頁巖含氣量研究方法：以川南地區龍馬溪組為例

李郭琴，李宜真，吳 斌

（1.油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500；3.重慶能源頁巖氣有限公司，重慶 400060）

頁巖含氣性分析是頁巖儲層評價及有利區優選的關鍵步驟，而頁巖含氣量是計算頁巖氣藏地質儲量的關鍵參數。頁巖中天然氣賦存相態包括游離態（大量存在于頁巖孔隙和裂縫中）、吸附態（吸附于粘土礦物、有機質、干酪根顆粒及孔隙表面上）、溶解態（微量存在于干酪根、瀝青質、殘留水以及液態原油中）以及其他可能相態，其中吸附相存在的天然氣可占賦存總量的20 %～85 %[1-2]。因此，泥頁巖儲層的含氣量是頁巖氣富集的體現，同樣也是決定頁巖氣有無經濟開采價值的重要參數。

目前國內外還沒有專門針對頁巖含氣量測試的行業標準和方法技術，主要還是參照煤層氣行業中提出的測量方法，再結合頁巖的特性對實驗方法及參數做修改應用于頁巖含氣量測試[3]。頁巖含氣量測定方法可分為兩類：直接法（解吸法）和間接法（等溫吸附以及測井解釋法）。

1 直接法確定頁巖含氣量

目前直接測試含氣量是國內頁巖氣含氣量測量的主要方法，又稱解吸氣法，該方法首先是在鉆井過程中，將所取頁巖巖樣密閉保存于金屬解析罐中運往實驗室，利用水浴加熱的方法，模擬實際地層條件，對巖心進行解析測試分析。解吸法所測量的含氣量是解吸氣量、損失氣量和粉碎氣量之和，即頁巖的含氣量=解吸氣量+損失氣量+粉碎氣量。測試的一般流程（見圖1）。

圖1 頁巖含氣量測試流程（據唐穎等，2011，有修改）

根據川南地區龍馬溪組A1 井和A2 井共24 個泥頁巖巖心的含氣量實驗分析知，龍馬溪組泥頁巖含氣量為0.287～5.009 m3/t；其中解吸氣量為0.047～1.089 m3/t；損失氣量0.22～1.698 m3/t；粉碎氣量0.081～2.209 m3/t。區內單井含氣量平均值范圍為1.657～3.86 m3/t，與北美主要的5 大頁巖氣盆地含氣量相對比（見圖2），區內龍馬溪組含氣量適中，有利于頁巖氣的開發。因此，單從含氣量分析看，區內龍馬溪組頁巖氣的勘探前景較為樂觀，并且從單井縱向上含氣量分析（見圖3），可知龍馬溪組下部近40 m 的黑色頁巖段含氣量明顯相對較高，測試含氣量都在2.0 m3/t 以上。

圖2 川南地區頁巖氣單井含氣量與北美頁巖氣含量對比圖

圖3 川南地區A1 井含氣量縱向分布圖

2 間接法確定頁巖含氣量

由于解吸法測量的是釋放出來的總含氣量，而不能確定吸附氣及游離氣所占比例，也不能對吸附能力與壓力之間依賴關系進行評價，因而還要采用間接法測量吸附氣含量和游離氣含量，等溫吸附法用于測定頁巖的吸附氣含量，測井解釋的方法確定游離氣含量，頁巖含氣量即為吸附氣含量和游離氣含量之和。

2.1 等溫吸附法計算吸附氣量

由于泥頁巖與煤層對天然氣具有相似的吸附機理，因而目前在評價頁巖的吸附能力時主要是借鑒評價煤層對天然氣吸附能力的評價方法和模型。在煤層氣勘探與開發過程中，某一溫度下煤巖的等溫吸附曲線可以很好的評價煤層的最大吸附能力、預測煤層的含氣量、判別煤層吸附煤層氣的難易程度等。

蘭格繆爾等溫吸附方程是1916 年法國化學家Langmuir 從動力學的觀點出發，提出了單分子層吸附理論，建立的物質吸附氣體的經典公式[4]。其基本假設條件是：（1）吸附平衡是動態平衡；（2）固體表面是均勻的；（3）被吸附分子間無相互作用力；（4）吸附作用僅形成單分子層。對于煤層氣及頁巖氣等在物質表面的吸附均適用。

其公式為：

式中，V-吸附體積（cm3/g）；VL-蘭氏（Langmuir）體積（cm3/g）；P-平 衡 氣 體 壓 力（MPa）；PL-蘭 氏（Langmuir）壓力（MPa）。

從A2 井蘭格繆爾曲線可以看到以下特點（見圖4）：（1）壓力增大，吸附氣含量呈指數關系增大；（2）吸附氣含量與總有機碳含量正相關；（3）同一口井同一套地層相鄰井段，其蘭格繆爾壓力并不相同。

圖4 川南地區A2 井2 523.07～2 523.13 m 等溫吸附曲線圖

2.2 測井解釋計算游離氣量

相對于吸附氣而言，游離氣含量的計算較為簡單，主要與有效孔隙度、含氣飽和度、地層壓力、溫度有關，與常規儲層的評價相似。當然，由于頁巖氣儲層要計算含氣量，這種含氣量是每噸巖石從井下儲層條件換算到地面標準條件下（一個大氣壓、25 °C），故與地層的壓力和溫度以及天然氣的壓縮因子等有關。

（1）計算地層壓力和地層溫度：區域上地層的壓力系數和地溫梯度已知后，近似的計算出解釋井段的地層壓力和井溫，另外，從測井資料也可以知道儲層的溫度。

（2）計算頁巖儲層的游離氣含量[5-6]：

其中：Gf為游離氣含量（m3/t）；Φ 為孔隙度（%）；Sw為含水飽和度（%）；ρ 為地層測井密度（t/m3）；Bg為氣體體積系數。

2.3 總含氣量的計算

由于溶解氣含量在頁巖儲層含量相對較小，因此在計算頁巖儲層含氣量時通常忽略不計，因此，頁巖氣儲層某一深度點的總含氣量公式如下：

其中：Gt為總的含氣量（m3/t）；Gf為游離氣含量（m3/t）；Gs為測井評價吸附氣含量（m3/t）。

根據以上頁巖氣含量的計算方法，對川南地區頁巖氣儲層的吸附氣含量、游離氣含量進行了計算（見圖5）。整體來說，長寧地區含氣量較高，威遠和瀘州地區含氣量相對較低，游離氣含量一般大于吸附氣量。

圖5 川南地區龍馬溪組單井含氣量分布圖

3 結論

頁巖含氣量的研究方法主要有直接法和間接法兩種。通過直接法和間接法對川南地區龍馬溪組含氣量的分析知，直接法和間接法對確定頁巖含氣量都有各自的優勢，可以互為補充。

［1］ Curtis J B.Fractured shale-gas systems［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921-1938.

［2］ 肖賢明，宋之光，朱炎銘，等.北美頁巖氣研究及對我國下古生界頁巖氣開發的啟示［J］. 煤炭學報，2013，38（5）：721-725.

［3］ 董謙，劉小平，李武廣，等.關于頁巖含氣量確定方法的探討［J］.天然氣與石油，2012，30（5）：34-37.

［4］ 付殿敬，宜偉，鄧澤，等.基于Langmuir 公式的殘余氣預測方法［J］.科技導報，2011，29（10）：49-51.

［5］ 郝建飛，周燦燦，李霞，等.頁巖氣地球物理測井評價綜述［J］.地球物理學進展，2012，27（4）：1624-1632.

［6］ 郝孝榮.頁巖氣層測井響應特征及其含氣量評價［J］.科技資訊，2012，（28）：84-85.