2024年4月14日发(作者：)
· 76 ·
天 然 气 工 业
Natural Gas Industry
第41卷第5期
2021年5月
应用核磁共振在线检测技术研究不同赋存状态下的
页岩气动用规律
端祥刚
1
,
2
胡志明
1
,
2
顾兆斌
1
常 进
1
,
2
沈 瑞
1
孙 威
1
穆 英
3
周广照
3
1.中国石油勘探开发研究院 2.国家能源页岩气研发（实验）中心 3.中国科学院大学渗流流体力学研究所
摘要：要合理制订页岩气井生产制度，进而优化页岩气田开发技术政策，弄清不同赋存状态下的页岩气产出规律是前提和基础。为
了避免间接测试的不确定性，研发了适用于高温高压条件下的核磁共振在线检测系统，选取四川盆地长宁地区N203井下志留统龙
马溪组龙一
1
1
层页岩岩心，以甲烷气体为实验流体，测量在页岩气开采过程中游离态和吸附态甲烷产出量的变化情况，并且结合页
岩气衰竭式开发物理模拟实验，对不同赋存状态下的页岩气动用特征和产出变化规律进行了研究。研究结果表明：①饱和甲烷气体
的页岩核磁共振
T
2
谱图具有明显的双峰特征，吸附态甲烷主要赋存于页岩纳米孔隙表面，弛豫时间较短（0.1～1.0 ms），而游离态
甲烷则赋存于较大的页岩孔隙中，弛豫时间较长（1～100 ms）；②采用核磁共振测量的甲烷总含气量及吸附态/游离态甲烷气量与
采用间接方法计算的结果较为接近；③基于页岩气开发物理模拟实验，在开发初期，产出气以游离态甲烷为主，吸附态甲烷的阶段
贡献率低于5%，随着生产的持续，吸附态甲烷的阶段贡献率逐渐增加，尤其是当压力低于15 MPa以后，吸附态甲烷的阶段贡献率
迅速上升，至生产后期，吸附态甲烷的阶段贡献率超过50%，累计贡献率达到30%；④把实验结果换算为矿场条件下气井的生产动
态数据，生产前5年，吸附气对气井累计产气量的贡献率不足5%，至生产末期，吸附气对累计产气量的贡献率可以达到25%。结论
认为，核磁共振在线监测技术可以定量表征不同赋存状态下甲烷气体的动用规律，为后续开展页岩气气水两相渗吸、CO
2
/CH
4
吸附
置换等研究提供了新的方法。
T
2
谱
关键词：核磁共振；页岩气；甲烷；吸附态；游离态；弛豫时间；产气规律；
DOI: 10.3787/.1000-0976.2021.05.008
Study on the production laws of shale gas in different occurrence states in the use of
NMR online detection technology
DUAN Xianggang
1.2
, HU Zhiming
1.2
, GU Zhaobin
1
, CHANG Jin
1.2
, SHEN Rui
1
, SUN Wei
1
, MU Ying
3
, ZHOU Guangzhao
3
(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang, Hebei 065007, China; 2. National Energy Shale
Gas R & D
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Natural Gas Industry, Vol.41, No.5, p.76-83, 5/25/2021. (ISSN 1000-0976; In Chinese)
Abstract: The premise and basis to establish a reasonable shale gas well production system and then optimize shale gas field develop-
ment technology policies is to understand the production laws of shale gas in different occurrence states. For the purpose of avoiding
the uncertainty of indirect testing, a NMR (nuclear magnetic resonance) online detection system suitable for high temperature and high
pressure conditions is developed. The cores of Long
1
1
layer (the first submember of the first Member of Longmaxi Formation, Lower Si-
lurian)taken through Well N203 in the Changning area of the Sichuan Basin were selected, and methane gas was used as the experimental
fluid to measure the production changes of free and adsorbed methane in the process of shale gas exploitation. And combined with phys-
ical simulation experiment of shale-gas depletion development, the production characteristics and production change laws of shale gas
in different occurrence states were studied. And the following research results were obtained. First, the NMR T
2
spectrum of the methane
saturated shale has obvious characteristics of two peaks. The adsorbed methane mainly occurs on the surface of shale nanopores and the
relaxation time is shorter (0.1
-
1.0 ms), while the free methane occurs in the larger pores and the relaxation time is longer (1
-
100 ms).
Second, the total methane content and adsorbed/free methane content measured by NMR are closer to the results obtained by the indirect
method. Third, the physical simulation experiment of shale gas development shows that in the early stage of the development, the pro-
duced gas is dominated by free methane and the stage contribution rate of adsorbed methane is less than 5%. As the production continues,
the stage contribution rate of adsorbed methane gradually increases. And especially when the pressure is lower than 15 MPa, the stage
contribution rate of adsorbed methane rises rapidly. In the late stage of the development, the stage contribution rate of adsorbed methane
exceeds 50% and its cumulative contribution rate reaches 30%. Fourth, it is indicated by converting the experimental results into the field
production dynamic data of a gas well that the contribution rate of adsorbed methane to cumulative gas production of a gas well is less
than 5% in the first 5 years of the production and reaches 25% at the end of the production. In conclusion, NMR online monitoring tech-
nology can quantitatively characterize the production laws of methane gas in different occurrence states, and provide a new method for
studying shale gas-water two-phase imbibition and CO
2
/CH
4
adsorption replacement in the following stage.
Keywords: Nuclear magnetic resonance; Shale gas; Methane; Adsorbed state; Free state; Relaxation time; Gas production law; T
2
spectrum
基金简介：国家科技重大专项“页岩气渗流规律与气藏工程方法”（2017ZX05037-001）、中国石油天然气股份有限公司直属院所基
础研究和战略储备技术研究基金项目“页岩吸附气赋存机理及动用规律研究”（2018D-500807）。
作者简介：端祥刚，1987年生，工程师，博士；主要从事非常规油气渗流机理方面的研究工作。地址：（065007）河北省廊坊市广
阳区万庄44号信箱。ORCID: 0000-0001-7470-9993。E-mail:***********************.cn
通信作者：顾兆斌，1981年生，高级工程师，硕士；主要从事油气核磁共振技术研究工作。地址：（065007）河北省廊坊市广阳区
万庄44号信箱。ORCID: 0000-0001-6315-5657。E-mail:************************.cn
第5期端祥刚等：应用核磁共振在线检测技术研究不同赋存状态下的页岩气动用规律
· 77 ·
0 引言
目前，页岩油气已经成为我国重要的能源战略
接替资源
[1-2]
。由于页岩储层非均质性强，主要储渗
空间为微米—纳米孔，并且孔隙连通性差，气体赋
存状态和流动规律复杂，采用常规实验技术和渗流
理论
/
方法难以准确描述页岩气解吸、扩散、渗流的
传质输运过程
[3-4]
，导致页岩气井产气量的预测困难，
难以有效支撑页岩气井生产制度的优化。
页岩气以吸附态和游离态的形式赋存于页岩储
层中，不同赋存状态下的页岩气产出特征明显不同。
在有机质和黏土矿物中赋存着大量的吸附气，其占
比介于20
%
～80
%
[5-6]
。美国
Michigan
盆地
Antrim
页岩气田，吸附气占比介于70
%
～75
%
，具有储层
压力低，气水同产的特点，开发方式以降压开采吸
附气为主；阿巴拉契亚盆地
Ohio
页岩气田的吸附气
占比约为50
%
，在开采过程中游离气与吸附气一起
动用，页岩气井气产量低、稳产时间长；而
Barnett
页岩气田则以游离气为主，其吸附气占比一般小于
40
%
，气藏压力和气井初期气产量较高，但是产量递
减快，产出的页岩气前期以游离气为主，后期由吸
附气提供补给
[7-9]
。我国四川盆地长宁、威远等页岩
气田的吸附气占比一般介于20
%
～50
%
，在页岩气
井生产初期，主要动用的是游离气，在生产中后期，
解吸的吸附气为页岩气井持续稳产提供了重要的支
撑
[10-12]
。因此，定量分析游离气与吸附气的产出规律，
是制订页岩气井合理生产制度的前提和基础。
作为一种可以直接监测的实验方法，核磁共振
技术（
NMR
）在油气勘探开发领域被高度重视，并
且快速发展，已广泛应用于录井、测井，以及低渗透
储层的物性评价当中
[13-14]
。
NMR
可以直接检测页岩
气中氢原子核的信号，并且通过弛豫时间来确定页岩
气的赋存状态，具有快速、准确、操作简单的特点
[15]
。
李军等
[16]
针对页岩岩心，采用
NMR
和等温吸附实验，
证实在确定游离气和吸附气的含量时采用
NMR
是可
靠的。由于受到实验设备的限制，前人的研究均聚
焦于低压条件下页岩中原始含气量的计算，而未形
成高温高压条件下页岩气生产动态在线监测技术
[17]
。
为了避免间接测试的不确定性，笔者研发了适用于
高温高压条件下的核磁共振在线检测系统，选取四
川盆地长宁地区
N
203
井下志留统龙马溪组龙一
1
1
层
页岩岩心，以甲烷气体为实验流体，测量页岩气在
开采过程中游离态和吸附态甲烷产出量的变化情况，
并且结合页岩气衰竭式开发物理模拟实验，对不同
赋存状态下页岩气的动用特征和产出变化规律进行
了研究，以期为页岩气井科学合理生产制度的确定
和页岩气田开发技术政策的优化提供依据。
1 核磁共振实验原理
当含油气
/
水样品处于均匀静磁场中时，流体中
所含的氢原子核（
1
H
核）会被磁场极化，宏观上表
现为一个磁化矢量。此时对样品施加一定频率（拉
莫频率）的射频场就会产生核磁共振，随后撤掉射
频场，可以接收到一个随着时间以指数函数衰减的
信号，可以用两个参数来描述该信号的衰减速度，即
纵向弛豫时间（
T
1
）和横向弛豫时间（
T
2
）
[18-19]
。针
对岩石的核磁共振测量，一般采用
T
2
测量法。对于
含氢原子的气体来说，核磁共振信号强度与核磁共
振谱仪检测线圈内气体分子的总量成正比，因而测
量的
NMR
信号可以用于表征气体分子的含量。同时，
NMR
还可以区分不同类型气体（甲烷、乙烷、丙烷、
丁烷等）吸附质，对于相同类型吸附质的不同状态（游
离态或吸附态），其核磁共振信号也不同
[20-21]
。因此，
基于
NMR
弛豫时间，可以进行流体分子动力学研究，
并且明确流体的赋存状态，弛豫时间与流体相态、孔
隙类型及尺寸有关
[22]
。由于页岩孔隙极其致密，常
规实验流体（水）难以注入，而
NMR
信号量直接与
1
H
核有关系。因此使用甲烷气体作为实验流体具有
很大优势，不仅对页岩孔隙结构没有破坏，能够进
入水无法进入的孔隙，还可以模拟页岩气原始的赋
存状态，包括吸附态和游离态。
核磁共振
T
2
测量采集到的基本数据是回波串，
即横向弛豫过程中总核磁信号强度随时间的衰减曲
线，对回波串进行多指数拟合，得到
T
2
的分布（
T
2
谱），总的核磁共振弛豫信号量是不同类型孔隙的核
磁共振弛豫信号量的叠加
[23]
，即
（1）
式中
S(t)
表示不同类型孔隙的核磁共振弛豫信号量；
A
i
表示第
i
类孔隙的占比；
t
表示时间，
ms
；
T
2
i
表示
第
i
类孔隙的横向弛豫时间，
ms
。
对于页岩气，
T
2
与体积弛豫（
T
2B
），表面弛豫（
T
2S
）
和扩散弛豫（
T
2D
）有关
[24]
，即
（2）
式中
T
2B
、
T
2S
、
T
2D
分别表示体积弛豫时间、表面弛
豫时间和扩散弛豫时间，
ms
。
· 78 ·
天 然 气 工 业
2021年第41卷
体积弛豫是含
1
H
核流体的固有属性，主要受流
体温度，压力和物理性质的影响，体积弛豫时间代
表自由态页岩气的运动状态，在密闭容器内自由态
甲烷气体的
T
2
介于100～1
000
ms
。需要注意的是，
容器内的自由态甲烷气体与页岩孔隙中的游离气还
是有一定区别，前者的
T
2
值远远大于后者，页岩孔
隙中游离气
T
2
一般介于1～100
ms
[25]
。
表面弛豫发生在流体—固体交界面，
T
2S
与孔隙
特征有关
[26]
。在页岩孔隙壁面固体分子吸附势的作
用下，被束缚在孔隙壁面上的吸附态气体分子的
T
2S
一般介于0
.
01～1
.
00
ms
。
T
2S
计算式为：
3） （
S
pore
表示含
1
H
核
式中
ρ
2
表示表面弛豫强度，
μm/s
；
V
pore
表示含
1
H
核流体
流体充填的孔隙表面积，
nm
2
；
充填的孔隙体积，
nm
3
。
扩散弛豫是孔隙流体在磁场中扩散而产生的弛
豫
[27]
。对于式（2）中扩散弛豫项，当采用较小的回
波间隔（如0
.
1
ms
）进行核磁共振响应观测时，该项
可以忽略。因此，式（2）简化为：
（4）
页岩中含有大量含
1
H
核的物质，因而也会产生
相应的核磁信号，如页岩有机质中的干酪根，无机
质中的黏土矿物，黄铁矿等。有机质影响
NMR
信号
的方式有以下两种：①其中含有可以被直接测量的
氢原子；②通过影响有机质孔中与孔隙表面接触的流
体的弛豫时间，进而间接影响
NMR
信号。无机质中
黏土矿物包括高岭石、绿泥石、伊利石、蒙脱石及
伊蒙混层等。这些矿物除本身含有
1
H
核以外，还含
有部分层间水和结晶水等
[28]
。另外，页岩中存在的
最常见的顺磁离子是铁离子和锰离子，通常，若岩
心内顺磁性杂质的含量较高，则表面弛豫较强。然而，
页岩中铁离子含量大部分与黄铁矿相关，少量作为杂
质分散在孔隙表面上，在有机质中含量较少
[29]
。核磁
信号对水分子比较敏感，页岩基质中的水包括黏土矿
物中的水、孔隙中束缚水和自由水，页岩含水饱和度
一般较低
[29]
，并且绝大部分水在温度高于110
℃时被
排出
[30]
。因此，在实验中将岩心放置于110
℃恒温
箱内彻底烘干，以排除自由水的影响。然后，将干燥
样品的初始信号作为基底信号来处理，进而获得甲
烷气体在注入页岩样品和产出的过程中信号量的变
化，结合实验测试时甲烷气体实际注入量和产出量，
对吸附态和游离态甲烷进行定量表征。
2 实验设备、流程及岩心
2
.
1
实验设备与流程
高温高压核磁共振在线检测系统由
Rec-
Core-
2515
型核磁共振岩样分析仪和页岩气衰竭开发
实验装置组成，具有加热、加压、驱替及核磁共振
在线检测等功能，最高实验温度与压力分别为120
℃、
30
MPa
，能够对储层条件下有机气体的产出动态进
行实时检测，为室内研究地层状态下流体的渗流机
理提供了新的技术手段。
RecCore-
2515
型核磁共振岩样分析仪包括控制
系统、全直径磁体、高温高压探头及温控系统（图1）。
高温高压探头采用钛钢材料作为承压外壳以提高承
压能力，核磁探头置于承压外壳内部，探头线圈靠近
被测样品，进而提高仪器检测微弱信号的能力。页岩
气衰竭开发实验装置由
ISCO
泵、气体流量计、高精
度压力传感器、岩心夹持器及中间容器等组成，其中
图
1
高温高压核磁共振在线检测装置示意图
第5期端祥刚等：应用核磁共振在线检测技术研究不同赋存状态下的页岩气动用规律
· 79 ·
岩心夹持器的材质为钛金属，施加围压所用的液体
为氟油，均不会产生核磁信号。采用共振频率为4
.
520
MHz
、直径为25
mm
的核磁探头，就可以产生稳定
的内部磁场。实验测试参数如下：回波间隔时间为
140
.
000
μs
，回波个数（
NECH
）为1
024个，扫描次
数为64次，恢复时间为1
000
ms
，
T
2
谱拟合点数为
128。实验气体为纯度99
.
99
%
的
CH
4
，实验温度为
60
℃。
具体实验流程如下：①连接实验装置，进行气
密性检查，利用
AJP-
100
氦孔隙度测量仪测量实验
装置各部分的自由空间体积；将样品缸抽真空后注入
甲烷气体，分别测量不同压力下甲烷信号量，根据
甲烷实际气量（体积），对甲烷信号进行定标；②将
页岩岩心彻底干燥后，放入特制的岩心夹持器，置
于核磁共振检测系统中
,
加围压至设定压力值，密封
后抽真空24
h
以上；③利用
CPMG
脉冲序列对页岩
岩心进行核磁共振测量，反演得到干燥页岩样品的
T
2
谱，并且作为基底信号；④将甲烷气体注入岩心中，
加压至20
MPa
，充分饱和24
d
以模拟甲烷吸附气的
原始赋存状态，饱和过程中实时检测岩心中甲烷气体
信号量的变化；⑤打开岩心夹持器的出口，进行页岩
气衰竭式开发模拟实验，记录入口压力和出口流量。
在整个实验过程中，都需要实时监测页岩岩心中甲
烷气体信号量的变化。
2
.
2
实验岩心
实验岩心选自四川盆地长宁地区
N
203
井下志留
统龙马溪组龙一
1
1
层，取样深度为2
384
.
86
m
，岩性
为黑色页岩，岩心
TOC
为2
.
3
%
，有机质类型为腐泥型；
矿物成分以黏土矿物为主，其含量为31
.
6
%
，并且以
伊
/
蒙混层为主，石英含量为23
.
9
%
，方解石含量为
39
.
2
%
，不含黄铁矿、菱铁矿；岩心孔隙度为3
.
82
%
，
克氏渗透率为0
.
025
mD
（表1）。
表
1
实验岩心基础参数表
长度
/
直径
/
干重
/
密度
/
克氏渗透率
/
cmcmg(g
·
cm
－
3
)
孔隙度
mD
TOC
6.0622.49679.462.683.82%0.0252.3%
分别采用超高压压汞法、气体吸附法来求取页
岩岩心的孔径分布，然后对置信区间采用拼接方式
来获得页岩岩心全尺度孔径分布曲线。如图2所示，
页岩孔径的分布范围较大，从几纳米到几百纳米均
有分布，主要以微孔（孔径小于2
nm
）和介孔（孔
径介于2～50
nm
）为主，其中孔径在2
nm
以下的
图
2
页岩岩心孔径分布频率统计图
微孔占比约为15
%
，介孔占比为75
%
，孔径大于50
nm
的宏孔占比小于10
%
。
3 实验结果与分析
3
.
1
甲烷气量的计算
在样品缸中注入甲烷气体后，通过核磁共振岩
样分析仪测得不同弛豫时间下
1
H
核信号量，将其累
加，即可近似求得不同压力下样品缸内甲烷总信号
量；根据
Redlich-Kwong
方程计算不同压力下样品缸
内甲烷气量（体积）；对比不同压力下样品缸内甲烷
产生的核磁信号量，获取甲烷气量与核磁信号量的对
应关系（图3）。甲烷总信号量与甲烷气量的关系式为：
（5）
式中
Q
表示转换成标况下的甲烷气量，
mL
；
T
表示
甲烷总信号量。
图
3
甲烷总信号量与甲烷气量对应关系图
3
.
2
饱和阶段吸附态/游离态甲烷气量的计算
以恒压模式向页岩岩心中注入甲烷气体，甲烷
饱和页岩的核磁共振
T
2
谱图具有明显的双峰特征（图
4）；吸附态甲烷主要赋存于页岩纳米孔隙的表面，由
于主要受到表面弛豫控制，弛豫时间较短，对应
T
2
谱上的左峰，弛豫时间介于0
.
1～1
.
0
ms
，主峰位于0
.
4
· 80 ·
天 然 气 工 业
2021年第41卷
图
4
甲烷饱和页岩岩心核磁共振
T
2
谱图
ms
；游离态甲烷则赋存于较大的页岩孔隙中，不受
孔隙壁面的束缚，弛豫时间较长，对应
T
2
谱上的右峰，
弛豫时间介于1～100
ms
，主峰位于10
ms
。利用
T
2
谱
图可以确定页岩中甲烷气体的吸附
/
游离态的信号量。
在甲烷气体进入页岩岩心后，游离态甲烷气量
迅速增加，并在1
h
后即到达340
mL
，与游离态甲
烷气量的最大值（440
mL
）较接近（图5）；24
h
后，
吸附态
/
游离态甲烷气量逐渐增大，并且于20
d
后
均趋于稳定。吸附态甲烷核磁共振
T
2
谱峰的中心位
置不变，表明吸附态甲烷在微米—纳米孔表面发生
弛豫的速度很快，并且以表面弛豫为主。
图
5
甲烷饱和页岩岩心阶段吸附态/游离态甲烷气量
变化曲线图
基于式（5），计算得到吸附气量为216
.
5
mL
，
游离气量为440
.
5
mL
，总含气量为
657
.
0
mL
。另外，
采用测试的等温吸附曲线计算吸附气量，采用孔隙
度和孔隙压力计算游离气量，计算得到总含气量为
684
.
7
mL
，该数值略大于核磁共振的测量结果。总体
看来，采用间接方法计算得到的总含气量和核磁共振
测量结果较接近，两者相对误差小于5
%
，并且吸附
气占比也接近，采用间接方法、核磁共振方法计算
的吸附气占比分别为34
.
1
%
、33
.
0
%
。可以认为，基
于核磁共振技术测量的甲烷总含气量及吸附态
/
游离
态甲烷气量，其结果是准确、可靠的。
3
.
3
吸附气/游离气的产出规律
在甲烷气体充分饱和页岩岩心以后，打开岩心
夹持器出口进行页岩气衰竭式开发模拟实验，采用气
体质量流量计实时、精确地计量产气量。如图6所
示，随着甲烷气体被采出，页岩岩心中压力逐渐降低，
甲烷信号量也逐渐减少，游离态甲烷对应的
T
2
谱峰
一直在下降，而吸附态甲烷对应的
T
2
谱峰在前期基
本不变，这与甲烷气体饱和页岩岩心的过程正好相
反。在模拟开发16
d
以后（岩心入口压力低于12
.
6
MPa
），吸附态甲烷对应的
T
2
谱峰才明显下降，表明
在页岩气井生产初期，主要产出游离气，而吸附气基
本未动用，直至生产后期（压力较低时）吸附气才
产出。核磁共振测量的甲烷产气量和出口端实测的
甲烷产气量基本一致（图7），并且通过核磁共振技术，
还能够区分吸附态和游离态甲烷，进而得到不同赋
存状态甲烷的采出程度随压力的变化。
图
6
页岩气衰竭式开发模拟过程中核磁共振
T
2
谱图
图
7
核磁共振甲烷（含吸附态
/
游离态）产气量与
出口端实测结果对比图
如图8所示，随着压力降低，游离态甲烷采出
程度呈近线性增加，而吸附态甲烷则需要压力降至一
定范围值，才开始大量解吸并且产出，此时甲烷采
出程度与压力的关系曲线开始偏离早期的线性关系。
第5期端祥刚等：应用核磁共振在线检测技术研究不同赋存状态下的页岩气动用规律
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图
8
甲烷（含吸附态
/
游离态）采出程度与压力关系曲线图
在高压下测试的等温吸附曲线表明，在加压吸附过程
中，当压力超过15
MPa
以后，吸附气已接近于饱和
状态，吸附相密度也趋于平稳
[30]
。因此，在解吸过
程中，当地层压力高于该数值时，吸附气仍接近于饱
和状态，基本不产出。通过进行页岩气开发物理模拟
实验，结果显示在开发初期，产出以游离态甲烷为主，
吸附态甲烷的阶段贡献率（某时间段吸附态甲烷产
气量在甲烷产气量中的占比）低于5
%
；随着生产持
续进行，岩心压力降低，吸附态甲烷的阶段贡献率
逐渐增加，尤其是当压力低于15
MPa
以后，吸附态
甲烷的阶段贡献率迅速上升；至生产后期，吸附态
甲烷的阶段贡献率超过50
%
，其累计贡献率（吸附
态甲烷累计产气量在甲烷累计产气量中的占比）达
到30
%
（图9）。
图
9
吸附态甲烷阶段贡献率与累计贡献率变化曲线图
3
.
4
气井模拟与产量分析
根据页岩气开发物理模拟实验结果，运用相似
准则，把实验结果换算为矿场条件下气井的生产动
态数据，进一步分析不同生产阶段吸附气对气井产量
的贡献。通过物理模拟实验，可以获取实验岩心入口
压力、出口压力、累计产气量、采出程度等数据，根
据相似准则，由岩心产气速度来计算气井产气量
[31-32]
。
以长宁地区某页岩气井为例，如图10所示，随
着生产时间增加，该井日产气量迅速降低，第1年
平均为10
.
8×10
4
m
3
，第2年则递减为4
.
8×10
4
m
3
，
生产3年以后进入低产稳产期，20年末该井的日产
气量约为0
.
4×10
4
m
3
；该井第1年主要产出游离气，
吸附气产出量很低，在累计产出气量中的占比低于
5
%
；随着生产时间增加，地层压力降低，游离气被
大量采出，吸附气产量逐渐上升，第8年吸附气日
产量达到0
.
78×10
4
m
3
，吸附气对气井日产气量的贡
献率超过50
%
，并且越往后，贡献率越高；该气井
生产前5年，吸附气对气井累计产气量的贡献率不
足5
%
，至生产末期，其对累计产气量的贡献率可以
达到25
%
。
图
10
页岩气井日产气量与吸附气贡献率变化曲线图
由于页岩气的赋存状态不同，其动用顺序有先
后。对于以游离气为主的页岩气藏，储层压力系数高，
产出气也以游离气为主，并且游离气占比越高，单井
产气量和短期页岩气的采出程度越高，只有当储层压
力降至低压，吸附气才产出，而后吸附气的贡献逐
渐增大。对于以吸附气为主的页岩气藏，主要采用
降压开发，单井产气量虽然较低，但是稳产时间较长，
稳产期可以长达数十年
[15]
。因此，在确定区块或层
位的开发顺序时，游离气和吸附气的占比也是需要
重点考虑的指标。
4 结论
1）饱和甲烷气体的页岩核磁共振
T
2
谱图具有明
显的双峰特征，吸附态甲烷主要赋存于页岩纳米孔隙
表面，弛豫时间较短，介于0
.
1～1
.
0
ms
，游离态甲
烷则赋存于较大的页岩孔隙中，弛豫时间较长，介于
1～100
ms
；采用核磁共振测量的甲烷总含气量及吸
附态
/
游离态甲烷气量与采用间接方法计算的结果较
接近。
2）基于页岩气开发物理模拟实验，在开发初期，
· 82 ·
天 然 气 工 业
2021年第41卷
产出气以游离态甲烷为主，吸附态甲烷的阶段贡献率
低于5
%
；随着生产持续进行，吸附态甲烷的阶段贡
献率逐渐增加，尤其是当压力低于15
MPa
以后，吸
附态甲烷的阶段贡献率迅速上升；至生产后期，吸
附态甲烷的阶段贡献率超过50
%
，累计贡献率达到
30
%
。
3）把实验结果换算为矿场条件下气井的生产动
态数据，生产前5年，吸附气对气井累计产气量的
贡献率不足5
%
，至生产末期，其对累计产气量的贡
献率可以达到25
%
。
4）核磁共振在线监测技术可以定量表征不同赋
存状态甲烷气体的动用规律，为后续开展页岩气气
水两相渗吸、
CO
2
/CH
4
吸附置换等研究提供了新方法。
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本
（修改回稿日期 2021-03-29 编辑 孔 玲）
文
互
动
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