

ΔVm——基质中孔隙体积的变化量，108m3；

p——气藏压力，MPa；

pi——气藏原始压力，MPa；

pL——兰氏压力，MPa；

Sfwi——裂缝中束缚水饱和度，f；

Smwi——基质中束缚水饱和度，f；

T——气藏温度，K；

Vdiff——固体干酪根占基质总体积的体积分数，f；

VE——地层压力p下的等温吸附量，m3/t；

VL——兰氏体积，m3/t；

Vrock——基质总体积，108m3；

Vsk——干酪根总体积，108m3；

Vtker——总干酪根占气藏总体积的体积分数，f；

ΔVa——吸附相体积的变化量，108m3；

φads——吸附相的孔隙度，f；

φorg——有机质中自由气所占据的孔隙度，f；

φmt——基质孔隙度，f；

ρb——岩石密度，g/cm3；

ρko——干酪根密度，g/cm3；

ρr——干酪根的相对密度，无量纲；

ρs——地层条件下的吸附相密度，g/cm3；

ρsc——地面条件下的页岩气密度，g/cm3.

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（编辑曹元婷）

A New Method to Calculate Shale Gas Reserves Considering Dissolved Gas in Kerogen

YANG Long，MEI Haiyan，ZHANG Maolin，YUAN En
（School of Petroleum and Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

Predecessors did not consider the dissolved shale gas in kerogen when calculating the shale gas reserves.But it has been proved by some researchers that large amount of shale gas dissolved in kerogen can not be ignored in the calculation.The reserves calculation method ignoring the dissolved gas in kerogen can’t be used to truly and accurately calculate the reserves in shale gas reservoirs.Based on the previous calculation methods for shale gas reserves，a new material balance equation is established considering adsorbed phase density，volumetric variations of matrix and fracture pores with pressure，changes of adsorbed phase volume with pressure and dissolved gas in kerogen.Case study shows that dissolved gas accounts for about 4.69%of the total reserves.Reserves of free gas，adsorbed gas and total gas will be overestimated if dissolved gas is not taken into consideration.Therefore，in order to ensure the accuracy of reserves calculation，dissolved gas must be taken into account in the reserves calculation.

kerogen；shale gas；matrix；fracture；dissolved gas；porosity；material balance equation；reserves calculation

TE15

A

1001-3873（2016）05-0602-04DOI：10.7657/XJPG20160520

2016-03-08

2016-06-23

国家科技重大专项（2016ZX05027004，2016ZX05060006）

杨龙（1992-），男，湖北襄阳人，硕士研究生，油气藏数值模拟与动态分析，（Tel）18190837618（E-mail）1137171129@ qq.com