Technological progress and trend in shale gas on-site testing—a critical review

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.9.30

Abstract

Abstract:

Gas content is a key parameter for shale gas evaluation and production decision-making, while on-site determination of desorption gas content using “large three-stage” desorption curves is preferred based on accuracy, cost, and speed considerations. Different from coalbed methane, shale gas content analysis has made significant progress in testing methodologis, methods, technologies, and instruments. The adaptation of pipeless testing technology using “small three-stage” desorption curves provides more valuable information while improving the accuracy of desorption gas testing. From conditional extrapolation, borrowed from coalbed methane, to multi-point constraint fitting, shale gas loss can now be calculated with less dependency on assumptions. Based on the principle of non-contact torque transmission, whole-process air sealing during residual gas testing has been achieved. Accurate gas content measurement using dual three-stage desorption curves lays the foundation for calculating key parameters such as total gas content, free/absorption ratio, and recoverable coefficient. However, the total recoverable shale gas is not simply the sum of lost and desorbed gases. High-precision, on-site desorption gas content analysis has wide applications. Its development directions include systematic high-precision data acquisition, mult-parameter evaluation, and intelligent-evaluation technology application.

Key words: shale gas, gas content, gas-bearing structure, technical progress, development tendency

CLC Number:

TE132.2

ZHANG Jinchuan, WANG Xiangzeng, LI Zhongming, LIU Shugen, NIU Jialiang, YUAN Tianshu, LI Xingqi, TANG Xuan. Technological progress and trend in shale gas on-site testing—a critical review[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(1): 315-326.

Figures/Tables 6

References 67

[1]	金之钧, 胡宗全, 高波, 等. 川东南地区五峰组-龙马溪组页岩气富集与高产控制因素[J]. 地学前缘, 2016, 23(1): 1-10. DOI
[2]	张金川, 刘树根, 魏晓亮, 等. 页岩含气量评价方法[J]. 石油与天然气地质, 2021, 42(1): 28-40.
[3]	李玉喜, 乔德武, 姜文利, 等. 页岩气含气量和页岩气地质评价综述[J]. 地质通报, 2011, 30(增刊1): 308-317.
[4]	姜志高, 曹海虹, 丁安徐, 等. 基于页岩现场含气量测试结果预测产能的方法[J]. 石油实验地质, 2019, 41(5): 773-778.
[5]	张金川, 史淼, 王东升, 等. 中国页岩气勘探领域和发展方向[J]. 天然气工业, 2021, 41(8): 69-80.
[6]	郭琼, 蔡君, 宋庆彬, 等. 基于气测录井的页岩气地层含气量计算方法[J]. 录井工程, 2020, 31(2): 16-20.
[7]	姚光华, 王晓泉, 杜宏宇, 等. USBM方法在页岩气含气量测试中的适应性[J]. 石油学报, 2016, 37(6): 802-806, 814. DOI
[8]	薛冰, 张金川, 杨超, 等. 页岩含气量理论图版[J]. 石油与天然气地质, 2015, 36(2): 339-346.
[9]	左罗, 王玉普, 熊伟, 等. 页岩含气量计算新方法[J]. 石油学报, 2015, 36(4): 469-474, 481. DOI
[10]	张明波. 页岩气含气量测试方法应用研究[J]. 中国煤层气, 2020, 17(3): 45-47, 36.
[11]	董谦, 刘小平, 李武广, 等. 关于页岩含气量确定方法的探讨[J]. 天然气与石油, 2012, 30(5): 34-37, 106-107.
[68]	邓泽, 宜伟, 李贵中, 等. 煤中残余气含量预测方法研究[C]// 中国石油学会石油地质专业委员会, 中国煤炭学会煤层气专业委员会.煤层气勘探开发理论与技术.2010年全国煤层气学术研讨会论文集. 北京: 石油工业出版社, 2010: 56-60.
[69]	李波, 赵海侗, 帅琴, 等. 一种页岩残余气含量测试系统: CN104122169B[P]. 2016-04-13.
[70]	成永军, 李得天, 张涤新, 等. 极高真空校准室内残余气体的成分分析[J]. 真空科学与技术学报, 2010, 30(1): 54-59.
[71]	肖琼, 彭晓华. 用残余气体分析仪测量和计算分压强[J]. 真空电子技术, 2008(5): 16-17.
[72]	鲍云杰. 从煤层含气量测定技术发展看页岩含气性评价的发展方向[J]. 石油实验地质, 2014, 36(6): 762-766.
[73]	习传学, 孙冲, 方帆, 等. 页岩含气量现场测试技术研究[J]. 石油实验地质, 2018, 40(1): 25-29.
[74]	何家欢. 页岩含气量现场自动测试技术[J]. 天然气工业, 2022, 42(2): 10.
[75]	李俊乾, 卢双舫, 李文镖, 等. 基于过程分析法的页岩原位含气性评价[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(5): 42-55. DOI
[12]	孙小琴. 地震属性分析技术在彭水区块页岩含气量预测中的应用[J]. 石油地质与工程, 2013, 27(4): 39-41.
[13]	周尚文, 张介辉, 邹辰, 等. 基于保压取心的页岩含气量测试新方法[J]. 煤炭学报, 2022, 47(4): 1637-1646.
[14]	薛晓辉, 曾凡武, 陈磊, 等. 常规取心过程中页岩含气量解吸测定分析及建议[J]. 煤田地质与勘探, 2015, 43(5): 27-30.
[15]	姚光华, 熊伟, 胥云, 等. 预加压测试页岩含气量新方法[J]. 石油学报, 2017, 38(10): 1189-1193, 1199. DOI
[16]	梁洪彬, 张烈辉, 陈满, 等. 快速评价页岩含气量的新方法[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(2): 110-117.
[17]	邓长生, 张毅, 谢小飞, 等. 延长石油探区延长组页岩总含气量综合预测模型[J]. 新疆石油地质, 2020, 41(3): 269-277.
[18]	赵金洲, 沈骋, 任岚, 等. 页岩储层不同赋存状态气体含气量定量预测: 以四川盆地焦石坝页岩气田为例[J]. 天然气工业, 2017, 37(4): 27-33.
[19]	陈超, 屈大鹏, 王明飞, 等. 川东南焦石坝地区海相泥页岩含气量预测方法探讨[J]. 石油物探, 2016, 55(4): 597-605. DOI
[20]	聂海宽, 边瑞康, 张培先, 等. 川东南地区下古生界页岩储层微观类型与特征及其对含气量的影响[J]. 地学前缘, 2014, 21(4): 331-343.
[21]	郭少斌, 赵可英. 鄂尔多斯盆地东缘上古生界页岩特征及含气量[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2016, 38(1): 1-9.
[22]	曾维特, 张金川, 丁文龙, 等. 延长组陆相页岩含气量及其主控因素: 以鄂尔多斯盆地柳坪171井为例[J]. 天然气地球科学, 2014, 25(2): 291-301.
[23]	TANG X, ZHANG J C, DING W L, et al. The reservoir property of the Upper Paleozoic marine continental transitional shale and its gas bearing capacity in the Southeastern Ordos Basin[J]. Earth Science Frontiers, 2016, 23(2): 147. DOI
[24]	BUSTIN R M, CLARKSON C R. Geological controls on coalbed methane reservoir capacity and gas content[J]. International Journal of Coal Geology, 1998, 38(1/2): 3-26. DOI URL
[25]	赵圣贤, 刘永旸, 张鉴, 等. 一种页岩原位含气量的定量评价方法[J]. 天然气工业, 2022, 42(10): 97.
[26]	刘刚, 赵谦平, 高潮, 等. 提高页岩含气量测试中损失气量计算精度的解吸临界时间点法[J]. 天然气工业, 2019, 39(2): 71-75.
[27]	张晓明, 石万忠, 舒志国, 等. 涪陵地区页岩含气量计算模型及应用[J]. 地球科学, 2017, 42(7): 1157-1168.
[28]	李东晖, 聂海宽. 一种考虑气藏特征的页岩含气量计算方法: 以四川盆地及其周缘焦页1井和彭页1井为例[J]. 石油与天然气地质, 2019, 40(6): 1324-1332.
[29]	游声刚, 郭茜, 耿小烬, 等. 页岩含气量的影响因素分析及含气量测试方法[J]. 中国矿业, 2015, 24(12): 80-85.
[30]	郭怀志, 潘保芝, 张丽华, 等. 页岩吸附模型及吸附气含气量计算方法进展[J]. 地球物理学进展, 2016, 31(3): 1080-1087.
[31]	张金川, 金之钧, 袁明生. 页岩气成藏机理和分布[J]. 天然气工业, 2004(7): 15- 18, 131-132.
[32]	BERTARD C, BRUYET B, GUNTHER J. Determination of desorbable gas concentration of coal (direct method)[C]// International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. Pergamon: Elsevier, 1970: 43-65.
[33]	WAECHTER N B, HAMPTON G L III, SHIPPS J C. Overview of coal and shale gas measurement: field and laboratory procedures[C]// 2004 International coalbed methane symposium. Tuscaloosa: The University of Alabama, 2004.
[34]	SAGHAFI A, WILLIAMS D J, CARRAS J N. Factors influencing the determination of coal seam gas content and the role of oxidation[C]. Pittsburgh coal conference, Pittsburgh: The University of Pittsburgh, 1998.
[35]	KISSELL F N, MCCULLOCH C M, ELDER C H. The direct method of determining methane content of coalbeds for ventilation design[M]. Michigan: US Department of Interior, Bureau of Mines, 1973.
[36]	XU C, ZHOU S, GUO S. Study on the measurement method of coalbed gas contents[J]. Journal of Henan Polytechnic University (Natural Science), 2005, 24(2): 106-108.
[37]	MCLENNAN J D, SCHAFER P S, PRATT T J. A guide to determining coalbed gas content[M]. Chicago: Gas Research Institute, 1995, 94(396): 123.
[38]	YEE D, SEIDLE J P, HANSON W B. Gas sorption on coal and measurement of gas content[M]//LAW B E, RICE D D. Hydrocarbons from Coal. Tulsa: American Association of Petroleum Geologists, 1993: 203-218.
[39]	MCCULLOCH C M. Measuring the methane content of bituminous coalbeds[M]. Michigan: Bureau of Mines, 1975.
[40]	CHASE R W. Comparison of methods used for determining the natural gas content of coalbeds from exploratory cores[R]. Marietta: Department of Petroleum Engineering, Marietta College, 1979.
[41]	刘洪林, 邓泽, 刘德勋, 等. 页岩含气量测试中有关损失气量估算方法[J]. 石油钻采工艺, 2010, 32(增刊1): 156-158.
[42]	SMITH D M, WILLIAMS F L. Diffusion models for gas production from coal: determination of diffusion parameters[J]. Fuel, 1984, 63(2): 256-261. DOI URL
[43]	SMITH D M, WILLIAMS F L. Diffusion models for gas production from coals: application to methane content determination[J]. Fuel, 1984, 63(2): 251-255. DOI URL
[44]	DIAMOND W P, LASCOLA J C, HYMAN D M. Results of direct-method determination of the gas content of US coalbeds[M]. Michigan: US Department of the Interior, Bureau of Mines, 1986.
[45]	田振华, 周尚文, 李俊乾, 等. 基于气体扩散模型的页岩气体散失规律研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(5): 56-65. DOI
[46]	DIAMOND W P, SCHATZEL S J. Measuring the gas content of coal: A review[J]. International Journal of Coal Geology, 1998, 35(1/2/3/4): 311-331. DOI URL
[47]	SHTEPANI E, NOLL L A, ELROD L W, et al. A new regression-based method for accurate measurement of coal and shale gas content[J]. SPE Reservoir Evaluation & Engineering, 2010, 13(2): 359-364.
[48]	WILCOX J. Adsorption and fluid transport phenomena in gas shales and their effects on production and storage[J]. International Journal of Coal Geology, 2014, 123: 1. DOI URL
[49]	WHEELER A. Reaction rates and selectivity in catalyst pores[J]. Advances in Catalysis, 1951, 3: 249-327.
[50]	于良臣. 煤壁瓦斯泄出规律及其应用[J]. 煤矿安全, 1981(9): 1-6.
[51]	范长生, 杨民仓. 解吸法计算瓦斯损失量方法探讨[J]. 中州煤炭, 1994(4): 24-26.
[52]	地勘时期煤层瓦斯含量测定方法: GB/T 23249—2009[S]. 北京: 中国标准出版社.
[53]	煤层气含量测定方法: GB/T 19559—2008[S]. 北京: 中国标准出版社.
[54]	页岩气技术要求和试验方法: GB/T 33296—2016[S]. 北京: 中国标准出版社.
[55]	煤层气测定方法(解吸法): MT/T 77—94[S]. 北京: 中国标准出版社.
[56]	唐颖, 张金川, 刘珠江, 等. 解吸法测量页岩含气量及其方法的改进[J]. 天然气工业, 2011, 31(10): 108-112, 128.
[57]	邢雅文, 张金川, 冯赫青, 等. 页岩含气量测试方法改进效果分析[J]. 断块油气田, 2015, 22(5): 579-583.
[58]	张金川, 魏晓亮, 党伟, 等. 一种气液压力平衡调节器及包括该调节器的排水集气装置: CN107511192B[P]. 2020-01-03.
[59]	张金川, 唐颖, 唐玄, 等. 吸附气含量测量仪及其实验方法: CN101806695B[P]. 2011-10-05.
[60]	张金川, 薛冰, 唐玄. 一种含气量测量系统及测量方法: CN105675434B[P]. 2018-10-19.
[61]	张金川, 薛冰, 唐玄. 全程气密气体含量测量仪及应用其测量岩样剩余气的方法: CN104914030B[P]. 2018-03-02.
[62]	张金川, 薛冰, 唐玄. 一种损失气量测定方法及损失气量测定系统: CN104863579A[P]. 2015-08-26.
[63]	张金川, 林腊梅, 唐玄, 等. 高精度含气量测试仪: CN202362223U[P]. 2012-08-01.
[64]	周尚文, 王红岩, 薛华庆, 等. 页岩含气量现场测试中损失气量的计算方法对比分析[J]. 中国科技论文, 2018, 13(21): 2453-2460.
[65]	刘洪林, 邓泽, 刘德勋, 等. 页岩含气量测试中有关损失气量估算方法[J]. 石油钻采工艺, 2010, 32(增刊1): 156-158.
[66]	张群, 杨锡禄. 煤中残余气含量及其影响因素[J]. 煤田地质与勘探, 1999(5): 26-29.
[67]	任收麦, 汪双清, 杨仁政, 等. 岩石密闭粉碎残余气测试装置[P]. 北京: CN203894224U, 2014-10-22.

岩性	沉积环境	单层厚度/m	孔隙度/ %	孔缝结构特点	总有机碳含量/%	有机质类型	含气量/ (m³·t^-1)	游吸比	单井产气量/ (m³·d^-1)	可采率/ %	主要伴生产物
煤岩	潮坪、潟湖、三角洲等	<10	2~8	微裂缝	≤80	Ⅲ型	10~30	0.11~ 9.00	1 000~ 40 000	10~60 (平均25)	氦气、氩气、氮气、二氧化碳及油页岩等
富有机质页岩	陆棚、深湖- 半深湖、潮坪、潟湖、三角洲等	10~200	1~5	有机孔	≤20	Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ型	2~10	0.25~ 4.00	1 000~ 500 000	10~30 (平均20)	氦气、氩气、氮气、二氧化碳及页岩油等

岩性	沉积环境	单层厚度/m	孔隙度/ %	孔缝结构特点	总有机碳含量/%	有机质类型	含气量/ (m³·t^-1)	游吸比	单井产气量/ (m³·d^-1)	可采率/ %	主要伴生产物
煤岩	潮坪、潟湖、三角洲等	<10	2~8	微裂缝	≤80	Ⅲ型	10~30	0.11~ 9.00	1 000~ 40 000	10~60 (平均25)	氦气、氩气、氮气、二氧化碳及油页岩等
富有机质页岩	陆棚、深湖- 半深湖、潮坪、潟湖、三角洲等	10~200	1~5	有机孔	≤20	Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ型	2~10	0.25~ 4.00	1 000~ 500 000	10~30 (平均20)	氦气、氩气、氮气、二氧化碳及页岩油等