CN104863579B - 一种损失气量测定方法及损失气量测定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种损失气量测定方法，所述方法为：首先在相同条件下，对同一岩芯样品进行等时间间隔的重复取样，对各次取样样品进行含气量测定，再根据气体逸散速率与时间的变化关系，通过“t”函数算法对岩芯样品的损失气量进行求解。本发明还公开了一种损失气量测定系统，该系统采用了快速稳定的夹持器和具有多个加热解吸部分的加热解吸装置，对同一岩芯样品在相同条件下进行等时间间隔重复取样及测试，再利用数据处理装置自动计算该岩芯样品的损失气量，保证了损失气量获取的可靠性和精确性，适用于不同岩性、不同钻井型号、不同岩芯直径的损失气量直接测量。本发明具有操作简单、测定快速、准确的特点，适合于室内外作业。

Description

一种损失气量测定方法及损失气量测定系统

技术领域

本发明涉及地层含气量测定技术领域，特别是涉及一种损失气量测定方法及损失气量测定系统。

背景技术

地层含气量是计算地层原地气量的关键参数，对含气性评价、资源储量预测具有重要的意义。而准确获取损失气量又是决定地层含气量可靠性的关键。解吸法中地层含气量由解吸气量、损失气量和残余气量三部分组成。其中损失气量是地层总含气量中不可或缺的重要组成部分，是指钻头钻遇岩层到岩芯从井口取出装入解吸罐之前释放出的气体总量。目前无法直接测定地层的损失气量，一般采用类比法、线性回推估算法及专家赋值法获得。但现有方法主要存在以下问题：1.由于缺乏理论研究，目前没有对损失气进行直接测定的方法，只能凭经验进行估计、按比例进行估算或采用二次取芯方法进行时间逼近法推算，导致损失气量赋值随机性较强，数值缺乏可比性。2.目前的损失气量测定均是基于煤层气的物理脱吸附理论假设，对于不完全符合这一假设的页岩气和致密砂岩气等，损失气量的获取缺乏可靠性。3.直线回推法对损失气量的假设是基于完全扩散方程早期时间的近似假设，即扩散速率与时间平方根成线性相关。该方法以自然解吸过程中扩散速率恒定的假设，但实际解吸过程中扩散速率是随时间而变化的函数，致使与实际存在较大误差。并且目前尚没有专门用于测定损失气量的仪器。

由此可见，上述现有的损失气量估算法显然仍存在有不足，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种简单、可靠、精确的损失气量测定方法及损失气量测定系统，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种简单、可靠、精确的损失气量测定方法，使其克服现有的损失气量估计法的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种损失气量测定方法，所述测定方法的步骤包括：

(1)获取参数值：在相同条件下，对同一岩芯样品进行等时间间隔的重复取样，对各次取样样品进行含气量测定，记录各取样样品的含气量值；

(2)求解损失气量：根据步骤(1)获得的所述取样样品含气量值和公式：和计算单位岩芯样品的损失气量值，其中，q1、q2、q3分别为第一、第二、第三取样样品的含气量，t为时间，Q为损失气量值，Δq为同等时间间隔条件下含气量的差值，Δt为取样时间间隔值，m为岩芯样品的质量。

进一步改进，所述重复取样样品的取样方法为在同一岩芯样品的相同横截面上依次取样。

此外，本发明还提供了一种快速、精确的测定岩芯样品损失气量的损失气量测定系统，使其克服现有的损失气量测定的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种损失气量测定系统，包括复式取芯装置和损失气量测定装置，所述复式取芯装置包括样品夹持器和与其配合使用的取芯钻机，所述损失气量测定装置包括加热解吸装置、集气装置、数据采集装置及处理装置，所述加热解吸装置用于加热解吸所述取芯钻机所取的取样样品，其解吸气体被集气装置收集，数据采集装置采集集气装置收集到的解吸气体数据并传送至数据处理装置。

进一步改进，所述样品夹持器包括支撑平台和位于支撑平台上的两个相对设置的固定垛，所述固定垛至少有一个为可活动固定垛，所述可活动固定垛还连接有固定垛调节机构，所述两个固定垛相对立面均设置为凹面，所述取芯钻机的支撑杆固定在所述支撑平台上，其钻头设置在所述两个固定垛之间区域的上方。

进一步改进，所述固定垛调节机构包括调节螺杆、旋转手柄和咬合虎口，所述调节螺杆的一端与所述可活动固定垛连接，另一端与旋转手柄连接，其中部穿过咬合虎口的咬合孔，所述咬合虎口固定在支撑平台上，其咬合孔为可开合式，且咬合孔的内壁上设有与调节螺杆配合的螺纹。

进一步改进，所述样品夹持器的两个固定垛均为可活动式，所述两个可活动固定垛的外侧分别连接两个对称设置的固定垛调节机构。

进一步改进，所述加热解吸装置包括加热解吸部分和电控部分，所述加热解吸部分包括用于容纳被测取样样品的解吸罐和用于容纳解吸罐的加热装置，所述电控部分包括可编程温控元件。

进一步改进，所述加热装置包括加热槽体和位于其内部的加热元件，所述解吸罐包括腔体和与其密封连接的顶盖，所述解吸罐腔体的外壁与所述加热槽体的内壁紧密接触，所述解吸罐顶盖上开设有出气孔，该出气孔与集气装置连接。

进一步改进，所述加热槽体中的介质为水、油或空气中的一种，所述加热槽体上部开设有压力平衡孔和与其配合的压力平衡孔盖。

进一步改进，所述加热解吸装置包括多个相互分隔的加热解吸部分和与其相对应的电控部分。

采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：

1.本发明损失气量测定方法基于气体逸散速率与时间的变化关系，提出并建立了“t”函数，形成了损失气量直接测量的理论基础，并采用复式取芯法对同一样品在相同条件下进行等时间间隔重复取样并测试，采用“t”函数算法进行求解，保证了损失气量获取的可靠性和精确性。

2.本发明损失气量测定系统采用快速稳定的夹持器和具有多个加热解吸部分的加热解吸装置，对同一岩芯样品在相同条件下进行等时间间隔重复取样及测试，再利用数据处理装置自动计算该岩芯样品的损失气量，保证损失气量获取的可靠性和精确性，适用于不同岩性、不同钻井型号、不同岩芯直径的损失气量直接测量，可满足7000米钻井深度要求。

3.本发明损失气量测定系统具有携带方便、操作简单、测定快速、准确、且体积小、功能多等适合室内外作业的优点。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明中样品夹持器夹持样品的俯视示意图；

图2是本发明中样品夹持器夹持样品的主视示意图；

图3是本发明中含气量测定的原理示意图；

图4是本发明中加热解吸装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明基于目前的技术现状和实际需求，提出了损失气量获取的直接测量思路，建立了损失气量直接测定的方法，发明了损失气量直接测量仪器，保证了损失气量获取的可靠性和精确性，可用于煤岩、页岩、致密砂岩等地层损失气量的高精度准确获取，为天然气勘探和开发提供了重要的评价参数。

本发明利用气体逸散总量与温度、压力和时间的关系，在理论上提出并建立了基于参数递变条件下损失气量与时间的“t”函数关系，假设岩芯解吸气量q是温度T、压力P、时间t及其他因素x的函数，即q＝f(T,P,t,x)(式1)，同等时间间隔条件下解吸气量的差值Δq按一定规律变化，且与时间有关，即(式2)，则损失气量Q可由“t”函数，即(式3)获得，所以本发明可通过直接测量和计算的方式对损失气量进行获取。

本发明损失气量测定方法的测定步骤如下：

1、获取参数值：在相同条件下，对同一地层深度的岩芯样品进行等时间间隔的重复取样，对各次取样样品中含气量q进行测定，记录各取样样品的含气量测定值；

2、求解损失气量：根据步骤1获得的取样样品含气量测定值和下述公式计算单位岩芯样品的损失气量值，

q＝f(T,P,t,x) (式1)

(式2)

(式3)

其中，q为各取样样品的含气量，q1、q2、q3分别为第一、第二、第三取样样品的含气量，T为温度、P为压力、t为时间、x为其他因素，Q为损失气量值，Δq为同等时间间隔条件下含气量的差值，Δt为取样时间间隔值，m为岩芯样品的质量。

上述步骤中，尽量缩短固定岩芯样品、钻取小岩芯及被放入含气测定仪的时间，以提高结果的精确性。且采用自动记录含气量值和程序算法，直接获得损失气量结果。

为了实现上述测定方法，本发明还提供一种损失气量测定系统，主要包括复式取芯装置和损失气量测定装置。

复式取芯装置包括样品夹持器和与其配合使用的取芯钻机。

参照附图1和2可见，样品夹持器包括支撑平台1、固定垛2、咬合虎口3、调节螺杆4、旋转手柄5，其中固定垛2、咬合虎口3、调节螺杆4和旋转手柄5均有两个，且均设置在支撑平台1上。支撑平台1优选铁架台。

两个固定垛2相对设置，其相对立面均设置为凹面，即两个固定垛2在夹持住样品6时，与夹持样品6的外表面为多点式接触，优选为半圆形设置。该固定垛2采用上述包裹式设计，可有效防止在夹持过程中对夹持样品6造成的“伤害”，特别是对于易碎或脆性较强的煤和页岩样品的破坏，起到了防滑和防破碎的作用，更好地保护了样品的完整性和保证实验的精度。

固定垛2的外侧固定连接调节螺杆4的一端，调节螺杆4的另一端与旋转手柄5连接，且调节螺杆4的中部穿过咬合虎口3的咬合孔。咬合虎口3的咬合孔为可开合式，其咬合孔内壁上设有与螺杆配合的螺纹。两个固定垛2相对设置，两个咬合虎口3分别设置在支撑平台1上的两端。即咬合虎口3、调节螺杆4和旋转手柄5组合成固定垛调节机构对固定垛2进行宏微观位置双侧调节。

当然，上述两个固定垛中一个固定垛可为固定状态，即与支撑平台1为固定连接，只有一个固定垛为可活动式，该可活动固定垛与一个固定垛调节机构连接，进行可活动固定垛的单侧调节。

本发明样品夹持器在夹持样品6时，将样品6放于支撑平台1上的两个固定垛2之间，先打开咬合虎口3的卡扣，根据夹持样品6的需要直接通过推进调节螺杆4对固定垛的位置进行宏观调节，使两个固定垛2夹住样品6，然后关闭咬合虎口3的卡扣，通过旋转手柄5的旋转，调节螺杆4与咬合孔内壁的螺纹配合，实现固定垛2与夹持样品6的微调，使该夹持器稳固的夹住样品6。

取芯钻机的支撑杆可固定在样品夹持器的支撑平台1上，其钻头设置在夹持器两个固定垛之间区域的上方，形成复式取芯装置。本发明样品夹持器与取芯钻机配合使用，可快速夹持固定各种直径的岩芯，方便钻机在岩芯横截面上选取多点进行多次取芯，对辅助测定岩芯损失气量有着重要的意义。

本发明样品夹持器利用多触点接触方式，通过握式夹持对岩芯样品进行快速稳定夹持，尽量增加夹持器与岩芯的外表接触面积，在均匀实施围压条件下进行岩芯钻取，以达到最佳取芯率，特别适用于易碎或脆性较强的煤和页岩样品。并通过螺纹与螺杆卡扣结合，实现螺杆推进与螺纹推进之间的快速调节，可对石油钻井和矿产/地质钻井所有直径岩芯(38-120mm)进行快速夹持。

参照附图3和4可见，损失气量测定装置包括加热解吸装置11、集气装置21、数据采集装置29及处理装置210。

加热解吸装置11包括加热解吸部分12和电控部分，加热解吸部分12包括用于容纳被测取样样品(小岩芯样品)的解吸罐、用于容纳解吸罐并为其提供热量的加热装置。

加热装置主要由加热槽体27和加热元件26组成，加热槽体27可以是水浴、油浴或空气浴的槽体，其槽体27内设有加热元件26，加热元件26为电加热元件。根据加热方式及效果，可实现对不同岩性、深度和要求的样品进行含气量测定。加热槽体27的内壁与植入式解吸罐腔体25外壁紧密接触，通过加热元件26对加热槽体27中介质加热，再通过接触式传导方式对解吸罐进行充分而全面的加热，完成加热解吸过程。另外，为了保护加热槽体27工作的稳定性和实验的安全性，加热槽体27上部开设有压力平衡孔110和与其配合的压力平衡孔盖。

解吸罐包括腔体25和顶盖24，腔体25和顶盖24可采用螺旋式的密封方式，可对所取小岩芯样品进行快速完全密封。即将复式取芯装置所钻取的小岩芯样品连同取芯钻头一起放入解吸罐中进行测试，并以最短的时间完成装样和密封过程，最大限度地减少了气体的逸散。解吸罐的顶盖24上开设有出气孔，该出气孔处通过多功能连接阀22(如单向阀)与集气装置21快速连接。该植入式解吸罐规格较小，可满足石油钻井、固体矿产钻井等各种钻井类型的所有岩芯。

电控部分主要是对整个加热解吸过程进行控制，包括具有可编程温控元件的温控仪13和操作与指示单元，其中可编程温控元件可根据实验要求对加热时间及温度进行设定和控制，使实验条件更加符合地质实际情况。操作与指示单元包括电源总开关14、工作指示表15、加热开关16、指示灯17、保护开关111以及与外部电源连接的电源接口19。

由于损失气量的测定需要在不同时间点对小岩芯样品进行测定，为了利于不同小岩芯样品在相同的条件下及时得到测定，加热解吸装置11包括多个加热解吸部分和与其相对应的电控部分，如包括三个相互分隔、独立但功能、结构及作用相同的加热解吸部分，该三个加热解吸部分分别用于对三个等时间间隔所取小岩芯样品的含气量测定。另外，为了利于携带或对箱体内各元器件的保护，加热解吸装置11上还设置有盖体18。

参照附图3可见，集气装置21包括用于平衡集气杯中气液压力的压力平衡调节器23、集气杯和灵敏计量元件28，灵敏计量元件28对集气杯收集的解吸气量进行自动采集，再通过传输线与数据采集装置29连接，可对解吸气量进行实时采集和自动记录。数据采集装置29与数据处理器210连接，通过数据分析模块和软件完成损失气量智能求取。

本发明损失气量测定系统的具体操作方法如下：

1.接通电源，自加热解吸装置11中取出解吸罐25，打开顶盖24备用。

2.样品夹持器将钻井岩芯样品快速稳定夹持后，利用取芯钻机在岩芯样品横截面上快速钻取小岩芯。

3.将钻取的小岩芯连同取芯钻头一起立即掷入第一个解吸罐25后，立即密封，将解吸罐顶盖24朝上竖直放入第一个加热槽体27中。

4.将解吸罐25与集气装置21快速连接，并依次连接好数据采集模块29和数据处理器210，利用高温实验箱11上的温控仪13和加热元件26将解吸罐25加热到所需温度，数据采集模块29开始工作并将数据传输给数据处理器210。

5.在特定的时间调整被夹持岩芯样品，在岩芯样品横截面上依次重复钻取小岩芯，并重复上述步骤3和4的测试过程，不同之处在于将小岩芯放入第二个解吸罐中并进行数据采集。

6.在相同的时间间隔后，再次重复上述步骤5的取样和测试过程，不同之处在于将小岩芯放入第三个解吸罐中并进行数据采集。

7.不同小岩芯样品含气量测试结束后，关闭电源，数据处理器210根据数据采集模块29传送的数据，利用“t”函数计算单位岩芯样品的损失气量。

本发明损失气量测定方法基于气体逸散速率与时间的变化关系，利用“t”函数，可对地层岩芯样品的损失气量进行直接测定。

本发明损失气量测定系统采用快速稳定的夹持器和具有多个加热解吸部分的加热解吸装置，对同一岩芯样品在相同条件下进行等时间间隔重复取样及测试，再利用“t”函数计算该岩芯样品的损失气量，保证了损失气量获取的可靠性和精确性，适用于不同岩性、不同钻井型号、不同岩芯直径的损失气量直接测量，可满足7000米钻井深度要求。

本发明采用油浴、水浴或干热等多种工作方式，不仅加热速度快、温控能力强，同时可满足不同地质、工程和运输等功能条件的需求，可用于煤岩、页岩、灰岩、致密砂岩等不同岩性地层损失气量的准确获取。

本发明实现了损失气量测定的自动化，采用数据采集、记录和计算一体化设计，达到实验数据智能分析的目的。

本发明具有计量精度高、测量速度快、兼容性强、仪器体积小、携带机动性强、操作简单、适合室内外操作等特点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种损失气量测定方法，其特征在于，所述测定方法的步骤包括：

(1)获取参数值：在相同条件下，对同一岩芯样品进行等时间间隔的重复取样，对各次取样样品进行含气量测定，记录各取样样品的含气量值；

(2)求解损失气量：根据步骤(1)获得的所述取样样品含气量值和公式：和计算单位岩芯样品的损失气量值，其中，q1、q2、q3分别为第一、二、三次取样样品的含气量，t为时间，Q为损失气量值，Δq为同等时间间隔条件下含气量的差值，Δt为取样时间间隔值，m为岩芯样品的质量。

2.根据权利要求1所述的损失气量测定方法，其特征在于，所述重复取样样品的取样方法为在同一岩芯样品的相同横截面上依次取样。

3.一种应用权利要求1或2所述的损失气量测定方法的损失气量测定系统，其特征在于，包括复式取芯装置和损失气量测定装置，所述复式取芯装置包括样品夹持器和与其配合使用的取芯钻机，所述复式取芯装置用于在相同条件下，对同一岩芯样品进行等时间间隔的重复取样；

所述损失气量测定装置包括加热解吸装置、集气装置、数据采集装置及处理装置，所述加热解吸装置用于加热解吸所述取芯钻机所取的取样样品，其解吸气体被集气装置收集，数据采集装置采集集气装置收集到的解吸气体数据并传送至数据处理装置，所述损失气量测定装置用于对所述复式取芯装置重复取得的各次取样样品进行含气量测定，记录各取样样品的含气量值。

4.根据权利要求3所述的损失气量测定系统，其特征在于，所述样品夹持器包括支撑平台和位于支撑平台上的两个相对设置的固定垛，所述固定垛至少有一个为可活动固定垛，所述可活动固定垛还连接有固定垛调节机构，所述两个固定垛相对立面均设置为凹面，所述取芯钻机的支撑杆固定在所述支撑平台上，其钻头设置在所述两个固定垛之间区域的上方。

5.根据权利要求4所述的损失气量测定系统，其特征在于，所述固定垛调节机构包括调节螺杆、旋转手柄和咬合虎口，所述调节螺杆的一端与所述可活动固定垛连接，另一端与旋转手柄连接，其中部穿过咬合虎口的咬合孔，所述咬合虎口固定在支撑平台上，其咬合孔为可开合式，且咬合孔的内壁上设有与调节螺杆配合的螺纹。

6.根据权利要求4或5所述的损失气量测定系统，其特征在于，所述样品夹持器的两个固定垛均为可活动式，所述两个可活动固定垛的外侧分别连接两个对称设置的固定垛调节机构。

7.根据权利要求3所述的损失气量测定系统，其特征在于，所述加热解吸装置包括加热解吸部分和电控部分，所述加热解吸部分包括用于容纳被测取样样品的解吸罐和用于容纳解吸罐的加热装置，所述电控部分包括可编程温控元件。

8.根据权利要求7所述的损失气量测定系统，其特征在于，所述加热装置包括加热槽体和位于其内部的加热元件，所述解吸罐包括腔体和与其密封连接的顶盖，所述解吸罐腔体的外壁与所述加热槽体的内壁紧密接触，所述解吸罐顶盖上开设有出气孔，该出气孔与集气装置连接。

9.根据权利要求8所述的损失气量测定系统，其特征在于，所述加热槽体中的介质为水、油或空气中的一种，所述加热槽体上部开设有压力平衡孔和与其配合的压力平衡孔盖。

10.根据权利要求7至9任一项所述的损失气量测定系统，其特征在于，所述加热解吸装置包括多个相互分隔的加热解吸部分和与其相对应的电控部分。