CN111220640B - 一种评价致密多孔介质中气体不同流动模式的实验方法 - Google Patents

Abstract

针对页岩气和煤层气特征以及现有实验技术现状，本发明采用核磁共振实验技术和室内物理模型技术，通过测定不同开发阶段核磁T₂图谱，在结合数学工具，实现对不同渗流模式在不同开发阶段对储层产气能力定量评价。本发明采用室内物理模拟技术进行评价，相对于常用的数值模拟方法，不存在因物理模型的选择不同而引入误差，同时实验样品直接来源于目标储层，结果可直接用于现场应用。本发明采用核磁共振技术作为产能的计量工具，相对于采用排水或气体流量计等常规计量手段，核磁共振计量过程实时记录，不因设备固有的管道体积而引入的计量误差。

Description

一种评价致密多孔介质中气体不同流动模式的实验方法

技术领域

本发明涉及页岩气和煤层气勘探领域，具体涉及一种评价致密多孔介质中气体不同流动模式的实验方法。

背景技术

十九大以来，***提出了绿色发展战略以及美丽中国建设等行动，我国对清洁能源的需求保持持续性增长，而我国作为页岩气和煤层气资源大国，拥有大量的页岩气和煤层气原地资源。因此，大力开发的页岩气和煤层气资源是实现清洁中国和保证充足天然气能源供应的重要补充。

自国家油气重大专项页岩气和煤层气项目启动实施以来,页岩气和煤层气开发取得了较大的成果及进步，但页岩气和煤层气中甲烷赋存方式相对于常规储层更为复杂，且煤层中含水量较大，因此，现有页岩气和煤层气开采理论及方法对开采过程中的渗流机理评价还未形成完善的实验方法。更加现有认识，页岩气和煤层气基质中流动过程主要由吸附气表面扩散、努森扩散、达西渗流等机理控制，如何定量表征不同机理在生产过程中对产能的贡献情况有助于生产部门制定抽采方案和提出新的生产措施。

发明内容

本发明的发明目的是，对抽采过程中的渗流机理评价形成完善的实验方法，定量表征不同机理在生产过程中对产能的贡献情况。

本发明提供一种评价致密多孔介质中气体不同流动模式的实验方法，包括以下步骤：

S1：将待测岩心放入夹持器中，加围压至地层压力进行岩心老化，老化时间为24小时；

S2：将老化好的岩心饱和甲烷流体，饱和方式采用恒压饱和；

S3：生成不同压力下岩心核磁弛豫图谱，包括，设置夹持器出口回压阀压力，每设置一次回压阀压力，对模型进行模拟生产，回压阀压力值与入口压力差值保持2MPa恒定，模拟生产时直至夹持器进出口压力一致后测试核磁T₂图谱，依次类推，直到入口压力达到1MPa时停止实验；

S4：对核磁弛豫图谱中的吸附气和非吸附气进行识别，包括，对吸附态和非吸附态进行识别；

S5：依据努森数大小将流态分为四类：第一类Kn＞10为自由分子流；第二类0.1＞Kn＜10为过渡流；第三类0.001＞Kn＜0.1为滑脱流；第四类Kn＜0.001为达西流，努森数的定义为平均分子自由程与孔隙半径的比值，计算式为

式中，K_b为玻尔兹曼常数；T为开尔文温度；d为分子直径；r为孔隙半径；P为孔隙压力；

S6：将核磁测试结果的弛豫时间—幅度交汇图转换为孔径—幅度交汇图，弛豫时间和孔径之间的转换采用公式

其中R_max，R_min分别为样品中游离气存在的最大孔隙对应的半径和最小孔隙对应的半径，n为弛豫图谱中从吸附气和非吸附气的临界点到弛豫时间最大点的测试点数量总和，r_i为第i个点的弛豫时间对应的半径；

S7：模拟生产过程中不同渗流机理对产能贡献量的划分方法，选择状态1对应压力P_1，选择状态2对应压力P₂,且状态1的压力大于状态2的压力值，对任意状态下的核磁曲线，采用S5中努森数计算公式分别得到状态1曲线中分子流、过渡流、滑脱流以及达西流四种流态的划分的临界点1、2、3，得到状态2中四种流态的临界点4、5、6，0→1→4包围面积为分子流对产能的贡献量，1→2→5→4包围面积为过渡流的贡献量，2→3→6→5包围面积为滑脱流的贡献量，3→6→7为达西流贡献量；

S8：对S3中的核磁图谱进行不同渗流机理对产能贡献量统计分析，将不同压力下岩心核磁弛豫图谱中左边吸附峰去掉得到游离分布图谱，将得到的游离气核磁图谱进行弛豫时间-幅度和孔隙半径-幅度转换，对不同排采阶段核磁图谱的流态进行划分，统计P₁、P₂两个压力间核磁图谱中不同流态包裹面积，进行归一化得到不同排采阶段不同渗流机理对产能的贡献。

进一步的，步骤S2包括，

使用恒定压力气源往岩心中填充甲烷，待岩心中压力和气瓶压力平衡后关闭气源阀门，静置后待岩心中因气体吸附达到新的压力平衡后，再次打开阀门饱和岩心进行饱和，反复执行以上过程直到岩心压力达到地层压力时停止。

进一步的，步骤s4包括，

采用测试图谱中左边的第一个核磁峰为吸附气体图谱，剩余图谱为非吸附气的弛豫时间分布图谱。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用室内物理模拟技术进行评价，相对于常用的数值模拟方法，不存在因物理模型的选择不同而引入误差，同时实验样品直接来源于目标储层，结果可直接用于现场应用。

2、本发明采用核磁共振技术作为产能的计量工具，相对于采用排水或气体流量计等常规计量手段，核磁共振计量过程实时记录，不因设备固有的管道体积而引入的计量误差。

3、本发明可实现实时动态模拟不同排采阶段、不同孔隙类型中流体动用量，并且定量分析不同渗流机理对动用量的贡献率。

附图说明

图1不同压力下岩心核磁弛豫图谱。

图2吸附气与非吸附气弛豫时间临界分布。

图3弛豫时间-幅度交汇图。

图4孔隙半径-幅度交汇图。

图5不同渗流机理对产能贡献量示意图。

图6游离气弛豫时间-幅度交汇图。

图7游离气孔隙半径-幅度交汇图。

图8测试结果不同流态划分结果。

图9不同排采阶段不同渗流机理贡献结果。

具体实施方式

针对页岩气和煤层气特征以及现有实验技术现状，本发明采用核磁共振实验技术和室内物理模型技术，通过测定不同开发阶段核磁T₂图谱，在结合数学工具，实现对不同渗流机理在不同开发阶段对储层产气能力定量评价，包括以下步骤。

第一步：心放入夹持器中，加围压至地层压力进行岩心老化，降低应力敏感效应对测试结果的影响，老化时间为24小时。

第二步：将老化好的岩心饱和甲烷流体，饱和方式采用恒压饱和，具体操作为使用恒定压力气源往岩心中填充甲烷，待岩心中压力和气瓶压力平衡后关闭气源阀门，静置后待岩心中因气体吸附达到新的压力平衡后，再次打开阀门饱和岩心进行饱和，如此反复直到岩心压力达到地层压力时停止。

第三步：测试不同压力下岩心核磁弛豫图谱(图1)。设置夹持器出口回压阀压力，每设置一次回压阀压力，对模型进行模拟生产，回压阀压力值与入口压力差值保持2MPa恒定，模拟生产时直至夹持器进出口压力一致后测试核磁T₂图谱，依次类推，直到入口压力1MPa时停止实验。

第四步：对核磁弛豫图谱中的吸附气和非吸附气的识别(图2)。核磁基本原理是检测流体中氢原子在不同时间下处于从激发态原子的量，所以测试图谱中是吸附态气体和非吸附态气体综合效果，然而本发明是测定游离态气体中不同流动机理对产能的贡献，因此，需要对吸附态和非吸附态进行识别。通过大量文献调研结果和页岩气核磁测试图谱中吸附态与非吸附态识别的结果，我们采用测试图谱中左边的第一个核磁峰为吸附气体图谱，剩余图谱为非吸附气的弛豫时间分布图谱。

第五步：样品测试的核磁图谱进行流态划分的依据。本发明采用学界对毛细管中流体流动的流态常用方法，依据努森数大小将流态分为四类：1)Kn＞10为自由分子流；2)0.1＞Kn＜10为过渡流；3)0.001＞Kn＜0.1为滑脱流；4)Kn＜0.001为达西流，而努森数的定义为平均分子自由程与孔隙半径的比值，计算式为

(注：K_b为玻尔兹曼常数；T为开尔文温度；d为分子直径；r为孔隙半径；P为孔隙压力)，可见，孔隙半径及压力是划分流态的两个重要参量，因此，只有将弛豫时间转换为孔隙半径，才能对某一压力状态下的弛豫图谱进行流态识别。

第六步：将核磁测试结果的弛豫时间—幅度交汇图(图3)转换为孔径—幅度交汇图(图4)。弛豫时间和孔径之间的转换采用公式

其中R_max，R_min分别为样品中游离气存在的最大孔隙对应的半径和最小孔隙对应的半径，n为弛豫图谱中从吸附气和非吸附气的临界点到弛豫时间最大点的测试点数量总和，r_i为第i个点的弛豫时间对应的半径。最大孔隙半径采用压汞测试结果中最的大吼道半径，在煤层气中，数值模拟结果显示，当孔隙半径小于1nm时，孔隙中的甲烷气体均受到避免的吸附势作用，气体以吸附态的方式赋存于孔隙中，仅当孔隙大于1nm后，孔隙中才有游离气的存在，因此，本发明的最小半径定为1nm。

第七步：模拟生产过程中不同渗流机理对产能贡献量的划分方法(图5)。为说明的方便，本步操作选用两个状态进行说明，状态1和状态2对应的压力P₁和P₂,且状态1的压力大于状态2的压力值，对任意状态下的核磁曲线，采用步骤5中努森数计算公式分别得到状态1曲线中分子流、过渡流、滑脱流以及达西流四种流态的划分的临界点1、2、3，同理得到状态2中四种流态的临界点4、5、6，四种流态的三个临界点努森数分别为10、0.1和0.001。因此，0→1→4包围面积为分子流对产能的贡献量，1→2→5→4包围面积为过渡流的贡献量，2→3→6→5包围面积为滑脱流的贡献量，3→6→7为达西流贡献量。

第八步：对步骤3中的核磁图谱进行不同渗流机理对产能贡献量统计分析。首先将图1中左边吸附峰去掉得到游离分布图谱(图6)，将得到的游离气核磁图谱进行弛豫时间-幅度和孔隙半径-幅度转换，转换结果如图7；其次对不同排采阶段核磁图谱的流态进行划分，结果如图8；最后，统计两个压力间核磁图谱中不同流态包裹面积，并进行归一化得到不同排采阶段不同渗流机理对产能的贡献(图9)。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种评价致密多孔介质中气体不同流动模式的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待测岩心放入夹持器中，加围压至地层压力进行岩心老化，老化时间为24小时；

S2：将老化好的岩心饱和甲烷流体，饱和方式采用恒压饱和；

S3：生成不同压力下岩心核磁弛豫图谱，包括，设置夹持器出口回压阀压力，每设置一次回压阀压力，对模型进行模拟生产，回压阀压力值与入口压力差值保持2MPa恒定，模拟生产时直至夹持器进出口压力一致后测试核磁T₂图谱，依次类推，直到入口压力达到1MPa时停止实验；

S4：对核磁弛豫图谱中的吸附气和非吸附气进行识别，包括，对吸附态和非吸附态进行识别；

S5：依据努森数大小将流态分为四类：第一类Kn＞10为自由分子流；第二类0.1＞Kn＜10为过渡流；第三类0.001＞Kn＜0.1为滑脱流；第四类Kn＜0.001为达西流，努森数的定义为平均分子自由程与孔隙半径的比值，计算式为

式中，K_b为玻尔兹曼常数；T为开尔文温度；d为分子直径；r为孔隙半径；P为孔隙压力；

S6：将核磁测试结果的弛豫时间—幅度交汇图转换为孔径—幅度交汇图，弛豫时间和孔径之间的转换采用公式

其中R_max，R_min分别为样品中游离气存在的最大孔隙对应的半径和最小孔隙对应的半径，n为弛豫图谱中从吸附气和非吸附气的临界点到弛豫时间最大点的测试点数量总和，r_i为第i个点的弛豫时间对应的半径；

S7：模拟生产过程中不同渗流机理对产能贡献量的划分方法，选择状态1对应压力P_1，选择状态2对应压力P₂,且状态1的压力大于状态2的压力值，对任意状态下的核磁曲线，采用S5中努森数计算公式分别得到状态1曲线中分子流、过渡流、滑脱流以及达西流四种流态的划分的临界点1、2、3，得到状态2中四种流态的临界点4、5、6，0→1→4包围面积为分子流对产能的贡献量，1→2→5→4包围面积为过渡流的贡献量，2→3→6→5包围面积为滑脱流的贡献量，3→6→7为达西流贡献量；

S8：对S3中的核磁图谱进行不同渗流机理对产能贡献量统计分析，将不同压力下岩心核磁弛豫图谱中左边吸附峰去掉得到游离分布图谱，将得到的游离气核磁图谱进行弛豫时间-幅度和孔隙半径-幅度转换，对不同排采阶段核磁图谱的流态进行划分，统计P₁、P₂两个压力间核磁图谱中不同流态包裹面积，进行归一化得到不同排采阶段不同渗流机理对产能的贡献。

2.如权利要求1所述的一种评价致密多孔介质中气体不同流动模式的实验方法，其特征在于，步骤S2包括，

使用恒定压力气源往岩心中填充甲烷，待岩心中压力和气瓶压力平衡后关闭气源阀门，静置后待岩心中因气体吸附达到新的压力平衡后，再次打开阀门对岩心进行饱和，反复执行以上过程直到岩心压力达到地层压力时停止。

3.如权利要求1所述的一种评价致密多孔介质中气体不同流动模式的实验方法，其特征在于，步骤s4包括，

采用测试图谱中左边的第一个核磁峰为吸附气体图谱，剩余图谱为非吸附气的弛豫时间分布图谱。

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