郭秋田 向祖平 李志軍 馬 群 劉 陽 劉先山 梁洪彬

(1. 重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2. 中國石油塔里木油田公司， 新疆 庫爾勒 841000； 3. 中國石油冀東油田， 河北 唐山 063004)

高溫、高壓條件下的頁巖氣吸附規(guī)律研究

郭秋田1向祖平1李志軍1馬 群2劉 陽3劉先山1梁洪彬1

(1. 重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2. 中國石油塔里木油田公司， 新疆 庫爾勒 841000； 3. 中國石油冀東油田， 河北 唐山 063004)

為了研究高溫、高壓條件下的頁巖氣吸附規(guī)律，設計了頁巖氣吸附裝置。取四川某油田的巖樣與甲烷氣體進行吸附實驗研究。實驗結果表明，在相同壓力條件下，溫度越高，頁巖對甲烷氣體的吸附量越小。當溫度較高時，頁巖對甲烷的吸附量隨著溫度的升高而緩慢減小; 當溫度恒定且壓力小于5 MPa時，頁巖對甲烷氣體的吸附量隨著壓力增加而逐漸增大。當壓力較大時，頁巖對甲烷氣體的吸附量增幅變緩；頁巖顆粒的目數對頁巖吸附的影響不顯著。利用Langmuir方程對此吸附規(guī)律進行擬合，擬合結果較好。

頁巖氣； 高溫； 高壓； 吸附量； Langmuir方程

頁巖氣藏是具有自生、自儲、自保等特點的一種非常規(guī)天然氣藏，儲層富含大量有機質，具有基質孔隙和裂縫雙重孔隙結構[1]。其特珠的成藏過程及復雜的儲層微觀孔隙結構，決定了頁巖氣賦存狀態(tài)的多樣性，以游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)等形式存在于儲層中，其中吸附態(tài)頁巖氣占頁巖氣總量的20%～85%[2]。由于頁巖孔隙的比表面積對頁巖氣具有較強的吸附能力[3]，所以吸附態(tài)頁巖氣主要儲集在比表面積巨大的有機質孔隙中。頁巖氣儲層的實際溫度和壓力一般高于實驗條件下的溫度和壓力[4]。在高溫高壓儲層中，頁巖氣是否符合等溫吸附的變化規(guī)律，仍需進一步深入了解。

目前學界并未給出明確的頁巖氣吸附、解吸附實驗裝置使用規(guī)范。采用煤層氣高壓容量法吸附裝置進行實驗時，往往誤差較大[5]。本次研究在國內外頁巖氣吸附量測試實驗裝置的基礎之上，根據物質狀態(tài)平衡原理，自行設計頁巖氣吸附實驗裝置，模擬儲層高溫、高壓環(huán)境，探討頁巖氣的吸附規(guī)律。

1 頁巖氣吸附-解吸附實驗

1.1 實驗裝置及原理

根據物質狀態(tài)平衡原理，設計了頁巖氣吸附-解吸附實驗裝置。該裝置所有部件可承受的實驗壓力為0～60 MPa，溫度為0～100 ℃。該實驗裝置的壓力計量精度為0.001 MPa，溫度計量精度為0.1 ℃。吸附罐、充氣罐、增壓罐與各部分的連接采用不銹鋼裝置，吸附罐、充氣罐的容積分別為37.147 1、21.531 8 cm3。該裝置配備了數據自動采集系統(tǒng)，可連續(xù)記錄體系的溫度和壓力，以確保數據監(jiān)測和記量的準確性。圖1所示為頁巖氣吸附-解吸附實驗裝置示意圖。

頁巖氣吸附-解吸附原理是：當充氣罐中充滿被測氣體時，在穩(wěn)定的充氣罐初始壓力p1下，根據氣體狀態(tài)方程pV=ZnRT，計算進入充氣罐內的氣體總物質量n1；打開充氣罐和吸附罐之間的連通閥，此時的平衡壓力為p平;分別計算此時充氣罐和吸附罐體系中的物質量n2、n3，氣體在此壓力下的吸附量為na=n1-(n2+n3)。

1 — 真空電阻表；2 — 壓力表；3 — 真空泵；4 — 閥門；5 — 充氣罐；6 — 樣品罐；7 — 壓力敏感器；8 — 溫度敏感器；9 — 恒溫箱。

圖1 頁巖氣吸附-解吸附實驗裝置示意圖

1.2 實驗樣品

實驗樣品包括：頁巖，來自四川盆地某探井；高純甲烷，純度為99.99%；高純度氦氣，純度為99.99%。頁巖樣品有機碳及泥質含量見表1。

表1 實驗樣品信息

1.3 實驗方法

按照《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準-煤巖中甲烷等溫吸附量測定容量法》的要求進行實驗，步驟如下：

(1) 根據實驗裝置圖連接實驗設備，檢查裝置的氣密性。

(2) 將巖樣粉碎，篩分，制得60～200目的粉末，并在105 ℃高溫下烘90 min，取出放入干燥器內冷卻至室溫，稱重后放入吸附罐中，抽真空至真空度達到4 MPa。

(3) 利用氦氣標定充氣罐體積和吸附罐自由空間體積。

(4) 將甲烷氣體充入到已知體積的充氣罐中，當氣體壓力穩(wěn)定時，記錄充氣罐的壓力。緩慢打開吸附罐閥門，當充氣罐和吸附罐壓力平衡后，記錄平衡壓力和溫度，計算此時體系中氣體吸附量。重復此步驟，逐步升高實驗壓力，完成吸附測試實驗。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

分別在30、60、90 ℃及不同壓力條件下，記錄頁巖對甲烷氣體的吸附量和解吸附量。根據實驗數據繪制圖2、圖3所示等溫吸附曲線。

圖2 不同溫度下等溫吸附曲線

圖3 不同目數下的等溫吸附曲線

可以看出：

(1) 同一壓力條件下，溫度越高，頁巖對甲烷氣體的吸附量越小。當溫度較高時，隨著壓力的增加，頁巖對甲烷的吸附量增幅減小。

(2) 當溫度恒定且壓力小于5 MPa時，隨著壓力的增加，頁巖對甲烷氣體的吸附量逐漸增大。當壓力大于5 MPa時，頁巖對甲烷氣體的吸附量增幅變小。

(3) 頁巖顆粒的目數(60～200目)對頁巖吸附的影響不大。根據本實驗吸附裝置，選用120目顆粒用于吸附實驗研究。

2.2 模型擬合

由實驗結果可知，該巖樣對甲烷吸附量與壓力的變化曲線與I型等溫吸附曲線相吻合，故可確定該巖樣儲層對頁巖氣的吸附為Ⅰ型等溫吸附，其吸附規(guī)律可用Langmuir方程進行描述。各巖樣擬合曲線如圖4 — 圖9所示，巖樣擬合參數如表2所示。

圖4 30 ℃下巖樣YY-1擬合曲線

圖5 30 ℃下巖樣YY-2擬合曲線

圖6 30 ℃下巖樣YY-3擬合曲線

圖7 60 ℃下巖樣YY-3擬合曲線

圖8 60 ℃下巖樣YY-2擬合曲線

圖9 90 ℃下巖樣YY-1擬合曲線

利用Langmuir吸附方程對頁巖氣高溫高壓下吸附數據進行擬合，擬合結果相關性較高，相關系數均在0.99以上。這說明該區(qū)域頁巖氣吸附規(guī)律服從Langmuir等溫吸附規(guī)律，其吸附過程可用Langmuir方程進行描述。

(1) 當溫度為30 ℃時，該區(qū)域頁巖平均吸附體積為0.873 m3t；當溫度為60 ℃時，平均吸附體積為0.583 m3t。該巖樣深度為1 485 m，該區(qū)域頁巖的吸附能力較低。

表2 巖樣擬合方程參數

(2) 當實驗溫度為30 ℃時，平均平衡壓力pL為3.913 MPa；當溫度為60 ℃時，平均平衡壓力pL為4.108 MPa。這表明該區(qū)域頁巖在高壓條件下等溫吸附曲線的曲率較小，隨著壓力的增加，頁巖氣的吸附量增幅逐漸減小。

3 結 語

通過實驗研究，總結出以下吸附規(guī)律：

(1) 從總體上看，該區(qū)域頁巖氣吸附量相對較小。當溫度恒定時，頁巖氣吸附量隨著壓力的增大而增加；當壓力恒定時，頁巖氣吸附量隨溫度的升高而減小。

(2) 頁巖巖樣顆粒目數對頁巖氣吸附量的影響不大。

(3) 該區(qū)域頁巖高壓條件下的吸附規(guī)律可用Langmuir等溫吸附方程描述。應用Langmuir方程對頁巖氣吸附實驗結果進行擬合，相關系數均達到0.99以上。通過Langmuir變形方程可知，該區(qū)域高壓條件下等溫吸附曲線的曲率較小，隨著壓力的增加，頁巖氣的吸附量增幅逐漸變小。

[1] ZHANG L H，LI J C，TANG H M，et al.Fractal pore structure model and multiplayer fractal adsorption in shale[J].Fractals，2014，22(3)：100-102.

[2] 張烈輝，郭晶晶，唐洪明.頁巖氣藏開發(fā)基礎[M].北京：石油工業(yè)出版社，2014：15-18.

[3] 楊峰，寧正福，劉慧卿，等.頁巖對甲烷的等溫吸附特性研究[J]，特種油氣藏，2013(5):133-136.

[4] THOMAS R，MICHAEL B，ANDREW C A，et al.Methane adsorption on shale under simulated geological temperature and pressure conditions[J].Energy Fuels，2013，27 (6)：3099-3109.

[5] 楊盛波.頁巖氣吸附解吸實驗研究[J].特種油氣藏，2013(5):133-136.

Research on Shale Gas Adsorption Law Under High Temperature and High Pressure

GUOQiutian1XIANGZuping1LIZhijun1MAQun2LIUYang3LIUXianshan1LIANGHongbin1

(1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China;2.PertoChina Tarim Oilfield Company, Korla Xinjiang 841000, China; 3.PertoChina Jidong Oilfield, Tangshan Hebei 063004, China)

To study the shale gas adsorption law under the condition of high temperature and high pressure, adsorption device is designed for the shale gas. The adsorption experiments of rock samples and methane gas from a basin in Sichuan are carried out with this device, in different temperature and under the condition of different pressure. The experimental results show that under the condition of the same pressure, the higher the temperature, shale on methane gas adsorption quantity decreases. When the temperature is high, with the increase of temperature, shale of methane adsorption quantity reduces gradually. When a constant temperature and pressure is less than 5 MPa, with the increase of pressure, shale of methane gas adsorption capacity increases gradually. When pressure is high, shale gas adsorption of methane increases at a slow speed; the effect of shale particle mesh on the absorption of shale is not significant. The adsorption law is fitted with Langmuir equation, and fitting results are good.

shale gas; high temperature; high pressure; adsorption capacity; Langmuir equation

2017-01-20

重慶市基礎與前沿研究計劃項目“頁巖氣藏體積壓裂水平井非線性滲流理論及流 — 固耦合綜合模型研究”(CSTC2015JCYJA90014);中國石油科技創(chuàng)新基金項目“基于裂縫變形機理的頁巖氣藏體積壓裂水平井流體流動規(guī)律研究”(2015D-5006-0207);重慶科技學院校內科研基金“頁巖氣數值試井理論研究”(CK2015B10);重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新計劃項目“頁巖氣高溫高壓下解吸附模型研究”(YKJCX2015023)，“蘇里格致密氣藏氣井產量遞減規(guī)律分析方法研究”(YKJCX1620141)

郭秋田(1992 — )，女，黑龍江七臺河人，重慶科技學院石油與天然氣工程學院在讀碩士研究生，研究方向為復雜油氣藏開發(fā)理論及數值模擬。

TE311

A

1673-1980(2017)04-0001-04