CN110514527A - 一种获取煤储层压力中气压和水压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，利用样品吸附气体产生的吸附膨胀变形率随气体压力的变化、样品吸附水产生的吸附膨胀变形率随水压的变化和样品吸附气体和水产生的吸附膨胀变形率随储层压力的变化，来获取储层压力中的气压和水压。本发明公布的方法实施较为方便，测量较为准确，能够广泛应用在煤层气开发技术领域。

Description

一种获取煤储层压力中气压和水压的方法
技术领域
本发明涉及煤层气开发技术领域，具体是指一种获取煤储层压力中气压和水压的方法。
背景技术
通常认为煤储层由煤基质和其中的孔裂隙组成，煤层气主要以吸附态存在于煤基质表面，产出过程中需要不断降低储层压力，储层压力包括气压和水压两部分。根据煤层气产出过程中气、水产出情况，可将煤层气排采过程分为三大阶段，即第一阶段的水单相流阶段，主要是水压的变化，第二阶段的非饱和流和气水两相流阶段，是水压和气压共同变化，第三阶段的气体单相流阶段，主要是气压的传递。随气、水的不断产出，煤基质不断收缩，鉴于煤基质对气、水的吸附解吸具有可逆性，通常通过物理模拟方法研究煤体中气、水的吸附特征来反映煤体中气、水的解吸特征，在驱替物理模拟过程中，通常认为流体(气体或水)的注入压力即为样品中的孔隙压力(也称储层压力)；若只存在气，则注入压力相当于气压；若只存在水，则注入压力相当于水压；若气和水共存，则注入压力相当于储层压力。煤体对气、水的吸附会导致煤基质的吸附变形。气、水在煤基质表面的吸附变形可认为符合Langmuir规律，在气水两相流阶段，煤基质的变形是气、水两者的综合作用。在煤储层中，特别是煤层气排采过程中，如何将储层压力中的气压和水压区分开来，一直是研究的难点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，利用样品吸附气体产生的吸附膨胀变形率随气体压力的变化、样品吸附水产生的吸附膨胀变形率随水压的变化以及样品吸附气体、水产生的吸附膨胀变形率随煤储层压力的变化，来获取煤储层压力中的气压和水压。
进一步地，包括以下步骤：
(1)利用带有围压和轴压加载装置的吸附变形测量仪，将干燥样品在加载一定的围压P1和轴压P2条件下抽真空除去样品中的气体；
(2)将测试气体以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体产生的吸附膨胀变形率；
(3)将水以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附水产生的吸附膨胀变形率；
(4)先将样品在一定注入压力条件下饱水，然后将测试气体以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体和水产生的吸附膨胀变形率；
或者
将样品在一定注入压力条件下饱气，然后将水以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体和水产生的吸附膨胀变形率。
进一步地，在步骤(1)中，使用同一个样品，或者使用在同一个煤样中获得的物理性质一致的不同样品；
当使用同一个样品时，在步骤(2)结束后，不用卸载样品，直接抽真空之后，继续进行步骤(3)，步骤(3)结束之后，继续进行步骤(4)，但需要将样品取出抽真空干燥，重新装样，重复步骤(1)，然后进行步骤(4)；
当使用物理性质一致的不同样品时，在每一步测试结束后拆掉样品，开始测试前均需首先重复步骤(1)。
进一步地，在步骤(2)和步骤(3)中，注入压力的设置按照从低压至高压的顺序依次升高，当一个注入压力点吸附平衡后，升高至后续注入压力点。
进一步地，实验过程中，样品的出气端可以封闭或打开，但步骤(2)至步骤(4)应保持一致。
进一步地，根据步骤(2)中气体注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用Langmuir公式拟合可得气体在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据步骤(3)中水的注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用Langmuir公式拟合可得水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据步骤(4)，利用Langmuir公式拟合注入压力和吸附膨胀变形率的关系，可得气体和水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据煤基质变形由气体和水共同产生以及储层压力由气压和水压组成，可得如下计算公式：
ε＝εg+εw (4)
P＝Pw+Pg (5)
式中：εg和εw分别为吸附气体和水产生的煤基质膨胀变形率，通过步骤(2)和步骤(3)测量获得；Pg和Pw分别为气体和水的分压，P为储层压力，即注入压力；εgL、εwL和εL分别为吸附气体产生的最大煤基质膨胀变形率、吸附水产生的最大煤基质膨胀变形率和吸附气、水共同产生的最大煤基质膨胀变形率，可利用注入压力和吸附膨胀变形率数据，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)分别拟合得到；PgL、PwL和PεL均为朗格缪尔拟合参数，可利用注入压力和吸附膨胀变形率数据，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)分别拟合得到；ε为吸附气、水产生的总煤基质膨胀变形率，通过步骤(4)测量获得；
根据公式(1)至公式(5)，能够获得气、水共存时储层压力中气压和水压的数值。
进一步地，在初始线性阶段，根据步骤(2)中气体注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用线性公式拟合可得气体在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
εg＝cgPg+dg (6)
根据步骤(3)中水的注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用线性公式拟合可得水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
εw＝cwPw+dw (7)
根据步骤(4)，利用线性公式拟合注入压力和吸附膨胀变形率的关系，可得气体和水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
ε＝cP+d (8)
根据煤基质变形由气体和水共同产生以及储层压力由气压和水压组成的关系，可得如下计算公式：
ε＝εg+εw (9)
P＝Pw+Pg (10)
式中：c和d分别表示斜率和截距，可利用注入压力和吸附膨胀变形率的数据根据公式(6)、公式(7)和公式(8)拟合获得，下标g和w分别表示气和水；εg和εw分别为吸附气体和水产生的煤基质膨胀变形率，通过步骤(2)和步骤(3)测量获得；Pg和Pw分别为气体和水的分压；P为储层压力，即注入压力；
根据公式(6)至公式(10)可得初始阶段气压和水压的表达式为：
采用以上方法后，本发明具有如下优点：
通过使用本发明提供的方法，从而在煤基质吸附膨胀变形率测量基础上能够快速获取不同储层压力条件下气压和水压的分压值。
附图说明
图1为气驱、水驱和气驱水过程中，吸附膨胀变形率与注入压力的变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
结合附图1，一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，利用样品吸附气体产生的吸附膨胀变形率随气体压力的变化、样品吸附水产生的吸附膨胀变形率随水压的变化和样品吸附气体和水产生的吸附膨胀变形率随储层压力的变化，来获取储层压力中的气压和水压。
在具体实施时，包括以下步骤：
(1)利用带有围压和轴压加载装置的吸附变形测量仪将干燥样品，在加载一定的围压P1和轴压P2条件下抽真空除去样品中的气体；
(2)将测试气体(如：CH4、N2、CO2)以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体产生的吸附膨胀变形率；
(3)将水以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附水产生的吸附膨胀变形率；
(4)先将样品在一定注入压力条件下饱水，然后将测试气体(如：CH4、N2、CO2)以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体和水产生的吸附膨胀变形率；
或者
将样品在一定注入压力条件下饱气，然后将水以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体和水产生的吸附膨胀变形率。
以上实验步骤中，可以使用同一个样品，也可以使用在同一个煤样中获得的物理性质一致的不同样品；若使用同一个样品，在步骤(2)结束后，不用卸载样品，直接抽真空之后，继续进行步骤(3)，步骤(3)结束之后，继续进行步骤(4)，则需要将样品取出抽真空干燥，重新装样，重复步骤(1)，然后进行步骤(4)；若步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)使用物理性质一致的不同样品，则每一步测试结束后均需拆掉样品，开始测试前均需首先重复步骤(1)。
注入压力的设置按照从低压至高压的顺序依次升高，当一个注入压力点吸附平衡后，升高至后续注入压力点。
以上注入气体或水驱替过程中，出口端可以封闭或打开，但步骤(2)至步骤(4)应保持一致。
根据步骤(2)中气体注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用Langmuir公式拟合可得气体在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据步骤(3)中水的注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用Langmuir公式拟合可得水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据步骤(4)，利用Langmuir公式拟合注入压力和吸附膨胀变形率的关系，可得气体和水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据煤基质变形由吸附气体和水共同产生以及储层压力由气压和水压组成，可得如下计算公式：
ε＝εg+εw (4)
P＝Pw+Pg (5)
式中：εg和εw分别为吸附气体和水产生的煤基质膨胀变形率，通过步骤(2)和步骤(3)测量获得；Pg和Pw分别为气体和水的分压；P为储层压力，即注入压力；εgL、εwL和εL分别为吸附气体产生的最大煤基质膨胀变形率、吸附水产生的最大煤基质膨胀变形率和吸附气、水共同产生的最大煤基质膨胀变形率，可利用注入压力和吸附膨胀变形率数据，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)分别拟合得到；PgL、PwL和PεL均为朗格缪尔拟合参数，可利用注入压力和吸附膨胀变形率数据，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)分别拟合得到；ε为吸附气、水产生的总煤基质膨胀变形率，通过步骤(4)测量获得。
根据公式(1)至公式(5)，能够获得气、水共存时储层压力中气压和水压的数值。
受煤样实际物理性质的影响，实际实验过程中难以获得较高注入压力下的吸附膨胀变形率。现有设备的要求在提高注入压力的同时，必须提高围压，围压的增大，又增大了样品所受的有效应力，导致样品的渗透率进一步降低。流体通过样品更加困难；若选用裂隙特别发育的样品，虽然样品渗透率得到了极大提高，但其抗压强度较低，难以承受较大的围压和轴压。特别是在一定的轴压和围压状态下，长时间连续模拟流体产出过程时，样品会突然断裂，导致失败。因此，驱替实验物理模拟过程中，能够得到初始线性阶段吸附膨胀变形率随注入压力的变化。
在初始线性阶段，根据步骤(2)中气体注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用线性公式拟合可得气体在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
εg＝cgPg+dg (6)
根据步骤(3)中水的注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用线性公式拟合可得水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
εw＝cwPw+dw (7)
根据步骤(4)，利用线性公式拟合注入压力和吸附膨胀变形率的关系，可得气体和水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
ε＝cP+d (8)
根据煤基质变形由吸附气体和水共同产生以及储层压力由气压和水压组成，可得如下计算公式：
ε＝εg+εw (9)
P＝Pw+Pg (10)
式中：c和d分别表示斜率和截距，可利用注入压力和吸附膨胀变形率的数据根据公式(6)、公式(7)和公式(8)拟合获得，下标g和w分别表示气和水；εg和εw分别为吸附气体和水产生的煤基质最大膨胀变形率，通过步骤(2)和步骤(3)测量获得；Pg和Pw分别为气体和水的分压；P为储层压力，即注入压力。
根据公式(6)至公式(10)可得初始阶段气压和水压的表达式为：
实施例：
以氮气驱替、水驱替和氮气驱替水为例，在轴压和围压分别为5MPa条件下，说明初始线性阶段，获取氮气驱替水过程中气压和水压的数值的方法。
根据步骤(2)获得氮气驱替过程中不同注入压力条件下煤基质的吸附膨胀变形率，如图1所示，将注入压力和煤基质吸附膨胀变形率利用线性公式拟合可得氮气驱替过程中吸附膨胀变形率的计算公式：
εg＝0.0151Pg-0.0013 (13)
根据步骤(3)获得水驱替过程中不同注入压力条件下煤基质的吸附膨胀变形率，如图1所示，将注入压力和煤基质吸附膨胀变形率利用线性公式拟合可得水驱替过程中吸附膨胀变形率的计算公式：
εw＝0.0486Pw+0.0019 (14)
根据步骤(4)获得氮气驱替水过程中不同注入压力条件下煤基质的吸附膨胀变形率，如图1所示，将注入压力和煤基质吸附膨胀变形率利用线性公式拟合可得氮气驱替水过程中吸附膨胀变形率的计算公式：
ε＝0.0251P-0.0003 (15)
根据公式(13)至(15)可获得cg、cw、c、dg、dw和d，如表1所示，
表1参数列表
将表1中的参数数值代入公式(11)和公式(12)可得氮气驱替水过程中，气压和水压的计算公式分别为：
根据公式(16)和(17)可得氮气驱替水过程中，不同储层压力下，储层压力中的气压值和水压值，如表2所示。
表2氮气驱替水过程中储层压力中气压值和水压值
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，其特征在于，利用样品吸附气体产生的吸附膨胀变形率随气体压力的变化、样品吸附水产生的吸附膨胀变形率随水压的变化以及样品吸附气体、水产生的吸附膨胀变形率随煤储层压力的变化，来获取煤储层压力中的气压和水压。
2.根据权利要求1所述的一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用带有围压和轴压加载装置的吸附变形测量仪，将干燥样品在加载一定的围压P1和轴压P2条件下抽真空除去样品中的气体；
(2)将测试气体以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体产生的吸附膨胀变形率；
(3)将水以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附水产生的吸附膨胀变形率；
(4)先将样品在一定注入压力条件下饱水，然后将测试气体以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体和水产生的吸附膨胀变形率；
或者
将样品在一定注入压力条件下饱气，然后将水以不同的注入压力注入样品中，测量不同注入压力下煤基质吸附气体和水产生的吸附膨胀变形率。
3.根据权利要求2所述的一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，在步骤(1)中，使用同一个样品，或者使用在同一个煤样中获得的物理性质一致的不同样品；
当使用同一个样品时，在步骤(2)结束后，不用卸载样品，直接抽真空之后，继续进行步骤(3)，步骤(3)结束之后，继续进行步骤(4)，但需要将样品取出抽真空干燥，重新装样，重复步骤(1)，然后进行步骤(4)；
当使用物理性质一致的不同样品时，在每一步测试结束后拆掉样品，开始测试前均需首先重复步骤(1)。
4.根据权利要求2所述的一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，其特征在于，在步骤(2)和步骤(3)中，注入压力的设置按照从低压至高压的顺序依次升高，当一个注入压力点吸附平衡后，升高至后续注入压力点。
5.根据权利要求2所述的一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，其特征在于，实验过程中，样品的出气端可以封闭或打开，但步骤(2)至步骤(4)应保持一致。
6.根据权利要求2所述的一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，其特征在于，根据步骤(2)中气体注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用Langmuir公式拟合可得气体在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据步骤(3)中水的注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用Langmuir公式拟合可得水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据步骤(4)，利用Langmuir公式拟合注入压力和吸附膨胀变形率的关系，可得气体和水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
根据煤基质变形由吸附气体和水共同产生以及储层压力由气压和水压组成，可得如下计算公式：
ε＝εg+εw (4)
P＝Pw+Pg (5)
式中：εg和εw分别为吸附气体和水产生的煤基质变形率，通过步骤(2)和步骤(3)测量获得；Pg和Pw分别为气体和水的分压，P为储层压力，即注入压力；εgL、εwL和εL分别为吸附气体产生的最大煤基质膨胀变形率、吸附水产生的最大煤基质膨胀变形率和吸附气、水共同产生的最大煤基质膨胀变形率，可利用注入压力和吸附膨胀变形率数据，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)分别拟合得到；PgL、PwL和PεL均为朗格缪尔拟合参数，可利用注入压力和吸附膨胀变形率数据，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)分别拟合得到；ε为吸附气、水产生的总煤基质膨胀变形率，通过步骤(4)测量获得；
根据公式(1)至公式(5)，能够获得气、水共存时储层压力中气压和水压的数值。
7.根据权利要求2所述的一种获取煤储层压力中气压和水压的方法，其特征在于，在初始线性阶段，根据步骤(2)中气体注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用线性公式拟合可得气体在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
εg＝cgPg+dg (6)
根据步骤(3)中水的注入压力和测量的对应吸附膨胀变形率，利用线性公式拟合可得水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
εw＝cwPw+dw (7)
根据步骤(4)，利用线性公式拟合注入压力和吸附膨胀变形率的关系，可得气体和水在煤基质表面吸附膨胀变形率的计算公式如下：
ε＝cP+d (8)
根据煤基质变形由吸附气体和水共同产生以及储层压力由气压和水压组成的关系，可得如下计算公式：
ε＝εg+εw (9)
P＝Pw+Pg (10)
式中：c和d分别表示斜率和截距，可利用注入压力和吸附膨胀变形率的数据根据公式(6)、公式(7)和公式(8)拟合获得，下标g和w分别表示气和水；εg和εw分别为吸附气体和水产生的煤基质变形率，通过步骤(2)和步骤(3)测量获得；Pg和Pw分别为气体和水的分压；P为储层压力，即注入压力；
根据公式(6)至公式(10)可得初始阶段气压和水压的表达式为：
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