頁岩氣解吸是一種確定頁岩含氣量的方法，是指通過測定現場鑽井岩心或有代表性岩屑的解吸行為獲取實際含氣量。頁岩含氣量是計算頁岩氣資源潛力、儲量預測的重要參數，並對頁岩氣勘探開發具有重要的意義。頁岩含氣量是指每噸頁岩中所含天然氣在標準狀態（0℃，101．325kPa）下的體積，包括游離氣、吸附氣和溶解氣。
基本介紹
- 中文名：頁岩氣解吸
- 外文名：Desorption of shale gas
- 類別：一種確定頁岩含氣量的方法
- 釋義：測定岩心解吸行為獲取實際含氣量
- 套用：頁岩氣勘探開發
- 學科：地質科學
簡介,解吸裝置及發展,解吸過程中影響因素,頁岩氣解吸分析存在的問題,
簡介
頁岩含氣量是計算頁岩氣資源潛力、儲量預測的重要參數，並對頁岩氣勘探開發具有重要的意義。頁岩含氣量是指每噸頁岩中所含天然氣在標準狀態（0℃，101．325kPa）下的體積，包括游離氣、吸附氣和溶解氣。頁岩含氣量的確定目前缺乏專門的行業標準，主要參照煤層氣行業的技術方法。含氣量的確定方法大致可分為直接法和間接法2個大類。直接法即解吸法，是指通過測定現場鑽井岩心或有代表性岩屑的解吸行為獲取實際含氣量。間接法則是通過等溫吸附實驗模擬以及測井解釋等方法分別獲取吸附氣和游離氣的含量。由於吸附和解吸過程並不完全可逆，等溫吸附實驗模擬方法完全依賴於理論計算，獲得的結果往往比頁岩的實際含氣量大，一般只有缺少現場解吸數據時才用來定性地評價頁岩含氣量。而解吸法能夠在模擬地層實際環境的條件下直接測定頁岩的含氣數量，較為可靠，因此被作為頁岩含氣量測定的最基本方法。
岩心解吸方式包括快速解吸和慢速解吸2種方法。快速解吸的時間短，一般在8～24h之間，總解吸氣量包括損失氣、解吸氣和殘留氣3部分；慢速解吸的時間長達45d以上，總解吸氣量包括損失氣量和解吸氣量2部分。其中，損失氣為岩心地層鑽開後到裝罐前散失的氣量，損失氣的起算時間為岩心提至鑽井液壓力等於頁岩層流體壓力的時間，或採用提鑽到井深一半的時間。解吸氣包括岩心裝罐解吸獲得的天然氣和為獲取殘留氣在碎樣過程中釋放的天然氣2部分；殘留氣為樣品粉碎到一定目數後解吸獲得的天然氣量。解吸氣和殘留氣都可以通過直接測定，而損失氣卻是通過各種數值方法，進行回歸獲得。因此，準確獲取損失氣的含量成為了解吸法測定頁岩氣含氣量的關鍵之一。解吸數據的處理方法主要借鑑煤層氣的經驗，包括USBM法、修正的直接法、Smith－Williams法、下降曲線法和Amoco法等。不同方法有不同的適用性，而在實地解吸過程中，環境因素等控制條件也對正確擬合損失氣含量存在一定影響。
解吸裝置及發展
對於煤層氣的解吸過程研究，最早套用於煤礦礦井安全。此後，由於解吸法可直接獲取樣品的儲存氣量，逐漸被認為是煤層氣含量評價的最可靠方法。由於頁岩氣和煤層氣在賦存狀態和理化特性上有一定相似性，頁岩含氣量的直接測定法也延用了煤層氣含量直接測定法的基本思路。20世紀70年代，Bertard等首先提出了對煤層氣含量的直接測定法。其後，美國礦務局對直接法進行修正和標準化，提出了USBM法。該方法採用排水集氣的原理，測定解吸氣和殘餘氣量，用直線回歸法估算損失氣。也是目前直接測定頁岩含氣量的基本方法。
USBM法解吸裝置主要由解吸罐和收集量筒2部分組成。如概述圖所示。樣品裝到解吸罐後，通過導管將氣體導入裝水的倒置量筒中，通過記錄不同時刻的排水量換算成解吸氣量。其後的20多年裡，針對解吸數據的處理，先後衍生了下降曲線法、改進的直接法、Smith－Williams法、Amoco法等方法。20世紀90年代，澳大利亞研究人員對USBM法的解吸裝置進行最佳化，採用多個氣缸串聯的方法收集氣體，當一個氣缸收集滿後，解吸氣會自動開始填充下一個氣缸。同時，該方法提出用酸化滷水作為排空液，以減小CO2等氣體在水中的溶解。SCI－RO－CET快速解吸法則在解吸罐中加入了不鏽鋼珠，用USBM法獲得損失氣後，直接在解吸罐中將樣品破碎，獲取解吸氣和殘餘氣的總量，以此提高解吸效率。美國天然氣研究所（GRI）指出，含氣量最大的誤差來源於在地表溫度下進行解吸，因此GRI法採用水浴後達到地層溫度的解吸數據來恢復損失氣。同時，GRI法對USBM法的解吸時間零點進行了修正，USBM法將提鑽到一半時定為解吸時間的零點，而GRI將零點定為鑽井液的靜水壓力與儲層壓力相等時，因而需要測量取心過程中的壓力變化史。
我國煤層氣的行業標準仍採用排液集氣的方法，並採用USBM直接法擬合損失氣含量。解吸罐要求體積1 000cm3以上，樣品要求不少於800g。樣品裝罐後第一次5min以內測定，然後以10min間隔測滿1h，以15min間隔測滿1h，以30min間隔測滿1h，以60min間隔測滿1h，以120min間隔測試2次，其後根據解吸罐壓力表數值確定適當的間隔時間，最長不超過24h。自然解吸持續到連續7d平均每天解吸量不超過10cm3，結束解吸測定。隨著煤層氣和頁岩氣在我國的迅速發展，國內近年來也對解吸裝置進行了不斷的最佳化，並在這方面取得了一定數量的專利成果。從專利的發展歷程不難看出，頁岩氣解吸裝置基本由解吸罐和收集端2部分組成，但通過檢測手段的不斷更新，解吸氣的測量在朝向小體積、少樣品、高精度及多組分線上測定的方向發展。
由於損失氣的不可測量性，通過解吸裝置獲取解吸數據僅僅是第一步。根據解吸規律以及理論假設的不同，需要對解吸數據進行回歸分析等相應的處理，方能獲得損失氣的含量，從而得到頁岩樣品的含氣量數據。
解吸過程中影響因素
一般來說，為了提高頁岩含氣量測量的準確性，實地解吸工作中需要滿足以下條件：最大化岩心恢復率，儘量減小提鑽、封罐等準備工作的時間；解吸罐需要放置在恆定的溫度下，且溫度與儲層溫度相等；全程記錄好氣體體積、壓力、罐溫、空氣溫度等環境參數；氣體體積需要進行標準化；校正自由空間的體積。
從上述要求不難看出，解吸裝置本身數據採集的精準度是關鍵的影響因素。不同解吸裝置對於解吸過程的處理也使得結果存在差別。例如，解吸罐中加入鋼珠的快速解吸法可對樣品進行球磨，從而較早進入殘餘氣解吸階段，相對傳統方法可提高測試效率，並且避免了常規方法中多次開閉解吸罐造成的誤差；採用飽和食鹽水可有效減少CO2等氣體的溶解；電子天平稱液法、壓力感測器、氣體流量計、氫火焰離子化檢測器等量氣法相對傳統排液量氣法有更高的測量精度；空氣浴相對水浴可避免水浴加熱存在100℃上限的問題。
環境因素和取心過程對解吸結果會有一定的影響。當地面溫度明顯低於儲層溫度，煤樣中氣體解吸速率明顯偏低。頁岩樣品從取心到封罐解吸，溫度會經過一個先降低後升高的過程。在解吸初期，解吸罐中岩樣在水浴里不能立刻平衡到儲層溫度，因此其前幾個測量點的解吸速率會偏低，並不能正確地反映解吸規律。在計算損失氣量時，如果使用了未平衡的測量點，會造成計算結果偏小。而取心時間或者暴露時間過長，同樣會導致損失時間的過長，從而造成損失氣計算結果偏小。
頁岩氣解吸分析存在的問題
雖然頁岩氣的解吸分析中大多沿用煤層氣的處理方法，但頁岩氣的解吸行為並不完全與煤層氣相同。Javadpour等的研究結果表明，甲烷等氣體從頁岩樣品中溢出需要依次經過4個階段：①在微孔中的擴散，符合菲克擴散定律；②在納米孔中的擴散，符合努森擴散定律；③從乾酪根和黏土礦物的表面向孔隙網路中的擴散；④從乾酪根和黏土的內部向其表面的擴散。陳強等認為，在頁岩多尺度孔隙中，頁岩氣的傳質方式為無滑脫滲流、存在滑脫滲流、過渡流動以及分子擴散等。吳劍等則採用微元法分析了自由氣體滑脫流動、克努森擴散、孔隙壁面氣體解吸和溶解氣體從乾酪根擴散等過程，推導出了頁岩氣在基質孔隙中的滲流模型。因此，頁岩氣的解吸規律可能不同於煤層氣解吸速率不變的球形擴散模型。由於頁岩的物性結構並不符合單孔隙模型的假設，在解吸過程中，解吸速率會隨時間而變化。對於頁岩氣的解吸來說，高斯分布模型要優於常規煤層氣的球形擴散模型。
