一种页岩原位含气量的定量评价方法

1.目的

原位含气量和吸附气含量/游离气含量比值是页岩气资源潜力评估和储集层甜点预测不可或缺的两个重要参数。其中含气量评价普遍采用USBM法，该方法理论上更适用于取心时间较短、吸附气含量比例较高的煤层气样品，而应用于深层页岩气样品时则通常会存在着较大的误差。吸附气含量评价常用等温吸附法，但由于等温吸附实验难以模拟地层原位条件，其评价结果的可信度同样也存在着较大的争议。页岩气现场解吸过程的同位素分馏特征与页岩含气量和吸附气含量/游离气含量比值密切相关，因而借助于建立页岩气解吸过程同位素分馏定量表征模型，有可能为准确评价页岩原位含气性参数提供全新的方法，进而以此破解上述难题。

2.方法

以川南上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩气为研究对象，分别对龙一1亚段不同小层实施常规取心和保压取心。对于常规取心页岩样品，在出筒后及时开展现场解吸实验，解吸过程中计量、采集气样并测试同位素比值。对于保压取心页岩样品，先后开展降压排采实验和常压解吸实验，获取准确的含气量数据，降压排采和常压解吸过程中计量、采集气样并测试同位素组成。开展现场解吸实验后，通过室内测试分析获取样品的物质组成和孔隙结构参数。结合对应页岩样品解吸气量和同位素分馏特征，明确页岩气解吸过程同位素分馏影响因素及机理，建立定量表征模型，并通过标定实测解吸数据获取准确的含气量和吸附气比例。

建立定量表征模型的步骤包括：①建立综合考虑游离气扩散作用和吸附气吸附—解吸作用的控制方程[公式（1）]；②根据储层原始压力设置模型的初始条件，根据取心过程设置模型的内、外边界条件；③标定实测解吸气量和同位素数据，优化获取公式（1）中的D、D*、VL、PL等参数；④将优化参数重新代入模型中计算获取页岩原位含气量和吸附气含量/游离气含量比值[公式（2）]。

控制方程：

求解p和p*后，可由下式计算任意解吸时刻的解析气量和吸附气含量比例：

式中φ表示孔隙度；p、p*分别表示12CH4和13CH4的气体压力，Pa；t表示解吸时间，s；x表示距离，m；m表示形状因子；D、D*分别表示12CH4和13CH4的扩散系数，m2/s；θ表示吸附气覆盖率；c表示质量平衡系数，Pa；ρ表示岩石视密度，g/cm3；VL表示朗格缪尔体积，cm3/g；R表示摩尔气体常数，8.314J/(mol·K)；T表示温度，K；Vm表示气体摩尔体积，22.4 L/mol；PL表示朗格缪尔压力，Pa；α表示吸附相与游离相平衡分馏因子；Qfree、Qads、Qtotal、Rads分别表示游离气量、吸附气量、总含气量、吸附气比例；r表示岩心半径，m；z表示压缩因子。

3.应用及效果

实际应用效果表明，基于同位素分馏模型计算的累计解吸气量和所反映出的同位素分馏特征，均与现场实测数据具有良好的拟合效果（图1-a、b），表明该模型在表征页岩气解吸过程具有很好的适用性。该模型计算得出的含气量结果与保压取心数据最为接近，体现了其较之于传统方法具有更高的准确性（图1-c、d）。此外，同位素分馏模型还能有效地评价吸附气含量比例这一项关键参数。该技术目前已在四川盆地南部泸州、长宁地区数十口井进行了推广应用，取得了较好的评价效果，为泸州地区深层页岩气原位含气量和吸附气含量/游离气含量比值的准确评估提供了理论和技术支撑，也为我国页岩气资源潜力评估、有利区/层位优选及高效开发提供了帮助和指导。

图1 同位素分馏模型评价结果分析与对比图