CN112213234A - 一种煤岩与页岩原位含气性评价方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩与页岩原位含气性评价方法及系统，涉及石油天然气勘探和开发技术领域，解其技术方案要点是：根据气体释放行为将取心和现场解吸过程分为五个阶段，并确定各个阶段的时间零点和损失气体时间两个关键参数；根据关键参数和储层特征对各个阶段中气体解吸、气体逸出进行分析计算；分析各个阶段的气体解析量，得到岩心的一系列原位含气量，原位含气量包括总含气量、吸附气量、游离气量。本发明将取心和解吸过程分为五个阶段，并综合考虑了不同时间内仅游离气以及吸附、游离气的气体释放行为。通过此方法精确确定时间零点和损失气体时间这两个参数，能够更加准确的表征岩心在井眼提升过程中甲烷气体逸散规律。

Description

一种煤岩与页岩原位含气性评价方法及系统

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探和开发技术领域，更具体地说，它涉及一种煤岩与页岩原位含气性评价方法及系统。

背景技术

随着世界油气能源供给的日趋紧张和常规油气勘探开发形势的日趋严峻，非常规油气已引起人们的高度重视。包括煤层气、页岩气在内的非常规油气在现有经济技术条件下展示了巨大的潜力，全球油气资源将迎来再次高峰。近十年来，煤层气和页岩气的勘探开发得到了广泛和深入地研究。随着煤层气和页岩气资源对能源供应的重要性逐步提高，人们对煤层气和页岩气资源储量的评估越来越感兴趣。大量的研究表明，储层中的煤层气和页岩气受多种地质因素影响，包括地质结构、沉积环境、水动力条件、埋深、温压条件、储层物性、物质组成等，导致原位储层中气体含量有着强烈的横向/纵向非均质异性。煤岩与页岩原位含气量常用于天然气资源量的估算或者作为储层模型和生产模拟的关键输入参数之一，此外也是影响天然气资源开发经济潜力的关键储层参数之一。因此，国内外学者对原位含气量估算非常重视，长期以来将此作为一个重要的研究方向。

人们普遍认为，煤层气和页岩气主要以吸附、游离和溶解态赋存于地下储层中。通常情况下，吸附气是煤层气中的主要成分，特别是在中-高阶煤中；而在低阶煤中，游离气和溶解气的存在则不能忽略。与煤层气相比，页岩储集层中甲烷以吸附态和游离态共存，其中吸附气占总气的20％-85％。在成熟度较高的海相页岩中可忽略溶解气，陆相页岩中不可忽略。总体而言，吸附气和游离气在中高阶煤和海相页岩中占主导地位，页岩中游离气浓度比煤岩中的要高得多。由于吸附气和游离气的传输机制不同，它们的含量直接影响气体的产生。为此，测定总气体含量、吸附气和游离气含量对煤层气和页岩气的高效开采至关重要。

在此背景下，如何研究设计一种煤岩与页岩原位含气性评价方法及系统是我们目前急需解决的问题，这对煤岩、页岩含气量资源潜力的客观评估、产量的科学计算以及有利目标层位和地区的筛选有着重要作用。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种煤岩与页岩原位含气性评价方法及系统，本发明介绍了一种新的原位含气量恢复方法，即过程分析法，该方法理想地将取心和解吸过程分为五个阶段，并综合考虑了不同时间内仅游离气以及吸附、游离气的气体释放行为。本发明对煤岩/页岩含气量资源潜力的客观评估、产量的科学计算以及有利目标层位/地区的筛选有着重要作用。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了一种煤岩与页岩原位含气性评价方法及系统，包括以下步骤：

根据气体释放行为将取心和现场解吸过程分为五个阶段，并确定各个阶段的时间零点和损失气体时间两个关键参数；

根据关键参数和储层特征对各个阶段中气体解吸、气体逸出进行分析计算；

分析各个阶段的气体解析量，得到岩心的一系列原位含气量，原位含气量包括总含气量、吸附气量、游离气量。

进一步的，所述取心和现场解吸过程的阶段划分具体为：

第一阶段：储层压力P小于钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a之和，P<P_g+P_a；钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a阻止气体的逸出，气体没有逸出；随着岩心的上升，P_g+P_a逐渐降低至储层压力P，表明第一阶段终止；

经历时间t₁：P_i＝ρgv(t_d-t₁)sinθ+P_a；

式中，P_i为原始储层压力，MPa；ρ为钻井液密度，g/cm³；v为平均提钻速度，km/min；t_d为岩心在井筒中经历的提钻总时间，min；θ为钻井倾角，°；

第二阶段：储层压力P等于钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a之和，P＝P_g+P_a，且大于甲烷的临界解吸压力P_cd，P>P_cd；随着岩心的不断抬升，储层压力P逐渐降低，储层压力P突破岩心周围的压力而使游离气体逸出并损失；当储层压力 P降低至临界解吸压力时，表明第二阶段终止；经历时间t₂： P_cd＝ρgv(t_d-t₂)sinθ+P_a；

第三阶段：储层压力P等于钻井泥浆重力P_g和大气压P_a之和，P＝P_g+P_a，且小于甲烷的临界解吸压力，P≤P_cd；岩心基质中的吸附气体开始解吸，并开始对气体逸散量有所贡献；

第四阶段：岩心到达地面，且尚未放入解吸罐中；岩心中的气体开始逸出到大气中，直到岩心放入解吸罐中为止；

第五阶段：密封解吸罐中的气体释放开始，且是第四阶段的延续。

进一步的，所述第二阶段的累积解吸气量具体为：

将一定温度和压力条件下的自由气体浓度转换为标准条件下的自由气体浓度，公式如下：

式中，C_f为过剩吸附量对应的游离气含量，m³/t；Z为气体压缩系数，无因次；Z₀为标准条件下甲烷的压缩系数，0.9976；T₀为标准温度，273.15K；P₀为标准压力，0.101325MP_a；Sw为含水饱和度，％；φ——岩心孔隙度，％；

气体压缩系数Z为：

式中，P_C为临界压力，MPa；T_C为临界温度，K；

第二阶段，t₁≤t<t₂，从岩心逸出的累积气体含量为：

式中，Z_i为储层压力下的气体压缩系数，无因次；Z_cd为临界解吸压力下的气体压缩系数，无因次；ρ_a为岩心视密度，g/cm³。

进一步的，所述第三阶段的累积解吸气量具体为：

过剩吸附气含量：

式中，C_a为过剩吸附气含量，m³/t；ρ_abs为吸附气密度，g/cm³；V_L为兰氏体积，m³/t；P_L为兰氏压力，MPa；M为摩尔质量，g/mol；R为通用气体含量，8.314 J/(mol·K)；

解吸后的气体与游离气体一起流入孔隙裂缝并扩散出岩心，扩散过程服从菲克第一定律：

式中，C为基质单元内平均气体浓度，cm³/g；C(P)为平衡条件下基质边缘气体浓度，cm³/g；D为扩散系数，m²/min；F_s为形态因子，m^-2；t为扩散时间， min；

基质系统与裂隙系统之间的气体交换率为：

式中，F_g——几何因子，无因次；

在第三阶段的每个平衡条件下，C(P)为：

初始时刻(t＝t₂)时，岩心中的初始气体浓度为：

第三阶段和第四阶段的持续时间分别细分为N₁和N₂间隔；在[t_n，t_n+1]的随机时间间隔内，根据差分法可得岩心基质中的气体浓度，具体为：

式中，Cⁿ为t_n时岩心基质中的平均气体浓度，m³/t；Cⁿ⁺¹为t_n+1时岩心基质中的平均气体浓度，m³/t；C(Pⁿ)为平衡条件下在tn时在基质边界处的气体浓度， m³/t；C(Pⁿ⁺¹)为平衡条件下在tn+1时在基质边界处的气体浓度，m³/t；Δt——t_n和t_n+1之间的时间间隔，min；

其中，DF_s具体为：

-ln(1-Q_t/Q_∞)＝DF_St

式中，Q_t为现场累积解吸气量，m³/t；Q_∞为岩心现场解吸气体和残留气体总量的总和，m³/t；

在t_n+1时，从岩心基质到裂缝系统的气体平均交换速率为：

第三阶段，t₂≤t<t₃，从岩心逸出的累积气体含量为：

式中，(t-t₂)/Δt为整数。

进一步的，所述第四阶段的累积解吸气量具体为：

在第四阶段的每个平衡条件下，C(P)为：

式中，Z_a为大气压下的气体压缩系数，无量纲；

第四阶段，t₃≤t<t₄，从岩心逸出的累积气体含量为：

式中，(t-t₃)/Δt为整数。

进一步的，所述第五阶段的累积解吸气量具体为：

第五阶段，t₄≤t≤t_e，其平衡条件与第四阶段的平衡条件相同，从岩心逸出的累积气体含量为：

进一步的，所述总原位含气量C_t等于吸附气体含量和游离气体含量之和：

进一步的，所述原位吸附气量为：

进一步的，所述原位游离气量为：C_f-inplace＝C_t-C_a-inplace。

第二方面，提供了一种煤岩与页岩原位含气性评价系统，包括：

阶段划分模块，用于根据气体释放行为将取心和现场解吸过程分为五个阶段，并确定各个阶段的时间零点和损失气体时间两个关键参数；

分析计算模块，用于根据关键参数和储层特征对各个阶段中气体解吸、气体逸出进行分析计算；

统计计算模块，用于分析各个阶段的气体解析量，得到岩心的一系列原位含气量，原位含气量包括总含气量、吸附气量、游离气量。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明将取心和解吸过程分为五个阶段，并综合考虑了不同时间内仅游离气以及吸附、游离气的气体释放行为。通过此方法精确确定时间零点和损失气体时间这两个参数，能够更加准确的表征岩心在井眼提升过程中甲烷气体逸散规律；本发明在煤岩与页岩中均可以使用，游离气体的释放可以用气体状态方式来描述；吸附气体和游离气体的释放都可以通过Langmuir等温吸附方程、气态方程和菲克第一定律来描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中取心和现场解吸过程示意图；

图2是本发明实施例中温度模拟结果的影响对比图；

图3是本发明实施例中解吸数据计算DF_s值曲线图；

图4是本发明实施例中煤岩样品模拟结果图；

图5是本发明实施例中页岩样品模拟结果图；

图6是本发明实施例中煤岩吸附气比例分布示意图；

图7是本发明实施例中页岩吸附气比例分布示意图；

图8是本发明实施例中煤岩过程分析法与USBM法总含气量相对误差图；

图9是本发明实施例中煤岩过程分析法与USBM法损失气量相对误差图；

图10是本发明实施例中页岩过程分析法与USBM法总含气量相对误差图；

图11是本发明实施例中页岩过程分析法与USBM法损失气量相对误差图

图12是本发明实施例中吸附气比例与相对误差图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图1-12及实施例1-2，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1：一种煤岩与页岩原位含气性评价方法及系统，如图1(a)所示，包括以下步骤：

S101：根据气体释放行为将取心和现场解吸过程分为五个阶段，并确定各个阶段的时间零点和损失气体时间两个关键参数。

S102：根据关键参数和储层特征对各个阶段中气体解吸、气体逸出进行分析计算。

S103：分析各个阶段的气体解析量，得到岩心的一系列原位含气量，原位含气量包括总含气量、吸附气量、游离气量。

图1(b)中，n为解析的游离气量；n₀为原始游离气体量；V是气体的体积；图1(c)中，V是理论吸附气体含量，m³；a点表示初始储层压力下的总含气量； b点表示临界解吸压力下的总含气量；c点表示初始储层压力下的吸附气含量；d 点表示临界解吸压力下的理论吸附气含量，等于初始储层压力下的吸附气含量； e点表示初始储层压力下的理论吸附气体含量。上标'表示页岩。其他参数与理论部分中的参数相同。

取心和现场解吸过程的阶段划分具体为：

(一)第一阶段：储层压力P小于钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a之和，P< P_g+P_a；钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a阻止气体的逸出，气体没有逸出；随着岩心的上升，P_g+P_a逐渐降低至储层压力P，表明第一阶段终止。

经历时间t₁：

P_i＝ρgv(t_d-t₁)sinθ+P_a (1)

式(1)中，P_i为原始储层压力，MPa；ρ为钻井液密度，g/cm³；v为平均提钻速度，km/min；t_d为岩心在井筒中经历的提钻总时间，min；θ为钻井倾角，°。

需要注意的是，如果阶段I不存在，则t₁等于零。

其中，Q(t)＝0。

(二)第二阶段：储层压力P等于钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a之和，P＝ P_g+P_a，且大于甲烷的临界解吸压力P_cd，P>P_cd；随着岩心的不断抬升，储层压力P逐渐降低，储层压力P突破岩心周围的压力而使游离气体逸出并损失；当储层压力P降低至临界解吸压力时，表明第二阶段终止；

经历时间t₂：

P_cd＝ρgv(t_d-t₂)sinθ+P_a (2)。

第二阶段的累积解吸气量具体为：

为了评估此阶段的损失气体含量，将一定温度和压力条件下的自由气体浓度转换为标准条件下的自由气体浓度，公式如下：

式中，C_f为过剩吸附量对应的游离气含量，m³/t；Z为气体压缩系数，无因次；Z₀为标准条件下甲烷的压缩系数，0.9976；T₀为标准温度，273.15K；P₀为标准压力，0.101325MP_a；Sw为含水饱和度，％；φ——岩心孔隙度，％。

式(3)中，气体压缩系数Z为：

式(4)中，P_C为临界压力，MPa；T_C为临界温度，K。

第二阶段，t₁≤t<t₂，从岩心逸出的累积气体含量为：

式(5)中，Z_i为储层压力下的气体压缩系数，无因次；Z_cd为临界解吸压力下的气体压缩系数，无因次；ρ_a为岩心视密度，g/cm³。

(三)第三阶段：储层压力P等于钻井泥浆重力P_g和大气压P_a之和，P＝P_g +P_a，且小于甲烷的临界解吸压力，P≤P_cd；岩心基质中的吸附气体开始解吸，并开始对气体逸散量有所贡献。游离气体仍由气体状态方程来描述，如图1(b)。解吸过程服从Langmuir方程，以过剩吸附的形式表示。

第三阶段的累积解吸气量具体为：

过剩吸附气含量：

式中，C_a为过剩吸附气含量，m³/t；ρ_g为游离气密度，g/cm³；ρ_abs为吸附气密度，g/cm³；V_L为兰氏体积，m³/t；P_L为兰氏压力，MPa。

根据关系式ρ_g＝PM/ZRT，式(6)可以转化为：

式(7)中，M为摩尔质量，g/mol；R为通用气体含量，8.314J/(mol·K)。

一旦在吸附平衡条件下气压下降，气体就会开始解吸。然而，在原位储层中气体解吸过程可能更复杂。甲烷通常在煤层气储集层中饱和度较低，具有很强的吸附能力，而在页岩储层中则过饱和，其吸附能力较弱，如图1(c)所示。因此，在岩心样品释放气体的过程中将存在临界解吸压力。当储层压力大于临界解吸压力时，从岩心释放的气体主要是游离气体。当储层压力小于临界解吸压力时，气体开始解吸，相应的吸附量可用Langmuir方程式计算。

解吸后的气体与游离气体一起流入孔隙裂缝并扩散出岩心，如图1(d)扩散过程服从菲克第一定律：

式(8)中，C为基质单元内平均气体浓度，cm³/g；C(P)为平衡条件下基质边缘气体浓度，cm³/g；D为扩散系数，m²/min；F_s为形态因子，m^-2；t为扩散时间，min。

基质系统与裂隙系统之间的气体交换率为：

式(9)中，F_g——几何因子，无因次；

在第三阶段的每个平衡条件下，C(P)为：

初始时刻(t＝t₂)时，岩心中的初始气体浓度为：

第三阶段和第四阶段的持续时间分别细分为N₁和N₂间隔；在[t_n，t_n+1]的随机时间间隔内，根据差分法可得岩心基质中的气体浓度，具体为：

式(12)中，Cⁿ为t_n时岩心基质中的平均气体浓度，m³/t；Cⁿ⁺¹为t_n+1时岩心基质中的平均气体浓度，m³/t；C(Pⁿ)为平衡条件下在tn时在基质边界处的气体浓度，m³/t；C(Pⁿ⁺¹)为平衡条件下在tn+1时在基质边界处的气体浓度，m³/t；Δt——t_n和t_n+1之间的时间间隔，min。

其中，DF_s具体为：

-ln(1-Q_t/Q_∞)＝DF_St (13)

式(13)中，Q_t为现场累积解吸气量，m³/t；Q_∞为岩心现场解吸气体和残留气体总量的总和，m³/t。

在t_n+1时，从岩心基质到裂缝系统的气体平均交换速率为：

第三阶段，t₂≤t<t₃，从岩心逸出的累积气体含量为：

式中，(t-t₂)/Δt为整数。

(四)第四阶段：岩心到达地面，且尚未放入解吸罐中；岩心中的气体开始逸出到大气中，直到岩心放入解吸罐中为止。

第四阶段的累积解吸气量具体为：

在第四阶段的每个平衡条件下，C(P)为：

式(16)中，Z_a为大气压下的气体压缩系数，无量纲。

第四阶段，t₃≤t<t₄，从岩心逸出的累积气体含量为：

式(17)中，(t-t₃)/Δt为整数。

(5)第五阶段：密封解吸罐中的气体释放开始，且是第四阶段的延续。

第五阶段的累积解吸气量具体为：

第五阶段，t₄≤t≤t_e，其平衡条件与第四阶段的平衡条件相同，从岩心逸出的累积气体含量为：

在整个取心和现场解吸过程的累积解吸气量为：

在模拟分析中，只有参数P_cd未知，但对获得吸附和游离气体的含量至关重要。在本发明中，P_cd的优化范围是根据给定步长(0.01MPa)从0MPa到初始储层压力。当模拟结果与现场解吸数据匹配性最好时，对应的P_cd值为最优值。

总原位含气量C_t等于吸附气体含量和游离气体含量之和：

原位吸附气量为：

原位游离气量为：

C_f-inplace＝C_t-C_a-inplace

(21)。

实施例2：一种煤岩与页岩原位含气性评价系统，包括阶段划分模块、分析计算模块、统计计算模块。其中，阶段划分模块，用于根据气体释放行为将取心和现场解吸过程分为五个阶段，并确定各个阶段的时间零点和损失气体时间两个关键参数。分析计算模块，用于根据关键参数和储层特征对各个阶段中气体解吸、气体逸出进行分析计算。统计计算模块，用于分析各个阶段的气体解析量，得到岩心的一系列原位含气量，原位含气量包括总含气量、吸附气量、游离气量。

实施例3：实验验证与应用

(一)应用条件

在取心和现场解吸过程中，有如下几点要求：(a)钻井液温度和岩心提升速度几乎恒定；(b)溶解气体是可忽略的；(c)解吸的气体以甲烷成分为主；(d) 钻井液虑失对岩心含水饱和度的影响很小；(e)忽略了钻井液的毛细管压力。因此，本研究中使用的煤和页岩岩心必须符合上述条件。第一个条件与钻孔和取心的实际操作有关。其他条件与煤/页岩储层特征密切相关。对于成熟度较高的煤和页岩储层，其内部聚集的溶解气体是可忽略的，而且天然气成分以“干气”为主(即主要为甲烷)。在取心过程中的大多数情况下，储层压力等于钻井泥浆重力和大气压力之和，因此钻井液不易侵入岩心对天然气产生影响。总体而言，建议使用此方法估算中高阶煤和海相页岩中的天然气含量。另外，良好的模拟结果也可以作为确定煤和页岩岩心是否适合本发明提出的方法的证据。

(二)误差分析

由于在取心过程中，钻井液的温度并非完全恒定，并且也不完全等于现场解吸的水浴中的温度和储层温度。尤其是在第四阶段的岩心暴露于空气的过程中，大气温度与钻井液的温度不同。因此，该本发明中使用的温度是潜在的误差项。理想情况下，在整个过程中温度应保持恒定。但是，这在实践中是不现实的。本发明通过误差分析来估算温度对模拟结果的影响。分别选取了一块煤岩岩心和页岩岩心进行分析，具体参数见表1。对于煤岩岩心，选取的温度变化范围为293.15 K(20℃)至311.15K(38℃)；对于页岩岩心，由于页岩埋深相对较深，选取的温度变化范围为307.15K(34℃)至351.15K(78℃)。如图2所示，煤岩岩心中损失气和游离气的含量受温度的影响较小；对于页岩岩心，模拟结果受到温度的影响相对较大。煤岩岩心中的损失气和游离气的变化梯度分别为-0.001 m³/(t·K)和-0.0022m³/(t·K)。页岩岩心中的损失气和游离气的变化梯度分别为 -0.011m³/(t·K)和-0.0102m³/(t·K)。相比之下，温度对页岩岩心模拟结果的影响要比对煤层岩心的影响大得多，这是因为页岩岩心中的游离气量更大。在本研究中，对于煤岩岩心，整个分析过程中的温度选用了钻井液温度(即储层温度和现场解吸温度)，因此，首先应确定钻井液温度，以此为根据确定现场解吸温度。对于页岩岩心，使用钻井液和第一阶段解吸的温度用于分析。总体而言，轻微的温度变化对模拟结果的影响并不明显。

(三)方法应用

(1)基础参数计算

为了获得总气体量，吸附气量和游离气含量，参数包括取心和现场解吸过程 (θ，v，ρ，t_d，t₄)，储层特性(P_i，T，S_w，φ，ρ_a，F_g)，应首先确定气体吸附量(ρ_abs，V_L，P_L)，气体扩散量(D，F_s)和气体性质(P_C，T_C，M)，并将其用作输入数据，如表1所示。使用这种方法，只有P_cd为未知参数。可以通过将模拟的解吸结果与现场解吸数据进行匹配来确定。D乘以F_S的乘积是一个整体，可以通过分析-ln(1-Q_t/Q_∞)与解吸时间(t)的关系直接获得。如图3所示，煤和页岩岩心的DF_s估计值分别为0.00003min^-1和0.0063min^-1。

表3-1模拟参数表

(2)模拟结果

如图4与图5所示，本发明计算的出的气体解吸量与现场罐解吸结果基本一致。此外，还可以确定整个气体的解吸过程。煤岩岩心从钻遇地层到封入解吸罐经历14.8min，包括井筒中提钻的时间7.7min和空气中暴露的时间7.1min；在取心过程中，大约在4.9min时游离气体开始从岩心逸出；6.4min左右时吸附气开始解吸，与游离气一起释放。对于页岩岩心，以图3-5为例，封入解吸罐的时间为342min，其中井筒中提钻290min，空气中暴露的时间为52min。在取心过程中，大约在25.8min时游离气体开始从岩心逸出；279.0min左右，被吸附的气体开始解吸，随后参与游离气体的释放。这两个结果表明，自由气体首先从岩心逸出，然后吸附气体与游离气体一起释放。

获得的岩心总含气量、吸附气量和游离气量，如表2所示。以上述两个样品为例。煤岩岩心总含气量较高为8.95cm³/g，其中吸附气量为8.32cm³/g、游离气量为0.63cm³/g和损失气量为0.19cm³/g。煤岩中游离气含量较低，有着非常高的吸附气体积比，为92.93％；页岩岩心的总含气量较低为3.32cm³/g，其中吸附气量为1.27cm³/g、游离气量为3.32cm³/g和损失气量为3.45cm³/g。游离气含量相对较高，吸附气体积占比较低为27.66％。如2.4.4小节，总含气量估算的误差大部分可能是由损失气量估算的误差导致的。

表2模拟结果与USBM法对比表

从总体来看，煤岩的吸附气比例较高，为68.85％-99.02％，平均为89.82％，主要分布于90％-95％之间，如图6所示；页岩吸附气比例为22.79％-74.73％，平均为42.31％，主要分布于25％-50％之间，如图7所示。页岩的吸附气比例与煤岩相比较低，说明页岩中游离气比例含量较高。采用USBM法计算煤层气的总含气量略低于过程分析法计算值，如图8所示，相对误差为1.34％-24.38％，平均为9.00％；损失气量模拟结果偏高，如图9所示，相对误差为19.58％-95.48％，平均为54.11％。而对于页岩岩心，模拟的总含气量明显偏高，如图10所示，相对误差为6.98％-285.34％，平均为91.79％；USBM法估算的损失气量明显低于本发明模拟计算结果，如图11所示，相对误差为6.98％-385.34％，平均值为 140.91％。

如图12所示，随着煤岩/页岩吸附气比例的增加，损失气量相对误差逐渐变小，二者呈现一定的负相关。这表明游离气含量越高时，USBM计算的损失气量越偏小。因此USBM法不适用于游离气含量较高的样品，游离气含量越高，计算的损失气量误差越大。对于页岩样品，游离气的影响不可忽略，在计算时必须要对游离气加以考虑。可以针对不同游离气比率的样品，选用不同的含气量计算方法。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，包括以下步骤：

根据气体释放行为将取心和现场解吸过程分为五个阶段，并确定各个阶段的时间零点和损失气体时间两个关键参数；

根据关键参数和储层特征对各个阶段中气体解吸、气体逸出进行分析计算；

分析各个阶段的气体解析量，得到岩心的一系列原位含气量，原位含气量包括总含气量、吸附气量、游离气量。

2.根据权利要求1所述的一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，所述取心和现场解吸过程的阶段划分具体为：

第一阶段：储层压力P小于钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a之和，P<P_g+P_a；钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a阻止气体的逸出，气体没有逸出；随着岩心的上升，P_g+P_a逐渐降低至储层压力P，表明第一阶段终止；

经历时间t₁：P_i＝ρgv(t_d-t₁)sinθ+P_a；

式中，P_i为原始储层压力，MPa；ρ为钻井液密度，g/cm³；v为平均提钻速度，km/min；t_d为岩心在井筒中经历的提钻总时间，min；θ为钻井倾角，°；

第二阶段：储层压力P等于钻井泥浆重力P_g和大气压力P_a之和，P＝P_g+P_a，且大于甲烷的临界解吸压力P_cd，P>P_cd；随着岩心的不断抬升，储层压力P逐渐降低，储层压力P突破岩心周围的压力而使游离气体逸出并损失；当储层压力P降低至临界解吸压力时，表明第二阶段终止；经历时间t₂：P_cd＝ρgv(t_d-t₂)sinθ+P_a；

第三阶段：储层压力P等于钻井泥浆重力P_g和大气压P_a之和，P＝P_g+P_a，且小于甲烷的临界解吸压力，P≤P_cd；岩心基质中的吸附气体开始解吸，并开始对气体逸散量有所贡献；

第四阶段：岩心到达地面，且尚未放入解吸罐中；岩心中的气体开始逸出到大气中，直到岩心放入解吸罐中为止；

第五阶段：密封解吸罐中的气体释放开始，且是第四阶段的延续。

3.根据权利要求2所述的一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，所述第二阶段的累积解吸气量具体为：

将一定温度和压力条件下的自由气体浓度转换为标准条件下的自由气体浓度，公式如下：

式中，C_f为过剩吸附量对应的游离气含量，m³/t；Z为气体压缩系数，无因次；Z₀为标准条件下甲烷的压缩系数，0.9976；T₀为标准温度，273.15K；P₀为标准压力，0.101325MP_a；Sw为含水饱和度，％；φ——岩心孔隙度，％；

气体压缩系数Z为：

式中，P_C为临界压力，MPa；T_C为临界温度，K；

第二阶段，t₁≤t<t₂，从岩心逸出的累积气体含量为：

式中，Z_i为储层压力下的气体压缩系数，无因次；Z_cd为临界解吸压力下的气体压缩系数，无因次；ρ_a为岩心视密度，g/cm³。

4.根据权利要求2所述的一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，所述第三阶段的累积解吸气量具体为：

过剩吸附气含量：

式中，C_a为过剩吸附气含量，m³/t；ρ_abs为吸附气密度，g/cm³；V_L为兰氏体积，m³/t；P_L为兰氏压力，MPa；M为摩尔质量，g/mol；R为通用气体含量，8.314J/(mol·K)；

解吸后的气体与游离气体一起流入孔隙裂缝并扩散出岩心，扩散过程服从菲克第一定律：

式中，C为基质单元内平均气体浓度，cm³/g；C(P)为平衡条件下基质边缘气体浓度，cm³/g；D为扩散系数，m²/min；F_s为形态因子，m^-2；t为扩散时间，min；

基质系统与裂隙系统之间的气体交换率为：

式中，F_g——几何因子，无因次；

在第三阶段的每个平衡条件下，C(P)为：

初始时刻(t＝t₂)时，岩心中的初始气体浓度为：

第三阶段和第四阶段的持续时间分别细分为N₁和N₂间隔；在[t_n，t_n+1]的随机时间间隔内，根据差分法可得岩心基质中的气体浓度，具体为：

式中，Cⁿ为t_n时岩心基质中的平均气体浓度，m³/t；Cⁿ⁺¹为t_n+1时岩心基质中的平均气体浓度，m³/t；C(Pⁿ)为平衡条件下在tn时在基质边界处的气体浓度，m³/t；C(Pⁿ⁺¹)为平衡条件下在tn+1时在基质边界处的气体浓度，m³/t；Δt——t_n和t_n+1之间的时间间隔，min；

其中，DF_s具体为：

-ln(1-Q_t/Q_∞)＝DF_St

式中，Q_t为现场累积解吸气量，m³/t；Q_∞为岩心现场解吸气体和残留气体总量的总和，m³/t；

在t_n+1时，从岩心基质到裂缝系统的气体平均交换速率为：

第三阶段，t₂≤t<t₃，从岩心逸出的累积气体含量为：

式中，(t-t₂)/Δt为整数。

5.根据权利要求4所述的一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，所述第四阶段的累积解吸气量具体为：

在第四阶段的每个平衡条件下，C(P)为：

式中，Z_a为大气压下的气体压缩系数，无量纲；

第四阶段，t₃≤t<t₄，从岩心逸出的累积气体含量为：

式中，(t-t₃)/Δt为整数。

6.根据权利要求5所述的一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，所述第五阶段的累积解吸气量具体为：

第五阶段，t₄≤t≤t_e，其平衡条件与第四阶段的平衡条件相同，从岩心逸出的累积气体含量为：

7.根据权利要求6所述的一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，所述总原位含气量C_t等于吸附气体含量和游离气体含量之和：

8.根据权利要求7所述的一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，所述原位吸附气量为：

9.根据权利要求8所述的一种煤岩与页岩原位含气性评价方法，其特征是，所述原位游离气量为：C_f-inplace＝C_t-C_a-inplace。

10.一种煤岩与页岩原位含气性评价系统，其特征是，包括：

阶段划分模块，用于根据气体释放行为将取心和现场解吸过程分为五个阶段，并确定各个阶段的时间零点和损失气体时间两个关键参数；

分析计算模块，用于根据关键参数和储层特征对各个阶段中气体解吸、气体逸出进行分析计算；

统计计算模块，用于分析各个阶段的气体解析量，得到岩心的一系列原位含气量，原位含气量包括总含气量、吸附气量、游离气量。

Images