富有机质致密岩心气体渗透率和扩散系数的联测方法技术

本发明专利技术公开了富有机质致密岩心气体渗透率和扩散系数的联测方法，该方法利用气体压力衰减装置完成，该装置由岩心夹持器、储气腔室、真空泵、围压泵、计算机组成，岩心夹持器分别连接真空泵和围压泵，岩心的入口端连接储气腔室和气源，岩心出口端处于封闭状态，该装置位于水浴加热系统中，本发明专利技术通过监测储气腔室内的气体向岩心中流动直至平衡的过程，得到气体压力衰减曲线，再根据真实气体状态方程、物质平衡和气体在岩石中的赋存与流动机理，将该衰减曲线划分为渗流阶段和扩散阶段，从而求得气体渗透率和扩散系数。本发明专利技术简化了测试程序，提高了实验分析效率，可为页岩和煤岩等非常规储层岩石中气体传质能力的实验评价和气井产能预测等提供数据支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及致密油气储层气体传质能力实验测试中模拟富有机质致密储层岩石(页岩、煤岩)中气体多尺度传质过程，进行岩石渗透率和扩散系数联测的实验方法。
技术介绍
为满足世界经济日益增长的能源需求，油气勘探开发领域逐渐向致密油气资源进军。近年来，页岩气和煤层气的商业化开发取得了重大突破。相比于常规天然气储层，页岩气和煤层气储层含有大量的吸附气，且岩性致密，纳米级孔隙发育，气体的产出往往会经历一个解吸、扩散和渗流的多尺度传质过程。其中气体在纳米级孔隙中的扩散和微裂缝-裂缝系统的渗流决定了气井产能的高低和稳产时间的长短。因而，实验测试气体在储层中的渗透率和扩散系数大小对产能预测和矿场评价具有重要意义。以页岩和煤岩为代表的富有机质致密储层岩性致密，渗透率极低，常规的渗透率测试方法应用受到巨大的限制。针对致密储层的压力脉冲测试方法能满足这类致密储层的渗透率测试需要，但测试耗时较长，要求同时检测岩心上、下游腔室的气体压力变化，对仪器的精度要求极高，并且不能测试岩石总气体扩散系数。同时，由于在页岩和煤岩储层中，基块岩石中普遍存在着气体扩散现象，因此扩散系数实验测试也是富有机质致密岩石传质能力评价的重要组成部分。但目前对于扩散系数测试方法还未统一，常见的扩散系数测试方法采用粉状样品，难以模拟原地应力条件。并且，现有的岩石中气体扩散系数和渗透率测试通常是采用各自独立的方法和仪器，与地层条件下的实际气体流动过程不符，不利于建立两者之间的联系，也耗费了大量的时间和材料成本。面对富有机质致密储层(页岩、煤岩)中气体传质能力实验测试中存在的问题，亟需一种能够反应气体在地层中的传质过程，快速高效、节约成本的实验测试方法。因此，本专利技术提出了基于气体压力衰减的富有机质致密岩石中气体渗透率和扩散系数联测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供富有机质致密岩心气体渗透率和扩散系数的联测方法，首先测试了恒温条件下气体(甲烷)向柱塞岩样中的压力衰减曲线，根据富有机质致密储层(页岩、煤岩)中气体赋存(吸附态、游离态)和流动机理，以及甲烷压力衰减过程中的物质平衡，
将整个压力衰减曲线划分为渗流阶段和扩散阶段，并建立相应的一维模型对实验数据进行拟合，从而得到气体的渗透率和扩散系数。为达到以上技术目的，本专利技术提供以下技术方案。本专利技术通过监测恒温定容储气腔室内的高压气体向具有一定初始压力且出口端密封的柱塞岩心中的流动并直至最终平衡的过程，得到一条储气腔室中气体的压力衰减曲线。再根据真实气体状态方程、物质平衡和气体在岩石中的赋存与流动机理，将该条衰减曲线划分为渗流阶段和扩散阶段，并建立了相应阶段的气体渗透率和扩散系数求解数学模型。最后根据解析解对实验数据进行拟合，从而求得气体渗透率和扩散系数。富有机质致密岩心气体渗透率和扩散系数的联测方法，该方法利用气体压力衰减装置完成，所述气体压力衰减装置由岩心夹持器、储气腔室、真空泵、围压泵、计算机组成，所述岩心夹持器分别连接真空泵和围压泵，岩心夹持器内装有岩心，岩心的入口端通过电磁阀连接储气腔室和气源，岩心的出口端处于封闭状态，岩心夹持器、储气腔室均通过压力传感器连接计算机，该装置位于水浴加热系统中，该方法依次包括以下步骤：步骤1、按照SYT5358-2010岩样制备方法准备富有机质致密岩石的岩心，采用氮气钻取并切割直径为2.5cm，长度3-4cm的岩心，60℃烘干至恒重，测量岩心的长度、直径和孔隙度；检查装置气密性，检测时间不少于48h。步骤2、将岩心放入岩心夹持器，并通过水浴加热系统和围压泵施加预定的温度和围压；温度和压力稳定之后，通过真空泵对岩心和相连管线持续抽真空，时间不少于100h，保证岩心中的残余气体已被充分抽出，岩心呈近似真空状态。步骤3、保持系统温度和围压，通入氦气并采用波义耳定律校正储气腔室的体积，得到储气腔室的总体积Vgc。步骤4、打开气源和电磁阀，通过储气腔室向岩心中注入一定压力的高纯甲烷，压力稳定后，建立起岩心中的初始气体压力P岩心；关闭电磁阀，通过气源升高储气腔室中的气体压力，使之与岩心中的气体压力建立一定压差；压力稳定后，关闭气源；而后打开电磁阀，储气腔室里的甲烷在压差作用下开始向岩心内流动；同时，计算机通过压力传感器开始采集储气腔室内的实时压力衰减数据，得到气体压力衰减曲线；待储气腔室内气体压力不再降低，认为整个系统达到近似平衡。由于实验中岩心的出口端是完全密封的，所以随着压力衰减的进行，甲烷气体会逐渐进入岩心中更小的纳米级孔隙中，并以吸附态的形式赋存与有机质中，而不会像常规储层岩石渗透率测试中岩心两端面贯通，气体只赋存于孔隙尺寸较大的优势流动通道之中，难以反映
纳米级孔隙中气体的流动行为。待压力传感器显示储气腔室内气体压力不再降低(24h内压降小于5KPa)，认为甲烷向岩心中的压力衰减达到近似平衡。步骤5、根据质量守恒原理，整个测试过程流入岩心的甲烷质量即为储气腔室里甲烷减少的质量，t时刻流入岩心的甲烷的质量通过如下公式计算： m g ( t ) = V g c M 1000 R ( P i n i Z i n i T - P Z T ) - - - ( 1 ) ]]>式中mg(t)—压力衰减开始后t时刻流入岩心甲烷的累积质量，即岩心中甲烷质量的增量，g；Vgc—储气腔室总体积，58.836cm3；M—气体摩尔质量，16.043g/mol；R—气体摩尔常数，8.314J/(mol·K)；Pini、P—储气腔室在初始时刻和t时刻的压力，KPa；T—测试系统的温度，由于系统保持恒温，T为定值，K；Zini，Z—初始时刻和t时刻的气体偏差因子，无量纲。步骤6、恒温条件下，岩心内压力升高所引起的岩心总孔隙体积储存的游离甲烷质量的增量通过如下真实气体状态方程进行计算：式中mfree—压力升高所引起的岩心总孔隙体积能储存的游离甲烷质量的增量，g；Peq—整个压力衰减过程平衡后，岩心也即储气腔室的气体压力，KPa；P岩心—压力衰减之前岩心中饱和的初始气体压力，KPa；VP—岩心孔隙体积(由岩样外观尺寸和孔隙度计算)，c本文档来自技高网...

【技术保护点】
富有机质致密岩心气体渗透率和扩散系数的联测方法，该方法利用气体压力衰减装置完成，所述气体压力衰减装置由岩心夹持器(6)、储气腔室(2)、真空泵(4)、围压泵(9)、计算机(10)组成，所述岩心夹持器(6)分别连接真空泵(4)和围压泵(9)，岩心夹持器内装有岩心(8)，岩心的入口端通过电磁阀(7)连接储气腔室(2)和气源(1)，岩心的出口端处于封闭状态，岩心夹持器、储气腔室均通过压力传感器(3)连接计算机(10)，该装置位于水浴加热系统(5)中，该方法依次包括以下步骤：步骤1、准备富有机质致密岩石的岩心，测量岩心的长度、直径和孔隙度；步骤2、将岩心(8)放入岩心夹持器(6)，并通过水浴加热系统(5)和围压泵(9)施加预定的温度和围压，通过真空泵(4)对岩心和相连管线持续抽真空；步骤3、保持系统温度和围压，通入氦气，采用波义耳定律校正储气腔室(2)的体积，得到储气腔室的总体积Vgc；步骤4、打开气源(1)和电磁阀(7)，通过储气腔室(2)向岩心(8)中注入一定压力的高纯甲烷，建立起岩心中的初始气体压力P岩心；关闭电磁阀，升高储气腔室中的气体压力，使之与岩心中的气体压力建立一定压差；压力稳定后，关闭气源；打开电磁阀，储气腔室里的甲烷在压差作用下开始向岩心内流动；计算机(10)通过压力传感器(3)采集储气腔室内的实时压力衰减数据，得到气体压力衰减曲线；待储气腔室内气体压力不再降低，认为整个系统达到近似平衡；步骤5、t时刻流入岩心的甲烷的累积质量mg(t)通过如下公式计算：mg(t)=VgcM1000R(PiniZiniT-PZT)]]>式中M—气体摩尔质量，g/mol，R—气体摩尔常数，J/(mol·K)，Pini、P—储气腔室在初始时刻和t时刻的压力，KPa，T—测试系统的温度，为定值，K，Zini，Z—初始时刻和t时刻的气体偏差因子，无量纲；步骤6、岩心内压力升高所引起的岩心总孔隙体积储存的游离甲烷的增量mfree通过如下公式计算：式中Peq—整个压力衰减过程平衡后，岩心也即储气腔室的气体压力，KPa，P岩心—压力衰减之前岩心中饱和的初始气体压力，KPa，VP—岩心孔隙体积，cm3，Zeq—压力衰减过程平衡后气体的偏差因子，无量纲，将mg(t)等于mfree的时间点t0作为渗流阶段和扩散阶段的分界点；步骤7、当t<t0时，压力衰减过程处于渗流阶段，对渗流阶段的压力衰减曲线进行拟合，通过下式求得岩心中甲烷在渗流阶段的浓度传递系数k：式中A—岩心的横截面积，cm2，l—岩心的有效长度，cm，φ—岩心孔隙度，小数，再通过下式得到岩心中甲烷的渗透率KP：Kp=φkMμρZRT]]>式中ρ—某温度压力下的甲烷密度，kg/m3，μ—某温度压力下的甲烷粘度，Pa·s；步骤8、当t>t0时，压力衰减过程进入气体扩散阶段，对扩散阶段的压力衰减曲线进行拟合，通过下式求得甲烷的扩散系数D：ln(1-π28MtM∞)=-Dπ24h2t]]>式中Mt、M∞—t时刻和最终平衡时刻扩散进入页岩的吸附甲烷质量，g，h—气体扩散进入岩心中的平均深度，nm。...

【技术特征摘要】
1.富有机质致密岩心气体渗透率和扩散系数的联测方法，该方法利用气体压力衰减装置完成，所述气体压力衰减装置由岩心夹持器(6)、储气腔室(2)、真空泵(4)、围压泵(9)、计算机(10)组成，所述岩心夹持器(6)分别连接真空泵(4)和围压泵(9)，岩心夹持器内装有岩心(8)，岩心的入口端通过电磁阀(7)连接储气腔室(2)和气源(1)，岩心的出口端处于封闭状态，岩心夹持器、储气腔室均通过压力传感器(3)连接计算机(10)，该装置位于水浴加热系统(5)中，该方法依次包括以下步骤：步骤1、准备富有机质致密岩石的岩心，测量岩心的长度、直径和孔隙度；步骤2、将岩心(8)放入岩心夹持器(6)，并通过水浴加热系统(5)和围压泵(9)施加预定的温度和围压，通过真空泵(4)对岩心和相连管线持续抽真空；步骤3、保持系统温度和围压，通入氦气，采用波义耳定律校正储气腔室(2)的体积，得到储气腔室的总体积Vgc；步骤4、打开气源(1)和电磁阀(7)，通过储气腔室(2)向岩心(8)中注入一定压力的高纯甲烷，建立起岩心中的初始气体压力P岩心；关闭电磁阀，升高储气腔室中的气体压力，使之与岩心中的气体压力建立一定压差；压力稳定后，关闭气源；打开电磁阀，储气腔室里的甲烷在压差作用下开始向岩心内流动；计算机(10)通过压力传感器(3)采集储气腔室内的实时压力衰减数据，得到气体压力衰减曲线；待储气腔室内气体压力不再降低，认为整个系统达到近似平衡；步骤5、t时刻流入岩心的甲烷的累积质量mg(t)通过如下公式计算： m g ( t ) = V g c M 1000 R ( P i n i Z i n i T - P Z T ...

【专利技术属性】
技术研发人员：游利军，杨斌，康毅力，陈一健，李相臣，程秋洋，陈强，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51