李軍, 武清釗, 路菁, 金武軍

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點實驗室, 北京 100083)

0　引　言

頁巖儲層中的天然氣主要為游離甲烷氣和吸附甲烷氣2種相態(tài)。準(zhǔn)確評價頁巖中總含氣量及游離氣與吸附氣含量對于高效勘探開發(fā)頁巖氣具有重要意義[1-7]。目前,利用等溫吸附實驗可以評價頁巖中吸附氣含量及其隨溫壓變化特征,尚無實驗手段能夠同時測量頁巖中吸附氣、游離氣含量及其比例。

核磁共振(NMR)技術(shù)能夠定量評價巖石中氫核含量分布特征,核磁共振T2譜圖能夠反映氫核含量隨孔徑大小的分布[8-10]。利用核磁共振測井技術(shù)研究砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)及儲層流體性質(zhì)已是比較成熟的技術(shù)。針對頁巖氣儲層,利用核磁共振測井技術(shù)研究有機(jī)孔、無機(jī)孔及其分布,已有不少文獻(xiàn)發(fā)表[11-16],但尚無利用核磁共振測井技術(shù)確定頁巖中游離氣、吸附氣含量的文獻(xiàn)報道。

本文通過核磁共振手段,觀測不同壓力下飽和甲烷氣體頁巖巖心核磁共振T2譜峰變化特征,分辨出游離氣、吸附氣在T2譜圖上的位置,并確定游離氣T2譜峰面積與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下游離氣體積的關(guān)系,從而建立基于核磁共振測井技術(shù)實時確定頁巖游離氣、吸附氣含量的方法,為頁巖儲層含氣性精細(xì)評價提供新手段。

1　基本原理

地下孔隙介質(zhì)中游離氣分布在較大孔隙之中,游離氣含量與溫度壓力關(guān)系遵循氣體狀態(tài)方程,而吸附氣分布在較小孔隙中,吸附氣含量與溫度壓力關(guān)系遵循藍(lán)格繆爾方程。這是利用核磁共振實驗確定頁巖中游離氣、吸附響應(yīng)特征及定量評價理論基礎(chǔ)。

設(shè)地下游離氣孔隙體積為Vf,m3;地層壓力為pf,MPa;溫度為Tf, ℃,地面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力ps,MPa;溫度為Ts, ℃。依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,地面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下游離氣體積Vs為

(1)

對于恒定地層溫度和孔隙體積,標(biāo)準(zhǔn)條件下游離氣含量(m3/t)與壓力成線性關(guān)系。也就是說,頁巖氣儲層中,恒溫條件下游離氣含量隨壓力增大而線性增大。

對于頁巖氣儲層中吸附氣含量則不遵循這種線性變化規(guī)律,而是遵從藍(lán)格繆爾方程描述的規(guī)律:恒溫條件下吸附氣含量隨壓力增大而增大,增大到一定程度后而趨近于一常數(shù)。

基于上述原理,借助核磁共振測井技術(shù)檢測頁巖巖心中甲烷氣體分布及其與壓力之間關(guān)系,從而識別游離氣、吸附氣并進(jìn)行定量評價。核磁共振T2譜分布反映了物質(zhì)中氫核含量的分布,T2譜峰包絡(luò)線面積反映物質(zhì)總含氫量特征。對于游離甲烷氣來說,核磁共振T2譜峰包絡(luò)線面積反映特定溫壓條件下含氣量特征,而且其隨壓力變化規(guī)律符合氣體狀態(tài)方程,恒溫下隨壓力呈現(xiàn)線性變化規(guī)律。圖1展示了恒定溫度(50 ℃)條件下密閉容器中自由甲烷氣核磁共振T2譜峰包絡(luò)線面積與壓力之間良好線性關(guān)系,顯現(xiàn)自由甲烷氣核磁共振測井響應(yīng)本質(zhì)特征。

2　實驗方法

采用頁巖巖心等溫吸附與恒溫不同壓力條件下核磁共振T2譜聯(lián)合實驗觀測,定量分析頁巖中游離氣、吸附氣分布特征,同時為了驗證游離氣評價結(jié)果,采用液測法進(jìn)行孔隙度測量,配套進(jìn)行TOC及巖礦分析實驗。具體實驗步驟見圖2。

圖1　恒定溫度(50 ℃)密閉容器中自由甲烷氣核磁共振T2譜峰面積與壓力關(guān)系

關(guān)鍵儀器包括核磁共振儀、等溫吸附實驗儀。核磁共振儀器參數(shù):紐邁MesoMR23-060H-1,恒溫控制系統(tǒng)靈敏度0.01 ℃,儀器共振頻率21.80 MHz,溫度范圍32±0.01 ℃,壓力范圍0～20 MPa。

圖2　實驗流程圖

等溫吸附實驗儀器參數(shù):MIAI-8 2015-10,恒溫控制系統(tǒng)靈敏度0.1 ℃,溫度傳感器靈敏度0.1 ℃,壓力傳感器靈敏度0.001 MPa,溫度范圍20～80 ℃,壓力范圍0～25 MPa。

實驗中,頁巖巖心核磁共振測量遵照《SY/T 6490—2014巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范》執(zhí)行,頁巖氣等溫吸附試驗參考《GB/T 19560—2008煤的高壓等溫吸附試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖3　頁巖巖心游離氣、吸附氣核磁共振T2譜特征

3　游離氣、吸附氣核磁共振T2譜特征

圖4　頁巖巖心游離氣、吸附氣T2譜峰面積隨壓力變化特征

在不同壓力飽含甲烷氣體頁巖巖心核磁共振T2譜圖上,具有明顯的雙峰分布特征,第1個峰(前峰)分布在0.1～1 ms,主峰位置位0.2 ms;第2個峰(后峰)分布在1～10 ms,主峰位置為3 ms(見圖3)。在實驗壓力范圍內(nèi)(0～15 MPa),前峰、后峰幅度相對大小隨壓力增大出現(xiàn)轉(zhuǎn)化:在較低壓力下,前峰幅度明顯大于后峰幅度,而在較高壓力下逐漸轉(zhuǎn)化成小于后峰幅度(見圖3)。前峰包絡(luò)線面積隨壓力變化具有分段變化特征(見圖4):在壓力較低時,峰面積隨壓力增大而急劇增大,當(dāng)壓力到達(dá)一定程度時,峰面積隨壓力增大而緩慢增大,逐漸趨向于一穩(wěn)定值,符合藍(lán)格繆爾方程所描述的規(guī)律,對應(yīng)氣體為頁巖中吸附氣,前峰稱為吸附氣峰。后峰包絡(luò)線面積隨壓力增大而線性增大(見圖4),符合氣體狀態(tài)方程所描述的規(guī)律,對應(yīng)氣體為游離氣,后峰稱為游離氣峰。

頁巖中游離氣、吸附氣在核磁共振T2譜帶上具有不同分布位置,且具有不同壓力響應(yīng)特征,借助該特點,可以利用核磁共振資料分辨出巖石中游離氣及吸附氣,進(jìn)而獨立觀察游離氣和吸附氣核磁共振響應(yīng)特征及其賦存孔隙條件,確定巖石中游離氣、吸附氣含量及其比例。

核磁共振T2時間與孔徑大小之間存在對應(yīng)關(guān)系。李軍等[13-14]利用核磁共振T2譜確定頁巖氣儲層中孔隙孔徑分布,其定量關(guān)系為

rd=47T2

(2)

式中,rd為孔隙直徑,nm;T2為核磁共振橫向弛豫時間,ms。

按照這一關(guān)系,吸附氣主要賦存在孔徑小于10 nm的微孔隙中,而孔徑大于50 nm的孔隙中則以游離氣為主。

4　基于核磁共振T2譜游離氣及吸附氣定量計算

核磁共振T2譜圖上可以分辨出游離氣和吸附氣,峰面積大小與含氣量多少相關(guān)。理論分析和實驗證實,自由甲烷氣核磁共振T2譜峰包絡(luò)線面積與含氣體積之間存在良好的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系。在該例中,實驗確定自由甲烷氣核磁共振T2譜峰面積與含氣體積轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(3)

式中,Vs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷氣體積,cm3;SNMR核磁共振T2譜峰面積,μV·ms。

基于這一關(guān)系,利用核磁共振T2譜峰面積可以確定頁巖巖心中游離氣體積。在實驗過程中,總含氣量可以方便地通過計量得到,總氣量減去游離氣量等于吸附氣量,即

Vad=Vt-Vfr

(4)

式中,Vad為吸附氣體積,cm3;Vt為總體積,cm3;Vfr為游離氣體積,cm3。

利用這一關(guān)系確定吸附氣含量(NMR法),并與等溫吸附實驗法確定的吸附氣含量進(jìn)行對比(見圖5)。可以看出,利用NMR法確定的吸附含量與等溫吸附實驗確定的吸附氣含量基本一致。這表明基于NMR法確定游離氣含量進(jìn)而確定吸附氣含量的方法是可靠的。

圖6　基于核磁共振測量游離氣含量與液測孔隙度換算的游離氣含量對比

為了進(jìn)一步驗證基于核磁共振技術(shù)確定的游離氣含量結(jié)果,采用液測法進(jìn)行孔隙度測量(見表1),換算成不同壓力下游離氣含量。頁巖氣儲層中,有機(jī)孔隙為主要類型,而且有機(jī)孔隙具有油潤濕性。一般壓力條件下水介質(zhì)不能進(jìn)入超微細(xì)的有機(jī)孔隙中,而這部分超微細(xì)的有機(jī)孔隙是吸附氣的主要賦存空間。因此,利用水介質(zhì)測量頁巖氣儲層孔隙度近似為游離氣孔隙度,換算成不同壓力下游離氣含量,并與基于核磁共振確定的游離氣含量對比(見圖6)?？梢钥闯?基于核磁共振確定的游離氣含量與利用液測法確定的游離氣含量非常接近,相對誤差在10%以內(nèi)。

表1　頁巖巖心液測孔隙度

表2統(tǒng)計了基于NMR法確定的50 ℃、不同壓力條件下吸附氣、游離氣含量及其比例。可以看出,在50 ℃、14 MPa地層條件下,頁巖中游離氣/吸附氣比例大約為6∶4。在地層壓力大于14 MPa時,吸附氣隨壓力增加而緩慢增加,并趨于一定值,而游離氣則隨壓力增加而線性增大,同時溫度升高使吸附氣減少,游離氣增加。因此,對于壓力、溫度更高的地層條件(比如涪陵龍馬溪頁巖氣,地層壓力約為35 MPa,地層溫度約為80 ℃)游離氣/吸附氣比例達(dá)到7∶3以上。

表2　　基于NMR法確定不同壓力條件下吸附氣、游離氣含量及其比例(50 ℃)

5　結(jié)　論

(1) 頁巖氣儲層中吸附氣含量隨溫度、壓力變化規(guī)律符合藍(lán)格繆爾方程,游離氣含量隨溫度、壓力變化符合理想氣體狀態(tài)方程,反映在核磁共振T2譜峰面積變化上具有不同的響應(yīng)規(guī)律:游離氣T2譜峰面積隨壓力變化呈現(xiàn)線性變化規(guī)律,而吸附氣則呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律;

(2) 吸附氣核磁共振T2譜峰分布在0.1～1 ms,主峰位置位0.2 ms,表明吸附氣主要分布在孔徑小于10 nm的有機(jī)微孔隙中。

(3) 游離氣核磁共振T2譜峰分布在1～10 ms之間,主峰位置為3 ms,表明游離氣主要分布在孔徑大于50 nm的大孔隙中。

(4) 借助核磁共振T2譜峰面積,可以確定頁巖中游離氣含量、吸附氣含量及其比例。

(5) 在地層條件條件下(80 ℃,35 MPa),頁巖中游離氣/吸附氣比例達(dá)到7∶3以上。