CN110018293B - 一种考虑水敏性的页岩黏土多相耦合甲烷含气量计算方法 - Google Patents

一种考虑水敏性的页岩黏土多相耦合甲烷含气量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种考虑水敏性的页岩黏土多相耦合甲烷含气量计算方法，包括页岩黏土吸附方程、等径圆形孔隙甲烷吸附模型、扁平状椭圆孔隙甲烷吸附模型、条带状裂缝甲烷吸附模型、气—液—固三相界面耦合吸附模型。本发明的有益效果是能够为不同含水率的页岩气储层提供较为精确的资源量评估。

Description

一种考虑水敏性的页岩黏土多相耦合甲烷含气量计算方法
技术领域
本发明属于天然气地质储量评价技术领域，涉及一种考虑水敏反应的页岩黏土多相耦合甲烷含气量预测方法。
背景技术
页岩气资源量评估是开发潜力评价和开发方案制定的基础，由于页岩储层特征、赋存机理及渗流规律与常规气藏相比存在较大差异，因此页岩气资源量的测算评估方式也与常规气藏不同。当前页岩含气量测算方式主要分为直接法和间接法2类，直接法是在现场进行岩样解吸，数据真实可靠但操作不便且耗时耗力；间接法是在室内进行岩样吸附—解吸实验，得到吸附气量进而估算含气总量，由于实验大多在干燥环境下进行，忽略了水分对黏土吸附能力的影响，导致页岩含气量测算值偏高。有机质和黏土矿物是吸附气赋存的2类介质，虽然有机质的吸附能力比黏土高达10倍以上，但与黏土矿物相比含量极低，且黏土矿物独特的晶层结构以及广泛发育的微、中孔隙为气体吸附提供了充分的比表面积，因此黏土矿物对页岩含气量影响显著。此外，页岩储层普遍含水，且水分主要以束缚态存在于基质孔隙内表面和以自由态存在于裂缝空间内。黏土与水接触时，由于黏土矿物具有强亲水性，孔隙表面吸附水分子形成水化膜，从而导致气体吸附量降低。因此水分对含气量的影响不容忽略，含水页岩储层含气量预测显得尤为重要。为此，笔者采用膨胀率描述黏土矿物的水化膨胀作用，研究水分对黏土矿物甲烷吸附能力的影响规律，基于多相界面吸附理论建立考虑水敏性的多相耦合甲烷吸附模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑水敏性的页岩黏土多相耦合甲烷含气量计算方法，本发明的有益效果是能够为不同含水率的页岩气储层提供较为精确的资源量评估。
本发明所采用的技术方案是包括页岩黏土吸附方程、等径圆形孔隙甲烷吸附模型、扁平状椭圆孔隙甲烷吸附模型、条带状裂缝甲烷吸附模型、气—液—固三相界面耦合吸附模型。
进一步，黏土水化膨胀作用可用膨胀率进行描述，即
Figure RE-GDA0002084780600000021
式中，E为黏土吸水膨胀率，无量纲；heff为单层水化膜影响下黏土发生水敏反应有效润湿厚度，cm；ht为有效厚度黏土润湿后t时刻的厚度，cm；
黏土矿物水化膨胀特性与渗透率、渗透压、温度和吸水时间有关，最终趋于稳定：
Figure RE-GDA0002084780600000022
式中，hlim为单层水化膜影响下黏土发生水敏反应极限润湿厚度，cm；h0为干燥黏土的初始厚度，cm；K′为渗透率，mD；p′为渗透压，MPa；T为地层温度， K；t为吸水时间，h；
所述页岩黏土吸附方程
对于干燥黏土：
Figure RE-GDA0002084780600000023
式中，ndry为等温吸附气量，mmol/g；K为给定温度下单位面积饱和吸附量， mmol/m2；A为黏土孔隙比表面积，m2/g；pL为朗氏压力，即一半朗氏体积所对应的压力，MPa；p为实验压力，MPa；
对于润湿黏土：
Figure RE-GDA0002084780600000024
Figure RE-GDA0002084780600000025
式中，nwet为润湿黏土等温吸附气量，mmol/g；K*为气—液界面单位面积最大吸附量，mmol/m2；p*为气-液界面朗氏压力，MPa。
进一步，等径圆形孔隙甲烷吸附模型，孔隙半径为r，孔隙长度为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0，黏土有效润湿厚度为heff；
干燥黏土单孔内表面积：
Acir-dry＝2πr·L (6)
干燥黏土单孔气-固界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000031
润湿黏土单孔内表面积：
Acir-wet＝2π(r-hw-Eheff)·L (8)
含水饱和度：
Figure RE-GDA0002084780600000032
联立式(6)-(9)得，
Figure RE-GDA0002084780600000033
令孔隙收缩率为：
Figure RE-GDA0002084780600000034
因此润湿黏土单孔气-液界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000035
进一步，扁平状椭圆孔隙甲烷吸附模型，孔隙半宽为a，孔隙半高为b，孔隙长度为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0，黏土有效润湿厚度为heff；
干燥黏土单孔内表面积：
Figure RE-GDA0002084780600000036
干燥黏土单孔气-固界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000041
润湿黏土单孔内表面积：
Figure RE-GDA0002084780600000042
含水饱和度：
Figure RE-GDA0002084780600000043
联立式(13)-(16)可得，
Figure RE-GDA0002084780600000044
令孔隙收缩率为：
Figure RE-GDA0002084780600000045
因此润湿黏土单孔气-液界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000046
进一步，条带状裂缝甲烷吸附模型缝宽为c，缝高为d，缝长为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0，黏土有效润湿厚度为heff；
干燥黏土单缝缝壁内表面积：
Afra-dry＝2c·L (20)
干燥黏土单缝气-固界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000047
润湿黏土单缝缝壁内表面积：
Afra-wet＝2c·L (22)
含水饱和度：
Figure RE-GDA0002084780600000051
因此润湿黏土单缝气—液界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000052
值得注意的是，润湿黏土单条裂缝气—液界面等温吸附量与缝高、黏土膨胀率和含水饱和度均无关。
进一步，气—液—固三相界面耦合吸附模型，当黏土表面吸附的水化膜铺展面积不足以完全覆盖黏土内表面时，甲烷气体的吸附量等于水化膜吸附量与未被水化膜覆盖的裸露黏土表面吸附量之和，表现为气—液界面和气—固界面耦合吸附的特征；
令水化膜铺满因子为：
Figure RE-GDA0002084780600000053
式中，Aw为水化膜铺展面积，cm2，Vp为单位质量黏土孔隙(或裂缝)体积， cm3/g；
甲烷气体单孔(单缝)耦合吸附量：
nmix＝θnwet+(1-θ)ndry (26)
等径圆形孔隙耦合吸附：
Figure RE-GDA0002084780600000054
扁平状椭圆孔隙耦合吸附：
Figure RE-GDA0002084780600000055
条带状裂缝耦合吸附：
Figure RE-GDA0002084780600000061
等径圆形孔隙、扁平状椭圆孔隙和条带状裂缝呈随机分布，概率分别为α、β、γ，且α+β+γ＝1，因此干燥黏土气—固界面吸附模型为：
Figure RE-GDA0002084780600000062
因此润湿黏土气—液—固界面耦合吸附模型为：
Figure RE-GDA0002084780600000063
吸附相孔隙度表达式为：
Figure RE-GDA0002084780600000064
则干燥黏土游离气含量为：
Figure RE-GDA0002084780600000065
则润湿黏土游离气含量为：
Figure RE-GDA0002084780600000066
因此页岩储层干燥黏土矿物含气量预测模型表达式为：
Figure RE-GDA0002084780600000067
因此页岩储层润湿黏土矿物含气量预测模型表达式为：
Figure RE-GDA0002084780600000071
式中，nmix为页岩润湿黏土甲烷吸附量，mmol/g；nfree为单位质量黏土所含游离气在标准状况下的体积，cm3/g；ndry-total为干燥黏土含气总量，mmol/g； nwet-total为润湿黏土含气总量，mmol/g；Va为吸附相体积，cm3/g；Vb为岩石表观体积，cm3/g；φ为有效孔隙度，无量纲；φa为吸附相孔隙度，无量纲；Bg为甲烷气体体积系数，无量纲；ρa为吸附相密度，g/cm3；ρb为岩石密度，g/cm3；M 为甲烷气体摩尔质量，g/mol。
附图说明
图1为页岩扫描电镜图像；
图2为等径圆形孔隙润湿前后甲烷吸附模型示意图；
图3为扁平状椭圆孔隙润湿前后甲烷吸附模型示意图；
图4为条带状裂缝润湿前后甲烷吸附模型示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
由于黏土矿物吸附水分引起表观体积产生一定程度膨胀变形的特性称为黏土的水化膨胀作用，是衡量黏土亲水能力及评价黏土水敏程度的重要参数。由于范德华力和分子间静电引力作用，黏土表面的H+和OH-通过氢键吸附极性水分子以及通过吸附可交换性阳离子间接吸附水分子，在黏土颗粒周围形成一层水化膜，且水化膜可以随黏土颗粒一起运动。黏土水化膨胀作用可用膨胀率进行描述，即
Figure RE-GDA0002084780600000081
式中，E为黏土吸水膨胀率，无量纲；heff为单层水化膜影响下黏土发生水敏反应有效润湿厚度，cm；ht为有效厚度黏土润湿后t时刻的厚度，cm。
黏土矿物水化膨胀特性与渗透率、渗透压、温度和吸水时间有关，最终趋于稳定。
Figure RE-GDA0002084780600000082
式中，hlim为单层水化膜影响下黏土发生水敏反应极限润湿厚度，cm；h0为干燥黏土的初始厚度，cm；K′为渗透率，mD；p′为渗透压，MPa；T为地层温度， K；t为吸水时间，h。
页岩黏土吸附方程
对于干燥黏土：
Figure RE-GDA0002084780600000083
式中，ndry为等温吸附气量，mmol/g；K为给定温度下单位面积饱和吸附量， mmol/m2；A为黏土孔隙比表面积，m2/g；pL为朗氏压力，即一半朗氏体积所对应的压力，MPa；p为实验压力，MPa。
对于润湿黏土：
Figure RE-GDA0002084780600000084
Figure RE-GDA0002084780600000085
式中，nwet为润湿黏土等温吸附气量，mmol/g；K*为气—液界面单位面积最大吸附量，mmol/m2；p*为气—液界面朗氏压力，MPa。
储集空间类型
页岩气储集空间按照径向截面长宽比可分为基质孔隙和裂缝2类，孔隙截面的长宽比小于10：1，而裂缝截面的长宽比一般大于10：1。基质孔隙可进一步分为矿物基质孔隙和有机质孔隙。页岩黏土的孔隙类型主要是矿物基质孔隙，大量发育的微、中孔隙为页岩气体赋存提供了充分的比表面积，从而显著影响了黏土矿物的吸附特性。黏土中气体赋存形式具体表现为游离气可以在基质孔隙和裂缝中自由流动，吸附气则以束缚态滞留于孔隙和裂缝表面。页岩扫描电镜图像可以较为准确地描述孔隙形态及分布特征，如图1所示，基质孔隙形态多呈圆形、多边形和不规则形状。将多边形和不规则形状孔隙相对锋锐的边角模糊化处理为近似光滑的圆弧形，即将孔隙按照几何形状和尺寸分为等径圆形孔隙和扁平状椭圆孔隙2类，而裂缝则呈条带状分布。
等径圆形孔隙甲烷吸附模型
干燥黏土和润湿黏土的等径圆形孔隙界面吸附模型如图2(a)、(b)所示，孔隙半径为r，孔隙长度为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0，黏土有效润湿厚度为heff。
干燥黏土单孔内表面积：
Acir-dry＝2πr·L (6)
干燥黏土单孔气—固界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000091
润湿黏土单孔内表面积：
Acir-wet＝2π(r-hw-Eheff)·L (8)
含水饱和度：
Figure RE-GDA0002084780600000092
联立式(6)—(9)可得，
Figure RE-GDA0002084780600000093
令孔隙收缩率为：
Figure RE-GDA0002084780600000101
因此润湿黏土单孔气—液界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000102
扁平状椭圆孔隙甲烷吸附模型
干燥黏土和润湿黏土的扁平状椭圆孔隙界面吸附模型如图3(a)、(b)所示，孔隙半宽为a，孔隙半高为b，孔隙长度为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0，黏土有效润湿厚度为heff。
干燥黏土单孔内表面积：
Figure RE-GDA0002084780600000103
干燥黏土单孔气—固界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000104
润湿黏土单孔内表面积：
Figure RE-GDA0002084780600000105
含水饱和度：
Figure RE-GDA0002084780600000106
联立式(13)—(16)可得，
Figure RE-GDA0002084780600000107
令孔隙收缩率为：
Figure RE-GDA0002084780600000111
因此润湿黏土单孔气—液界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000112
条带状裂缝甲烷吸附模型
干燥黏土和润湿黏土的条带状裂缝界面吸附模型如图4(a)、(b)所示，缝宽为c，缝高为d，缝长为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0，黏土有效润湿厚度为heff。
干燥黏土单缝缝壁内表面积：
Afra-dry＝2c·L (20)
干燥黏土单缝气—固界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000113
润湿黏土单缝缝壁内表面积：
Afra-wet＝2c·L (22)
含水饱和度：
Figure RE-GDA0002084780600000114
因此润湿黏土单缝气—液界面等温吸附量：
Figure RE-GDA0002084780600000115
值得注意的是，润湿黏土单条裂缝气—液界面等温吸附量与缝高、黏土膨胀率和含水饱和度均无关。
气—液—固三相界面耦合吸附模型
当黏土表面吸附的水化膜铺展面积不足以完全覆盖黏土内表面时，甲烷气体的吸附量等于水化膜吸附量与未被水化膜覆盖的裸露黏土表面吸附量之和，表现为气—液界面和气—固界面耦合吸附的特征。
令水化膜铺满因子为：
Figure RE-GDA0002084780600000121
式中，Aw为水化膜铺展面积，cm2，Vp为单位质量黏土孔隙(或裂缝)体积， cm3/g。
甲烷气体单孔(单缝)耦合吸附量：
nmix＝θnwet+(1-θ)ndry (26)
等径圆形孔隙耦合吸附：
Figure RE-GDA0002084780600000122
扁平状椭圆孔隙耦合吸附：
Figure RE-GDA0002084780600000123
条带状裂缝耦合吸附：
Figure RE-GDA0002084780600000124
等径圆形孔隙、扁平状椭圆孔隙和条带状裂缝呈随机分布，概率分别为α、β、γ，且α+β+γ＝1，因此干燥黏土气—固界面吸附模型为：
Figure RE-GDA0002084780600000125
因此润湿黏土气—液—固界面耦合吸附模型为：
Figure RE-GDA0002084780600000131
吸附相孔隙度表达式为：
Figure RE-GDA0002084780600000132
则干燥黏土游离气含量为：
Figure RE-GDA0002084780600000133
则润湿黏土游离气含量为：
Figure RE-GDA0002084780600000134
因此页岩储层干燥黏土矿物含气量预测模型表达式为：
Figure RE-GDA0002084780600000135
因此页岩储层润湿黏土矿物含气量预测模型表达式为：
Figure RE-GDA0002084780600000136
式中，nmix为页岩润湿黏土甲烷吸附量，mmol/g；nfree为单位质量黏土所含游离气在标准状况下的体积，cm3/g；ndry-total为干燥黏土含气总量，mmol/g； nwet-total为润湿黏土含气总量，mmol/g；Va为吸附相体积，cm3/g；Vb为岩石表观体积，cm3/g；φ为有效孔隙度，无量纲；φa为吸附相孔隙度，无量纲；Bg为甲烷气体体积系数，无量纲；ρa为吸附相密度，g/cm3；ρb为岩石密度，g/cm3；M 为甲烷气体摩尔质量，g/mol。
实例应用
采用涪陵焦石坝地区页岩储层基本参数分别计算干燥黏土气—固界面模型和润湿黏土气—液—固三相界面模型的吸附气含量和游离气含量，并将两种模型的计算结果与现场岩心解吸量进行对比，以验证模型的合理性，基本数据如表1 所示。
表1涪陵焦石坝地区页岩储层基本参数
Figure RE-GDA0002084780600000141
Figure RE-GDA0002084780600000151
表2两种模型含气量计算结果比较
Figure RE-GDA0002084780600000152
对比两种模型的吸附气含量、游离气含量及含气总量计算结果可知，润湿黏土的吸附气含量和游离气含量均明显偏低，这是由于原始地层水的影响引起的。当存在甲烷和水竞争吸附时，由于黏土的强亲水性特征使得孔隙(裂缝)内表面首先吸附水分子形成水化膜，使得甲烷气体吸附量减少，同时黏土矿物发生水化膨胀，导致有效孔径减小，从而引起游离气体积减少。与现场平均解吸量相比，干燥黏土模型含气量的计算误差远大于润湿黏土模型含气量的计算误差，润湿黏土模型的计算结果更接近储层真实含气量，因此原始含水饱和度对页岩黏土含气量的影响不容忽视，建立的考虑水敏性的气—液—固三相耦合吸附的含气量预测模型可以为不同含水率的页岩气储层提供一种较为精确的资源量评估方法。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种考虑水敏性的页岩黏土多相耦合甲烷含气量计算方法，其特征在于：包括页岩黏土吸附方程、等径圆形孔隙甲烷吸附模型、扁平状椭圆孔隙甲烷吸附模型、条带状裂缝甲烷吸附模型、气—液—固三相界面耦合吸附模型；
黏土水化膨胀作用用膨胀率进行描述，即
Figure FDA0003216219040000011
式中，E为黏土吸水膨胀率，无量纲；heff为单层水化膜影响下黏土发生水敏反应有效润湿厚度，cm；ht为有效厚度黏土润湿后t时刻的厚度，cm；
黏土矿物水化膨胀特性与渗透率、渗透压、温度和吸水时间有关，最终趋于稳定：
Figure FDA0003216219040000012
式中，hlim为单层水化膜影响下黏土发生水敏反应极限润湿厚度，cm；h0为干燥黏土的初始厚度，cm；K‘为渗透率，mD；p′为渗透压，MPa；T为地层温度，K；t为吸水时间，h；
所述页岩黏土吸附方程
对于干燥黏土：
Figure FDA0003216219040000013
式中，ndry为等温吸附气量，mmol/g；K为给定温度下单位面积饱和吸附量，mmol/m2；A为黏土孔隙比表面积，m2/g；pL为朗氏压力，即一半朗氏体积所对应的压力，MPa；p为实验压力，MPa；
对于润湿黏土：
Figure FDA0003216219040000014
Figure FDA0003216219040000021
式中，Γ为气-液界面单位面积单组分气体吸附量，nwet为润湿黏土等温吸附气量，mmol/g；K*为气—液界面单位面积最大吸附量，mmol/m2；p*为气—液界面朗氏压力，MPa；
等径圆形孔隙甲烷吸附模型，孔隙半径为r，孔隙长度为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0；
干燥黏土单孔内表面积：
Acir-dry＝2πr·L (6)
干燥黏土单孔气—固界面等温吸附量：
Figure FDA0003216219040000022
润湿黏土单孔内表面积：
Acir-wet＝2π(r-hw-Eheff)·L (8)
含水饱和度：
Figure FDA0003216219040000023
联立式(6)—(9)得，
Figure FDA0003216219040000024
令孔隙收缩率为：
Figure FDA0003216219040000025
因此润湿黏土单孔气—液界面等温吸附量：
Figure FDA0003216219040000026
扁平状椭圆孔隙甲烷吸附模型，孔隙半宽为a，孔隙半高为b，孔隙长度为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0；
干燥黏土单孔内表面积：
Figure FDA0003216219040000031
干燥黏土单孔气—固界面等温吸附量：
Figure FDA0003216219040000032
润湿黏土单孔内表面积：
Figure FDA0003216219040000033
含水饱和度：
Figure FDA0003216219040000034
联立式(13)—(16)可得，
Figure FDA0003216219040000035
令孔隙收缩率为：
Figure FDA0003216219040000036
因此润湿黏土单孔气—液界面等温吸附量：
Figure FDA0003216219040000037
条带状裂缝甲烷吸附模型缝宽为c，缝高为d，缝长为L，水化膜厚度为hw，干燥黏土初始厚度为h0；
干燥黏土单缝缝壁内表面积：
Afra-dry＝2c·L (20)
干燥黏土单缝气—固界面等温吸附量：
Figure FDA0003216219040000041
润湿黏土单缝缝壁内表面积：
Afra-wet＝2c·L (22)
含水饱和度：
Figure FDA0003216219040000042
因此润湿黏土单缝气—液界面等温吸附量：
Figure FDA0003216219040000043
值得注意的是，润湿黏土单条裂缝气—液界面等温吸附量与缝高、黏土膨胀率和含水饱和度均无关；
气—液—固三相界面耦合吸附模型，当黏土表面吸附的水化膜铺展面积不足以完全覆盖黏土内表面时，甲烷气体的吸附量等于水化膜吸附量与未被水化膜覆盖的裸露黏土表面吸附量之和，表现为气—液界面和气—固界面耦合吸附的特征；
令水化膜铺满因子为：
Figure FDA0003216219040000044
式中，Aw为水化膜铺展面积，cm2，Vp为单位质量黏土孔隙(或裂缝)体积，cm3/g；
甲烷气体单孔(单缝)耦合吸附量：
nmix＝θnwet+(1-θ)ndry (26)
等径圆形孔隙耦合吸附：
Figure FDA0003216219040000045
Figure FDA0003216219040000051
扁平状椭圆孔隙耦合吸附：
Figure FDA0003216219040000052
条带状裂缝耦合吸附：
Figure FDA0003216219040000053
等径圆形孔隙、扁平状椭圆孔隙和条带状裂缝呈随机分布，概率分别为α、β、γ，且α+β+γ＝1，因此干燥黏土气—固界面吸附模型为：
Figure FDA0003216219040000054
因此润湿黏土气—液—固界面耦合吸附模型为：
Figure FDA0003216219040000055
吸附相孔隙度表达式为：
Figure FDA0003216219040000056
则干燥黏土游离气含量为：
Figure FDA0003216219040000057
则润湿黏土游离气含量为：
Figure FDA0003216219040000061
因此页岩储层干燥黏土矿物含气量预测模型表达式为：
Figure FDA0003216219040000062
因此页岩储层润湿黏土矿物含气量预测模型表达式为：
Figure FDA0003216219040000063
式中，nmix为页岩润湿黏土甲烷吸附量，mmol/g；nfree为单位质量黏土所含游离气在标准状况下的体积，cm3/g；ndry-total为干燥黏土含气总量，mmol/g；nwet-total为润湿黏土含气总量，mmol/g；Va为吸附相体积，cm3/g；Vb为岩石表观体积，cm3/g；φ为有效孔隙度，无量纲；φa为吸附相孔隙度，无量纲；Bg为甲烷气体体积系数，无量纲；ρa为吸附相密度，g/cm3；ρb为岩石密度，g/cm3；M为甲烷气体摩尔质量，g/mol。
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