一種準確獲取頁巖含氣量的測量計算方法與流程

2023-06-14 10:50:17 1

本發明屬於天然氣技術領域，具體地涉及一種準確獲取頁巖含氣量的測量計算方法及裝置。

背景技術：

近幾年隨著美國頁巖氣革命的持續推進，中國政府日益重視國內頁巖氣的勘探開發工作。目前，我國已落實頁巖氣可採儲量為25萬億立方米，與美國相當，並且在重慶涪陵焦石壩地區實現了志留系龍馬溪組頁巖氣開發重大突破。國家能源局提出在十三五末，中國頁巖氣產量達65億立方米。

目前我國頁巖氣開發成本很高，每口水平井鑽完井費用在6000-8000萬元，且不同地層產氣能力不一。因此，如何高效低成本地將頁巖氣從地下採出，已是制約我國頁巖氣發展的瓶頸。

頁巖氣是蘊藏在頁巖層的甲烷氣體，以吸附及游離狀態存在，主要以吸附為主。影響頁巖氣富集、成藏的因素有許多，如TOC(有機質總量)、R0(有機質成熟度)、含氣量、微孔隙發育、保存條件及頁巖厚度等。在生產實踐中發現，泥頁巖含氣量這一指標格外重要，它是頁巖氣的物質基礎。若無含氣性，其它條件都不能滿足獲得一定規模的頁巖氣產出。

目前，含氣性數據獲得主要靠計算完成。首先，通過巖心的解吸實驗取得其解吸數據，其次在實驗室通過等溫吸附實驗求取其殘餘氣，再通過推測取得其損失氣量。三者相加的結果即為此頁巖的含氣性數據。

解析法最先由美國礦務局(USBM)提出，也被稱為USBM法，本是測定煤層氣含量的行業標準，現也用於頁巖氣含氣量測量。USBM法中頁巖氣含氣量分為三部分：解吸氣量、散失氣量和殘餘氣量。其方法是在模擬地層溫度條件下測量頁巖中自然解吸氣量，最後將巖心粉碎，利用等溫吸附試驗計算其殘餘氣量。見圖2的頁巖氣含氣量測量USBM法的流程圖。

目前散失氣量則通過USBM法直線回歸推算。USBM法確定發生散失時間為提鑽時間一半加上巖心從地面到裝入解吸罐中時間。在計算時，假設氣體擴散速率及環境溫度不變，根據擴散模擬，在解吸作用初期，解吸的總氣量隨時間的平方根成線性變化；因此，將最初幾個小時的發生解吸作用的數據外推至計時起點，利用直線擬合推出散失氣量。

通過這種計算方式求取的頁巖散失氣量數據十分不可靠。巖心在從井筒提至地面過程中，其周圍壓力及溫度都在發生變化，因而其解吸氣量也在發生改變。因此，急需一種快速、有效、準確的頁巖散失氣測試及計算方法。本發明就是針對上述問題給出的一種準確的頁巖散失氣量測試及計算方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種準確獲取頁巖含氣量的測量計算方法及裝置，該測試儀原理簡單，可操作性強，可以根據現場巖石固有頻率測試，指導工程技術人員快速有效地採取相應措施，通過建立起巖石的共振，提高滲透率，增加巖石的微裂隙，微孔隙，達到增產目的。

本發明的目的及解決其主要技術問題是採用以下技術方案來實現的：一種準確獲取頁巖含氣量的測量計算方法，

根據如下計算原理：

通過常規解吸實驗方法能獲取兩個參數：一是解吸氣體總量；二是解吸速率，即不同時間間隔內解吸氣數量；通過計算機，將記錄數據進行差分擬合，可求得氣體解吸速率曲線f(t)，如圖3所示；其中橫坐標t為時間；縱坐標L為解吸速率；T0為巖心發生解吸現象初始時刻；T1為巖心被提至地面時刻；T2為巖心裝入解吸缸時刻；T3為解吸終止時間。T0-T1段為在井筒中發生的損失氣量；T1-T2為巖心在地面至被裝入解吸罐發生損失氣量；T2—T3為實際發生解吸氣量；T3-∞為殘餘氣量；此時，若求得則可準確求得此塊巖心的含氣量；針對上述工作方法，獲得T0，則此段巖心含氣總量即可準確的求得；

所述方法包括以下步驟：

1)、解吸壓力求取

準確地講，T0為巖心發生解吸作用時的初始時刻，但並不是巖心被鑽頭切割取芯的時刻；由於受埋深及其本身物性的影響，每一口井取芯獲得巖心發生解吸時其解吸壓力是不一樣的，只有在巖心環境壓力小於或等於其解吸壓力時，巖心才會發生解吸；

因此，首先要獲取巖心的解吸壓力這一數值；將巖心置入充滿飽和鹽水的、帶有觀察窗口的密閉耐壓容器中，此時通過觀察窗口可以看到巖心發生解吸現象，有很多氣泡從巖心四周呈線性溢出；打開截止閥B通過高壓氣瓶給容器中打入甲烷氣體，隨著容器內壓力逐漸升高，氣泡會越來越少，直至消失；此時，關閉截止閥B，慢慢地打開截止閥A，隨容器內壓力逐漸降低，巖心表面又會有氣泡產生，此時對應壓力傳感器數值,即為此巖心的解吸壓力；針對非常規儲存，一般巖心解吸壓力小於8MPa；

2)、T0求取

在鑽機完成取芯作業時，記錄完成巖心筒的提升初始時刻T0＇；此時由於井筒中充滿了泥漿,泥漿所產生的壓力,高於巖心本身的解吸壓力，阻止巖心發生解吸；一般情況下，探井泥漿比重為1.05左右(清水鑽進,若泥漿比重高則需要換算)，基本上每100米高度泥漿產生1MPa壓力；在取心筒向上提升過程中，當滿足其解吸條件即泥漿產生壓力小於或等於其解吸壓力時，巖心將發生解吸現象，此時巖心距井口高度H為100(假設泥漿比重為1克/立方釐米，實際可換算)乘以解吸壓力值；

記錄取心筒從巖心進筒至提升至地面時間T1及巖心出筒到裝罐時間T2，計算出取心筒或鑽杆的提升速度K,這樣可以準確地求取T0；

T0＝H/K+(T2-T1)，其中，H/K為巖心在井筒中從發生解吸到被提升至地面時間；T2-T1為巖心到地面至被裝入解吸罐時間；T0為損失氣實際發生散逸時間；

3)、散失氣求取

利用如下裝置，在完成解吸壓力測試後，將水浴箱溫度調至模擬100米井深時溫度，關閉截止閥A7，打開截止閥B8，通過高壓氣瓶給解吸罐加壓至壓力傳感器顯示1MPa,關閉截止閥B8，此時巖心發生解吸，通過壓力傳感器測量解吸罐集氣空間內壓力隨時間變化，記錄30分鐘，通過氣體方程PV＝NRT,可以計算出解吸氣體增加的數量，進而計算其在1MPa圍壓下的解吸速率；

依次進行2MPa、3MPa、4MPa、5MPa圍壓下試驗，分別模擬巖心在井筒中距井口200米、300米、400米、500米時，其在不同溫度及壓力下解吸速率；通過對上述數據進行擬合，便可得出巖心在井筒中即T0-T1時間段內解吸速率曲線F(t)，對其積分就是在T0-T1時間段內的散失氣量；

在T1-T2時間段內，由於巖心已被提至地面，其圍壓與溫度都與裝罐後一致，故T1-T2時間段解吸速率曲線可以通過地面解吸試驗得出的f(t)推出；

此時，計算則可準確求得此塊巖心的含氣量。

所述的一種準確獲取頁巖含氣量的測量計算方法所用裝置，包括水浴箱，水浴箱內設解吸罐，解吸罐內注入飽和鹽水，巖心置於飽和鹽水中，解吸罐上設錐形集氣帽，錐形集氣帽內設壓力傳感器；高壓氣瓶通過截止閥A和截止閥B與錐形集氣帽內聯通；水浴箱內還設有溫度傳感器；所述解吸罐上設有觀察窗口；所述壓力傳感器和溫度傳感器與計算機相連。

本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。由以上技術方案可知，本發明有以下特點：

1、能夠準確地計算損失氣量。模擬巖心從井中提至地面，在其環境溫度及圍壓發生變化時，測試並計算此過程巖心發生的解吸氣量與解吸速率，可以準確地擬合出解吸速率曲線F(t)，從而準確地計算散失氣量；原計算都是在一系列假設條件後，通過地面解吸數據反向推斷擬合曲線；

2、引入了解吸壓力及解吸速率的概念，可以求取巖心發生解吸作用時的準確時間，使得此測試方法更準確、可靠；

3、極大地縮短了頁巖含氣量測試時間及費用；

4、改進了解吸罐內部空間設計，增加錐形集氣空間，利用氣體方程準確地計算解吸氣量。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是頁巖氣含氣量測量USBM法的流程圖。

圖3是氣體解吸速率曲線f(t)圖。

圖中標記：1、水浴箱，2、解吸罐，3、飽和鹽水，4、巖心，5、錐形集氣帽，6、壓力傳感器，7、截止閥A，8、截止閥B，9、高壓氣瓶，10、觀察窗口，11、溫度傳感器，12、計算機。

具體實施方式

以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的一種準確獲取頁巖含氣量的測量計算方法具體實施方式、特徵及其功效，詳細說明如後。

參見圖1-3，一種準確獲取頁巖含氣量的測量計算方法，所用裝置，包括水浴箱1，水浴箱1內設解吸罐2，解吸罐2內注入飽和鹽水3，巖心4置於飽和鹽水3中，解吸罐2上設錐形集氣帽5，錐形集氣帽5內設壓力傳感器6；高壓氣瓶通過截止閥A7和截止閥B8與錐形集氣帽5內聯通；水浴箱1內還設有溫度傳感器11；所述解吸罐2上設有觀察窗口10；所述壓力傳感器6和溫度傳感器11與計算機12相連。

根據如下計算原理：

通過常規解吸實驗方法能獲取兩個參數：一是解吸氣體總量；二是解吸速率，即不同時間間隔內解吸氣數量。通過計算機，將記錄數據進行差分擬合，可求得氣體解吸速率曲線f(t)，如圖3所示；其中橫坐標t為時間；縱坐標L為解吸速率。T0為巖心發生解吸現象初始時刻；T1為巖心被提至地面時刻；T2為巖心裝入解吸缸時刻；T3為解吸終止時間。T0-T1段為在井筒中發生的損失氣量；T1-T2為巖心在地面至被裝入解吸罐發生損失氣量；T2—T3為實際發生解吸氣量；T3-∞為殘餘氣量；此時，若求得則可準確求得此塊巖心的含氣量；針對上述工作方法，獲得T0，則此段巖心含氣總量即可準確的求得。

所述方法包括以下步驟：

1)、解吸壓力求取

準確地講，T0為巖心發生解吸作用時的初始時刻，但並不是巖心被鑽頭切割取芯的時刻；由於受埋深及其本身物性的影響，每一口井取芯獲得巖心發生解吸時其解吸條件(解吸壓力)是不一樣的，只有在巖心環境壓力小於或等於其解吸壓力時，巖心才會發生解吸；

因此，首先要獲取巖心的解吸壓力這一數值；將巖心置入充滿飽和鹽水的、帶有觀察窗口的密閉耐壓容器中，此時通過觀察窗口可以看到巖心發生解吸現象，有很多氣泡從巖心四周呈線性溢出；打開截止閥B8通過高壓氣瓶給容器中打入甲烷氣體，隨著容器內壓力逐漸升高，氣泡會越來越少，直至消失；此時，關閉截止閥B8，慢慢地打開截止閥A7，隨容器內壓力逐漸降低，巖心表面又會有氣泡產生，此時對應壓力傳感器數值,即為此巖心的解吸壓力；針對非常規儲存，一般巖心解吸壓力小於8MPa；

2)、T0求取

在鑽機完成取芯作業時，記錄完成巖心筒的提升初始時刻T0＇；此時由於井筒中充滿了泥漿,泥漿所產生的壓力,高於巖心本身的解吸壓力，阻止巖心發生解吸；一般情況下，探井泥漿比重為1.05左右(清水鑽進,若泥漿比重高則需要換算)，基本上每100米高度泥漿產生1MPa壓力；在取心筒向上提升過程中，當滿足其解吸條件即泥漿產生壓力小於或等於其解吸壓力時，巖心將發生解吸現象，此時巖心距井口高度H為100乘以解吸壓力值；

記錄取心筒從巖心進筒至提升至地面時間T1及巖心出筒到裝罐時間T2，計算出取心筒(或鑽杆)的提升速度K,這樣可以準確地求取T0；

T0＝H/K+(T2-T1)，其中，H/K為巖心在井筒中從發生解吸到被提升至地面時間；T2-T1為巖心到地面至被裝入解吸罐時間；T0為損失氣實際發生散逸時間；

3)、散失氣求取

利用圖1所示裝置，在完成解吸壓力測試後，將水浴箱溫度調至模擬100米井深時溫度，關閉截止閥A7，打開截止閥B8，通過高壓氣瓶給解吸罐加壓至壓力傳感器顯示1MPa,關閉截止閥B8，此時巖心發生解吸，通過壓力傳感器測量解吸罐集氣空間內壓力隨時間變化，記錄30分鐘，通過氣體方程PV＝NRT,可以計算出解吸氣體增加的數量，進而計算其在1MPa圍壓下的解吸速率；

依次進行2MPa、3MPa、4MPa、5MPa圍壓下試驗，分別模擬巖心在井筒中距井口200米、300米、400米、500米時，其在不同溫度及壓力下解吸速率。通過對上述數據進行擬合，便可得出巖心在井筒中即T0-T1時間段內解吸速率曲線F(t)，對其積分就是在T0-T1時間段內的散失氣量；

在T1-T2時間段內，由於巖心已被提至地面，其圍壓與溫度都與裝罐後一致，故T1-T2時間段解吸速率曲線可以通過地面解吸試驗得出的f(t)推出；

此時，計算則可準確求得此塊巖心的含氣量。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對發明型作任何形式上的限制，任何未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。