深層頁巖含氣量評價(jià)及其差異變化
——以四川盆地威榮、永川頁巖氣田為例

蘇海琨，聶海寬，郭少斌，楊振恒，李東暉，孫川翔，盧 婷，劉 秘

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；3.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；4.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 214126

深層頁巖氣是我國頁巖氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要領(lǐng)域，目前已在四川盆地威榮、白馬、瀘州等地提交了探明儲(chǔ)量，正在開展產(chǎn)能建設(shè)[1-2]。與中淺層頁巖氣井相比，深層頁巖氣井普遍具有壓力高、產(chǎn)量高、遞減快等特征[1]，這是因?yàn)轫搸r含氣特征的差異還是壓裂工程工藝的差異？本文主要從深層頁巖的含氣特征對這一問題開展研究。

頁巖氣通常以吸附態(tài)、游離態(tài)以及溶解態(tài)賦存于泥頁巖孔隙和裂縫中，其中吸附氣量和游離氣量是頁巖含氣性評價(jià)的重要內(nèi)容[3-4]。前人對頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)吸附態(tài)頁巖氣賦存機(jī)理、游離態(tài)頁巖氣賦存和計(jì)算方法等開展了大量研究[4-8]。如王曦蒙等[9]在壓力范圍為0～30 MPa的常溫下測定頁巖吸附氣含量；李愛芬等[10]在最高溫壓為80 ℃和22 MPa條件下引入新的吸附氣計(jì)算公式，計(jì)算了頁巖吸附量；彭澤陽等[11]則建立了適用于高壓(30 ℃,120 MPa)條件下的等溫吸附曲線方程。這些研究基于的等溫吸附實(shí)驗(yàn)和孔隙度測試多在常溫常壓、高溫常壓或常溫高壓條件下進(jìn)行，然而研究表明，四川盆地深層頁巖地層溫度普遍大于80 ℃，地層壓力一般大于70 MPa[12-13]。這些實(shí)驗(yàn)忽略了溫度與壓力對深層頁巖含氣特征的控制，因此不能夠有效反映深層高溫、高壓條件下頁巖含氣量的真實(shí)情況，由此建立的公式或模型已不適用對深層頁巖含氣量的計(jì)算。目前鮮有針對高溫、高壓條件頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)和孔隙度的研究，這制約了對深層頁巖吸附特征、游離氣賦存特征的認(rèn)識，也制約了深層頁巖氣開采方案的科學(xué)合理制定。

本文針對四川盆地深層頁巖的地質(zhì)特點(diǎn)，開展了高溫、高壓(60～135 ℃、10～80 MPa)條件下頁巖等溫吸附和孔隙度實(shí)驗(yàn)，計(jì)算了不同埋深條件下不同有機(jī)碳含量和孔隙度的頁巖吸附氣量、游離氣量和總含氣量的理論值并繪制了圖版；同時(shí)結(jié)合威頁11-1井現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的實(shí)際含氣量，對深層頁巖的理論值和實(shí)測值進(jìn)行對比，以期闡明深層頁巖含氣特征，有效評價(jià)深層頁巖含氣性。

1 樣品、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法

1.1 頁巖樣品

實(shí)驗(yàn)樣品來自四川盆地WY23-1井、YY2井志留系龍馬溪組頁巖，深度為3 845～4 090 m，并對頁巖樣品進(jìn)行了有機(jī)碳和礦物分析測試(表1)。樣品的總有機(jī)碳(TOC)含量為4%～5%；礦物組成主要包括石英、黏土礦物、白云母、方解石、長石，以及少量輝石、菱鐵礦、石膏。

表1 四川盆地威榮、永川地區(qū)頁巖樣品信息

1.2 實(shí)驗(yàn)原理和流程

1.2.1 高溫高壓吸附實(shí)驗(yàn)

本文采用的甲烷吸附實(shí)驗(yàn)是通過物質(zhì)守恒的原理來測試樣品的吸附量，當(dāng)溫度一定時(shí)，樣品在不同壓力下對應(yīng)不同的甲烷吸附量。實(shí)驗(yàn)儀器和基本原理見圖1。該儀器測試精度為0.01級；最高測試壓力為100 MPa；最高測試溫度為200 ℃；其加熱方式是電熱式恒溫；長時(shí)間溫度波動(dòng)可控范圍為0.1 ℃。四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層通常為超壓地層[14]，古壓力系數(shù)主體介于1.8～2.2。威遠(yuǎn)地區(qū)地層溫度約為90 ℃[13,28]，地層壓力為70.4～77.5 MPa；永川地區(qū)地層壓力為50～75 MPa。因此，本文設(shè)置的等溫吸附測試溫度、壓力分別為135 ℃和0～80 MPa，可以模擬實(shí)際的地層溫度和壓力。頁巖樣品粉碎至60～80目后，將壓力設(shè)置為0.5，1，2，4，8，12，18，24，30，40，50，65，80 MPa13個(gè)節(jié)點(diǎn)，并開始測定在135 ℃下上述壓力點(diǎn)的頁巖吸附氣量。實(shí)驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《頁巖甲烷等溫吸附測定容積法：GB/T 35210.1—2017》。

圖1 容積法等溫吸附實(shí)驗(yàn)儀器(a-b)及原理圖(c)

等溫吸附實(shí)驗(yàn)第一次平衡和第二次平衡中，系統(tǒng)內(nèi)氣體總物質(zhì)的量是恒定的，用n表示氣體物質(zhì)的量，則有：

n1+n2=n3+n4

(1)

式中：n1、n3為第一次和第二次平衡時(shí)參考瓶內(nèi)氣體物質(zhì)的量，mol；n2、n4為第一次和第二次平衡時(shí)測試瓶內(nèi)氣體物質(zhì)的量，mol。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，氣體物質(zhì)的量可表示為：

(2)

式中：P為系統(tǒng)內(nèi)的壓力，MPa；V為氣體體積，cm3；Z為氣體壓縮因子，無量綱；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為系統(tǒng)內(nèi)的溫度，K。

結(jié)合式1和式(2)，自由空間體積可表示如下：

(3)

式中：P1、P2表示第一次平衡時(shí)參考瓶、測試瓶內(nèi)的壓力，P3、P4表示第二次平衡時(shí)參考瓶、測試瓶內(nèi)的壓力，MPa；Z1、Z2、Z3、Z4表示第一次平衡、第二次平衡參考瓶、測試瓶內(nèi)氣體壓縮因子，無量綱；T1、T2表示第一次平衡、第二次平衡系統(tǒng)內(nèi)的溫度，K；Vr和Vf分別為參考瓶、測試瓶內(nèi)的自由空間體積，cm3。

每個(gè)壓力測試點(diǎn)吸附增量可以用兩次平衡中的游離態(tài)氣體量的變化來計(jì)算，則有：

Δn=ni1+ni2-ni3-ni4

(4)

式中：Δn為每個(gè)壓力測試點(diǎn)的吸附增量，mol；ni1、ni2、ni3、ni4表示第i個(gè)測試點(diǎn)的兩次平衡中的游離態(tài)氣體量，mol。

其中ni1、ni2、ni3、ni4可由氣體狀態(tài)方程計(jì)算出來，則第i個(gè)壓力點(diǎn)的氣體吸附量可表示為：

(5)

式中：ni為第i個(gè)壓力點(diǎn)的氣體吸附量，mol。

各壓力點(diǎn)的吸附氣體體積應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)方程校正，換算到溫度為0 ℃、壓力為101.325 kPa下的吸附氣體體積：

Vi=ni×22.4×1000

(6)

各壓力點(diǎn)的單位質(zhì)量樣品的吸附量可表示為：

Va=Vi/md

(7)

式中：Va為單位質(zhì)量樣品的吸附量，cm3/g；Vi為吸附氣體的總體積，cm3；md為頁巖樣品質(zhì)量，g。

將實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果通過校正得到絕對吸附量值，觀察絕對吸附量特征，然后用Langmuir吸附模型對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得出頁巖吸附氣量的理論最大值。一般情況下頁巖氣藏的吸附氣滿足固—?dú)饨缑娴腖angmuir等溫吸附機(jī)理[15-17]。本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用Langmuir單分子層等溫吸附的表達(dá)形式為：

(8)

式中：A為吸附在表面的分子數(shù)；a為吸附能的大??；b為總吸附位數(shù)；p為壓力,MPa。

1.2.2 高溫高壓孔隙度實(shí)驗(yàn)和游離氣計(jì)算

孔隙度實(shí)驗(yàn)所用的脈沖衰減法裝置主體由上下游瓶、三軸巖心夾持器、圍壓泵和壓力傳感器構(gòu)成。上下游瓶均通過三通閥分別連接三軸巖心夾持器和氣源，上游瓶連接三軸巖心夾持器上端，下游瓶連接三軸巖心夾持器下端，三軸巖心夾持器由圍壓泵施加圍壓和軸壓(圖2)。將溫度、壓力劃分為7個(gè)等級，從小到大分別為10 MPa和60 ℃，20 MPa和70 ℃，30 MPa和80 ℃，40 MPa和90 ℃，50 MPa和100 ℃，60 MPa和110 ℃，70 MPa和120 ℃。

圖2 孔隙度實(shí)驗(yàn)裝置

在不考慮頁巖密度對頁巖孔隙度的影響下，取其平均值ρ=2.6 t/m3；考慮在理想狀態(tài)下，假設(shè)頁巖含氣飽和度Sg為100%，采用薛冰等[18]使用的計(jì)算方法，游離氣含量計(jì)算公式為：

(9)

式中：Q游為頁巖中游離氣含量，cm3/g；φg為頁巖孔隙度，%；Sg為頁巖含氣飽和度，%；ρg為頁巖密度，g/cm3；Bg為體積系數(shù)。

其中，Bg的計(jì)算公式為：

(10)

式中：Vg為地層條件下氣體的體積，m3；Vsc為地面標(biāo)準(zhǔn)狀況條件下氣體的體積，m3。

Vg和Vsc可用理想狀態(tài)方程PV=nZRT分別導(dǎo)出。地層條件下溫度T=273.15+t，在本次實(shí)驗(yàn)中，t=135 ℃；地面標(biāo)準(zhǔn)狀況條件下溫度T=273.15+20。由于Z是常數(shù)，無量綱，可通過比對天然氣雙參數(shù)(溫度和壓力)壓縮因子圖版獲得，即在135 ℃下對應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的壓力選取不同的Z值，如表2所示?？傻贸觯?/p>

表2 不同溫壓下的Z值

(11)

代入公式(9)，化簡得：

(12)

由表(1)讀取本次實(shí)驗(yàn)所選WY23-1井頁巖有機(jī)質(zhì)含量為4%，樣品1和樣品2的取樣深度分別為3 847.65 m和3 847.15 m；YY2井頁巖有機(jī)質(zhì)含量為5%，取樣深度位于4 089.97 m。在公式(12)中，壓力以及天然氣壓縮因子都已知，只有孔隙度未知，可通過實(shí)驗(yàn)獲取，故可以直接計(jì)算出在不同埋深下游離氣含量，并觀察其變化特征。

1.2.3 現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)

為了獲得頁巖的真實(shí)含氣量，目前采用現(xiàn)場解吸的方法。總含氣量為損失氣量、解吸氣量和殘余氣量之和[19-21]。本文采用李東暉等[22]發(fā)明的一種考慮氣藏特征的頁巖含氣量計(jì)算方法計(jì)算頁巖總含氣量，該方法綜合考慮頁巖氣藏特征、儲(chǔ)層類型及特征、孔隙結(jié)構(gòu)、孔喉大小、氣藏壓力、取心時(shí)間、解吸氣含量和解吸時(shí)間等因素。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 高溫高壓頁巖含氣量

2.1.1 吸附氣含量

過剩吸附曲線反映的是在給定條件下實(shí)驗(yàn)測量的吸附氣變化情況，在一定壓力條件下過剩吸附氣量開始降低；而絕對吸附曲線是在實(shí)測的過剩吸附曲線基礎(chǔ)上通過校正得到的，反映了高溫高壓的地層條件下頁巖中甲烷的吸附氣含量[19]，在增壓過程中吸附氣量有增加趨勢，但當(dāng)壓力增加到一定程度，吸附量將達(dá)到飽和，表現(xiàn)為絕對吸附增量降低并逐漸趨于平緩。

WY23-1井龍馬溪頁巖在135 ℃下過剩吸附氣隨壓力升高呈先增后減的變化趨勢(圖3)。壓力小于18 MPa時(shí)，過剩吸附氣量隨壓力增加急劇上升，在18 MPa達(dá)到峰值，吸附量為2.3 cm3/g；當(dāng)大于18 MPa小于50 MPa時(shí)，過剩吸附量隨壓力增加呈遞減趨勢；當(dāng)再繼續(xù)加壓時(shí)，吸附量仍然減小但趨于平緩。此時(shí)在80 MPa下過剩吸附量約為0.38 cm3/g。通過對過剩吸附氣進(jìn)行校正可以得到絕對吸附曲線，隨壓力增加絕對吸附氣呈遞增趨勢。當(dāng)壓力小于18 MPa時(shí)絕對吸附氣增加趨勢明顯，在18 MPa時(shí)絕對吸附量為3.5 cm3/g；當(dāng)壓力大于18 MPa，隨壓力增加絕對吸附氣增加緩慢，在80 MPa達(dá)到最大吸附量4.46 cm3/g(圖3a)。YY2井頁巖的過剩吸附曲線與絕對吸附曲線情況類似(圖3b)。這種曲線形態(tài)反映了甲烷單分子層吸附機(jī)理，運(yùn)用Langmuir吸附模型擬合絕對吸附曲線，可以獲得該溫壓條件下的最大吸附氣量。

圖3 四川盆地威榮、永川地區(qū)龍馬溪組深層頁巖等溫吸附曲線(135 ℃,0～80 MPa)

2.1.2 游離氣含量

為了計(jì)算高溫高壓條件下頁巖的游離氣含量，首先測試了不同溫度和壓力條件下孔隙度的變化情況(圖4)。以WY23-1井樣品2為例，隨著埋深(壓力)的增加，游離氣含量也逐漸增加，在埋深小于2 000 m時(shí)隨壓力增加游離氣含量急劇增加，大于2 000 m以后增加趨勢逐漸變緩，最大達(dá)6.8 cm3/g(圖5)。YY2井計(jì)算結(jié)果表明，在埋深小于1 200 m時(shí)隨壓力增加游離氣含量增加明顯，大于1 200 m壓力增加趨勢逐漸變緩，游離氣最大值為3.1 cm3/g(圖5)。威遠(yuǎn)地區(qū)WY23-1井龍馬溪組深層頁巖游離氣含量明顯大于永川地區(qū)YY2井的深層游離氣含量。

圖4 四川盆地威榮、永川地區(qū)龍馬溪組深層頁巖孔隙度變化(10～70 MPa,60～120 ℃)

圖5 四川盆地威榮、永川地區(qū)WY23-1井和YY2井龍馬溪組頁巖游離氣含量(135 ℃，0～80 MPa)

由于龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)達(dá)到了高—過成熟(Ro為2.0%～4.59%)[23]，具有“游離氣和吸附氣共同主導(dǎo)”的特征[24]，溶解氣含量微小，僅占1%，為了便于計(jì)算，故對其不做考慮。因此，頁巖理論總含氣量為游離氣含量的理論值和吸附氣含量的理論值之和，即：Q總(理論)=Q吸(理論)+Q游(理論)。

(1)WY23-1井龍馬溪組頁巖的理論總含氣量圖版。WY23-1井頁巖總含氣量隨埋深(壓力)的增加呈增加趨勢(圖6a)。樣品1在埋深達(dá)到2 000 m時(shí)，增量開始漸漸減小，之后趨于平緩，測得總含氣量最大為10.39 cm3/g。當(dāng)埋深為0～550 m時(shí)，測得的吸附氣含量大于游離氣含量；在埋深超過1 000 m后，此時(shí)的游離氣含量明顯大于吸附氣含量。樣品2的總含氣量變化特征與樣品1類似，當(dāng)埋深超過2 000 m以后，總含氣量增量減小，曲線逐漸變緩，最大總含氣量為11.17 cm3/g。由于頁巖吸附能力和孔隙度的差異，埋藏深度小于1 000 m時(shí)，吸附氣含量大于游離氣含量；埋藏深度超過1 000 m后，游離氣含量大于吸附氣含量。WY23-1井龍馬溪組頁巖在埋深為3 500 m時(shí)，吸附氣含量為4.22 cm3/g，游離氣含量為5.99 cm3/g，總含氣量為10.21 cm3/g；在埋深為4 000 m時(shí)，吸附氣含量最大為4.23 cm3/g，游離氣含量為6.19 cm3/g，總含氣量為10.42 cm3/g；在埋深為5 000 m時(shí)，吸附氣最大至4.44 cm3/g，游離氣最大值為6.42 cm3/g，總含氣量為10.82 cm3/g。

(2)YY2井龍馬溪組頁巖的理論總含氣量圖版。YY2井頁巖總含氣量隨埋藏深度(壓力)的增加呈遞增趨勢(圖6b)。由于永川地區(qū)頁巖孔隙度比較小，頁巖的吸附能力較大，該井含氣量總體表現(xiàn)為吸附氣含量大于游離氣含量。埋藏深度超過1 200～1 300 m時(shí)，游離氣含量的增量幅度逐漸降低，吸附氣和總含氣量的增量也趨于平緩；在埋深為3 500 m時(shí)，吸附氣含量為3.64 cm3/g，游離氣含量為2.81 cm3/g，總含氣量為6.45 cm3/g；在埋深為4 000 m時(shí)，吸附氣含量為3.72 cm3/g，游離氣含量為2.92 cm3/g，總含氣量為6.64 cm3/g；在埋深為5 000 m時(shí)，吸附氣含量為3.83 cm3/g，游離氣含量為3.01 cm3/g，總含氣量為6.84 cm3/g。

圖6 四川盆地威榮、永川地區(qū)龍馬溪組頁巖含氣量圖版(135 ℃,0～80 MPa)

2.2 現(xiàn)場解吸氣量

以威榮地區(qū)WY11-1井為例進(jìn)行現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)(表3)。樣品取樣深度為3 745～3 757 m，對頁巖解吸的時(shí)間為660～740 min，平均713 min。測得頁巖質(zhì)量平均為3 286 g，提鉆時(shí)間為390 min和460 min兩個(gè)時(shí)間段，頁巖在地表暴露的時(shí)間為60 min。通過現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)測得WY11-1井解吸氣量為0.8～1.3 cm3/g，平均解吸氣量為0.94 cm3/g；埋深在3 745～3 750 m時(shí)解吸氣量小于1 cm3/g，埋深大于3 750 m時(shí)，則解吸氣量普遍大于1 cm3/g。

表3 四川盆地威榮地區(qū)WY11-1現(xiàn)場解吸氣含量

在現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)過程中，由于深層頁巖埋深大、地層壓力大，取心提鉆時(shí)間長，導(dǎo)致頁巖氣在提鉆過程中大量散失，常規(guī)損失氣算法得出的結(jié)果多樣，無法滿足深層頁巖含氣量計(jì)算的需要。因此，需要采用考慮氣藏特征的頁巖含氣量計(jì)算方法。以威—榮地區(qū)WY11-1井為例，假設(shè)頁巖孔隙中氣液接觸角為60°，氣液張力為0.06 N/m，地層壓力為65 MPa，可得大于最小毛細(xì)管壓力的比例為61%，地面壓力為0.095 MPa，儲(chǔ)層溫度為388.15 K，地面溫度為296.55 K，地層溫壓下的壓縮因子為0.99，地面溫壓下的壓縮因子為1.38，實(shí)驗(yàn)測得的平均含氣飽和度為68%，頁巖密度一般為2.55 g/cm3，孔隙度平均為5.11%，通過公式可計(jì)算出頁巖的瞬間損失氣量。依據(jù)解吸氣量和解吸時(shí)間計(jì)算了解吸速率，依據(jù)提鉆時(shí)間、地面暴露時(shí)間計(jì)算出提鉆過程中和地面暴露時(shí)的損失氣量，將瞬間損失氣量和提鉆過程中的損失氣量相加為總損失氣含量。WY11-1井的總天然氣含量為損失氣量、現(xiàn)場解吸氣量和殘余氣量三者之和，得到總含氣量最大值為5.95 cm3/g，最小值為3.29 cm3/g，平均值為4.52 cm3/g(圖7)。

圖7 四川盆地威榮地區(qū)WY11-1井實(shí)際含氣量

3 討論

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M了深層頁巖高溫高壓條件下等溫吸附氣含量，并基于高溫高壓條件下的孔隙度計(jì)算繪制了游離氣含量圖版，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場解吸數(shù)據(jù)采用考慮氣藏特征的含氣量方法計(jì)算了深層頁巖含氣量。與前人研究相比，本次研究的邊界條件更加接近地下高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境，評價(jià)結(jié)果能夠更加客觀反映深層頁巖的含氣量。由于頁巖品質(zhì)、埋深、溫壓條件的變化，不同地區(qū)、不同層段頁巖的含氣量也有一定的差異。

3.1 深層頁巖含氣性及其差異變化

3.1.1 中淺層和深層頁巖含氣結(jié)構(gòu)對比

中淺層頁巖氣以焦石壩、長寧氣田為例。焦石壩頁巖氣田在埋深2 000～3 000 m時(shí)，測得吸附氣占總含氣量的比例為46%～69%，平均56%；游離氣占31%～54%，平均44%[25]。川南長寧頁巖氣田在2 500～3 000 m吸附氣含量為0.58～3.08 m3/t，平均為1.80 m3/t，吸附氣基本占總含氣量的50%以上[26-27]；埋深增加到3 500～4 000 m時(shí)，測得的吸附氣占總氣量的38%，游離氣占總含氣量的62%；當(dāng)埋深進(jìn)一步達(dá)到4 000～6 000 m范圍時(shí)，此時(shí)測得的吸附氣和游離氣含量大于中淺層的含氣量，吸附氣的占比要小于中淺層，游離氣含量開始大于吸附氣含量。WY23-1井在4 000～6 000 m范圍內(nèi)測得吸附氣含量約占總含量的35%～40%，游離氣則占總含量的60%～65%。這表明在深層游離氣/吸附氣比值要高于中淺層的游離氣/吸附氣比值。在YY2井龍馬溪組淺層，頁巖吸附氣含量基本上占總含氣量的66%～70%，明顯大于游離氣量。

3.1.2 WY23-1和YY2井含氣量對比

受不同地質(zhì)條件的影響，不同地區(qū)理論計(jì)算的頁巖含氣量差異較大。WY23-1井在3 500 m處頁巖總含氣量約為10.21 cm3/g，在4 000 m處為10.42 cm3/g，在5 000 m處達(dá)到10.82 cm3/g；YY2井頁巖在3 500 m處頁巖總含氣量為6.45 cm3/g，在4 000 m處為6.64 cm3/g，在5 000 m處達(dá)到6.84 cm3/g，說明威遠(yuǎn)地區(qū)埋深大于3 500 m的深層頁巖含氣量大于永川地區(qū)。吸附氣和游離氣比例差異也較大(圖6)，埋藏深度小于3 000 m時(shí)，WY23-1井的吸附氣/游離氣比為(40%～54%)∶(46%～60%)，YY2井的吸附氣/游離氣比則為(57%～66%)∶(34%～43%)；當(dāng)埋深大于3 500 m時(shí)，WY23-1井的吸附氣占比遞減明顯，在深層頁巖氣主要以游離氣為主，而YY2井在深層時(shí)頁巖氣基本上仍以吸附氣為主；在4 000～6 000 m的深度范圍內(nèi)，WY23-1井的吸附氣/游離氣接近30%∶70%，相比淺層吸附氣減少了30%，YY2井的吸附氣/游離氣比則為60%∶40%，相比淺層吸附氣只減少了10%?？傮w而言，YY2井吸附氣所占比例無論是在淺層還是深層都要大于WY23-1井。造成這種吸附氣/游離氣比值的差異從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，是由于測得的永川地區(qū)深層頁巖孔隙度比較低，平均只有2%。威遠(yuǎn)地區(qū)屬于含灰硅質(zhì)頁巖，溶蝕孔隙大量發(fā)育，孔隙度很大[28-29]；永川地區(qū)壓實(shí)強(qiáng)烈且溶蝕孔隙發(fā)育差，現(xiàn)今孔隙度較低[30]，這就導(dǎo)致WY23-1井頁巖計(jì)算的游離氣含量較大，實(shí)際地質(zhì)條件下含氣量較低(圖8)。永川地區(qū)頁巖中發(fā)育大量裂縫，游離氣可能會(huì)沿著裂縫散逸出去[1]，使得YY2井龍馬溪組頁巖的吸附氣含量高于游離氣含量。

由于深層頁巖氣井壓裂后的裂縫縫高和縫寬均較小，改造體積也明顯小于中淺層頁巖氣井[1]，并且由于很高的閉合壓力，導(dǎo)流能力遞減快，長期導(dǎo)流能力難以維持[31]，加上本文研究得出的深層頁巖氣游離氣占比較高，這就合理地解釋了深層頁巖氣井試采產(chǎn)量高、但穩(wěn)產(chǎn)能力較差的原因。

3.2 理論與實(shí)際對比

前人通過地層水、天然氣組分等研究，認(rèn)為威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣保存條件復(fù)雜。通過溶蝕孔隙的形成機(jī)制也發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)的原生頁巖氣藏遭到了一定程度的破壞[32]。本文對WY11-1井(WY23-1和WY1-1井均位于威榮頁巖氣田，相距僅5 km，地質(zhì)條件類似，具有可比性)進(jìn)行了現(xiàn)場解吸計(jì)算，在3 745～3 757 m范圍內(nèi)實(shí)際含氣量平均為4.52 cm3/g，對照圖6a理論含氣量約為10.3 cm3/g。實(shí)際含氣量的計(jì)算方法是考慮了氣藏特征，焦石壩超壓頁巖氣藏JY1井的計(jì)算結(jié)果與依據(jù)焦石壩頁巖氣井生產(chǎn)特征計(jì)算法的結(jié)果吻合度較好，能滿足深層超高壓頁巖氣藏含氣量的計(jì)算[23]。而在威榮地區(qū)的實(shí)際含氣量卻明顯低于理論值，說明有近50%的氣體在地質(zhì)歷史時(shí)期散失，這進(jìn)一步說明了這一地區(qū)頁巖氣地質(zhì)保存條件復(fù)雜。因此，在后期工作中，建議加強(qiáng)構(gòu)造演化、頁巖生排烴史、地層水特征、天然氣組分等頁巖氣保存條件的研究，尋找保存條件相對較好的地區(qū)。

4 結(jié)論和建議

(1)基于高溫高壓條件下頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)和孔隙度計(jì)算的頁巖理論含氣量隨著地層壓力的升高而增加，當(dāng)?shù)貙訅毫_(dá)到80 MPa時(shí)，游離氣含量達(dá)到最大值，平均為6.8 cm3/g，吸附氣含量最大值為4.5 cm3/g，分別約占總含氣量的60%和40%。

(2)深層頁巖含氣量隨埋深增加而增加，達(dá)到一定深度時(shí)趨于平緩，游離氣/吸附氣比例隨深度增加逐漸增加。由于頁巖吸附氣含量和孔隙度的不同，不同地區(qū)頁巖的吸附氣/游離氣比差別較大，威榮地區(qū)WY23-1井吸附氣/游離氣比由淺層的7∶3變?yōu)樯顚拥慕咏?∶7，永川地區(qū)YY2井吸附氣/游離氣比由淺層7∶3變?yōu)樯顚拥?∶4。

(3)基于現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)實(shí)際計(jì)算的WY11-1井3 500 m以深(3 745～3 757 m)的總含氣量最大值為5.95 cm3/g，最小值為3.29 cm3/g，平均值為4.52 cm3/g，與理論總含氣量10.3 cm3/g相比，有近50%的氣體在抬升過程中散失，在一定程度上說明了威榮頁巖氣田保存條件的復(fù)雜性，建議加強(qiáng)保存條件的研究。