关键词：页岩；吸附；解吸；高压；超临界
0引言
本文旨在设计页岩高压吸附解吸实验，获取不同温度下页岩高压等温吸附解吸曲线，并对实验结果进行分析以明确储层温度、压力条件下页岩的吸附解吸规律。
1 页岩高温高压吸附实验
1.1 实验材料
实验样品取自四川南部YS106井龙马溪组页岩,储层压力约为50MPa，实验前将样品粉碎至60~100目，并在100℃下烘至恒重；实验所用的甲烷和氦气纯度均为99.999%。
1.2 实验设备
本次实验采用Core Lab公司的GAI-100型油浴高压气体等温吸附仪，该仪器实验最高压力可达10000psi（约68MPa），压力传感器精度达到0.05%，实验温度最高可达177℃，并采用先进的数字式油浴，控温精度为0.1℃。
1.3实验步骤
1.3.1 样品缸准备
首先用洗耳球及丙酮清洁样品缸内部及密封处，待样品缸内部及密封处晾干后倒入实验样品；再用丙酮及棉签清洁样品缸密封处，洗手后将密封油均匀涂抹在样品缸的密封处，并将3层325目的筛网清洁后嵌入O型密封圈中；然后盖上密封盖并用螺栓初步扣紧，并用力矩扳手进一步扣紧；最后将样品缸缓慢放入油浴中并与系统连接好。
1.3.2 检查气密性
以样品缸I测试单元为例，打开阀门A1、A3，用500~1000psi的氦气“清洗”入口管线10~20秒；关闭阀门A1，A3保持打开直到传感器的读数为0；打开阀门A2，约在40秒后关闭阀门A1、A3，打开阀门A1，让氦气进入膨胀缸和样品缸，打开阀门A0，用增压泵打入高压氦气检测气密性（气密性检测时氦气压力须高于实验设计的最高压力）。将压力打到预定的压力后关闭A0、A1，仔细观察是否有漏失情况。同理检查其他测试单元的气密性。
1.3.3 死体积测定
死体积对整个吸附实验的精度有重要影响[15]，因此必须准确的获取实验的死体积。这里使用GAI-100吸附仪配套的AJP-100死体积标定仪以氦气为工作气体通过膨胀法进行参比缸容积和样品缸自由空间容积的测定。为减小系统误差本次实验一共测取四次死体积并求取平均值。
1.3.4 吸附实验
实验开始前一定要保证测试气体的气量满足实验设计所需。首先用真空泵将测试单元抽真空，再将油浴加热到实验温度，待温度稳定1小时左右正式开始实验。吸附实验采用加压-平衡-加压的过程，解吸实验的操作则是等温吸附实验的逆过程，即降压-平衡-降压的过程[5]。实验最高压力与储层压力相当，最后根据实验采集的温度、压力数据及死体积计算出等温吸附解吸曲线。
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2 实验结果及分析
2.1 等温吸附解吸曲线特征
从页岩等温吸附曲线可以看出随着压力的增大吸附量先增大后减小，因此这三条等温吸附曲线具有超临界高压等温吸附曲线的典型特征；最大吸附量随着温度的升高而降低，当压力超过最大吸附量对应的压力后温度越低吸附量随压力增加而减少的幅度也较大；50MPa的吸附量小于10MPa的吸附量，这是因为根据吸附理论可知实验室直接测得的吸附量是过剩吸附量而不是绝对吸附量（真实吸附量）。事实上页岩的绝对吸附量会随着压力的增加而增加直到饱和，即绝对等温吸附曲线是压力的单调递增函数。所以即使实验的温度、压力到储层条件直接测出的吸附量也无法作为储层条件下页岩的真实吸附量。
从解吸曲线可以看出随着压力的降低吸附量先增大后减小，和页岩低压解吸一样[5]高压解吸曲线滞后于吸附曲线。等温吸附曲线的最大值与同一温度下解吸曲线的最大值所对应的压力值比较接近，我们认为可以选取吸附曲线的最大值所对应的压力为页岩的临界解吸压力，因为当系统压力大于或小于这个压力值时吸附量随着压力的变化趋势相反，只有当系统压力小于这个压力时页岩才会发生解吸，所以当页岩气藏压力高于临界解吸压力时页岩气井基本不会产出吸附气。
2.2 等温吸附解吸曲线热力学分析
为方便研究将等温吸附曲线划分为两个阶段：吸附第一阶段吸附量随压力的增加而增大；吸附第二阶段吸附量随压力的增加而减少；同样等温解吸曲线也可分为两个阶段：解吸第一阶段吸附量随压力的降低而增大，解吸第二阶段吸附量随压力的降低而降低。
本文利用王鹏刚提出的方法计算等量吸附热。以吸附第一阶段为例，首先作出不同温度下lnp与等温吸附量n的关系图，再对其进行拟合得到lnp与n的关系式；然后由所得出的关系式计算出不同温度下不同吸附量时的lnp值；最后作出lnp与绝对温度倒数的关系图并拟合得出相应的关系式，根据（2）式中斜率与等量吸附热间的关系计算出等量吸附热。同理得出其他阶段的等量吸附热。
分析发现吸附第一阶段、解吸第二阶段的等量吸附热随吸附量的增大而增大，吸附第二阶段与解吸第一阶段的等量吸附热随吸附量的减小而增大，而等量吸附热的增大意味着吸附越难进行。系统压力越高页岩越难吸附/解吸，压力越低页岩越容易吸附/解吸。相同吸附量下吸附第一阶段的等量吸附热比与之对应的解吸第二阶段的等量吸附热小，同样对于吸附第二阶段与解吸第一阶段的等量吸附热也有类似的关系，那么整个解吸阶段的等量吸附热均大于吸附阶段的等量吸附热。
3 预测页岩等温解吸曲线
吸附第一阶段的等量吸附热与吸附量的关系曲线的斜率与解吸第二阶段的等量吸附热与吸附量的关系曲线的斜率非常接近，而吸附第二阶段与解吸第一阶段之间也存在这样的现象，因此推测实验数据在没有任何误差下它们的斜率应该相等，这时两组平行线间的距离也是一个确定的值，以吸附阶段等量吸附热与吸附量间的关系式的斜率为准计算得出吸附第一阶段与解吸第二阶段间的距离为0.0299，吸附第二阶段与解吸第一阶段间的距离为0.02873；所以反之我们可以用这个距离值及斜率相等关系由吸附阶段等量吸附热与吸附量的关系式求出解吸阶段等量吸附热与吸附量的关系式，再结合等量吸附热与压力的关系式得到相应的等温解吸曲线。
4 结论与建议
储层温度、压力条件下国内页岩等温吸附/解吸曲线具有明显的超临界高压吸附/解吸曲线特征即过剩吸附量随压力的增大先增大后减小，因此在储层温度、压力条件下通过体积法直接获取的吸附量不能作为页岩的真实吸附量；提出页岩临界解吸压力概念，认为只有当储层压力小于该压力时才大量产出吸附气；页岩高压解吸曲线仍然存在滞后现象，热力学原因仍是解吸阶段的等量吸附热大于吸附阶段的等量吸附热；储层压力越高页岩越难吸附/解吸，储层压力越低页岩越容易吸附/解吸；根据吸附阶段等量吸附热、解吸阶段等量吸附热与吸附量间的关系实现了页岩等温解吸曲线的预测，该方法可以实现页岩解吸曲线的快速准确预测。
参考文献
[1]贾承造, 郑民, 张永峰. 中国非常规油气资源与勘探开发前景[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(2): 129-136.
基金项目：国家科技重大专项“涪陵页岩气开发示范工程”（编号：2016ZX05060）资助
论文作者:吴魏
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年19期
论文发表时间:2019/12/5
标签：页岩论文; 压力论文; 曲线论文; 温度论文; 样品论文; 高压论文; 关系式论文; 《工程管理前沿》2019年19期论文;