文摘
能力量化有效渗透率在生产过程中各种流体饱和度和压力状态经历了从页岩油和页岩气藏高效开发所需的资源,但迄今为止的实验挑战防止这些材料的有效渗透率的测量范围的流体饱和度。努力克服这些挑战,我们测量有效渗透率的一套天然气页岩气体乙烷在一系列的孔隙压力的饱和蒸汽压力。液体、半流体乙烷饱和度增加由于吸附和毛细凝聚与孔隙压力增加导致降低乙烷气体有效渗透率。多少有效渗透率乙烷气体随吸附和毛细凝聚取决于每个样品的孔隙大小分布和有效渗透率的应力状态是衡量。有效渗透率降低在高压力状态,因为毛孔小应力状态。最大的有效渗透率下降发生在样品中孔的占主导地位的孔隙大小范围。这些毛孔完全封锁了附近的孔隙压力由于毛细凝聚乙烷的饱和蒸汽压力。堵塞的毛孔切断主要岩石的流体通路,从而大大降低乙烷气体有效渗透率。
1。介绍
有效的基质渗透率是控制产能的碳氢化合物,因此页岩油和页岩气井的经济学1]。能够量化有效渗透率在初始生产过程中储层饱和度和饱和度的经验的范围从这些水库是重要资源的高效开发。碳氢化合物在页岩油和页岩气储层的多个非混相流体通过小孔细粒度矩阵之前达到断裂网络导致井筒。非混相阶段包括一个或两个的液态和气态的碳氢化合物以及原生水和汲取了水力压裂液。毛细管压力在这些非混相阶段的接口可以是巨大的,由于小毛孔在页岩(纳米到微米尺度范围(例如,2)))。小孔隙长度规模也意味着施加的几何的束缚流体吸附孔隙壁可以显著抑制流(3]。因此有效渗透率的烃阶段将非常敏感的存在和饱和不同流体阶段(3,4]。
到目前为止,研究人员已经很少成功调查页岩由于多相流动特性相关的挑战与小长度尺度描述储层岩石孔隙系统。这些挑战包括难以控制和监测流体饱和度和分布在完整的样品,而且,由于其固有的低渗透性,难以量化页岩流速非常低的特点。相结合,这些挑战阻止了有效渗透率的测量范围的流体饱和度,因此受损我们理解页岩多相流现象。
在这项研究中,我们研究多相流动现象在细粒度测量岩石的有效渗透率的一套页岩样品气体乙烷在一系列的孔隙压力的饱和蒸汽压力(3.59 MPa 18°C)。在实验室温度下,纯乙烷可以作为液体或气体存在,根据压力(图1 (b))。相比之下,甲烷,天然气的主要成分是气体或超临界流体(图1(一))。在压力天然气储层中发现的范围,通常甲烷吸附有机丰富的孔隙壁岩石形成单层,导致I型(朗缪尔等温线)(5]。相比之下,预计多分子层吸附在孔隙压力为乙烷接近饱和蒸汽压力,这就是为什么我们选择了乙烷作为本研究的探测气体;更广泛的吸附液体/半流体流体饱和度可以通过使用乙烷相比,如果甲烷作为探测气体。
(一)
(b)
饱和液体/半流体乙烷孔隙压力的增加而增加由于吸附和毛细凝聚,导致渗透率下降乙烷气体(图2)。这些渗透率降低不同的一套样品不同孔隙大小。通过测量孔隙大小的样本套件使用气体滑脱测量,我们表明,乙烷相对渗透率最大的下降发生在岩石与最小的毛孔。我们表明,气体滑脱测量可以用于预测相对渗透率,因此帮助预测碳氢化合物的产能从页岩油或页岩气藏。
2。方法
2.1。样本套件
示例套件包括两个德州鹰福特形成的页岩气,美国(TEFB9和TEF21),和三个从Montney形成页岩气在不列颠哥伦比亚,加拿大(B5FD1B6蒙特,和B5FD2A2)。鹰福特和Montney形成是两个非常重要的油气生产商7,8]。样本套件选择这样一个广泛的矩阵渗透率和孔隙大小。示例TEFB9子样品两个直径3厘米~ 3厘米长度插头,一个面向流体流动平行于层理(TEFB9Pll)和一个用于流体垂直于层理(TEFB9Pd)。子样品TEFB9Pll评估在多种应力状态理解的影响页岩的孔隙结构应力敏感多相流动特性。剩下的样品,一个插头的流体流动平行于层理是评估在一个应力状态建立一个数据集足够大的多相流动特性不同的页岩可以相比。
2.2。磁导率测量
渗透率测量氦和乙烷是在每个示例使用脉冲衰减技术(9在实验室温度(18摄氏度)。氦,一种惰性气体,不吸附毛孔壁,用于岩石物性特征的孔隙结构没有吸附液体。测量了在不同的孔隙压力(图3)改变气体的平均自由程,克林肯伯格情节可以生成(明显的磁导率, ,针对逆孔隙压力)。孔隙压力的区别()和围压(),将此称为“简单有效应力,通过改变围压保持不变的相同数量的孔隙压力。克林肯伯格的线性符合情节数据外推到无限的孔隙压力为了确定slip-free渗透率, ,和克林肯伯格的滑移系数,(10] 确定允许计算占主导地位的孔隙大小,(10),代表平均直径最小的孔隙喉咙沿着这些流路径负责大部分的岩石流体通量,计算使用一个简化的模型代表毛孔毛细管柱(11] 在哪里是Adzumi常数(0.9 (12]),孔隙压力,是平均自由程 在哪里气体常数,是温度,动力学直径,阿伏伽德罗常数,是压力13]。
孔隙大小估计气体滑脱测量也可以做出假设毛孔有slot-shaped横断面几何图形(14]。尽管一些研究认为基于显微照片,毛孔的页岩气比圆形槽形截面(例如,(15]),最近的分析编制的一个大型的数据集,包括许多不同的天然气页岩表明,毛孔细粒度的沉积岩中更准确地模拟圆形的横截面几何(11]。因此,我们使用圆模型(见(2))来估计孔隙大小从气体滑脱测量在这个研究。
乙烷渗透率测量在一系列的平均孔隙压力从0.69增加到3.45 MPa(图3)。压力被允许平衡至少12小时在每个步骤的压力。压力监控平衡时期和足够的时间被允许测量之前压力稳定。0.24 MPa的压力脉冲产生出血了水库下游的压力。压力脉冲需要足够小,流动是层流。虽然早期研究脉冲衰减技术建议的最大压力梯度(0.03 MPa /厘米16),远小于的梯度在当下研究(0.08 MPa /厘米),最近的研究表明,压力梯度大于0.03 MPa /厘米可以使用和流动仍然是在低渗透的层流流态样品(17]。允许压差衰变,直到达到0.01 MPa或低渗透率样品差压衰减很慢,直到足够的数据收集准确的渗透率测量。
2.3。渗透率的计算
渗透率的计算脉冲衰减数据使用方程提出了崔et al。18]。一个等温pressure-viscosity曲线(19)是用来确定正确的乙烷为每个渗透率计算粘度。吸附/解吸并不是占的渗透率计算。乙烷是一种强烈吸附的气体,因此吸附/解吸会影响计算的准确性(乙烷渗透率18]。然而,上游和下游水库在这项研究中使用的渗透仪比孔隙体积更大的样品(~ 10倍),所以造成我们的渗透率测量误差不占吸附/解吸小于10%18]。
冯et al。17,20.)提出了一个实验装置,消除了需要考虑吸附从脉冲衰减数据在计算渗透率。在设置中,压力脉冲是由上游气体压力增加和减少下游气体压力的等量等于体积水库。压力因此会在同一压力平衡样品浸泡在测量之前,和乙烷吸附的数量将是相同的之前和之后的压力衰减。我们没有采用的实验装置冯et al。17,20.),因为除了量化压力渗透在每一个步骤中,我们想要量化的变化率乙烷气体分子的吸附状态和孔隙压力的变化,在此称为乙烷解吸率。有一个实验装置,压力来平衡压力脉冲衰减后在不同的压力比最初的浸泡时间压力允许乙烷解吸率的计算。
2.4。乙烷解吸率的计算
乙烷解吸率计算的压力渗透性测量期间收集的数据。解吸率等于解吸等温线的斜率孔隙压力的渗透率测量。解吸率是量化的,因为它代表了多少液体/半流体乙烷饱和度变化之间的连续乙烷渗透率测量在不同平均孔隙压力。从系统中由于气体压力是流血当穿过样品产生压差,气体压力在上游水库,水库下游,样品孔隙体积来平衡比最初的浸泡时间较低的压力平衡压力。渗透仪是一个封闭的系统一旦创建了压差,所以气体分子,使解除吸附的样品由于孔隙压力下降导致post-decay平衡气体压力高于如果没有分子使解除吸附(图4)。使用压力数据、已知油藏卷和孔隙体积的估算,波义耳定律是用来计算气体分子的数量每眠MPa总系统压力下降在每个渗透率测量的平均孔隙压力(乙烷解吸率)。孔隙体积估计从样品的尺寸和疏密度决定使用无侧限氦比重瓶测定法和水星浸没式的结合。乙烷的解吸率计算,使用Peng-Robinson压缩因子计算状态方程(21]。
(一)
(b)
2.5。乙烷气体滑脱估计
平均自由程随气体压力增加导致气体滑移不显著,因此低表观渗透率(10]。当乙烷作为探测气体,乙烷气体有效渗透率随孔隙压力不仅由于气体滑脱,但也由于液体的变化/半流体乙烷饱和产生的吸附和毛细凝聚。为了区分这两个组件的渗透率变异,克林肯伯格对乙烷的滑移系数计算的滑动系数测量氦乘以乙烷平均自由程比氦平均自由程在给定压强和温度。这一比率等于动能氦(0.26 nm直径(22])的平方除以乙烷的动力学直径(0.44海里(23])的平方(见(3))。预计乙烷渗透率变异由于乙烷气体滑脱当时使用的最低压力计算渗透率测量和计算乙烷滑移因素。
3所示。结果
3.1。氦克林肯伯格情节
外推的克林肯伯格情节范围从3×10−52×10−2医学博士(图5)。样品TEFB9平行层理减少2×10的简单有效应力增加−2医学博士在7 MPa 8×10的简单有效应力−4医学博士在48 MPa简单有效应力。样品TEFB9垂直于层理在7 MPa简单有效的压力是两个数量级低于流动平行于层理在同一应力状态。
占主导地位的孔径, ,范围从42纳米到473纳米(图6)。岩石渗透率较低的毛孔比较小(图6)。这不过只是一个与高度分散的趋势。例如,样品蒙特和TEF21主导孔隙大小相同但渗透率相差一个数量级(黄色三角形和红星图6)。
3.2。乙烷渗透率
乙烷渗透率应力状态下的所有样品和流动方向随孔隙压力增大而减小(图7)。在平均孔隙压力小于2.3 MPa,渗透率的降低幅度密切匹配预测渗透率降低由于气体滑脱(图7)。乙烷渗透率偏离预测由于是什么气体滑脱(成为低)在高孔隙压力(图7)。的孔隙压力偏差样本套件中发生变化。最低压力渗透性偏差样本蒙特~ 2.3 MPa(图7),而对其他样本偏差不会发生,直到压力3 MPa以上。
在高孔隙压力,所有样品的渗透率低于预测由于气体滑脱,但区别测量渗透率的大小和样本内预测渗透率变化套件;在3.45 MPa平均孔隙压力(最高平均孔隙压力测量),测量磁导率和渗透率预测的区别由于气体滑脱28 - 84%不等(表16)列。
3.3。乙烷解吸率
乙烷解吸率的压力范围内渗透率测量渗透率最高只提出了五个样品(图8)。解吸率最低的三个样品渗透率(TEF21, TEFB9Pd 7 MPa SES, TEFB9Pll 48 MPa SES)不是因为不能准确计算由压力数据。压差是只允许部分腐烂的低渗透率测量由于过度时间全压力衰减(多个天周)。压力数据因此必须外推估计衰减后的最终平衡压力。此外,由于渗透率最低压力数据系列样品收集较长一段时间(天)比高渗透率(分钟小时)样品,小的温度波动可以显著影响平均孔隙压力(图9)。数据收集在一个温度控制的环境中,但是在几天的时间尺度,温度漂移的25摄氏度(例如,图9 (d))。
(一)
(b)
(c)
(d)
样本TEFB9Pll 7和21 MPa简单有效应力和样本B5FD2A2所有显示明显提高乙烷解吸率在高孔隙压力(图8)。样品蒙特和B5FD1B6不显示在任何平均孔隙压力的解吸率明显升高。计算解吸率稍微消极一些意味着样品蒙特和B5FD1B6孔隙压力。
4所示。讨论
4.1。解吸率数据质量
测量解吸率在这项研究中,因为他们代表的是有价值的数据多少液体/半流体乙烷饱和度变化之间的连续的渗透率测量,和这项研究的目的是使基质渗透率在不同流体饱和度测量。然而,仪器用来测量解吸率在这项研究(脉冲衰减渗透仪)不是优化了测量这种速度。讨论产生的数据质量是必需的。
消极的解吸率在一些孔隙压力计算样本蒙特和B5FD1B6相反建议解吸乙烷发生当压力增加。这些消极的利率并不是真实的,但造成工件的分辨率极限实验装置结合温度波动(图9)。因为上游和下游水库的渗透仪用于本研究选择比样品的孔隙体积大得多(为了减少渗透率测量误差由于吸附),乙烷解吸装置在渗透率测量只导致小平均孔隙压力增加最多(0.06 MPa)。因此小温度波动导致显著的绝对测量中的错误解吸率和大的相对误差小的解吸率。因为错误的,它是可能的,当计算解吸利率接近于零,液体/半流体乙烷饱和度之间可以通过少量增加连续渗透率测量。
来说明利率接近于零的解吸无法准确量化的脉冲衰减压力数据可能实际上代表细小但却意义重大的改革在液体/半流体乙烷饱和,解吸率数据为样本TEFB9Pll 7 MPa简单有效应力转换为液体/半流体乙烷饱和曲线(图10)。这个示例是最高渗透率的套件,因此样本质量最高压力数据计算解吸率(这是最容易受温度波动)。一个吸附液体/半流体流体密度11553摩尔每米3,液体的密度乙烷乙烷饱和蒸汽压力在18°C (19),假定计算。液体、半流体乙烷饱和度在样本之间增加一个小的但不是无关紧要的~ 5%(图0.7和2.2 MPa平均孔隙压力10)尽管解吸率仅略高于零在这压力范围(图8)。由于分辨率极限的解吸率测量,误差来源(温度波动),并假定密度,乙烷饱和曲线在图10是一个粗糙的估计和饱和曲线从低渗透率较小的质量数据样本不了。
4.2。乙烷渗透率较低孔隙压力
在低孔隙压力(< 2 MPa),明显的乙烷渗透率之间的密切匹配和渗透率变异预测由于气体滑脱(图7)表明,吸附液体/半流体乙烷并不显著影响乙烷气体渗透率。如果液体/半流体乙烷是阻止流体流动,测量表观渗透率将低于预测渗透率。乙烷解吸率为所有样本与解吸数据接近于零,孔隙压力小于2.2 MPa(图8),表示没有改变液体/半流体乙烷饱和度之间的连续的渗透率测量或变化很小没有可测量的实验装置。不,或者非常小,液体/半流体乙烷饱和度增加而增加孔隙压力解释缺乏偏离渗透率变异预测由于气体滑脱。
4.3。乙烷渗透率高孔隙压力
乙烷在高孔隙压力,乙烷吸附±毛细管冷凝收缩±限制流体流动路径和结果因此乙烷气体渗透率低于预计由于气体滑脱(图7)。渗透率降低巨大高达84%的实测值和预测值的差异明显的乙烷渗透率(表1)。细粒度的岩石的渗透率下降较大,说明渗透率与纳米级孔隙系统可以对流体饱和度的变化非常敏感。
显著增加液体/半流体乙烷饱和度与孔隙压力增加解吸率升高三的推断与解吸数据(图5个样品8)。然而这些解吸率不相关的测量表观渗透率降低;解吸率低于测量分辨率在整个孔隙压力的乙烷渗透率测量范围蒙特(图示例8即使样本最大的乙烷气体渗透率降低相对于预测渗透率(84%)。
区别预测乙烷气体渗透率测量渗透率有弱负相关(图(11日))。预计这种相关性,因为低渗透岩石通常有小毛孔和小流的流量渠道应该更敏感液体/半流体乙烷吸附管道(孔隙)墙壁。更好的隔离的数据但是发现当乙烷气体渗透率预测和测量渗透率的区别是策划反对(图11 (b))。明显更大的两个样品渗透率下降(75%和84%)占主导地位的孔隙大小的中孔范围相比其他样品渗透率下降较小(< 45%)和大孔隙的主导孔隙大小范围。代表平均规模最小的孔隙喉咙沿着这些流路径负责大量的流体通量岩石。如果在中孔范围,主要的流体管道可以完全阻止由于毛细凝聚在孔隙压力接近饱和蒸汽压力6]。完成这些管道堵塞解释了非常大的样品的渗透率降低不到50海里(MONT TEF21,数字6和7)。
(一)
(b)
孔隙网络模型示意图说明孔隙结构的影响的敏感性乙烷气体渗透孔隙压力(图12)。网络模型的孔隙网络模型的修改在Sakhaee-Pour和科比24]。Sakhaee-Pour和科比表明,非循环孔隙模型能够再现nonplateau像趋势的毛细压力与饱和度的常见的天然气页岩。非循环孔隙模型的一个关键属性是窄孔隙喉咙不限制更广泛的可访问性孔隙喉咙(24]。孔隙网络模型中描述的人物12(一个)和12 (b)与毛孔是一个示例部分最负责的孔隙结构限制了大孔隙中的流体流动范围。这种孔隙网络可以用来代表样本TEFB9Pll 7 MPa简单有效应力。乙烷透气性不是很敏感,孔隙压力在这个示例(图7),但大量的乙烷气体吸附在高孔隙压力(数据8和10)。数据表明,主要的流管道等最小孔喉大小在大孔隙大小范围不完全封锁了附近的乙烷压力饱和蒸汽压力(图12 (b))。然而,样品可以存储大量的乙烷在液体/半流体状态submacropore规模毛孔的喉咙不限制可访问性大孔隙(图12 (b))。
(一)
(b)
(c)
(d)
相比之下TEFB9Pll和孔隙网络数据示意图12(一个)和12 (b)的主要流动渠道的孔隙网络模型数据12 (c)和12 (d)在中孔尺寸范围。中孔完全封锁了附近由于毛细凝聚在乙烷压力饱和蒸汽压力(图12 (d)),导致乙烷气体渗透率对孔隙压力非常敏感。这个孔隙网络模型可以解释实验观察样本蒙特;是41海里蒙特和渗透率的孔隙压力的样本是最敏感的。
4.4。乙烷渗透率应力敏感性
压力增大缩小毛孔,毛孔喉咙样本TEFB9Pll导致下降(图5)。7点从473减少到259至145海里,21日分别为48 MPa简单有效应力(表1)。与此同时,预测渗透率之间的区别和乙烷气体渗透率测量为3.45 MPa平均孔隙压力与增加从33%增加到39%到45%(表压力1),因为液体/半流体乙烷吸附孔隙壁有一个更大的对流量影响较小的流量渠道比大流量渠道。的渗透率应力敏感性只能评估样本TEFB9流平行层理,因为TEFB9Pll是唯一插入本研究以多个压力状态。
4.5。乙烷渗透率的各向异性
示例TEFB9高度各向异性的渗透;在7 MPa简单有效应力氦平行层理是两个数量级高于流动垂直于层理。计算7点的子样品TEFB9Pd MPa简单有效应力小于7倍(67海里)示例7 MPa TEFB9Pll简单有效的压力(473海里)。大差异主要孔隙大小解释了渗透率各向异性。大孔隙大小的差异但是没有解释为什么乙烷渗透率不太敏感的孔隙压力在高孔隙压力流垂直于层理比流平行层理;渗透率乙烷气体吸附和毛细凝聚应该更敏感当流动方向与规模较小的流动路径。计算占统治地位的孔隙大小,然而,只代表一个平均规模最小的孔隙喉咙沿着这些流路径负责大量的流体通量岩石。在现实中,样品的孔隙结构TEFB9可能由不同大小的孔的分布。因此可能绝大部分的流体流动平行于层理发生流动路径的最小孔隙比平均要小得多,以及在流动路径最小的毛孔都远高于平均水平。例如,连续的有机质与网络连接,小孔(micro -中孔)可以提供重要的流动平行于层理。这个流将敏感的吸附和毛细凝聚在高乙烷气体压力。垂直于床上用品、有机物质可能不是连续的,因此不会导致流。垂直于层理,毛孔最负责限制流体流动可能平均比平行层理,但有一个小的孔隙大小分布更狭窄,不包括有机质的小孔。乙烷渗透率敏感垂直于层理因此可以低于乙烷渗透率平行层理吸附和毛细凝聚在高乙烷气体压力。
4.6。渗透率滞后
有效渗透率的测量乙烷气体在这项研究是由一系列增加孔隙压力。渗透率测量的范围减少孔隙压力也已经调查渗透的路径依赖,但没有在本研究由于时间限制。毛细凝聚是滞后的6]。与中孔细粒度的储层岩石,因此预计液体/半流体乙烷饱和将路径依赖。路径依赖饱和度应该导致渗透率滞后。未来的研究应该对乙烷气体有效渗透率测量范围的增加和减少孔隙压力调查渗透率滞后。有价值的见解对孔隙结构可能来源于渗透率磁滞回路的分析。
5。结论
乙烷气体渗透率测量强调样品可以用作一个工具探索多相流现象在原位细粒度的沉积岩储层压力条件。因为毛孔在亚微米尺度的细粒度的沉积岩一般,由于存在显著的液体/半流体乙烷饱和吸附和毛细凝聚在乙烷气体压力附近的饱和蒸汽压力。液体/半流体乙烷原因限制,堵塞流动通道,因此减少流量的细粒度的沉积岩。
乙烷气体渗透率的敏感性吸附和毛细凝聚在高孔隙压力变化的套房内强调样品分析在这项研究。可变性控制毛孔最负责的大小限制流体流动,可以确定使用气体滑脱测量。主要孔隙大小范围从几十到几百纳米。样本中孔的占主导地位的孔隙大小范围更敏感乙烷气体孔隙压力因为毛细凝聚的原因完全堵塞的主要流管道附近的孔隙压力的饱和蒸汽压力。
样本的多相流动特性TEFB9Pll随应力状态;乙烷样品渗透率TEFB9Pll更敏感的孔隙压力在高压力状态。在高压力状态,毛孔更小,因此液体/半流体乙烷的存在更大的对流量的影响。多相流的应力敏感性特征显示这里强调的重要性在原位测量有效渗透率储层压力条件,以获得准确的油藏模拟输入。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。