页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统及方法与流程

本发明涉及油气勘探开发技术领域，特别涉及一种页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统及方法。

背景技术：

页岩气是从页岩层中开发出来的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气在美国和加拿大的开发取得了巨大成功，美国页岩气开发的成功让全世界都兴起了“页岩气热”，我国也不例外。准确评价页岩气储量是一项十分重要的工作，而页岩含气量是计算页岩储量的关键参数。页岩储层与常规储层最大的区别就在于页岩气以吸附气的形式存在，因此，页岩含气量不能像常规储层一样通过测定有效孔隙体积来确定其储量。而在测试页岩含气量的过程中，损失气量的计算有着举足轻重的地位，因此，如何准确地确定损失气量，对于评价页岩气的储量具有十分重要的意义。

现有sy/t6940-2013《页岩含气量测定方法》详细介绍了现场页岩含气量的测试过程。其中，页岩含气量在实验中是由解吸气量、残余气量和损失气量三部分的总和，解吸气量和残余气量均是通过样品实测可得，损失气量则是通过解吸气量回归所得，在现有技术中损失气量的回归通常采用usbm线性回归法而得到，即以标准状态下累积解吸量为纵坐标，时间的平方根为横坐标作图，在解吸气量与时间的平方根关系图中，反向延长线与纵坐标轴的截距的绝对值为损失气量。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

现有技术中的usbm线性回归方法是从煤层气行业借鉴而来，线性回归理论模型的假设来自于呈破碎状的无烟煤，与页岩气钻井取心实际形成的圆柱状页岩岩心的情况有巨大差异，不符合页岩现场的实际情况，不能有效地指导页岩的开采。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统及方法，通过模拟页岩现场取芯过程，计量取芯过程中的损失气量以克服理论推导的局限性，更加符合现场生产的实际情况，以便于指导页岩的实际开采。

具体而言，包括以下的技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统，所述系统包括：高压气源、赋压装置、测试釜、回压控制器、压力传感器、计量装置、加热装置、抽真空装置和饱和水装置，其中，

所述系统被配置为模拟页岩储层环境时，所述页岩岩心依次置于所述抽真空装置、所述饱和水装置和所述测试釜中，所述测试釜置于所述加热装置中，所述测试釜开设有气体流通口、压力进入口和传感器接入口，所述压力传感器插入所述传感器接入口，所述赋压装置与所述压力进入口相连，所述高压气源与所述气体流通口连通；

所述系统被配置为模拟页岩现场取芯过程时，所述气体流通口与所述回压控制器连通，所述回压控制器与所述计量装置连通。

进一步地，所述高压气源包括：气罐和增压泵，所述气罐与所述增压泵连通，所述增压泵在所述系统被配置为模拟页岩储层环境时与所述气体流通口连通。

进一步地，所述系统还包括：第一阀门，所述第一阀门设置在所述增压泵与所述气体流通口之间。

进一步地，所述赋压装置包括：围压泵和驱替泵，所述压力进入口包括第一入口和第二入口，所述围压泵与所述第一入口连通，所述驱替泵与所述第二入口连通。

进一步地，所述系统还包括：第二阀门，所述第二阀门设置在所述气体流通口与所述回压控制器之间。

进一步地，所述系统还包括：压力表，所述压力表设置在所述第二阀门与所述回压控制器之间。

进一步地，所述系统还包括：第三阀门，所述第三阀门设置在所述回压控制器与所述计量装置之间。

另一方面，本发明实施例还提供了一种页岩现场取芯过程中损失气量模拟方法，基于上述任一项的所述页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统，所述方法包括：

将烘干后的页岩岩心放入到所述抽真空装置中抽真空，得到抽真空后的页岩岩心；

将所述抽真空后的页岩岩心放入到所述饱和水装置中饱和盐水，得到饱和盐水后的页岩岩心；

将所述饱和盐水后的页岩岩心风干或驱替，得到含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心；

将所述含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心放入到所述测试釜中密封，关闭所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门，调整所述加热装置的温度为页岩储层温度；

调整所述围压泵的压力为储层压力，关闭所述第二阀门和所述第三阀门，打开所述第一阀门；

当所述压力传感器显示的压力为储层压力、所述加热装置显示的温度为储层温度时，关闭所述第一阀门和所述第三阀门，打开所述第二阀门，分n个时间段调整所述驱替泵的压力、所述回压控制器的压力和所述加热装置的温度，且在每个时间段维持预设时间后，再打开所述第三阀门，所述计量装置得到每个阶段的第一损失气量；

关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门和所述第三阀门，调整所述加热装置的温度为井口温度、所述驱替泵的压力和所述回压控制器的压力为大气压，所述计量装置计量流过的第二损失气量；

将每个阶段的所述第一损失气量与所述第二损失气量加和，得到总损失气量。

进一步地，所述每个时间段内调整的所述驱替泵的压力和所述回压控制器的压力为所述加热装置的温度为维持的预设时间为

式中：p0为储层压力，单位为mpa；p1为井口压力，单位为mpa；t0为井底温度，单位为℃；n为自然数；i为自然数，且1≤i≤n。

进一步地，所述调整所述围压泵的压力为储层压力，关闭所述第二阀门和所述第三阀门，打开所述第一阀门之后，所述方法还包括：维持所述加热装置的温度为页岩储层温度和所述围压泵的压力为储层压力的时间大于等于8h，所述储层压力包括围压和上覆压力。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明实施例提供的页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统可以实现模拟页岩储层环境基础上的取芯过程，首先通过将页岩岩心依次置于抽真空装置中进行抽真空、饱和水装置中饱和盐水后，再将饱和盐水后的页岩岩心风干或驱替，得到含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心，再将含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心放入到在测试釜中，通过将测试釜置于加热装置中模拟储层的温度，通过将高压气源从气体流通口注入模拟储层状态，通过赋压装置与压力进入口相连模拟储层围压和上覆压力，实现对页岩储层环境的模拟；当系统被配置为模拟页岩现场取芯过程时，气体流通口与回压控制器连通，回压控制器与计量装置连通，通过控制气体流通口与回压控制器的连通次数和连通时间，分多个时间段来模拟和计量从井底到井口取芯过程的第一损失气量以及从井口出筒到封罐过程的第二损失气量，将每个阶段的第一损失气量和第二损失气量的加和，得到总损失气量，可以实现利用测试方法计算页岩现场取芯过程中的损失气量，以克服理论推导的局限性，更加符合现场生产的实际情况，有利于指导页岩的实际开采。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统的结构示意图。

图中的附图标记分别表示：

1、高压气源；

101、气罐；

102、增压泵；

2、赋压装置；

201、围压泵；

202、驱替泵；

3、测试釜；

301、气体流通口；

302、压力进入口；

3021、第一入口；

3022、第二入口；

303、传感器接入口；

4、回压控制器；

5、压力传感器；

6、计量装置；

7、加热装置；

8、抽真空装置；

9、饱和水装置；

10、第一阀门；

11、第二阀门；

12、压力表；

13、第三阀门。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统，其结构示意图如图1所示，包括：高压气源1、赋压装置2、测试釜3、回压控制器4、压力传感器5、计量装置6、加热装置7、抽真空装置8和饱和水装置9，其中，

系统被配置为模拟页岩储层环境时，页岩岩心依次置于抽真空装置8、饱和水装置9和测试釜3中，测试釜3置于加热装置7中，测试釜3开设有气体流通口301、压力进入口302和传感器接入口303，压力传感器5插入传感器接入口303，赋压装置2与压力进入口303相连，高压气源1与气体流通口301连通；

系统被配置为模拟页岩现场取芯过程时，气体流通口301与回压控制器4连通，回压控制器4与计量装置6连通。

因此，本发明实施例的页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统利用高压气源1、赋压装置2、测试釜3、回压控制器4、压力传感器5、计量装置6、加热装置7、抽真空装置8和饱和水装置9，可以实现模拟页岩储层环境基础上的取芯过程，首先通过将页岩岩心依次置于抽真空装置8中进行抽真空、饱和水装置9中饱和盐水后，再将饱和盐水后的页岩岩心风干或驱替，得到含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心，再将含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心放入到在测试釜3中，通过将测试釜3置于加热装置7中模拟储层的温度，通过将高压气源1从气体流通口301注入模拟储层状态，通过赋压装置2与压力进入口302相连模拟储层围压和上覆压力，实现对页岩储层环境的模拟；在系统被配置为模拟页岩现场取芯过程时，气体流通口301与回压控制器4连通，回压控制器4与计量装置6连通，通过控制气体流通口301与回压控制器4的连通次数和连通时间，分多个时间段来模拟和计量从井底到井口取芯过程的第一损失气量以及从井口出筒到封罐过程的第二损失气量，将每个阶段的第一损失气量和第二损失气量的加和，得到总损失气量，可以实现利用测试方法计算页岩现场取芯过程中的损失气量，以克服理论推导的局限性，更加符合现场生产的实际情况，有利于指导页岩的实际开采。

基于上述装置，下面对本发明的岩心现场取芯过程中损失气量模拟系统进行详细地说明，具体如下：

对于测试釜3而言，测试釜3是本系统的关键部件，可以通过测试釜3承载页岩岩心，为页岩岩心提供一个封闭的空间，使得页岩岩心在整个测试过程中不被钻井液等液体的污染，可以使得页岩岩心实现重复多次利用，且测试完成后的页岩岩心不需要清洗。

具体地，测试釜3可以为上端开口下端封闭的筒体，并设置有盖帽，盖帽可以盖设在筒体的上端，含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心可以通过开口端放置到测试釜3内，在该页岩岩心放置好后，可以将盖帽盖设到上端，并进行密封，使得含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心处于一个封闭空间内。

需要说明的是，气体流通口301和传感器接入口303均开设在盖帽上，如图1所示。

本领域技术人员可以理解的是，温度与压力是模拟实际储层状态的基本参数。

在本发明实施例的页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统中，对于压力的模拟，不仅可以利用赋压装置2实现对压力的模拟，还可以利用压力传感器5监测确定压力的取值。

具体地，赋压装置2包括围压泵201和驱替泵202，压力进入口302包括第一入口3021和第二入口3022，围压泵201与第一入口3021连通，驱替泵202与第二入口3022连通。

通过围压泵201可以提供页岩岩心的围压和上覆压力，使得含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心可以更加真实的模拟储层的成藏条件。

对于温度的模拟，可以利用加热装置7进行加热，加热装置7可以为加热槽或者烘箱等，只要为测试釜3提供所需温度即可，在本发明实施例中不作具体限定。

对于高压气源1而言，高压气源1为测试釜3内的页岩岩心提供气源。

具体地，高压气源1包括：气罐101和增压泵102，气罐101与增压泵102连通，增压泵102在系统被配置为模拟页岩储层环境时与气体流通口301连通。

如此设置，通过气罐101提供气体并通入到增压泵102中进入增压，使得增压后的气体可以通过气体流通口301注入到测试釜3中。

需要说明的是，由于页岩气的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外还含有硫化氢、二氧化碳、氮、水气以及微量的惰性气体，如氦和氩等，因此，在本发明实施例中，气罐101内可以填充纯甲烷，也就是说，经过增压泵102增压的纯甲烷气体可以通过气体流通口301注入到测试釜3中，并封存到页岩岩心中。

为了便于系统切换连接关系，在结构设置上，一方面，系统还包括：第一阀门10，第一阀门10设置在高压气源1与气体流通口301之间，如图1所示。

通过设置第一阀门10，可以控制增压泵102与测试釜3之间的连通性，确保只有在系统被配置为模拟页岩储层环境时，第一阀门10处于开后状态，增压泵102才与测试釜3的气体流通口301连通。

另一方面，系统还包括：第二阀门11，第二阀门11设置在气体流通口301与回压控制器4之间，如图1所示。

通过设置第二阀门11，可以控制测试釜3与回压控制器4之间的连通性，确保在系统被配置为模拟页岩储层环境时，第二阀门11处于关闭状态，气体不会通过第二阀门11进入到回压控制器4中；在系统被配置为模拟页岩现场取芯过程时，第二阀门11处于打开状态，气体可以通过第二阀门11进入到回压控制器4中，进而进入到计量装置6中，计量得到损失气量。

进一步地，为了便于观察气体的压力值，在结构设置上，系统还包括：压力表12，压力表12设置在第二阀门11与回压控制器4之间，如图1所示。

如此设置，使得第二阀门11打开，气体流通口301与回压控制器4连通时，便于操作人员监测不同时间段流过的气体的压力，确保在每个时间段内气体的压力在稳定后，再改变赋压装置2与回压控制器4上设定的压力值，进入到下一个时间段的模拟过程。

相对应地，系统还包括：第三阀门13，第三阀门13设置在回压控制器4与计量装置6之间。

通过设置第三阀门13，可以控制回压控制器4与计量装置6之间的连通性，使得系统在不同时间段内通过改变环压泵2和回压控制器4上设定的压力值进行模拟时，第三阀门13处于关闭状态，以避免气体通过回压控制器4进入到计量装置6内，影响损失气量的计量结果。

本领域技术人员可以理解的是，系统内的各个部件之间通过管线连接，为了确保损失气量计量的准确性，在连接上，可以按照如图1所示的连接方式进行连接，且保证各个部件之间连接的管线长度足够短，尽可能地减少装置流程中的死体积。

本发明实施例的页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统利用高压气源1、赋压装置2、测试釜3、回压控制器4、压力传感器5、计量装置6、加热装置7、抽真空装置8和饱和水装置9，可以实现模拟页岩储层环境基础上的取芯过程，首先通过将页岩岩心依次置于抽真空装置8中进行抽真空、饱和水装置9中饱和盐水后，再将饱和盐水后的页岩岩心风干或驱替，得到含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心，再将含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心放入到在测试釜3中，通过将测试釜3置于加热装置7中模拟储层的温度，通过将高压气源1从气体流通口301注入模拟储层状态，通过赋压装置2与压力进入口302相连模拟储层围压和上覆压力，实现对页岩储层环境的模拟；在系统被配置为模拟页岩现场取芯过程时，气体流通口301与回压控制器4连通，回压控制器4与计量装置6连通，用以分多个时间段模拟和计量从井底到井口取芯过程的第一损失气量以及从井口出筒到封罐过程的第二损失气量，将每个阶段的第一损失气量和第二损失气量的加和，得到总损失气量，可以实现利用测试方法计算页岩现场取芯过程中的损失气量，以克服理论推导的局限性，更加符合现场生产的实际情况，有利于指导页岩的实际开采。

实施例二

本发明实施例还提供了一种页岩现场取芯过程中损失气量模拟方法，利用页岩现场取芯过程中损失气量模拟系统，以nx2井h3号页岩岩心为例，该页岩岩心的长度为300mm，直径为106mm，质量为6180g。

具体地，该方法如下：

步骤101：将烘干后的页岩岩心放入到抽真空装置8中抽真空，得到抽真空后的页岩岩心；

具体地，将nx2井h3号页岩岩心先进行烘干，烘干后测得其质量为m0，放入到抽真空装置8中，进行抽真空处理，使得页岩岩心达到低真空状态，确保页岩岩心内的空气被抽取干净，得到抽真空后的页岩岩心。

步骤102：将抽真空后的页岩岩心放入到饱和水装置9中饱和盐水，得到饱和盐水后页岩岩心；

具体地，对抽真空后的页岩岩心放入到饱和水装置9中饱和盐水，测量饱和盐水后的页岩岩心的质量为m1，计算出饱和盐水的质量m2＝m1-m0和饱和盐水的体积vp＝m2/ρ，其中ρ为饱和盐水的密度。

步骤103：将饱和盐水后的页岩岩心风干或驱替，得到含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心；

具体地，将饱和盐水后的页岩岩心放入到驱替设备中，利用甲烷驱替或自然风干法排出饱和盐水后的页岩岩心中的部分盐水m3，利用在驱替设备出口端设置的电子天平随时测量页岩岩心不同状态下排出盐水的体积v＝(m2-m3)/ρ，计算页岩岩心含水饱和度sw＝(vp-v)/vp。

当计算的页岩岩心的含水饱和度接近页岩储层原始含水饱和度swr时，进行下一步，否则，继续驱替或风干直到达到页岩储层原始含水饱和度swr为止。

步骤104：将含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心放入到测试釜3中密封，关闭第一阀门10、第二阀门11和第三阀门13，调整加热装置7的温度为页岩储层温度；

在本发明实施例中，储层温度为90.9℃。

步骤105：调整围压泵201的压力为储层压力，关闭第二阀门11和第三阀门13，打开第一阀门10。

为了更准确地模拟储层环境，在调整加热装置7的温度为页岩储层温度的基础上，调整围压泵201的压力为储层压力，确保页岩岩心处于储层状态下的围压和上覆压力下，关闭第二阀门11和第三阀门13，打开第一阀门10，使得测试釜3与高压气源1连通，在增压泵102的作用下，向测试釜3内泵注高压的纯甲烷气体。

进一步地，为了确保页岩岩心实现储层成藏时的条件，维持加热装置7的温度为页岩储层温度和围压泵201的压力为储层压力的时间大于等于8h，其中，储层压力包括围压和上覆压力。通过观察压力传感器5的取值是否为储层压力来确定是否可以进入到下一个步骤中，如果压力传感器5的取值为储层压力，那么可以进入到下一个步骤中；如果压力传感器5的取值未达到储层压力，那么继续本步骤，待压力传感器5的取值达到并稳定在储层压力时，继续下一个步骤。

在本发明实施例中，储层压力为60mpa。

步骤103：当压力传感器5显示的压力为储层压力、加热装置7显示的温度为储层温度时，关闭第一阀门10和第三阀门13，打开第二阀门11，分n个时间段调整驱替泵202的压力、回压控制器4的压力和加热装置7的温度，且在每个时间段维持预设时间后，再打开第三阀门13，计量装置6得到每个阶段的第一损失气量。

具体地，将每个时间段内调整的环压泵2的压力和回压控制器4的压力为测试釜(3)的温度为维持的预设时间为

式中：p0为储层压力，单位为mpa；p1为井口压力，单位为mpa；t0为井底温度，单位为℃；n为自然数；i为自然数，且1≤i≤n。

从第1个时间段开始到第2个时间段，直到第i个时间段，以此类推，直到i＝n，如此可以得到每个阶段的第一损失气量q1。

进一步地，已知管线的体积为vnull，大气压力为pa，大气温度为ta，校正后的第一损失气量为

需要说明的是，本步骤测取的是从井底到井口取芯过程中的第一损失气量，属于损失气量的一部分，根据sy/t6940-2013《页岩含气量测定方法》中的规定，损失气量的定义是指一定质量页岩样品从井底开始解吸到封罐之前所解吸出的气体体积，因此，损失气量还包括从井口出筒到封罐过程的第二损失气量。

在本发明实施例中，由于该样品取心时间为2017年1月5日10：50，提心时间为2017年1月5日11：30，到达井口时间为2017年1月6日6：50，封罐时间为2017年1月6日7：25，因此，页岩岩心从井底到井口的时间为1160min，井口到岩心封罐的时间为35min，每20min将温度下调0.53℃及环压泵2的压力和回压控制器4的压力下调1.03mpa。

步骤104：关闭第一阀门10，打开第二阀门11和第三阀门13，调整加热装置7的温度为井口温度、驱替泵202的压力和回压控制器4的压力为大气压，计量装置6计量流过的第二损失气量。

如此，可以得到从井口出筒到封罐过程的第二损失气量q2。

在本发明实施例中，井口温度为60℃。

步骤105：将每个阶段的第一损失气量与第二损失气量加和，得到总损失气量。

具体地，可以将n个时间段通过计量装置6测得的n个第一损失气量q1i与第二损失气量q2加和，得到总损失气量。

在本发明实施例中，n个第一损失气量的加和，即第二损失气量q2为365.2ml，因此，总损失气量为1888.07ml。

本发明实施例的页岩现场取芯过程中损失气量模拟方法通过将烘干后的页岩岩心经过抽真空、饱和盐水、风干或驱替得到含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心，将含水饱和度为原始含水饱和度的页岩岩心放入到测试釜3中，调整加热装置7的温度为页岩储层温度，围压泵201的压力为储层压力，关闭第一阀门11和第三阀门10，打开第一阀门10模拟储层环境；当压力传感器5显示的压力为储层压力、加热装置7显示的温度为储层温度时，关闭第一阀门10、第三阀门13，打开第二阀门11，分n个时间段调整驱替泵202的压力、回压控制器4的压力和加热装置7的温度，且在每个时间段维持预设时间后，再打开第三阀门13，计量装置6得到了从井底到井口处页岩现场取芯过程中多个阶段的第一损失气量；关闭第一阀门10，打开第二阀门11和第三阀门13，调整加热装置7的温度为井口温度、驱替泵202的压力和回压控制器4的压力为大气压，计量装置6计量流过的从井口到封罐过程的第二损失气量，再将每个阶段的第一损失气量与第二损失气量加和，得到总损失气量，可以实现了利用测试方法计算页岩现场取芯过程中的损失气量，以克服理论推导的局限性，更加符合现场生产的实际情况，有利于指导页岩的实际开采。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。