基于取芯全过程的页岩损失气量计算方法研究

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页岩含气量是页岩气高效勘探开发的重要参考指标。按照页岩取芯时间的先后顺序,页岩气可分为损失气、解吸气和残余气,其中页岩损失气量是页岩含气量准确测定的关键变量,因此提高页岩损失气量计算的准确度对页岩气资源评估具有重要影响。目前页岩损失气量计算方法主要有改进USBM(United States Bureau of Mines)方法和多项式拟合法等,但由于页岩气储层埋深相对较大,在取芯全过程中,随着岩芯的位置变化,围压、温度差异较大,该过程中页岩气解吸、渗流以及逸散速率会发生显著的变化,导致采用单一温压条件下的部分数据估算的页岩损失气量存在较大偏差。因此,建立基于取芯全过程的页岩损失气量计算方法具有重要意义。本文分析页岩取芯全过程,研究围压、温度及页岩气赋存状态等对页岩气解吸的影响规律;利用理论分析等方法,获得岩芯表面气体逸散速率计算模型,结合GCTS(Geotechnical Consulting and Testing Systems)实验研究不同深度和浸泡时间对岩芯渗透性的影响规律,建立基于取芯全过程的页岩损失气量计算方法。最后自主研制页岩损失气模拟实验平台并开展物理实验对本文的理论方法进行验证。取得的主要成果有:(1)发现了在页岩岩芯钻取阶段岩芯的有效应力发生了突变,导致岩芯的渗透率发生数量级的突变增大,致使解吸初期页岩气逸散速率显著增大。基于GCTS实验,研究了围压、孔压、取芯液浸泡时间、浸泡压力等对岩芯渗透性的影响规律,结合页岩取芯过程岩芯受力分析,发现了页岩取芯全过程中有效应力经历了较大幅度减小,并在岩芯的钻取阶段出现了有效应力突变,对于1500 m深的页岩气井,岩芯的有效应力突变最高可达10.7 MPa,相应的岩芯渗透率发生了数量级的改变,致使解吸初期页岩气逸散速率显著增大,认为在该阶段会导致页岩损失气量显著增加。(2)建立了基于取芯全过程的页岩损失气量计算方法首先,系统分析了岩芯温压随深度、取芯时间、取芯液密度等因素的变化规律,建立了取芯全过程中由吸附气转变为游离气的孔隙压力计算模型;其次,发现了页岩在取芯液浸泡后会导致其渗透率应力敏感系数增大的现象,并基于实验结果修正了取样过程中页岩岩芯渗透率计算模型;再次,运用气体不稳定渗流过程的状态方程、运动方程和质量守恒方程,结合岩芯的初始条件与边界条件,采用波尔兹曼变换得到取芯过程中岩芯表面页岩气逸散速率计算模型;最后,针对基于取芯全过程的页岩损失气量的积分无法直接计算,采用matlab软件二次开发,实现理论方法计算页岩损失气量。(3)提出了变温压过程中页岩损失气模拟实验方法。针对页岩损失气并无直接参考测量标准,提出页岩损失气物理模拟实验方法,据此研制页岩损失气模拟实验平台,模拟实验平台由水浴恒温子系统、主体实验子系统、气体供给子系统、气体测量子系统和抽真空子系统组成,实现了对岩芯充气补偿与取芯全过程中岩芯的温压变化模拟。实验相对误差分析表明:实验平台在抽真空阶段相对误差为3.92%,气体注入参比槽阶段相对误差2.54%,损失气模拟阶段相对误差为3.41%,确保了实验的准确度。开展了页岩损失气模拟实验对本文所提出的理论方法进行验证,结果表明:通过基于取芯全过程的理论算法所求损失气量的平均误差率为8.49%,而多项式拟合方法结果的平均误差率分别为29.93%,表明了基于取芯全过程的页岩损失气量计算方法的正确性与有效性。本文研究为页岩损失气量的计算提供了一种新的视角,有效地弥补了现有的页岩损失气量计算方法的不足。
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