一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法

摘要

本发明公开了一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法，该方法通过监测恒温封闭体系中一定初始压力的甲烷气体向有效应力条件下的页岩柱塞岩样中的压力衰减数据，并以页岩储层的微观孔隙结构和气体赋存状态为基础，建立了一维扩散数学模型，计算了气体(甲烷)在页岩中的扩散系数大小，定量评价了气体(甲烷)在页岩中的扩散传质能力。本发明的实验测试过程能够有效模拟页岩气藏中气体的扩散过程，反映有效应力、气体吸附/解吸等因素对扩散系数大小的影响，并且本发明能克服传统的吸附/解吸法中气体自由膨胀阶段数据对扩散系数大小的影响。本发明能为页岩中气体扩散传质能力评价，页岩气藏产能模型和产能预测等方面的研究提供实验支撑。

主权项

一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法，它包括以下步骤：步骤1、按照SYT5358‑2010岩样制备方法准备柱塞页岩岩样；首先采用氮气钻取并切割直径为2.54cm，长度为3～4cm的页岩岩样，而后放入60℃的烘箱，每隔24h称重一次，直至相邻两次称重变化小于样品质量的1.0％，认为岩样充分烘干；烘干后的岩样采用CMS300测试孔隙度；步骤2、将钢岩样(孔隙度为零)装入岩心夹持器中，并施加一定围压，开启恒温温控系统，待将系统温度加热至设定温度T后，标定钢岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积(V_D)，标定方法为：关闭控制阀1，打开控制阀2‑4，启动真空泵对系统内部抽真空2h以上，然后关闭控制阀3，并关停真空泵；将已注入一定压力氦气的标准容器(已知体积为V_R)连接至控制阀1，待标准容器内压力稳定后，记录压力P₁；打开控制阀1，待系统内部压力稳定后，记录此时的压力P₂；根据下式可求得岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积V_D：式中V_D—岩样端面至控制阀1和控制阀3间的全部空间体积，cm³；V_R—标准容器体积，cm³；Z₁、Z₂—分别为压力P₁、P₂下氦气的偏差因子，无因次；步骤3、将钢岩样装入岩心夹持器，并施加预设的围压和温度；向系统内通入一定压力的氦气，关闭控制阀1和控制阀3，若系统压力在24h内压力下降幅度小于0.5KPa，则说明气密性良好达到实验要求；气密性检测压力要高于实验压力；步骤4、气密性检测完毕后，取出钢岩样，装入待分析页岩柱塞岩样，再次通过围压泵11和恒温温控系统13施加预设的围压和温度；然后关闭控制阀1，打开控制阀2‑4，开启真空泵9对岩样和管线系统抽真空72h以上；然后关闭控制阀2‑4，打开控制阀1，通入一定量的气体(甲烷)至微小中间容器8，待甲烷压力升至预设压力后，关闭控制阀1；当通入的甲烷气体预热至系统温度，且压力保持稳定后，打开控制阀2，同时通过压力传感器12和数据采集系统14记录甲烷向岩样流动过程的气体压力衰减数据；待系统压力24h内压降小于2KPa，认为气体压力达到平衡(100h以上)；步骤5、甲烷向已充分抽真空的岩样中流动，首先气体会通过自由膨胀充满页岩中的孔隙和微裂缝系统，而后甲烷会进一步吸附在页岩中的有机质纳米孔壁面；吸附气在浓度梯度 的作用下，逐渐向有机质内部进行扩散；鉴于页岩中气体流动的多尺度特征，监测的压力衰减数据包含了前期甲烷向岩样孔隙中的自由膨胀阶段，而在扩散系数的计算过程中需要去除该阶段数据；具体处理过程如下，t时刻自由膨胀进入岩样的甲烷的质量可由方程(2)求得：式中m_ex(t)—t时刻自由膨胀进入岩样的甲烷的质量，即此刻的累计储气量，g；M_w—气体摩尔质量，g/mol；R—摩尔气体常数，J/(mol·K)；P_ini、P(t)—系统初始时刻和t时刻的压力，MPa；T_ini、T(t)—测试系统温度，保持恒温，T_ini与T(t)相等，K；Z_ini，Z(t)—初始时刻和t时刻的气体偏差因子，无量纲；步骤6、同一温度压力条件下，甲烷充满实验岩样的孔隙体积所需要的质量可由如下公式进行计算：式中m_P—某一温度压力下岩样孔隙体积的储气量，g；V_P—岩样孔隙体积(由岩样尺寸和孔隙度计算)，cm³；P—甲烷气体压力(由于实验中气体压力衰减幅度小于10％，近似取P为初始时刻与t时刻的平均压力)，MPa；T—测试系统温度，K；Z_P—温度T、压力P下的气体偏差因子，无量纲；步骤7、在某一时刻t，当进入岩样的甲烷质量满足方程(4)时，即认为在压力衰减过程初期，甲烷气体已经充满了岩样孔隙；在t时刻后，甲烷开始以孔隙壁面吸附和在浓度梯度作用下，向有机质内部的扩散过程为主；m_ex(t)＝m_P   (4) 步骤8、根据页岩中吸附气的赋存状态，将页岩中吸附气向有机质内部的扩散过程简化为一维线性扩散；根据菲克第二定律和质量守恒原理得到：初始条件：c_g(z,t＝0)＝0   (6)边界条件：对上述数学模型求解，可得如下解析式：式中M_t、M_∞—t时刻和平衡时刻扩散进入有机质内部的甲烷质量，g；D—甲烷向有机质内部的有效扩散系数，cm²/s；h—气体能够扩散进入干酪根中的平均深度，nm；C^*_g—孔隙壁面吸附气浓度(假定浓度值保持恒定)，mol/cm³；方程(8)变形并取自然对数，可得如下表达式：方程(9)是关于时间t的一次函数，根据实验数据作方程左边与t的关系图，再线性回归得到拟合直线的斜率l；根据方程(10)即可求得某一温度压力条件下甲烷在页岩中甲烷的扩散系数D。。