2.2。磁导率测量
撑等人首次引入脉冲衰减技术作为瞬态方法来自达西定律和用来测量渗透率通过双方之间的压力差的核心样本(
26]。谢长廷等人得到更严格的解析解的微分方程,描述衰减曲线从渗透率测量压缩存储效应(
27]。微分方程的精确解的无量纲压力差和无量纲时间改善,显示为
28]
(3)米米l:米text>
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。
gydF4y2Ba琼斯简化上面的方法,介绍了一个因素
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如下(
29日]:
(5)米米l:米text>
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脉冲衰减方程可以描述为
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实验室评估非常规的页岩渗透率储层岩石进行了静水条件下的吸附效果被崔等报道。一个有效吸附孔隙度术语引入占气体分子吸附的贡献。朗缪尔模型被用来量化气体吸附量是压力的函数(
30.)和数学描述如下:
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所以,样本容量比例在崔等的方法
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。最近,王等人指出,崔et al。’s方法突出的贡献在渗透率计算吸附效果,说明这些气体吸附效应可以帮助预测透气性(
31日]。由于我们的研究涉及处理富含有机物页岩样品,崔等人提出的脉冲衰减渗透率计算方法选择估计明显吸附气体的渗透性。
年代ec><年代ec id="sec2.3">
2.3。有效应力
量化气体渗透率有效应力的影响,围压和孔隙压力应该仔细有关岩石和气体特性的脉冲衰减测试。Terzaghi有效应力(或简单的有效应力)、围压和孔隙压力的函数Terzaghi的原则,被定义为(
32]
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然而,对于渗透性测试,有效应力法与一个适当的系数代替Terzaghi的原则
14,
33,
34]:
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通过实验计算有效应力系数
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斜率的比值方法提出了由Kwon et al。
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的渗透率有效应力系数代表了灵敏度的围压和孔隙压力的变化。
年代ec>年代ec>
3所示。实验方法
3.1。样品采购和准备
紧密的结构,平衡时间压力脉冲衰减非常长为核心样本。这长时间平衡减少了实验室测试,效率和压降高应力条件下观察几个小时后的脉冲注入。因此,页岩渗透率测量磁盘是可取的;他们可以显著缩短平衡时间,通常用于页岩渗透率测量(
14]。因此,在这项研究中,马塞勒斯页岩岩心钻准备磁盘用于气体表观渗透率测试一样薄。准备薄圆盘的厚度范围在3 - 6毫米,25.4毫米直径。所有削减表面抛光,使适当的位置在三轴细胞。两个准备页岩样品使用不同厚度的工作,其中一个图所示
4。每个磁盘样品称重和放置在烤箱了第一个24小时在150°C去除水分。第二个重进行前再放入烤箱。我们重复这个过程,直到样品重量保持稳定。页岩样品后磁盘在烤箱干,他们在干燥和清洁的塑料样品袋lab-use合金框前3小时测试。
3.2。实验应力边界条件
静水条件应用于本系列页岩渗透率测量,在轴向应力等于围压
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在一个恒定值在每个实验的持续时间。液压压力与计算机控制调节注射器泵使用软件在虚拟仪器开发环境。
年代ec><年代ec id="sec3.3">
3.3。实验装置和程序
在这项研究中介绍的测量从一个标准的三轴仪安排材料或脉冲磁导率测试,如图
5。两个马塞勒斯页岩样品的表观渗透率不同的静水压力下厚度测量。使用二氧化碳作为测试气体吸附气体的渗透性(有限公司<年代ub>2)是通过使用高压泵相比对围压加载和天然气增压。实验过程如下:(1)应用一定的围压的样品室,真空管道的液体和样本在同一时间。(2)在系统的上游阀1的一部分,注入一定压力的测试气体样本,下游部分的原始状态。(3)注射压力稳定后,开启阀门1,驱动气体脉冲通过页岩样品通过上游和下游之间的压力差,读取的压力数据后整个系统的压力平衡,并关闭阀1。(4)重复步骤(1)到(3),直到所有计划的压力水平测试。
4所示。结果
公司的渗透率测量结果<年代ub>2两个磁盘样品(两个周期)如图
7。根据图
7,渗透率测量的重复性很好。同时,两个样品的渗透率数据非常接近对方,以非常类似的趋势。在我们的实验中,页岩样本矩阵的结构没有破坏由于高封闭的应用和/或孔隙压力。我们测量渗透率值相对较高的一些报道[页岩渗透率
35),由于裂隙存在于页岩磁盘样本。这些渗透率测量仍然是合理的,因为Gensterblum报道有机页岩渗透率数据样本的集合情况下,磁导率从
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孔隙度的2 - 8%。和马塞勒斯钻孔样品的孔隙度测量范围从2%提高到5.1%,获得使用小角中子散射(SANS)技术,渗透率范围为1.5
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。根据这两个样本的观察在这项研究中,数据样本之间不同的长度的一致性表明,矩阵结构示例来自同一来源可以非常相似。一致和准确的结果帮助我们证明的工具收集实验数据,巩固任何基于他们的假设和结论。
图7渗透率数据有限公司<年代ub>2注入页岩薄磁盘上(3.71毫米和5.39毫米)11和21 MPa的压力(静压),崔加工利用等的方法。
4.1。渗透率与孔隙压力演变
两个样本,显示出类似的页岩渗透率演化模式。所有渗透率值最初拒绝当孔隙压力范围从0.35到4 MPa,然后开始轻微或急转弯,并增加与减少Terzaghi压力,自Terzaghi应力与孔隙压力消极和线性相关。在低孔隙压力、纳米/微尺度传输,如克努森扩散,占主导地位,随着平均孔隙压力降低的贡献。Terzaghi压力下降,页岩气渗透率仍有下降趋势的孔隙压力范围4 - 14 MPa。这是因为纳米和微孔隙和气体压力较低限制的贡献达西流。
年代ec><年代ec id="sec4.2">
4.2。渗透率与有效应力演化
为了进一步研究和解决页岩渗透率有效应力的影响,围岩压力(
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c米米l:米i>
)和孔隙压力(
p米米l:米i>
)线性绘制视渗透率的对数(
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)来确定有效应力系数(
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)和有效应力(
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)。渗透率的结果与围压恒定孔隙压力为3.71毫米页岩样品如图
8(一个)。几乎相同的斜坡上得到来自两个孔隙压力点,导致
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等于-0.0112 0.4 MPa和-0.0103孔隙压力时,当孔隙压力为6.5 MPa。的负值表明表观渗透率降低围压的增加(
14,
34]。
图8(一)有限公司<年代ub>23。71毫米页岩的渗透率数据磁盘策划对数线性化的磁导率和围压恒定孔隙压力对渗透率确定围压的敏感性。(b)有限公司<年代ub>23。71毫米页岩的渗透率数据磁盘策划对数线性化的渗透率与
p米米l:米i>
在恒定围压对渗透率确定孔隙压力的敏感性。山坡上是积极的压力高于~ 4 MPa下~ 4 MPa时和消极。
(一)
(b)
然后,我们策划
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等于11 MPa和21 MPa 3.71毫米的样本,分别分解压力~ 4 MPa为两个部门。在图
8 (b)显然,我们可以观察到的斜坡
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与
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总是积极的在高孔隙压力部门(> 4 MPa)和消极的低压部门(< 4 MPa)。这些意想不到的斜坡控制流态的变化引起压力损耗。克努森扩散和滑动更重要,因为比平均自由程的孔喉比较大。这是由于低的孔隙压力和缩小喉咙(流路径)。
gydF4y2Ba另一方面,Kwon等人,海勒等人获得绘图时只有一个斜率为正
日志米米l:米i>
k米米l:米i>
与
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。他们可能认为
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作为一个属性相同的岩石样本,只随石英和粘土矿物的分布。这意味着获得的有效应力系数的数量取决于渗透率数据概要文件的单调,和它可能不是有效的应用独特
χ米米l:米i>
价值评估渗透率与有效应力之间的关系。
gydF4y2Ba使用方程(
12),我们计算了有效应力系数为每个单独的
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值,
χ米米l:米i>
成为负面压力较低(< 4 MPa)和积极的在高压下(> 4 MPa)。根据方程(
12),我们将获得一个积极的
χ米米l:米i>
当
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∂米米l:米i>
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是积极的,反之亦然。在低和高压部分,渗透率随有效应力的增加基于有效应力法,这是符合Kwon等人提出的有关研究结果及海勒等。在这项研究中,我们应用积极的和消极的有效应力系数基于“U”字在不同压力水平渗透率演化趋势。这两种不同的
χ米米l:米i>
方法将允许我们考虑non-Darcian流组件使用传统的有效应力概念。
年代ec>年代ec>
5。讨论
5.1。流机制对渗透率的影响
我们的渗透率进行了测量压力相对较低(< 10 MPa),为了解决扩散和过渡流的效果。渗透率值可以达到一个非常高的峰值由于运输导致的孔隙空间的围压降低。所以,早期的页岩气井产量,低围压(由于高原始储层压力)和高度开放骨折明显促进高视渗透率建议的达西流。达西流扮演更重要的角色在这种情况下,克努森流总是同时发生,根据图
1。在后期阶段,低孔隙压力加上窄流路径不仅增加了克努森数也增加的贡献克努森流组件(
36]。这是其中一个主要原因人员集成多个大量流入一个明显的渗透率模型框架来描述页岩的孔隙与压力有关的气体传输特性矩阵。
gydF4y2Ba我们知道在有限公司<年代ub>2二氧化碳捕获在煤层中,充当“塑化剂”,煤炭,降低所需的温度导致从脆性结构过渡到一个塑料后结构有限公司<年代ub>2由煤基质吸附(
37]。渗透率可以因此受到页岩结构的连续的变化由于高应力和基质膨胀/收缩。在油页岩层,观察干酪根软化对公司相当显著<年代ub>2注射(超临界有限公司<年代ub>2在许多情况下)工作作为强化开采过程
38]。所以,我们测量渗透率数据增加有限公司<年代ub>2注射在更高的压力可以解释,因为这增强时被发现
p米米l:米i>
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6.9米米l:米n><米米l:米text>
MPa米米l:米text>
在295 K时有限公司<年代ub>2遇到了阶段change-CO<年代ub>2转换从气态条件超临界状态。超临界有限公司<年代ub>2可以导致减少在其最大吸附量比气态条件(
39]。用更少的吸附、页岩矩阵往往收缩和渗透率将因此增加。这个观察证明了气体吸附行为和sorption-induced矩阵在页岩变形矩阵非常明显描述页岩气渗透性演化的关键。在实践中,矩阵膨胀应变与气体吸附往往关闭夹板孔径,从而降低渗透率(
40]。随着上游压力从一个非常低的水平,降低渗透率,直到可以看到Darcian流开始控制,和增加渗透率与有效应力的逐渐丧失。总之,sorption-induced变形和多元化的流动行为解释之间的气体有限公司<年代ub>2渗透的趋势。我们需要几个sorption-induced岩石变形的影响和政权流向的变化占页岩气产量。
年代ec><年代ec id="sec5.2">
5.2。有效应力系数
当压力大于4 MPa,有效应力系数是积极的和小于统一,表明页岩样品实验对围压变化更敏感比压力的变化。这可能导致非常低的粘土含量在岩石样本(
34]。另一方面,的绝对值
χ米米l:米i>
大于团结在低压(< 4 MPa),也就是说,渗透率是孔隙压力变化更加敏感。的差异
χ米米l:米i>
价值观和单调的渗透率表明“支票”字或“U”字渗透趋势可以用某些物理理论来解释,而不是随机出现,如图
9。4 MPa被发现是一个很好的参考孔隙压力对渗透率的转折点我们大部分的数据。虽然这个数字可能不是一个保证值其他样品或其他条件,这一现象已经吸引了很多理论和实践。有效应力之间的关系和气体表观渗透率包含重要的信息,不仅对构造应力变化和地质变形也反映的孔隙压力响应多个流机制如何影响渗透率演化在不同压力条件。所有这些发现从页岩渗透率数据和有效应力导致的结论是,关键是要考虑并发效果的地质变形和宏/微流程。
图9渗透率演化曲线评价bivalued有效应力系数为3.71毫米页岩磁盘样本。
6。结论
实验室研究进行了探讨气体在薄薄的圆盘页岩样品运输有限公司<年代ub>2注射。有效应力的影响和sorption-induced矩阵上的膨胀/收缩渗透性进行了研究。以下结论和总结:
(1)
非达西流动效应,基本上克努森流和过渡流,具有显著影响页岩气整体行为和天然气产能较低的储层压力和后期生产阶段
(2)渗透率和孔隙压力的结果之间的关系在两个正面和负面的斜坡上绘制。负斜率表明克努森流效应显著增强渗透性比增加有效应力的降低。因此,bivalued有效应力系数(积极的和消极的)应该应用于非pressure-permeability演化剖面
(3)“U”字渗透率演化,由分区渗透率有效应力系数可以估计到两个区域的转折点。这bivalued有效应力系数的方法可以使用有效应力法的概念解释和低压地区的克努森流模型。在这项研究中,发现4 MPa是转折点,我们获得bivalued系数建模实验数据
命名法
一个米米l:米i>
:横截面积的样品(m<年代up>2)
一个米米l:米i>
:比样品的存储容量的上游水库(无量纲)
b米米l:米i>
:比样品的存储容量的下游水库(无量纲)
C米米l:米i>
g米米l:米i>
:天然气压缩系数(Pa<年代up>1)
d米米l:米i>
米米米l:米i>
:分子直径(米)
f米米l:米i>
:质量流量校正系数(无量纲)
l米米l:米i>
:样品长度(米)
k米米l:米i>
:气体表观渗透率(m<年代up>2)
k米米l:米i>
B米米l:米i>
:波尔兹曼常数(
1.3805米米l:米n><米米l:米o>
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)
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:孔隙压力(Pa)
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c米米l:米i>
:围压(Pa)
P米米l:米i>
d米米l:米i>
t米米l:米i>
:下游压力
t米米l:米i>
(Pa)
P米米l:米i>
d米米l:米i>
t米米l:米i>
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:最初的下游压力(Pa)
P米米l:米i>
l米米l:米i>
:朗缪尔压力(Pa)
P米米l:米i>
u米米l:米i>
t米米l:米i>
:上游的压力
t米米l:米i>
(Pa)
P米米l:米i>
u米米l:米i>
t米米l:米i>
0米米l:米n>米米l:mrow>
:初始压力的上游(Pa)
r米米l:米i>
:孔隙半径(米)
T米米l:米i>
:温度(K)
V米米l:米i>
一个米米l:米i>
:气体吸附体积(cm<年代up>3·g1)
V米米l:米i>
d米米l:米i>
:下游水库卷(m<年代up>3)
V米米l:米i>
l米米l:米i>
:朗缪尔体积(cm<年代up>3·g1)
V米米l:米i>
p米米l:米i>
:有效样本总孔隙体积(m<年代up>3)
V米米l:米i>
性病米米l:米text>
:摩尔体积的气体在标准温度(273.15 K)和压力(101 325 Pa) (
22.413米米l:米n><米米l:米o>
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3米米l:米n>米米l:mrow>
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V米米l:米i>
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:上游水库卷(m<年代up>3)。
希腊符号
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:当策划的斜率压力衰减
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d米米l:米i>
t米米l:米i>
与时间的半对数图(无量纲)
∆米米l:米o>
p米米l:米i>
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棕褐色米米l:米i>
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θ米米l:米i>
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−米米l:米o>
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b米米l:米i>
)(无量纲)
λ米米l:米i>
:气体平均自由程(m)
μ米米l:米i>
:天然气粘度(Pa·s)
ρ米米l:米i>
:气体密度(公斤/米<年代up>3)
ρ米米l:米i>
年代米米l:米i>
:密度的固体吸附剂(公斤/米<年代up>3)
σ米米l:米i>
e米米l:米i>
:有效应力(Pa)
σ米米l:米i>
的怪兽米米l:米text>
:Terzaghi有效应力(Pa)
ϕ米米l:米i>
:基质孔隙度(无量纲)
χ米米l:米i>
:有效应力系数(无量纲)。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从第一作者。
年代ec><年代ec sec-type="COI-statement">
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
年代ec><一个ck>
确认
这部分工作是支持北京市自然科学基金(8214063),中央大学的基础研究基金(2021号yqny08)和中国国家自然科学基金(51861145403和51861145403号)。
一个ck>
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