煤心柱非平衡条件下理论甲烷含量计算方法

本发明属于非常规天然气勘探，尤其涉及采用一种基于低场核磁共振方法对煤心柱状样品进行二氧化碳驱替甲烷实验过程前期，甲烷在设定压力点非平衡状态时的理论甲烷含量的计算方法。

背景技术：

1、非常规天然气指的是不同于传统天然气开采方式的天然气资源。传统天然气主要通过地下储层中的孔隙和裂缝进行开采，而非常规天然气则通过使用更复杂的技术来获取。非常规天然气包括页岩气、煤层气等。非常规天然气具体到煤层中时，主要指大部分甲烷都是以吸附态赋存在煤层中的，还有少部分是游离气(游离状态)和溶解气(溶解于水中)。

2、其非常规主要体现在以下几方面：

3、1.储藏形式：非常规天然气主要储存在岩石中的微小孔隙、裂缝或吸附在煤炭颗粒上，储集方式与传统天然气相比更为复杂。

4、2.采取技术：非常规天然气开采需要应用一系列特殊的技术，如水力压裂(又称压裂)和水平井钻探。通过将高压液体注入岩石层并制造裂缝，同时使用水平井管道来提高产能和采收率。

5、3.生产成本：由于非常规天然气的采取技术相对复杂，开采成本较高。与传统天然气相比，非常规天然气的开发和生产过程需要更多的投资和技术支持。

6、4.环境影响：非常规天然气的开采过程可能会对环境造成一定的影响。例如，水力压裂可能导致地下水污染和地震风险增加。

7、通常来讲，深部煤储层的孔裂隙系统中是充满甲烷气体的。而实验时，为了模拟原位储层状态，采用柱状样品，从外部将甲烷气体送入样品内部孔裂隙结构中，由于样品中孔裂隙系统较为复杂(非常规)，且样品体积大，内部孔隙结构复杂，虽然采用了一定的压力注入甲烷，但仍然在规定的平衡时间内、甚至很长的时间内，也难以达到吸附平衡状态。驱替同理。

8、含气量是评价煤层的关键参数，如何准确获得含气量对煤层气勘探开发具有极为重要的影响。传统的吸附甲烷含量通过体积法间接计算，其缺点是无法直接测量原位吸附气体含量；等温吸附实验实验采用颗粒状样品，实验时气体多以吸附态存在于颗粒间或颗粒微小孔隙中，不能模拟原位储层孔裂隙结构状态，即只能获得吸附态甲烷含量，游离态甲烷难以获得；进行二氧化碳驱替甲烷实验过程中，甲烷在特定压力下会在煤心柱中发生吸附，但难以实现吸附平衡，这不利于对甲烷含量和驱替过程的评估。因此，开发一种有效且方便的方法来定量评估煤心柱中理论甲烷含量非常重要。

技术实现思路

1、本技术针对上述技术问题提出基于核磁共振测量的煤心柱非平衡条件下理论甲烷含量计算方法，采用低场核磁共振技术结合吸附等温实验建立了一个理论估算模型，以估算煤样表观吸附平衡状态下的甲烷含量。具体技术方案如下：

2、本技术用于计算煤层气勘探开发过程中的含气量。采用煤心柱样品而不是粉末或颗粒状样品是为了最大限度的模拟原位储层状态。非常规体现在煤岩结构上，主要表现为非常规天然气主要储存在岩石中的微小孔隙、裂缝或吸附在煤炭颗粒上，且孔隙分布的非均质性，使其储集方式相比传统天然气更为复杂。本次制煤心柱的样品进行实验的目的是为了满足特定实验的需要，本文是为模拟地下原位(高温、高压)条件下，煤层本身含有在地下平衡状态时含有一定吸附量的甲烷量，然后再采用二氧化碳气体注入煤层进行驱替这一过程，采用了柱状样品，是为了更好的模拟地下煤层，并还原二氧化碳注入并驱替甲烷的过程。

3、等温吸附实验虽然为目前常用的测量气附气体的实验手段，但其采用颗粒状样品无法模拟原位储层状态。特别是某些实验需要采用大块的、或柱状样品时，由于无法达到快速的吸附平衡，因此，很难获得真实吸附平衡状态下的吸附量。

4、驱替实验中，采用煤心柱难以达到吸附平衡状态，这与煤层中甲烷的原位存在不相符。此外，游离甲烷也不能得到明确测定。二氧化碳驱替甲烷实验过程中，甲烷会在煤心柱中吸附。作为煤柱，甲烷会在煤柱中吸附，也无法应用等温吸附实验获取吸附甲烷的含量，因此其在特定压力下的平衡吸附量难以获取。

5、煤心柱非平衡条件下理论甲烷含量计算方法，包括如下步骤：

6、制备标准煤心柱样品和颗粒状煤样；

7、设定温度及由低到高的压力条件，对煤心柱样品进行核磁共振甲烷吸附实验，在实验过程中，间隔性采集核磁共振信号，当核磁共振信号趋于稳定时，获取吸附甲烷含量和游离甲烷含量；

8、设定温度及由低到高的压力条件，对颗粒状煤样进行等温吸附实验，获取过剩吸附量，然后将其转化为绝对吸附量，等温吸附实验的温度与核磁共振甲烷吸附实验相同，等温吸附实验的压力条件与核磁共振甲烷吸附实验部分相同；

9、将压力条件相同时，核磁共振甲烷吸附实验获取的甲烷吸附量与等温吸附实验获取的甲烷绝对吸附量线性拟合，采用拟合得到的关系式校正核磁共振法获取并转化获得的甲烷吸附量作为煤心柱非平衡条件下理论甲烷吸附含量；

10、根据气体状态方程和马略特定律计算获得煤中游离甲烷含量，将各压力点的游离甲烷含量与核磁共振法获取的游离甲烷含量线性拟合，获得理论游离甲烷含量的拟合关系式；

11、计算某一压力条件下理论吸附甲烷含量和理论游离甲烷含量并求和获取理论甲烷含量总量。

12、进一步的，等温吸附实验的压力条件与核磁共振甲烷吸附实验中至少有三个相同的压力条件。

13、进一步的，所述核磁共振信号为以弛豫时间t2为横坐标，相应核磁信号强度为纵坐标组成的谱图。

14、进一步的，获取吸附甲烷含量和游离甲烷含量的方法为：根据绘制成核磁共振t2谱图进行数学积分获得的面积。

15、进一步的，采用下式将过剩吸附量转化为绝对吸附量：

16、vabx＝vex(1-ρg/ρa)

17、式中，vabx为绝对吸附含量，m3/t；

18、vex为过剩吸附含量，m3/t；

19、ρg和ρa分别代表游离甲烷和吸附甲烷的密度，g/cm3。

20、进一步的，采用下式获取过剩吸附量：

21、vex＝vl*p/(pl+p)*(1-ρg/ρa)

22、式中，vex，过剩吸附含量，m3/t；

23、vl和pl分别是langmuir体积和压力，ml/g和mpa；

24、p是储层压力，mpa；

25、ρg和ρa分别代表游离甲烷和吸附甲烷的密度，g/cm3。

26、进一步的，根据气体状态方程和马略特定律计算获得煤中游离甲烷含量采用下式计算：

27、

28、式中，为游离甲烷含量(风干基)，cm3/g；

29、ρa为煤的表观密度，g/cm3；

30、ρb为煤的真实密度，g/cm3；

31、sw为水饱和度，％；

32、b为甲烷体积系数，无量纲；

33、标准状态下的甲烷体积系数计算如下：

34、

35、式中，z为甲烷气体压缩系数，无量纲；

36、t为储层温度(k)；p为储层压力(mpa)。

37、进一步的，核磁共振法获取的游离甲烷含量的方法为：

38、

39、式中，α是甲烷在标准条件下的校准系数；

40、vf代表在标准条件下测量的游离量(m3)；

41、af是游离甲烷的振幅曲线下的面积。

42、本发明的有益效果为：本发明的计算方法能避免传统体积法不能获取原位储层吸附气体含量的问题、等温吸附实验难以获得游离态甲烷含量的问题以及采用柱状样品难以达到吸附平衡状态的问题，采用低场核磁共振技术结合吸附等温实验建立了一个理论估算模型，以估算煤样表观吸附平衡状态下的甲烷含量，从而更准确和客观的评价计算煤层甲烷含量，对非常规天然气开采起到更显著的指导作用。