一种储层温压条件下测定超临界CO2驱替页岩气效率的方法和装置

一种储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的方法和装置
技术领域
1.本发明涉及页岩气勘探开发的技术领域，特别涉及一种储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的方法，同时还涉及一种储层温压条件下测定超临界 co2驱替页岩气效率的装置。


背景技术：

2.全球页岩气经济可采储量约为4.56
×
10
14
立方米，有望成为21世纪最重要的接替能源之一。中国页岩气地质资源量达95.00
×
10
12
立方米，经济可采资源量达 12.86
×
10
12
立方米，勘探开发前景广阔。然而，页岩储层与一般油气藏储层的性质不同，其孔隙和渗透率极低，纳米级孔隙大量分布，开采难度高，采收率低下。将超临界co2注入页岩气储层中不仅可以有效的提高页岩气采收率，同时也能将大量的co2封存在地下储集空间内，有效减少碳排放。
3.目前国内通过实验手段研究co2驱替页岩气效率的研究不多。目前研究的实验样品多使用页岩粉末，这种方式破坏了岩心的孔隙结构，无法对co2增强页岩气采收率的机理进行深入研究。同时，页岩粉末无法被置于有效压力状态下，这与实际工程的现状差异较大，得到的实验结果对实际工程的指导意义有限。实验过程中监测手段也较为单一，往往是通过反应釜内部压力变化或系统的总质量变化进行计量并分析co2驱替页岩气效率，监测手段过于简单。页岩气的主要成分为甲烷，甲烷在页岩中有三种赋存状态：吸附态、游离态与自由态。通过压力变化或质量变化进行计量并分析，无法进一步研究这三种不同赋存状态的甲烷在 co2驱替过程中的变化规律。未将实验岩心处于储层温压状态以及缺乏微观监测手段极大限制了co2驱替页岩气方面的研究进展。
4.综上所述，开发一套储层温度压力条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的方法和装置迫在眉睫，对缓解当前国家能源危机具有重要意义。


技术实现要素：

5.基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供一种储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的方法，方法易行，操作简便，本方法不需要计量页岩样品的重量变化或者系统的压力变化，而是通过核磁共振技术对页岩样品中的甲烷的赋存状态及含量进行精准定量分析。
6.本发明的另一个目的是在于提供了一种储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的装置，结构简单，使用方便。本发明可以实现将页岩岩心放置在真实的三轴应力条件下开展超临界co2驱替页岩气实验，更符合真实的地层条件。本发明也通过利用核磁共振技术进行测量，实现对不同赋存状态甲烷的区分和定量。
7.为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
8.一种储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的方法，其步骤为：
9.s1、利用聚四氟乙烯试样标定甲烷物质的量与核磁共振t2谱峰信号强度积分的关系；将聚四氟乙烯试样放入岩心夹持器中，利用轴压泵给聚四氟乙烯试样施加轴压，然后利用围压循环加热泵将加热的fc40溶液通入岩心夹持器的围压室中，给聚四氟乙烯试样施加围压并将岩心夹持器加热至指定温度；在恒温恒压条件下，利用真空泵将管路抽真空，利用甲烷注入泵将甲烷以不同孔压注入聚四氟乙烯试样，利用核磁共振设备测试聚四氟乙烯试样的核磁共振t2谱，通过普适气体定律，得到甲烷物质的量与核磁共振t2谱峰信号强度积分之间的线性关系：
10.m＝k*amp
ꢀꢀ
(1)
11.其中，m为甲烷物质的量，k为线性相关系数，amp为核磁共振t2谱峰信号强度积分，即t2谱与x轴形成的包络面积；
12.s2、在储层温压条件下利用甲烷饱和页岩试样；将页岩试样放入岩心夹持器中，利用轴压泵给页岩试样施加轴压，利用围压循环加热泵将加热的fc40溶液通入岩心夹持器的围压室中，给页岩试样施加围压，并将页岩试样加热至指定温度；利用甲烷注入泵将甲烷气体以一定的孔压饱和页岩试样，利用核磁共振设备测试处在储层温压状态下的页岩试样在饱和甲烷状态下的t2谱；
13.s3、利用核磁共振测定超临界co2驱替页岩试样内部甲烷过程中岩心的t2 谱变化，计算超临界co2驱替不同赋存状态下的页岩气效率；利用co2驱替泵将超临界co2以一定的孔压注入处在储层温压条件下的岩心中，利用核磁共振设备实时监测页岩试样的t2谱变化并区分页岩试样内部不同赋存状态的甲烷：
14.m
sat
＝k*amp
sat
ꢀꢀ
(2)
15.其中，m
sat
为储层温压状态下饱和甲烷状态的页岩试样内部的不同赋存形态的甲烷物质的量，amp
sat
为页岩试样的t2谱中不同弛豫时间范围的峰信号强度积分；
16.根据页岩试样的t2谱的形态，区分甲烷在页岩试样内部的不同赋存状态，并通过超临界co2驱替过程中页岩试样的t2谱变化，计算超临界co2驱替不同赋存状态下的页岩气效率：
17.m
exp
＝k*amp
exp
ꢀꢀ
(3)
[0018][0019]
其中，m
exp
为页岩试样在在co2驱替甲烷过程中页岩内部甲烷的物质的量，amp
exp
为岩试样在co2驱替甲烷过程中的t2谱峰信号强度积分，e为超临界co2驱替页岩气效率。
[0020]
上述的测试步骤中，步骤s1中测量甲烷物质的量与核磁共振t2谱峰信号强度积分之间的关系是步骤s3的计算基础；步骤s2利用岩心夹持器将页岩试样放置在储层温度压力环境下是本发明的重点；步骤s3利用核磁共振设备监测不同赋存状态的甲烷在co2驱替过程中的变化也是本发明的亮点。
[0021]
通过上述技术方法，解决了当前研究超临界co2驱替页岩气效率大多不处于储层温度压力条件下的问题，更加符合生产实际；同时根据弛豫时间的长短对不同赋存状态的甲烷进行区分，有助于深入理解超临界co2驱替页岩气的机理。
[0022]
另外，本发明的另一个目的是在于提供了一种储层温压条件下测定超临界 co2驱替页岩气效率的装置，结构简单，使用方便，本实验装置包括一套核磁共振设备、一套温压
加载单元以及一套驱替渗流单元，用于准确的测定储层温压条件下超临界co2驱替页岩气效率。
[0023]
本发明的储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的装置，包括温压加载单元、核磁共振设备以及驱替渗流单元；
[0024]
所述温压加载单元包括左端垫块、右端垫块、热缩管、岩心夹持器、轴压泵、氟油存储罐、第一针阀、第一压力表、围压循环加热泵，聚四氟乙烯试样、左端垫块、右端垫块拼接在一起，热缩管将三者连成一个整体放入岩心夹持器中，岩心夹持器、轴压泵、氟油存储罐、第一针阀、第一压力表通过管路相连，岩心夹持器与围压循环加热泵通过管路相连；所述核磁共振设备包括nmr控制台、永久磁铁、核磁探头线圈，三者通过usb数据线相连；所述驱替渗流单元包括第二针阀、真空泵、甲烷注入泵、甲烷气瓶、第三针阀、第二压力表、co2驱替泵、 co2气瓶、第四针阀、第三压力表、第五针阀、背压阀，所述第二针阀、真空泵与岩心夹持器通过管路相连；所述甲烷注入泵、甲烷气瓶、第三针阀、第二压力表与岩心夹持器通过管路相连；所述co2驱替泵、co2气瓶、第四针阀、第三压力表与岩心夹持器通过管路相连；所述第五针阀、背压阀与岩心夹持器通过管路相连。
[0025]
进一步的，所述轴压泵用于将所述氟油存储罐的氟油注入所述岩心夹持器中，用于给所述聚四氟乙烯试样和页岩试样施加轴压；所述围压循环加热泵，用于给聚四氟乙烯试样和页岩试样施加围压并将聚四氟乙烯试样和页岩试样加热至指定温度。
[0026]
进一步的，所述核磁探头线圈用于发射核磁共振脉冲序列，并接收试样内部甲烷气体的弛豫信号；所述永久磁体用于制造一个恒定场强的主磁场环境；所述 nmr控制台用于所述控制核磁探头线圈发射脉冲序列、接收并处理甲烷气体的弛豫信号。
[0027]
上述装置中，所述岩心夹持器为关键部件，利用此岩心夹持器，可以实现在储层温度压力下开展超临界co2驱替页岩气实验。所述nmr控制台、永久磁体和核磁探头线圈也为关键部件，三者通过usb数据线相连，用于实现页岩样品中甲烷赋存状态及含量的精准定量分析。
[0028]
由上，本发明与现有技术相比，本发明的核心是利用核磁共振技术监测处在储层温压状态下的页岩样品内部超临界co2驱替甲烷过程中不同形态的甲烷的核磁共振信号，进而计算测定超临界co2驱替页岩气效率，本发明更适合应用于页岩气藏开发。与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
[0029]
1、使实验岩心处在真实的储层温度压力条件下，特别是可以使岩心处在常规三轴应力状态下。
[0030]
2、通过t2谱对不同赋存状态的甲烷进行区分，可以研究三种不同赋存状态的甲烷在co2驱替过程中的变化规律。
[0031]
3、与核磁共振技术相配套，实现一机多参数，通过一次实验即可获得岩心在储层温度压力条件下的孔隙度、渗透率、相对渗透率曲线等多项参数。
附图说明
[0032]
此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
[0033]
图1为本发明的储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的装置的结构示
意图；
[0034]
图2为实施例中不同孔压下的甲烷的t2谱(图2a)以及甲烷物质的量与 t2谱峰信号强度积分的关系(图2b)结果示意图；
[0035]
图3为页岩试样饱和甲烷状态下的t2谱图；
[0036]
图4为超临界co2驱替页岩试样内部甲烷过程中岩心t2谱变化结果示意图；
[0037]
图5为超临界co2驱替页岩试样内部甲烷过程中不同赋存状态的甲烷物质的量的变化(图5a)以及co2驱替效率(图5b)示意图。
[0038]
其中：
[0039]
1-聚四氟乙烯试样、2-左端垫块、3-右端垫块、4-热缩管、5-岩心夹持器(氧化锆材质)、6-轴压泵、7-氟油存储罐(316l材质)、8-第一针阀、9-第一压力表、 10-围压循环加热泵、11-第二针阀、12-真空泵、13-甲烷注入泵、14-甲烷气瓶、 15-第三针阀、16-第二压力表、17-nmr控制台、18-永久磁铁、19-核磁探头线圈、20-页岩试样，21-co2驱替泵、22-co2气瓶、23-第四针阀、24-第三压力表、 25-第五针阀、26-背压阀。
具体实施方式
[0040]
如图1至图5所示，本发明的储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的方法，核心原理是利用核磁共振设备监测实验岩心中甲烷的赋存状态以及含量变化，具体步骤为：
[0041]
s1、利用聚四氟乙烯试样1标定甲烷物质的量与核磁共振t2谱峰信号强度积分的关系；将聚四氟乙烯试样1放入岩心夹持器5中，利用轴压泵6给聚四氟乙烯试样1施加轴压，然后利用围压循环加热泵10将加热的fc40溶液通入岩心夹持器5的围压室中，给聚四氟乙烯试样1施加围压并将岩心夹持器5加热至指定温度；在恒温恒压条件下，利用真空泵12将管路抽真空，利用甲烷注入泵13 将甲烷以不同孔压注入聚四氟乙烯试样1，利用核磁共振设备测试聚四氟乙烯试样1的核磁共振t2谱，通过普适气体定律，得到甲烷物质的量与核磁共振t2 谱峰信号强度积分之间的线性关系：
[0042]
m＝k*amp
ꢀꢀ
公式1
[0043]
其中，m为甲烷物质的量，amp为核磁共振t2谱峰信号强度积分，即t2谱与x轴形成的包络面积，k为线性相关系数。amp和k都由具体实验数据求得。
[0044]
s2、在储层温压条件下利用甲烷饱和页岩试样20；将页岩试样20放入岩心夹持器5中，利用轴压泵6给页岩试样20施加轴压，利用围压循环加热泵10 将加热的fc40溶液通入岩心夹持器5的围压室中，给页岩试样20施加围压，并将页岩试样20加热至指定温度，根据储层岩心所处的温度和压力条件设置试验岩心的轴压、围压以及温度；利用真空泵12将驱替系统抽真空后，利用甲烷注入泵13将甲烷气体以一定的孔压饱和页岩试样20，利用核磁共振设备测试处在储层温压状态下的页岩试样20在饱和甲烷状态下的t2谱。
[0045]
s3、利用核磁共振测定超临界co2驱替页岩试样内部甲烷过程中岩心的t2 谱变化，计算超临界co2驱替不同赋存状态下的页岩气效率；利用co2驱替泵 21将超临界co2以一定的孔压注入处在储层温压条件下的岩心中，利用核磁共振设备实时监测页岩试样20的t2谱变化并区分页岩试样20内部不同赋存状态的甲烷：
[0046]msat
＝k*amp
sat
公式2
[0047]
其中，m
sat
为储层温压状态下饱和甲烷状态的页岩试样内部的不同赋存形态的甲烷物质的量，amp
sat
为页岩试样的t2谱中不同弛豫时间范围的峰信号强度积分；
[0048]
根据页岩试样的t2谱的形态，区分甲烷在页岩试样内部的不同赋存状态，并通过超临界co2驱替过程中页岩试样的t2谱变化，利用如下公式3、4，计算超临界co2驱替不同赋存状态下的页岩气效率：
[0049]mexp
＝k*amp
exp
公式3
[0050][0051]
其中，m
exp
为页岩试样在在co2驱替甲烷过程中页岩内部甲烷的物质的量，amp
exp
为岩试样在co2驱替甲烷过程中的t2谱峰信号强度积分，e为超临界co2驱替页岩气效率。
[0052]
实施例1：
[0053]
一种储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的方法，其步骤是：
[0054]
(1)、将外径为25mm、内径为5mm、高为50mm的聚四氟乙烯试样1、左端垫块2、右端垫块3连接在一起。利用热缩管4将聚四氟乙烯试样1、左端垫块2、右端垫块3紧密相连。随后将聚四氟乙烯试样1、左端垫块2、右端垫块3和热缩管4形成的共同体放入岩心夹持器5中。
[0055]
(2)、利用所述轴压泵6从氟油存储罐7吸入氟油，打开所述第一针阀8，将氟油通入岩心夹持器5的轴压室中，给聚四氟乙烯试样1施加轴压，压力设置为12mpa，第一压力表9用于进行轴压监测。
[0056]
(3)、利用围压循环加热泵10将加热的fc40溶液通入岩心夹持器5的围压室中，给聚四氟乙烯试样1施加一定的围压，压力设置为10mpa。同时将岩心夹持器5加热至指定温度，温度设置为45℃。
[0057]
(4)、打开第二针阀11，利用真空泵12将管路抽真空，持续时间为2小时。
[0058]
(5)、利用甲烷注入泵13从甲烷气瓶14中抽取高纯度甲烷气体。打开第三针阀15，将甲烷以不同孔压注入聚四氟乙烯试样1，压力分别为2mpa、4mpa、 6mpa、8mpa。第二压力表16用于监测孔压数值。利用nmr控制台17给处在永久磁铁18中的聚四氟乙烯试样1发射核磁射频脉冲，并利用核磁探头线圈19 接收核磁弛豫信号。本实施例中不同孔压下的甲烷的t2谱的结果如图2a所示。根据普适气体定律，计算得到甲烷物质的量与t2谱峰信号强度积分之间关系，计算结果见图2b和公式5：
[0059]
m＝8.425
×
10-3
*amp公式5
[0060]
其中，m为甲烷物质的量，amp为t2谱峰信号强度积分。
[0061]
(6)、卸去压力，将聚四氟乙烯试样1取出岩心夹持器5。
[0062]
(7)、将直径为25mm，长为50mm的页岩试样20、左端垫块2、右端垫块3连接在一起。利用热缩管4将页岩试样20、左端垫块2、右端垫块3紧密相连。随后将页岩试样20、左端垫块2、右端垫块3和热缩管4形成的共同体放入岩心夹持器5中。
[0063]
(8)、利用轴压泵6给页岩试样20施加轴压，轴压设置为12mpa。利用围压循环加热泵10给页岩试样20施加围压并加热，围压和温度分别设置为10mpa 和45℃。利用真空泵12将管路抽真空，持续时间为24小时。利用甲烷注入泵 13将甲烷以6mpa的孔压通入页岩试样20中，持续48个小时。利用nmr控制台17发射核磁射频脉冲，并利用核磁探头线圈19接收处在储层温压状态下的页岩试样20在饱和甲烷状态下的t2谱，结果如图3所示。根据页岩试样
20的核磁共振t2谱形态，可以将页岩试样20中的甲烷气体分为吸附态(p1)、游离态 (p2)以及自由态(p3)。利用公式6，可以计算出页岩试样20在饱和甲烷状态下，不同赋存形态的甲烷物质的量。
[0064]msat
＝8.425
×
10-3
*amp
sat
公式6
[0065]
其中，m
sat
为储层温压状态下饱和甲烷状态的页岩试样内部的不同赋存形态的甲烷物质的量，amp
sat
为页岩试样的t2谱中不同弛豫时间范围的峰信号强度积分。
[0066]
甲烷状态吸附态游离态自由态全部甲烷信号强度积分96.72694.65184.87976.24甲烷物质的量(mmole)0.815.851.568.2
[0067]
(9)、利用co2驱替泵21从co2气瓶22中抽取高纯度co2气体。打开第四针阀23，co2以一定的8mpa孔压注入处在页岩试样20中。利用第三压力表24 监测孔压数值。打开第五针阀25，被驱替出来的甲烷气体经过背压阀26后通入大气。利用核磁共振监测页岩试样20的t2谱变化。本实施例中co2注入过程中页岩试样20的t2谱变化如图4。计算得到页岩试样20中不同状态的甲烷的核磁信号强度积分如下表所示：
[0068][0069][0070]
本发明的实施例的页岩试样20在轴压12mpa，围压10mpa以及温度45℃下超临界co2驱替甲烷的物质的量以及效率，可由公式7以及公式8求得：
[0071]mexp
＝8.425
×
10-3
*amp
exp
公式7
[0072][0073]
其中，m
ini
和m
exp
为页岩试样在饱和甲烷状态以及co2驱替甲烷过程中页岩内部甲烷的物质的量，amp
exp
为岩试样在饱和甲烷状态以及co2驱替甲烷过程中的t2谱峰信号强度积分，e为超临界co2驱替页岩气效率。
[0074]
本实施例中页岩试样20中的甲烷具有3种不同的状态：吸附态(p1)、游离态(p2)以及自由态(p3)，通过计算得到页岩试样20中三种状态甲烷以及整个样品的甲烷物质的量变化以及co2驱替效率的计算结果见图5。
[0075]
本发明的装置和方法，可以测定储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率，通过t2谱的筛选，区分不同赋存状态的甲烷的变化规律。
[0076]
实施例2：
[0077]
一种储层温压条件下测定超临界co2驱替页岩气效率的装置，它由温压加载单元、核磁共振设备以及驱替渗流单元组成。温压加载单元包括左端垫块2、右端垫块3、热缩管4、岩心夹持器5、轴压泵6、氟油存储罐7、第一针阀8、第一压力表9、围压循环加热泵10，通过管路相连接，使试样处在储层温度压力条件下。
[0078]
聚四氟乙烯试样1、左端垫块2、右端垫块3拼接在一起，热缩管4将前三者连成一个整体放入岩心夹持器5中。轴压泵6、氟油存储罐7、第一针阀8、第一压力表9、岩心夹持器5的轴压室通过管路依次相连。轴压泵6从所述氟油存储罐7中吸入氟油，并通过第一针阀8，将氟油通入岩心夹持器5的轴压室中，给聚四氟乙烯试样1施加轴压，轴压设为12mpa。围压循环加热泵10与岩心夹持器5的围压室通过管路相连，用于给所述聚四氟乙烯试样1施加围压和温度。围压循环加热泵10将加热的fc40溶液通入岩心夹持器5的围压室中，给聚四氟乙烯试样1施加围压和温度，压力和温度分别设置为10mpa和45℃。
[0079]
核磁共振设备包括nmr控制台17、永久磁铁18、核磁探头线圈19，三者通过usb数据线相连。nmr控制台17给处在永久磁铁18中的聚四氟乙烯试样 1发射核磁射频脉冲，并利用核磁探头线圈19接收核磁弛豫信号，用于计算甲烷物质的量与t2谱峰信号强度积分之间关系。
[0080]
驱替渗流单元包括第二针阀11、真空泵12、甲烷注入泵13、甲烷气瓶14、第三针阀15、第二压力表16、co2驱替泵21、co2气瓶22、第四针阀23、第三压力表24、第五针阀25、背压阀26，第二针阀11、真空泵12与岩心夹持器5 通过管路相连。第二针阀11和真空泵12通过管路相连，用于给驱替系统内部抽真空。甲烷注入泵13、甲烷气瓶14、第三针阀15、第二压力表16与岩心夹持器5的驱替管路通过管路依次相连。甲烷注入泵13从甲烷气瓶14中抽取高纯度甲烷气体，通过第三针阀15将甲烷气体以不同的孔压通入聚四氟乙烯试样1中，孔压分别设置为2mpa、4mpa、6mpa、8mpa。co2驱替泵21、co2气瓶22、第四针阀23、第三压力表24与岩心夹持器5的驱替管路通过管路依次相连。co2驱替泵21从co2气瓶22中抽取高纯度co2，通过第四针阀23将co2以恒定压力通入页岩试样20中，开展co2驱替甲烷实验。利用核磁共振设备监测所述页岩试样20中t2谱变化。
[0081]
本发明为使用所述聚四氟乙烯试样1以测定甲烷物质的量与t2谱峰信号强度积分之间关系，利用页岩试样20开展co2驱替甲烷实验。页岩试样20和聚四氟乙烯试样1在空间上占据同一位置，但在时间上使用顺序不同。
[0082]
以上，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。