CN105259080A - 一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法，该方法通过监测恒温封闭体系中一定初始压力的甲烷气体向有效应力条件下的页岩柱塞岩样中的压力衰减数据，并以页岩储层的微观孔隙结构和气体赋存状态为基础，建立了一维扩散数学模型，计算了气体(甲烷)在页岩中的扩散系数大小，定量评价了气体(甲烷)在页岩中的扩散传质能力。本发明的实验测试过程能够有效模拟页岩气藏中气体的扩散过程，反映有效应力、气体吸附/解吸等因素对扩散系数大小的影响，并且本发明能克服传统的吸附/解吸法中气体自由膨胀阶段数据对扩散系数大小的影响。本发明能为页岩中气体扩散传质能力评价，页岩气藏产能模型和产能预测等方面的研究提供实验支撑。

Description

一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法

技术领域

本发明涉及非常规油气储层气体传质能力实验评价方法技术领域，是一种模拟页岩气藏气体(甲烷)扩散过程，测试扩散系数的实验方法。

背景技术

页岩气是典型的非常规天然气，产自极低孔渗，以富有机质页岩为主的储集岩系中，属烃源岩气藏。我国页岩气可采资源量约为25.08×10¹²m³，与常规天然气资源量相当。在页岩气藏中，页岩气主要以游离态和吸附态赋存。气井开井生产后，游离气首先产出；同时随着压力波的传递，页岩有机质孔隙中的吸附气会逐渐解吸，并形成一个浓度梯度；在浓度梯度的作用下，孔隙内部的吸附气会逐渐向已开始解吸的低浓度区域进行扩散传质。因而，页岩气的产出过程是一个包含了解吸、扩散和渗流的多尺度传质过程。页岩气在有机质内部的扩散过程不仅控制着吸附气的产出速率，还显著影响吸附气对整个气井产能的贡献比例。研究页岩基块中气体扩散能力，有助于明确页岩气的多尺度产出机理，建立适合页岩气井的产能模型。

评价气体在岩石中扩散能力强弱的关键参数是气体扩散系数。然而目前关于页岩中气体扩散系数的获取主要是通过计算机模拟和理论估算的方法，产能模型中对于扩散系数的取值也缺乏相应的实验支撑。造成这一困境的原因主要是对页岩中气体扩散过程的认识还不清楚，现有的扩散系数实验测试方法难以有效地反映页岩气在储层中的扩散过程，并获取可靠的实验结果。

现有的测量气体在岩石中扩散系数的方法主要有时滞法、烃浓度法和吸附/解吸法。时滞法和烃浓度法常被应用于储层岩石中的天然气扩散运移和盖层岩石的封闭性研究。时滞法测试的是在岩石饱和水条件下，单位岩石中水溶烃浓度梯度下，天然气通过岩石的扩散系数。但通常认为原地条件下页岩气藏的含水饱和度极低或不含水，因而该方法并不适用。烃浓度法测试的是压力平衡条件下双组份气体的相对扩散过程中某组分的扩散系数，该方法通常采用干燥岩样，但在测试过程中需多次取样，极易造成较大的实验操作误差。同时，时滞法和烃浓度法均未考虑吸附气的影响，且实验模拟过程与页岩气产出中气体的扩散过程差异较大，难以被运用到页岩中气体扩散系数的实验测试。

吸附/解吸法测试扩散系数在煤层气中应用较广，该方法通过分析吸附量与浓度或压强变化的相应曲线计算扩散系数，能充分体现气体在岩石内部的吸附/解吸-扩散过程。但吸附/解吸法也存在以下不足：首先，采用粉状样品(60～80目)进行测试，表征尺度极小，且测得的扩散系数受样品的尺寸影响；其次，粉状样品制样繁琐，且无法反映有效应力变化对孔隙结构以及扩散过程的影响。

此外，在分子筛等多孔材料的研究中，零长柱(ZLC)色谱法、频率响应法、脉冲梯度场核磁共振和拟弹性种子散射等方法也被应用于扩散系数的测试。但它们或者是实验条件与工程应用差异极大，或者是仪器设备复杂昂贵，难以普及。

综上，页岩气在储层中的扩散系数大小是评价气体在页岩中扩散传质能力强弱，优化产能模型及预测吸附气产出程度的关键参数，面对现有实验测试方法存在的不足，亟需探索一种能反映页岩气在储层中实际扩散过程并且易于操作的扩散系数测试方法。

发明内容

针对现有扩散系数实验测试手段的不足，提供一种新的能模拟有效应力条件，反映页岩气藏中气体实际扩散过程的扩散系数实验测试方法。该方法首先需要监测恒温定容条件下气体(甲烷)向有效应力状态下柱塞页岩中的压力衰减过程，再提取其中反映气体在页岩有机质内部浓度扩散的数据，根据建立的一维扩散模型求取扩散系数。

本发明与已有方法相比具有如下优势：

(1)实验测试过程为页岩气藏气体产出的逆过程，能最大限度地还原吸附气产出时在页岩有机质内部的解吸-扩散过程；

(2)相比粉状样品测试，本方法采用柱塞岩样，不仅可施加有效应力，还可以更为全面地反映微孔结构对扩散过程的影响；

(3)相比已有的吸附/解吸法，本方法基于岩样参数剔除了气体自由膨胀阶段的压力衰减数据，消除了其对扩散系数计算的影响。

本发明的目的通过以下技术方案实现的：

首先钻取、切割页岩岩样，充分烘干(60℃)至恒重后，测量其长度、直径和孔隙度；实验前先检测装置气密性，再次对管线的死体积进行校准；而后将实验岩样放入夹持器，对***施加预设的温度和围压；待温度压力稳定后，对岩样及管线进行抽真空72h以上；然后通入甲烷气体至微小中间容器，待甲烷气体预热至***温度，且压力稳定在预设值后，打开相应控制阀，甲烷开始向岩心中流动，同时开始采集整个腔室的压力衰减数据；待***压力24h内压降小于2KPa，认为气体的压力衰减过程达到近似平衡(100h以上)，数据采集结束。

得到压力衰减曲线后，首先应根据岩样的尺寸和孔隙度求取实验温度压力条件下岩样孔隙中能储存的甲烷质量，并以此为参照，剔除压力衰减曲线中反映早期气体向岩样中的自由膨胀阶段的数据。该阶段以后，进入岩样的甲烷主要以吸附态的形式赋存，并且通过浓度扩散向有机质内部运移。将此过程的压力衰减数据代入一维扩散系数计算模型，即可求得气体(甲烷)在页岩中的扩散系数。

附图说明

图1扩散系数实验测试装置示意图。

图中：1-6.控制阀，7.高压气瓶，8.微小中间容器，9.真空泵，10.岩心夹持器，11.围压泵，12.压力传感器，13.恒温温控***，14.数据采集***。

图2实验测试过程气体(甲烷)的压力衰减曲线。

图3气体(甲烷)扩散过程的压力衰减数据线性回归。

具体实施方式

下面根据实例进一步说明本发明。

选取四川盆地龙马溪组页岩柱塞岩样1块，采用本发明方法测试气体(甲烷)在页岩中的扩散系数。具体步骤如下：

步骤1、按照SYT5358-2010岩样制备方法准备柱塞页岩岩样(LMX-1)；首先采用氮气钻取并切割直径为2.52cm，长度为3.93cm的页岩岩样，而后放入60℃的烘箱，每隔24h称重一次，直至相邻两次称重变化小于样品质量的1.0％，认为岩样充分烘干；烘干后的岩样采用CMS300测试岩样孔隙度为4.06％；

步骤2、将钢岩样(孔隙度为零)装入岩心夹持器中，并施加一定围压，开启恒温温控***，待将***温度加热至设定温度T后，标定钢岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积(V_D)，标定方法为：关闭控制阀1，打开控制阀2-4，启动真空泵对***内部抽真空2h以上，然后关闭控制阀3，并关停真空泵；将已注入一定压力氦气的标准容器(已知体积为V_R)连接至控制阀1，待标准容器内压力稳定后，记录压力P₁；打开控制阀1，待***内部压力稳定后，记录此时的压力P₂；根据方程(1)可求得岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积V_D为58.8362cm³；

$V_D=(\frac{P_1{Z}_2}{P_2{Z}_1}-1)V_R---\left(1\right)$

式中V_D—岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积，cm³；

V_R—标准容器体积，cm³；

Z₁、Z₂—分别为压力P₁、P₂下氦气的偏差因子，无因次；

步骤3、将钢岩样装入岩心夹持器，并施加预设的围压10MPa和温度82℃；向***内通入一定压力为3MPa的氦气(气密性检测压力要高于实验压力)，关闭控制阀1和控制阀3，24h内压力***压力下降值小于0.5KPa，说明气密性良好达到实验要求；

步骤4、气密性检测完毕后，取出钢岩样，装入待分析页岩柱塞岩样，再次通过围压泵11和恒温温控***13施加预设的围压10MPa和温度82℃，并保持围压和温度恒定；然后关闭控制阀1，打开控制阀2-4，开启真空泵9对岩样和管线***抽真空72h；然后关闭控制阀2-4，打开控制阀1，通入一定量的气体(甲烷)至微小中间容器8，待甲烷压力升至预设压力后，关闭控制阀1；当通入的甲烷气体预热至***温度，且压力保持稳定后，此时气体压力为1420KPa，打开控制阀2，同时通过压力传感器12和数据采集***14记录甲烷向岩样流动过程的气体压力衰减数据；待***压力24h内压降小于2KPa，认为气体压力达到平衡；如图2所示，本次实验取压力平衡时间为第100h；

步骤5、甲烷向已充分抽真空的岩样中流动，首先气体会通过自由膨胀充满页岩中的孔隙和微裂缝***，而后甲烷会进一步吸附在页岩中的有机质纳米孔壁面；吸附气在浓度梯度的作用下，逐渐向有机质内部进行扩散；鉴于页岩中气体流动的多尺度特征，监测的压力衰减数据包含了前期甲烷向岩样孔隙中的自由膨胀阶段，而在扩散系数的计算过程中需要去除该阶段数据；具体处理过程如下，t时刻自由膨胀进入岩样的甲烷的质量可由方程(2)求得：

$m_{ex}\left(t\right)=\frac{V_D{M}_w}{R}(\frac{P_{ini}}{Z_{ini}{T}_{ini}}-\frac{P\left(t\right)}{Z\left(t\right)T\left(t\right)})---\left(2\right)$

式中m_ex(t)—t时刻自由膨胀进入岩样的甲烷的质量，即此刻的累计储气量，g；

M_w—气体摩尔质量，g/mol；

R—摩尔气体常数，J/(mol·K)；

P_ini、P(t)—***初始时刻和t时刻的压力，MPa；

T_ini、T(t)—测试***温度，保持恒温，T_ini与T(t)相等，K；

Z_ini，Z(t)—初始时刻和t时刻的气体偏差因子，无量纲；

步骤6、同一温度压力条件下，甲烷充满实验岩样的孔隙体积所需要的质量可由如下公式进行计算：

$m_P=\frac{V_P{M}_w}{R}\frac{P}{Z_{P}T}---\left(3\right)$

式中m_P—某一温度压力下岩样孔隙体积的储气量，g；

V_P—岩样孔隙体积(由岩样尺寸和孔隙度计算)，cm³；

P—甲烷气体压力(由于实验中气体压力衰减幅度小于10％，近似取P为初始

时刻与t时刻的平均压力)，MPa；

T—测试***温度，K；

Z_P—温度T、压力P下的气体偏差因子，无量纲；

步骤7、根据本次实验的岩样参数和温度压力参数等，当进入岩样的甲烷质量满足方程(4)时，即压力衰减过程初期，甲烷气体已经充满了岩样孔隙的时刻t＝11.92h，在此时刻以后认为甲烷开始在孔隙壁面吸附和在浓度梯度作用下，向有机质内部进行气体扩散(图2)；

m_ex(t)＝m_P(4)

步骤8、根据页岩中吸附气的赋存状态，将页岩中吸附气向有机质内部的扩散过程简化为一维线性扩散；根据菲克第二定律和质量守恒原理得到：

$\frac{{\∂}^2{c}_g}{\∂z^2}=\frac{1}{D}\frac{\∂c_g}{\∂t}---\left(5\right)$

初始条件：c_g(z,t＝0)＝0(6)

边界条件： $\frac{\∂c_g}{\∂z}{|}_{z=h}=0---\left(7\right)$

$c_g(z=0,t)=c_g^{*}$

对上述数学模型求解，可得如下解析式：

$\frac{M_t}{M_{\mathrm{\∞}}}=\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\[1-\exp (-\frac{{\mathrm{D\π}}^2}{4h^2}t)\]---\left(8\right)$

式中M_t、M_∞—t时刻和平衡时刻扩散进入有机质内部的甲烷质量，g；

D—甲烷向有机质内部的有效扩散系数，cm²/s；

h—气体能够扩散进入干酪根中的平均深度，nm；

C^* _g—孔隙壁面吸附气浓度(假定浓度值保持恒定)，mol/cm³；

方程(8)变形并取自然对数，可得如下表达式：

$ln(1-\frac{{\mathrm{\π}}^2}{8}\frac{M_t}{M_{\mathrm{\∞}}})=-\frac{{\mathrm{D\π}}^2}{4h^2}t---\left(9\right)$

方程(9)是关于时间t的一次函数，根据测试原理，取t＝11.92h时刻后，平衡时间之前的压力与时间数据作方程左边与t的关系图，再线性回归得到拟合直线的斜率l为-0.00000521(图3)；根据方程(10)即可求得围压10MPa、气体初始压力(甲烷)1420KPa、温度82℃条件下，甲烷在页岩中甲烷的扩散系数D为2.89×10^-17cm²/s。

$-\frac{{\mathrm{D\π}}^2}{4h^2}=l---\left(10\right)$

以上的具体实施方式已经对本发明的方法进行了具体的描述，但本发明所述内容并不仅仅限于以上实施案例，只要在不超出本发明的主旨范围内，可对实验条件及方法进行灵活的变更。

Claims (3)

1.一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法，它包括以下步骤：

步骤1、按照SYT5358-2010岩样制备方法准备柱塞页岩岩样；首先采用氮气钻取并切割直径为2.54cm，长度为3～4cm的页岩岩样，而后放入60℃的烘箱，每隔24h称重一次，直至相邻两次称重变化小于样品质量的1.0％，认为岩样充分烘干；烘干后的岩样采用CMS300测试孔隙度；

步骤2、将钢岩样(孔隙度为零)装入岩心夹持器中，并施加一定围压，开启恒温温控***，待将***温度加热至设定温度T后，标定钢岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积(V_D)，标定方法为：关闭控制阀1，打开控制阀2-4，启动真空泵对***内部抽真空2h以上，然后关闭控制阀3，并关停真空泵；将已注入一定压力氦气的标准容器(已知体积为V_R)连接至控制阀1，待标准容器内压力稳定后，记录压力P₁；打开控制阀1，待***内部压力稳定后，记录此时的压力P₂；根据下式可求得岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积V_D：

式中V_D—岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积，cm³；

V_R—标准容器体积，cm³；

Z₁、Z₂—分别为压力P₁、P₂下氦气的偏差因子，无因次；

步骤3、将钢岩样装入岩心夹持器，并施加预设的围压和温度；向***内通入一定压力的氦气，关闭控制阀1和控制阀3，若***压力在24h内压力下降幅度小于0.5KPa，则说明气密性良好达到实验要求；气密性检测压力要高于实验压力；

步骤4、气密性检测完毕后，取出钢岩样，装入待分析页岩柱塞岩样，再次通过围压泵11和恒温温控***13施加预设的围压和温度；然后关闭控制阀1，打开控制阀2-4，开启真空泵9对岩样和管线***抽真空72h以上；然后关闭控制阀2-4，打开控制阀1，通入一定量的气体(甲烷)至微小中间容器8，待甲烷压力升至预设压力后，关闭控制阀1；当通入的甲烷气体预热至***温度，且压力保持稳定后，打开控制阀2，同时通过压力传感器12和数据采集***14记录甲烷向岩样流动过程的气体压力衰减数据；待***压力24h内压降小于2KPa，认为气体压力达到平衡(100h以上)；

步骤5、甲烷向已充分抽真空的岩样中流动，首先气体会通过自由膨胀充满页岩中的孔隙和微裂缝***，而后甲烷会进一步吸附在页岩中的有机质纳米孔壁面；吸附气在浓度梯度的作用下，逐渐向有机质内部进行扩散；鉴于页岩中气体流动的多尺度特征，监测的压力衰减数据包含了前期甲烷向岩样孔隙中的自由膨胀阶段，而在扩散系数的计算过程中需要去除该阶段数据；具体处理过程如下，t时刻自由膨胀进入岩样的甲烷的质量可由方程(2)求得：

式中m_ex(t)—t时刻自由膨胀进入岩样的甲烷的质量，即此刻的累计储气量，g；

M_w—气体摩尔质量，g/mol；

R—摩尔气体常数，J/(mol·K)；

P_ini、P(t)—***初始时刻和t时刻的压力，MPa；

T_ini、T(t)—测试***温度，保持恒温，T_ini与T(t)相等，K；

Z_ini，Z(t)—初始时刻和t时刻的气体偏差因子，无量纲；

步骤6、同一温度压力条件下，甲烷充满实验岩样的孔隙体积所需要的质量可由如下公式进行计算：

式中m_P—某一温度压力下岩样孔隙体积的储气量，g；

V_P—岩样孔隙体积(由岩样尺寸和孔隙度计算)，cm³；

P—甲烷气体压力(由于实验中气体压力衰减幅度小于10％，近似取P为初始

时刻与t时刻的平均压力)，MPa；

T—测试***温度，K；

Z_P—温度T、压力P下的气体偏差因子，无量纲；

步骤7、在某一时刻t，当进入岩样的甲烷质量满足方程(4)时，即认为在压力衰减过程初期，甲烷气体已经充满了岩样孔隙；在t时刻后，甲烷开始以孔隙壁面吸附和在浓度梯度作用下，向有机质内部的扩散过程为主；

m_ex(t)＝m_P(4)

步骤8、根据页岩中吸附气的赋存状态，将页岩中吸附气向有机质内部的扩散过程简化为一维线性扩散；根据菲克第二定律和质量守恒原理得到：

初始条件：c_g(z,t＝0)＝0(6)

边界条件：

对上述数学模型求解，可得如下解析式：

式中M_t、M_∞—t时刻和平衡时刻扩散进入有机质内部的甲烷质量，g；

D—甲烷向有机质内部的有效扩散系数，cm²/s；

h—气体能够扩散进入干酪根中的平均深度，nm；

C^* _g—孔隙壁面吸附气浓度(假定浓度值保持恒定)，mol/cm³；

方程(8)变形并取自然对数，可得如下表达式：

方程(9)是关于时间t的一次函数，根据实验数据作方程左边与t的关系图，再线性回归得到拟合直线的斜率l；根据方程(10)即可求得某一温度压力条件下甲烷在页岩中甲烷的扩散系数D。

。

2.根据权利要求1所述的一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法，其特征在于：实验样品为柱塞岩样，可在较大尺度上模拟有效应力作用下，页岩气藏中吸附气产出时在有机质内部的解吸-扩散过程。

3.根据权利要求1所述的一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法，其特征在于：基于岩样参数剔除了气体自由膨胀阶段的压力衰减数据，消除了非扩散阶段数据对有机质内部气体扩散系数计算的影响。