何家欢 李农 王兰生 张鉴 杜坚 靳涛

1.中国石油西南油气田分公司；2.四川省页岩气评价与开采重点实验室； 3.西南石油大学

页岩含气量是计算页岩原地储量的一个关键参数。由于页岩气有游离气、吸附气两种赋存形式，而赋存形式受压力、温度的影响，因此，页岩储层不能像常规储层那样直接用容积法来确定储量多少，而是要通过实验测定页岩含气量。页岩含气量测定方法有直接法和间接法。间接法主要是根据实验室样品的等温吸附曲线，在已知储层压力和温度的情况下分析页岩的含气量；直接法［1］则是将出筒后的岩心尽快装罐，先后将其加热至地层流体温度、井底温度，使用计量装置获得解吸气量，通过解吸气量与时间的关系曲线回归出岩心从井底到井口的损失气量，然后粉碎样品得到井底温度下的残余气量，最后将损失气量、解吸气量、残余气量三者相加，得到储层页岩含气量。解吸气量可通过现场实测数据得到，通常“现场页岩含气量”是指解吸气量。

虽然国内外学者［2-3］均认为损失气量的计算受理论假设条件与实际情况不符的影响，但鉴于直接法具有实验过程快速简便、能够现场拿到实验数据、能第一时间为勘探开发决策提供数据支撑等特点，在页岩气勘探开发过程中仍扮演着重要角色。国内外针对直接法的研究［4-16］主要集中于损失气量计算、页岩含气量的控制因素等方面，但是如何通过改进硬件设备来准确测定解吸过程中的含气量方面同样至关重要。

目前，国内页岩含气量现场测定方法［17-19］主要有手动排水集气法、气体流量计法、PVT定容法、燃烧法等4种方法，其中现场使用最为广泛的方法为手动排水集气法和气体流量计法。气体流量计法的优点在于设备体积小、自动化程度高，缺点则是由于体积计量受组分影响大，容易产生误差。手动排水采气法只需水瓶、计量管与U型管相连，水瓶顶端接大气，打开进气阀待液面下降，待稳定后手动移动水瓶待其内液面与计量管液面齐平，记录下此液面对应的计量管上的刻度。该方法测定原理简单，设备成本较低，但是该测定方法连续操作时间较长，劳动强度过大，误差大。此外，随着页岩气藏勘探开发的深入［20-24］，为准确评价页岩储层的含气量，取样密度已由国内页岩气探索期的1 样/5 m增至1 样/2 m，此举增加了手动排水集气法的测试难度。页岩含气量现场测定方法的特殊性就在于只能在岩心出筒后迅速完成，且不能重复操作，如果不能在取心后完成对所有岩样的测定，那么经过较高成本的取心作业取得的岩心将再也无法用于有效地评价其含气性，会造成极大的浪费。为此，研制了页岩现场含气量自动测定装置。

1 页岩含气量自动测定装置

Automatic shale gas content measurement device

该设备的基本原理基于排水采气法，但是运用光电原理实现了自动计量。

1.1 结构

Structure

测定装置主要由集气量筒、平衡量筒、储液罐、漂浮片、升降装置、光电液位传感器、导气管、数据采集及控制系统、上位机等组成，结构如图1所示。

图1 页岩含气量现场自动测定仪示意图Fig. 1 Sketch of on-site automatic shale gas content measurement device

1.2 工作原理

Working principle

该装置依据U型管内的液体（通常是水）在同等大气压条件下液位等高的等压液位平衡原理，采用光电非接触式闭环测控方法，实现对页岩储层含气量的恒压等容自动连续测定。使用两个光电液位传感器分别测定集气量筒和平衡量筒中的液位高度，通过计算机数据采集及程序对电机等机构进行控制和调节，由蜗轮蜗杆机构等调节集气量筒和平衡量筒与储液罐的相对位置，从而实现对两个量筒液位的再次平衡及含气量的计算，往复此定容测定过程直至完成储层样品的含气量测定。

1.3 技术特点

Technical characteristics

（1）测定结果不受集气筒内壁因表面张力引起的人为读数和操作误差等的影响，测定精度远高于手动排水集气法、气体流量计法，同时节约了大量人力资源成本。

（2）该设备将光电传感技术、计量筒内液体闭环测控和计算机软件技术综合用于页岩储层含气量现场测定，还可用于包括煤的含气量或者其他工业领域的气体容量的连续定容计量测定。

2 现场应用

Field application

2.1 测定步骤

Measurement procedure

（1）测定前，上位机通过数据采集及控制系统驱动储液罐上升，使集气量筒和平衡量筒内的液体上升，光电位移传感器将液面参数传输至上位机。当集气量筒和平衡量筒内的液面达到设定的液体上限值后，控制升降装置的驱动装置将停止工作。

（2）将现场出筒的页岩储层样品放置于解吸罐内，并将解吸罐放于恒温水浴锅中。

（3）页岩储层样品在模拟井口温度或储层流体温度时不断解吸出天然气，天然气通过导气管进入集气量筒内，使集气筒内液面下降，同时也使平衡量筒和储液罐内的液面随之上升，集气量筒和平衡量筒内的漂浮片均随液位变化而移动，光电液位传感器实时将液面参数传输至上位机。上位机根据液位差，控制升降装置使储液罐液位下降，使平衡量筒的液位逐渐降低，直至集气量筒内的气压与外界大气压相等。集气量筒此时的液位相对于初始液位对应的量筒容积差即为储层样品的出气量，上位机根据测定和记录的集气筒内的液位变化位，完成一次含气量计量。

（4）完成一次计量后，通过控制升降装置驱动储液罐液位上升，使集气量筒和平衡量筒内的液位上升，当集气量筒和平衡量筒内的液位达到设定的液位上限值后，驱动装置停止工作。

（5）重复步骤（3）、（4），即可开始下一次计量。

（6）上位机自动累积计算出页岩储层样品的现场解吸气量。

2.2 实例分析

Case analysis

为证实页岩现场含气量自动测定技术的可靠性，在NX202井相邻井深处选取两块全直径样品，记为1号和4号，岩心出筒后分别迅速装入岩心罐并置于恒温水浴锅中，先按照井口流体温度加热到60 ℃，4 h后按照储层温度加热到90.9 ℃，直到岩心罐无气体溢出。

1号样品质量为5.8 kg，4号样品质量为6.0 kg，其中1号样品采用页岩含气量现场自动测定仪测定，4号样品采用手动排水采气法人工记录数据。NX202井1号样品和4号样品的页岩累积测定气量曲线图如图2所示，经过测定，通过页岩含气量现场自动测定仪测定的1号样品解吸气量为1 526 mL，解吸气含量为0.26 m3/t；通过手动排水采气法人工记录的4号样品解吸气量为1 374 mL，解吸气含量为0.23 m3/t。对比发现，相邻井深的样品分别采用自动、人工计量方式的测量结果仅相差0.03 m3/t，证实页岩含气量现场自动测定技术能够代替手动排水采气法，能满足页岩含气量现场测定的需要。

图2 NX202井页岩累积测定气量曲线图（1号、4号样品）Fig. 2 Cumulative gas measurement curve of Well NX202 (No.1 and No.4 samples)

页岩含气量现场自动测定技术在国家级页岩气示范区（长宁、威远）应用十分广泛。以长宁、威远地区的10口井数据为例，页岩含气量与每米产层贡献的产量呈正比关系，如图3所示。实践证明，含气量大于或等于2.0 m3/t则是页岩气藏经济可采的必要条件。根据国家级页岩气示范区（长宁、威远）的实践经验，由于页岩气井的产量受多种因素控制，并非所有含气量大于或等于2.0 m3/t的页岩储层都经济可采，但是对于含气量小于2.0 m3/t的储层尚未发现具有经济可采价值的实例。如长宁、威远地区G井的含气量测定为1.60 m3/t，测试产量仅为0.12×104m3/d，难以达到工业气流，而同一区块的A井含气量为5.05 m3/t，测试产量为1.72×104m3/d，在该井层段钻取水平井，获得巨大成功。因此，页岩含气量第一时间为勘探开发决策提供了数据支撑，该数据成为预测储层“甜点”的重要指标，而页岩含气量现场自动测定技术则保证了该实验数据的准确、可靠。

图3 长宁、威远地区10口井页岩含气量与每米产层贡献产量的关系Fig. 3 Relationship between shale gas content and production contribution a meter of pay zone of 10 wells in Channing and Weiyuan areas

3 结论及建议

Conclusions and proposals

（1）页岩含气量自动测定装置利用U型管的原理对页岩含气量进行自动计量，有效减轻了现场工作人员的劳动强度，实现了页岩现场含气量自动、精准测定，已成功应用于20余口井的页岩含气量现场测定。

（2）页岩储层含气性实验数据有效指导了页岩气现场射孔作业、有利层段的划分，为国家级页岩气示范区（长宁、威远）的建设提供了强有力的数据支撑。

（3）因受现场实验条件所限，应提高页岩含气量自动测定仪的便携性和稳定性，以适用于更复杂的工作环境中。

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