高温、高压条件下的页岩气吸附规律研究

郭秋田 向祖平 李志军 马 群 刘 阳 刘先山 梁洪彬

(1. 重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；2. 中国石油塔里木油田公司， 新疆 库尔勒 841000； 3. 中国石油冀东油田， 河北 唐山 063004)

高温、高压条件下的页岩气吸附规律研究

郭秋田1向祖平1李志军1马 群2刘 阳3刘先山1梁洪彬1

(1. 重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；2. 中国石油塔里木油田公司， 新疆 库尔勒 841000； 3. 中国石油冀东油田， 河北 唐山 063004)

为了研究高温、高压条件下的页岩气吸附规律，设计了页岩气吸附装置。取四川某油田的岩样与甲烷气体进行吸附实验研究。实验结果表明，在相同压力条件下，温度越高，页岩对甲烷气体的吸附量越小。当温度较高时，页岩对甲烷的吸附量随着温度的升高而缓慢减小; 当温度恒定且压力小于5 MPa时，页岩对甲烷气体的吸附量随着压力增加而逐渐增大。当压力较大时，页岩对甲烷气体的吸附量增幅变缓；页岩颗粒的目数对页岩吸附的影响不显著。利用Langmuir方程对此吸附规律进行拟合，拟合结果较好。

页岩气； 高温； 高压； 吸附量； Langmuir方程

页岩气藏是具有自生、自储、自保等特点的一种非常规天然气藏，储层富含大量有机质，具有基质孔隙和裂缝双重孔隙结构[1]。其特珠的成藏过程及复杂的储层微观孔隙结构，决定了页岩气赋存状态的多样性，以游离态、吸附态、溶解态等形式存在于储层中，其中吸附态页岩气占页岩气总量的20%～85%[2]。由于页岩孔隙的比表面积对页岩气具有较强的吸附能力[3]，所以吸附态页岩气主要储集在比表面积巨大的有机质孔隙中。页岩气储层的实际温度和压力一般高于实验条件下的温度和压力[4]。在高温高压储层中，页岩气是否符合等温吸附的变化规律，仍需进一步深入了解。

目前学界并未给出明确的页岩气吸附、解吸附实验装置使用规范。采用煤层气高压容量法吸附装置进行实验时，往往误差较大[5]。本次研究在国内外页岩气吸附量测试实验装置的基础之上，根据物质状态平衡原理，自行设计页岩气吸附实验装置，模拟储层高温、高压环境，探讨页岩气的吸附规律。

1 页岩气吸附-解吸附实验

1.1 实验装置及原理

根据物质状态平衡原理，设计了页岩气吸附-解吸附实验装置。该装置所有部件可承受的实验压力为0～60 MPa，温度为0～100 ℃。该实验装置的压力计量精度为0.001 MPa，温度计量精度为0.1 ℃。吸附罐、充气罐、增压罐与各部分的连接采用不锈钢装置，吸附罐、充气罐的容积分别为37.147 1、21.531 8 cm3。该装置配备了数据自动采集系统，可连续记录体系的温度和压力，以确保数据监测和记量的准确性。图1所示为页岩气吸附-解吸附实验装置示意图。

页岩气吸附-解吸附原理是：当充气罐中充满被测气体时，在稳定的充气罐初始压力p1下，根据气体状态方程pV=ZnRT，计算进入充气罐内的气体总物质量n1；打开充气罐和吸附罐之间的连通阀，此时的平衡压力为p平;分别计算此时充气罐和吸附罐体系中的物质量n2、n3，气体在此压力下的吸附量为na=n1-(n2+n3)。

1 — 真空电阻表；2 — 压力表；3 — 真空泵；4 — 阀门；5 — 充气罐；6 — 样品罐；7 — 压力敏感器；8 — 温度敏感器；9 — 恒温箱。

图1 页岩气吸附-解吸附实验装置示意图

1.2 实验样品

实验样品包括：页岩，来自四川盆地某探井；高纯甲烷，纯度为99.99%；高纯度氦气，纯度为99.99%。页岩样品有机碳及泥质含量见表1。

表1 实验样品信息

1.3 实验方法

按照《中华人民共和国石油天然气行业标准-煤岩中甲烷等温吸附量测定容量法》的要求进行实验，步骤如下：

(1) 根据实验装置图连接实验设备，检查装置的气密性。

(2) 将岩样粉碎，筛分，制得60～200目的粉末，并在105 ℃高温下烘90 min，取出放入干燥器内冷却至室温，称重后放入吸附罐中，抽真空至真空度达到4 MPa。

(3) 利用氦气标定充气罐体积和吸附罐自由空间体积。

(4) 将甲烷气体充入到已知体积的充气罐中，当气体压力稳定时，记录充气罐的压力。缓慢打开吸附罐阀门，当充气罐和吸附罐压力平衡后，记录平衡压力和温度，计算此时体系中气体吸附量。重复此步骤，逐步升高实验压力，完成吸附测试实验。

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

分别在30、60、90 ℃及不同压力条件下，记录页岩对甲烷气体的吸附量和解吸附量。根据实验数据绘制图2、图3所示等温吸附曲线。

图2 不同温度下等温吸附曲线

图3 不同目数下的等温吸附曲线

可以看出：

(1) 同一压力条件下，温度越高，页岩对甲烷气体的吸附量越小。当温度较高时，随着压力的增加，页岩对甲烷的吸附量增幅减小。

(2) 当温度恒定且压力小于5 MPa时，随着压力的增加，页岩对甲烷气体的吸附量逐渐增大。当压力大于5 MPa时，页岩对甲烷气体的吸附量增幅变小。

(3) 页岩颗粒的目数(60～200目)对页岩吸附的影响不大。根据本实验吸附装置，选用120目颗粒用于吸附实验研究。

2.2 模型拟合

由实验结果可知，该岩样对甲烷吸附量与压力的变化曲线与I型等温吸附曲线相吻合，故可确定该岩样储层对页岩气的吸附为Ⅰ型等温吸附，其吸附规律可用Langmuir方程进行描述。各岩样拟合曲线如图4 — 图9所示，岩样拟合参数如表2所示。

图4 30 ℃下岩样YY-1拟合曲线

图5 30 ℃下岩样YY-2拟合曲线

图6 30 ℃下岩样YY-3拟合曲线

图7 60 ℃下岩样YY-3拟合曲线

图8 60 ℃下岩样YY-2拟合曲线

图9 90 ℃下岩样YY-1拟合曲线

利用Langmuir吸附方程对页岩气高温高压下吸附数据进行拟合，拟合结果相关性较高，相关系数均在0.99以上。这说明该区域页岩气吸附规律服从Langmuir等温吸附规律，其吸附过程可用Langmuir方程进行描述。

(1) 当温度为30 ℃时，该区域页岩平均吸附体积为0.873 m3t；当温度为60 ℃时，平均吸附体积为0.583 m3t。该岩样深度为1 485 m，该区域页岩的吸附能力较低。

表2 岩样拟合方程参数

(2) 当实验温度为30 ℃时，平均平衡压力pL为3.913 MPa；当温度为60 ℃时，平均平衡压力pL为4.108 MPa。这表明该区域页岩在高压条件下等温吸附曲线的曲率较小，随着压力的增加，页岩气的吸附量增幅逐渐减小。

3 结 语

通过实验研究，总结出以下吸附规律：

(1) 从总体上看，该区域页岩气吸附量相对较小。当温度恒定时，页岩气吸附量随着压力的增大而增加；当压力恒定时，页岩气吸附量随温度的升高而减小。

(2) 页岩岩样颗粒目数对页岩气吸附量的影响不大。

(3) 该区域页岩高压条件下的吸附规律可用Langmuir等温吸附方程描述。应用Langmuir方程对页岩气吸附实验结果进行拟合，相关系数均达到0.99以上。通过Langmuir变形方程可知，该区域高压条件下等温吸附曲线的曲率较小，随着压力的增加，页岩气的吸附量增幅逐渐变小。

[1] ZHANG L H，LI J C，TANG H M，et al.Fractal pore structure model and multiplayer fractal adsorption in shale[J].Fractals，2014，22(3)：100-102.

[2] 张烈辉，郭晶晶，唐洪明.页岩气藏开发基础[M].北京：石油工业出版社，2014：15-18.

[3] 杨峰，宁正福，刘慧卿，等.页岩对甲烷的等温吸附特性研究[J]，特种油气藏，2013(5):133-136.

[4] THOMAS R，MICHAEL B，ANDREW C A，et al.Methane adsorption on shale under simulated geological temperature and pressure conditions[J].Energy Fuels，2013，27 (6)：3099-3109.

[5] 杨盛波.页岩气吸附解吸实验研究[J].特种油气藏，2013(5):133-136.

Research on Shale Gas Adsorption Law Under High Temperature and High Pressure

GUOQiutian1XIANGZuping1LIZhijun1MAQun2LIUYang3LIUXianshan1LIANGHongbin1

(1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China;2.PertoChina Tarim Oilfield Company, Korla Xinjiang 841000, China; 3.PertoChina Jidong Oilfield, Tangshan Hebei 063004, China)

To study the shale gas adsorption law under the condition of high temperature and high pressure, adsorption device is designed for the shale gas. The adsorption experiments of rock samples and methane gas from a basin in Sichuan are carried out with this device, in different temperature and under the condition of different pressure. The experimental results show that under the condition of the same pressure, the higher the temperature, shale on methane gas adsorption quantity decreases. When the temperature is high, with the increase of temperature, shale of methane adsorption quantity reduces gradually. When a constant temperature and pressure is less than 5 MPa, with the increase of pressure, shale of methane gas adsorption capacity increases gradually. When pressure is high, shale gas adsorption of methane increases at a slow speed; the effect of shale particle mesh on the absorption of shale is not significant. The adsorption law is fitted with Langmuir equation, and fitting results are good.

shale gas; high temperature; high pressure; adsorption capacity; Langmuir equation

2017-01-20

重庆市基础与前沿研究计划项目“页岩气藏体积压裂水平井非线性渗流理论及流 — 固耦合综合模型研究”(CSTC2015JCYJA90014);中国石油科技创新基金项目“基于裂缝变形机理的页岩气藏体积压裂水平井流体流动规律研究”(2015D-5006-0207);重庆科技学院校内科研基金“页岩气数值试井理论研究”(CK2015B10);重庆科技学院研究生科技创新计划项目“页岩气高温高压下解吸附模型研究”(YKJCX2015023)，“苏里格致密气藏气井产量递减规律分析方法研究”(YKJCX1620141)

郭秋田(1992 — )，女，黑龙江七台河人，重庆科技学院石油与天然气工程学院在读硕士研究生，研究方向为复杂油气藏开发理论及数值模拟。

TE311

A

1673-1980(2017)04-0001-04