CN110320130A - 观测页岩岩心产气规律的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种观测页岩岩心产气规律的装置及方法，包括：高压可视容器，高压可视容器包括筒体和与筒体螺纹连接的端盖，筒体水平放置，筒体包括内壁和外壁，外壁上设置有顶部开槽处，端盖上设置有通气孔和通水孔；摄像装置，摄像装置设置于高压可视容器的上方，通过顶部开槽处记录岩心情况；照明装置，照明装置设置于高压可视容器的上方，从顶部开槽处射入光线；至少两个高压活塞容器，至少两个高压活塞容器中的一个与通气孔连接，注入高压实验气体；一个通水孔连接，注入高压清水；每一个高压活塞容器分别与一个高压泵连接。采用本发明提供的观测页岩岩心产气规律的装置及方法，能够对比评价页岩储层的储集和渗透性能以及储层发育的非均质性。

Description

观测页岩岩心产气规律的装置及方法

技术领域

本发明属于油气田勘探开发领域，更具体地，涉及一种观测页岩岩心产气规律的装置及方法。

背景技术

页岩气是典型的非常规天然气，产自极低孔渗、以富有机质页岩为主的储集岩系中。页岩气的形成与富集为自生自储、以游离气和吸附气为主、原位饱和富集于以页岩为主的储集岩系的微纳米级孔隙-裂缝与矿物颗粒表面。

页理发育是页岩储层的典型特征。页理是在页岩中发育的水平层理，其厚度小于1cm，由沉积成岩作用形成，层面代表了短暂的无沉积或沉积作用突然变化的间断面。页理是页岩沿层理方向易剥裂成页片的性质，是由于层状粘土矿物水平定向排列而具有易剥裂性的结果。页岩水平方向渗透率一般远大于垂直方向渗透率，认为页理缝对页岩储层的水平渗透率起主导作用。

特殊的储层性质导致页岩气的产气规律与常规气藏有很大的不同，页理和裂缝构成了产气的重要通道。目前利用岩心开展产气规律研究的方法主要有以下两种：

1)现场岩心浸水实验：不同于常规气层，含气页岩其岩心在取出地面后，在岩心中仍残留天然气。页岩现场岩心浸水实验就是利用岩心中残留天然气来评价页岩的储集性能和储层结构。具体是将刚刚取出地面的页岩岩心，清洗泥浆后放入干净的清水中，观察页岩气由页岩岩心表面逸出形成气泡的状况，实现产气规律的评价。这种实验在现场应用广泛，俞雨溪(中国石油大学(华东)硕士论文，2013年)和肖红平(天然气地球科学，2016，27(10))均采用此种方法开展现场实验。但是岩心现场浸水实验存在许多限制：首先，随着岩心中气体的散失，使得对大量的岩心进行浸水实验成为不可能；其次，岩心出井后岩心内部的气体压力未知且不同的岩心内部气体压力不一致，影响了实验资料的可比性；第三，某些岩心具有相对较高的渗透性，在岩心出井筒之前岩心中的天然气已散失殆尽，无法进行现场浸水实验。

2)室内岩心渗流实验：主要是将岩心置于岩心夹持器中开展实验，通过压力、流量等数据确定页岩气流动规律，进而评价页岩气的产气规律。如Ahmad Sakhaee-Pour(SPE-146944-PA，2012，Gas Permeability of Shale)、沈瑞(科学技术与工程，2017，17(4)：55-59)、张广东(CN201710267006.9，煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价页岩气吸附方法)、康毅力(CN201510767852.8，一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法)朱争(CN201420667963.2，一种页岩气扩散系数测试装置)等。这种实验是目前室内开展页岩气流动规律的主要方法，但是通过压力和流量的测定获得的岩心产气规律是综合效应，页岩岩心中裂缝、页理的发育情况和各自对产气的贡献无法进行分别表征。

其它相似的装置和方法还包括岩心饱和装置，贺昶明(CN201410070012.1，岩心抽空加压饱和系统)主要是将岩心盛放在密封室中，通过抽真空加压方式实现介质对岩心的饱和，但是密封室无法实现内部可视，页岩岩心中裂缝、页理的发育情况和各自对产气的贡献仍然无法进行分别表征，同时密封室为立式，上部仅有一个控制阀与外部连接，不能实现气液多过程的饱和，无法观察气溢出的现象。

综上所述，目前利用岩心开展页岩产气规律的方法存在现场气体散失无法开展、实验压力不同资料缺乏对比性、无法评价裂缝与页理各自对产气的贡献等问题，因此，需要提供一种观测页岩岩心产气规律的实验装置及方法解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对目前利用岩心开展页岩产气规律的方法存在现场气体散失无法开展、实验压力不同资料缺乏对比性、无法评价裂缝与页理各自对产气的贡献的问题，提供一种观测页岩岩心产气规律的装置及方法，在室内定压条件下恢复岩心的含气性，实现压力的一致性和实验的可对比性，通过观察和记录岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化，对比评价页岩储层的储集和渗透性能以及储层发育的非均质性，最终用于页岩气勘探、开发选区和产能评价。

根据本发明的一方面，提出了一种观测页岩岩心产气规律的装置，其特征在于，该装置包括：高压可视容器，所述高压可视容器包括筒体和与所述筒体螺纹连接的端盖，所述筒体水平放置，所述筒体包括内壁和外壁，所述外壁上设置有顶部开槽处，所述端盖上设置有通气孔和通水孔；摄像装置，所述摄像装置设置于所述高压可视容器的上方，通过所述顶部开槽处记录岩心情况；照明装置，所述照明装置设置于所述高压可视容器的上方，从所述顶部开槽处射入光线；至少两个高压活塞容器，所述至少两个高压活塞容器中的一个与所述通气孔连接，注入高压实验气体；一个所述通水孔连接，注入高压清水；每一个所述高压活塞容器分别与一个高压泵连接。

优选地，所述内壁为耐压透明材质，所述外壁为耐压金属材质。

优选地，所述筒体的内部底部设置有刻度。

优选地，所述摄像装置和所述照明装置分别通过固定件设置于所述高压可视容器上方。

优选地，所述摄像装置的摄像方向能够调节。

优选地，所述高压活塞容器与所述端盖之间设置有阀门。

优选地，所述通气孔设置于所述通水孔的上方。

优选地，所述照明装置至少为1个。

根据本发明的另一方面，提出了一种观测页岩岩心产气规律的方法，该方法包括如下步骤：

1)将岩心放入所述筒体，依照所述刻度确定放置位置，并密封；

2)基于所述放置位置，调节所述摄像装置的摄像方向以及所述照明装置的亮度；

3)关闭阀门，利用高压泵将高压活塞容器中的实验气体和清水加压至第一设定值，打开控制所述通气孔的阀门，向所述高压可视容器注入高压实验气体，所述高压可视容器内的压力稳定在第一设定值后关闭控制所述通气孔的阀门；

4)打开控制所述通水孔的阀门，以第二设定值的压力注入清水，使得岩心全部浸入水中，且所述高压可视容器内的压力稳定在第二设定值后关闭控制所述通水孔的阀门；

5)调节与所述通气孔对应的高压泵的设定压力，打开控制所述通气孔的阀门，所述摄像装置同步记录在所述设定压力下岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化。

优选地，所述第一设定值和所述高压泵的设定压力均小于所述第二设定值。

本发明的有益效果在于：通过提供一种观测页岩岩心产气规律的装置及方法，实现了室内定压条件下观察和记录岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化，进而对比评价页岩储层的储集和渗透性能以及储层发育的非均质性，解决了现有技术的不足，为页岩气勘探开发奠定基础，另外，本发明提供的观测装置同样适用于致密气藏。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的观测页岩岩心产气规律的装置的示意图。

图2示出了根据本发明的观测页岩岩心产气规律的方法的流程图。

附图标记说明

1、高压可视容器；2、筒体；3、端盖；4、内壁；5、外壁；6、通气孔；7、通水孔；8、摄像装置；9、顶部开槽处；10、照明装置；11、高压活塞容器；12、高压泵；13、阀门。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述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。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

图1示出了根据本发明的观测页岩岩心产气规律的装置的示意图。

如图1所示，在该实施例中，根据本发明的观测页岩岩心产气规律的装置，该装置包括：高压可视容器1，高压可视容器1包括筒体2和与筒体2螺纹连接的端盖3，筒体2水平放置，筒体2包括内壁4和外壁5，外壁5上设置有顶部开槽处9，端盖3上设置有通气孔6和通水孔7；摄像装置8，摄像装置8设置于高压可视容器1的上方，通过顶部开槽处9记录岩心情况；照明装置10，照明装置10设置于高压可视容器1的上方，从顶部开槽处9射入光线；至少两个高压活塞容器11，至少两个高压活塞容器11中的一个与通气孔6连接，注入高压实验气体；一个通水孔7连接，注入高压清水；每一个高压活塞容器11均与一个高压泵12连接。

该实施例的目的是针对目前利用岩心开展页岩产气规律的方法存在现场气体散失无法开展、实验压力不同资料缺乏对比性、无法评价裂缝与页理各自对产气的贡献的问题，提供一种观测页岩岩心产气规律的装置及方法，在室内定压条件下恢复岩心的含气性，实现压力的一致性和实验的可对比性，通过观察和记录岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化，对比评价页岩储层的储集和渗透性能以及储层发育的非均质性，最终用于页岩气勘探、开发选区和产能评价。

在一个示例中，内壁4为耐压透明材质，外壁5为耐压金属材质。

具体地，高压可视容器1是主要部件，主要包括筒体2和端盖3两部分，两部分间采用螺纹连接密封。筒体2包含两层，内壁4为耐压透明材质，外壁5为耐压金属材质，实验时岩心放在筒体2内。

在一个示例中，筒体2的内部底部设置有刻度。

具体地，筒体2内部底部有刻度标识，用于度量气泡逸出频率及其在岩心上的位置和横向变化。

在一个示例中，摄像装置8和照明装置10分别通过固定件设置于高压可视容器1上方。

在一个示例中，摄像装置8的摄像方向能够调节。

具体地，照明装置10采用固定件使之与高压可视容器1位置相对固定，从高压可视容器1的外壁5的顶部开槽处9射入光线，为摄像提供足够亮度环境；摄像装置8采用固定件使之与高压可视容器1位置相对固定，摄像方向可调节，从高压可视容器1的外壁5顶部开槽处纪录岩心情况。

筒体2的外壁5顶部开槽，露出内壁4，使照明装置10能够通过内壁4照射至岩心，获得摄像必要的亮度，同时保证摄像装置8能够全面纪录岩心气泡溢出情况。

在一个示例中，通气孔6设置于通水孔7的上方。

具体地，端盖3上部和下部各开一个小孔，使端盖3外部与筒体2内部相通，用于注入或排出流体。高压活塞容器11至少包含两个，分别注入高压实验气体和高压清水，实验气体根据具体情况选择。高压实验气体与端盖3上部通气孔6相连，高压清水与端盖3下部通水孔7相连，上下部小孔连接方式的选择主要是考虑两种流体的重力差，使降压排出流体时由于重力差流体不会混合。

高压泵12至少包含两套，分别与两套高压活塞容器11相连，用于分别控制高压活塞容器11中的实验压力。

在一个示例中，高压活塞容器11与端盖3之间设置有阀门13，每个高压活塞容器11与端盖3间设有控制阀门13，灵活控制实验气体和清水的注入和排出。

在一个示例中，照明装置10至少为1个。

具体地，摄像装置8和照明装置10数量根据实际情况选择，保证摄像图像清晰和信息全面。

本实施例通过提供一种观测页岩岩心产气规律的装置及方法，实现了室内定压条件下观察和记录岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化，进而对比评价页岩储层的储集和渗透性能以及储层发育的非均质性，解决了现有技术的不足，为页岩气勘探开发奠定基础，另外，本发明提供的观测装置同样适用于致密气藏。

应用示例

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

本应用示例提供的观测页岩岩心产气规律的装置由高压可视容器、2套照明装置、摄像装置、2套高压活塞容器、2套高压泵、两个控制阀门组成。

高压可视容器耐压15MPa，筒体为圆柱体，长50cm、直径30cm，筒体内壁为蓝宝石材质，外壁为不锈钢材质，筒体内部底部有刻度标识，用于度量气泡逸出频率及其在岩心上的位置和横向变化。筒体不锈钢外壁顶部开槽，长度30cm，宽度3cm，露出内壁，使照明装置和摄像装置能够通过内壁实现全面纪录岩心气泡溢出情况。端盖采用不锈钢材质，上部和下部各开一个小孔，使端盖外部与筒体内部相通，上部孔用于注入或排出甲烷，下部孔用于注入或排出清水。

摄像装置采用固定件与高压可视容器位置相对固定，摄像方向可调节，从高压可视容器不锈钢外壁顶部开槽处纪录岩心情况。

照明装置包含两套，采用固定件与高压可视容器位置相对固定，从高压可视容器金属外壁顶部开槽处左右两个方向射入光线，为摄像提供足够亮度环境。

高压活塞容器包含两套，第一个高压活塞容器注入清水与端盖下部孔相连，中间采用第一个控制阀门控制流量，第二个高压活塞容器注入甲烷与端盖上部孔相连，中间采用第二个控制阀门控制流量。

高压泵包含两套，第一个高压泵与高第一压活塞容器相连，用于控制清水压力，第二个高压泵与第二个高压活塞容器相连，用于控制甲烷压力。

具体实施过程如下：

第一步：将页岩岩心放入筒体中，岩心一个端面的放置位置为标尺的15cm处，旋紧端盖与筒体间的螺纹，保证密封。

第二步：打开摄像装置和照明装置，从高压可视容器不锈钢外壁顶部开槽处根据岩心的放置位置，完成摄像装置摄像方向和照明装置亮度的调节，保证摄像效果。

第三步：第一个高压活塞容器中充入清水，第二个高压活塞容器中充入甲烷，连接端盖、控制阀门、高压容器和高压泵，端盖下部孔与第一个控制阀门、第一个高压活塞容器和第一个高压泵相连，端盖上部孔与第二个控制阀门、第二个高压活塞容器和第二个高压泵相连，形成实验流程。

第四步：关闭两个控制阀门，利用第一个高压泵将第一个高压活塞容器中清水增压至5MPa,利用第二个高压泵将第二个高压活塞容器中甲烷增压至5MPa。打开第二个控制阀门，利用第二个高压泵向高压可视容器中注入甲烷，体系充满甲烷稳定在5MPa后，关闭第二个控制阀门。

第五步：打开第一个控制阀门，利用第一个高压泵以10MPa压力向高压可视容器中注入清水，岩心全部浸入清水中，且体系压力稳定在10MPa，关闭第一个控制阀门。

第六步：设定第二个高压泵压力为6MPa，打开第二个控制阀门，使高压可视容器内的甲烷向外排出至第二个高压活塞容器内。同步摄像装置开始摄像，全面记录由10MPa降低至6MPa过程中岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化。

第七步：再次设定第二个高压泵压力为2MPa，全面记录由6MPa降低至2MPa过程中岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化。

第八步：完成摄像后，释放高压可视容器内的压力，取出岩心，实验结束。

本应用示例通过提供一种观测页岩岩心产气规律的装置及方法，实现了室内定压条件下观察和记录岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化，进而对比评价页岩储层的储集和渗透性能以及储层发育的非均质性，解决了现有技术的不足，为页岩气勘探开发奠定基础，另外，本发明提供的观测装置同样适用于致密气藏。

实施例2

根据本发明的实施例，提供了一种观测页岩岩心产气规律的方法，该方法包括如下步骤：1)将岩心放入筒体，依照刻度确定放置位置，并密封；2)基于放置位置，调节摄像装置的摄像方向以及照明装置的亮度；3)关闭阀门，利用高压泵将高压活塞容器中的实验气体和清水加压至第一设定值，打开控制通气孔的阀门，向高压可视容器注入高压实验气体，高压可视容器内的压力稳定在第一设定值后关闭控制通气孔的阀门；4)打开控制通水孔的阀门，以第二设定值的压力注入清水，使得岩心全部浸入水中，且高压可视容器内的压力稳定在第二设定值后关闭控制通水孔的阀门；5)调节与通气孔对应的高压泵的设定压力，打开控制通气孔的阀门，摄像装置同步记录在设定压力下岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化。

图2示出了根据本发明的观测页岩岩心产气规律的方法的流程图。下面参考图2详细说明根据本发明的观测页岩岩心产气规律的方法的具体步骤。

步骤201，将岩心放入筒体，依照刻度确定放置位置，并密封。

具体地，将页岩岩心放入筒体中，依照刻度确定放置位置，旋紧端盖与筒体间的螺纹，保证密封。

步骤202，基于放置位置，调节摄像装置的摄像方向以及照明装置的亮度。

具体地，打开摄像装置和照明装置，从高压可视容器金属外壁顶部开槽处根据岩心的放置位置，完成摄像装置摄像方向和照明装置亮度的调节，保证摄像效果。

步骤203，关闭阀门，利用高压泵将高压活塞容器中的实验气体和清水加压至第一设定值，打开控制通气孔的阀门，向高压可视容器注入高压实验气体，高压可视容器内的压力稳定在第一设定值后关闭控制通气孔的阀门。

具体地，高压活塞容器中充入实验气体和清水，连接端盖、控制阀门、高压活塞容器和高压泵，形成实验流程。高压实验气体与端盖上部小孔相连，高压清水与端盖下部小孔相连。

关闭两个控制阀门，分别利用高压泵将高压活塞容器中的实验气体和清水增压至第一设定值，首先打开装有实验气体的高压活塞容器与端盖间的控制阀门(上部控制阀门)，向高压可视容器及岩心中注入实验气体，达到压力设定值后关闭上部控制阀门。

步骤204，打开控制通水孔的阀门，以第二设定值的压力注入清水，使得岩心全部浸入水中，且高压可视容器内的压力稳定在第二设定值后关闭控制通水孔的阀门。

在一个示例中，第一设定值和高压泵的设定压力均小于第二设定值。

具体地，打开装有清水的高压容器与端盖间的控制阀门(下部控制阀门)，以更高的压力注入清水，保证岩心能够全部浸入水中，关闭下部控制阀门。

步骤205，调节与通气孔对应的高压泵的设定压力，打开控制通气孔的阀门，摄像装置同步记录在设定压力下岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化。

具体地，根据实验要求降低上部控制阀门对应高压泵的设定压力(低于目前高压可视容器内的压力)，再次打开上部控制阀门，使高压可视容器内的气体向外排出至高压活塞容器内。同步摄像装置开始摄像，全面记录此压力下岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化。

另外，根据实验要求可设置多个压力点，观测不同压力下岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化。完成摄像后，释放高压可视容器内的压力，取出岩心，实验结束。

本实施例通过提供一种观测页岩岩心产气规律的装置及方法，实现了室内定压条件下观察和记录岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化，进而对比评价页岩储层的储集和渗透性能以及储层发育的非均质性，解决了现有技术的不足，为页岩气勘探开发奠定基础，另外，本发明提供的观测装置同样适用于致密气藏。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

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 (10)

1.一种观测页岩岩心产气规律的装置，其特征在于，该装置包括：

高压可视容器，所述高压可视容器包括筒体和与所述筒体螺纹连接的端盖，所述筒体水平放置，所述筒体包括内壁和外壁，所述外壁上设置有顶部开槽处，所述端盖上设置有通气孔和通水孔；

摄像装置，所述摄像装置设置于所述高压可视容器的上方，通过所述顶部开槽处记录岩心情况；

照明装置，所述照明装置设置于所述高压可视容器的上方，从所述顶部开槽处射入光线；

至少两个高压活塞容器，所述至少两个高压活塞容器中的一个与所述通气孔连接，注入高压实验气体；一个所述通水孔连接，注入高压清水；

每一个所述高压活塞容器分别与一个高压泵连接。

2.根据权利要求1所述的观测页岩岩心产气规律的装置，其中，所述内壁为耐压透明材质，所述外壁为耐压金属材质。

3.根据权利要求1所述的观测页岩岩心产气规律的装置，其中，所述筒体的内部底部设置有刻度。

4.根据权利要求1所述的观测页岩岩心产气规律的装置，其中，所述摄像装置和所述照明装置分别通过固定件设置于所述高压可视容器上方。

5.根据权利要求1所述的观测页岩岩心产气规律的装置，其中，所述摄像装置的摄像方向能够调节。

6.根据权利要求1所述的观测页岩岩心产气规律的装置，其中，所述高压活塞容器与所述端盖之间设置有阀门。

7.根据权利要求1所述的观测页岩岩心产气规律的装置，其中，所述通气孔设置于所述通水孔的上方。

8.根据权利要求1所述的观测页岩岩心产气规律的装置，其中，所述照明装置至少为1个。

9.一种观测页岩岩心产气规律的方法，利用权利要求1-8任一所述的观测页岩岩心产气规律的装置，该方法包括如下步骤：

1)将岩心放入所述筒体，依照所述刻度确定放置位置，并密封；

2)基于所述放置位置，调节所述摄像装置的摄像方向以及所述照明装置的亮度；

3)关闭阀门，利用高压泵将高压活塞容器中的实验气体和清水加压至第一设定值，打开控制所述通气孔的阀门，向所述高压可视容器注入高压实验气体，所述高压可视容器内的压力稳定在第一设定值后关闭控制所述通气孔的阀门；

4)打开控制所述通水孔的阀门，以第二设定值的压力注入清水，使得岩心全部浸入水中，且所述高压可视容器内的压力稳定在第二设定值后关闭控制所述通水孔的阀门；

5)调节与所述通气孔对应的高压泵的设定压力，打开控制所述通气孔的阀门，所述摄像装置同步记录在所述设定压力下岩心中气逸出的强度、溢出气泡点的数量和频率及其在岩心上的位置和横向变化。

10.根据权利要求9所述的观测页岩岩心产气规律的方法，其中，所述第一设定值和所述高压泵的设定压力均小于所述第二设定值。