CN110687006A - 一种基于井场解析实验的岩石含气量计算方法 - Google Patents

一种基于井场解析实验的岩石含气量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，采用综合考虑了气体膨胀、脱附和滑脱效应的气体流动物理模型，通过拟合井场解析气实验数据确定物理模型中的气体渗透率参数，再结合页岩岩芯深度、泥浆密度、初始地层压力和起钻过程等地质参数，运用已知物理模型数值计算岩芯内气体解析过程，从而确定初始压力条件下岩石原地含气量，以及岩石当为页岩时游离气和吸附气的比例。

Description

一种基于井场解析实验的岩石含气量计算方法
技术领域
本发明涉及非常规油气勘探开发技术领域，特别是涉及一种基于井场解析实验的岩石含气量计算方法。
背景技术
非常规页岩气和致密砂岩气已成为全球能源结构中的重要构成部分，但不同来源的资源量评估数据存在很大的差异，原因在于原地含气量的计算还没有形成统一的方法与规范。现阶段确定页岩原地含气量的方法主要有公式计算法和现场实验法。完善的公式计算法由Ambrose等(Ambrose et al.,2012,Shale gas-in-place calculations Part I:New pore-scale considerations,SPE Journal,219-229)提出，其根本核心是三相孔隙(水-吸附气-游离气)模型，修正了吸附气占据的孔隙空间，分别计算储层条件下的游离气量和吸附气量，基于该方法结合相应的实验测试可较准确地评价页岩含气量(CN108593493A)，但是体积法只能提供静态含气量数据。现场实验法即现场含气量解析实验(Canister Test)，广泛用于测量煤或页岩岩芯样品释放的气体体积，然后采用USBM直接法分析解析气数据来确定岩芯中的含气量(Bertard et al.,1970,Determination ofdesorbable gas concentration of coal(Direct Method)，International Journal ofRock Mechanics and Mining Science,7:43-65；Kissell et al.,1973,The directmethod of determining methane content of coalbeds for ventilation design,USBureau of Mines Report of Investigations 7767,p.22)。根据USBM直接法将岩芯含气量分为损失气、解析气和残余气三部分，解析气和残余气通过现场解析实验获得，损失气通过拟合解析气数据再前推至零点时间获得，最早采用线性外推方法获得损失气量，但当损失气量超过总气量的20％或是岩芯埋藏深且超压时(Bertard et al.,1970；Yee et al.,1993)，线性外推法变得不准确，低估含气量，而多项式外推方法往往会高估损失气量(Diamond et al.,2001)。对于页岩气来讲，一般埋藏深度超过2000m，取芯过程耗时，损失气量一般都超过总气量的20％，超压地层损失气量更大。另外，直接法对零点时间的确定(Kissell et al.,1973)是经验性的。更重要的是，直接法无法描述页岩中游离气和吸附气复杂的流动机理。如果仅对零点时间和损失时间进行校正也无法用直接法获得准确的页岩含气量(CN105203428B)。正是现场实验方法在准确恢复损失气量方面存在诸多的不确定性，一系列解析模拟装置和实验方法相继提出用于评估页岩含气量(CN106168565A，CN106970001A，CN104713802B，CN105675434B，CN106370260B，CN106525637A，CN107192632A，CN107462491A，CN107727530A，CN108254289A，CN108469396A，CN108627414A，CN110095375A)，这些模拟装置基本都具有复杂的设计结构，在实际实施过程中存在诸多难以实现的细节，更重要的是，这些理想的模拟装置和实验方法面对深层超高压页岩气(埋深大于4000m)将会一筹莫展。科学的理论计算方法在页岩含气量和储量评估方面具有更广阔的应用前景。专利CN108240952A提出了一种解析法计算页岩含气量的方法，将井场解析实验获得的含气量数据分别与多个经验公式进行误差分析，最终得到吸附气量拟合公式和游离气量拟合公式，众所周知，经验公式只针对特定地区特定层系已有详尽研究成果的情况才适用，且经验公式很可能存在本质错误。因此，专利CN108240952A公布的页岩含气量计算方法在实践中不具备广阔的应用前景。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，能应用于致密岩石(页岩和致密砂岩)原地含气量的评估及资源量计算中。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，包括步骤为：(1)获取解析样品并记录解析样品的第一参数；(2)对所述解析样品进行井场含气量解析实验，得到累积解析气量-时间曲线图和解析气量；(3)测定所述解析样品的第二参数，根据泥浆边界压力等于地层压力，确定解析样品开始脱气的零点时间和对应深度；(4)以地层压力为初始条件，提钻过程中的泥浆柱压力为边界条件，选取表观渗透率方程通式和气体流动方程拟合步骤(2)得到的累积解析气量-时间曲线图，求得具体表观渗透率方程；(5)采用包含具体表观渗透率方程的气体流动方程计算从零点时间至解析实验开始时间的损失气量，测得残余气量；(6)根据损失气量、解析气量和残余气量，得到岩石含气量。
在本发明一个较佳实施例中，步骤(1)中所述解析样品为致密砂岩或页岩。
在本发明一个较佳实施例中，步骤(1)中所述解析样品的第一参数包括尺寸、深度、起钻时间、到达井口时间、解析实验开始时间、地层压力、泥浆密度。
在本发明一个较佳实施例中，步骤(3)中所述解析样品的第二参数包括孔隙度、岩石密度、Langmuir体积、Langmuir压力。
在本发明一个较佳实施例中，步骤(4)中所述表观渗透率方程通式为：
Figure BDA0002222054020000031
其中k∞为绝对渗透率，P为压力，c、c1、c2、α、A为未知系数。
在本发明一个较佳实施例中，步骤(4)中所述表观渗透率方程通式的一阶方程适用于滑脱流，二阶方程适用于滑脱流和过渡流早期，高阶方程适用于滑脱流-过渡流-努森流。
在本发明一个较佳实施例中，步骤(4)和(5)中所述气体流动方程为：
Figure BDA0002222054020000041
其中公式(1)用于致密砂岩气，公式(2)用于页岩气，ρg为气体密度，φ为含气孔隙度，ρr为岩石密度，ρstd为气体标况密度，VL和PL分别为页岩的Langmuir体积和Langmuir压力，cg为气体压缩，r为岩芯半径。
在本发明一个较佳实施例中，所述气体流动方程采用有限差分法、有限元法或有限体积法求解。
在本发明一个较佳实施例中，步骤(6)还包括当解析样品为页岩岩芯时，根据气动流动方程得到页岩的吸附气和游离气。
在本发明一个较佳实施例中，根据气体流动方程吸附气和游离气在每个时刻都是单独计算的。
本发明的有益效果是：本发明的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，采用综合考虑了气体膨胀、脱附和滑脱效应的气体流动物理模型，通过拟合井场解析气实验数据确定物理模型中的气体渗透率参数，再结合页岩岩芯深度、泥浆密度、初始地层压力和起钻过程等地质参数，运用已知物理模型数值计算岩芯内气体解析过程，从而确定初始压力条件下岩石原地含气量，以及岩石当为页岩时游离气和吸附气的比例。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明实施例中J2井龙马溪组页岩样品(2545.65m)的现场含气量
解析实验数据图；
图2是本发明实施例中的模型拟合结果图；
图3是本发明实施例中的损失气量恢复曲线图；
图4是本发明实施例中的含气量随时间的演化曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以涪陵地区J2井龙马溪组页岩为例，具体阐述基于井场解析实验含气量数据计算页岩含气量的实施过程。
(1)井场含气量解析实验及实验条件相关参数
涪陵地区J2井龙马溪组页岩岩芯样品取自埋深2545.55-2545.75m，样品几何形态为规则的圆柱形，直径10cm，长度20cm，重量3555克。地层压力为37.7MPa，泥浆密度1550kg/m3。岩芯起钻时间为7月24日23:30:00，到达井口时间为7月25日6:00:00，解析实验开始时间为7月25日6:17:00。对所述解析样品所在的井场进行含气量解析实验，解析实验水浴温度为53度，与泥浆循环温度相同。解析气量数据每30秒自动记录一次，同时实时监测环境温度和环境压力。将含气量解析数据换算为标况下气体体积，得到累积解析气量-时间曲线图，如图1所示。图1为龙马溪组页岩岩芯样品(2545.65m)最初2.81个小时的累积解析气量(标况)与时间的变化曲线，总解析气量为1790ML。
页岩气和致密砂岩气勘探过程中在钻井现场最重要的一项实验测试为含气量解析实验，采用恒温水浴和排水集气(或质量流量计)装置测定岩芯脱气过程，记录解析气量随时间的变化曲线。具体可参考：范明，俞凌杰，中国石化无锡石油地质研究所实验地质技术之页岩气现场含气量测试技术，石油实验地质,2015,37(4):535-535；CN108982289A，一种页岩气现场解析装置及方法；CN103063545A，一种新型页岩含气量测试仪和页岩含气量测定方法；CN103808592A，页岩气含气量测定仪；CN105203428A，一种页岩含气量中损失气含量的确定方法；CN105223099A，页岩气含气量测试仪及其测试方法。尺寸、深度、起钻时间、到达井口时间、解析实验开始时间、地层压力、泥浆密度等参数在计算时都是需要用到的，拟合的方程是压力在时间(提钻时间、解析时间)和空间(岩芯尺度)上的变化函数。
(2)井场解析实验完成之后，对解析样品取柱塞样和碎屑样品开展孔隙度测定和等温吸附实验，此实验是通过室内实验测定的。获得页岩孔隙度为5％，含气孔隙度为3.5％，Langmuir体积2.02ml/g，Langmuir压力为2.86MPa，岩石密度为2556kg/m3。岩芯在起始深度承受的泥浆边界压力38.76MPa大于地层压力37.7MPa，因此零点时间对应深度为2475.8m，零点时间为7月24日23:40:42。页岩和致密砂岩的第二参数是不同的。
以地层压力37.7MPa为初始压力条件，泥浆压力[0.01519*(2475.8-0.1088*t)+0.093(MPa)]为边界条件，选取表观渗透率二阶方程和气体流动方程(2)拟合图1实验数据，模型计算结果与实测数据非常吻合，如图2所示，求得具体的表观渗透率二阶方程为：k＝-5.0806/P2+68.734/P+3.5597。
(3)采用包含具体表观渗透率方程(k＝-5.0806/P2+68.734/P+3.5597)的气体流动方程(2)计算从零点时间至解析实验开始时间的损失气曲线，如图3所示，总损失气量为19986.64ML，其中零点时间对应初始含气量。
损失气量19986.64ML，解析气量1790ML，另测得残余气量1650ML，总气量为23.43L，因此该龙马溪组页岩样品的原始含气量为6.59m3/t。根据气体流动方程吸附气和游离气在每个时刻都是单独计算的，因此通过模型计算可获得初始游离气量和初始吸附气量分别为4.82m3/t和1.77m3/t，以及游离气和吸附气随时间的演化曲线，如图4所示。
本发明提供了一种基于井场解析实验数据计算岩石原地含气量的数值方法。采用综合考虑了气体膨胀、脱附和滑脱效应的物理模型，通过拟合井场解析气实验数据确定物理模型中的气体渗透率参数，再结合页岩岩芯深度、泥浆密度、初始地层压力和起钻过程等地质参数，运用已知物理模型数值计算岩芯气解析过程，从而确定初始条件下岩石原地含气量，以及当为页岩时游离气和吸附气的比例。
本发明公布了一种基于多孔介质渗流力学的气体流动物理模型，同时考虑页岩吸附/解吸效应和真实气体状态方程，来评估地层条件下页岩原地含气量的数值计算方法，具有先进的科学性和广泛的适用性。当然，对于致密砂岩气，在不考虑吸附/解吸效应的情况下，该方法同样适用。该方法的主要内容是结合井场含气量解析实验和气体流动物理模型，通过拟合解析实验含气量数据确定物理模型参数，再根据初始地层压力和提钻过程边界压力条件数值计算岩芯内气体浓度随时间的变化过程，确定初始含气量及含气量演化。
对于温度恒定、形状规则(半径固定的圆柱形)的岩芯而言，岩石内气体浓度随时间的变化时刻等于流出岩石的气体质量，即
Figure BDA0002222054020000071
等式左边表示岩石内气体浓度变化，右边表示流出岩石的流量。
不同致密岩石中气体赋存形式决定气体浓度组成，对于致密砂岩气来说，气体浓度只与游离气有关，而页岩中气体浓度包含游离气和吸附气。
流速对于致密岩石来说，k为表观渗透率，μ为气体粘度。气体粘度可根据LGE公式(Lee et al.,1966,The viscosity of natural gases)或是其他公式直接计算。表观渗透率是气体压力的函数，根据微纳米尺度气体流动基本原理，表观渗透率与压力之间存在三种函数关系：
一阶k＝k∞(1+c/P)
二阶k＝k∞(1+c1/P+c2/P2)
高阶
Figure BDA0002222054020000082
k∞为绝对渗透率，P为压力，c、c1、c2、α、A为未知系数。一阶方程适用于滑脱流，二阶方程适用于滑脱流和过渡流早期，高阶方程适用于滑脱流-过渡流-努森流。因此，在实际应用中，需要针对具体情况(孔隙压力和孔径分布)选择合适的公式计算气体流量。具体可见上文实施例中的选择。
气体流动方程可改写为：
(1)
Figure BDA0002222054020000083
(2)
Figure BDA0002222054020000084
公式(1)用于致密砂岩气，公式(2)用于页岩气。ρg为气体密度，φ为含气孔隙度，ρr为岩石密度，ρstd为气体标况密度，VL和PL分别为页岩的Langmuir体积和Langmuir压力。考虑真实气体状态方程和岩芯径向流，气体流动方程可写为：
(1)
Figure BDA0002222054020000085
(2)
Figure BDA0002222054020000086
以上方程可采用有限差分法、有限元法或有限体积法求解。式中cg为气体压缩、r为岩芯半径。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，包括步骤为：(1)获取解析样品并记录解析样品的第一参数；(2)对所述解析样品进行井场含气量解析实验，得到累积解析气量-时间曲线图和解析气量；(3)测定所述解析样品的第二参数，根据泥浆边界压力等于地层压力，确定解析样品开始脱气的零点时间和对应深度；(4)以地层压力为初始条件，提钻过程中的泥浆柱压力为边界条件，选取表观渗透率方程通式和气体流动方程拟合步骤(2)得到的累积解析气量-时间曲线图，求得具体表观渗透率方程；(5)采用包含具体表观渗透率方程的气体流动方程计算从零点时间至解析实验开始时间的损失气量，测得残余气量；(6)根据损失气量、解析气量和残余气量，得到岩石含气量。
2.根据权利要求1所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，步骤(1)中所述解析样品为致密砂岩或页岩。
3.根据权利要求1所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，步骤(1)中所述解析样品的第一参数包括尺寸、深度、起钻时间、到达井口时间、解析实验开始时间、地层压力、泥浆密度。
4.根据权利要求1所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，步骤(3)中所述解析样品的第二参数包括孔隙度、岩石密度、Langmuir体积、Langmuir压力。
5.根据权利要求1所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，步骤(4)中所述表观渗透率方程通式为：
Figure FDA0002222054010000011
其中k∞为绝对渗透率，P为压力，c、c1、c2、α、A为未知系数。
6.根据权利要求5所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，步骤(4)中所述表观渗透率方程通式的一阶方程适用于滑脱流，二阶方程适用于滑脱流和过渡流早期，高阶方程适用于滑脱流-过渡流-努森流。
7.根据权利要求1所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，步骤(4)和(5)中所述气体流动方程为：
(1)
Figure FDA0002222054010000021
(2)其中公式(1)用于致密砂岩气，公式(2)用于页岩气，ρg为气体密度，φ为含气孔隙度，ρr为岩石密度，ρstd为气体标况密度，VL和PL分别为页岩的Langmuir体积和Langmuir压力，cg为气体压缩，r为岩芯半径。
8.根据权利要求7所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，所述气体流动方程采用有限差分法、有限元法或有限体积法求解。
9.根据权利要求1所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，步骤(6)还包括当解析样品为页岩岩芯时，根据气动流动方程得到页岩的吸附气和游离气。
10.根据权利要求1所述的基于井场解析实验的岩石含气量计算方法，其特征在于，根据气体流动方程吸附气和游离气在每个时刻都是单独计算的。
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