非常规天然气含量解析法实验教学实践

韩双彪， 张金川

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083）

0 引 言

已投入工业性开发生产的非常规天然气包括煤层气、页岩气及致密砂岩气，近年来的发展速度异常迅猛，已经成为我国现代油气工业和清洁能源发展的重要领域和方向，其勘探开发评价将是我国相当长一段时间内的重要工作内容。但是非常规天然气地质理论抽象且地质过程不可亲身经历，给学生的学习和理解带来了较大的挑战。因此实验教学在专业教学中发挥着越来越重要的作用和价值［1-6］。非常规储层中每吨岩石所含天然气在标准状态下的总体积称为含气量，是反映非常规储层含气能力的重要标准，结合非常规天然气含量实验教学，有助于学生建立相应的地质概念和逻辑认识，是加强课堂教学效果不可或缺的有效手段和方法。

作为能源类高校，我校资源勘查工程专业通过了全国工程教育认证，在新时代新工科建设背景要求下，资源勘查工程专业新开设了非常规天然气勘查本科生学习方向，重点围绕页岩气、煤层气、致密砂岩气开展教学工作，设立了非常规天然气勘查与开发、非常规天然气地质学和非常规储层物理等主干特色课程，并建立了非常规天然气本科教学实验室，结合专业方向，设置了匹配对应的实验教学实践。

与此同时，为了培养学生的学习兴趣，充分调动学生的主观能动性，提升实验教学效果，非常规天然气方向课程有针对性地设计了虚拟仿真实验。通过非常规天然气含量解析法虚拟仿真实验教学，重点解决非常规天然气含量真实实验不可逆操作和综合训练问题，采用现代信息技术，通过虚拟交互式的教学应用，提供生动活泼的直观形象，展现学生不能直接观察到的事物，让学生更直观、更形象地理解和学习到知识点［7-11］。

1 实验原理及测试系统

非常规天然气含量是勘探开发工程实践与评价研究中的核心参数，也是有利（甜点）区预测、资源评价、储量计算、开发方案、工程实施、经济评价等决策分析过程中贯穿始终的关键依据。理论上，非常规储层的含气量是吸附态、游离态及少量溶解态天然气的总和，但实际上，这一概念和方法只能用于理论估算和分析。在实际测试过程中，非常规储层总含气量可被分解为解吸气、残余气及损失气三者之和［12-14］。尽管含气量参数的获得有地质类比、理论计算、测井解释、等温吸附等方法，但均为间接手段，不同程度地存在精度不足、数据难以获取等问题。因此作为一种直接的测试方法，解析法已经逐渐成为非常规储层含气性评价的最佳选择。

为了获取更为准确的含气量分析参数，在实验教学中使用基于毛细管力原理的非常规天然气含量解析法仪器设备［14］。当解析罐中的岩样无气体解析时，毛细管力与大气压力相互作用平衡，集气量筒中的水无法通孔溢出，且排水孔内外压力相当；当有解析气体进入集气量筒时，集气量筒中压力增加且大于毛细管力时，筒体内的水就会被排出，且排出水的体积与收集气体体积一致。通过调节限流孔大小调节排水速度，可实现解析过程的准确、高精度计量，该实验教学仪器主要由5 个功能构件组成（见图1）。

图1 非常规天然气含量解析法实验教学系统

（1）恒温实验箱。恒温实验箱内固定有加热元件、温度传感器、温控仪、数据转换模块、控制按钮等，实验箱内设有3 个可单独控温的恒温腔，以满足解析实验需求。

（2）密封解析罐。包括罐体、顶盖、底盖和转接头等，顶盖与罐体使用压紧螺钉实现快速密封，底盖与罐体使用丝扣密封，配备Φ80 和Φ125 两种规格解析罐可对直径120 mm以下所有岩样进行解析实验。顶盖装有单向阀母端，可实现与压力平衡调节器快速对接。

（3）压力平衡调节器。主要包括固定螺栓、防护罩、调节轮盘、泄水孔、单向快速接头等。设定为5 级调节，可根据实验条件进行灵敏度调节。

（4）可燃式集气量筒。主体为标带有刻度的透明筒体，其开口部位可通过金属法兰与压力平衡调节器密封快速相连，在满足解析过程可视化的同时也满足集气后的点火实验要求。

（5）支撑架。用于固定和提取解析罐，同时可通过丝扣调节高度，用来支撑压力平衡调节器和量筒，准确读取数据。

2 解析法实验内容

2.1 实验步骤

（1）开机准备。正式开始实验前，做好实验前待机准备工作。使用控制电缆连接恒温实验箱与控制箱，将控制箱电源线与220 V 插座连接，插座能满足10 A的工作电流。集气量筒注满饱和食盐水后与压力平衡调节器对接完好，确认“OFF”刻度线与中心线对齐，确认密封完好备用。

（2）装入样品。将岩样放入样品解析罐，再用石英砂将腔体内部填满，将密封盖与罐体对接，旋紧压紧螺钉确保密封完好（密封盖与罐体断面密封处可能会有少量石英砂，需擦拭干净确保不影响密封）。将密封样品罐放入恒温腔，放上支撑架，将准备好的集气筒与解析罐对接，调节支撑架至合适高度，将引水导管与压力平衡调节器出水孔连接。

（3）预设及数据采集。将总开关旋至“1”开启状态仪器通电，按下加热按钮，温控仪表正常亮起。预设温控仪上的SV 值，设备将显示SV 设定温度值和PV当前温度值。通过温控仪表面板上的增减键设定SV温度设定值，然后按“ENT”键使设定值生效。当设定值高于当前温度值PV 时，则温控表控制加热器加热（OUT状态显示为绿色），使温度达到设定值SV。根据出气量调节压力平衡调节器轮盘至合适孔径，确保孔径刻度线与中心线对齐。实验过程中按要求做好实验数据的记录工作。

（4）结束实验。实验结束后切断电源，先将带水部件移除，避免水进入恒温腔，仪器开盖放置自然冷却，解析罐放于不易碰触的地方待自然冷却。

2.2 参数计算

将地表-地层温度和加高温阶段收集的实测气量分别代入

式中：Vs为标准状态的气体积，L；pm为现场大气压力，kPa；Vm为实测气体积，L；Tm为地表大气温度，°C。校正成标准状态下的体积，然后除以样品质量即为岩样的解吸气含量（Vd）和残余气含量（Vr）（见图2）。

图2 解析法实验曲线

损失气量的恢复通常使用回归法，岩样中的天然气通过孔隙和裂缝释放，根据扩散理论方程，在解析过程的初期，解析气量与时间的平方根呈线性关系［15-16］，即：

式中：a、b为常数，t0为暴露散失时间，t1为解析累计时间，以Vl为纵坐标，为横坐标，将早期呈线性关系的各点回归拟合，即可求出损失气量。

由于发育不同类型的孔隙和裂缝，岩样非均质性和天然气扩散特征影响着差异解析过程。在不同解析时间段，非常规天然气的解析速率不同，解析速率与时间关系曲线显示解析过程与实际气井生产具有一定的相似性，只是在规模尺度上有所差异，解析速率随时间有减小的趋势（见图3）。通过解析参数处理和解释，进一步启发学生分析规律成因，培养学生的探索性和主动性思维，促进理论教学与实验教学的深入融合。

图3 实验解析速率变化

3 虚拟仿真实验设计

虚拟仿真实验在专业教学中的应用价值日渐凸显，解决了大型仪器难以走进课堂教学现场、难以多机同步实验等困难，在很大程度上解决了实验教学资源紧张问题，极大地拓宽了实验物理空间和时间范围［7-8］。同时，虚拟仿真将实验过程变得可望又可及，可为学生提供形象化、直观化、多样化的实验教学效果。以C#为开发工具，设计了非常规天然气含量解析法虚拟仪器仿真软件，在虚拟仪器模拟系统中，虚拟实验与真实实验一样，能供学生自己动手配置、连接、调节并使用仪器设备进行实验（见图4）。

图4 解析法虚拟仿真实验教学软件

通过该平台，教师既可搭建典型实验或调取实验案例，方便布置实验任务，还可在实验结束后查看实验结果，给出实验成绩和评价。虚拟仿真实验为自由搭建任意合理的实验模型提供了可能，能满足教师对各层次实验教学的需求，学生既可通过该平台动手操作，又可自主设计实验，有利于培养学生的创新意识和能力，同时可提高实验教学水平和学生培养质量。

4 结 语

为了能够引导学生深入分析非常规天然气含量并主动探索参数变化规律，让学生使用解析法对非常规储层含气量进行测试，既能调动学生主观能动性，使得课堂教学内容不再抽象难懂，还可直接为学生呈现实际解析曲线及速率变化趋势，有助于学生清晰地掌握非常规天然气含量的解析方法，进而提升教学水平和学生专业素质。

非常规天然气含量虚拟仿真实验可解决实验仪器数量和教学空间有限等一系列实际问题，能够极大地拓展教学功能，强化实验教学效果，在学生能力培养方面也可取得显著成效。通过模块组合、场景设定和要求配置，能够满足不同方面虚拟仿真实验的需求。在实践教学过程中，学生们踊跃参与，形成了浓厚的主动学习意识，产生了积极反响。