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中国地质大学（武汉）《地球科学》编辑部
摘要详情
13 / 2021-05-08 16:45:28
基于现场解析实验的页岩含气量数值模拟
页岩含气量,解析实验,损失气,连续方程,数值模拟
页岩油气理论与技术
全文录用
原地含气量作为页岩气富集程度的一个重要指标，决定了页岩气资源量及开发潜力，对资源评价和目标“甜点区”优选具有重要的现实意义。准确的含气量评价是一项基础但又充满挑战的工作。适用于煤层气的USBM直接法是目前被广泛采用的测定页岩含气量的主要方法，但页岩储层与煤层存在两大主要差异使损失气直接恢复方法不适用于页岩气藏。一方面，页岩储层中存在大量游离气，在取芯过程中游离气膨胀导致很大一部分气体损失。另一方面，页岩储层比煤层深得多，导致取芯时间长得多，从储层到地表的压力变化剧烈得多。岩芯压力的剧烈变化同时触发了气体膨胀和解吸，与煤层气单纯的气体解吸具有不同的内在机理。对于水基泥浆钻井，USBM直接法以取芯至一半深度对应时间为损失气恢复零点，同样不适用于页岩气藏。
对于恒温条件的圆柱体岩芯样品，根据质量守恒定律，任意时刻岩芯内所含甲烷气体质量与流出岩芯甲烷气体质量之和始终等于初始时刻岩芯内所含气体质量，用连续方程表示为：
考虑到页岩气主要存在游离相和吸附相两种赋存形态，以及平行层理气体渗透率为主的特征，采用圆柱坐标系将上述方程进一步改写为：
其中ρ表示游离气密度，φ表示含气孔隙度，q表示吸附气含量，k表示气体渗透率，μ表示气体粘度，p表示气体压力，r表示圆柱岩芯半径，t表示时间。游离气密度采用真实气体密度方程表示，吸附气遵循Langmuir方程，代入上述方程并经过变换之后改写为：
其中cg表示气体压缩，ρb表示岩石密度，ρstd表示标况下甲烷气体密度，PL表示兰氏压力，VL表示兰氏体积。上述方程表示压力在时间和空间上的变化，初始条件为初始流体压力，边界条件为取芯过程中泥浆柱压力（假定匀速提钻）与大气压之和，采用数值差分方程求解。
采用上述方程计算岩芯初始含气量的过程包括：（1）采用上述方程拟合现场解析实验曲线，确定二阶渗透率方程；（2）采用上述方程计算取芯过程中气体损失曲线。值得注意的是，页岩损失气计算零点以初始压力与边界压力相等时刻为零点时刻。
焦页2井2545.55-2545.75m岩芯（长20cm，直径10cm，重3555g）开始提钻时间为7月24日23:30:00，到达井口时间为7月25日06:00:00，现场解析实验开始时间为7月25日06:17:00。解析实验采用两段式，第一段泥浆循环温度（53℃）解析3小时，第二段110℃解析至终止，解析曲线与USBM直接法计算结果见图1。现场解析实验获得解析气量为1 m3/t，直线拟合法计算岩芯含气量为2.11m3/t，二项式拟合法获得岩芯含气量为4.66m3/t。
岩芯样品实验参数如下：氦气孔隙度5%，含水饱和度30%，兰氏压力2.855MPa，兰氏体积2.02m3/t，岩石密度2200kg/m3。钻井所用泥浆密度为1550 kg/m3。初始地层压力为37.7MPa。首先，数值拟合第一段解析数据，结果见图2，拟合度良好，确定二阶渗透率方程为：k=3.56+68.73/p-5.08/p2。然后，以初始压力和边界压力条件计算取芯过程中气体解析曲线，计算结果见图3。取芯过程岩芯损失气量达5.62 m3/t，总含气量为6.62 m3/t，约85%的含气量在取芯过程中损失。连续方程包含了游离相和吸附相，因此数值模拟方法还能确定游离气和吸附气含量随时间的变化过程（图4）。初始时刻游离气含量为4.85 m3/t，吸附气含量为1.77 m3/t，含气量下降主要原因为取芯过程中游离气膨胀损失所导致。
对于恒温条件的圆柱体岩芯样品，根据质量守恒定律，任意时刻岩芯内所含甲烷气体质量与流出岩芯甲烷气体质量之和始终等于初始时刻岩芯内所含气体质量，用连续方程表示为：
考虑到页岩气主要存在游离相和吸附相两种赋存形态，以及平行层理气体渗透率为主的特征，采用圆柱坐标系将上述方程进一步改写为：
其中ρ表示游离气密度，φ表示含气孔隙度，q表示吸附气含量，k表示气体渗透率，μ表示气体粘度，p表示气体压力，r表示圆柱岩芯半径，t表示时间。游离气密度采用真实气体密度方程表示，吸附气遵循Langmuir方程，代入上述方程并经过变换之后改写为：
其中cg表示气体压缩，ρb表示岩石密度，ρstd表示标况下甲烷气体密度，PL表示兰氏压力，VL表示兰氏体积。上述方程表示压力在时间和空间上的变化，初始条件为初始流体压力，边界条件为取芯过程中泥浆柱压力（假定匀速提钻）与大气压之和，采用数值差分方程求解。
采用上述方程计算岩芯初始含气量的过程包括：（1）采用上述方程拟合现场解析实验曲线，确定二阶渗透率方程；（2）采用上述方程计算取芯过程中气体损失曲线。值得注意的是，页岩损失气计算零点以初始压力与边界压力相等时刻为零点时刻。
焦页2井2545.55-2545.75m岩芯（长20cm，直径10cm，重3555g）开始提钻时间为7月24日23:30:00，到达井口时间为7月25日06:00:00，现场解析实验开始时间为7月25日06:17:00。解析实验采用两段式，第一段泥浆循环温度（53℃）解析3小时，第二段110℃解析至终止，解析曲线与USBM直接法计算结果见图1。现场解析实验获得解析气量为1 m3/t，直线拟合法计算岩芯含气量为2.11m3/t，二项式拟合法获得岩芯含气量为4.66m3/t。
岩芯样品实验参数如下：氦气孔隙度5%，含水饱和度30%，兰氏压力2.855MPa，兰氏体积2.02m3/t，岩石密度2200kg/m3。钻井所用泥浆密度为1550 kg/m3。初始地层压力为37.7MPa。首先，数值拟合第一段解析数据，结果见图2，拟合度良好，确定二阶渗透率方程为：k=3.56+68.73/p-5.08/p2。然后，以初始压力和边界压力条件计算取芯过程中气体解析曲线，计算结果见图3。取芯过程岩芯损失气量达5.62 m3/t，总含气量为6.62 m3/t，约85%的含气量在取芯过程中损失。连续方程包含了游离相和吸附相，因此数值模拟方法还能确定游离气和吸附气含量随时间的变化过程（图4）。初始时刻游离气含量为4.85 m3/t，吸附气含量为1.77 m3/t，含气量下降主要原因为取芯过程中游离气膨胀损失所导致。