页岩含气量中损失气确定方法浅析

秦晓艳

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)

页岩气是主体上以吸附或游离态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气聚集，仅发生了初次运移或非常有限的二次运移，为典型的“原地”成藏。随着北美页岩气的成功开采[1]～[3]，国内众多学者(邹才能，2010;李玉喜等，2011;张金川等，2012)通过与北美页岩气盆地成藏机理、地质条件及关键性要素的对比分析开展了相关基础研究，对国内含油气盆地的页岩气资源潜力进行评估，认为我国南方局部及西北和华北的古、中生界地层均具有页岩气成藏地质条件[4]～[6]，并在部分重点地区开展了页岩气藏潜力评价和区带优选工作。经过初步评估，我国页岩气资源潜力与美国相当，资源量变化范围:23～100×1012m3。目前页岩气勘探评价面临很多与常规油气评价完全不同的科学问题，其中含气量作为评价其富集程度的一个重要参数，如何准确确定页岩含气量，仍然是页岩气储层研究和资源评价中的重点和难点问题。

1 页岩含气量确定方法

目前，页岩含气量的测定尚缺乏统一的行业标准和实验技术。常用到的页岩含气量测量方法可以分为直接测定法和间接获得法两类。

因页岩气具有和煤层气较强的相似性，直接法测定含气量主要参照的是煤层气行业中的测定方法，再结合页岩的特性对实验方法和参数做相应的修改，即通过现场钻井岩心和有代表性的岩屑密闭封存于金属解析罐中，后在实验室利用水浴加热的方法，模拟真实地层条件，采用排水集气法进行解吸测定其实际含气量(见图1)。间接法获得含气量主要为通过等温吸附实验拟合或通过建立测井解释含气模型间接得到。其中，等温吸附法通常评价的是页岩的最大含气能力，测井解释法目前尚处于探索阶段，准确性难以把握。因此，直接解吸是目前获得页岩含气量的主要方法。

图1 直接解吸法测量含气量流程

根据直接解吸法测定含气量的原理和方法过程，其气量由三部分组成分别为损失气量、解吸气量和粉碎后的残余气量(见图2)，各部分气量的确定方法为:

图2 解吸法含气量构成图

1.1 损失气量确定方法

损失气量是指钻遇页岩层系后在取心过程中，岩心提离井筒取出，至现场封入解吸罐之前，由于温度、压力不断降低，发生自然解吸而逸散的气体体积。

该部分气体无法测定，可根据损失时间的长短及实测解吸气量的变化速率并结合气体逸散理论模型来进行理论估算。

1.2 解吸气量确定方法

解吸气量是指岩心装入解吸罐之后解吸脱出的气体总量。直接测定含气量的解吸方式有自然解吸和快速解吸两种。自然解吸时间长，但测量结果比较准确，根据解吸气量的大小，解吸时间通常延续2周至2个月，在1周内平均解吸速度小于10 cm3/d时可终止解吸，测定其总解吸气量。因自然解吸耗时长，测定过程中可通过适当提高解吸温度和连续观测，并选择匹配的终止限，可以合理而有效地缩短测定周期。快速解吸时间短，主要在野外现场使用。

1.3 残余气量确定方法

残余气量是指解吸罐中终止解吸后仍残留在岩样中的气体。一般将岩样装入密闭的球磨罐中粉碎至细于60目的粉末，水浴加热后放入恒温装置中，待恢复到储层温度后，在大气压力下按规定的时间间隔反复进行气体解吸，直至连续1周解吸的气体量小于10 cm3/d时终止解吸，测定其总残余气量。

2 损失气计算方法及存在问题

因解吸气和残余气都可通过实验直接测得数据，而损失气需通过理论模型估算，因此，该部分气体的估算误差是影响直接法测定含气量准确性的一大因素。取心耗费的时间、设计的测定实验方法及估算理论模型的差异，结果都不尽相同，如何准确估算损失气量是一个值得关注的问题。

估算损失气含量的方法很多[7]～[10]，Bertard、Kissell、Ulery和 Hyman、Yee、Smith William、Mavor等对此开展了大量工作，其中著名的有 USBM直线回归法、Smith William法、曲线拟合法等，其中USBM直线回归法在业界应用最为广泛。由美国矿务局(United States Bureau of Mines)制定的USBM直线回归法估算损失气量的基本假设为:岩样为均质圆柱型模型;基于气体扩散过程中温度、扩散速率恒定不变，扩散开始时表面浓度为零;气体浓度从颗粒中心扩散到表面的变化是瞬时的。该模型数值解表明:解吸初期累计解吸气量与解吸时间的平方根近似成正比，可利用解吸过程前4小时的线性解吸速率数据来反推损失时间段的损失气量。其数学表达式为:

式中:V损为损失气量，cm3;V测为实测解吸气量，cm3;T0为损失时间，min;T为实测解吸时间，min;a为根据实测解吸数据拟合出的常数。

可见，实测解吸数据拟合出的比例常数 a是USBM直线回归法计算损失气的关键参数。据范章群(2010)模拟实验，煤层气在提心、地面暴露的损失阶段的解吸速率明显大于解吸罐中早期的解吸速率。其中提心阶段解吸曲线的斜率a1最大，呈指数变化，地面暴露阶段的 a2为中间过渡型，呈线性变化，解吸罐中早期解析速率 a最小，亦呈线性变化。因此，USBM算法中利用较小的线性解吸速率 a代替 a1和 a2，估算较大的非线性和线性段的解吸量，必然导致估算结果出现较大误差。刘洪林(2010)、赵群(2013)等学者通过实践研究也认为USBM法在损失时间很短，损失气量不大(含量＜20%)时，估算结果较为准确，其他情况下，该方法估算结果存在较大偏差[12]、[13]。

3 页岩损失气量估算方法的改进建议

页岩气与煤层气在形成机理和储层属性上有很多类似，因此煤层气解吸损失气量的相关讨论在一定意义上可为页岩气提供借鉴。而页岩埋深普遍较煤层深，并发育不均匀裂缝，岩性更加致密具有较强非均质性，含气量明显小于煤层气。因此，其在损失过程中，解吸速率也应不直接等同于单一解吸时间段内的解析速率。

同时考虑到页岩中存在溶解气，其总含气量还需在损失气基础上做进一步校正。

直接解吸是获得页岩含气量最直接的方法，在测定的过程中，测量结果受取心时间、测定方法、实验技术，损失气量估算模型、解吸温度等综合因素的影响，想要正确估算页岩气损失气量，我们尚需找到一种方法，结合页岩气的实验数据，正确认识页岩解析速率随时间，温压条件改变的规律，对理想扩散模型进行校正，在USBM法的基础上，区分不同阶段解吸速率的变化，利用分段回归逐步拟合，靠近真实的解析过程以准确估算损失气量。因此，准确估算页岩损失气量的研究工作需重点集中在估算模型的改进、优化外在因素－设计更高分辨率的解吸测试仪器、紧密衔接实验过程等方面上，尽量设计密闭取心，减少影响损失气量的变化因素，同时可利用页岩不同温压条件下的吸附实验反演解吸的过程，研究其不同解吸时间段的解吸速率，为校正USBM模型提供数据依据。

4 结语

页岩气的勘探开发过程中含气量的准确确定至关重要，其中损失气含量是影响含气量精度的最主要部分。其确定方法的研究还处于探索阶段，目前估算损失气量的方法很多，本文只是在USBM法的基础上，借鉴之前学者发现的煤层气损失气量估算过程时长期存在的问题，针对页岩气提出了改进建议。即在正确认识页岩解吸速率随时间，温压条件改变的规律的前提下，在USBM法的基础上，区分不同阶段解吸速率的变化，利用分段回归逐步拟合，靠近真实的解析过程以准确估算损失气量。而研究过程中如何将更先进分辨率更高的测试技术应用于页岩气解吸实验中，提高测试数据的精度，如何建立准确的回归模型，为页岩气的勘探提供重要的技术支撑，是一项急待解决的课题。

[1]Mavor M.B.Barnett shale gas－in－place volume including sorbed and free gas volume[C].AAPG Southwest meeting，2003.

[2]Scott L.M，Daniel M.J，Kent A.B，et al.Mississippian Barnett shale，Fort Worth basin，north－central Texas:Gas－shale play with multi– trillion cubic foot potential[J].AAPG Bulletin，2005，89(2):155－175.

[3]Marvin D.B.Geologic analysis of the Upper Jurassic Haynesville Shale in east Texas and west Louisiana:Discussion[J]. AAPG Bulletin，2013，97(3):525 － 528.

[4]张金川，林腊梅，李玉喜，等.页岩气资源评价方法与技术:概率体积法[J].地学前缘.2012，19(2):184－191.

[5]李玉喜，乔德武，姜文利，等.页岩气含气量和页岩气地质评价综述[J].地质通报.2011，30(23):308－317.

[6]邹才能，董大忠，王社教，等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J].石油勘探与开发.2010，37(6):641－653.

[7]Olszewsk A.J，Luffel D.J，Zuber M.D，et al.Development of formation evaluation technology for coalbed methane[R].Chicago:Gas Research Institute，1993.

[8]Zuber M.D，Olszewskl A.J.The Impact of errors in eeasurements of coalbed methane reservoir properties on well production forecasts[C].Washington D C ，the 67th Annual Technical Conference and Exhibition，1992.

[9]Shtepani E，Noll A，Elprod W，et al.A new regression － based method for accurate measurement of coal and shale gas content[J]. Reservoir Evaluation ＆ Engineering，2010，13(2):359 － 364.

[10]Noelb W.Comparison of lost projections in coalbed methane[C].AAPG Poster Session，2004.

[11]姜文利，赵素平，张金川，等.煤层气与页岩气聚集主控因素对比[J].天然气地球科学.2010，21(6):1057 －1060.

[12]范章群，张群，卢相臣，等.煤层气损失气含量及其影响因素分析[J].煤炭科学技术.2010，38(3):104－108.

[13]刘洪林，邓泽，刘德勋，等.页岩含气量测试中有关损失气量估算方法[J].石油钻采工艺.2010，32(增刊):156－158.

[14]赵群，王红岩，杨慎，等.一种计算页岩岩心解吸测试中损失气量的新方法[J].天然气工业.2013，33(5):30－34.

[15]张群，杨锡禄.煤中残余气含量及其影响因素[J].煤田地质与勘探.1999，27(5):26 －28.