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1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油集团非常规重点实验室，北京 100083
摘要： 煤层含气量是储层评价和开发指标预测的关键参数，目前常用的USBM法无法准确获取深层煤岩的损失气量。为了探索适用于深层煤岩取心含气量测试新方法，引用煤岩经典的双孔双渗理论模型，考虑解吸过程中含水饱和度、温度等对气体产出的影响，基于鄂尔多斯东缘本溪组8号煤P1样品现场解吸获得的实测数据，开展含气量测试全过程仿真计算。研究表明：①对P1样品采用新方法计算的损失气为12.8m 3 /t，损失气占比33.3%。其中井筒提升损失了9.7m 3 /t，占比25.2%，地面暴露期间损失了8.1m 3 /t，占比8.1%。现场实测解吸气为23.54m 3 /t，含气量总计36.37m 3 /t。②USBM法不适合长时间散失的深层煤岩损失气计算。以至井筒一半时刻为损失起算时间，采用60min以内实测数据进行线性回归获得损失气13m 3 /t，总气量为36m 3 /t，损失气受回归数据点控制。结合等温吸附计算的该样品原位最大吸附能力25.16m 3 /t，推测原位为超饱和吸附状态，含游离气，且一开始提升就发生逸散。因此应以开始提升时刻为损失起算时间，采用60min以内实测数据进行线性回归获得损失气25.93m 3 /t，USBM计算结果明显偏大且不合理。③P1样品中游离气含量为11.21m 3 /t，占比30.8%，吸附游离比例解吸7∶3；装罐解吸损失气以游离气逸散为主，样品开始自然解吸时，吸附气已逸散20.30%，游离气逸散63.15%；解吸至7h左右，累计解吸气产出66.9%，累计游离气产出94.31%。深层煤岩损失气计算新方法，也可在页岩含气量测试中应用。
关键词： 煤岩页岩；损失气；游离气；仿真；吸附游离比例
页岩含气量是含气性评价、资源储量计算、甜点评价的核心参数之一。目前国内页岩含气量获取方法主要有两大类：直接法和间接法。直接法是指现场解吸法，按照解释方法主要分为4类：USBM法 [1] 、多项式拟合法 [2] 、Smith-Williams法 [3] 、Amoco曲线拟合法 [4] ；间接法包括等温吸附法、测井解释法和地震解释法等。直接法中的USBM法是煤岩含气量测试的常用方法，国内主要执行标准是GB/T 19559-2008《煤层气含量测定方法》。USBM法假设煤样为球形颗粒、气体在煤样中为菲克扩散，忽略水相及渗流作用影响，则可推导得出解吸气量与解吸时间的开方近似为线性关系。以标准状态下累积解吸量为纵坐标，总时间的平方根为横坐标作图。在解吸气量与总时间的平方根的图中，反向延长线与纵坐标轴的截距的绝对值为损失气量。总时间是解吸时间与损失时间之和，其中损失时间是开始解吸到密封装罐的时间，开始解吸时刻假设是提升到井筒一半的时刻。
深层煤岩或页岩，取心时岩心在井筒中提升时间长，导致损失气量很大。很多学者从实验仪器、损失气校准方法和测试注意事项等方面进行了很多有意义的改进，一定程度上提高了现场解吸的精度。但是这些改进主要是为了提高解吸气的测试精度，对于损失气的拟合是否合理无法验证，更无法进一步解决，且仍然沿用USBM方法，损失气量占到含气量的20%以上，使得测试结果饱受质疑。
近年来，很多学者在提高损失气计算可靠性方面做了大量探索。周尚文等（2018）对比分析了USBM直线回归法、多项式回归法、Amoco曲线拟合法对页岩损失气的影响，认为USBM直线回归法虽然理论基础简单，但其适用性更强，计算结果更为合理 [6] 。但笔者认为采用三阶或四阶多项式拟合法较为随意，且缺少理论根据。赵群等（2013）认为指数递减法对整个测试区间内的实测数据拟合效果最好 [7] 。姚光华等（2016）分析了USBM对深层页岩气的适用性，认为对于正常压力系数的气藏，损失气计算时间偏早，会导致损失气计算结果偏大；而对于异常高压气藏，损失气计算时间偏晚，则可能导致损失气计算结果偏小 [8] 。也有学者从选取实验点数、优化开始解吸时刻等方面讨论了提高损失气拟合精度的对策与方法 [9-13] 。
需要注意的是，USBM法是基于单孔隙模型的、针对吸附气体、扩散速率假设恒定的解吸扩散方程的简化解析解，其适用条件是：①损失气量不超过20%，即损失时间不能太长；②只有吸附气，即不能含游离气；③取心过程温度变化不大。浅层煤岩取心一般采用绳索取心的方式，提升速度快，气体散失时间通常较短，USBM法应用效果好；而深层煤层气一般是钻杆常规取心，提升速度非常慢，通常需要6～8小时，气体散失时间较长。而且，深层煤储层温度高，整个取心过程中温度变化大，扩散速率是随时间而变化的函数，另外深层煤岩中可能含有一定的游离气。因此，深层煤层气赋存状态及取心参数的巨大差异性可能导致USBM直线回归法计算结果与实际含气量数据偏差较大。
为此，本文采用直接法的实测解吸数据，引用煤岩经典的双孔双渗理论模型，考虑了整个解吸过程中含水饱和度、温度对气体产出的影响，开展含气量测试全过程仿真，当仿真结果与实测解吸数据达到拟合要求时，认为仿真可以代替完整的解吸过程，从而得到损失气量和总含气量。
大宁县和吉县位于山西省西部鄂尔多斯盆地东南缘晋西褶曲带，东部与吕梁山脉接壤，西部横跨黄河与伊陕斜坡构造带相连，南部相接于渭北隆起。研究区内构造复杂，煤岩储层受断裂构造影响较大，且构造区内正、逆断层发育，直接影响了煤岩储层的储集性，使得储层储集性变差。
研究区开发潜力巨大，煤层气资源探明储量超过1438×10 8 m 3 ，主要含煤层系为下二叠统山西组的5号煤层和下二叠统太原组的8号煤层，本文选取P1井的下二叠统太原组8号煤层的P1样品进行实验和分析。P1样品（如图1所示）为原生结构煤，宏观煤岩类型为半亮型煤，割理较发育，含镜质条带，贝壳状断口。P1样品详细参数如表1所示。
图1 P1样品全貌
表1 样品P1基本参数表
续表
现场含气量测试参照GB/T 19559-2008《煤层气含量测定方法》执行。样品装罐密封后立刻开始测量，以不大于5min间隔测满1h，然后以不大于10min间隔测满1h，再以不大于15min间隔测满1h，再以不大于30min间隔测满5h，累计测满8h。连续解吸8h后，每间隔一定时间采集相关数据，直至解吸终止。解吸数据的采集最早采用手动量筒（如图2所示），近年来出现了高精度流量计、自动“U”型量筒测量、脉冲旋转测量等多种方法，自动化程度和测试精度进一步提高。P1样品现场解吸数据如表2、图3所示，解吸曲线如图4所示。
图2 手动量筒示意图
图3 自动化含气量测量仪器
表2 解吸数据表
续表
图4 样品P1解吸曲线
等温吸附参照GB/T 19560-2008《煤的高压等温吸附试验方法》执行，工业分析参照GB/T 30732-2014《煤的工业分析仪器法》执行，真相对密度测试参照GB/T 23561.2-2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》第2部分：煤和岩石真密度测定方法执行，煤的孔隙度、渗透率和基质渗透率参照GB/T 29172-2012《岩心分析方法》执行。样品分析测试在中国石油集团非常规油气重点实验室完成。
煤中含有大量微小的孔隙和尺寸相对较大的裂缝。微小孔隙系统的存在，使煤具有很大的比表面积及很强的吸附能力，但渗透率很低；裂缝系统的孔隙度较小，储集能力小，但其渗透率相对孔隙系统来说很大。由此可见，煤具有典型的裂缝—孔隙双重孔渗结构，同时考虑到煤层中含有液相和气相两种相态，因此，煤的物理模型可以简化为裂缝—孔隙双孔双渗两相的计算模型，比照Warren-Root模型，如图5所示。
图5 双孔双渗Warren-Root模型
（1）模型基本假设
①煤层气在裂缝中以游离态存储，在基质中以游离态和吸附态存储；
②煤岩基质孔隙中的吸附解吸过程视为瞬间达到平衡状态，不随时间变化，是关于压力的函数，满足Langmuir等温吸附方程；
③煤层气岩心在提升过程中，温度随岩心深度的变化而不同；
④从煤岩基质孔隙中流入裂缝的流动方式为滑脱扩散流动，裂缝中的气体流动方式为渗流，满足达西定律；
⑤采用Warren-Root模型，流体从基质流向裂缝为拟稳态窜流，并且气体可通过裂缝和孔隙流出岩样；
⑥煤岩中基质和缝隙中存在水和煤层气两种流体，且水不可压缩，气体可压缩，气体压缩因子和黏度随温度和压力变化而变化，忽略重力和毛管力的影响；
⑦气藏不考虑构造影响，基质和裂缝均质且各向同性；
⑧流体在孔隙中流动存在启动压力梯度；
（2）渗流方程
排水降压过程中，当储层压力降低到临界解吸压力后，气体不断解吸，当裂缝中水的含气量达到饱和状态后，气体便形成连续流动，达到两相渗流阶段。低透气性煤层瓦斯在低速渗流时出现非Darcy渗流的现象，这是由于甲烷分子受煤岩骨架表面分子力作用，在煤层孔隙介质中渗流时，流动压力达到启动压力时才能发生流动，包含非Darcy渗流现象的渗流形式，基岩系统中气体和水渗流、裂缝系统中的气相和水渗流，渗流速度分别为：
基质水相：
基质气相：
裂缝水相：
裂缝气相：
其中，
v
w
，
v
wm
为裂缝系统水相和基质水相流动速度；
v
m
，
v
f
分别为基岩系统和裂缝系统中气体流动速度。当压力梯度|▽
p
wm
|＜
λ
m
时，
v
wm
=0；当|▽
p
m
|＜
λ
m
时，
v
m
=0；当|▽
p
w
|＜
λ
f
时，
v
w
=0；当|▽
p
f
|＜
λ
f
时，
v
f
=0；
μ
w
，
μ
g
分别为水和气体黏度，mpa·s；
p
m
，
p
wm
分别为基质中气体和水的压力，
p
f
，
p
w
分别为缝隙中气体和水的压力，MPa。
k
m
为基质的绝对渗透率，
k
amw
，
k
am
为基质中水相和气相的有效渗透率或相渗透率；
k
rmw
，
k
rgm
分别为基质中水相和气相的相对渗透率，满足
，
。而
k
amw
+
k
am
≠
k
m
，
k
rwm
+
k
rgm
≠1。
k
f
为裂缝绝对渗透率，
k
w
，
k
g
分别为裂缝中水相和气相的有效渗透率或相渗透率；
k
rw
，
k
rg
分别为裂缝中水相和气相的相对渗透率，满足
，
。而
k
w
+
k
g
≠
k
f
，
k
rw
+
k
rg
≠1。
，
分别为基质系统中和裂缝系统中的启动压力梯度，Pa/m；
（3）连续性方程
基质、裂缝系统中水气连续性方程：
基质水相：
基质气相：
裂缝水相：
裂缝气相：
其中， ρ m ， ρ f 分别为基质和裂缝中气体密度，Kg/m 3 ； ρ w 为水的密度，Kg/m 3 。 φ m ， φ f 分别为基质孔隙度和裂缝孔隙度，无因次。
为基质到缝隙之间气体的窜流，
为基质到缝隙之间水的窜流。
为窜流系数，
L
x
，
L
y
，
L
z
分别为
x
，
y
，
z
方向裂缝的间距。
为煤岩样品煤层气的解吸气量，满足Langmuir等温吸附方程，其中
V
0
为气体摩尔体积，m
3
/mol；
V
L
为Langmuir体积，M
3
/t；
p
L
为Langmuir压力，
P
L
；
M
g
为气体摩尔质量，Kg/mol。
s g ， s w 分别为裂缝中气相和水相的饱和度，满足 s w + s g =1。 s gm ， s wm 分别为基质中气相和水相的饱和度，满足 s wm + s gm =1。
（4）基质和裂缝中气体的状态方程
基质气相：
裂缝气相：
其中， z m （ p m ）， zf （ p f ）为基质和裂缝中气体压缩系数，分别为基质和裂缝中气体压力的函数。 R =8.314×10 3 Pa·m 3 为气体常数， T 为绝对温度。
依据
基质和裂缝中的毛管力方程为：
基质：
裂缝：
其中， p cm （ s wm ）， p c （ s w ）分别为基质和裂缝中的毛管力，分别为基质和裂缝中含气饱和度的函数。
若忽略毛管力，由式（11）和式（12）可得 p m = p wm ， p f = p w 。考虑水的不可压缩性，即 ρ w 为常数。
（5）初始条件和边界条件煤岩样品煤层气解吸过程的初始条件：
煤岩样品煤层气解吸过程的边界条件：
其中， p 0 = ρ w gH + p air 为初始解吸时刻的煤岩样品中煤层气的压力， g =9.8m/s 2 为重力加速度， H 为初始解吸时刻的煤岩样品所处的地层深度， p air =0.1013MPa为大气压力， ρ w =1000Kg/m 3 为水的密度。 p c = ρ w gh + p air 为煤岩样品提升过程中周边静水压力， h 为煤岩样品提升过程中所处的地层深度。 s gm 0 ， s g 0 分别表示初始时刻基质孔隙和缝隙中的含气饱和度。
（6）方程的求解
采用全隐式有限差分法求解基本方程。
图6 仿真数值计算结果
图7 不同方法计算结果对比
表3 USBM与仿真数值模拟结果对比
从图6、图7和表3可以看出：①P1样品新方法计算的损失气为12.8m 3 /t，损失气占比33.3%。其中井筒提升损失了9.7m 3 /t，占比25.2%，地面暴露期间损失了8.1m 3 /t，占比8.1%。现场实测解吸气为23.54m 3 /t，含气量总计36.37m 3 /t。②USBM法不适合长时间散失的深层煤岩损失气计算。以至井筒一半时刻为损失起算时间，采用60min以内实测数据进行线性回归获得损失气13m 3 /t，总气量为36m 3 /t，损失气受回归数据点控制。结合等温吸附计算的该样品原位最大吸附能力25.16m 3 /t，推测原位为超饱和吸附状态，含游离气，且一开始提升就发生逸散。因此应以开始提升时刻为损失起算时间，采用60min以内实测数据进行线性回归获得损失气25.93m 3 /t，USBM计算结果明显偏大且不合理；③P1样品中游离气含量为11.21m 3 /t，游离气占比30.8%，吸附游离比例解吸7∶3；装罐解吸损失气以游离气逸散为主，样品开始自然解吸时，吸附气已逸散20.30%，游离气逸散63.15%；解吸至7小时左右，累计解吸气产出66.9%，累计游离气产出94.31%。
根据模拟结果可得到吸附气和游离气产出情况（如图8所示）。
图8 解吸过程中游离气和损失气比例变化
图9分析了裂缝渗透率、基质渗透率、形状因子、初始含气饱和度对气体产出的影响，可以得出：①在样品尺寸比较小的情况下，裂缝渗透率变化对样品解吸气量的影响随时间变化不大。②岩样在提升过程中，等效基质渗透率对样品的气体释放速度影响比较大，当等效基质渗透率比较大时，在初始阶段气体的释放速度快，损失气量大，残余气量小；当等效基质渗透率比较小时，在初始阶段气体的释放速度相对较慢，损失气量相对较小，残余气量相对较大。③形状因子对样品的排气速度影响比较大，与等效基质渗透率相似。④解吸深度越深，总的含气量越大，气体的释放速度也越快。这主要由岩样的Langmuir曲线决定。
图9 不同参数敏感性分析图
（1）引用煤岩经典的双孔双渗理论模型，考虑了整个解吸过程中含水饱和度、温度对气体产出的影响，开展含气量测试全过程仿真，提供了一种深层煤岩损失气计算新方法。
（2）以P1样品为例，采用新方法计算的损失气为12.8m 3 /t，损失气占比33.3%。其中井筒提升损失了9.7m 3 /t，占比25.2%，地面暴露期间损失了8.1m 3 /t，占比8.1%。现场实测解吸气为23.54m 3 /t，含气量总计36.37m 3 /t，吸附游离比例解吸7∶3。USBM法计算深层煤岩损失气结果偏大。
（3）仿真模拟实验结果的可靠性尚未经过有效检验，需结合保压取心和损失气物理模拟实验进一步优化该方法。
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作者简介：邓泽（1982—），男，山西运城人，高级工程师，硕士研究生，主要从事煤层气、页岩气等非常规能源实验测试与储层评价工作。Tel：010-69213353，18031622626；E-mail：dengze@petrochina.com.cn。