CN115931949B - 一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非常规天然气勘探和开发领域，具体涉及一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法。该方法包括：实验基础噪声标定、样品饱和甲烷、甲烷自然运移、甲烷自然运移采收率计算、样品干燥和脱气、气体注入下的甲烷运移、气体注入下甲烷采收率计算以及气体注入对甲烷采收率的定量计算。本发明可以实时定量检测气体注入过程中的甲烷采收率的变化，获得剩余甲烷分布信息，更精确的评价气体注入对甲烷采收率的影响。同时还能对储层中不同相态的甲烷采收率的差异进行有效区分，使得能精确辨别出气体注入对何种相态气体的影响更加显著。
Description
技术领域
本发明属于非常规天然气勘探和开发领域，具体涉及一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法。
背景技术
煤层气是我国非常重要的非常规能源，提高煤层气采收率是煤层气大规模开发的关键目标，其中气体注入(如氮气和二氧化碳)已成为重要手段之一。当前的研究已经表明气体注入可以提高煤层气的采收率，但是由于煤储层强烈的非均质性，导致不同区块不同时间段内气体注入提高煤层气采收率的效果不同，因此当前仅能定性和半定量评价注气正常效果。而采收率的变化是煤层气产出优化调控的重要依据，而当前尚未能定量表征气体注入后煤层气采收率的变化过程。对于不同属性的煤层气储层，其性质的差异虽然都可以使得产出提高，但作用效果存在差异。我国煤储层非均质性强，因此亟需探索一种可以定量评价气体注入采收率变化的方法，来应对不同储层的注入增产效果评价。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，提出一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的实验方法。
本发明采用以下技术方案实现：
一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，所述方法包括：
步骤一、实验基础噪声标定
采用核磁共振仪器测量样品初始核磁共振噪声信号；
步骤二、样品饱和甲烷
打开所述核磁共振仪器中岩心夹持器进口阀门，持续通入恒定压力的甲烷，直至核磁共振峰谱不再发生变化，样品饱和甲烷；
步骤三、甲烷自然运移
样品饱和甲烷后，调节所述核磁共振仪器的出口压力至目标压力，并接入气体收集装置，用于计算运移出的气体体积；
步骤四、甲烷自然运移采收率计算
利用核磁共振信号量计算甲烷运移过程中的实时吸附态和游离态对应的核磁共振峰谱面积，以及产出气体积与核磁信号峰面积的关系，并得到甲烷的实时总采收率、吸附气采收率以及游离气采收率；
步骤五、样品干燥和脱气
将样品取出后在低温下加热去除残存在样品中的甲烷；
步骤六、气体注入下的甲烷运移
按照步骤二中的步骤进行甲烷饱和，随后按照步骤三调节出口压力至目标压力，并在样品入口端注入一定预设压力的氮气或二氧化碳，使得样品中的甲烷开始运移，实时观察甲烷信号的峰谱，直至不发生变化；利用核磁共振信号量计算运移过程中的实时吸附态和游离态对应的核磁共振峰谱面积；
步骤七、气体注入下甲烷采收率计算
基于步骤四，计算气体注入下甲烷的实时总采收率、气体注入下吸附气采收率、气体注入下游离气采收率；
步骤八、气体注入对甲烷采收率的定量计算
通过比较气体注入和自然条件下的甲烷采收率，定量计算气体注入对采收率的影响。
作为本发明的进一步方案，步骤一中，实验基础噪声标定时，包括以下步骤：
将样品放置在核磁共振仪器的岩心夹持器中，并施加恒定围压；
关闭所述岩心夹持器的出口阀门，将核磁共振仪器抽真空，启动核磁共振测量样品初始核磁共振噪声信号。
作为本发明的进一步方案，步骤一中，还包括基于测量的样品初始核磁共振噪声信号，利用积分计算噪声信号的谱面积，所述谱面积中噪声信号包括吸附态噪声Sea和游离态噪声Sef，所述谱面积用于区分甲烷信号量；
其中，煤储层中吸附态甲烷赋存在微孔、小孔，游离态甲烷赋存在中孔，大孔，分别对应核磁共振的两个峰谱，即对应测量的样品初始核磁共振噪声信号中的吸附态噪声Sea和游离态噪声Sef。
作为本发明的进一步方案，步骤二中，样品饱和甲烷后，基于饱和甲烷后的样品核磁共振信号，分别计算吸附态甲烷对应的核磁共振峰谱面积(S0a)和游离态甲烷对应的核磁共振峰谱面积(S0f)。
作为本发明的进一步方案，步骤三中，若目标压力小于持续通入甲烷的恒定压力，则样品中的甲烷在压差驱动下流动，实时观察甲烷信号的峰谱，直至峰谱不再变化，实时收集并计算运移过程中吸附态甲烷对应的核磁共振峰谱面积(Sia)和游离态甲烷对应的核磁共振峰谱面积(Sif)，并记录对应气体流出体积(Vi)。
作为本发明的进一步方案，步骤四中，甲烷的实时总采收率为：
吸附气采收率为：
游离气采收率为：
作为本发明的进一步方案，步骤七中，气体注入下甲烷的实时总采收率为：
气体注入下吸附气采收率为：
气体注入下游离气采收率为：
式中，Siai和Sifi分别为气体注入下的吸附态和游离态甲烷对应的实时核磁共振峰谱面积。
作为本发明的进一步方案，步骤八中，定量计算气体注入对采收率的影响，包括气体注入对总甲烷采收率的提高率、气体注入对吸附态甲烷采收率的提高率以及气体注入对游离态甲烷采收率的提高率；
其中，气体注入对总甲烷采收率的提高率ηit为：
气体注入对吸附态甲烷采收率的提高率ηia为：
气体注入对游离态甲烷采收率的提高率ηif为：
本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
本发明的一种定量评价气体注入提高煤层气采收率效果的实验方法，利用低场核磁共振可以实时检测不同煤储层内不同相态甲烷的实时含量的特性，测量特定压力下的吸附饱和后不同相态的甲烷信号峰谱，获得样品内的甲烷含量。随后在无气体注入条件下(自然运移)开始流动，通过计算甲烷信号变化量来定量计算气体注入过程中的甲烷产出量，获得自然产出采收率。随后注入气体如氮气和二氧化碳，实时观察样品内的甲烷信号峰谱变化，进而计算气体注入条件下的煤层气采收率。通过比较自然和气体注入条件下甲烷采收率的差值来定量评价气体注入对煤层气采收率的作用效果。
本发明可以实时定量检测气体注入过程中的甲烷采收率的变化，获得剩余甲烷分布信息，更精确的评价气体注入对甲烷采收率的影响。同时还能对储层中不同相态的甲烷采收率的差异进行有效区分，使得能精确辨别出气体注入对何种相态的气体的影响更加显著。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明一个实施例的定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法中饱和甲烷、自然运移100min和氮气注入100min后的核磁共振谱峰示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明公开及其应用或使用的任何限制。
在实现本公开的过程中，由于采收率的变化是煤层气产出优化调控的重要依据，而当前尚未能定量表征气体注入后煤层气采收率的变化过程。对于不同属性的煤层气储层，其性质的差异虽然都可以使得产出提高，但作用效果存在差异。亟需探索一种可以定量评价气体注入采收率变化的方法，来应对不同储层的注入增产效果评价。
鉴于此，本发明实施例提供一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，利用低场核磁共振可以实时检测不同煤储层内不同相态甲烷的实时含量的特性，测量特定压力下的饱和后不同相态的甲烷信号峰谱，获得样品内的甲烷含量。随后在无气体注入条件下(自然运移)开始流动，通过计算甲烷信号变化量来定量计算气体注入过程中的甲烷产出量，获得自然产出采收率。随后注入气体如氮气和二氧化碳，实时观察样品内的甲烷信号峰谱变化，进而计算气体注入条件下的煤层气采收率。通过比较自然运移和气体注入吸条件下甲烷采收率的差值来定量评价气体注入对煤层气采收率的作用效果。
为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。在本发明提供了一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，包括以下步骤：
步骤一、实验基础噪声标定
采用核磁共振仪器测量样品初始核磁共振噪声信号；
步骤二、样品饱和甲烷
打开所述核磁共振仪器中岩心夹持器进口阀门，持续通入恒定压力的甲烷，直至核磁共振峰谱不再发生变化，样品饱和甲烷；
步骤三、甲烷自然运移
样品饱和甲烷后，调节所述核磁共振仪器的出口压力至目标压力，并接入气体收集装置，用于计算产出气体积；
步骤四、甲烷自然运移采收率计算
利用核磁共振信号量计算运移过程中的实时吸附态和游离态对应的核磁共振峰谱面积，以及产出气体积与核磁信号峰面积的关系，并得到甲烷的实时总采收率、吸附气采收率以及游离气采收率；
步骤五、样品干燥和脱气
将样品取出后在低温下加热去除残存在样品中的甲烷；
步骤六、气体注入下的甲烷运移
按照步骤二的步骤进行甲烷饱和，随后按照步骤三调节出口压力至目标压力，并在样品入口端注入一定预设压力的氮气或二氧化碳，使得样品中的甲烷开始流动，观察实时观察甲烷信号的峰谱，直至不发生变化；利用核磁共振信号量计算运移过程中的实时吸附态和游离态对应的核磁共振峰谱面积；
步骤七、气体注入下甲烷采收率计算
基于步骤四，计算气体注入下甲烷的实时总采收率、气体注入下吸附气采收率、气体注入下游离气采收率；
步骤八、气体注入对甲烷采收率的定量计算
通过比较气体注入和自然条件下的甲烷采收率，定量计算气体注入对采收率的影响。
在步骤一中，实验基础噪声标定时，将样品放置在核磁共振仪器的岩心夹持器中，随后施加恒定围压(Pc)。随后关闭出口阀门，将核磁共振仪器抽真空，启动核磁共振测量样品初始核磁共振噪声信号。煤储层中吸附态甲烷主要赋存在微孔，小孔，而游离态甲烷赋存在中孔，大孔，分别对应核磁共振的两个峰谱。利用积分计算噪声信号的谱面积(吸附态噪声Sea和游离态噪声Sef)，用于后续区分甲烷信号量。
在步骤二中，样品饱和甲烷：打开岩心夹持器进口阀门，持续通入恒定压力(Pg)的甲烷，直至核磁共振峰谱不再发生变化，说明样品已经饱和。基于饱和甲烷后的样品核磁共振信号，分别计算吸附态甲烷对应的核磁共振峰谱面积(S0a)和游离态甲烷对应的核磁共振峰谱面积(S0f)。
自然运移：饱和甲烷后，调节出口压力至目标压力(Ph)，并接入气体收集装置，用于计算产出气体积。Ph小于甲烷压力Pg，使得样品中的甲烷在压差驱动下流动。实时观察甲烷信号的峰谱，直至峰谱不再变化。实时收集并计算流动过程中吸附态甲烷对应的核磁共振峰谱面积(Sia)和游离态甲烷对应的核磁共振峰谱面积(Sif)，并记录对应气体流出体积(Vi)。
3)气体产出与核磁信号对应关系：根据不同时间中的核磁共振信号与产出气体积，建立产出气体积与总核磁信号(Sia+Sif)之间的数学定量关系，即Vi＝f(Sia+Sif)。
4)自然运移采收率计算：利用运移过程中的核磁共振信号量计算实时吸附态和游离态对应的核磁共振峰谱面积(Sia和Sif)以及产出气体积与核磁信号峰面积的关系Vi＝f(Sia+Sif)。因此甲烷的实时总采收率(Qit)为：
吸附气采收率(Qia)为：
游离气采收率(Qif)为：
5)样品干燥和脱气：将样品取出后将其在60℃低温下加热5小时除残存在样品中的甲烷，以防止对后续实验的影响。
6)气体注入下的甲烷运移：按照步骤1)中的步骤进行甲烷饱和，随后按照步骤2)调节出口压力为Ph，并在样品入口端注入一定预设压力(Pi)的氮气或二氧化碳，使得样品中的甲烷开始运移。观察实时观察甲烷信号的峰谱，直至不发生变化。利用核磁共振信号量计算运移过程中的实时吸附态和游离态对应的核磁共振峰谱面积(Siai和Sifi)。
7)气体注入甲烷采收率计算：基于步骤3)的描述，气体注入下甲烷的实时总采收率(Qiti)为：
气体注入下吸附气采收率(Qiai)为：
气体注入下游离气采收率(Qifi)为：
式中Siai和Sifi分别为气体注入下的吸附态和游离态甲烷对应的实时核磁共振峰谱面积。
8)气体注入对甲烷采收率的定量计算：通过比较气体注入和自然条件下的甲烷采收率可定量计算气体注入对采收率的影响。气体注入对总甲烷采收率的提高率ηit为：
气体注入对吸附态甲烷采收率的提高率ηia为：
气体注入对游离态甲烷采收率的提高率ηif为：
本发明可以实时定量检测气体注入过程中的甲烷采收率的变化，获得剩余甲烷分布信息，更精确的评价气体注入对甲烷采收率的影响。同时还能对储层中不同相态的甲烷采收率的差异进行有效区分，使得能精确的辨别出气体注入对何种相态的气体的影响更加显著。
本发明主要通过利用核磁共振可以实时表征煤储层中不同相态甲烷的特性，通过对比自然和气体注入过程中甲烷采收率的差异，来定量表征气体注入对提高煤层气采收率的作用。由于测量方法和原理完全一致，本实施例以氮气注入提高煤层气采收率为例。
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
参见图1所示，图1示出了饱和甲烷、自然运移100min和氮气注入100min后的核磁共振谱峰示意图。本发明的实施例提供的一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，包括：
1)实验基础噪声标定：将尺寸为25*50mm的圆柱样品放置在核磁共振仪器的岩心夹持器中，随后施加10MPa的恒定围压。随后关闭出口阀门，将核磁共振仪器抽真空12小时，启动核磁共振测量样品初始核磁共振噪声信号。计算噪声信号的谱面积(吸附态噪声Sea和游离态噪声Sef)。
2)样品饱和甲烷：通入压力为5MPa的甲烷，持续吸附至饱和(核磁共振谱不变)。计算此时饱和甲烷的吸附态甲烷和游离态甲烷的谱面积(S0a和S0f)。
3)自然运移：关闭进口阀门，停止吸附。将出口阀门打开，在大气压(约0.1MPa)运移100分钟，获得此时核磁共振峰谱。计算自然运移100min后甲烷的吸附态甲烷和游离态甲烷的谱面积(Sia和Sif)，产出气体为Vi，并建立(Sia和Sif)与Vi的数学统计关系Vi＝f(Sia+Sif)。
4)自然运移甲烷采收率计算：自然运移100min时的总采收率(Qit/％)为：
吸附气采收率(Qia)为：
游离气采收率(Qif)为：
5)再次饱和甲烷：取出样品，在真空条件下60℃加热5小时，随后按照步骤1)同等条件下进行甲烷饱和，使饱和后的核磁共振谱与第一次基本一致。
6)氮气注入下甲烷运移：关闭进口阀门。进气口注入压力为5MPa的氮气，并同时将出口阀门打开，在大气压(约0.1MPa)运移100min，获得此时核磁共振峰谱。记录注气100min后甲烷的吸附态甲烷和游离态甲烷的谱面积(Siai和Sifi)。
7)注气下的甲烷采收率计算：注气100min时的总采收率(Qiti)为：
气体注入下吸附气采收率(Qiai)为：
气体注入下游离气采收率(Qifi)为：
8)气体注入对甲烷采收率的定量计算：通过比较氮气注入和自然条件下的甲烷采收率既可定量计算氮气注入对采收率的影响。氮气注入对总甲烷采收率的提高率ηit为：
氮气注入对吸附态甲烷采收率的提高率ηia为：
氮气注入对游离态甲烷采收率的提高率ηif为：
综上所述，本发明可以实时测量气体注入过程中的甲烷采收率的变化，获得剩余甲烷分布信息，更精确的评价气体注入对甲烷采收率的影响。同时还能对储层中不同相态的甲烷采收率的差异进行有效区分，使得能精确辨别出气体注入对何种相态的气体的影响更加显著。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、实验基础噪声标定
采用核磁共振仪器测量样品初始核磁共振噪声信号；
步骤二、样品饱和甲烷
打开所述核磁共振仪器中岩心夹持器进口阀门，持续通入恒定压力的甲烷，直至核磁共振峰谱不再发生变化，样品饱和甲烷；
步骤三、甲烷自然运移
样品饱和甲烷后，调节所述核磁共振仪器的出口压力至目标压力，并接入气体收集装置，用于计算运移出的气体体积；
步骤四、甲烷自然运移采收率计算
利用气体运移过程中的核磁共振信号量计算实时吸附态和游离态对应的核磁共振峰谱面积，以及产出气体积与核磁信号峰面积的关系，并得到甲烷的实时总采收率、吸附气采收率以及游离气采收率；
步骤五、样品干燥和脱气
将样品取出后在低温下加热去除残存在样品中的甲烷；
步骤六、气体注入下的甲烷运移
按照步骤二中的步骤进行甲烷饱和，随后按照步骤三调节出口压力至目标压力，并在样品入口端注入一定预设压力的氮气或二氧化碳，使得样品中的甲烷开始运移，实时观察甲烷信号的峰谱，直至不发生变化；利用核磁共振信号量计算运移过程中的实时吸附态和游离态对应的核磁共振峰谱面积；
步骤七、气体注入下甲烷采收率计算
基于步骤四，计算气体注入下甲烷的实时总采收率、气体注入下吸附气采收率、气体注入下游离气采收率；
步骤八、气体注入对甲烷采收率的定量计算
通过比较气体注入和自然条件下的甲烷采收率，定量计算气体注入对采收率的影响。
2.如权利要求1所述的定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，其特征在于，步骤一中，实验基础噪声标定时，包括以下步骤：
将样品放置在核磁共振仪器的岩心夹持器中，并施加恒定围压；
关闭所述岩心夹持器的出口阀门，将核磁共振仪器抽真空，启动核磁共振测量样品初始核磁共振噪声信号。
3.如权利要求2所述的定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，其特征在于，步骤一中，还包括基于测量的样品初始核磁共振噪声信号，利用积分计算噪声信号的谱面积，所述谱面积中噪声信号包括吸附态噪声Sea和游离态噪声Sef，所述谱面积用于区分甲烷信号量；
其中，煤储层中吸附态甲烷赋存在微孔，小孔，游离态甲烷赋存在中孔，大孔，分别对应核磁共振的两个峰谱，即对应测量的样品初始核磁共振噪声信号中的吸附态噪声Sea和游离态噪声Sef。
4.如权利要求3所述的定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，其特征在于，步骤二中，样品饱和甲烷后，基于饱和甲烷后的样品核磁共振信号，分别计算吸附态甲烷对应的核磁共振峰谱面积S0a和游离态甲烷对应的核磁共振峰谱面积S0f。
5.如权利要求4所述的定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，其特征在于，步骤三中，若目标压力小于持续通入甲烷的恒定压力，则样品中的甲烷在压差驱动下流动，实时观察甲烷信号的峰谱，直至峰谱不再变化，实时收集并计算运移过程中吸附态甲烷对应的核磁共振峰谱面积Sia和游离态甲烷对应的核磁共振峰谱面积Sif，并记录对应气体流出体积Vi。
6.如权利要求5所述的定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，其特征在于，步骤四中，甲烷的实时总采收率为：
吸附气采收率为：
游离气采收率为：
7.如权利要求6所述的定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，其特征在于，步骤七中，气体注入下甲烷的实时总采收率为：
气体注入下吸附气采收率为：
气体注入下游离气采收率为：
式中，Siai和Sifi分别为气体注入下的吸附态和游离态甲烷对应的实时核磁共振峰谱面积。
8.如权利要求7所述的定量评价气体注入提高煤层气采收率的方法，其特征在于，步骤八中，定量计算气体注入对采收率的影响，包括气体注入对总甲烷采收率的提高率、气体注入对吸附态甲烷采收率的提高率以及气体注入对游离态甲烷采收率的提高率；
其中，气体注入对总甲烷采收率的提高率ηit为：
气体注入对吸附态甲烷采收率的提高率ηia为：
气体注入对游离态甲烷采收率的提高率ηif为：
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