保压取心后的连续解析模拟装置及原位含气量计算方法

1.本发明涉及地质勘探设备与技术领域，特别是涉及一种保压取心后的连续解析模拟装置及原位含气量计算方法。


背景技术：

2.地层条件下页岩原位含气量恢复的确定是业界学者和相关技术人员一直以来关注和探索的问题。而这个问题也直接关乎着页岩气资源潜力评估、甜点筛选以及开发方案决策调整这三方面工作。
3.迄今为止，国内外相关领域的诸多学者和工程技术人员对上述问题展开了多方面、多层次的研究和探索。保压取心法是目前公认的、最可信的页岩含气量计算方法。但是，对于深部储层来说，保压取心的保压率并不是100％，现有的关于保压取心的装置和方法无法实现页岩气连续解析的模拟实验，同时也无法在完整解析过程中对气体产出规律和同位素分馏特征进行监测。基于此，本发明提出一种与保压取心工具特点相匹配的页岩气连续解析模拟装置以及基于该装置的原位含气量计算方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种保压取心后的连续解析模拟装置及原位含气量计算方法，能够实现保压取心后的连续解析，以及在完整解析过程中对气体产出规律和同位素分馏特征进行监测。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种保压取心后的连续解析模拟装置，所述装置包括：保压取心筒、气液分离模块、供水模块、流量控制器、气体采集模块、气相色谱仪和同位素质谱仪；
7.所述保压取心筒与所述气液分离模块的进气端连接，所述气液分离模块的进水端与供水模块连接，所述气液分离模块的排气端通过所述流量控制器与所述气体采集模块连接；所述气体采集模块通过所述气相色谱仪与所述同位素质谱仪连接；所述气液分离模块的顶部设有排水口；
8.所述流量控制器，用于控制所述气液分离模块和所述气体采集模块之间流通的气体流速；
9.所述气相色谱仪，用于测试所述气体采集模块采集的解析气体的组分及含量；
10.所述同位素质谱仪，用于测试所述气体采集模块采集的解析气体的组分的同位素组成。
11.一种原位含气量计算方法，所述方法包括：
12.控制供水模块向所述气液分离模块内注水，直至所述气液分离模块内注满水停止供水；
13.打开压力调节阀，将保压取心筒内的解析气体通入所述气液分离模块内；
14.流量控制器控制流通的解析气体的流速；
15.气体采集模块对流经所述流量控制器的解析气体进行采集，并将采集的解析气体输入至气相色谱仪和同位素质谱仪中；
16.判断所述保压取心筒内岩心解析气体含量是否小于预设含量值；
17.若否，则在当前条件下继续进行解析测定；
18.若是，则控制所述供水模块向所述气液分离模块内注水，所述气体采集模块采集所述气液分离模块内剩余的解析气体，并将采集的剩余解析气体输入至气相色谱仪和同位素质谱仪中，直至所述气液分离模块内注满水；
19.根据所述保压取心筒的保压率和整个解析过程的总解析气量计算原位含气量。
20.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
21.本发明涉及一种保压取心后的连续解析模拟装置及原位含气量计算方法，装置包括：保压取心筒、气液分离模块、供水模块、流量控制器、气体采集模块、气相色谱仪和同位素质谱仪；流量控制器，用于控制所述气液分离模块和所述气体采集模块之间流通的气体流速；气相色谱仪，用于测试所述气体采集模块采集的解析气体的组分及含量；同位素质谱仪，用于测试所述气体采集模块采集的解析气体的组分的同位素组成。本发明可进行保压取心后的连续解析模拟实验，为探究完整解析过程中气体产出规律和同位素分馏特征提供了大量的、完整的实测数据以及有效的技术手段。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
23.图1为本发明实施例1提供的一种保压取心后的连续解析模拟装置结构图；
24.图2为本发明实施例2提供的一种原位含气量计算方法流程图。
25.附图标记：
26.1-保压取心筒；2-气液分离模块；21-箱体；22-集气通道；23-第一隔板；24-第二隔板；25-第三隔板；26-第四隔板；3-供水模块；4-流量控制器；5-气体采集模块；6-气相色谱仪；7-同位素质谱仪；8-加热模块；9-干燥器；10-压力调节阀；v1-进气阀；v2-进水阀；v3-排水阀；v4-排气阀；v5-采气阀。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.目前页岩气含量的评价方法主要分为间接法和直接法。间接法是指根据页岩气在储层原位条件中的赋存状态将总含气量分为游离气、吸附气和溶解气(少量)并进行计算，但是由于该方法无法模拟真实的原位地层条件，因此并未获得业界的广泛认可。直接法是指根据取心流程将总含气量分为损失气、解析气和残余气并进行计算，其中，解析气和残余
气都是可以直接测得的，而损失气无法直接测定，特别是这部分损失的气体可达页岩总含气量的20％～80％(胡微雪等，2014；姚光华等，2017；沈博健，2019；shtepani et al.,2010)。因此，获取准确的损失气含量成为直接法测定页岩含气量的关键因素之一。目前，业界比较广泛采用的损失气恢复方法主要为usbm法(kissell et al.,1973)、多项式拟合法(diamond et al.,2001)、acf法(yee et al.,1993)和mcf法(ruckenstein et al.,1971)等，但上述方法均存在问题：首先，上述方法在理论上存在较大的缺陷，因此其含气量评价结果经常受到质疑；其次，借助不同方法拟合实测解析数据反推得到的气体解析规律也差异显著(li et al.,2021)。而近年来业内学者和技术人员发现，在页岩气解析过程中会发生明显且复杂的同位素分馏效应(wang et al.,2015；陈斐然等，2016；韩元红等，2017；陶成等，2020)，并且同位素分馏特征也被发现与页岩气解析过程和原位含气量等密切相关(沈博健，2019；高玉巧等，2019；li et al.,2021)。但是，研究人员在页岩气解析过程中观测到的同位素分馏特征各不相同(feng et al.,2016；qin et al.,2017；孟强等，2015；李文镖等，2020)，有关完整解析过程中的同位素分馏特征、影响因素及机理没有得到统一的认识，还缺乏系统且深入的研究，并且没有大量的、完整的解析数据去支撑相关的研究。现有的关于保压取心的装置及方法，默认了保压取心筒在深部页岩气藏中的保压能力为100％，没有考虑到可能存在由于保压能力不足而导致气体逸散的情况，并且也无法实现页岩气连续解析的模拟实验，同时也无法在完整解析过程中对气体产出规律和同位素分馏特征进行监测。因此，需要一种能够在保压取心后进行连续解析模拟的配套装置，同时还需要相应的原位含气量计算方法。
29.本发明的目的是提供提供一种保压取心后的连续解析模拟装置及原位含气量计算方法，能够实现保压取心后的连续解析，以及在完整解析过程中对气体产出规律和同位素分馏特征进行监测，并且在保压能力不足的情况下进行原位含气量的恢复。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.实施例1
32.如图1所示，本实施例提供一种保压取心后的连续解析模拟装置，其中，所述装置包括：保压取心筒1、气液分离模块2、供水模块3、流量控制器4、气体采集模块5、气相色谱仪6和同位素质谱仪7；
33.所述保压取心筒1与所述气液分离模块2的进气端连接，所述气液分离模块2的进水端与供水模块3连接，所述气液分离模块2的排气端通过所述流量控制器4与所述气体采集模块5连接；所述气体采集模块5通过所述气相色谱仪6与所述同位素质谱仪7连接；所述气液分离模块2的顶部设有排水口；
34.所述流量控制器4，用于控制所述气液分离模块2和所述气体采集模块5之间流通的气体流速；流量控制器4可以采用气体流量计，具体的可为甲烷气体流量计。
35.所述气相色谱仪6，用于测试所述气体采集模块5采集的解析气体的组分及含量；
36.所述同位素质谱仪7，用于测试所述气体采集模块5采集的解析气体的组分的同位素组成。
37.利用气相色谱仪6和同位素质谱仪7能够对解析气体中的同位素分馏特征进行监测，为探究完整解析过程中的同位素分馏特征、影响因素及机理，建立基于同位素分馏的页
岩气关键参数评价方法提供了有力支撑。
38.考虑到当保压取心筒1内的压力释放完后，常压解析条件下岩心的解析比较慢，为了提高常压解析速率，可以设置加热模块8对保压取心筒1进行升温加热，以加快常压解析条件下岩心的解析速率。即在所述保压取心筒1的外侧设有所述加热模块8，所述加热模块8用于常压解析时加快保压取心筒1内岩心的解析速率，这样能够避免解析时间过长导致地面实测温度ts发生较大变化。
39.常规取心配备的气体计量装置体积较小且无法承受深层高压，无法满足保压取心筒1中高压气体与泥浆分离、计量的需求，可以在保压取心筒1和气液分离模块2之间设置压力调节阀10(高压调节阀)，这样可以将所述保压取心筒1与所述气液分离模块2的进气端通过压力调节阀10连接；所以可以通过控制压力调节阀10来调节高密度泥浆与气体的混合流体的压力以达到缓慢降压的连续解析模拟。
40.作为一种可选的实施方式，所述气液分离模块2包括箱体21(采用可承压的不锈钢材质制作)、设于所述箱体21顶部的集气通道22和设于箱体21内的第一隔板23、第二隔板24、第三隔板25和第四隔板26；
41.所述第一隔板23的一端连接于所述箱体21顶部，所述第一隔板23的另一端与所述箱体21的底部相距第一预设距离；所述第二隔板24的一端连接于所述箱体21顶部，所述第二隔板24的另一端与所述箱体21的底部相距第二预设距离；所述第一隔板23和所述第二隔板24间隔设置；第一预设距离与第二预设距离的值可以相同可以不同，根据需求调整。
42.所述第三隔板25的一端连接于所述箱体21底部，所述第三隔板25的另一端与所述箱体21的顶部相距第三预设距离；所述第四隔板26的一端连接于所述箱体21底部，所述第四隔板26的另一端与所述箱体21的顶部相距第四预设距离；所述第三隔板25和所述第四隔板26间隔设置；所述第三隔板25和所述第四隔板26设于所述第一隔板23和所述第二隔板24之间；第三预设距离与第四预设距离的值可以相同可以不同，根据需求调整。第三预设距离要小于第一隔板23的长度，第四预设距离要小于第二隔板24的长度。四个隔板之间相互平行。
43.所述集气通道22的两端均与所箱体21连通，且所述集气通道22设于所第一隔板23和所述第二隔板24之间。
44.为了便于保压取心筒1内输出的解析气体能够快速的从气液分离模块2(箱体21)内输出，可以将所述气液分离模块2的进气端设于所述所述箱体21的底部且位于第三隔板25和第四隔板26之间；所述气液分离模块2的排气端设于所述集气通道22上；所述气液分离模块2的排水口和进水口位于所述第一隔板23与所述箱体21的一侧壁之间或所述第二隔板24与所述箱体21另一侧壁之间。
45.为了使得气液分离模块2中输出的解析气体干燥，可以在所述气液分离模块2和所述流量控制器4之间还连接有干燥器9。
46.为了便于对气液分离模块2的进气、进水、排气以及对气体采集模块5的采气进行灵活控制，可以在保压取心筒1和气液分离模块2之间连接进气阀v1，在供水模块3与气液分离模块2之间连接进水阀v2，在气液分离模块2的排水口出连接排水阀v3，在气液分离模块2与流量控制器4之间连接排气阀v4，在流量控制器4与气体采集模块5之间连接采气阀v5。这些阀门以及流量控制器4可以与计算机连接，进而能够通过计算机对各阀门和气体流速进
行调控。
47.本实施例中，利用供水模块3、保压取心筒1、气液分离模块2、气体采集模块5、气相色谱仪6和同位素质谱仪7能够实现保压取心后的连续解析模拟，也为研究完整解析过程中气体产出规律和同位素分馏特征提供了大量的完整的实测数据以及有效的技术手段。
48.实施例2
49.如图2所示，本实施例提供一种原位含气量计算方法，该方法基于实施例1的装置实现，所述方法包括：
50.s1：控制供水模块3向所述气液分离模块2内注水，直至所述气液分离模块2内注满水停止供水；可以通过控制图1中的进水阀v2实现，该步骤中也可以打开图1中的排水阀v3实现气液分离模块2的排水口与外界连通。图1中的箱体21内的阴影部分即为注入的水。
51.s2：打开压力调节阀10，将保压取心筒1内的解析气体通入所述气液分离模块2内；在打开压力调节阀10时可以缓慢降压，从而使得保压取心筒1内缓慢降压，达到缓慢降压的连续解析模拟。打开进气阀v1并缓慢打开压力调节阀10对保压取心筒1进行降压，此时，气液分离模块2中的水会从排水阀v3排出；
52.为避免装置内的水从排气阀v4排出，对后续气体收集工作造成影响，需等待气液分离模块2顶部收集一部分气体(约1l)之后，再进行气体的采集工作。
53.s3：流量控制器4控制流通的解析气体的流速；可以通过计算机设定一阈值使流量控制器4控制气体流量。计算机记录流量控制器4上传的不同时刻累积解析气量，并随时通过气体采集模块5收集不同时间内的解析气体。
54.s4：打开排气阀v4和采气阀v5，气体采集模块5对流经所述流量控制器4的解析气体进行采集，并将采集的解析气体输入至气相色谱仪6和同位素质谱仪7中。将气体采集模块5收集到的解析气体通过同位素质谱仪7测试不同时间内采集的待检测气体的同位素组成，即不同时间的
12
ch4和
13
ch4比例。
55.s5：判断所述保压取心筒1内岩心解析气体含量是否小于预设含量值；这里的判断主要是为了确定保压取心筒1内的岩心是否还能够解析出气体，从而能够在基本不输出解析气体时，对气液分离模块2的剩余气体进行采集，进而结束解析测定过程。
56.若解析气体含量不小于预设含量值，则在当前条件下继续进行解析测定；
57.若解析气体含量不小于预设含量值(可认定为保压取心筒1内不输出解析气体)，则控制所述供水模块3向所述气液分离模块2内注水，所述气体采集模块5采集所述气液分离模块2内剩余的解析气体，并将采集的剩余解析气体输入至气相色谱仪6和同位素质谱仪7中，直至所述气液分离模块2内注满水；
58.在步骤s5之前还可以进行如下操作：
59.判断所述保压取心筒1的压力是否小于预设压力值；这是判断保压取心筒1内的压力是否完全释放，当完全释放完后，需要在常压下继续进行解析，可以对常压下解析速率进行调控。
60.若否，则返回步骤s4中的“气体采集模块5对流经所述流量控制器4的解析气体进行采集”；
61.若是，则在当前压力下继续解析至预设解析时间。
62.在当前压力下继续解析至预设解析时间过程中，可以对保压取心筒1设置加热模
块8，启动所述加热模块8对所述保压取心筒1进行加热，直至加热时间达到所述预设解析时间。
63.这里的预设解析时间可以根据解析条件做调整，例如常压下不加热条件下，该预设解析时间值可以设置的大一些，常压下加热条件下，该预设解析时间值可以设置小一些，可以设置加热解析时间为4小时，这里仅用于理解方案不具有限定作用。
64.即持续加热解析4小时后，关闭排水阀v3v3，打开进水阀v2v2开始注入水，直至注满气液分离模块2，收集到气液分离模块2内的剩余气体，关闭排气阀v4v4和进水阀v2v2，结束解析测定。
65.s6：根据所述保压取心筒1的保压率和整个解析过程的总解析气量计算原位含气量。
66.具体的，计算目标地层所述原位含气量的表达为：
[0067][0068]
其中，v
loss
为提心过程中的损失气量，即原位含气量，cm3/g；v
t
为整个解析过程流经流量控制器4的解析气体总量(流量控制器4测得的总气量即为总解析气量)，cm3/g；phr为保压取心筒1的保压率，％；ps为地面实测压力，mpa；p0为原始地层压力，mpa；ts为地面实测温度，k；t0为原始地层温度，k。
[0069]
本实施例中，能够准确的计算出解析过程中的损失气量，从而能够进行深层页岩保压取心后的原位含气量恢复工作，解决了保压取心技术应用于深部储层时，由于保压能力不足而限制其向深部推广的问题，为获取真实地层条件下的页岩含气量提供了有效的技术手段。
[0070]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0071]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。