CN107345890B - 一种页岩气吸附解吸/开采模拟实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种页岩气吸附解吸/开采模拟实验装置及方法，该装置包括：参考缸、样品缸、恒温箱、活塞式中间容器、阀门和高精度柱塞泵、数据采集系统、阀门、压力传感器和压力传感器。定压开采方法包括：实验前处理；将高精度柱塞泵设置为恒压模式，并将泵压设置为实验压力值，退泵时，实时采集高精度柱塞泵数据；样品缸压力值达到泵设置实验压力值且平衡时，记录压力P’；进行多个压力点平衡试验。定产开采方法包括：实验前处理；将高精度柱塞泵设置为恒流模式，并在泵中设置产气实验流速，实时采集样品缸压力P’和泵的数据；当样品缸压力降低到实验设定值时停泵；进行多个产气流速模拟试验。该装置和方法保证了开采模拟测试结果的可靠性。

Description

一种页岩气吸附解吸/开采模拟实验装置及方法
技术领域
本发明涉及天然气开采领域，更具体地，涉及一种页岩气藏吸附解吸/开采模拟实验装置及其方法。
背景技术
目前我国页岩气勘探开发处于起步阶段，室内实验研究多以岩石学分析、地化分析、含气性分析等为主，开发物理模拟研究集中在物性参数测定、孔隙结构特征、吸附实验以及渗流特征等方面，而对页岩气藏模拟开采机理、不同工作制度下生产动态模拟的研究较少。专利文件CN103994960A公开了一种煤/页岩等温吸附实验方法，提出了等温吸附实验新的测量方法，可有效减少注气次数，缩短吸附实验时间。上述现有研究的实验装置通常只能开展等温吸附实验。
专利文件CN102944666A公开了一种页岩气藏开采模拟实验装置，虽然可以利用该实验装置进行大尺度页岩岩心的吸附/解析实验，研究在大尺度页岩岩心在不同条件下的气体吸附/解吸规律，并且可同时开展吸附解吸及开采模拟实验，但是其产气计量方法在高温高压下的计量精度较低，而开采模拟实验中高温高压下生产压力以及流量的控制和计量是开采技术的关键，同时该专利文件的技术方案无法实现定产模式下的开采模拟实验。
还有一些专利文件公开的开采模拟实验所用装置中通过回流阀实现回压控制，长时间使用之后其控制精度降低，也不能实现高温高压下产气量的准确计量，保证不了开采模拟测试结果的可靠性。另外，现有的开采模拟实验所用装置不能够在定压/定产两种工作制度下开展开采模拟实验。那么，设计一种可同时进行等温吸附解吸及开采模拟实验等两项实验，并能够在定压/定产两种工作制度下开展开采模拟实验就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种页岩气藏吸附解吸/开采模拟实验装置及其方法，该装置可同时进行等温吸附解吸及开采模拟实验等两项实验，并能够在定压/定产两种工作制度下开展开采模拟实验；通过回压控制/产量计量系统实现回压精确控制及高温高压下产气量的准确计量，保证了开采模拟测试结果的可靠性；通过该开采模拟实验方法，可实现在模拟储层条件下对定压、定产等不同工作制度下的页岩气的产气规律进行研究，对于页岩气的产气特征研究具有重要价值。
为了实现上述目的，本发明提供一种页岩气吸附解吸/开采模拟实验装置，该实验装置包括：
参考缸4、样品缸5、恒温箱11、回压控制/产量计量系统、数据采集系统12、阀门1、阀门3、阀门8、压力传感器2和压力传感器7；
所述回压控制/产量计量系统包括依次连接的活塞式中间容器6、阀门9和高精度柱塞泵10；
参考缸4、样品缸5、活塞式中间容器6和高精度柱塞泵10依次相连，参考缸4、样品缸5和高精度柱塞泵10分别与数据采集系统12相连；阀门1位于参考缸4和样品缸5之间，阀门8位于样品缸5和活塞式中间容器6之间；压力传感器2位于参考缸4和数据采集系统12之间，压力传感器7位于样品缸5和数据采集系统12之间。
根据本发明提供的实验装置，优选地，阀门3与参考缸4相连接。
为了实现上述目的，本发明还提供一种页岩开采模拟实验方法，该方法包括：
A、吸附实验结束后，开展定压开采模拟实验：
1)实验前对样品进行体积V样、质量m计量，对样品缸5体积和缸体到阀门8之间管线体积的体积之和V下进行标定，设定恒温箱11的温度T为实验温度；
2)关闭阀门1，打开阀门8；
3)待到样品缸5、活塞式中间容器6和管线形成的系统压力稳定后，通过压力传感器7记录初始压力P，关闭阀门8；
4)将高精度柱塞泵10设置为恒压模式，并将泵压设置为第一个实验压力值，此时开始退泵，系统压力稳定后，将高精度柱塞泵10的累计产气体积清零；
5)打开阀门8，继续退泵，数据采集系统12实时采集高精度柱塞泵10的泵压、退泵体积V泵、产气流速及累计产气体积；
6)当压力传感器7显示的压力值达到高精度柱塞泵10设置的第一个实验压力值且平衡时，记录该压力P’，关闭阀门8，进行第二个压力点平衡试验，重复4)～5)步骤，进行多个压力点平衡试验，直至最后一个压力点平衡试验结束；
B、数据处理：
Figure BDA0000983478480000031
V死＝V下-V样 式2；
Figure BDA0000983478480000032
式中：
n-产气摩尔数，mol； P’-平衡压力，MPa；
V泵-退泵体积，cm3； Z’-平衡压力下气体压缩系数；
T-实验温度，K； P-初始压力，MPa；
Z-初始压力下气体压缩系数； V死-样品缸死体积，cm3；
V下-样品缸空间体积，cm3； V样-样品表观体积，cm3；
V-标准状态下产气量，cm3/g； m-样品质量，g。
为了实现上述目的，本发明还提供一种页岩开采模拟实验方法，该方法包括：
A、吸附实验结束后，开展定产开采模拟实验：
1)实验前保证活塞式中间容器6的活塞处于顶部；对样品进行体积V样、质量m计量，对样品缸5及其所连管线的体积和活塞式中间容器6中活塞上端空间体积的体积之和V下进行标定，设定恒温箱11的温度T为实验温度；
2)关闭阀门1，打开阀门8；
3)待到样品缸5、活塞式中间容器6和管线形成的系统压力稳定后，通过压力传感器7记录初始压力P，将高精度柱塞泵10的累计产气体积清零；
4)将高精度柱塞泵10设置为恒流模式，并在高精度柱塞泵10中设置第一个产气实验流速，通过数据采集系统12实时采集样品缸5的压力P’和高精度柱塞泵10的泵压、退泵体积V泵、产气流速及累计产气体积；
5)当样品缸5的压力降低到实验设定值时停泵，通过高精度柱塞泵10将活塞式中间容器6的活塞推到顶部，直到样品缸5、活塞式中间容器6和管线形成的系统压力平衡稳定；
6)进行第二个产气流速的定产模拟试验，重复4)～5)步骤，直至最后一个实验产气流速的试验结束；
B、数据处理：
Figure BDA0000983478480000041
V死＝V下-V样 式2；
Figure BDA0000983478480000042
式中：
n-产气摩尔数，mol； P’-平衡压力，MPa；
V泵-退泵体积，cm3； Z’-平衡压力下气体压缩系数；
T-实验温度，K； P-初始压力，MPa；
Z-初始压力下气体压缩系数； V死-样品缸死体积，cm3；
V下-样品缸空间体积，cm3； V样-样品表观体积，cm3；
V-标准状态下产气量，cm3/g； m-样品质量，g。
根据本发明提供的实验方法，优选地，定压开采模拟实验的步骤6)中，重复4)～5)步骤，自高而低逐个进行多个压力点平衡试验。
根据本发明提供的实验方法，优选地，所述高精度柱塞泵10具有恒压模式和恒流模式。
根据本发明提供的实验方法，优选地，定产开采模拟实验的步骤5)中，通过高精度柱塞泵10采用恒压模式将活塞式中间容器6的活塞推到顶部。
根据本发明提供的实验装置，可进行等温吸附解吸实验，其实验步骤及其数据处理过程参见《Q/SH 0511-2013页岩等温吸附-解吸曲线测定方法》。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所用实验装置通过活塞式中间容器、阀门和高精度柱塞泵组成的回压控制/产量计量系统可实现高温高压下产气量的准确计量，保证了开采模拟测试结果的可靠性；
(2)本发明所用实验装置可同时进行等温吸附解吸及开采模拟实验等两项实验，并能够在定压/定产两种工作制度下开展开采模拟实验，节约了装置投入成本；
(3)本发明的开采模拟实验方法可实现在模拟储层条件下对定压、定产等不同工作制度下的页岩气的产气规律进行研究，对于页岩气的产气特征研究具有重要价值。
附图说明
图1示出了页岩气吸附解吸/开采模拟实验装置示意图。
上述图中标号说明如下：
1-阀门；2-压力传感器；3-阀门；4-参考缸；5-样品缸；6-活塞式中间容器；7-压力传感器；8-阀门；9-阀门；10-高精度柱塞泵；11-恒温箱；12-数据采集系统。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
本发明以下实施例采用如图1所示的页岩气吸附解吸/开采模拟实验装置，该实验装置包括：
参考缸4、样品缸5、恒温箱11、回压控制/产量计量系统、数据采集系统12、阀门1、阀门3、阀门8、压力传感器2和压力传感器7；
所述回压控制/产量计量系统包括依次连接的活塞式中间容器6、阀门9和高精度柱塞泵10；
参考缸4、样品缸5、活塞式中间容器6和高精度柱塞泵10依次相连，参考缸4、样品缸5和高精度柱塞泵10分别与数据采集系统12相连；阀门1位于参考缸4和样品缸5之间，阀门8位于样品缸5和活塞式中间容器6之间；压力传感器2位于参考缸4和数据采集系统12之间，压力传感器7位于样品缸5和数据采集系统12之间。阀门3与参考缸4相连接。
实施例1
一种页岩开采模拟实验方法，该方法包括：
A、吸附实验结束后，开展定压开采模拟实验：
1)实验前对样品进行体积V样、质量m计量，对样品缸5体积和缸体到阀门8之间管线体积的体积之和V下进行标定，设定恒温箱11的温度T为实验温度；
2)关闭阀门1，打开阀门8；
3)待到样品缸5、活塞式中间容器6和管线形成的系统压力稳定后，通过压力传感器7记录初始压力P，关闭阀门8；
4)将高精度柱塞泵10设置为恒压模式，并将泵压设置为第一个实验压力值，此时开始退泵，系统压力稳定后，将高精度柱塞泵10的累计产气体积清零；
5)打开阀门8，继续退泵，数据采集系统12实时采集高精度柱塞泵10的泵压、退泵体积V泵、产气流速及累计产气体积；
6)当压力传感器7显示的压力值达到高精度柱塞泵10设置的第一个实验压力值且平衡时，记录该压力P’，关闭阀门8，进行第二个压力点平衡试验，重复4)～5)步骤，自高而低逐个进行多个压力点平衡试验，直至最后一个压力点平衡试验结束；
B、数据处理：
Figure BDA0000983478480000071
V死＝V下-V样 式2；
Figure BDA0000983478480000072
式中：
n-产气摩尔数，mol； P’-平衡压力，MPa；
V泵-退泵体积，cm3； Z’-平衡压力下气体压缩系数；
T-实验温度，K； P-初始压力，MPa；
Z-初始压力下气体压缩系数； V死-样品缸死体积，cm3；
V下-样品缸空间体积，cm3； V样-样品表观体积，cm3；
V-标准状态下产气量，cm3/g； m-样品质量，g。
实施例2
一种页岩开采模拟实验方法，该方法包括：
A、吸附实验结束后，开展定产开采模拟实验：
1)实验前保证活塞式中间容器6的活塞处于顶部；对样品进行体积V样、质量m计量，对样品缸5及其所连管线的体积和活塞式中间容器6中活塞上端空间体积的体积之和V下进行标定，设定恒温箱11的温度T为实验温度；
2)关闭阀门1，打开阀门8；
3)待到样品缸5、活塞式中间容器6和管线形成的系统压力稳定后，通过压力传感器7记录初始压力P，将高精度柱塞泵10的累计产气体积清零；
4)将高精度柱塞泵10设置为恒流模式，并在高精度柱塞泵10中设置第一个产气实验流速，通过数据采集系统12实时采集样品缸5的压力P’和高精度柱塞泵10的泵压、退泵体积V泵、产气流速及累计产气体积；
5)当样品缸5的压力降低到实验设定值时停泵，通过高精度柱塞泵10采用恒压模式将活塞式中间容器6的活塞推到顶部，直到样品缸5、活塞式中间容器6和管线形成的系统压力平衡稳定；
6)进行第二个产气流速的定产模拟试验，重复4)～5)步骤，直至最后一个实验产气流速的试验结束；
B、数据处理：
Figure BDA0000983478480000081
V死＝V下-V样 式2；
Figure BDA0000983478480000082
式中：
n-产气摩尔数，mol； P’-平衡压力，MPa；
V泵-退泵体积，cm3； Z’-平衡压力下气体压缩系数；
T-实验温度，K； P-初始压力，MPa；
Z-初始压力下气体压缩系数； V死-样品缸死体积，cm3；
V下-样品缸空间体积，cm3； V样-样品表观体积，cm3；
V-标准状态下产气量，cm3/g； m-样品质量，g。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种页岩开采模拟实验方法，利用一种页岩气吸附解吸/开采模拟实验装置，所述的实验装置包括，参考缸(4)、样品缸(5)、活塞式中间容器(6)和高精度柱塞泵(10)；其中参考缸(4)、样品缸(5)和高精度柱塞泵(10)分别与数据采集系统(12)相连；设置于参考缸(4)和样品缸(5)之间的第一阀门(1)；与参考缸(4)连接的第二阀门(3)，设置于样品缸(5)和活塞式中间容器(6)之间的第三阀门(8)；设置于参考缸(4)和数据采集系统(12)之间的第一压力传感器(2)，设置于样品缸(5)和数据采集系统(12)之间的第二压力传感器(7)，其中活塞式中间容器(6)、第四阀门(9)和高精度柱塞泵(10)构成实验装置的回压控制/产量计量系统，其特征在于，该方法包括：
A、吸附实验结束后，开展定压开采模拟实验：
1)实验前对样品进行体积V样、质量m计量，对样品缸(5)体积和缸体到第三阀门(8)之间管线体积的体积之和V下进行标定，设定恒温箱(11)的温度T为实验温度；
2)关闭第一阀门(1)，打开第三阀门(8)；
3)待到样品缸(5)、活塞式中间容器(6)和管线形成的系统压力稳定后，通过第二压力传感器(7)记录初始压力P，关闭第三阀门(8)；
4)将高精度柱塞泵(10)设置为恒压模式，并将泵压设置为第一个实验压力值，此时开始退泵，系统压力稳定后，将高精度柱塞泵(10)的累计产气体积清零；
5)打开第三阀门(8)，继续退泵，数据采集系统(12)实时采集高精度柱塞泵(10)的泵压、退泵体积V泵、产气流速及累计产气体积；
6)当第二压力传感器(7)显示的压力值达到高精度柱塞泵(10)设置的第一个实验压力值且平衡时，记录该压力P’，关闭第三阀门(8)，进行第二个压力点平衡试验，重复4)～5)步骤，进行多个压力点平衡试验，直至最后一个压力点平衡试验结束；
B、数据处理：
Figure FDA0002160779690000021
V死＝V下-V样式2；
Figure FDA0002160779690000022
式中：
n-产气摩尔数，mol； P’-平衡压力，MPa；
V泵-退泵体积，cm3； Z’-平衡压力下气体压缩系数；
T-实验温度，K； P-初始压力，MPa；
Z-初始压力下气体压缩系数； V死-样品缸死体积，cm3；
V下-样品缸空间体积，cm3； V样-样品表观体积，cm3；
V-标准状态下产气量，cm3/g； m-样品质量，g。
2.根据权利要求1所述的实验方法，其中，所述高精度柱塞泵(10)具有恒压模式和恒流模式。
3.根据权利要求1所述的实验方法，其中，定压开采模拟实验的步骤6)中，重复4)～5)步骤，自高而低逐个进行多个压力点平衡试验。
4.根据权利要求1所述的实验方法，其中，所述第二阀门(3)与参考缸(4)相连接。
5.一种页岩开采模拟实验方法，利用一种页岩气吸附解吸/开采模拟实验装置，所述的实验装置包括，参考缸(4)、样品缸(5)、活塞式中间容器(6)和高精度柱塞泵(10)；其中参考缸(4)、样品缸(5)和高精度柱塞泵(10)分别与数据采集系统(12)相连；设置于参考缸(4)和样品缸(5)之间的第一阀门(1)；与参考缸(4)连接的第二阀门(3)，设置于样品缸(5)和活塞式中间容器(6)之间的第三阀门(8)；设置于参考缸(4)和数据采集系统(12)之间的第一压力传感器(2)，设置于样品缸(5)和数据采集系统(12)之间的第二压力传感器(7)，其中活塞式中间容器(6)、第四阀门(9)和高精度柱塞泵(10)构成实验装置的回压控制/产量计量系统，其特征在于，该方法包括：
A、吸附实验结束后，开展定产开采模拟实验：
1)实验前保证活塞式中间容器(6)的活塞处于顶部；对样品进行体积V样、质量m计量，对样品缸(5)及其所连管线的体积和活塞式中间容器(6)中活塞上端空间体积的体积之和V下进行标定，设定恒温箱(11)的温度T为实验温度；
2)关闭第一阀门(1)，打开第三阀门(8)；
3)待到样品缸(5)、活塞式中间容器(6)和管线形成的系统压力稳定后，通过第二压力传感器(7)记录初始压力P，将高精度柱塞泵(10)的累计产气体积清零；
4)将高精度柱塞泵(10)设置为恒流模式，并在高精度柱塞泵(10)中设置第一个产气实验流速，通过数据采集系统(12)实时采集样品缸(5)的压力P’和高精度柱塞泵(10)的泵压、退泵体积V泵、产气流速及累计产气体积；
5)当样品缸(5)的压力降低到实验设定值时停泵，通过高精度柱塞泵(10)将活塞式中间容器(6)的活塞推到顶部，直到样品缸(5)、活塞式中间容器(6)和管线形成的系统压力平衡稳定；
6)进行第二个产气流速的定产模拟试验，重复4)～5)步骤，直至最后一个实验产气流速的试验结束；
B、数据处理：
Figure FDA0002160779690000041
V死＝V下-V样式2；
Figure FDA0002160779690000042
式中：
n-产气摩尔数，mol； P’-平衡压力，MPa；
V泵-退泵体积，cm3； Z’-平衡压力下气体压缩系数；
T-实验温度，K； P-初始压力，MPa；
Z-初始压力下气体压缩系数； V死-样品缸死体积，cm3；
V下-样品缸空间体积，cm3； V样-样品表观体积，cm3；
V-标准状态下产气量，cm3/g； m-样品质量，g。
6.根据权利要求5所述的实验方法，其中，所述高精度柱塞泵(10)具有恒压模式和恒流模式。
7.根据权利要求5所述的实验方法，其中，定产开采模拟实验的步骤5)中，通过高精度柱塞泵(10)采用恒压模式将活塞式中间容器(6)的活塞推到顶部。
8.根据权利要求5所述的实验方法，其中，所述第二阀门(3)与参考缸(4)相连接。
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