基于自動化排水集氣原理的頁巖含氣量測試新方法

范 明俞凌杰蔣啟貴陳紅宇宋曉瑩王 強

（1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所，無錫 214151；2.中國石油化工集團公司油氣成藏重點實驗室，無錫 214126）

基于自動化排水集氣原理的頁巖含氣量測試新方法

范 明1，2俞凌杰1，2蔣啟貴1，2陳紅宇1，2宋曉瑩1，2王 強1，2

（1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所，無錫 214151；2.中國石油化工集團公司油氣成藏重點實驗室，無錫 214126）

在巖石含氣量測試方法現狀調研基礎上，詳細介紹了自主研制的基于自動化排水集氣原理的頁巖含氣量測試裝置，闡述了儀器原理、功能，并采用6種不同氣體在快、慢兩個不同流速下，研究氣體組成及流速對質量流量計法和自動化排水集氣法測試精度的影響。結果表明，質量流量計法受氣體組分及流速影響顯著，尤其當烴類氣體組分不確定或含水蒸氣時，會出現較大誤差，高流速條件下誤差可達10%以上。自動化排水集氣法計量精度高，誤差在1%以內，且對流速變化不敏感，實現了高自動化與高精度。

頁巖 含氣量測試 排水集氣法 自動化

1 前言

北美頁巖油氣的成功開發掀起了全球頁巖氣勘探開發熱潮，已有研究表明，中國頁巖氣資源量豐富，可采資源量高達15～25萬億立方米［1］。但是，泥頁巖作為源巖和儲集巖為一體的介質，其氣體儲集和賦存形式一直是困擾的難題。含氣量評價是頁巖氣資源評價的核心，準確獲取含氣量對資源勘探與評價具有重要意義。測井解釋法、等溫吸附法和現場解吸法是定量評價頁巖含氣量的3種主要途徑，其中現場解吸法利用鉆井獲取的頁巖巖芯中來直接獲取含氣量，被認為是最客觀可靠的方法。但是，解吸過程中氣體組分及流速均有可能發生較大變化，從而影響數據精度。因此，如何準確測定解吸過程中的含氣量數據至關重要。本研究提出了一種更準確的全自動頁巖含氣量分析方法，設計開發了新型頁巖含氣量分析儀器，避免了氣體組分、流速及水蒸氣引起的測量誤差，可以更好地用于巖石含氣量測試。

2 巖石含氣量測試方法現狀

目前，巖石含氣量測試方法和設備主要可分為以下4類，均具有各自優勢，但同時也存在明顯缺陷。

① 手動排水集氣法：其設備只需一根計量管、一個水杯并通過U形管連接即可。打開進氣閥，當氣體進入計量管時，其內部產生壓力，導致液面下降。關閉進氣閥，手動移動水杯使其內部液面與計量管液面對齊，待肉眼確定基本對齊時，則計量管中液面下降刻度區間即為此次開、關閥階段引入的氣體體積。該方法原理簡單，適用于測量時間不長、計量次數不多的情況。但頁巖及煤中含氣量測試，參照國家標準GB／T 19559－2004《煤層氣含量測定方法》［2］以及石油天然氣行業標準SY／T 6940－2013《頁巖含氣量測定方法》［3］，在出氣初期第1小時內，讀數間隔不超過5分鐘，第2小時內，讀數間隔不超過10分鐘。此類巖石中出氣時間可達十幾個小時至數天不等。參照標準，如此高密度人工讀數工作量繁重，肉眼對齊誤差大，且難以滿足多個巖石樣品同時計量需求。

② 質量流量計法［4］：主要利用質量流量計來計量流過的氣體體積，優點在于體積小，自動化程度高。但最大的問題在于體積計量受組分的影響較明顯。比如熱導式質量流量計，主要利用流經氣體所引起的熱感應強度來計量。若測量氣體與標定氣體種類不同，即使相同體積的氣體流過，但所產生的熱感應強度不同，計量的讀數也不同，需要利用測試氣體的轉換系數來校正。對于單組份氣體，質量流量計可以較精確的獲取體積，但是當氣體組分變化時，難以通過單一轉換系數來實現，會產生較大誤差。同時，氣體流速不同也會產生計量誤差。另外質量流量計規定了氣體流動的正方向，只能計量正方向流經的氣體，當氣體有回流時，總體積會被高估。頁巖和煤在原始地質儲集條件下，烴類氣體組分差異大、孔隙壓力變化大，使得解吸過程中氣體組分、解吸氣流速均可能明顯變化，從而引起較大的體積誤差。高溫解吸過程中，水蒸氣對組分的影響以及蒸發－冷凝引起的氣體回流將進一步加劇質量流量計體積計量誤差。

③PVT定容法［5，6］：主要利用定容空間中的PVT方程來計算充入的氣體體積，可實現較高自動化。但是，當有多塊巖石解吸時，解吸出來的氣體將在同一個定容空間中定容，會導致氣體間相互污染，無法開展后續氣體組分及同位素分析。另外，PVT理想氣體狀態方程應用于實際氣體也會產生計量誤差。

④ 燃燒法［7］：主要利用巖石中烴類氣體進入以氫氣和氧氣燃燒的火焰，在高溫下產生化學電離，在高壓電場的定向作用下形成離子流及與之成正比的電信號來計量。該方法對有機化合物具有很高的靈敏度，對無機氣體、水等響應程度低，且對氣體流速、壓力均不敏感，應用于烴類氣體可以實現很高的計量精度，但該方法是破壞性的，無法收集解吸氣來開展氣體組分及同位素分析。

通過方法調研可以看出，現階段尚未出現一種巖石含氣量測試方法能夠同時滿足自動化程度高、計量精度高且氣體間無干擾、易收集，能夠實現組分及同位素分析這三項功能的新一代巖石含氣量測試儀。

3 智能化頁巖含氣量測試儀的研制

本研究根據頁巖氣含氣量準確定量及頁巖氣勘探評價的需要，自主研制了一套智能化頁巖含氣量測試儀，可同時滿足上述要求，其主要原理是基于自動化的排水集氣法，圖1即為該儀器示意圖。

圖1 智能化頁巖含氣量測試儀示意圖

3.1 主要原理

儀器主要硬件包括壓力傳感器、電磁閥、控制器、傳動絲杠和伺服電機。選用的壓力傳感器量程為1000Pa，精度為±0.1%。如圖1所示，當解吸罐中巖石樣品開始出氣時，氣體流經進氣電磁閥通入玻璃儲氣管內，導致玻璃儲氣管中的水液面下降，同時壓力傳感器跟蹤儲氣管內壓力變化，并通過PLC控制器反饋來控制伺服電機。當壓力為正時，伺服電機順時針轉動，使得傳動絲杠正向轉動，帶動平衡水罐沿絲杠向下移動，當壓力為負時，伺服電機轉向相反，帶動平衡水罐向上運動，通過上、下移動均可使儲氣管中液面與平衡水罐液面間液位差消失。根據平衡水罐運動行程與氣體體積關系，通過公式（1）、（2）即可得到氣體體積。

式中：v為氣體體積，r為玻璃儲氣管半徑，R為平衡水罐半徑，Δl1為進氣開始至平衡時，玻璃儲氣管中液面下降高度，S為平衡水罐沿絲杠方向行程。

平衡水罐行程采用伺服電機轉動的電脈沖信號數、齒輪的減數比及絲杠的螺距來得到。

3.2 儀器功能

本儀器根據進氣過程中壓力變化引發的運動行程來對氣體體積進行計量，過程類似于手動排水集氣法，但通過壓力反饋與電機作用實現了液位對齊的自動化，即所謂的自動化排水集氣法。儀器通過以下3點來實現高自動化、高精度與取氣功能。

（1）除自動液位對齊功能外，在絲杠上下端設置了行程開關，當儲氣管內氣體集滿一管時，進氣閥關閉，放氣閥將打開，平衡水罐自動向上返程至初始零位后排空，可重新進入下一管氣體收集，實現全過程無人值守功能。

（2）讀數時的平衡壓力誤差范圍最低可設定為±2Pa，即平衡水罐與儲氣管內的液位差壓力小于2Pa時，即認為壓力平衡。此壓力波動范圍相當于液位高度差小于0.2mm，根據儲氣管半徑（r＝12mm），水罐半徑（R＝50mm），可利用式（2）計算出此高度差引起的體積誤差僅為0.08mL，對于儲氣管120ml的總體積來講，誤差僅為0.06%。

（3）軟件中增設了手動取氣按鈕，可隨時點擊實現不同時刻取氣以進行后續氣體組分及同位素分析。

3.3 計量結果對比

研究中選擇了6組不同氣體（空氣、氦氣、甲烷、混合標氣、氮氣、含少量水蒸氣的甲烷）進行質量流量計法和自動化排水集氣法的對比，結果見表1。質量流量計選用的型號為Sevenstar D07（北京七星華創電子有限公司，熱導式流量計），標定氣體為N2。研究中各氣體注入的氣體體積均為32mL，并選擇快、慢兩個流速研究流速對計量精度的影響，每種氣體各測試2次。兩個流速分別為＞100mL／min，＜30mL／min。從表1中可以看出，質量流量計體積計量受氣體組分及流速影響顯著。對于單組份氣體（氦氣、甲烷和氮氣）以及空氣，質量流量計體積計量誤差較小，精度較高，在低流速時約在5%左右，但在高流速時誤差顯著增大，可達10%以上。對于混合標氣，表1中利用各氣體組分對應的轉換系數進行加權得到混合標氣轉換系數。但從表1中可以看出，即使進行轉換系數修正，在低流速和高流速時其誤差仍高于10%。另外，含水蒸氣的甲烷氣的體積計量誤差超過了40%，這主要是由于水蒸氣冷凝導致流量計熱效應降低。實際巖石樣品中儲集的氣體可能含有多種烴類氣體，同時也可能含有二氧化碳和水蒸氣，因此利用質量流量計來計量時，由于組分變化不確定，難以獲取合適的轉換系數來精確定量。

表1 兩種方法測試對比

相比較，本儀器所采用自動化排水集氣法，從原理上實現真實體積計量，不受測試氣體組分的影響。從表1中可以看出，該方法對上述6種氣體體積計量誤差遠低于質量流量計，均在1%以內，且流速導致的計量誤差一般不超過2%，也小于質量流量計法。

4 結論

（1）本研究對巖石含氣量測試方法現狀進行了詳細調研，對比了排水集氣法、質量流量計法、PVT定容法和燃燒法四種方法的優缺點。

（2）詳細介紹了自主研制的基于自動化排水集氣原理的含氣量測試裝置，闡述了儀器主要工作原理和功能，可同時實現高自動化、高精度及隨時取氣樣這3項關鍵功能。

（3）采用6種不同氣體在快、慢兩個不同流速下，對質量流量計法和自動化排水集氣法的測試精度進行對比。結果表明，質量流量計法受氣體組分及流速影響顯著，尤其當烴類氣體組分不確定或含水蒸氣時，會出現較大誤差，高流速條件下誤差可達10%以上。相比較，自動化排水集氣法計量精度高，不受測試組分及流速的影響，計量誤差在1%以內，流速導致的誤差一般不超過2%，由此提出的自動化排水集氣法是一種更準確、更快捷的頁巖氣含氣量測試方法。

［1］賈承造，鄭民 .中國非常規油氣資源與勘探開發前景［J］.石油勘探與開發，2012，39（2）：129－136.

［2］李小彥，張遂安，王強，等.GB／T 19559－2004，煤層氣含量測定方法［S］.北京：中國標準出版社.2004.

［3］劉洪林，閆剛，李曉波，等.SY／T 6940－2013，頁巖含氣量測定方法［S］.北京：石油工業出版社.2014：1－13.

［4］薛華慶，劉洪林，閆剛，等 .含氣量測試裝置：中國，102607989A［P］，2012.

［5］王軍芳，吳輝，趙斌杰 .一種新型頁巖含氣量測試儀和頁巖含氣量測定方法：中國，103063545A［P］，2013.

［6］Garcia J，Steven J S.Portable tester for determining gas content within a core sample：US，5741959A［P］，1998.

［7］汪雙清，楊仁政，吳非，等 .含氣量測量裝置及方法：中國，103308634A［P］，2013.

A new method for measurement of shale gas content based on automated water repelling and gas collecting principle.

Fan Ming1，2，Yu Lingjie1，2，Jiang Qigui1，2，Chen Hongyu1，2，Song Xiaoying1，2，Wang Qiang1，2

（1.Wuxi Research Institute of Petroleum Geology，SINOPEC，Wuxi 214151，China；2.SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Accumulation Mechanisms，Wuxi 214126，China）

This paper introduced a self－made instrument based on automated water repelling and gas collecting principle，and compared with mass flow meter method.The results showed that gas component and flowing rate had great influence on mass flow meter method.When testing gas had uncertain ratio of other hydrocarbon gases and water steam，the error was larger than 10%under fast flowing rate.On the contrary，the error of automated water repelling and gas collecting method was less than 1%，and flowing rate had nearly no impact on results.

shale；gas content measurement；water repelling and gas collecting；automation

10.3936／j.issn.1001－232x.2015.05.012

2015－03－12

范明，男，博士，1964年生，高級工程師，能源地質學專業，主要從事石油實驗地質綜合研究，E－mail：fanming.syky＠sinopec.com。