一种判别页岩气流态的装置及方法与流程

1.本发明涉及页岩气勘探开发技术领域。更具体地，涉及一种判别页岩气流态的装置及方法。


背景技术：

2.我国页岩气开发潜力巨大，经过近十年的勘探开发实践，已经进入规模开发阶段。页岩储层有机质含量丰富、微纳米孔发育等特征导致其流体赋存及动用规律复杂。大部分研究认为页岩基质渗透率极低，基本上没有渗流能力，由于页岩微纳米级孔隙中的气体流动时，空间尺度远小于常规的空间尺度，流动机理也发生了变化。
3.目前对于页岩气流态的划分，主要依据努森数划分，根据努森数的范围，划分了达西流、滑脱流和过渡流等，达西流动规律与常规气藏规律一致，气体滑脱效应主要受到压力、温度、岩石孔隙结构及气体种类等因素的影响，温度越高，平均压力越小，滑脱效应就越明显，过渡流态的流动需要考虑分子与壁面碰撞导致的努森扩散等。由于这种跨流态流动的复杂性，使得页岩气流动规律更加难以描述。
4.目前页岩实验中流动能力表征仍然以达西渗透率为主，测试气体普遍采用氦气或氮气，忽略了甲烷气吸附对流动能力的影响；测试压力普遍偏低，测试结果无法有效反应页岩储层条件气体的流动能力，因而会对页岩气产量递减分析和eur预测产生相当大的影响。
5.因此，本发明提供了一种判别页岩气流态的装置及方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的在于提供一种判别页岩气流态的装置。
7.本发明的另一个目的在于提供一种判别页岩气流态的方法。
8.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
9.一种判别页岩气流态的装置，包括：
10.中间容器，具有容纳驱替液的内腔；
11.动力输出装置，连接所述中间容器的进口，用于输出不同的驱动压力以驱替所述中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心夹持器中的岩心；
12.流量控制器，该流量控制器的进口连接所述中间容器的出口，用于控制流入岩心夹持器的流体流量；
13.气源，连接所述流量控制器的进口；
14.内部设有岩心的岩心夹持器，该岩心夹持器的进口通过单向阀连接所述流量控制器的出口；
15.围压输出装置，连接所述岩心夹持器的围压输入口，用于向所述岩心夹持器提供围压；
16.接液装置，该接液装置的进口连接所述岩心夹持器的出口，用于岩心夹持器出口端接液；
17.压力测量装置，包括：
18.设置于所述单向阀和所述岩心夹持器进口之间的第一压力传感器，用于测量所述岩心夹持器进口的气体压力值，并将测量的进口气体压力值传输至计算机；
19.设置于所述接液装置与所述岩心夹持器出口之间的第二压力传感器，用于测量所述岩心夹持器出口的气体压力值，并将测量的出口气体压力值传输至计算机；
20.连接第一压力传感器和第二传感器的压力巡检仪；
21.以及计算机，用于实时记录岩心夹持器进口的气体压力值以及出口的气体压力值，并根据进口的气体压力值以及出口的气体压力值计算进口与出口之间的压差。本领域技术人员可以理解的是，本发明提供的装置中各组件之间可通过管线连接。
22.优选地，所述压力测量装置还包括设于所述围压输出装置和所述岩心夹持器之间的第三压力传感器，用于测量所述围压泵施加至所述岩心夹持器的压力。
23.优选地，所述岩心加持器设于恒温箱中。
24.优选地，所述接液装置包括水槽和设于水槽中的接液管；该接液管连接所述岩心夹持器的出口。
25.优选地，所述移液管为设有刻度的玻璃管。
26.优选地，所述气源和所述流量控制器之间设有第一调节阀，用于开启和关闭整个实验流程。
27.优选地，所述中间容器和所述流量控制器之间设有第二调节阀，用于调节气体以基本恒定的流量进入岩心夹持器。
28.优选地，所述动力输出装置为isco泵。
29.优选地，所述围压输出装置为围压泵。
30.优选地，所述气源提供的气体为甲烷。
31.本发明还提供了一种使用上述装置的判别页岩气流态的方法，包括如下步骤：
32.取岩心样品，测量其长度和截面积，使用岩心夹持器夹持岩心样品；
33.使用气源向岩心夹持器提供预设压力的甲烷气体来模拟页岩气的流动，通过流量控制器控制输入岩心夹持器的气体流量；
34.通过围压输出装置向夹有岩心样品的岩心夹持器施加预设围压；
35.通过围压输出装置向夹有岩心样品的岩心夹持器施加预设围压；
36.通过压力测量装置测量岩心夹持器的进口压力和出口压力，根据所述岩心夹持器的进口压力监测值，调控气源以及动力输出装置以使进口压力稳定；
37.当岩心夹持器的进口压力变幅小于0.00001mpa/h时，通过排水采气法分时段重复三次使用接液装置测量岩心夹持器出口的气体流量；
38.根据公式(i)计算渗透率，绘制渗透率和压力曲线，以及渗透率和压力倒数曲线，根据达西流动的拟合直线进行划分，判别页岩气的流动形态；
[0039][0040]
式(i)中，
[0041]
kg表示气测渗透率，单位为d；
[0042]qv
表示输出岩心夹持器的气体体积流量，单位为cm3/s；
[0043]
p0表示标准大气压力，取值0.1mpa；
[0044]
μ表示气源输出气体的黏度，与气体种类、温度和压力相关，mpa
·
s；
[0045]
l表示岩心样品的长度，单位为cm；
[0046]
a表示岩心样品的截面积，单位为cm2；
[0047]
p1表示岩心夹持器的进口压力，单位为10-1
mpa；
[0048]
p2表示岩心夹持器的出口压力，单位为10-1
mpa。
[0049]
优选地，所述进口压力的压力范围为0.1～30mpa。
[0050]
优选地，所述根据所述岩心夹持器的进口压力监测值，调控气源以及动力输出装置以使进口压力稳定的步骤具体包括：
[0051]
a.进口压力低于1mpa时，所述气源出口连接精度0.001mpa的精密气压控制调节阀，第一压力传感器的量程为1mpa、精度为1/1000；记录岩心夹持器进口压力的变化情况，在进口压力变幅小于0.00001mpa/h时采用排水采气法分时段重复测量三次流量并取平均值；
[0052]
b.进口压力高于1mpa时，使用动力输出装置稳定进口压力，连接相应量程的第一压力传感器；记录岩心夹持器进口压力的变化情况，在进口压力变幅小于0.00001mpa/h时采用排水采气法分时段重复测量三次流量并取平均值。
[0053]
本发明的有益效果如下：
[0054]
本发明提供的判别页岩气流态的装置及方法，通过对曲线的划分，明确页岩岩心进入过渡流态的压力范围，实现对页岩储层基质气体流动能力的表征。
附图说明
[0055]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0056]
图1示出本发明提供的判别页岩气流态的装置示意图；
[0057]
图2示出本发明实施例1中压力与渗透率的关系曲线图；
[0058]
图3示出本发明实施例1中压力倒数与渗透率的关系曲线图；
[0059]
其中，1-中间容器，2-动力输出装置，3-流量控制器，4-气源，41-第一调节阀，5-岩心夹持器，6-围压输出装置，7-接液装置，71-水槽，72-接液管，8-压力测量装置，81-第一压力传感器，82-第二压力传感器，83-压力巡检仪，84-计算机，85-第三压力传感器，9-单向阀，10-恒温箱，11-第二调节阀。
具体实施方式
[0060]
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0061]
本发明提供了一种判别页岩气流态的装置，具体地，结合图1，包括：
[0062]
中间容器1，具有容纳驱替液的内腔；
[0063]
动力输出装置2，连接所述中间容器1的进口，用于输出不同的驱动压力以驱替所述中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心夹持器中的岩心，具体可以为动力泵，其中动力泵可以是isco泵；
[0064]
流量控制器3，该流量控制器3的进口连接所述中间容器1的出口，用于控制流入岩心夹持器的流体流量；
[0065]
气源4，连接所述流量控制器3的进口；
[0066]
内部设有岩心的岩心夹持器5，该岩心夹持器5的进口通过单向阀9连接所述流量控制器3的出口；
[0067]
围压输出装置6，连接所述岩心夹持器5的围压输入口，用于向所述岩心夹持器5提供围压，具体可以为围压泵；
[0068]
接液装置7，该接液装置7的进口连接所述岩心夹持器5的出口，用于岩心夹持器5出口端接液；
[0069]
压力测量装置8，包括：
[0070]
设置于所述单向阀9和所述岩心夹持器5进口之间的第一压力传感器81，用于测量所述岩心夹持器5进口的气体压力值，并将测量的进口气体压力值传输至计算机84；
[0071]
设置于所述接液装置7与所述岩心夹持器5出口之间的第二压力传感器82，用于测量所述岩心夹持器5出口的气体压力值，并将测量的出口气体压力值传输至计算机84；
[0072]
连接第一压力传感器和第二传感器的压力巡检仪83；压力巡检仪设有8个通道，可以将压力传感器中的压力感应值通过压力巡检仪显示出来。
[0073]
以及计算机84，用于实时记录岩心夹持器进口的气体压力值以及出口的气体压力值，并根据进口的气体压力值以及出口的气体压力值计算进口与出口之间的压差。本领域技术人员可以理解的是，本发明提供的装置中各组件之间可通过管线连接，例如，所述动力输出装置通过管线连接所述中间容器的进口，所述流量控制器的进口通过管线连接所述中间容器的出口，所述气源通过管线连接所述流量控制器的进口，所述岩心夹持器的进口通过管线上设有的单向阀连接所述流量控制器的出口，所述围压输出装置通过管线连接所述岩心夹持器的围压输入口，所述接液装置的进口通过管线连接所述岩心夹持器的出口等。
[0074]
作为本发明一个优选的实施方式，所述压力测量装置8还包括设于所述围压输出装置6和所述岩心夹持器5之间的第三压力传感器85，用于测量所述围压泵施加至所述岩心夹持器的压力。
[0075]
作为本发明一个优选的实施方式，所述岩心加持器5设于恒温箱10中。
[0076]
本发明采用甲烷为实验气体，岩心夹持器处于恒温箱中，能够保证温度恒定，气体的密度、粘度、压缩因子保持恒定值，实验数据更稳定、更精准。
[0077]
作为本发明一个优选的实施方式，所述接液装置7包括水槽71和设于水槽71中的接液管72；该接液管72连接所述岩心夹持器5的出口，所述移液管72为设有刻度的玻璃管，用于读取气体体积值。
[0078]
作为本发明一个优选的实施方式，所述气源4和所述流量控制器3之间设有第一调节阀41，用于控制气源气体的流速。
[0079]
作为本发明一个优选的实施方式，所述中间容器1和所述流量控制器3之间设有第二调节阀11。
[0080]
本发明还提供了一种使用上述装置的判别页岩气流态的方法，包括如下步骤：
[0081]
s101、取岩心样品，测量其长度和截面积，使用岩心夹持器5夹持岩心样品；
[0082]
s102、使用气源4向岩心夹持器5提供预设压力的高压气体来模拟页岩气的流动，
通过流量控制器3控制输入岩心夹持器5的气体流量；
[0083]
s103、通过围压输出装置6向夹有岩心样品的岩心夹持器5施加预设围压；
[0084]
s104、通过压力测量装置8测量岩心夹持器5的进口压力和出口压力，根据所述岩心夹持器5的进口压力，启动或关闭动力输出装置2控制进口压力的压力范围，具体范围可以为0.1～30mpa；当进口压力低于1mpa时，不启用动力输出装置，岩心夹持器的进口压力通过控制气源直接控制；当进口压力不低于1mpa时，使用动力输出装置和中间容器实现对压力的控制；
[0085]
s105、通过排水采气法使用接液装置7测量岩心夹持器出口的液体流量；
[0086]
实验压力的精确控制仅依靠单一手段难以实现，需要进行多级调控：
[0087]
a.当进口压力低于1mpa时，第一调节阀41选择精度0.001mpa的精密气压控制调节阀，第一压力传感器81选择量程1mpa、精度1/1000。使用压力巡检仪83记录岩心夹持器进口压力的变化情况，通常在24h～48h后进口压力变幅小于0.00001mpa/h时，采用排水采气法分时段重复测量三次流量并取平均值。
[0088]
b.压力高于1mpa时，使用isco泵和中间容器稳定压力，连接相应量程的压力传感器。同样地，为了确保流动达到稳态，减小测量误差，分时段重复测量三次流量。
[0089]
排水法具体过程包括：将实验装置出口处连接接液管，试管中盛满水倒扣至同样盛满水的水槽中，保证试管中没有空气，将接液管管插入试管底部，在实验开始后，由于密度不同，试管中逐渐注入气体，将水逐渐排除，通过计量不同时间进入试管的气体体积，来计算气体流量，得到qv。
[0090]
s106、根据公式(i)计算渗透率，绘制渗透率和压力曲线，以及渗透率和压力倒数曲线，根据达西流动的拟合直线进行划分，判别页岩气的流动形态；
[0091][0092]
式(i)中，
[0093]
kg表示气测渗透率，单位为d；
[0094]qv
表示输出岩心夹持器的气体体积流量，单位为cm3/s；
[0095]
p0表示标准大气压力，取值0.1mpa；
[0096]
μ表示气源输出气体的黏度，与气体种类、温度和压力相关，mpa
·
s；
[0097]
l表示岩心样品的长度，单位为cm；
[0098]
a表示岩心样品的截面积，单位为cm2；
[0099]
p1表示岩心夹持器的进口压力，单位为10-1
mpa；
[0100]
p2表示岩心夹持器的出口压力，单位为10-1
mpa。
[0101]
作为本发明一个优选的实施方式，公式(i)通过将公式(ii)和公式(iii)结合后积分得到；
[0102][0103]
pm＝ρrt(iii)；
[0104]
式(ii)和式(iii)中，
[0105]
v表示气体流速m/s；
[0106]
qm表示输出岩心夹持器的气体质量流量，单位为kg/s；
[0107]
r表示气源输出气体的常数，取值8.314j/(mol
·
k)；
[0108]
a表示岩心样品的截面积，单位为cm2；
[0109]
ρ表示气体密度kg/m3；
[0110]
p表示压力pa；
[0111]
m表示摩尔质量；
[0112]
t表示温度，单位为k。
[0113]
具体地，将公式(ii)代入公式(iii)中，得到
[0114]
将其对变量p和x积分，得到
[0115]
忽略温度的影响，即t0＝t，整理可以推导出公式(i)；其中，t0表示标况下温度，单位为273.15k。
[0116]
作为本发明一个优选的实施方式，步骤s103中，进口压力低于1mpa时，第一调节阀使用精度为0.001mpa的精密气压控制调节阀，第一压力传感器使用量程为1mpa且精度为1/1000的压力传感器，使用压力巡检仪记录岩心夹持器进口压力的变化情况；
[0117]
压力高于1mpa时，使用动力输出装置和中间容器稳定压力，第一压力传感器根据需要选择相应量程的压力传感器，使用压力巡检仪记录岩心夹持器进口压力的变化情况。
[0118]
作为本发明一个优选的实施方式，步骤s105中，在24h～48h后岩心夹持器进口压力变幅小于0.00001mpa/h时，为了确保流动达到稳态，减小测量误差，采用排水法使用接液装置7分时段重复测量三次岩心夹持器5出口的液体流量并取平均值。
[0119]
下面，通过具体实施例对本发明的内容做进一步的说明。
[0120]
实施例1
[0121]
本实施例提供了一种判别页岩气流态的方法，使用如图1所示的装置，包括如下步骤：
[0122]
1)取岩心样品，测量其长度和截面积，使用岩心夹持器夹持岩心样品；
[0123]
2)使用气源向岩心夹持器提供预设压力的高压气体来模拟页岩气的流动，通过流量控制器控制输入岩心夹持器的气体流量；
[0124]
3)通过围压输出装置向夹有岩心样品的岩心夹持器施加预设围压；
[0125]
4)通过压力测量装置测量岩心夹持器的进口压力和出口压力，当进口压力为0.1～1mpa时，不启用动力输出装置，岩心夹持器的进口压力通过控制气源直接控制，第一调节阀使用精度为0.001mpa的精密气压控制调节阀，第一压力传感器使用量程为1mpa且精度为1/1000的压力传感器，使用压力巡检仪记录岩心夹持器进口压力的变化情况；
[0126]
当进口压力≥1mpa且≤30mpa时，使用动力输出装置和中间容器实现对压力的控制，第一压力传感器根据需要选择相应量程的压力传感器，使用压力巡检仪记录岩心夹持器进口压力的变化情况；
[0127]
5)在24h～48h后岩心夹持器进口压力变幅小于0.00001mpa/h时，采用排水采气法
使用接液装置分时段重复测量三次岩心夹持器出口的液体流量并取平均值；
[0128]
此处平均值指的是：通过排水采气方法，计量同一气体体积时，所用时间，来获取更稳定、更恒定的出口流量值qv，因为在实验过程中出口流量值仅测量1次是不能够可靠的。
[0129]
6)将步骤2)得到的数据以及步骤5)得到的数据代入公式(i)计算渗透率，绘制渗透率和压力曲线(如图2所示)，以及渗透率和压力倒数曲线(如图3所示)，根据达西流动的拟合直线进行划分，判别页岩气的流动形态；
[0130]
如图2所示，渗透率值呈现两段式特征。随着压力的降低，渗透率缓慢增加，达到一定的压力之后，渗透率迅速上升。可以判断，在平均压力逐渐降低至极低压力水平时(《1mpa)，渗透率值显著增加1个数量级以上，说明流动由达西流动逐渐转变为过渡流，而过渡流中努森扩散作用相应增强，分子运动特征显著，使得岩心流动能力增强。
[0131]
从平均压力倒数曲线(图3)可以看出，渗透率值呈现三段式特征，在低压段、高压段均会出现非线性渗流，只有在中间段，平均压力倒数与渗透率呈现较好的直线关系，符合气体滑脱规律。高压段因为气体流动速率大，高速非达西效应导致了非线性渗流特征，而当压力较低时，渗透率变化幅度大主要原因是低压时气体流态发生变化，平均分子自由程随着压力的降低而增加，当降低至一定程度时，气体流态转变为过渡流态，努森扩散作用增加使得渗透率迅速增加。
[0132]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。