CN110927359B - 一种低渗透多孔介质取心过程中损失气含量实验测试装置及方法 - Google Patents
一种低渗透多孔介质取心过程中损失气含量实验测试装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种低渗透多孔介质取心过程中损失气含量实验测试装置及方法，属于多孔介质储层中气态资源勘探开发实验技术领域。其中模拟测试装置包括用于容纳多孔介质岩心样品的模拟罐5；用于控制所述模拟罐5的水浴恒温控制系统6；与所述模拟罐5连接，用于向所述模拟罐5内输送气体的气源1；与所述模拟罐5连接，用于缓冲、稳定所述模拟罐5内气体的参考罐4；与所述模拟罐5连接的抽真空设备3；以及，与所述模拟罐5连接的气体流量计量设备7。采用本发明能够准确模拟测试多孔介质取心过程中的损失气量。
Description
技术领域
本发明涉及多孔介质气体资源勘探开发实验技术领域，特别涉及低渗透多孔介质取心过程中损失气含量测试模拟实验技术。
背景技术
非常规天然气是从低渗透多孔介质储层中开发出来的天然气，比如煤、页岩等，是一种重要的天然气资源。在非常规天然气开发过程中，需要对低渗透多孔介质中含气储量进行准确评价。由于相当部分非常规气以吸附气的形式存在于储层中，因此不能通过简单的测定储层有效空隙体积来评价非常规气储量，而是要通过现场取心、测试含气量实验来计算非常规气储量。中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6940-2013《页岩含气量测定方法》、GB/T 19559-2008煤层气含量测定方法对现场含气量实验过程做了规定。根据上述标准的规定，现场含气量实验中结果包括解吸气量、残余气量和损失气量三部分的总和。其中，损失气量是指岩心样品从井底开始解吸到封罐之前所解吸出的气体体积。
目前，通常通过数学模型对损失气量进行模拟计算，例如通过USBM(UnitedStates Bureau of Mine)法进行回归计算。在使用上述技术的过程中，申请人发现现有技术中至少存在以下问题：目前在对含气量损失气量进行模拟计算时所采用的数学模型所依据的条件与岩心样品从井底开始解吸到封罐之前所经历的条件并不相同，从而使得通过数学模型模拟计算得到的损失气量与实际情况并不相符，影响最终对页岩气储量计算的准确性。
中国专利文献CN 106370260 A公开了“一种页岩含气量测试中损失气量的测量方法”，其采用单罐加上各种泵实现模拟取心过程，直接测量损失气量，具体是通过先注入甲烷气体，再注入钻井液，采用泵作为压力变化的工具，模拟页岩取心过程，该方法适合物性较好，含气量较高的岩心，唯此岩心内气体才能突破岩心周围液态、气态与多孔介质混合作用，实现损失气准确测量。
而对于低渗透多孔介质，其含气量相对较小，岩心内部含有一部分游离气与吸附态气体，比如含有游离气与吸附气的页岩或者吸附气占比大的煤岩，采用上述方法，则难以对损失气进行精确测量。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供低渗透多孔介质取心过程中损失气含量测试模拟实验装置。
本发明包括以下的技术方案：
一种低渗透多孔介质取心过程中损失气含量实验测试装置，包括：用于容纳样品的模拟罐；用于控制所述模拟罐温度的水浴恒温控制系统；与所述模拟罐连接，用于向所述模拟罐内输送气体的气源；以及与所述模拟罐连接的气体流量计量设备、压力传感器和温度传感器。所述装置还包括连接在所述模拟罐与所述气源之间，用于缓冲、稳定所述模拟罐内气体的参考罐；所述参考罐连接抽真空设备，连接管路上设置闸阀；在所述气源和所述参考罐、模拟罐之间的管路上设置有减压阀和闸阀。
使用本发明提供的测试装置，将采集自气井井底的岩心样品放入模拟罐中，首先通过抽真空设备除去模拟罐内和吸附在岩心样品上的气体，之后通过气源向模拟罐内通入甲烷气体，使罐内压力升至储层压力并达到平衡，从而使岩心样品恢复至未被采集前、位于气井井底的状态。同时，通过温度控制设备控制模拟罐的温度，以此来模拟岩心样品从井底至样品罐封罐前所经历的环境条件的变化。在此过程中通过气体流量计量设备来计量在岩心样品从井底至样品罐封罐期间，从岩心样品中解吸出来的气体的体积，所得到的气体的体积减去自由空间排除体积的差值即为样品含气量测试中的损失气量。
本发明进一步提出一种利用上述装置进行模拟实验的方法，包括以下步骤：
步骤a，调节水浴温度恢复至储层温度；
步骤b，测量并记录样品体积、质量；
步骤c，将岩心样品放入所述模拟罐中,进行气密性检测；
步骤d，通过所述抽真空设备对所述模拟罐进行抽真空；
步骤e，通过所述温度控制设备使所述模拟罐的温度达到采集所述岩心样品的气井的井底温度，之后通过所述气源向所述模拟罐内通入甲烷气体，并使所述模拟罐内的压力等于所述气井的井底压力；
步骤f，模拟钻井取心提钻时页岩岩心受钻井液柱压力下降过程，控制压降速率与水浴温度，使罐内压力在相当于提钻过程的时间内将到井口气压，水浴温度同时降至室温，并准确计量气体排出量；
步骤g，对所述测试装置自由空间体积在相应压力降、温度降下甲烷气体释放量进行计算；
根据波义耳定律和实际气体状态方程，可以测量试样的吸附平衡气体含量:
其中，Vd代表所述模拟罐内自由空间体积，Pe代表平衡点压力，Ze代表平衡点压力对应的偏差系数，Pi代表i点所述罐内压力，Zi代表i点所述罐内压力对应气体偏差系数，TB代表标准状态下温度，Tiactural代表罐内实际温度，R代表气体状态常数；
在试验中，当试样箱的压力降低时，所排出的气体量包括两部分。其中一部分为试样储罐自由空间压降所排放的气体体积(Qei)，另一部分为从试样中脱附的体积(Qj)。第i时刻试样的解吸能力为:
Qj＝Qi-Qei。
步骤h，计量气体排出量减去自由空间在相应压降温度降下排量即得到所述损失气量。
本发明提供的模拟测试装置及方法，采用自由空间气体压力变化模拟岩心取心过程，使用介质为气态。采用双罐配套水浴恒温系统，通过充气补偿、温度恢复，压力升至储层压力等手段平衡后，通过参考槽等标定自由空间体积，通过岩心周围自由空间气体压力变化模拟页岩取心过程，利用气体压缩性，减压阀，视整个过程为平衡态等手段实现损失气量求取，能够真实模拟岩心样品自井底被采集至样品罐直至样品罐密封这一过程中环境条件变化。尤其是在模拟罐与气源之间增加了参考罐，可以缓冲、稳定模拟罐内气体，能更准确模拟测试岩心样品从井底开始解吸到封罐之前所解吸出的气体体积，即准确模拟测试含气量测试中的损失气量，以保证储量评估的准确性。
本发明适用于低渗透多孔介质，含气量相对较小，岩心内部含有一部分游离气与吸附态气体，比如含有游离气与吸附气的页岩或者吸附气占比大的煤岩损失气精确测量。
附图说明
图1是本模拟测试装置的结构示意图。
图中：1-气源；2-软管；3-抽真空设备；4-参考罐；5-模拟罐；6-温度控制设备；7-气体流量计量设备；8-压力传感器；9-温度传感器。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。
为了便于对本发明实施技术方案的理解，首先对含气量测试中损失气量作简要介绍。
含气量测试中损失气量的计算对准确评价储层中天然气储量有重要意义。中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6940-2013《页岩含气量测定方法》和GB/T 19559-2008《煤层气含量测定方法》中将损失气量定义为岩心样品从井底开始到封罐之前所解吸出的气体体积，该过程实际上包括两个阶段：首先是岩心样品从气井井底至井口的阶段；该阶段中，岩心样品的温度随着距离井底距离的增加而降低，岩心样品所受到的压力(井下钻井液的压力)也随着距离井底距离的增加的降低，在不同的温度和压力下，天然气从岩心样品中的解吸速度也不相同；之后是将岩心样品从井口装入样品罐中并对样品罐进行密封的阶段，该阶段中，岩心样品的温度保持在井口温度，所受到的压力也保持在井口压力。
基于以上所述，本实施例提供一种含气量测试中损失气量实验测试装置，参见图1，该测试装置包括：用于容纳页岩岩心样品的模拟罐5；用于控制模拟罐5温度的水浴恒温控制系统6；与模拟罐5连接，用于向模拟罐5内输送气体的气源1；与模拟罐5连接，用于缓冲、稳定所述模拟罐内气体的参考罐4；与模拟罐5连接的抽真空设备3；以及，与模拟罐5连接的气体流量计量设备7。
本领域技术人员可以理解的是，模拟罐5应当能够耐高温、高压，且除与气源1、参考罐4、压力传感器8、温度传感器9、抽真空设备3以及气体流量计量设备7连接的部位外，其余部位应当保证密封，以防止模拟罐5内气体发生泄漏，对最终测试结果产生影响。
进一步地，如图1所示，本发明实施提供的模拟测试装置还包括，设置在气源1和模拟罐5之间的甲烷减压阀V-1和闸阀V-3、V-4、V-6。并且，气源1、甲烷减压阀V-1、参考罐4以及模拟罐5顺次连接，通过甲烷减压阀V-1和参考罐4调节进入模拟罐5的气体的压力，使气体能够平稳地进入模拟罐5中，通过控制甲烷减压阀V-1和闸阀V-3、V-4、V-6开启与关闭控制气源1与模拟罐5的连通与断开。气源1具体可以为气体储罐。
进一步地，如图1所示，本发明实施提供的模拟测试装置还包括：设置在所述模拟罐5与所述参考罐4之间的闸阀V-5，以及与所述模拟罐5连接的压力传感器8、温度传感器9。其中闸阀V-5使得参考罐与模拟罐在连通与关闭之间自由切换，便于间歇充气，也能在注气进入模拟罐时起到缓冲、稳定气压作用。压力传感器8与模拟管5、参考罐连接来检测罐内压力。温度传感器9记录模拟管5与参考罐温度变化。本领域技术人员可以理解的是，模拟罐压力、温度变化均参照现场取心过程变化情况。
进一步地，如图1所示，本发明实施提供的模拟测试装置还包括：设置在气体流量计量设备7与模拟罐5之间的软管2、闸阀V-8、微调减压阀。其中，气体流量计量设备7、闸阀V-8、微调减压阀与模拟罐5顺次连接。闸阀V-8、微调减压阀用于控制进入气体流量计量设备7的气体的压力，模拟取心过程压力变化，以使气体流量计量设备7能够准确计量气体的体积。
进一步地，当压力降至大气压，解吸气量较小时，为了提高模拟罐5内的气体测量精度，气体流量计量设备可以转换为精度更高、量程相对较小的常压气体计量设备。
本发明实施例中，在抽真空设备3与模拟罐5之间设置有参考罐4、闸阀V-5、V-7。通过控制闸阀V-5、V-7的开启与关闭来控制抽真空设备3与模拟罐5的连通与断开。抽真空设备3具体可以为真空泵。
进一步地，本发明实施提供的模拟测试装置中，温度控制设备6的具体形式为可容纳模拟罐5的水浴温控容器。
如图1所示，为保证气密性，在本发明实施一种可选的实施方式中，气源1、抽真空设备3、参考罐4与模拟罐5同一出口连接，气体流量计量设备7与模拟罐5的另一出口连接，均位于模拟管顶部。压力传感器、温度传感器与参考罐4连接。
本发明实施提供的模拟测试装置，各个部件之间均通过管线连接，优选通过耐高压、耐腐蚀的管线连接。
利用上述模拟测试装置，进行测试具体包括以下步骤：
步骤a，调节水浴温度恢复至储层温度；
步骤b，测量并记录样品体积、质量；
步骤c，将岩心样品放入所述模拟罐中,进行气密性检测；
步骤d，通过所述抽真空设备对所述模拟罐进行抽真空；
步骤e，通过所述温度控制设备使所述模拟罐的温度达到采集所述岩心样品的气井的井底温度，之后通过所述气源向所述模拟罐内通入甲烷气体，并使所述模拟罐内的压力等于所述气井的井底压力；
步骤f，模拟钻井取心提钻时页岩岩心受钻井液柱压力下降过程，控制压降速率与水浴温度，使罐内压力在相当于提钻过程的时间内将到井口气压，水浴温度同时降至室温，并准确计量气体排出量；
所述模拟罐内的温度降低速率的数值为：
其中，T0代表所述井底温度，T1代表所述井口温度，t代表损失时间。
所述模拟罐内的压力降低速率的数值为：
其中，P0代表所述井底压力，P1代表所述井口压力，t代表损失时间。
步骤g，对所述模拟测试装置自由空间体积在相应压力降、温度降下甲烷气体释放量进行计算。根据波义耳定律和实际气体状态方程，可以测量试样的吸附平衡气体含量:
在模拟试验中，当试样箱的压力降低时，所排出的气体量包括两部分。其中一部分为试样储罐自由空间压降所排放的气体体积(Qei)，另一部分为从试样中脱附的体积(Qj)。第i时刻试样的解吸能力为:
Qj＝Qi-Qei
其中，Vd代表所述模拟罐内自由空间体积，Pe代表平衡点压力，Ze代表平衡点压力对应的偏差系数，Pi代表i点所述罐内压力，PB代表标准状态下压力，Zi代表i点所述罐内压力对应气体偏差系数，TB代表标准状态下温度，Tiactural代表罐内实际温度，R代表气体状态常数。
步骤h，计量气体排出量减去自由空间在相应压降温度降下排量即得到所述损失气量。
进一步地，所述步骤a之前还包括以下步骤：对所述测试装置的气密性进行检查；吸附罐与参考罐体积标定等。
在本方法实施过程中，参考罐4在进行充气补偿时候，先将气体注入参考罐4，一方面起到缓冲稳定气体，之后再将气体由参考罐4注入吸附模拟罐5内；另一方面参考罐4的作用为在充气补偿过程中，标定模拟罐5及附属管线内自由空间体积。
上述模拟测试方法的原理在于，将采集自井底的岩心样品放入模拟罐5中后，通过抽真空设备3将模拟罐5内的气体和吸附在岩心表面的气体去除，之后向模拟罐5内通入甲烷气体直至模拟罐5的压力达到采集该岩心样品的天然气井井底的压力，也即使气体饱和，从而模拟岩心样品4在天然气井底时的状态。之后，模拟岩心样品采集时从井底至封罐的过程中所经历的环境条件变化，在此过程中，吸附在岩心样品上的甲烷气体会发生解吸，通过气体流量计量设备7记录解吸的气体的体积总量，计量气体总量减去自由空间气体释放量即得到样品含气量测试中的损失气量。采用上述模拟测试装置能够准确模拟测试岩心样品从井底开始解吸到封罐之前所解吸出的气体体积，即准确模拟测试含气量测试中的损失气量。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低渗透多孔介质取心过程中损失气含量实验测试装置，包括：
用于容纳样品的模拟罐(5)；
用于控制所述模拟罐(5)温度的水浴恒温控制系统(6)；
与所述模拟罐(5)连接，用于向所述模拟罐(5)内输送气体的气源(1)；
以及，与所述模拟罐(5)连接的气体流量计量设备(7)、压力传感器(8)和温度传感器(9)；
其特征在于：还包括连接在所述模拟罐(5)与所述气源(1)之间，用于缓冲、稳定所述模拟罐(5)内气体的参考罐(4)；所述参考罐(4)连接抽真空设备(3)，连接管路上设置闸阀V-7；在所述气源(1)和所述参考罐(4)、模拟罐(5)之间的管路上设置有甲烷减压阀V-1和闸阀V-3、闸阀V-4、闸阀V-6；
采用装置，先通过抽真空设备除去模拟罐内和吸附在岩心样品上的气体，之后通过气源向模拟罐内通入甲烷气体，使罐内压力升至储层压力并达到平衡，从而使岩心样品恢复至未被采集前、位于气井井底的状态；同时，通过水浴恒温控制系统控制模拟罐的温度，以此来模拟岩心样品从井底至样品罐封罐前所经历的环境条件的变化；在此过程中通过气体流量计量设备来计量在岩心样品从井底至样品罐封罐期间，从岩心样品中解吸出来的气体的体积，所得到的气体的体积减去自由空间排除体积的差值即为样品含气量测试中的损失气量，计算方式如下：
先对所述实验测试装置自由空间体积在相应压力降、温度降下甲烷气体释放量进行计算：根据波义耳定律和实际气体状态方程，可以测量试样的吸附平衡气体含量:
其中，Vd代表所述模拟罐及相应附属管线内减去试件样品后的自由空间体积，PB代表标准状态下压力，Pe代表平衡点压力，Ze代表平衡点压力对应的偏差系数，Pi代表i点所述罐内压力，Zi代表i点所述罐内压力对应气体偏差系数，TB代表标准状态下温度，Tiactural代表罐内实际温度；
在实验中，当试样箱的压力降低时，所排出的气体量包括两部分，其中一部分为试样储罐自由空间压降所排放的气体体积Qei，另一部分为从试样中脱附的体积Qj，第i时刻试样的解吸能力为:
Qj＝Qi-Qei；
然后，计量气体排出量减去自由空间在相应压降温度降下排量即得到所述损失气量。
2.根据权利要求1所述的实验测试装置，其特征在于，还包括设置在所述模拟罐(5)与所述参考罐(4)之间的闸阀V-5。
3.根据权利要求1所述的实验测试装置，其特征在于，所述模拟罐(5)与气体流量计量设备(7)之间连接有闸阀V-8。
4.根据权利要求1所述的实验测试装置，其特征在于，所述水浴恒温控制系统(6)为可容纳所述模拟罐(5)的温控容器。
5.利用权利要求1-4任一项所述的实验测试装置进行低渗透多孔介质取心过程中损失气含量实验测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a，调节水浴温度恢复至储层温度；
步骤b，测量并记录样品体积、质量；
步骤c，将岩心样品放入所述模拟罐中,进行气密性检测；
步骤d，通过所述抽真空设备对所述模拟罐进行抽真空；
步骤e，通过所述水浴恒温控制系统使所述模拟罐的温度达到采集所述岩心样品的气井的井底温度，之后通过所述气源向所述模拟罐内通入甲烷气体，并使所述模拟罐内的压力等于所述气井的井底压力；
步骤f，模拟钻井取心提钻时页岩岩心受钻井液柱压力下降过程，控制压降速率与水浴温度，使罐内压力在相当于提钻过程的时间内将到井口气压，水浴温度同时降至室温，并准确计量气体排出量Qi；
步骤g，对所述实验测试装置自由空间体积在相应压力降、温度降下甲烷气体释放量进行计算；
根据波义耳定律和实际气体状态方程，可以测量试样的吸附平衡气体含量:
其中，Vd代表所述模拟罐及相应附属管线内减去试件样品后的自由空间体积，PB代表标准状态下压力，Pe代表平衡点压力，Ze代表平衡点压力对应的偏差系数，Pi代表i点所述罐内压力，Zi代表i点所述罐内压力对应气体偏差系数，TB代表标准状态下温度，Tiactural代表罐内实际温度；
在实验中，当试样箱的压力降低时，所排出的气体量包括两部分，其中一部分为试样储罐自由空间压降所排放的气体体积Qei，另一部分为从试样中脱附的体积Qj，第i时刻试样的解吸能力为:
Qj＝Qi-Qei；
步骤h，计量气体排出量减去自由空间在相应压降温度降下排量即得到所述损失气量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述模拟罐内的温度降低速率的数值为：
其中，T0代表所述井底温度，T1代表所述井口温度，t代表损失时间；
所述模拟罐内的压力降低速率的数值为：
其中，P0代表所述井底压力，P1代表所述井口压力，t代表损失时间。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤a之前还包括以下步骤：对所述模拟测试装置的气密性进行检查；吸附罐与参考罐体积标定。
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