📝 摘要
解吸是页岩气藏中主要的产气机理之一。然而，在储层条件下的产气计算中，解吸气量的贡献常常被不加区分地使用吸附参数所掩盖。传统上认为，在页岩气藏的高温高压条件下，气体吸附是完全可逆的。但研究表明，解吸等温线通常与吸附等温线不同，并且往往表现出滞后现象。然而，在高温高压条件下产生这种滞后行为的原因尚不明确，更重要的是，吸附滞后对页岩气藏生产动态的影响此前从未被研究过。
本研究利用Particulate System公司的HPVA II 200高压体积分析仪，首先对煤样、然后对西澳大利亚Canning盆地Ordovician Goldwyer组页岩样品，在温度25°C、40°C、60°C、80°C和压力高达7MPa的条件下，测量了甲烷的吸附和解吸等温线。煤样用于测试不同状态方程对测量等温线的影响。实验发现所有页岩样品均出现早期孔隙饱和现象，最大过剩吸附量出现在甲烷临界压力附近。因此，采用两步法进行建模：首先用Dubinin-Radushkevich模型拟合过剩吸附等温线以获得吸附相密度，然后将吸附和解吸量转换为绝对吸附量；最后用Langmuir模型描述绝对吸附和解吸等温线。
在所有温度下，所有样品均观察到显著的吸附-解吸滞后现象。解吸等温线的Langmuir模型参数均低于相应的吸附等温线。Langmuir体积与总有机碳含量呈正相关，与粘土总含量无明显相关性。本文首次提出了粘土与有机碳的比值作为单一预测因子，与Langmuir体积显示出良好的相关性。
最后，利用CMG-GEM软件建立了组分三维多重作用连续嵌套介质模型，模拟了储层条件下吸附滞后对页岩气产量的影响。模拟结果表明：如果不考虑气体吸附，会显著低估产量；而用吸附等温线替代解吸等温线，则会高估页岩气产量。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG公司开发的GEM模拟器（组分模拟器） |
| 模型类型 | 单相、三维、多重作用连续嵌套介质模型 |
| 模型用途 | 研究吸附-解吸滞后对页岩气产量的影响 |
| 对比方案 | ① 无吸附（基准）② 吸附Langmuir参数 ③ 解吸Langmuir参数 |
| 关键参数 | 储层压力2750 psi、温度176°F、10年生产期 |
| 主要发现 | 使用吸附参数会高估产量，使用解吸参数更符合实际 |
论文明确指出：CMG-GEM被用于构建页岩气生产的数值模拟模型，以量化吸附滞后对产气的影响。
✅ 主要结论
1. 状态方程的影响（第三章）
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状态方程的选择显著影响测量的吸附/解吸等温线、Langmuir参数、吸附滞后的类型和程度以及原始地质储量
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SBWR状态方程与参考值的偏差最小，被选用于后续页岩研究
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负偏差的状态方程产生正滞后，正偏差的状态方程产生负滞后
2. 吸附-解吸滞后的实验研究（第四章）
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Goldwyer页岩以伊利石粘土为主，高粘土含量导致早期孔隙饱和，过剩吸附峰值出现在约5MPa（低于文献常见值10-15MPa）
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所有样品在所有温度下均观察到显著滞后，解吸的Langmuir参数低于吸附
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Langmuir体积与TOC含量强正相关，与粘土含量无明显相关性
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首次提出粘土/有机碳比值作为单一预测因子，与Langmuir体积相关性良好（R²与TOC相当）
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滞后大小与TOC含量和COC显著相关，但与传统滞后指数相关性不强
3. 滞后对页岩气产量的影响（第五章）
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气体吸附对页岩气产量有显著贡献，忽略吸附会低估产量
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使用吸附等温线替代解吸等温线会导致产量高估
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产量高估程度与TOC含量正相关，与COC负相关
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产量高估与吸附-解吸Langmuir体积差值强正相关
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对于最高TOC样品（GTh-8，4.16 wt%），吸附气占OGIP的59.4%
📊 关键数据汇总
| 样品 | TOC (wt%) | 粘土含量 (%) | Langmuir体积吸附 (cc/g) | Langmuir体积解吸 (cc/g) | 吸附气占比 |
|---|---|---|---|---|---|
| GTh-1 | 0.28 | 76.58 | 2.37 | 1.71 | 36.0% |
| GTh-2 | 1.26 | 83.50 | 5.00 | 3.34 | 44.7% |
| GTh-3 | 3.20 | 74.28 | 5.22 | 3.74 | 48.1% |
| GTh-4 | 2.82 | 67.52 | 6.23 | 3.96 | 53.1% |
| GTh-5 | 2.76 | 37.10 | 4.18 | 3.47 | 49.2% |
| GTh-6 | 0.75 | 68.44 | 3.22 | 2.37 | 45.2% |
| GTh-7 | 3.86 | 72.47 | 5.59 | 3.96 | 55.5% |
| GTh-8 | 4.16 | 46.33 | 6.31 | 4.41 | 59.4% |
📈 创新点
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首次系统研究了页岩气高温高压条件下吸附-解吸滞后对产量的影响
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提出了粘土/有机碳比值作为预测页岩吸附能力的新参数
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开发了首个解吸Langmuir参数预测模型（与温度、TOC、COC相关）
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揭示了状态方程选择是导致吸附滞后观测差异的重要原因
🏛️ 作者及单位信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 作者 | Jamiu Muftau Ekundayo |
| 学位 | 哲学博士（石油工程） |
| 授予单位 | 澳大利亚科廷大学 |
| 论文提交日期 | 2020年12月 |
| 导师 | Reza Rezaee教授 |
| 研究机构 | WASM: Minerals, Energy and Chemical Engineering, Curtin University |
| 合作单位 | 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 |
📖 发表成果
该博士论文的部分内容已发表在以下期刊和会议：
| 类型 | 出版物 |
|---|---|
| 期刊 | Journal of Natural Gas Science and Engineering (2020) |
| 期刊 | Energies (2019, 两篇) |
| 期刊 | Energy & Fuels (2019) |
| 会议 | SPE Asia Pacific Oil & Gas Conference and Exhibition (2020, 珀斯) |