间接法是通过等温吸附、测井等间接的方式确定页岩含气量的方法。等温吸附曲线是描述页岩储层吸附气量与压力的关系的曲线,它反映了页岩对甲烷气体的吸附能力。在给定的温度下,页岩中被吸附的气体压力与吸附量成一定的函数关系,代表了页岩中游离气与吸附气之间的一种平衡关系,由等温吸附线得到的气体含量反映了页岩储层所具有的最大容量。
通过测井方法也能反映页岩的含气量,如使用单位体积密度测井的方法可以获得页岩气含气量。含气泥页岩测井曲线响应通常具有“四高一低”的特征,即高自然伽马、高中子、高电阻率、高声波时差和低密度。根据这些特征,可以尝试建立测井曲线值和含气量的关系,从而达到通过测井曲线值反演含气量的目的。
下面以等温吸附实验为例介绍间接法。
等温吸附实验测试样品在不同气体和不同压力下的吸附体积。通过等温吸附实验获得的等温吸附曲线描述了页岩储层吸附气量与压力的关系,反映了页岩对甲烷气体的吸附能力,由等温吸附曲线得到的气体的含量反映了页岩储层所具有的最大容量。
吸附机理是页岩气赋存有效的机理。页岩气主要以物理吸附形式存在,一般采用Langmuir模型描述其吸附过程。
式中 V——吸附量,m3/t;
p——气体压力,MPa;
VL——Langmuir吸附常数,m3/t;(www.xing528.com)
pL——Langmuir压力常数,MPa。
VL描述的是无限大压力下的气体积,即饱和吸附量;pL描述的是气含量等于二分之一Langmuir体积时的压力。
方法原理:首先,将一定粒度(60~80目)的页岩样品置于密封容器中,测定其在相同温度、不同压力条件下达到吸附平衡时所吸附的甲烷等实验气体的体积;然后根据Langmuir单分子层吸附理论,计算出表征泥页岩对甲烷等实验气体吸附特性的吸附常数Langmuir体积(VL),Langmuir压力(pL)以及等温吸附曲线。检测依据是GB/T19560—2004,选取多个压力平衡点,每一个压力点达到平衡的时间约12 h,然后再增压到下一个压力点,实验用的甲烷气浓度大于99.999%。
以渝东南地区下志留统龙马溪组黑色页岩的天然气吸附能力及其主控因素为例,测试得到样品的等温吸附线(图7—18)。从图7—18中可看出,在温度一定时,吸附量随着压力的升高而增加,当压力增加到一定程度时,吸附量达到饱和,不再增加。吸附曲线呈现三个变化阶段:当压力小于0.38 MPa时,吸附量随压力的增加呈近似直线上升趋势;压力在0.38~10.83 MPa时,吸附量进入过渡阶段,其增加速度逐渐降低;当压力大于10.83 MPa时,吸附逐渐达到饱和,吸附量随压力上升有少量增加或不再增加。这三个阶段和Langmuir方程理论所描述的吸附过程十分相似,因此Langmuir方程能够很好地描述页岩对甲烷的吸附特性(武景淑等,2012)。
图7—18 渝页1井126.0~215.1 m页岩的甲烷等温吸附曲线(武景淑等,2012)
等温吸附实验是页岩测试技术中不可或缺的重要组成部分。值得注意的是,吸附作用是在低压(低于6.9 MPa)条件下储存天然气非常有效的手段,当储层压力接近或高于13.8 MPa的渐近线时吸附率不佳。另外,等温吸附获得的是页岩的最大含气量,其结果往往比解吸法测得的数值大,因此等温吸附实验一般只用于评价页岩的吸附能力以及确定页岩含气饱和度的等级,很少用其求取页岩含气量的多少,只有缺少现场解吸实验数据时才用其定性地比较不同页岩含气量的多少。
【注释】
[1]mD(毫达西)是渗透率的非法定计量单位,1 mD=9 187×10—4 μm2,1 nD(纳达西)=10—6 mD。
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