吸附对页岩中气体临界参数的影响
页岩储层润湿性及孔隙结构对吸附特征的影响
页岩储层润湿性及孔隙结构对吸附特征的影响范青云【摘要】采用氮气吸附法和高压压汞法对基质孔隙和有机质孔隙进行分类,并构建了2个分段函数模型对吸附特征进行描述.结果表明,有机质孔隙表面为油润湿,基质孔隙表面为水润湿,且水相接触角和油相铺展程度差异较大.在储层温度和压力条件下,页岩气属于气相多层吸附,采用Langmuir单分子层模型和L-F多分子层模型组成的分段函数拟合程度更高.【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(018)005【总页数】4页(P10-13)【关键词】润湿性;孔隙结构;赋存场所;多层吸附;分段函数【作者】范青云【作者单位】中国石油长城钻探公司地质研究院,辽宁盘锦124010【正文语种】中文【中图分类】P618.13页岩气在储层中主要以自由气和吸附气2种状态赋存[1-3]。
统计数据表明，页岩储层中吸附气含量占总气量的20%～85%[4-6]。
页岩气井生产过程中优先采出的是游离气，当页岩气藏的压力降至临界解吸压力时，吸附在孔隙表面的气体开始解吸，页岩气井先期产量取决于游离气含量及流动机理，后期稳产阶段取决于吸附气含量及解吸附速度[7]。
页岩气藏压力具有迅速降低的特点，因此，页岩储层的吸附能力评价对于页岩气井能否效益开发具有重要意义。
学者们通过等温吸附实验对页岩储层吸附能力进行了评价[8-10]，但采用单分子层吸附理论的Langmuir模型或其变形对等温吸附曲线进行拟合时常常无法拟合后期数据点。
在储层压力和温度条件下页岩气处于超临界状态，呈现气相多层吸附的特点，因而不能使用单分子层吸附模型来加以描述[11]。
为此，根据有机质是吸附气唯一赋存场所的论证，结合有机质孔隙和基质孔隙尺寸的研究结果，考虑多层吸附理论的吸附过程，建立了2个分段函数模型来描述页岩储层吸附规律，并对该模型进行了验证。
页岩储层是在海洋、湖泊等环境下沉积形成的泥页岩层，岩石基质表面润湿性为水湿，而页岩岩石中含有有机质，有机质孔隙表面润湿性为亲油，故储层表现出斑状润湿[12]。
页岩气评价标准
页岩气评价标准据张金川教授页岩气有经济价值的开发必备条件：（1）岩石组成一般为30-50%的粘土矿物、15-25%的粉砂质（石英颗粒）；（2）泥地比不小于50%；（3）有机碳含量一般小于30%；（4）TOC：底限0.3%，一般不小于2%；（5）Ro：0.4%-2.2%，高可至4.0%；（6）净厚度：不小于6m；一般在30m以上。
（7）岩石物性：Ф≤10%，Ф含气= 1-5%，K取决于裂缝发育程度；（8）吸附气含量：吸附态20% -90%之间，一般50%±；（9）含气量：1-10m3/t；（10）经济开发深度：不大于3800（4000）m页岩气成藏并具有工业价值的基本条件是：气藏埋藏较浅且泥页岩厚度较大, 母质丰富且生气强度较大以及裂缝发育等。
据侯读杰教授TOC：一般＞4%，有机碳含量大于3%；( 据Burnaman (2009) TOC一般不小于2% ) Ro：一般在1.1%以上，Ro为1.1%～3.0%厚度：高有机质丰度泥岩(Corg>3.0%)连续厚度15m以上，如有机质丰度低，则须提高其厚度值；矿物含量：石英、方解石、长石等矿物含量大于25%岩石物性：Ф≤10%，Ф含气= 1-5%，K取决于裂缝发育程度；地层含气：广泛的饱含气性，吸附态一般>40%；深度：<4000MTOC含量、富有机质页岩厚度与有机质成熟度被认为是决定页岩气区带经济可行性的关键因素（Rokosh et al，2009）。
聂海宽内部控制因素：TOC：具有工业价值的页岩气藏TOC>1% ，随着开采技术的进步，有机碳下限值可能会降低至0.3%；（Schmoker 认为产气页岩的有机碳含量（平均）下限值大约为2%；Bowker 则认为获得一个有经济价值的勘探目标有机碳下限值为2. 5% ~ 3%。
）成熟度：变化范围较大，一般>0.4%厚 度：具有良好页岩气开发商业价值的页岩厚度下限为9 m；据李延钧教授等页岩埋深：小于3000m，深于3000m 作为资源潜力区页岩单层厚度：大于30 m有机碳含量（TOC）：2.0% 以上硅质含量：>35%，易于形成微裂缝；储层物性：K≥ 10-3mD、Ф≥4%有机质成熟度（Ro）：1.4%-3.0%李教授根据以上六项页岩气评价指标提出了页岩气分级评价标准如下图所示：据Rimrock Energy, 2008 页岩气优选标准1ft=0.3048M How we look for in a gas shale? (Rimrock Energy, 2008)Burnaman(2009)认为：对于页岩气的形成而言，拥有高TOC的页岩的连续厚度至少为45m（150ft）。
页岩气地质特征及选区评价
页岩气地质特征及选区评价页岩气是一种非常重要的天然气资源，它储存在页岩中，需要通过水平钻井和水力压裂技术进行开采。
随着对化石能源的需求不断增加，页岩气的开采和利用成为了全球能源领域的热点话题。
了解页岩气地质特征并对潜在的页岩气选区进行评价显得尤为重要。
页岩气的地质特征主要包括页岩的岩性特征、孔隙结构、渗透性、含气量以及地质构造和沉积环境等方面。
页岩的岩性特征对于页岩气的储层特征有着重要影响。
页岩的岩性应该具有较高含量的有机质，这样才能在压裂作业后释放出大量的天然气。
页岩的孔隙结构也对页岩气储层的渗透性有着重要影响，通常来说，孔隙度越大，渗透性越好，对于页岩气的开采也更为有利。
页岩中的天然气含量也是评价页岩气潜力的重要参数之一，通常来说，含气量越高，页岩气的潜力就越大。
地质构造和沉积环境对于页岩气的分布和聚集也有重要影响，对地质构造和沉积环境进行综合分析可以帮助确定页岩气的分布规律和选区范围。
在对页岩气选区进行评价时，需要综合考虑以上地质特征，并利用地质勘探、地球物理勘探和化验分析等技术手段，确定潜在的页岩气选区。
可以通过地质调查和取芯分析等手段，获取页岩岩性和孔隙结构等信息，从而初步确定页岩气的潜力。
可以通过地球物理勘探技术获取页岩气储层的地质构造和含气量等信息，进一步确定页岩气选区的范围。
可以利用化验分析技术获取页岩气储层的气体组成和含气量等信息，对选区进行综合评价，确定最有利于页岩气开采的区域。
页岩气地质特征及选区评价是页岩气资源勘探和开发的重要基础工作，通过对页岩气地质特征的研究和对选区的评价，可以为页岩气资源的合理开发提供重要的依据。
随着页岩气资源的不断发现和开采，相信在不久的将来，页岩气将成为全球能源领域的重要组成部分。
页岩中甲烷等温吸附量计算问题及方法改进
页岩中甲烷等温吸附量计算问题及方法改进方帆;孙冲;舒向伟;朱忠云;方子和【摘要】The studies of isothermal adsorption of methane in shale are the basis for shale gas exploration. Some achievements have been made recently. However, a substantial proportion of the in-lab experiment curves are abnormal, and even drop down, indicating for adsorption amount decrease under high pressure. Some reasons were found based on the studies of isothermal adsorption curves, including improper calculation and simulation methods. For example, the difference between absolute and excess adsorption amounts and the influence of adsorption phase volume might be ignored. What' s more, some improper methods were applied for measuring methane free volume, and equipment error also existed. A ternary Langmuir model was built based on the Langmuir isothermal adsorption equation, which took methane free volume as an unknown parameter while adsorption phase density was fixed. Free volume, Langmuir volume and Langmuir pressure were calculated with iterative method or Matlab software. Methane free volume calculated with the ternary Langmuir model has a good comparability with Helium. The simulation results obtained by this method can better correct the previous curve anomalies.%研究页岩中甲烷气体的等温吸附规律,是页岩气勘探开发研究的基础工作,近年来的相关研究已经取得了一定成果.然而在众多的吸附曲线实验结果中,异常曲线的数量却占据了相当的比例,部分岩心的等温吸附曲线在高压段下拐,甚至出现负吸附值现象.通过多组等温吸附实验结果分析,认为曲线在高压段下拐是正常现象,但也存在不合适的计算及实验方法,其主要问题包括:计算过程中没有区分绝对吸附量和过剩吸附量的差别,实验中没有考虑吸附相体积的影响,不适当的甲烷自由体积测定方法,以及设备系统误差的影响等.利用Langmuir等温吸附模型,建立了三元Langmuir方程,该模型在给定吸附相密度的情况下,选取甲烷自由体积作为未知参数;利用迭代法或Matlab软件计算自由体积、Langmuir体积和Langmuir 压力.基于三元Langmuir模型所计算的甲烷自由体积,与氦气所测自由体积具有良好的可比性,采用该方法能更好地修正以前的曲线异常现象.【期刊名称】《石油实验地质》【年(卷),期】2018(040)001【总页数】8页(P71-77,89)【关键词】吸附曲线;吸附相密度;自由体积;三元Langmuir模型;甲烷;页岩【作者】方帆;孙冲;舒向伟;朱忠云;方子和【作者单位】中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院,武汉 430223;中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院,武汉 430223;中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院,武汉 430223;中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院,武汉 430223;长江大学地球科学学院,武汉 430100【正文语种】中文【中图分类】TE132.2页岩气是赋存于页岩地层中的一种非常规天然气资源，页岩的含气性评价是一项重要的基础性工作，准确、客观地分析和评价页岩地层的含气性，对于页岩气资源潜力分析以及勘探开发部署都具有重要指导意义[1]。
页岩气吸附作用研究进展
具 当前 开发潜 力． 虽 然 页岩 气 在 我 国前 景 大 ， 预
测２ ０ １ ５年产量 ５ ０ ×ｌ Ｏ ～７ Ｏ ×１ ０ 。ｍ ， ｌ ］ 但 由于
吸 附态 甲烷赋 存 于纳微 级孔 隙 中 ， 造 成解 吸 难 ， 微 观理论 和 认 知 不 足． 目前 国 内对 页岩 气 报 道 相 对较 少 ， 已有 报 道评 述 中在 成 藏 理 论 、 储层评 价、
页岩气吸附作 用研究进 展
高拉 凡 ， 王倩倩 ， 尹 帅 ， 郑 莲慧 ， 汪业勇 ， 李 辉
（ 成都理 工 大学 “ 油 气藏地 质及 开发 工程 ” 国家重 点 实验 室 ， 四川 成都 ６ １ ０ ０ ５ ９ ）
摘 要： 综 述 了美 国 页 岩 气 产 量 、 地 区 页 岩 气 丰 度 和 储 层 孔 径 范
１ 页岩 气 吸 附本 质
１ ． １ 超 临界 态
由于页岩 气 巾主要 成分 为 甲烷所 以本 文所 指
的页岩气 也 主要针 对 甲烷． 甲烷 的 临 界 温度 一８ ２ ．
１ ０ Ｉ Ｔ Ｉ 。 ， 其 中 四川 威远 地 区 实测 页 岩 气 资 源 丰 度
３ ×１ ０ ～３ ． ２ ×１ ０ １ Ｔ Ｉ 。 ／ ｋ ｎ ｉ ， 与美 国相 当 （ ２ ×ｌ ０ ～
早， 最具成功代表 性 ， ２ Ｏ ｌ ０年 页 岩 气 产 量 ４ １ ２× １ ０ 。 Ｉ Ｔ Ｉ 。 ， 约为 １ ９ ９ ８年 的 ４ Ｏ倍 （ ９ ． ７ ×１ ０ ｍ。 ） ， 页岩 纳米 级孔 径 范 围 ５ ～１ ０ ０ ｎ ｍ； 中 同 页 岩 气 地 质 资
源量 约 １ ０ ０ ×１ ０ 他 ｍ。 ， 可采 资源 量 １ ５ ×１ ０ ～２ ５ ×
页岩气评价指标与方法
一、页岩气评价指标
一、页岩气评价指标
页岩气评价指标主要包括地质指标、物理指标和化学指标。
一、页岩气评价指标
1、地质指标：主要包括页岩层厚度、有机质含量、有机质成熟度、岩石矿物 组成、裂缝发育情况等。这些指标主要用于评价页岩气资源的潜力，为后续的开 发工作提供依据。
一、页岩气评价指标
2、物理指标：主要包括孔隙度、渗透率、含气量、储层压力等。这些指标直 接关系到页岩气的开采难度和经济效益，是页岩气评价的关键指标之一。
四、未来展望
4、强化实验与现场应用研究：实验和现场应用研究是验证和优化评价指标与 方法的重要环节。未来研究将更加注重实验与现场数据的收集和分析，通过不断 优化现有评价体系和方法，提高其在实践中的应用效果和指导价值。
四、未来展望
5、加强国际合作与交流：页岩气资源在全球范围内的分布和应用具有广泛前 景，加强国际合作与交流可以促进信息共享、技术和经验传播，对于推动页岩气 评价指标与方法研究的深入发展具有积极意义。
二、页岩气评价方法
3、物理模拟方法：主要包括物理实验和模拟实验等。通过物理模拟实验，可 以深入了解页岩气的生成、运移和聚集规律，为页岩气评价提供更为可靠的依据。
二、页岩气评价方法
在选择评价方法时，需要考虑不同方法的适用范围和优缺点，结合实际进行 评价方法的选择和优化。
三、影响因素
三、影响因素
三、影响因素
3、工艺因素：主要包括钻井工程、地球物理勘探、实验室分析等工艺技术。 这些技术的精度和质量直接关系到页岩气评价的准确性和可靠性。
三、影响因素
为了提高页岩气评价的准确性和科学性，需要考虑多因素综合评价，将各种 因素进行全面分析和比较，得出更为可靠的评价结果。
四、未来展望
页含气量和页地质评价综述
页含气量和页地质评价综述一、页含气量是什么？你想知道页含气量究竟是个啥？别着急，我来给你讲讲。
说白了，页含气量就指的是页岩中可以储存多少天然气。
它可不只是个数字，而是直接关系到页岩气资源开发的成败。
大家都知道，页岩气这种资源可是大有潜力的，但它藏在地下那些坚硬的页岩层里，不是那么容易就能找出来的。
所以啊，页含气量的多少，直接影响到页岩气的开采能不能顺利进行，也决定了开采的经济性。
简单来说，如果页含气量低，那开采就费劲了，赚不到钱；如果高，那就能大赚特赚了。
所以，页含气量成了勘探人员衡量页岩气资源价值的重要指标。
那怎么测量页含气量呢？其实并不复杂，常见的方法就是通过岩心分析、气体吸附实验等。
岩心分析就像是给地层“做体检”，通过取样来测量岩石中的孔隙和气体的含量。
而气体吸附实验则是模拟页岩气在地下的状态，看看岩石能吸附多少气体。
通过这些方法，咱们能大致估算出页岩气的含量，这为后续的勘探和开发提供了科学依据。
页含气量的高低跟很多因素有关系。
比如说，页岩的矿物成分、孔隙结构和有机质的丰富程度等都能影响页含气量。
换句话说，咱们就得好好研究这些因素，才能找到那些富含天然气的“宝藏”地层。
这一点就像挖掘机找宝藏，谁能找到黄金矿石，谁就能发财。
二、页地质评价的意义咱们得聊聊页地质评价。
你想象一下，咱们要开发页岩气资源，除了知道页含气量，还得对这个“藏宝地”做个全方位的评估。
你说，如果直接跳过这些评估，盲目开采，那结果可想而知，赚不到钱不说，还可能把地层搞得一团糟。
页地质评价就像是开车前的导航，不管你是不是老司机，没导航你也不知道去哪儿。
页地质评价就是帮咱们了解页岩层的结构、储气能力、开采难度以及经济效益等方面的综合信息。
咱们要看页岩层的分布情况。
页岩层是不是很厚，层间的性质有没有差异，这些都会影响到后期的开采。
地层厚的地方气体储存量更大，开采时的回采效率也更高。
而那些薄层或者分布不均的地层，虽然也能储气，但开采难度大，成本高，可能就不那么划算了。
页岩含气量实验方法与评价技术
页岩含气量实验方法与评价技术摘要：页岩气是一种存在于泥岩，粉砂岩、粉砂质泥岩中的天然气，主要以吸附气、游离气以及溶解气3种形式存在。
含气量作为页岩气富集程度的一个重要指标，对于资源评价和目标“甜点区”优选具有十分重要的意义。
准确的含气量评价也决定着页岩气资源量以及开发潜力。
目前针对页岩含气量的评价方法有两种，直接法和间接法，直接法即实验室解吸法，间接法种类很多，其中测井曲线法是最常用的一种。
解吸法具有准确率高特点，但受到取心方式以及测试样品数量限制。
而测井资料具有连续性好、纵向分辨率高、资料获取方便等特点，利用测井资料评价页岩含气量是经济、可靠的方法。
关键词：页岩；含气量；实验方法；评价技术1页岩含气量测定常规方法1.1损失气量确定方法损失气量是指钻遇页岩层系后，在取心过程中，岩心在井筒中上升以及从井筒中取出，至现场封入解吸罐之前，发生自然解吸而逸散的气体体积。
该部分气体无法直接测定，只能根据损失时间的长短及实测解吸气量的变化速率并结合气体逸散理论模型来进行理论估算。
目前国外测量页岩含气量的方法很多，主要有ＵＳＢＭ直接法（美国联邦矿物局直接法）、改进的直接法、史密斯—威廉斯法和曲线拟合法。
采用二阶解吸温度甚至三阶解吸温度提高解吸速度，来提高损失气量的计算精度。
实验测试表明，用煤层的损失气量计算方法来计算页岩的损失气量存在较大的偏差，损失气量占总含气量的40％～80％，该结果饱受质疑。
1.2解吸气量测定方法解吸气量是指岩心装入解吸罐之后解吸出的气体总量。
直接测定含气量的解吸方式有自然解吸和快速解吸两种。
自然解吸耗时长，测定过程中可通过适当提高解吸温度和连续观测，合理而有效地缩短测定周期。
提出了对含气量解吸测试的改进方法，在一定程度上提高了解吸气的测试可靠程度。
1.3残余气量测定方法残余气量是指解吸罐中终止解吸后仍残留在岩心中的气体。
现有测试资料表明残余气的测试不存在问题，但是对于损失气量的计算，还存在一定的问题，尽管采取分段回归或者减小损失气量计算时间等校准措施，但是结果还是差强人意。
页岩气地质特征及选区评价
页岩气地质特征及选区评价页岩气是一种在页岩储层中存在的天然气资源，因其在储层中富含有机质，使其成为一种重要的能源资源。
为了评价页岩气的潜力和寻找优质的选区，需要对其地质特征进行详细的研究。
以下是对页岩气地质特征及选区评价的讨论。
页岩气地质特征主要包括储层特征、有机质特征和构造特征三个方面。
储层特征是评价页岩气潜力的重要因素之一。
页岩气储层常常具有低孔隙度、低渗透性和高含气量的特点。
由于页岩的细粒度和高含水量，其孔隙度相对较低，常在0.1%以下。
而渗透性则通常小于0.001 mD，即十分之一亿数量级。
虽然储层孔隙度和渗透性较低，但由于页岩储层庞大的储量，其整体储量仍然可观。
有机质特征是确定页岩气潜力的关键。
页岩气主要是由含气有机质产生的，因此有机质的类型、含量和成熟度对于页岩气潜力具有重要影响。
有机质类型常分为藻类源、微生物源和木材源等，其中藻类源和微生物源是页岩气主要的有机质来源。
有机质的含量通常以有机碳含量为指标进行衡量，通常在1%以上。
而有机质的成熟度则用干酪根类型和成熟度指标如岩相学和有机地球化学分析等来进行评价。
构造特征对于页岩气的存储和运移也具有重要影响。
构造特征主要包括构造类型、构造背景、构造应力场等。
不同构造特征下的页岩气储层存储和运移方式有所差异。
一般来说，构造复杂的地区有利于有机质的富集和页岩气的形成，同时也容易形成裂缝网络有利于气体的运移和收集。
对于选择合适的页岩气选区，需要综合考虑上述地质特征。
需选择储层性质较好、孔隙度和渗透率适中的区域，有利于气体的储存和移动。
需要选择含有丰富有机质的区域，有机碳含量较高的地区通常潜力更大。
需要考虑构造特征，选择构造相对简单、构造扰动较小的地区。
这样才能确保页岩气的富集和运移条件较好。
页岩气地质特征及选区评价涉及储层特征、有机质特征和构造特征三个方面。
综合考虑这些特征，可以较好地评价页岩气潜力和选择优质的选区。
这对于合理开发页岩气资源具有重要指导意义。
页岩气开发渗透率孔隙度压力关系
页岩气开发渗透率孔隙度压力关系页岩中纳米级孔隙的存在使得气体在这些孔隙中的流动方式及控制方程的研究非常重要。
有２０％～８５％的页岩气是以吸附气的状态存在，开采后随着储层压力降低气体逐渐从吸附层中释放出来并进入到纳米级孔隙中进行扩散渗流。
页岩气在开采过程中，随储层压力的下降渗透率发生动态变化。
由于孔隙直径达到纳米级别，因此除受到吸附气解吸效应影响外还受到纳米级孔隙气体扩散效应影响。
随着油气藏的开采,储层的应力状态发生变化,从而引起储层孔隙度及渗透率发生相应变化。
大量的实验表明,孔隙度随有效应力的变化而产生的变化范围较小,而渗透率的变化范围较大。
孔隙度在开发过程中变化幅度是很小的。
这是因为决定孔隙度的主要因素是孔隙体体积,而孔隙体为拱形结构[2],尽管在有效应力的作用下,岩石颗粒之间的胶结物会产生一定的塑性变形。
但颗粒之间结构会变得更为稳定,具有较强的抗挤压能力,变形量较小。
因此在有效应力的作用下,孔隙体体积变化不大,所以孔隙度也不会有太大的变化,我们可以把它看作是一个常数。
渗透率比孔隙度具有更高的应力敏感性,在流体压力变化相同时渗透率的变化率大于孔隙度的变化率。
低渗透砂岩之所以出现应力敏感性,一是岩石中孔隙、喉道受净压力作用收缩变形;二是因为岩石存在微裂缝,这些微裂缝在一定的净压力下易于闭合,闭合后的微裂缝在卸压过程不易恢复张开,宏观表现为岩样应力滞后效应。
而渗透率又不同于孔隙度,喉道的结构和大小才是决定渗透率大小的因素,喉道的结构与孔隙体的结构相反,为一反拱形结构[2]。
在有效应力的作用下,喉道壁表面层岩石极易变形,尤其是泥质含量较高的岩石。
这种变形,使岩石变得更加疏松,颗粒间的结构更不稳定。
在应力增加的情况下,胶结物产生较大的变形,使喉道直径急剧减小,甚至完全闭合。
纳米级孔隙气体扩散效应指孔隙流动通道直径很小，气体分子平均自由程与孔隙直径大小接近时，气体分子与孔隙壁面分子的碰撞概率大大增加，渗透率变差。
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第ｌ５卷第ｌ８期２０１５年６月 １６７１～１８１５（２０１５）１８—０１６６—０４ 科学技术与工程
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１５ Ｎｏ．１８ Ｊｕｎ．２０１５
⑥２０１５ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
吸附对页岩中气体临界参数的影响 孙仁远 雷少飞 路永胜 龚大建 曹 刚 杨世凯 （中国石油大学（华东）石油工程学院 ，青岛２６６５８０；铜仁中能天然气有限公司 ，铜仁５５４３００ 胜利油田分公司地质科学研究院 ，东营２５７０００）
摘要 页岩孔隙细小，气体存在吸附现象。应用毛管束模型，在考虑吸附的基础上，建立了气体临界参数变化计算模型，研 究了气体组成、压力、孔隙半径等因素对气体临界参数变化的影响。研究发现：页岩有效孔隙半径随气藏平均压力的增加而 增大；随着孔隙半径的减小，气体的临界温度和临界压力变化率明显增加；临界温度变化率和临界压力变化率随着压力减小 而增加。研究对于页岩气藏储层评价和开发方案设计具有重要意义。 关键词 页岩气 临界温度 临界压力 吸附 毛管束模型 中图法分类号ＴＥ ３ｌ１； 文献标志码Ａ
页岩气是一种非常重要的非常规油气资源。为 了预测页岩气井的产能，需要对页岩气的相态进行 深入研究。临界参数是研究页岩气相态变化的重要 参数，因此研究页岩气临界参数至关重要。页岩储 层孔隙相对较小，甚至达到纳米级 ，因此必须 考虑范德华力和孔隙结构对临界参数的影响。由于 页岩中存在气体吸附现象，页岩的有效孔隙半径会 随压力的变化而变化，进而影响到临界参数。 Ｓａｐｍａｎｅｅ 和Ｄｅｖｅｇｏｗｄａ等人 研究了纳米孔隙中 流体临界参数的变化。Ｍｏｒｉｓｈｉｇｅ等人 通过实验 研究表明：相对于在常规孔隙中，氩气、氮气、氧气、 乙烯和二氧化碳在纳米孔隙中临界温度显著减少。 Ｓｕｄｈｉｒ等人… 应用蒙特卡罗模拟研究了烷烃在纳 米孔中的气液两相共存和临界特性。Ｚｈｉｄｏｎｇ Ｌｉ等 人¨ 通过密度函数理论研究了纳米孔中流体的相 态变化。Ｚａｒｒａｇｏｉｃｏｅｃｈｅａ等人¨ 应用范德华模型推 导出ｆ临界温度变化计算公式，与实验对比得到很好 的拟合。以上研究都未考虑页岩气吸附对临界参数 的影响。国内外很多学者 卜 对页岩气的吸附进 行了深入研究，认为气体吸附相会占据岩石的部分 孔隙空间，从而造成孔隙尺寸的减小。 本文从考虑吸附作用的角度出发，建立一种新的 考虑吸附的临界温度变化和临界压力变化模型，分析 了临界温度和临界压力随压力等因素的变化规律。 ２０１５年２月１日收到 国家自然科学基金重点项目 （５１２３４００７）、中国石油科技创新基金项目 （２０１１Ｄ．５００６－０２１０）、长江学者和创新团队发展 计划（ＩＲＴ１２９４）、研究生创新工程项目（ＹＣＸ２０１４０１４）资助 第一作者简介：孙仁远（１９６８一），男，教授，博士。研究方向：非常规 油气开发、提高油气采收率等。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｕｎｒｅｎｙｕａｎ＠１２６．ｃｏｍ。 １ 页岩有效孔隙半径的计算 假设气体分子为球形。在储层条件下，气体的 视体积为
＝ １ ＺＲＴ （１）
式（１）中： 。为气体的视体积，ｃＩｎ ／ｇ；Ｚ为气体压 缩因子，无量纲；Ｒ为绝对气体常数，ＭＰａ／ｋｍｏｌ；Ｍ 为气体的相对分子质量，ｇ／ｔｏｏｌ；Ｐ为平均油藏压 力，ＭＰａ。 单个气体的体积为
： （２） 式（２）中： 为单个气体分子的体积，Ｃ１ＴＩ ；Ｎ 为阿 伏伽德罗常数，６．０２×１０ ｍｏｌ～。 假设气体分子为球形，则气体分子半径为
１０ （ ）丁 （３）
式（３）中： 为气体分子半径，ｎｍ。 假设气体吸附为单层吸附，则吸附气体厚度为 气体分子直径
Ｄ－２， ＝２×１０ （ ）了 （４）
式（４）中：Ｄ为吸附层厚度，ｎｍ。 由于气体吸附层占据了页岩部分孔隙空间，造 成孔隙尺寸的减小。考虑吸附的页岩有效孔隙半 径为 Ｒ＝ｒ—Ｄ （５） 式（５）中：尺为页岩有效孔隙半径，ｎｍ；ｒ为页岩原 始孔隙半径，ｎｍ。 ｌ８期 孙仁远，等：吸附对页岩中气体临界参数的影响 １６７ ２ 页岩中考虑吸附的气体相对Ｉ临界 参数变化的计算
Ｚａｒｒａｇｏｉｃｏｅｃｈｅａ等人 应用范德华模型得出流 体在页岩纳米孑Ｌ中临界温度和临界压力的变化。临 界温度变化率表达式为
△ ＝ ＝。． ９ 一ｏ． １ ５（ ） （６）
式（６）中：ａＴ；为临界温度变化率，无量纲；Ｔｏ 为常 规临界温度，Ｋ；Ｔｃ。为纳米孔中的临界温度，Ｋ； ｕ 为分子碰撞直径，ｎｍ。 临界压力变化率表达式为
： ： ０．９４０ ９ －０＿２４１ ５（ ） （７） 式（７）中：ＡＰ＊为临界压力变化率，无量纲；Ｐ 为 常规临界压力，ＭＰａ；尸 。为纳米孔中的临界压力， ＭＰａ； ｕ为分子碰撞直径，ｎｍ。 气体分子碰撞直径 驯为 ３ ：＿ ＬＪ－０・２４４√ （８）
由于吸附作用，气体吸附层占据了页岩部分孔隙空 间，造成了孔隙尺寸的变化，因此考虑吸附的页岩气 临界温度变化率和临界压力变化率修正为
△ ： ：
０．９４０ ９ ／３
＿０＿２４１ ５（ ｒ １） （９） ｒ一 、 一 ），
ＡＰ＊： ： ０．９４０ ９ ＿０．２４ｌ ５（ Ｄ／１ ｒ一 、ｒ一 （１０） 联立式（１）、式（２）、式（４）、式（９）、式（１０）
△ ：— — ｒ一２×１０ ｆ４丝ａｒＰ Ｎａ１Ｉ４ａｒＰＮ
丁
『 ｕ ］ ２４ ｌ卜 ７
…３ＺＲＴ Ｉ－￣２
Ｘ １０ ｊｌ ｒ一 ｌ
△Ｐ ：— 一 ｒ一２×１０ ３ｚｎｒ４ｗＰＮ ／丁
＼
『 ｏｒｕ ］ 。‘２４ ｌ一７ ｍ（ ）＿Ｊ１２ Ｘ １０ ２ ｌ ｒ一 ｌ ｌ ｌ
图１毛管束模型 Ｆｉｇ．１ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅｓ ｍｏｄｅｌ
如图１所不，１ 设贞岩由半＾＾大小小同的半仃 毛管束组成的理想模型。页岩临界温度变化率和临 界压力变化率为
△ ［ｏ．９４０ ９ －ｏ．２４ ５（ ） 卜
ｚ［０．９４０ ９ －ｏ．２４ ５（ ） ］＋．．． ［ｏ．９４ｏ ９ 一ｏ．２４ ５（ ）‘】＝ ０．９４０ ９ ／．Ｉ
－０＿２４１ ５（ ｒ¨／ ＝０ ， 一 ＼ 一
（１３） 一［０． ０ ９ 一ｏ．２４ ５（ 门＋
ｚ［０．９４０ ９ －ｏ．２４ ５（ ）‘】＋．．＿ ∞ｎ［ｏ．９４０ ９ 一ｏ．２４・５（ 门 ０．９４０ ９ －ｏ－２４ ５（ （１４） 式（１４）中：６０ 为页岩中第ｉ种毛管束体积和页岩岩 心孔隙体积之比，％。
３计算实例 ３．１计算涉及到的参数 ３．１．１典型页岩气相关参数 表１给出了某页岩气的成分、碰撞半径（ ｕ）、 临界温度（Ｔｏ）和临界压力（Ｐ ） 。
表１典型页岩气相关参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｈａｌｅ ｇａｓ 科学技术与工程 １５卷 ３．１．２ 页岩孔隙相关参数 在图１所示的页岩毛管模型中，假设页岩由３ 种主要毛细管组成，毛细管半径分别为１０ ＦＩＢ、２０ ｎｍ和３０ ｎｍ，不同管径毛细管在页岩中所占比例分 另ｑ为８０％、１５％、５％。 ３．２有效孔隙体积随平均油藏压力的变化 取页岩原始孔隙半径为等直径１０ ｎｍ，在温度 为３００ Ｋ时，页岩有效半径随地层平均压力的变化 趋势如图２所示。对于单层吸附，页岩有效孔隙半 径随压力减小而减小；随着压力的减小，曲线斜率不 断增大，页岩有效孑Ｌ隙半径的变化率增大。 售 凿 ｊ 图２页岩有效半径随地层平均压力的变化 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｏｒｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｗｉｔｈ ａｖｅｒａｇｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ３．３不考虑吸附时页岩中气体临界参数变化率随 孔隙半径大小的变化 不考虑吸附时，分别以甲烷、乙烷、二氧化碳、 为例，得到页岩中气体相对临界温度变化率随页 岩半径变化趋势如图３所示。同一种气体，随压 力减小，由于页岩有效孔隙半径增加，临界温度变 化率增加；当页岩原始孑Ｌ隙半径一定时，随着碰撞 半径越大，临界温度变化率越大。由式（９）和式 （１０）可知，临界压力变化率随页岩孔隙半径的变 化趋势和临界温度变化率随页岩孔隙半径的变化 趋势一致。 埒 蓑 襄 ０ ４ ８ １２ １６ ２０ ２４ ２８ ３２ ３６ ４０ ４４ ４８ 页岩孔隙半径／ｒｉｍ 图３气体临界温度变化率随页岩孔隙半径的变化 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｇａｓ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｐｏｒｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｓｈａｌｅ ３．４考虑吸附时页岩中气体临界参数变化率随压 力的变化 考虑吸附时，甲烷、乙烷、二氧化碳的临界温度 变化率随压力变化趋势如图４所示。随压力减小， 由于页岩孔隙半径减小，临界温度变化率逐渐增大； 在一定压力下，由于页岩有效孔隙半径不变，所以随 着碰撞半径增大，临界温度变化率逐渐增大。由式 （９）和式（１０）可知，临界压力变化率随储层平均压 力的变化趋势和临界温度变化率随储层平均压力的 变化趋势一致。
碍 制
０ ５ １０ １５ ２Ｏ 匿ｊ１／ＭＰａ
图４考虑吸附的气体临界温度变化率随压力的变化 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｇａｓ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒａｔｅ ｓ．ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ
４ 结论 （１）对于单层吸附，储层压力越小，吸附层的厚 度越大，页岩有效孔隙半径越小。 （２）不考虑吸附时，纳米孔中的页岩气临界温 度变化率和临界压力变化率随着页岩孔隙半径减小 而增大。 （３）考虑吸附时，页岩有效孔隙半径变小，临界 温度变化率、Ｉ临界压力变化率均大于不考虑吸附的 临界温度变化率、临界压力变化率。 （４）考虑吸附时，随压力减小，页岩有效孔隙半 径减小，临界温度变化率和临界压力变化率增大。
参考文献 １ Ｓａｋｈａｅｅ—Ｐｏｕｒ Ａ，Ｂｒｙａｎｔ Ｓ Ｌ Ｇａｓ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｈｏｅ．ＳＰＥ １４６９４４， ２００７ ２邹才能，朱如凯，白斌．中国油气储层中纳米孔首次发现及其 科学价值．岩石学报，２０１１；２７（６）：１８５７—１８６４ Ｚｏｕ Ｃａｉｎｅｎｇ，Ｚｈｕ Ｒｕｋａｉ，Ｂａｉ Ｂｉｎ．Ｆｉｒｓｔ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｎａｎｏ—ｐｏｒｅ ｔｈｒｏａｔ ｉｎ ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｌｆｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｖａｌｕｅ．Ａｅｔａ Ｐｅｔｒｏ— ｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１１；２７（６）：１８５７一ｌ８６４ ３ Ａｍｂｒｏｓｅ Ｒ Ｊ．Ｈａｒｔｍａｎ Ｒ Ｃ，Ｄｉａｚ Ｃａｍｐｏｓ Ｍ，ｅｔ Ｌ．Ｎｅｗ ｐｏｒｅ—ｓｃａｌｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｉｎ ｐｌａｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ＳＰＥ １３１７７２．２０１０