CN110672487A - 一种致密岩石绝对渗透率的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种致密岩石绝对渗透率的预测方法，包括步骤为：获取解析样品并记录解析样品的第一参数；对解析样品进行井场含气量解析实验，得到累积解析气量‑时间曲线图；测定解析样品的第二参数；以地层压力为初始条件，提钻过程中的泥浆柱压力为边界条件，选取表观渗透率方程通式和质量守恒方程拟合累积解析气量‑时间曲线图，确定具体表观渗透率方程，求得绝对渗透率。通过上述方式，本发明结合了井场含气量解析实验和气体流动物理模型，采用数值计算方法确定致密岩石渗透率方程和绝对渗透率的预测方法，能够应用于致密岩石中油气运输过程的模拟计算。

Description

一种致密岩石绝对渗透率的预测方法

技术领域

本发明涉及非常规油气勘探开发技术领域，特别是涉及一种致密岩石绝对渗透率的预测方法。

背景技术

渗透率是任何储层岩石油气生产过程中需要的基本参数之一。绝对渗透率是储层岩石允许流体通过其孔隙的能力，代表了地层的通流能力。传统砂岩、灰岩等储层的绝对渗透率一般为毫达西，像页岩和粉砂岩这样的致密储层的绝对渗透率只有几个微达西(甚至纳达西)。常规储层的绝对渗透率通常采用稳态流动实验或非稳态(脉冲)方法测定，详细的实验技术可参阅相关书籍(Kantzas et al.，Fundamentals of fluid flow in porousmedia)。由于富有机质页岩具有超低渗透率，页岩渗透率测试一方面非常耗时，另一方面不遵循与常规储层相似的机理，因此实验研究开展得相对较少(Moghadam and Chalaturnyk,2015,Laboratory investigation of shale permeability,SPE-175919-MS；Moghaddamand Jamiolahmady,2016,Slip flow in porous media,Fuel,173:298-310；Chen et al.,2019,Experimental study of permeability change of organic-rich gas shalesunder high effective stress.Journal of Natural Gas Science and Engineering,64:1-14.)。由于页岩孔隙以纳米尺度为主，滑脱流和过渡流占绝对优势，因此页岩渗透率测试所获得的结果不是一个常数，而是压力的函数。也就是说，页岩渗透率测试所获得的是一系列不同压力条件下的表观渗透率值。Klinkenberg(1941)最早基于渗透率实验提出表观渗透率是压力倒数的一阶函数方程用于获得致密岩石的绝对渗透率(截距即为绝对渗透率)，以及预测不同压力下的表观渗透率。然而，页岩渗透率与压力的依赖关系远比Klinkenberg公式复杂得多，Moghadam and Chalaturnyk(2014)提出了更适用于低渗介质的Klinkenberg公式的扩展式，Montney和Marcellus页岩实验数据证实扩展式优于Klinkenberg公式(Moghadam and Chalaturnyk,2015)，Moghaddam and Jamiolahmady(2016)通过稳态流动和非稳态脉冲渗透率实验发现Barnett、Eagle Ford和Pierre页岩的渗透率与压力倒数之间大致为二阶函数方程。专利CN106442251B公布了一种基于现场页岩含气量测试数据的有效渗透率测量方法，为评定不同温度下页岩的出气能力和有效渗流能力提供实验技术手段。从该专利公布的实施例中，第二容器的水浴温度是不断变化的，未测定第一容器岩心罐内温度，因此计算结果存在较大误差，而且实验条件也不符合井场含气量解析实验条件(水浴温度保持恒定)，更重要的是，所获得的有效渗透率与温度和压力都相关，而实际页岩气开采处在基本稳定的温度环境，所以根据专利CN106442251B公布的方法获得的有效渗透率参数对生产实际不具有参考意义。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种致密岩石绝对渗透率的预测方法，能够用于弥补除实验测试方法之外的超低渗致密岩石绝对渗透率的确定。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种致密岩石绝对渗透率的预测方法，包括步骤为：(1)获取解析样品并记录解析样品的第一参数；(2)对所述解析样品进行井场含气量解析实验，得到累积解析气量-时间曲线图；(3)测定所述解析样品的第二参数；(4)以地层压力为初始条件，提钻过程中的泥浆柱压力为边界条件，选取表观渗透率方程通式和质量守恒方程拟合步骤(2)得到的累积解析气量-时间曲线图，确定具体表观渗透率方程，求得绝对渗透率。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(1)中所述解析样品为致密砂岩、页岩或煤。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(1)中所述解析样品的第一参数包括尺寸、深度、起钻时间、到达井口时间、解析实验开始时间、地层压力、泥浆密度。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(3)中所述解析样品的第二参数包括孔隙度、岩石密度、Langmuir体积、Langmuir压力。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(4)中所述表观渗透率方程通式为：

其中k_∞为绝对渗透率，P为压力，c、c₁、c₂、α、A为未知系数。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(4)中所述表观渗透率方程通式的一阶方程适用于滑脱流，二阶方程适用于滑脱流和过渡流早期，高阶方程适用于滑脱流-过渡流-努森流。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(4)中所述质量守恒方程为：

(1)

(2)

(3)

其中公式(1)用于致密砂岩气，公式(2)用于页岩气，公式(3)用于煤层气，ρ_g为气体密度，φ为含气孔隙度，ρ_r为岩石密度，ρ_std为气体标况密度，V_L为Langmuir体积，P_L为Langmuir压力。

本发明的有益效果是：本发明公布的致密岩石绝对渗透率的预测方法，结合了井场含气量解析实验和气体流动物理模型，采用数值计算方法确定致密岩石渗透率方程和绝对渗透率的预测方法，能够应用于致密岩石中油气运输过程的模拟计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明实施例中J2井龙马溪组页岩样品(2545.65m)的现场含气量解析实验数据图；

图2是本发明实施例中的模型拟合结果图；

图3是本发明实施例中的表观渗透率曲线图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以涪陵地区J2井龙马溪组页岩为例，具体阐述致密岩石绝对渗透率预测方法的实施过程。

(1)现场含气量解析实验及相关参数

涪陵地区J2井龙马溪组页岩岩芯样品取自埋深2545.55-2545.75m，样品几何形态为规则的圆柱形，直径10cm，长度20cm，重量3555克。地层压力为37.7MPa，泥浆密度为1550kg/m³。岩芯起钻时间为7月24日23:30:00，到达井口时间为7月25日6:00:00，解析实验开始时间为7月25日6:17:00。得到累积解析气量-时间曲线图，解析实验水浴温度为53度，与泥浆循环温度相同。将含气量解析数据换算为标况下气体体积，得到累积解析气量-时间曲线图，如图1所示。图1展示了J2井龙马溪组页岩样品(2545.65m)最初2.81个小时的累积解析气量数据，获得总解析气量1790ML。

致密砂岩气、页岩气和煤层气勘探过程中井场最重要的一项实验测试为含气量解析实验，采用恒温水浴和排水集气装置测定岩芯内气体释放过程(范明，俞凌杰，中国石化无锡石油地质研究所实验地质技术之页岩气现场含气量测试技术，石油实验地质,2015,37(4):535-535；CN108982289A，一种页岩气现场解析装置及方法；CN103063545A，一种新型页岩含气量测试仪和页岩含气量测定方法；CN103808592A，页岩气含气量测定仪；CN105203428A，一种页岩含气量中损失气含量的确定方法；CN105223099A，页岩气含气量测试仪及其测试方法)，采集解析气量数据，根据解析气量数据与时间的关系推算含气量(USBM法)，该实验方法提供本发明所需要的原始数据(解析气量-时间曲线)，当然也可以采用实验室内岩芯脱气实验数据。尺寸、深度、起钻时间、到达井口时间、解析实验开始时间、地层压力、泥浆密度等参数在拟合时都是需要用到的，拟合的方程是压力在时间(提钻时间、解析时间)和空间(岩芯尺度)上的变化函数。

(2)井场现场解析实验完成之后，对解析样品取柱塞样和碎屑样品开展孔隙度测定和等温吸附实验，此实验是通过室内实验测定的。页岩、致密砂岩、煤的第二参数是不同的。获得页岩孔隙度为5％，Langmuir体积2.02ml/g，Langmuir压力为2.86MPa，岩石密度为2556kg/m³。以地层压力37.7MPa为拟合计算的初始条件，提钻过程中的泥浆柱压力[0.01519×(2475.8-0.1088×t)+0.101(MPa)]为边界条件，选用表观渗透率二阶方程和质量守恒方程(2)拟合图1实验数据，拟合结果见图2，模型计算结果与实测数据非常吻合。

根据以上拟合结果，确定系数，求得图3表观渗透率曲线，二阶方程为：

k＝-5.0806/P²+68.734/P+3.5597

因此，J2井2545.55-2545.75m龙马溪组岩芯绝对渗透率为3.56nD。

本发明的原理及涉及的公式为：

对于温度恒定、形状规则(半径固定的圆柱形)的岩芯而言，岩石内部气体质量守恒，即等式左边表示岩石内气体浓度变化，右边表示流出岩石的流量。

不同致密岩石中气体赋存形式决定气体浓度组成，对于致密砂岩气来说，气体浓度只与游离气有关，而页岩中气体浓度包含游离气和吸附气，对煤层气来说只与吸附气有关。

流速对于致密岩石来说，k为表观渗透率，μ为气体粘度。气体粘度可根据LGE公式(Lee et al.,1966,The viscosity of natural gases)或是其他公式直接计算。表观渗透率则是本发明方法所要确定的参数，根据微纳米尺度气体流动基本原理(Karniadakis G.,Beskok A.,Aluru N.,2005,Microflows and nanoflows:Fundamentalsand simulation,Springer)，表观渗透率与压力之间存在三种函数关系：

一阶k＝k_∞(1+cK_n)

二阶

高阶

k∞为绝对渗透率，努森系数

A为常数，以上公式改写为：

k_∞为绝对渗透率，P为压力，c、c₁、c₂、α、A为未知系数。

一阶方程即为Klinkenberg公式，适用于滑脱流，二阶方程适用于滑脱流和过渡流早期，高阶方程适用于滑脱流-过渡流-努森流。因此，在实际应用中，需要针对具体情况(孔隙压力和孔径分布)选择合适的公式求绝对渗透率。

质量守恒方程可改写为：

(1)

(2)

(3)

公式(1)用于致密砂岩气，公式(2)用于页岩气，公式(3)用于煤层气。公式(1)用于致密砂岩气，公式(2)用于页岩气，ρ_g为气体密度，φ为含气孔隙度，ρ_r为岩石密度，ρ_std为气体标况密度，V_L为Langmuir体积，P_L为Langmuir压力。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种致密岩石绝对渗透率的预测方法，其特征在于，包括步骤为：(1)获取解析样品并记录解析样品的第一参数；(2)对所述解析样品进行井场含气量解析实验，得到累积解析气量-时间曲线图；(3)测定所述解析样品的第二参数；(4)以地层压力为初始条件，提钻过程中的泥浆柱压力为边界条件，选取表观渗透率方程通式和质量守恒方程拟合步骤(2)得到的累积解析气量-时间曲线图，确定具体表观渗透率方程，求得绝对渗透率。

2.根据权利要求1所述的致密岩石绝对渗透率的预测方法，其特征在于，步骤(1)中所述解析样品为致密砂岩、页岩或煤。

3.根据权利要求1所述的致密岩石绝对渗透率的预测方法，其特征在于，步骤(1)中所述解析样品的第一参数包括尺寸、深度、起钻时间、到达井口时间、解析实验开始时间、地层压力、泥浆密度。

4.根据权利要求1所述的致密岩石绝对渗透率的预测方法，其特征在于，步骤(3)中所述解析样品的第二参数包括孔隙度、岩石密度、Langmuir体积、Langmuir压力。

5.根据权利要求1所述的致密岩石绝对渗透率的预测方法，其特征在于，步骤(4)中所述表观渗透率方程通式为：

其中k_∞为绝对渗透率，P为压力，c、c₁、c₂、α、A为未知系数。

6.根据权利要求5所述的致密岩石绝对渗透率的预测方法，其特征在于，步骤(4)中所述表观渗透率方程通式的一阶方程适用于滑脱流，二阶方程适用于滑脱流和过渡流早期，高阶方程适用于滑脱流-过渡流-努森流。

7.根据权利要求1所述的致密岩石绝对渗透率的预测方法，其特征在于，步骤(4)中所述质量守恒方程为：

(1)

(2)

(3)

其中公式(1)用于致密砂岩气，公式(2)用于页岩气，公式(3)用于煤层气，ρ_g为气体密度，φ为含气孔隙度，ρ_r为岩石密度，ρ_std为气体标况密度，V_L为Langmuir体积，P_L为Langmuir压力。

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