文摘

页岩气储层有不同大小的孔,气体流动在不同的模式。多个气体流量模式的共存是常见的。为了定量描述流型页岩气消耗发展的过程中,一个物理模拟实验的页岩气消耗开发设计和高压气体流量模式的在线核磁共振分析方法提出了在这一过程中。甲烷的信号振幅不同大小的孔在不同压力水平计算根据NMR之间的转换关系弛豫时间和孔隙半径,然后,甲烷在不同大小的孔的流动模式分析了不同孔隙压力条件下的流型测定标准。发现有三个流模式发展页岩气的过程中损耗,即。,continuous medium flow, slip flow, and transitional flow, which account for 73.5%, 25.8%, and 0.7% of total gas flow, respectively. When the pore pressure is high, the continuous medium flow is dominant. With the gas production in shale reservoir, the pore pressure decreases, the Knudsen number increases, and the pore size range of slip flow zone and transitional flow zone expands. When the reservoir pressure is higher than the critical desorption pressure, the adsorbed gas is not desorbed intensively, and the produced gas is mainly free gas. When the reservoir pressure is lower than the critical desorption pressure, the adsorbed gas is gradually desorbed, and the proportion of desorbed gas in the produced gas gradually increases.

1。介绍

深层页岩气在中国丰富,拥有巨大的开发潜力,是未来成为页岩气产量的关键领域(1,2]。页岩气藏是一种非常规气藏,超低孔隙度和渗透率超低,复杂的孔隙结构(3]。大量的气孔直径小于50纳米的发达在页岩气储层4- - - - - -6]。此外,裂隙和微米大小的毛孔也存在,存储空间的多尺度系统。页岩储层的天然气是在一个自由或吸附状态,与一个复杂的页岩气流动机制。根据气体的浓度,与克努森数( ),气体流可以分为四种类型,包括连续流、滑流、过渡流和自由分子流(7,8]。的是分子平均自由程比规模特征。在页岩气储层孔隙的规模差别很大,导致不同的气体流动模式在不同规模毛孔。然而,缺乏定量的实验方法描述页岩气页岩储层中流动的模式。

核磁共振岩心分析方法已广泛应用于油气渗流力学领域,包括核磁共振孔隙度测试(9,10),可动流体饱和度测试(11[],water-driving-oil核磁共振分析12- - - - - -17[],gas-driving-oil核磁共振分析18),核磁共振孔隙结构特征(19- - - - - -22]。当研究对象改变从传统水库等非常规储层致密油和页岩油储层,孔隙尺寸变得越来越小,越来越复杂的孔隙结构。尤其是大错误可能发生当进行water-driving-oil和gas-driving-oil实验致密油或页岩油核与常规采样方法由于非常小的流量。相比之下,在网上核磁共振方法在高温和高压下,流体的变化放松核心可以实时监控,允许更精确的测量在核心油和水的变化。因此,核磁共振岩心分析技术的应用将进一步扩大非常规油气储层的渗流力学研究[23]。

在开发页岩气损耗实验,结合高温和高压在线核磁共振分析技术、吸附和游离气体的发生和恢复的监管可以分析。一些关键的参数可以从实验计算,如临界解吸压力和恢复吸附气体的比例24]。上面的实验都表明,页岩气储层的天然气产量下降迅速在最初的阶段,成为缓慢的中、晚期,这是符合天然气生产在页岩气井的实际生产过程25]。临界解吸压力从Longmaxi页岩气形成的四川盆地是12 - 15 MPa。当油层压力低于临界解吸压力、吸附气体的可收回程度显著增加。页岩气主要是自由气体时,吸附气体的可收回程度很低。

低磁场核磁共振频谱分布与孔隙结构直接相关,可以反映样品的孔隙分布在一定程度上(26,27]。研究孔隙大小分布的关键与核磁共振测试是确定表面弛豫率和孔的形状。一般,表面弛豫率相比之下与毛细力曲线计算得到的压汞毛细管压力实验。通过选择一个适当的转换系数( ),毛细管压力曲线可以恰逢伪毛细管压力曲线。一个方程的推导过程的核磁共振横向弛豫时间的转换提出了喉道半径值。在一个假设之间存在线性关系和孔隙大小分布,核磁共振孔隙大小分布的转换系数光谱和孔隙半径进行了计算。然后,核磁共振分布转换为NMR毛细力曲线,在此期间的价值转换系数( )范围从33.3到250 (28- - - - - -30.]。至于双峰谱,两个毛细管压力曲线分别建在微孔和大孔隙部分通过使用两个不同的幂函数,和线性法和幂函数法分别被用来构造毛细管压力曲线(31日]。李等人提出的条件下孔隙直径小于5μ米, - - - - - -盐水饱和试样的孔隙直径的关系曲线和oil-saturated样本几乎重叠,表明的与体液分布无关,但只有与孔隙大小有关。在这种情况下,无论在孔隙流体饱和,什么分布是线性相关的孔隙大小分布(32]。Hurlimann等人砂岩表面弛豫速率和决定 价值通过扩散试验(33]。

介绍了流型的在线核磁共振分析方法的实验过程发展页岩气损耗。具体来说,甲烷的相对振幅在不同大小的孔在不同压力条件下的计算方法是根据转换之间的关系频谱和孔隙半径,然后,甲烷在不同大小的孔的流动模式分析了不同孔隙压力条件下的流型测定标准。应用该方法的例证在第一次要成分的第一个成员志留纪Longmaxi(不断化解)在宁203年形成。

2。材料和方法

2.1。实验方法

的页岩岩心样本收集Long11次要成分的志留纪Longmaxi宁203年在长宁地区形成的四川盆地。核心样品,长度为73.62毫米和25.72毫米直径,从深度间隔从2384.69米到2384.86米。岩心样品的孔隙度是6.07%,克林肯伯格磁导率是1.02。真正揭示的天然气储层的渗流特征,甲烷气体的纯度为99.99%是在实验过程中使用。高温和高压在线核磁共振岩心分析仪(recore - 2515),独立开发的渗流流体力学研究实验室研究所的石油勘探和开发,石油,被用在这个实验。实验设置如图1。

实验包括四个主要步骤。首先,在105°C核心样本进行干燥48小时,冷却到室温干燥盘,并把它放到持有人。其次,测试系统的气密性,打开进气阀的持有者并关闭出口阀,撤离的核心,直到达到真空要求,然后关闭真空泵阀门。第三,甲烷气体注入核心,加压至20 MPa,充分饱和24天来模拟原始发生吸附甲烷气体的状态。甲烷气体的变化信号的岩心在饱和过程中实时检测。最后平衡压力设定在18.26 MPa。当进口和出口压力不再改变96小时后,核心是回到原来的状态。由于紧张和页岩储层的吸附特性,这一过程可能持续数十天。最后,打开出口,开始消耗开发实验,并记录NMR谱,每个测点的压力和气体出口阀的生产数据实时。

实验包括四个主要步骤。(1)核心是干105°C 48 h,然后冷却到25°C干燥盘放入持有人。(2)检查系统的气密性。打开进气阀的持有者并关闭出口阀真空核心。关闭进气阀在达到真空要求。(3)甲烷气体注入核心在恒压模式下恢复原始储层发生。记录压力两端的核心并关闭气源后饱和到18.26 MPa在进口和出口的核心。当进口和出口压力不改变在96 h,核心是恢复到原来的赋存状态。由于页岩储层的密度和吸附性能,这个过程可以持续几十天。(4)打开出口价值,开始消耗开发实验。 The data of光谱,在每个测点的压力,和天然气生产出口记录在实验。

2.2。核磁共振孔隙大小分布

Low-magnetic-field NMR测试结果可以提供丰富的信息在多孔介质流体。一般来说,流体在多孔介质包括大部分的弛豫时间放松,表面弛豫,扩散弛豫。在这项研究中,Carr-Purcell-Meiboom-Gill测试序列已经被使用,只有表面放松需要考虑(34,35]。孔隙中流体的信息之间的关系和弛豫时间的核磁共振测试方程所示(1): 在哪里弛豫时间,女士;是表面弛豫率,μm·女士¹;和 是比表面积与孔隙体积的比率,μ米¹。

根据方程(1),小毛孔大 值。因此,小孔有更短的弛豫时间比大毛孔。之间的关系频谱和孔隙半径可以表达的: 在哪里是孔的形状系数(3为柱状孔球形孔和2),无量纲,然后呢孔径,μm。根据方程(1)和方程(2),前直径之间的关系( )和弛豫时间( )可以得到:

在哪里转换系数设置为33吗μm·女士¹根据数据范围提出了文献[16]。

2.3。流动模式的决心

气体分子经常在运动过程中相互碰撞。天然气运输过程来自分子的热运动。碰撞导致分子不断变化的方向和速度运动,使分子运动的道路非常曲折。碰撞还允许分子不断交换能量和动量,是必要的先决条件的平衡系统。实际气体分子的路径旅行两个碰撞称为自由程。气体分子的平均距离之间的两个相邻碰撞,称为分子的平均自由程,是一个物理量的统计意义,如方程所示(4)[36,37]:

在哪里分子的有效直径,μm;气体压力,MPa;玻尔兹曼常数,J / K;和是温度,K。

克努森数( )代表分子的平均自由程的比率(λ)到特征长度( )对象的流场。

3所示。结果与讨论

3.1。实验结果

图2说明了频谱分布在实验的六个阶段,包括初当实验进行了7,23日,43岁,62年,和121天。在实验的开始,有两座山峰光谱,信号振幅的峰值约为1倍的左边峰,表明有相对多的大孔隙的页岩矿样。第一个实验的23天相当于初始阶段的实验。为核心的平均孔隙压力降低,相对应的信号振幅峰值也减少,但相对应的信号振幅峰值几乎不变,表明气体恢复在初始阶段主要是在大孔隙游离气体,游离气和吸附气的中孔和大孔隙少恢复。这种气体生产法是按照实际气井生产性能好。当实验进入中期和后期阶段,也就是说,23天实验后,正确的信号振幅峰值和左峰值同时开始减少,表明气体在所有尺度上的毛孔已经恢复。目前,人们普遍认为,纳米尺度的吸附气体主要存在于毛孔(即。,毛孔的孔隙大小小于100纳米)[36]。根据图2,左边的信号峰值略有不同的平均孔隙压力大于12.6 MPa,表明吸附气没有被广泛眠。当平均孔隙压力小于12.6 MPa,左派的信号振幅峰值开始逐渐减少平均孔隙压力的降低,表明临界解吸压力约为12.6 MPa,和大规模的吸附气解吸只发生在孔隙压力低于临界解吸压力。当平均孔隙压力大于12.6 MPa,吸附气体产生的总气体的比例还不到10%。生产的甲烷从页岩,吸附气体产生的总气体的比例逐渐增加,达到27.2%时,平均压力为4.48 MPa,如图3。

3.2。页岩气的流动模式的讨论中消耗的发展

根据方程(3),在水平轴图弛豫时间4被转化成孔径。页岩气的平均孔隙压力损耗开发实验从18.26 MPa下降到4.48 MPa,和核磁共振频谱对应两个压力状态如下图所示。根据方程(3),分子自由路径,分别计算 MPa和 MPa。克努森数通过分子自由程的比例尺度特征。流动状态可划分的区间 。也就是说,根据气体浓度的程度,可以分为四个区域的基础上 。这包括连续流( ),滑流( ),过渡流( ),和自由分子流( )(8,9]。

核磁共振光谱的甲烷饱和页岩具有明显的双峰特征。甲烷是主要吸附在页岩纳米孔的表面。吸附主要是由表面放松控制。弛豫时间是短的女士在0.1和1.0之间,和主要的峰值是0.4毫秒,相应的峰值在左边核磁共振光谱。免费甲烷存在于页岩孔隙大,不受孔壁,有很长的弛豫时间对应于正确的高峰光谱。弛豫时间是1到100 ms,主峰是10 ms。因此,信号量的甲烷气体吸附/自由状态可以由页岩光谱。然而,人们普遍认为,纳米尺度的吸附气体主要存在于毛孔(即。,气孔孔径小于100纳米)(34]。因此,通过计算左边的振幅峰值比总振幅谱在18.26 MPa的压力,总气体的吸附气体的比例在初始状态可以确定为33.3%。

气体分子自由程的计算根据方程(3),然后,数字是通过孔隙直径除以它获得的。图5显示了如何数量随平均孔隙压力条件下的孔隙大小18.26 MPa和4.48 MPa,分别。根据标准确定流动模式,有三个流动模式,包括连续流、滑流和过渡流在页岩气消耗开发实验。当核的平均孔隙压力为18.26 MPa,孔隙大小小于1.39纳米过渡流滑流1.39 - -12.47 nm,超过12.47 nm连续介质流。平均孔隙压力为4.48 MPa时,孔隙大小小于5.81纳米过渡流滑流5.81 - -57.1 nm,超过57.1 nm连续介质流。在图4,信号振幅线包围的面积比为每个模式下每个平均孔隙压力和流动 - - - - - -轴的区域包围整个信号幅度,和 - - - - - -轴的比例平均孔隙压力下的流型。

之间的数据4和5,我们可以推断,(1)当压力为18.26 MPa,流型主要是滑流和连续介质流,与前观察到气孔直径的1.39 - -12.47 nm,占总流量的6.1%,而后者在毛孔 海里,达西流,占总流量的93.9%;(2)当压力为4.48 MPa,过渡流发生在毛孔 海里,占总流量的0.3%;滑流发生在毛孔的直径5.81 - -57.1 nm,占总流量的41.5%;和连续介质流发生在毛孔 海里,占总流量的58.2%。

连续介质流主要在高孔隙压力。然而,重要的是要注意,连续生产的页岩储层导致孔隙压力下降,克努森数,增加和扩大的孔隙大小范围滑流区和过渡区,与区域也表现为扩散通量的比例增加总通量。在滑流区,有一个薄墙附近的气体层,也就是说,克努森扩散层,流在该区域需要模拟滑移边界条件在墙附近。在过渡流区,克努森扩散层是扩大陷阱大部分的液体,流在该区域需要由稀薄气体动力学描述。气流模式通过核磁共振分析与研究结果是一致的在先前的研究36,38),证明了提出方法的科学性和实用性。

目前,很少有研究页岩气流动模式分析。页岩,跨度大的多孔介质孔隙空间规模,通常只在一定压力下的静态流型分析,执行。然而,这是有限的流动模式分析以下几个特征尺度。这项研究提供了一种动态分析方法的流型的过程中消耗的发展。它将被应用到流消耗发展模式分析下深层页岩气储层的储层压力高。

4所示。结论

气体流型的在线核磁共振分析方法可以定量分析气体流动模式发生在不同的压力和孔隙大小条件下页岩气消耗的过程中发展和澄清每个流模式的贡献的总通量等过程。

页岩气消耗发展实验揭示了三种流动模式:连续介质流,滑流和过渡流。孔隙压力高时,连续介质流占主导地位。与孔隙压力的减少,克努森数增加,孔隙大小范围的滑流区和过渡流区扩展。

页岩气消耗发展的过程中,存在一个临界解吸压力。当油层压力高于临界解吸压力、吸附气不眠集中,产生的气体主要是游离气体。当储层压力低于临界解吸压力、吸附气体逐渐眠,眠气体产生的气体的比例逐渐增加。

数据可用性

数据请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文支持国家重大科学技术研究项目(2017 zx05037 - 001)和研究基金基础研究和战略储备技术研究院直属中国石油(2018 d - 500806)。