鮑云杰

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

從煤層含氣量測定技術(shù)發(fā)展看頁巖含氣性評價的發(fā)展方向

鮑云杰

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

介紹了煤層含氣量測定技術(shù)的發(fā)展歷程，以及煤心中甲烷的逸散、解吸模擬實驗研究成果，剖析了現(xiàn)用煤層含氣量測定標準的適用范圍及其約束條件。指出頁巖巖心在提心、大氣暴露和密封解吸三個階段具有不同的氣體逸散、解吸條件和機制，煤心損失氣量估算方法應用于頁巖存在著不確定性和風險。提出應重視頁巖巖心涵蓋“三個階段”的全過程氣體逸散、解吸實驗及其規(guī)律的基礎性研究。將頁巖氣分為鉆井液氣、暴露散失氣和巖心殘留氣三部分。開發(fā)鉆井液氣檢測裝置，結(jié)合綜合錄井資料，建立鉆井液氣量的快速檢測技術(shù)及計算方法；完善現(xiàn)有巖心解吸氣和殘余氣測定技術(shù)，形成巖心殘留氣量快速測定方法；探索建立探測或利用解吸氣測試數(shù)據(jù)確定暴露散失氣量的方法，從而構(gòu)建新的頁巖含氣量測定技術(shù)方法體系。

約束條件；氣體逸散；解吸實驗；煤層氣含量；頁巖含氣量

頁巖氣是賦存于頁巖地層中的一種非常規(guī)天然氣資源，頁巖的含氣性評價是一項重要的基礎性工作。準確、客觀地分析和評價頁巖地層的含氣性，對于頁巖氣資源潛力分析以及勘探開發(fā)部署都具有重要指導意義。頁巖含氣性評價研究在我國尚處于起步、發(fā)展階段，行業(yè)標準SY/T6940-2013《頁巖含氣量測定方法》借鑒和引用了煤層氣含量測定方法，頁巖含氣性評價尚未形成技術(shù)、方法和理論相配套的體系。在這一背景下，分析煤層含氣性評價技術(shù)的發(fā)展歷程、適用范圍及其約束條件，汲取其成功經(jīng)驗，探討構(gòu)建新的頁巖氣含量檢測技術(shù)方法體系，對于提高頁巖含氣性評價水平具有指導意義。

1 煤層含氣性分析評價技術(shù)

1.1 測試方法與設備發(fā)展歷程

就煤田地質(zhì)勘探階段而言，煤層含氣量測試方法與設備經(jīng)歷了3個階段[1]。

第一階段：1930—1950年代。利用真空罐法進行煤樣含氣量測定，最早是將新鮮煤樣放置到密閉容器內(nèi)，送到實驗室進行加熱、抽真空脫氣，實現(xiàn)含氣量的測定。

第二階段：1950年代中期—1970年代。開發(fā)應用了密閉式、集氣式及冷凍式巖心采取器等鉆孔中采樣的專用儀器。其中，密閉式巖心采取器利用煤心管上下兩端的活門及附屬機構(gòu)，鉆取煤心后將其密封在煤心管中，鉆具提升至井口后，將煤心管送至實驗室對煤心進行真空脫氣。集氣式巖心采取器是在煤心采取器上設計有帶閥門的集氣室，用于收集煤心上提過程中逸散的氣體，待鉆具提升到地面后，將煤心采取器送至實驗室進行含氣分析。

第三階段：1970年代以后。煤炭科學研究院撫順分院在1978—1981年期間經(jīng)過煤田試驗后，開發(fā)應用了解吸儀，利用解吸儀測定煤樣瓦斯解吸量隨時間變化的規(guī)律，確定解吸氣量，根據(jù)煤樣暴露時間，計算逸散損失的瓦斯量，煤樣解吸后再測定殘余瓦斯量。將解吸量、逸散氣量和殘余瓦斯量之和稱為煤層含氣量。研制了高精度自動化氣體解吸儀，儀器主要由煤樣罐、集氣儀、數(shù)據(jù)處理機(CPU)、傳感器和打印機等組成。AMG-1型儀器可連續(xù)測定解吸氣量，并采用最小二乘法自動計算損失氣量[2]。氣體解吸量測定，是通過安裝在集氣瓶頂端的差壓傳感器測定集氣瓶內(nèi)部水壓與大氣壓的差壓變化實現(xiàn)的(圖1)，通過下式計算解吸氣體量。

式中：Q為集氣瓶中解吸的氣體量；C為儀器讀值常數(shù)，取決于集氣瓶的內(nèi)截面積；H0為常數(shù)，為基準水面到水裝滿集氣瓶時的水位高度；H1為集氣瓶內(nèi)水面高度；H為集氣瓶內(nèi)解吸氣體所占有的高度。

1.2 測定標準的發(fā)展及適用約束條件

煤層氣含量確定的難點在于損失氣量。以解吸法為基礎的確定煤層氣含量的方法得到了廣泛的應用，在應用過程中經(jīng)過不斷的改進上升到測定標準，先后推出的標準版本有：MT/T77-94、GB/T19559-2004、AQ1046-2007、GB/T19559-2008等。GB/T19559-2008是煤層氣勘探中進行煤層含氣量測定的最新標準，2009年5月1日實施[3]。其適用范圍為煙煤和無煙煤煤心，褐煤煤心樣品的煤層氣含量測定時參考執(zhí)行。其理論依據(jù)主要是1970年代法國學者提出的“煤心解吸初期解吸量與時間平方根成正比”，通過外推解吸初期數(shù)據(jù)估算損失氣量。

圖1 瓦斯解吸量計算原理示意

眾多學者的共識是，在煤層含氣量確定過程中，誤差主要來源是逸散氣量的求取。周勝國[4]建立了煤層氣含氣量模擬實驗方法，可以全過程模擬煤層氣取心提鉆到解吸結(jié)束。徐成法等[5]開展了室內(nèi)煤層含氣量解吸模型實驗，發(fā)現(xiàn)煤樣全過程解吸特征曲線為不對稱的“S”型，修正了“煤樣在解吸初期，氣體解吸與解吸時間的平方根呈線性關(guān)系”的傳統(tǒng)觀念，并比較了直線回歸、多項式回歸、史威法和曲線擬合計算方法的優(yōu)缺點。張群等[6]利用高壓解吸試驗裝置，開展了煤心在提心、地面暴露、密閉罐中3個階段解吸試驗研究，發(fā)現(xiàn)3個階段的解吸速率存在巨大差異(圖2)。反映直接法估算的損失氣量不準確，損失氣量確定方法需進一步完善。

煤層氣研究學者對含氣量確定方法的適用性開展了深入的研究，張新民等[7]研究指出，褐煤基質(zhì)中的游離氣含量通常占總含氣量的50%以上，傳統(tǒng)的煤層氣含量確定方法不適用于褐煤。賈曉亮等[8]研究認為，用地勘解吸法測定的瓦斯含量數(shù)值普遍偏低，根本原因是瓦斯在空氣介質(zhì)和泥漿介質(zhì)中解吸規(guī)律截然不同。從適用對象來看，該標準中只適用于煙煤和無煙煤，而對于褐煤則參考執(zhí)行。因此，煤層含氣量測定的最新標準本身具有一定的適用范圍和約束條件。而對于頁巖氣而言，由于頁巖的性質(zhì)與煤巖不同，其適用性受到一定的限制[9]。

圖2 煤樣的氣體解吸量曲線

2 頁巖含氣性評價存在問題與發(fā)展方向

2.1 頁巖含氣性評價存在問題

頁巖含氣性評價主要依賴于氣測錄井、測井以及頁巖巖心含氣量測試等資料。在頁巖巖心含氣量測試實踐中，引用、借鑒煤層含氣量測定方法和標準，將解吸氣量、逸散氣(損失氣)量及殘余氣量之和稱為總含氣量。在技術(shù)方法研究中，主要圍繞建立巖心解吸氣量、殘余氣量檢測方法，以及損失氣量的計算方法開展工作，雖然取得一些進展，但其中的關(guān)鍵性參數(shù)——損失氣量的計算仍然是一個令技術(shù)人員困擾的難題，亟待針對頁巖著手建立新的技術(shù)方法體系。歸納起來，頁巖含氣性評價主要存在以下問題和不足。

2.1.1 頁巖巖心氣體逸散—解吸規(guī)律機制不清

頁巖巖心自井底提心到裝入密封罐解吸大體經(jīng)歷3個階段：第一個階段為巖心自井底提升到井口，此階段巖心所處介質(zhì)為泥漿，在上提過程中經(jīng)歷了降壓、降溫，壓力的降低使氣體脫離巖心，擴散到鉆井液中；第二個階段為大氣暴露階段，巖心所處介質(zhì)為大氣，在常溫常壓的背景下，巖心中氣體逸散到大氣中；第三個階段為巖心裝入密封罐的解吸階段，巖心處于常壓、高溫(近似地層溫度)環(huán)境，氣體解吸并通過計量單元計量體積。可見，在上述的3個階段巖心所處介質(zhì)、溫度壓力等環(huán)境條件差異很大，氣體逸散機制、逸散氣體在巖心中的賦存狀態(tài)也不盡相同，但目前尚缺乏這方面的系統(tǒng)研究。

2.1.2 取心難以滿足含氣量測定方法的約束條件

煤層含氣量測定標準有以下規(guī)定：(1)采樣時間為鉆遇煤層或起鉆開始到煤樣裝入解吸罐所用的時間，要盡量縮短采樣時間，井深每100 m，提心時間不得超過2 min，樣品到達地面后，10 min內(nèi)裝入解吸罐；(2)損失氣時間為從零時間到封罐的時間，在鉆井介質(zhì)為清水和泥漿時，取心筒提至井筒深度一半時的時間為零時間。這些約束性要求與獲取頁巖巖心的工程條件有巨大的差異，文獻數(shù)據(jù)顯示，頁巖巖心提心時間、暴露時間分別約為煤層氣的8倍和3倍[10]。頁巖氣鉆探施工難以滿足約束條件的要求[9]，在這種條件下應用煤層含氣量測定標準與方法存在較大風險。

2.1.3 實測含氣量與氣測井數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系復雜

當前，用于頁巖含氣性評價的實測數(shù)據(jù)主要是基于解吸法的現(xiàn)場含氣量數(shù)據(jù)和氣測錄井資料。從有限的幾口井資料來看，解吸法的實測含氣量數(shù)據(jù)與相應井段的氣測井數(shù)據(jù)關(guān)系呈現(xiàn)多樣性、復雜性和不確定性(圖3)。從圖3來看，A井2 205～2 215 m氣測全烴值與實測含氣量具一定程度的正相關(guān)關(guān)系，但從2 205～2 245 m井段總體上看，兩者的正相關(guān)關(guān)系薄弱，甚至在氣測井全烴值最高的井段2 220～2 225 m巖心實測含氣量幾乎為最低值，顯示兩者關(guān)系的復雜性和不確定性。從C井觀察來看也存在類似情況。B井則顯示巖心實測含氣量數(shù)據(jù)與相應井段的氣測井數(shù)據(jù)關(guān)系呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系。

由此看來，理清兩者的關(guān)系，對于正確評價頁巖含氣性尤為重要。而事實上，氣測井資料與實測含氣量數(shù)據(jù)雖然均為地層含氣性的反映，但由于氣測井的分析對象為鉆井液，而實測含氣量數(shù)據(jù)來自于巖心測試，鉆井液含氣情況與巖心氣體逸散、解吸特性關(guān)系具有多樣性和復雜性，有待深入研究。

2.2 頁巖含氣性評價技術(shù)發(fā)展方向

2.2.1 加強頁巖氣逸散解吸規(guī)律研究

頁巖巖心的氣體逸散具有“三段性”，在各個階段巖心所處介質(zhì)環(huán)境、溫度、壓力條件具有很大差異，而且因頁巖巖石孔隙結(jié)構(gòu)等不同具有不同的氣體逸散機制。借鑒前人的經(jīng)驗[4-6,11-12]，以適當?shù)哪M實驗裝置，模擬不同類型頁巖巖心從井底提升到井口、直至裝入密封罐中解吸這一全過程的氣體逸散、解吸規(guī)律，對于氣體賦存狀態(tài)分析、氣測井響應機制分析，以及建立新的頁巖含氣量測定方法具有理論和實踐意義。

圖3 實測含氣量與相應井段的氣測井數(shù)據(jù)對比

圖4 新技術(shù)方法體系與現(xiàn)有技術(shù)方法體系比較

2.2.2 建立新的頁巖含氣量測定技術(shù)方法體系

在近平衡鉆井取心條件下，在鉆井取心、提心直至將巖心裝入密封罐的過程中，氣體主要由三部分組成：一是地層破碎氣、巖心中的游離氣及部分吸附氣將進入到鉆井液中，這部分氣體可稱為鉆井液氣；二是巖心提心到井口后，總要在大氣中暴露一段時間，這部分氣體可稱為暴露散失氣；三是將巖心裝入密封罐中后，此時巖心所含的氣體可稱為巖心殘留氣。可見，頁巖地層含氣量為鉆井液氣量、暴露散失氣量和巖心殘留氣量之和。

這三部分氣體可以由下述方法獲得，鉆井液氣可以通過鉆井液取樣進行全脫的方式獲得，但要經(jīng)過鉆井液排量、鉆時的校正，并折算到標準狀態(tài)下的含氣量。由于暴露散失氣是在巖心到地面后產(chǎn)生的，溫度、壓力條件與解吸條件有一定的相似性，故可以利用解吸數(shù)據(jù)進行計算。暴露散失氣量的大小與暴露時間長短、巖心的完整程度有關(guān)，操作得當?shù)臈l件下，其量較小，甚至小到可以忽略的程度。巖心殘留氣可以細分為兩部分：一是解吸氣，可以利用現(xiàn)有的氣體解吸儀進行解吸獲得；二是殘余氣，可以利用現(xiàn)有的巖心破碎殘余氣測定方法獲得。這樣，即可以構(gòu)建新的頁巖含氣量測定技術(shù)方法體系，與現(xiàn)有的技術(shù)體系具有明顯的差異(圖4)。

2.2.3 開展氣測井評價方法校正技術(shù)平臺研究

氣測井資料具有可以實時、快速、連續(xù)獲取的特點，在多種鉆進方式下均能夠獲取地層含氣性的信息，較依賴于巖心的含氣性測定方法具有更廣泛的應用范圍，在頁巖含氣性評價中具有不可替代的作用。但氣測井資料的獲取受鉆進方式、鉆井液密度、黏度等工程參數(shù)影響較大，不同的錄井儀器也會存在一定的差異。因此，通過開展系統(tǒng)的實驗工作，建立區(qū)域性氣測井資料校正平臺，增強氣測井資料的可比性是一項重要的基礎性研究工作。

2.2.4 開展多參數(shù)綜合評價方法研究

以往的研究工作表明[13]，巖屑氣分析評價方法具有不受鉆進方式影響、可實時測試、獲取信息快速的特點。在頁巖氣勘探開發(fā)工作中，開展巖屑氣分析評價工作，豐富頁巖含氣性分析評價信息，對于精細描述頁巖縱向含氣性變化具有積極意義。

氣測井、地質(zhì)錄井、測井、巖心含氣量現(xiàn)場解吸分析均能從不同角度、以不同方式獲取頁巖含氣性的信息，各有所長，不能相互替代，建立集多參數(shù)于一體的頁巖含氣性綜合評價方法是今后的發(fā)展方向之一。

3 結(jié)論

(1)煤層含氣量測定技術(shù)與方法在頁巖含氣性評價中具有重要的參考和借鑒價值，解吸氣和殘余氣測定方法可以用于頁巖氣含氣性分析。但由于在頁巖與煤巖的性質(zhì)、取心條件等方面存在較大差異性，損失氣估算方法應用于頁巖有較多的不確定性和風險。

(2)煤心氣體逸散和解吸的“三段性”在頁巖巖心可能更為突出，開展頁巖巖心涵蓋提心、大氣暴露和密封解吸3個階段的全過程氣體逸散解吸實驗及其規(guī)律研究，對于頁巖氣賦存狀態(tài)分析和含氣性評價是一項重要的基礎性研究工作。

(3)將頁巖氣按照其賦存載體分為鉆井液氣、暴露散失氣和巖心殘留氣三部分。利用綜合錄井資料，開發(fā)鉆井液氣量檢測技術(shù)并建立計算方法；完善現(xiàn)有巖心解吸氣和殘余氣測定方法，形成巖心殘留氣量快速測定方法；探索暴露散失氣量檢測方法，從而構(gòu)建新的頁巖含氣性評價技術(shù)方法體系，是當前重要的研究方向。

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(編輯 徐文明)

Prospect of shale gas evaluation in view of measurement techniques development of coal seam gas content

Bao Yunjie

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214151,China)

It was introduced in this paper the development process of coal seam gas content measurement techniques, the experimental modeling results of methane escaping and desorption in coal cores, as well as the application conditions and constraints for the present coal seam gas content measurement standards. During the sampling, atmospheric exposure and sealing desorption phases of coal cores, the conditions and mechanisms for gas escaping and desorption were various. Uncertainty and risk remained when coal core gas loss estimation method was applied in shales. The basic studies of gas escaping and desorption in shale cores during the above-mentioned three phases should be focused on. Shale gas was classified into three types: gas in drilling fluids, gas exposed and escaped, and gas remained in cores. Some proposals were made as followed to set up a new measurement techniques standard of gas content in shales: developing detection devices for gas in drilling fluids, and establishing rapid detection and calculation methods for gas in drilling fluids combined with comprehensive logging data; improving the existing core desorption gas and residual gas measurement technology, and establishing a rapid determination method for core residual gas; exploring for the detection or calculation method for exposed and escaped gas based on desorbed gas tests.

constraining conditions; gas escape; desorption experiment; gas content in coal seam; gas content in shale

1001-6112(2014)06-0762-05

10.11781/sysydz201406762

2013-09-22；

2014-09-28。

鮑云杰(1963—)，男，高級工程師，從事儲蓋層測試技術(shù)及頁巖油氣評價研究。E-mail:baoyj.syky@sinopec.com。

TE155

A