CN107727530A - 基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪及应用，属于含气量测量领域，用于储层岩样中含气量的测量，测量仪包括：碎样系统，用于气密式破碎储层岩样，获得岩样储层的残余气量；加压系统，用于向碎样系统中注入高压甲烷气体，模拟储层压力；加热系统，包括加热元件，用于为碎样系统加热储层岩样，模拟储层温度；气体采集计量系统，用于采集并计量岩样碎样系统内储层岩样析出的气体；真空系统，用于对碎样系统进行气密性检测与抽真空。本发明通过温压回溯原理，整个测量过程严格密封且无需更换实验设备，既规避了利用理论回归获得损失气量的不确定性和人为干扰性，极大提高了实验精度，达到一体化全程解吸的目的。

Description

基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪及应用

技术领域

本发明涉及含气量测量领域，特别是涉及一种基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪及应用。

背景技术

随着非常规油气领域的不断发展，页岩气已经成为全球的能源热点。泥页岩的含气量是页岩气资源存在及其是否具有经济开发价值的直接表现，关乎资源评价、有利选区、甜点分析、开发设计、产能预测以及经济评价等多个领域，同时也是计算页岩气资源量、储量、可采量以及产能的必要参数，因此，如何准确地获得页岩总含气量则成为目前页岩气研究及勘探工作的重中之重。

目前对页岩气含气量的实验测试方法主要包括等温吸附法和现场解吸法两种。等温吸附法主要测量页岩的最大吸附能力，现场解吸法是在钻井现场对钻井岩心内的岩心内的解吸气进行收集和计量，因此在目前被认为是测试页岩总含气量比较接近实际情况的方法。然而，在解吸操作之前和之后，一部分气体在提取岩心的过程中散失(损失气)，另一部分气体仍然储存在岩心当中无法被解吸出来(残余气)，这两部分气体仍然无法通过现场解吸法测得。虽然已经存在一些方法被建议与现场解吸法联合应用来对这两部分气体进行测量，如沿用煤层气损失气量—USBM法直线回归来计算损失气，在实验室粉碎样品以测量残余气，但整体来看，现有的页岩含气量测量方法及设备主要存在以下不足和问题：

1)市场现有的相关测试设备以沿用煤层含气量测试设备为主，虽有改进，但推广到页岩气、致密砂岩气等其他非常规天然气领域中时仍具有测量精度低，适用性较差等缺点。

2)目前损失气量的获得主要通过现场解吸所得解吸曲线的理论回归来实现，其结果大小存在受解吸加温速度、解吸时间跨度以及理论回归方法选取的影响，甚至在理论回归过程中出现零损失等偏离客观地质认识的现象，难以达到准确获得损失气量的目的，并最终导致含气量测量结果可信度低。

3)温度和压力是影响试样在地层条件下真实含气量的两个重要因素，而在现有的含气量测量过程中，仅实现了对地层温度的模拟而忽略了地层压力，势必会对测量结果产生较大影响，难以反映地层条件下试样的真实含气情况。

4)在现有的含气量测量过程中，解吸气量和残余气量的获得是分别通过不同的实验设备和方法完成的，是两个相互独立的过程，整个测量过程无法实现从损失气量到残余气量的连续获得，更是无法保证测量过程中的全程气密，也就意味着在测量过程中难以避免因实验设备置换而导致的空气混入或气体逸散，造成实验误差，并且实验误差的大小由测量过程的连续性决定，具有较强的不确定性。

5)市场上现有测试设备的构成以及操作较为繁琐，且不同测试阶段所需的实验设备也不相同，不同设备之间整合性较差，便携性较差，导致在设备的搬运及实验过程中耗费较大的人力、物力。

由此可见，虽然针对非常规天然气含气量测试的方法种类多样，但是在测量精度、实验设备及方法等方面仍存在缺陷与不便，特别是在损失气量的准确获得和实验设备的构成和实验方法上，需要有针对性地分析和考虑，以便进一步加以改进。总之，如何创设一种操作简便并且能够精确测量含气量的测量设备及测量方法，是当前非常规天然气领域的重要研究课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够准确获得页岩、煤岩以及致密砂岩等非常规天然气含气量的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪。

本发明的另一个目的是提供一种基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，用于储层岩样中含气量的测量，所述测量仪包括：

碎样系统，用于内置并气密式粉碎所述储层岩样；

加压系统，用于向所述碎样系统中注入高压甲烷气体，模拟储层压力；

加热系统，包括加热元件，用于为所述碎样系统加热所述储层岩样，模拟储层温度；

气体采集计量系统，用于采集并计量所述碎样系统中内置的储层岩样析出的气体及粉碎后的储层岩样的残余气量；

真空系统，用于对碎样系统进行气密性检测与抽真空。

优选地，所述储层岩样包括岩、煤岩以及致密砂岩等。

进一步地，所述碎样系统包括粉碎罐和用于粉碎所述粉碎罐中储层岩样的搅拌系统。

优选地，所述粉碎罐为球磨罐。

进一步地，所述搅拌系统包括搅拌件、转动轴和用于控制所述转动轴旋转的传动系统，所述转动轴的一端与所述传动系统连接，所述转动轴的另一端伸入所述粉碎罐内并与搅拌件固定连接，所述转动轴与所述粉碎罐气密连接。

进一步地，所述传动系统为非接触式扭矩传动系统，对应地，所述转动轴为磁力转轴；所述非接触式扭矩传动系统包括用于传动所述磁力转轴的传动联轴器和电机及矢量变频器，所述矢量变频器用于连接并控制所述电机。

进一步地，所述电机、磁力转轴及磁力传动联轴器外部分别罩有互相密封连接的壳体，所述壳体与所述粉碎罐连接部分为密封连接。

进一步地，所述加压系统包括高压甲烷气瓶和与所述高压甲烷气瓶连接的气体增压泵，通过所述气体增压泵将高压甲烷气瓶中的甲烷气体注入到粉碎罐中；

进一步地，所述气体增压泵包括压力控制阀，按照所述压力控制阀用于根据预先设定的增压速度将甲烷气体注入到粉碎罐中，以模拟储层压力。

进一步地，所述气体采集计量系统包括不同规格的集气量筒，所述粉碎罐上设置有出气口和设置在出气口处的单向阀，所述集气量筒的集气口与所述出气口气密连接。

进一步地，所述真空系统包括真空机、氦气瓶以及基准室，所述真空机与基准室同粉碎罐通过双向阀门相连，所述基准室和氦气瓶用于检测真空度是否合格及计算粉碎罐中的孔体积。

进一步地，所述测量仪还包括用于转移所述粉碎罐的转移系统，所述转移系统用于将所述粉碎罐转移到所述加热系统中进行加热。

进一步地，所述转移系统为升降系统，所述升降系统包括竖直杆和用于固定所述粉碎罐的水平杆，所述竖直杆上设置有用于带动所述水平杆上下移动的传动丝杆；所述加热元件为可调控温度的的高温腔，所述粉碎罐通过所述升降系统出入高温腔。

另一方面，提供一种所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪的应用，所述一体化全程气密含气量测量仪在测量岩样含气量的应用，测量方法包括如下步骤：

1)将固体储层岩样加入到所述粉碎罐中，通过所述真空系统进行气密性监测和抽真空；

2)通过所述加热系统对所述粉碎罐进行程序加温直到储层温度；

3)通过所述加压系统向所述粉碎罐中注入高压甲烷气体直到储层压力；

4)依据钻井提芯速度、钻井泥浆压力设定粉碎罐压力、温度递减速率与解吸时间，并通过所述气体采集计量系统收集并计量粉碎罐中排出的甲烷，通过粉碎罐中空体积内的气体膨胀与岩样中气体解吸之间气体排出速率的重大差异，分别获得粉碎罐中空体积包含的压缩气量Q_空，以及岩样损失气量Q_损；

5)待气体收集完成并且所述粉碎罐内温度和压力降至实际现场解吸测前温度和压力后，利用所述气体采集计量系统采集并计量所述粉碎罐内的甲烷直至不再见明显解吸气体，获得岩样解吸气量Q_解；

6)断开所述气体采集计量系统，并启动所述碎样系统，对所述粉碎罐内岩样进行粉碎，通过所述加热系统再次对所述粉碎罐进行加热，并再次利用所述气体采集计量系统快速连接所述粉碎罐，对罐内气体采集并计量，获得岩样残余气量Q_残；

损失气量Q_损、解吸气量Q_解与残余气量Q_残之和即为岩样总含气量。

在整个测量过程中，步骤B、C、D、E可以整体称为温压回溯，即通过注入气体加压和外部加热升温而使得反应承载体内部由地表条件回溯至地层条件的这一过程。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明采用温压回溯原理，即通过外部加热升温和气体注入加压使得到达地表的岩样重新回溯到储层温度和压力条件下，认为此时岩样的含气量即为岩样在储层条件下的真实含气量。此外，假设在整个岩样含气量测量过程中，气体分子在岩石固体表面上的吸附均为物理吸附且吸附过程可逆。

(2)本发明还提供一种全程气密并能够准确获得页岩、煤岩以及致密砂岩等非常规天然气含气量的一体化测量设备和测量方法，使其能够克服现有含气量测量设备和测量方法的不足。从温压回溯模拟储层条件获得损失气量到试样粉碎获得残余气量，整个测量过程严格密封且无需更换实验设备，既规避了利用理论回归获得损失气量的不确定性和人为干扰性，又避免了因实验设备置换而导致的空气混入或气体逸散，极大提高了实验精度，达到一体化全程解吸的目的。

(3)本发明解决了以往岩样含气量测量过程中无法考虑压力影响的问题，使得可以更加深入地探讨温度、压力、时间和岩样含气量之间的相互关系，实现对岩样内天然气解吸过程的深入刻画。

(4)本发明实现了由对天然气解吸过程的定性描述到定量讨论过程的转变，可以更加准确地获得扩散系数、游吸比、可采系数以及产量及产能预测等参数。

(5)采用多功能一体化设计，从损失气的回溯到残余气的测量均在同一个实验设备内完成，大大提高了不同功能测量设备之间的整合性。此外，避免了因实验设备置换而导致的空气混入或气体逸散，极大地提高了岩样含气量的测量精度。

(6)粉碎罐作为含气量测量实验的主要承载体，在整个岩样含气量测量过程中严格密封，达到了全程气密的要求，测量精度高。

(7)由于采用多功能一体化设计，使得整个岩样含气量测量过程操作简单、方便、高效且易于上手，实现了对目前主要含气量测量流程及过程的简化，增强了测量仪器的便携性和现场适用性。

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本发明的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪的一个实施例，如图1所示，用于储层岩样中含气量的测量，测量仪包括：

碎样系统1，用于内置并气密式破碎储层岩样；

加压系统2，用于向碎样系统中注入高压甲烷气体，模拟储层压力；

加热系统3，包括加热元件，用于为碎样系统加热储层岩样，模拟储层温度；

气体采集计量系统4，用于采集并计量碎样系统中内置的储层岩样析出的气体及粉碎后的储层岩样的残余气量；

真空系统5，用于对碎样系统进行气密性检测与抽真空。

优选地，储层岩样包括岩、煤岩以及致密砂岩等。

优选地，所有的对碎样系统内储层岩样的处理(包括加热、加压、计量等)都需要保持气密性。

本发明在使用时，1)将固体储层岩样加入到碎样系统中，通过真空系统进行气密性监测和抽真空；2)通过加热系统和加压系统进行温压回溯：通过加热系统对碎样进行程序加温直到储层温度；通过加压系统向粉碎系统中注入高压甲烷气体直到储层压力；3)然后通过气体采集计量系统收集并计量碎样系统中排出的甲烷，并通过粉碎罐中空体积内的气体膨胀与岩样中气体解吸之间气体排出速率的重大差异，分别获得粉碎罐中空体积包含的压缩气量Q_空，以及岩样损失气量Q_损；待气体收集完成并且粉碎罐内温度和压力降至实际现场解吸测前温度和压力后，利用气体采集计量系统采集并计量粉碎罐内的甲烷直至不再见明显解吸气体，获得岩样解吸气量Q_解；损失气量Q_损、解吸气量Q_解与残余气量Q_残之和即为岩样总含气量。

温压回溯是指：通过注入气体加压和外部加热升温而使得反应承载体内部由地表条件回溯至地层条件的过程。

进一步地，碎样系统1包括粉碎罐和用于粉碎粉碎罐中储层岩样的搅拌系统。粉碎罐优选为球磨罐。

进一步地，搅拌系统包括搅拌件、转动轴和用于控制转动轴旋转的传动系统，转动轴的一端与传动系统连接，转动轴的另一端伸入粉碎罐内并与搅拌件固定连接，转动轴与粉碎罐气密连接。

进一步地，传动系统为非接触式扭矩传动系统，对应地，转动轴为磁力转轴；非接触式扭矩传动系统包括用于传动磁力转轴的传动联轴器和电机及矢量变频器，矢量变频器用于连接并控制电机。

进一步地，电机、磁力转轴及磁力传动联轴器外部分别罩有互相密封连接的壳体，壳体与粉碎罐连接部分为密封连接。

进一步地，加压系统包括高压甲烷气瓶和与高压甲烷气瓶连接的气体增压泵，通过气体增压泵将高压甲烷气瓶中的甲烷气体注入到粉碎罐中；

进一步地，气体增压泵包括压力控制阀，按照压力控制阀用于根据预先设定的增压速度将甲烷气体注入到粉碎罐中，以模拟储层压力。

进一步地，气体采集计量系统包括不同规格的集气量筒，粉碎罐上设置有出气口和设置在出气口处的单向阀，集气量筒的集气口与出气口气密连接。

进一步地，真空系统包括真空机、氦气瓶以及基准室，真空机与基准室同粉碎罐通过双向阀门相连，基准室和氦气瓶用于检测真空度是否合格及计算粉碎罐中的孔体积。

进一步地，测量仪还包括用于转移粉碎罐的转移系统，转移系统用于将粉碎罐转移到加热系统中进行加热。

进一步地，转移系统为升降系统，升降系统包括竖直杆和用于固定粉碎罐的水平杆，竖直杆上设置有用于带动水平杆上下移动的传动丝杆；加热元件为可调控温度的的高温腔，粉碎罐通过升降系统出入高温腔。

另一方面，提供一种的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪的应用，主要在测量岩样含气量的应用，测量方法包括如下步骤：

1)将固体储层岩样加入到粉碎罐中，通过真空系统进行气密性监测和抽真空；

2)通过加热系统对粉碎罐进行程序加温直到储层温度；

3)通过加压系统向粉碎罐中注入高压甲烷气体直到储层压力；

4)依据钻井提芯速度、钻井泥浆压力设定粉碎罐压力、温度递减速率与解吸时间，并通过气体采集计量系统收集并计量粉碎罐中排出的甲烷，通过粉碎罐中空体积内的气体膨胀与岩样中气体解吸之间气体排出速率的重大差异，分别获得粉碎罐中空体积包含的压缩气量Q_空，以及岩样损失气量Q_损；

5)待气体收集完成并且粉碎罐内温度和压力降至实际现场解吸测前温度和压力后，利用气体采集计量系统采集并计量粉碎罐内的甲烷直至不再见明显解吸气体，获得岩样解吸气量Q_解；

6)断开气体采集计量系统，并启动碎样系统，对粉碎罐内岩样进行粉碎，通过加热系统再次对粉碎罐进行加热，并再次利用气体采集计量系统快速连接粉碎罐，对罐内气体采集并计量，获得岩样残余气量Q_残；

损失气量Q_损、解吸气量Q_解与残余气量Q_残之和即为岩样总含气量。

在整个测量过程中，步骤B、C、D、E可以整体称为温压回溯，即通过注入气体加压和外部加热升温而使得反应承载体内部由地表条件回溯至地层条件的这一过程。

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)

1.一种基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，用于储层岩样中含气量的测量，所述测量仪包括：

碎样系统，用于内置并气密式粉碎所述储层岩样；

加压系统，用于向所述碎样系统中注入高压甲烷气体，模拟储层压力；

加热系统，包括加热元件，用于为所述碎样系统加热所述储层岩样，模拟储层温度；

气体采集计量系统，用于采集并计量所述碎样系统中内置的储层岩样析出的气体及粉碎后的储层岩样的残余气量；

真空系统，用于对碎样系统进行气密性检测与抽真空。

2.根据权利要求1所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，所述碎样系统包括粉碎罐和用于粉碎所述粉碎罐中储层岩样的搅拌系统。

3.根据权利要求2所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，所述搅拌系统包括搅拌件、转动轴和用于控制所述转动轴旋转的传动系统，所述转动轴的一端与所述传动系统连接，所述转动轴的另一端伸入所述粉碎罐内并与搅拌件固定连接，所述转动轴与所述粉碎罐气密连接。

4.根据权利要求3所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，所述传动系统为非接触式扭矩传动系统，对应地，所述转动轴为磁力转轴；

所述非接触式扭矩传动系统包括用于传动所述磁力转轴的传动联轴器和电机及矢量变频器，所述矢量变频器用于连接并控制所述电机；

所述电机、磁力转轴及磁力传动联轴器外部分别罩有互相密封连接的壳体，所述壳体与所述粉碎罐连接部分为密封连接。

5.根据权利要求2所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，所述加压系统包括高压甲烷气瓶和与所述高压甲烷气瓶连接的气体增压泵，通过所述气体增压泵将高压甲烷气瓶中的甲烷气体注入到粉碎罐中；

所述气体增压泵包括压力控制阀，按照所述压力控制阀用于根据预先设定的增压速度将甲烷气体注入到粉碎罐中，以模拟储层压力。

6.根据权利要求2所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，所述气体采集计量系统包括不同规格的集气量筒，所述粉碎罐上设置有出气口和设置在出气口处的单向阀，所述集气量筒的集气口与所述出气口气密连接。

7.根据权利要求2所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，所述真空系统包括真空机、氦气瓶以及基准室，所述真空机与基准室同粉碎罐通过双向阀门相连，所述基准室和氦气瓶用于检测真空度是否合格及计算粉碎罐中的孔体积。

8.根据权利要求2至7任一所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，所述测量仪还包括用于转移所述粉碎罐的转移系统，所述转移系统用于将所述粉碎罐转移到所述加热系统中进行加热。

9.根据权利要求8所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪，其特征在于，所述转移系统为升降系统，所述升降系统包括竖直杆和用于固定所述粉碎罐的水平杆，所述竖直杆上设置有用于带动所述水平杆上下移动的传动丝杆；

所述加热元件为可调控温度的的高温腔，所述粉碎罐通过所述升降系统出入高温腔。

10.一种权利要求2至9任一所述的基于温压回溯原理的一体化全程气密含气量测量仪的应用，其特征在于，所述一体化全程气密含气量测量仪在测量岩样含气量的应用，测量方法包括如下步骤：

1)将固体储层岩样加入到所述粉碎罐中，通过所述真空系统进行气密性监测和抽真空，直到真空条件完全形成并长期稳定为止；

2)通过所述加热系统对所述粉碎罐进行程序加温达到储层温度并稳定；

3)通过所述加压系统向所述粉碎罐中注入高压甲烷气体，使得粉碎罐内压力达到储层压力并稳定；

4)依据钻井提芯速度、钻井泥浆压力设定粉碎罐压力、温度递减速率与解吸时间，并通过所述气体采集计量系统收集并计量粉碎罐中排出的甲烷体积，通过粉碎罐中空体积内的气体膨胀与岩样中气体解吸之间气体排出速率的重大差异，分别获得粉碎罐中空体积包含的压缩气量Q_空，以及岩样损失气量Q_损；

5)待气体收集完成并且所述粉碎罐内温度和压力降至实际现场解吸测前温度和压力后，利用所述气体采集计量系统采集并计量所述粉碎罐内的甲烷直至不再见明显解吸气体，获得岩样解吸气量Q_解；

6)断开所述气体采集计量系统，并启动所述碎样系统，对所述粉碎罐内岩样进行粉碎，通过所述加热系统再次对所述粉碎罐进行加热，并再次利用所述气体采集计量系统快速连接所述粉碎罐，对罐内气体采集并计量，获得岩样残余气量Q_残；

损失气量Q_损、解吸气量Q_解与残余气量Q_残之和即为岩样总含气量。