CN105277464A

CN105277464A - 恢复页岩含气量的方法

Info

Publication number: CN105277464A
Application number: CN201510699029.8A
Authority: CN
Inventors: 黄何鑫; 姜振学; 李卓; 杨潇; 原园; 陈磊; 冯杰
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2035-10-26
Also published as: CN105277464B

Abstract

本发明提供一种恢复页岩含气量的方法，该方法通过吸附含气量以及孔隙体积含气量来恢复泥页岩的原始含气量，其中，所述吸附含气量恢复以Polanyi吸附势、London色散作用势能理论以及气体状态方程为理论基础，结合岩心柱体甲烷等温吸附曲线、气体组分的测试数据，页岩孔隙度与含水饱和度，通过气体在地层温度及95℃解析过程间的吸附含气量变化得到；所述孔隙体积含气量恢复采用孔隙度、含水饱和度的测试数据通过状态方程得到。该含气量恢复方法理论依据更加完善，并且可以恢复泥页岩各气体组分的原始含量，有利于更精确、客观、全面地评估页岩气藏的可开采性。

Description

恢复页岩含气量的方法

技术领域

本发明涉及非常规油气勘探开发技术，尤其涉及一种恢复页岩含气量的方法。

背景技术

页岩气是当今热门的非常规油气资源，因此页岩的开发对于页岩气资源的获取至关重要。在页岩开发前，为了避免勘探开发的经济损失或可采资源的遗失，通常需要对页岩进行评价，而页岩的含气量是评价页岩气资源潜力和预测有利区的重要参考指标，因此，准确的页岩总含气量可以为资源潜力评价和有利区预测提供可靠的依据。

目前有关页岩气的总含气量是将损失气量和解析气量相加得到，而页岩损失气量的估算方法主要采用美国矿业局对煤层损失气估算所采用的USBM法以及以该方法为基础衍生的多种拟合公式来估算页岩气的损失气量。根据USBM法，解吸作用的初期，累计解析气含量和解析时间的二次开方呈线性关系，将最初时间的解析气量数据外推至零时刻，通过最小二乘法或图解法恢复损失气。由于页岩层的深度远大于煤层深度，其在取心方式、钻井泥浆等方面与煤层具有巨大的差异性，因此该方法推广在页岩气损失气量的恢复上存在着很多问题，并且实践证明，在损失时间较长的情况下，USBM法及其衍生的多种拟合公式并不准确。同时，USBM法建立在多种假设条件的基础上，其本身也属于半经验方法，原理并不完善。

发明内容

本发明提供一种恢复页岩含气量的方法，克服现有技术中页岩含气量恢复的理论基础偏差过大而导致页岩含气量恢复不准确的缺陷。

本发明提供一种恢复页岩含气量的方法，包括如下步骤：

1)从压力为P₀、温度为T₁的地层中取页岩，在温度T₁和常压P₁下对取得的页岩进行第一解析，直至无气体产生，收集第一解析气体；

2)在温度T₂和常压P₁下对经所述第一解析的页岩进行第二解析，直至无气体产生，收集第二解析气体并得到其在标准状况下的体积V₂，其中，T₂为95℃；

3)混合所述第一解析气体和第二解析气体，得到含有甲烷的混合气体，对所述混合气体进行分析，得到所述混合气体中各组分的体积百分含量a_i；

4)根据式1，得到所述第二解析气体中各组分在标准状况下的吸附含气量V_2i，

V_{2 i} = [V_{2} - (\frac{T_{2}}{T_{1}} - 1) \cdot V_{0} \cdot q \cdot (1 - w) . \frac{273.15 \cdot P_{1}}{101325 \cdot T_{2}}] \cdot a_{i}

式1

式1中，V₀为所述页岩的体积，q为所述页岩的的孔隙度，w为所述页岩的含水量；

5)根据式2，得到所述页岩中各气体组分从地层到第二解析结束后在标准状况下的吸附含气量V_1i，

V_{1 i} = (\frac{V_{i 2} - V_{i 0}}{V_{i 2} - V_{i 1}}) \cdot V_{2 i}

式2

式2中，V_i0为第i组分气体在地层层位时吸附势对应的测试吸附体积，V_i1为第i气体组分在所述第一解析时吸附势对应的测试吸附体积，V_i2为第i气体组分在所述第二解析时吸附势对应的测试吸附体积；

6)根据式3，得到所述页岩从地层到第二解析结束后由孔隙体积中的气体膨胀所产生的标准状况下的含气量V_p，

V_{p} = (\frac{P 0 \cdot T 2}{P 1 \cdot T 1} - 1) \cdot V_{0} \cdot q \cdot (1 - w) . \frac{273.15 \cdot P 1}{101325 \cdot T 2}

式3

页岩含气量为页岩中各气体组分吸附含气量V_1i和与含气量V_p的总和。

本发明恢复的页岩含气量是指当页岩从地层层位到第二解析结束后，计算出页岩在该过程中的所产生的总气量。

由于页岩从地层到取出至地面的过程中一般会经历数十个小时，因此在取岩过程中页岩释放的气体体积无法进行收集测量，所以本发明对取出地层后的页岩在设定温度压力下的条件下进行了两次解析，在两次解析的过程中页岩产生的气体体积是可以准确测量的，因此利用可以准确测量的气体体积以及Polanyi吸附势理论去计算页岩从地层到第二解析结束后释放气体的总体积。

在第二解析中，页岩释放气体的总体积中包含了该过程中页岩吸附含气量产生的变化和页岩孔隙体积中的气体产生的变化量，具体的，第二解析为等压变温过程，因此利用气体状态方程PV＝nRT与气体中各组分的百分含量得到式1，利用式1计算出页岩在第二解析中产生的各组分气体的吸附含量。

本发明的步骤5)中的式2，是将页岩在第二解析中产生的各组分气体的吸附含量结合Polanyi吸附势获得的。即，采用吸附势理论根据页岩在第二解析中产生的各组分气体的吸附含量获取页岩从地层到第二解析结束后产生的各组分气体的吸附含气量。

由于页岩从地层到第二解析结束后处于变温变压过程，因此利用气体状态方程可以得到本发明步骤6)中的式3，利用式3计算出页岩从地层到第二解析结束后孔隙体积中的气体产生的变化量。

将页岩从地层到第二解析结束后的过程中产生的各组分气体的吸附含量之和与页岩从地层到第二解析结束后孔隙体积中的气体产生的变化量相加，最终获得页岩从地层到第二解析结束后的总含气量。

为了更加客观的表达页岩的含气量，本发明中的气体体积都是统一为标准状况下的气体体积，即压力为101325Pa，温度为0℃时的气体体积，在带入上述等式计算时，温度为热力学温度，单位为K，压力单位为Pa。具体地，气体在标准状况下的体积可以根据式7计算。

式7

其中，V_计算是气体在P_计算和T_计算下的气体体积。这里需要注意的是，页岩在进行解析时的温度与收集气体的温度是不一致的，以第二解析为例，页岩是在温度T₂和常压P₁的解析箱中进行第二解析的，但是收集气体的环境即气体体积的读数环境是在现场温度T₃以及现场压力P₃下进行的，即解析的气体是在解析箱外收集并读数的，因此上述式中的P_计算和T_计算是收集并读出V_计算的环境的压力P₃和温度T₃。

本发明的测量方法中，将页岩产生的总气量分为两大部分，一部分为页岩的吸附气体从地层层位到第二解析结束后所产生的变化量，另一部分为页岩的孔隙体积中的气体从地层层位到第二解析结束后所产生的变化量。由于页岩从地层到取出至地面的过程中释放的气体体积无法进行收集测量，所以本发明对取出地层后的页岩进行两次设定温度压力下的解析，在两次解析的过程中页岩释放的气体体积是可以准确测量的，本发明利用这两次可以准确测量的数据并结合Polanyi吸附势以及气体状态方程势最终获取页岩的含气量，因此本发明所提供的测量页岩含气量的方法的理论依据完善，并且可以测量页岩气体中各组分气体的原始含量，有利于更精确、客观、全面地评估页岩气藏的可开采性。

进一步地，根据甲烷的吸附特性曲线和式4得到第i气体组分的吸附特性曲线，并根据第i气体组分的吸附特性曲线和式5得到所述V_i0、V_i1和V_i2，

式4

式5

式4中，ε_i为第i气体组分在温度为T、压力为P_任意时的吸附势，ε_甲烷为甲烷在温度为T、压力为P_任意时的吸附势，V_mi为第i气体组分的液态摩尔体积，V_m甲烷为液态甲烷的摩尔体积。

其中，吸附特性曲线是V(体积)-ε(吸附势)曲线。具体在应用过程中，第i气体组分的吸附特性曲线绘制方法为，以N₂为例：首先，液态甲烷的密度为426kg/m³，液态氮气的密度为808kg/m³，分别除摩尔质量，得到液态甲烷的摩尔体积V_m甲烷＝0.037558685m³，得到液态氮气的摩尔体积V_m氮气＝0.034653465m³；然后，根据甲烷的吸附特性曲线上具体测试数目的点n个，即可以得到n个ε_甲烷以及对应的n个V_甲烷；最后，将n个ε_甲烷带入式4中得到n个ε_氮气，再根据n个ε_氮气与对应的n个V_甲烷绘制出氮气的吸附特性曲线。其中，为了保证吸附特性曲线的准确性，n≥13。

值得注意的是，本发明的第i气体组分的吸附特性曲线是根据甲烷的吸附特性转换而来的，该转换原理，即式4，是根据London色散作用势能得到的。

同样以N₂为例，计算V_i0时，将地层温度T₁、地层压力P₀以及氮气在T₁时的饱和蒸汽压带入式5中可以得到氮气在地层层位时的吸附势，然后在氮气的吸附特性曲线上找到该条件下的吸附势对应的测试吸附体积即可，同理，可根据该方法获得氮气的在第一解析时吸附势对应的测试吸附体积V_i1和在第二解析时吸附势对应的测试吸附体积V_i2。

进一步地，所述甲烷的吸附特性曲线根据甲烷对于所述页岩的等温吸附曲线与公式6得到，

式6

式6中，ε_甲烷为甲烷在温度为T、压力为P_任意时的吸附势，P_饱和为甲烷在温度T时的饱和蒸汽压。

其中，甲烷对于页岩的等温(本发明对该测试温度不做限制，一般可以选择地层温度T₁)吸附曲线是P(压力)-V(体积)曲线。具体在应用过程中，甲烷的吸附特性曲线绘制方法为：首先，通过甲烷的等温吸附曲线上的m个测试点，即对应m个P_任意和V_任意；然后，分别将m个P_任意带入式6中，此时式6中的T为测试温度，P_饱和为甲烷在测试温度时的饱和蒸汽压，得到m个ε_甲烷；最后，根据m个ε_甲烷与对应的m个V_任意绘制出甲烷的吸附特性曲线。其中，为了保证吸附特性曲线的准确性，m≥13。

本发明中，甲烷对于页岩的等温吸附曲线是P(压力)-V(体积)曲线是根据体积法或者质量法的等温吸附测试方法测出m个(P-V)点绘制的。因此，在绘制甲烷的吸附特性曲线时，就可以采用这m个(P-V)点。

本发明对各组分的吸附特性曲线的绘制软件不做限制，在本发明中所采用的绘制软件为MATLAB。

本发明提供的恢复页岩含气量的方法，将页岩气量分为页岩气中不同组分的吸附含气量与孔隙体积含气量两部分，通过Polanyi吸附势理论、London色散作用势能理论、气体状态方程以及真实可测的数据最终还原了页岩的含气量，避免了半经验公式在页岩含气量测量中带来的不确定性，使页岩气含气量的测量建立在质量守恒的现实背景基础上，理论依据更加完善。同时，本发明的恢复方法中考虑了不同组分气体的特性，既避免了将不同组分气体统一计算的不合理性，有可以明确页岩气中有效组分甲烷的含量，为页岩的资源潜力以及有利区的预测提供了客观的参考基础。

附图说明

图1为本发明实施例的CH₄对于页岩的等温(30℃)吸附曲线；

图2为本发明实施例的CH₄的吸附特性曲线；

图3为本发明实施例的N₂的吸附特性曲线；

图4为本发明实施例的CO₂的吸附特性曲线。

具体实施方式

实施例

本实施例针对渝东南的页岩进行页岩含气量测量，包括如下步骤：

1)第一解析：从压力P₀＝7100751.744Pa、温度T₁＝30℃的地层中取页岩，将页岩处于解析箱中进行第一解析，设定解析箱的压力P_1＝99665Pa(常压)，温度T₁＝30℃，直至无气体产生，收集第一解析气体；

2)第二解析：设定解析箱的温度T₂＝为95℃，压力P₁＝99665Pa，对经第一解析的页岩进行第二解析，直至无气体产生，收集第二解析气体31mL(收集气体的环境压力P₃＝99665Pa，T₃＝12℃)，通过式7得到第二解析气体在标准状况下的体积为29.2089cm³，

式7

其中，V_计算＝31cm³，P_计算＝99665Pa，T_计算＝(12+273.15)＝285.15K；

3)混合所述第一解析气体和第二解析气体，得到含有甲烷的混合气体，对所述混合气体进行气相色谱法分析，得到所述混合气体中主要含有CH₄92.0150952％，N₂4.3717564％，CO₂3.6131484％。；

4)对解析完毕的页岩采用He孔隙度方法测定，本实施例的页岩的体积为786.63896cm³，孔隙度2.71％，含水百分比为15.3％(含水饱和度的数据来自于测井解释曲线上深度±0.0625m的范围内的含水饱和度)。

根据式1，

V_{2 i} = [V_{2} - (\frac{T_{2}}{T_{1}} - 1) \cdot V_{0} \cdot q \cdot (1 - w) . \frac{273.15 \cdot P_{1}}{101325 \cdot T_{2}}] \cdot a_{i}

式1

得到所述第二解析气体中CH₄在标准状况下的吸附含气量V_2i＝24.27695436cm³，N₂在标准状况下的吸附含气量V_2i＝0.953280966cm³，CO₂在标准状况下的吸附含气量V_2i＝1.153429558cm³。

式1中，V₂＝29.2089cm³，T₁＝303.15K，T₂＝368.15K，P₁＝99665Pa。

5)关于CH₄、N₂、CO₂各自从地层到第二解析结束后在标准状况下的吸附含气量V_1i的计算。

对于CH₄：

图1为本发明示实施例的CH₄对于页岩的等温(30℃)吸附曲线。在图1中，采用测试的16个(P-V)点(见下表1)，将16个点对应的压力数据带入式6中，

式6

其中，R＝8.314J/mol/K，T＝(273.15+30)K，CH₄在30℃的P_饱和＝118955626.1Pa，通过计算得到16个对应的ε_甲烷(见下表1)，根据16个(V-ε_甲烷)绘制出CH₄的吸附特性曲线，图2为本发明实施例的CH₄的吸附特性曲线。

根据式5，得到CH₄在地层层位时的吸附势ε_i0＝7.103842385kJ/mol、在所述第一解析时的吸附势ε_i1＝17.85617861kJ/mol以及在第二解析时的吸附势ε_i2＝23.84523157kJ/mol，

式5

其中，R＝8.314J/mol/K，计算ε_i0时，T＝(30+273.15)K，P_任意＝7100751.744Pa，P_饱和(30℃)＝118955626.1Pa；计算ε_i1时，T＝(30+273.15)K，P_任意＝99665Pa，P_饱和(30℃)＝118955626.1Pa；计算ε_i2时，T＝(95+273.15)K，P_任意＝99665Pa，P_饱和(95℃)＝240948730.1Pa。

在CH₄的吸附特性曲线，找到分别与ε_i0、ε_i1以及ε_i2对应的V_i0、V_i1以及V_i2，再将第二解析气体中CH₄在标准状况下的吸附含气量V_2i＝24.27695436cm³带入式2中，得到页岩中CH₄从地层到第二解析结束后在标准状况下的吸附含气量V_1i为1198.634446cm³

V_{1 i} = (\frac{V_{i 2} - V_{i 0}}{V_{i 2} - V_{i 1}}) \cdot V_{2 i}

式2

表1CH₄的P-V-ε对应表

	P/Pa	V/mL/g	ε/kJ/mol
				1	497370	0.085253486	13.80460359
2	997690	0.157478579	12.05013959
				3	2006580	0.276784838	10.28903169
4	3008740	0.368973954	9.268048261
				5	4000350	0.438711297	8.550089036
6	6007760	0.548348252	7.525122124
				7	7999520	0.625451639	6.803460189
8	9993440	0.681440624	6.242554305
				9	12994210	0.746515673	5.580763147
10	14992660	0.777594849	5.22020416
				11	19005210	0.825542862	4.622487826
12	22001260	0.853601255	4.253536705
				13	24993480	0.87519557	3.932148617
14	28992510	0.898992461	3.558066091

15	32004300	0.912945995	3.30896911
				16	34995490	0.925716947	3.083775048

对于N₂：

式4

其中，

将表1中的16个ε_甲烷带入式4中，得到16个对应的ε_氮气(见下表2)，将计算出的16个ε_氮气与表1中的16个V对应，绘制出N₂的吸附特性曲线，图3为本发明实施例的N₂的吸附特性曲线。

根据式5，得到N₂在地层层位时的吸附势ε_i0＝6.515046199kJ/mol、在所述第一解析时的吸附势ε_i1＝17.26738242kJ/mol以及在第二解析时的吸附势ε_i2＝22.23513894kJ/mol，

式5

其中，R＝8.314J/mol/K，计算ε_i0时，T＝(30+273.15)K，P_任意＝7100751.744Pa，P_饱和(30℃)＝94173358.6567508Pa；计算ε_i1时，T＝(30+273.15)K，P_任意＝99665Pa，P_饱和(30℃)＝94173358.6567508Pa；计算ε_i2时，T＝(95+273.15)K，P_任意＝99665Pa，P_饱和(95℃)＝142386826.245744Pa。

在N₂的吸附特性曲线，找到分别与ε_i0、ε_i1以及ε_i2对应的V_i0、V_i1以及V_i2，再将第二解析气体中N₂在标准状况下的吸附含气量V_2i＝0.953280966cm³带入式2中，得到页岩中N₂从地层到第二解析结束后在标准状况下的吸附含气量V_1i为43.93983546cm³

V_{1 i} = (\frac{V_{i 2} - V_{i 0}}{V_{i 2} - V_{i 1}}) \cdot V_{2 i}

式2

表2N₂吸附特性曲线V-ε对应表

	V/mL	ε/kJ/mol
			1	0.085253486	12.73612727
2	0.157478579	11.11745879
			3	0.276784838	9.492660636
4	0.368973954	8.550701326
			5	0.438711297	7.888312144
6	0.548348252	6.942677672
			7	0.625451639	6.276872371
8	0.681440624	5.759380602
			9	0.746515673	5.14881208
10	0.777594849	4.816160358
			11	0.825542862	4.264707268

12	0.853601255	3.924312964
			13	0.87519557	3.627800314
14	0.898992461	3.282671775
			15	0.912945995	3.052854901
16	0.925716947	2.845090859

对于CO₂：

式4

其中，

将表1中的16个ε_甲烷带入式4中，得到16个对应的ε_二氧化碳(见下表3)，将计算出的16个ε_二氧化碳与表1中的16个V对应，绘制出CO₂的吸附特性曲线，图4为本发明实施例的CO₂的吸附特性曲线。

根据式5，得到CO₂在地层层位时的吸附势ε_i0＝3.555438835kJ/mol、在所述第一解析时的吸附势ε_i1＝14.30777505kJ/mol以及在第二解析时的吸附势ε_i2＝22.79913562kJ/mol，

式5

其中，R＝8.314J/mol/K，计算ε_i0时，T＝(30+273.15)K，P_任意＝7100751.744Pa，P_饱和(30℃)＝29103873.35Pa；计算ε_i1时，T＝(30+273.15)K，P_任意＝99665Pa，P_饱和(30℃)＝29103873.35Pa；计算ε_i2时，T＝(95+273.15)K，P_任意＝99665Pa，P_饱和(95℃)＝171196497Pa。

在CO₂的吸附特性曲线，找到分别与ε_i0、ε_i1以及ε_i2对应的V_i0、V_i1以及V_i2，再将第二解析气体中CO₂在标准状况下的吸附含气量V_2i＝1.153429558cm³带入式2中，得到页岩中CO₂从地层到第二解析结束后在标准状况下的吸附含气量V_1i为2.406723147cm³

V_{1 i} = (\frac{V_{i 2} - V_{i 0}}{V_{i 2} - V_{i 1}}) \cdot V_{2 i}

式2

表3CO₂吸附特性曲线V-ε对应表

	V/mL	ε/kJ/mol
			1	0.085253486	27.11638284
2	0.157478579	23.6700892
			3	0.276784838	20.21074495
4	0.368973954	18.2052272
			5	0.438711297	16.79493989
6	0.548348252	14.78159739
			7	0.625451639	13.36403685

8	0.681440624	12.26224942
			9	0.746515673	10.96229305
10	0.777594849	10.25404703
			11	0.825542862	9.079952837
12	0.853601255	8.355222149
			13	0.87519557	7.723919529
14	0.898992461	6.989109222
			15	0.912945995	6.499808023
16	0.925716947	6.057459326

6)根据式3，得到页岩从地层到第二解析结束后由孔隙体积中的气体膨胀所产生的标准状况下的含气量V_p＝1126.966038cm³，

V_{p} = (\frac{P_{0} \cdot T_{2}}{P_{1} \cdot T_{1}} - 1) \cdot V_{0} \cdot q \cdot (1 - w) . \frac{273.15 \cdot P_{1}}{101325 \cdot T_{2}}

式3

其中，P₀＝7100751.744Pa，P_1＝99665Pa，T₂＝368.15K，T₁＝303.15K。

因此，本实施例中的页岩含气量V＝各气体组分吸附含气量V_1i+含气量V_p＝1198.634446+43.93983546+2.406723147+1126.966038＝2371.947043(cm³)

本发明提供的恢复页岩含气量的方法，将页岩气量分为页岩气中不同组分的吸附含气量与孔隙体积含气量两部分，通过Polanyi吸附势理论、London色散作用势能理论、气体状态方程以及真实可测的数据最终还原了页岩的含气量，避免了半经验公式在页岩含气量测量中带来的不确定性，使页岩气含气量的恢复建立在质量守恒的现实背景基础上，理论依据更加完善，为页岩的资源潜力以及有利区的预测提供了客观的参考基础。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种恢复页岩含气量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

V_{2 i} = [V_{2} - (\frac{T_{2}}{T_{1}} - 1) \cdot V_{0} \cdot q \cdot (1 - w) \cdot \frac{273.15 \cdot P_{1}}{101325 \cdot T_{2}}] \cdot a_{i}

式1

式1中，V₀为所述页岩的体积，q为所述页岩的的孔隙度，w为所述页岩的含水比例；

V_{1 i} = (\frac{V_{i 2} - V_{i 0}}{V_{i 2} - V_{i 1}}) \cdot V_{2 i}

式2

V_{p} = (\frac{P_{0} \cdot T_{2}}{P_{1} \cdot T_{1}} - 1) \cdot V_{0} \cdot q \cdot (1 - w) \cdot \frac{273.15 \cdot P_{1}}{101325 \cdot T_{2}}

式3

页岩含气量为页岩中各气体组分吸附含气量V_1i之和与含气量V_p的总和。

2.根据权利要求1所述的恢复页岩含气量的方法，其特征在于，根据甲烷的吸附特性曲线和式4得到第i气体组分的吸附特性曲线，并根据第i气体组分的吸附特性曲线和式5得到所述V_i0、V_i1和V_i2，

式4

式5

3.根据权利要求2所述的恢复页岩含气量的方法，其特征在于，所述甲烷的吸附特性曲线根据甲烷对于所述页岩的等温吸附曲线与公式6得到，

式6