[發明專利]一種多尺度巖心吸附-解析-開采模擬實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 202110254289.X
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN112964597B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 李文鏢;盧雙舫;李俊乾;張鵬飛;王子軼;李霄;魏永波;宋兆京;郅琪
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01N7/04
• 分類號: G01N7/04;G01N7/16;G01N30/02;G01N27/62
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 韓雪梅

本發明提供了一種多尺度巖心吸附?解析?開采模擬實驗裝置及方法，裝置包括：供氣模塊、氣體收集模塊、吸附?解析模塊、抽真空模塊、流量控制模塊、測試模塊、排氣模塊以及計算機。本發明通過設置上述模塊能夠同時進行頁巖甲烷等溫吸附實驗、常壓解析實驗、定產開采模擬和定壓開采模擬實驗，不僅節約了多個實驗目的所需裝置的投入成本，還提高工作效率的同時，也為研究尺度效應導致的氣體產出特征以及同位素分餾規律差異提供了研究手段，搭建實驗室模擬實驗與地下真實過程之間的橋梁。

技術領域

本發明涉及頁巖氣井生產方案優化與調整技術領域，特別是涉及一種多尺度巖心吸附-解析-開采模擬實驗裝置及方法。

背景技術

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以賦存于天然裂縫和基質孔隙內的游離氣和吸附于粘土礦物和有機質表面的吸附氣為主的天然氣聚集。其中，吸附氣占比通?？蛇_頁巖氣含量的20％～80％(Curtis,2002)。游離氣的產出是頁巖氣井生產初期高產的主要貢獻者，而吸附氣的有效產出則是頁巖氣井生產中、后期保持高產/穩產的重要機制(Tang and Xia.,2011)。因此，對于頁巖地層條件下總含氣量和吸附氣/游離氣比例的準確計算，對頁巖氣資源潛力的客觀評估和有利區塊、層位的篩選具有重要意義。此外，生產過程吸附氣和游離氣產出比例的有效判識，也將有助于頁巖氣井生產狀態判識和開發方案的優化和調整。

對于地層條件下頁巖含氣量和吸附氣/游離氣比例，國內外學者提出了眾多的方法，主要分為兩大類：(1)根據現場解析過程將頁巖氣劃分為損失氣、解析氣和殘余氣的直接法，又稱為巖心解析法；(2)根據氣體賦存狀態將頁巖氣劃分為游離氣、吸附氣以及(少量的)溶解氣。解析氣和殘余氣量通過實測獲得，因此直接法的關鍵在于損失氣量的恢復，恢復方法中應用最為廣泛的是由美國礦業局基于煤層氣擴散理論提出的USBM法(Kissell等，1973)，通過擬合初期解析氣量線性反推獲取損失氣量，該方法原理上更適用于埋藏較淺、吸附氣比例較高的煤層氣，而在頁巖氣中使用時其評價結果受到普遍的質疑(魏強等，2015)。其他直接法，如多項式擬合法(Yee等，1993)、Smith-Williams(Smith等，1987)、下降曲線法(McColloch等，1975)和Amoco曲線法(Diamond等，1998)等，由于與USBM法具有相似的理論基礎，因此也存在相同的問題，因此未得到廣泛使用。

間接法中應用最為廣泛的是等溫吸附法。通過在實驗室內測試粉碎頁巖樣品在一定溫度和壓力條件下的甲烷吸附量，之后利用實測數據標定不同模型(如Langmiur模型和BET模型)中的關鍵參數，由于評價頁巖吸附天然氣的能力，這一方法的問題在于其評價的是頁巖吸附天然氣的能力，而非實際吸附氣量。此外，等溫吸附實驗難以模擬頁巖儲層的溫度、壓力、含水量及其分布條件，因此，通過等溫吸附法評價頁巖含氣量的結果準確性存疑。而間接法中的其他方法，如測井解釋法、統計法和圖版法等，由于需要借助其他方法獲得的含氣量計算結果建立經驗關系，因此也并非是一種新的、獨立的方法，其他方法存在的問題這個方法同樣存在。

近年來研究人員普遍發現，不論是在小尺度巖心的實驗室物理模擬過程(陶成等，2020；李文鏢等，2020)、中等尺度巖心裝罐解析過程(等，2006；Wang等，2015；Ma等，2020)，還是大規模頁巖氣生產過程(胡國藝等，2007；Gao等，2017；Niemann等，2017)都存在顯著且復雜的同位素分餾效應，并且同位素分餾特征被發現與頁巖氣解析進程、總含氣量、吸附氣/游離氣比例以及巖石滲透率等密切相關，展示了利用同位素方法解決頁巖地層條件下含氣量和吸附氣/游離氣比例的巨大潛力。

而對于頁巖氣生產階段及產能變化趨勢，目前國內外主要借助壓降變化、產量遞減趨勢、數值模擬來預測(產量和EUR)，但由于我國頁巖氣開發歷程短，難以評價這些技術的有效性和準確性。此外，有關生產過程中頁巖氣吸附態與游離態轉換階段和機理的研究手段有限，僅借助產量和井底壓力的單調變化難以反映頁巖氣井的生產階段和生產狀態。頁巖氣解析/開采過程中普遍存在的同位素分餾效應為評價這一問題提供了全新的思路和技術手段。